(57)【要約】【課題】低抵抗のシリサイド膜を安定して形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】まず、シリコン基板１１表面にシリサイド形成領域が露出した状態で、基板上に金属膜１７が形成される。次いで、金属膜１７が形成された基板１１に対して、大気圧より高い圧力下での熱処理を行って、上記シリサイド形成領域に含まれるシリコンと上記金属膜１７とを反応させることにより、シリサイド膜１８ａ、１８ｂが形成される。続いて、当該熱処理において未反応の金属膜が除去された後、熱処理により結晶相転移させ、基板上に形成されたシリサイド膜１８ａ、１８ｂの低抵抗化処理が行われる。【選択図】図１
2008053532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリサイド膜を備える半導体装置の製造方法において、
基板表面にシリサイド形成領域が露出した状態で、基板上に金属膜を形成する工程と、
大気圧より高い圧力下での熱処理により、前記シリサイド形成領域に含まれるシリコンと前記金属膜とを反応させてシリサイド膜を形成する工程と、
前記熱処理において、未反応の前記金属膜を除去する工程と、
熱処理により前記シリサイド膜を結晶相転移させて低抵抗化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記大気圧より高い圧力下での熱処理の処理温度が６００℃以下である請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記大気圧より高い圧力下での熱処理の処理圧力が１０４０ｈＰａ以上である請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記シリサイド膜形成工程よりも前に、前記金属膜上に酸化防止膜を形成する工程を、さらに含む請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記酸化防止膜が、窒化チタンもしくは窒化タングステンからなる請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記金属膜が、コバルト、ニッケル、およびチタンから選択された少なくとも１の金属を含む請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記金属膜形成後、シリサイド膜を低抵抗化するまでの熱処理が２回以上に分けて実施される請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、シリサイド膜を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体デバイスの微細化に伴い、トランジスタのソース領域およびドレイン領域を構成する不純物領域のシート抵抗の上昇や、ゲート電極の配線抵抗の上昇に起因した信号遅延が顕在化している。この対策として、不純物領域上およびゲート電極上にシリサイド膜を形成することにより、不純物領域およびゲート電極を低抵抗化する技術が広く普及している。
【０００３】
上記シリサイド膜は、不純物領域の上面およびポリシリコンからなるゲート電極の上面が露出した半導体基板上に、チタン、コバルト、あるいはニッケル等の金属膜を堆積した後、熱処理を行うことにより形成される。当該熱処理は、通常、半導体基板上に露出している不純物領域とゲート電極とにシリサイド反応を生じさせる第１の熱処理と、第１の熱処理により形成されたシリサイド膜を結晶相転移させて低抵抗化する第２の熱処理により構成されている。なお、第１の熱処理は、シリサイド膜が金属膜を伝って横方向に成長することがなく、所望の領域のみに形成されるように比較的低温で実施される。そして、第１の熱処理において、シリサイド反応を生じなかった未反応の金属膜がエッチング除去された後、第２の熱処理が比較的高温で実施される。上記熱処理は、ＲＴＰ（Rapid Thermal Process）装置等の熱処理装置を用いて行われる。例えば、第１の熱処理は、処理温度３００〜７００℃、処理時間３０〜１２０秒の条件で行うことができ、第２の熱処理は、処理温度５００〜９００℃、処理時間１０〜９０秒の条件で行うことができる。
【０００４】
また、より低抵抗なシリサイド膜を形成するための様々な技術が提案されている。例えば、後掲の特許文献１には、金属膜としてチタンを使用し、大気圧より高い圧力状態にあるファーネスを使用したバッチ処理により第２の熱処理を行う技術が提案されている。当該技術では、例えば、処理圧力７０ＭＰａ、処理温度７００℃、処理時間１０分で第２の熱処理が行われる。当該技術によれば、シリサイド膜にストレスが印加された状態で第２の熱処理が行われるため、シリサイド膜の結晶相転移が促進され低抵抗なシリサイド膜を実現することができるとされている。
【特許文献１】特開平１０−３３５２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、シリサイド反応を行わせる場合、シリサイド膜形成のために半導体基板上に堆積された金属膜が酸化していると、シリサイド反応が阻害されてシリサイド膜が高抵抗化することが知られている。このため、金属膜上には、通常、金属膜の酸化を抑制する酸化防止膜として、窒化チタン膜や窒化タングステン膜等が形成されている。
【０００６】
しかしながら、本願発明者は、第１の熱処理の際に、処理室内に酸化性ガスが混入した場合、金属膜上に酸化防止膜が形成されている場合であっても、シリサイド膜の抵抗値が上昇することを見いだした。
【０００７】
図４は、酸素の混入割合が０％、５％、１０％、１３％である窒素ガス雰囲気で第１の熱処理を行った場合に形成されたシリサイド膜の抵抗値を示す図である。なお、第１の熱処理にはＲＴＰ装置を使用し、その処理条件は、処理温度４５０℃、処理時間６０秒である。また、図４では、シリサイド膜を形成するための金属膜としてコバルト膜を使用し、コバルト膜上に窒化チタン膜からなる酸化防止膜を形成している。
【０００８】
図４から理解できるように、処理室内に酸素が混入した状態で第１の熱処理が行われた場合、形成されたシリサイド膜の抵抗値が上昇している。この結果より、処理室内に混入した酸素は酸化防止膜を突き抜けてコバルト膜に到達し、シリサイド反応を阻害していることが理解できる。すなわち、酸化防止膜は、常温で大気放置された場合等には、金属膜の酸化を抑制することができるが、熱処理中の金属膜の酸化を抑制することができないのである。加えて、第１の熱処理の際に、処理室内に酸化性ガスが混入した場合、特許文献１に記載されるように高圧下で第２の熱処理を実施し、コバルトシリサイド膜の結晶相転移を促進させても、低抵抗なシリサイド膜は形成できなかった。このようなシリサイド膜の抵抗値の上昇は、半導体装置の電気特性低下の要因となる。
【０００９】
一方、処理室内に酸化性ガスが混入した状態で第１の熱処理を行った場合、酸化防止膜である窒化チタン膜が酸化することがある。窒化チタン膜が酸化していない場合、コバルト膜上の窒化チタン膜は、第１の熱処理後に未反応のコバルト膜をエッチング除去する際に、コバルト膜とともに除去される。しかしながら、窒化チタン膜が酸化した場合、未反応のコバルト膜をエッチング除去する際に、酸化した窒化チタン膜は除去されない。この結果、残存した窒化チタン膜を介したリークパスが半導体装置上に形成され、半導体装置の製造歩留まりが低下するという問題が生じる。また、完全なリークパスが形成されない場合であっても、半導体装置の長期信頼性を低下させてしまう。
【００１０】
本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、低抵抗のシリサイド膜を安定して形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、シリサイド膜を備える半導体装置の製造方法を前提としている。そして、本発明に係る半導体装置の製造方法では、まず、基板表面にシリサイド形成領域が露出した状態で、基板上に金属膜が形成される。次いで、金属膜が形成された基板に対して、大気圧より高い圧力下での熱処理を行って、上記シリサイド形成領域に含まれるシリコンと上記金属膜とを反応させことにより、シリサイド膜が形成される。続いて、当該熱処理において未反応の金属膜が除去された後、熱処理により結晶相転移させ、基板上に形成されたシリサイド膜の低抵抗化処理が行われる。
【００１２】
上記構成において、大気圧より高い圧力下での熱処理の処理温度は６００℃以下とすることができる。また、当該熱処理の処理圧力は１０４０ｈＰａ以上であることが好ましい。また、シリサイド膜形成工程よりも前に、上記金属膜上に酸化防止膜を形成してもよい。酸化防止膜は、例えば、窒化チタン膜や窒化タングステンにより形成することができる。
【００１３】
また、上記金属膜は、コバルト、ニッケル、およびチタンから選択された少なくとも１の金属を含む金属を使用することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、設備異常等により熱処理が行われる処理室にリークパスが発生した場合でも、大気中の酸素の影響を受けることなく、シリサイド膜を安定して形成することが可能である。このため、半導体装置の特性低下や長期信頼性低下が生じることを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、シリサイドゲートを有するＭＩＳ型トランジスタを備えた半導体装置のシリサイド膜を形成する事例として本発明を具体化している。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態における半導体装置の製造過程を示す工程断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、トレンチ型の素子分離（図示せず）により区分されたシリコン基板１１の領域に、熱酸化法等により厚さ１０ｎｍ以下のシリコン酸化膜等からなるゲート絶縁膜１２が形成される。ゲート絶縁膜１２上には、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により厚さ２００ｎｍ以下の多結晶シリコン膜が堆積される。その多結晶シリコン膜に対して、公知のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を適用することにより、ゲート絶縁膜１２上に多結晶シリコンからなるゲート電極１３が形成される。その後、ゲート電極１３をマスクとしてシリコン基板１１に不純物イオンを注入することにより、低濃度不純物領域１４が形成される。
【００１７】
次に、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１１上にＣＶＤ法によって厚さ１００ｎｍ程度の酸化膜を堆積した後、その酸化膜をエッチバックすることにより、ゲート電極１３の側面上に酸化膜からなる絶縁性サイドウォール１５が形成される。その後、ゲート電極１３および絶縁性サイドウォール１５をマスクとしてシリコン基板１１に不純物イオンを注入することにより、高濃度不純物領域１６が形成される。ここで、低濃度不純物領域１４および高濃度不純物領域１６は、ＭＩＳ型トランジスタのソース領域、ドレイン領域として機能する。
【００１８】
続いて、図１（ｃ）に示すように、シリコン基板１１上の全面に、スパッタリング法により、シリサイド膜を形成するための金属材料である厚さ１０ｎｍ程度のコバルト膜が成膜される。コバルト膜上には、酸化防止膜である厚さ１３ｎｍ程度の窒化チタン膜が成膜される。なお、図１（ｃ）では、コバルト膜と窒化チタン膜の積層膜を金属膜１７として図示している。この後、ＲＴＰ装置において、純窒素ガス雰囲気で第１の熱処理が行われる。当該熱処理の処理条件は、処理温度３００〜５００℃、処理時間２０〜１２０ｓｅｃ程度である。当該熱処理により、ゲート電極１３および高濃度不純物領域１６のシリコンとコバルト膜とが反応し、シリサイド膜（主として、ＣｏＳｉ）が形成される。このとき、コバルト膜は絶縁性サイドウォール１５とは反応しないため、ゲート電極１３上および高濃度不純物領域１６上にのみ、自己整合的にシリサイド膜が形成される。また、窒化チタン膜は、そのまま未反応金属としてシリサイド膜上に残存する。
【００１９】
次に、図１（ｄ）に示すように、絶縁性サイドウォール１５上等に残存している未反応のコバルト膜と窒化チタン膜をＨＰＭ（Hydrochloric Acid-Hydrogen Peroxide-Water Mixture）洗浄液を用いてエッチング除去する。これにより、ゲート電極１３上にシリサイド膜１８ａが形成され、高濃度不純物領域１６上にシリサイド膜１８ｂが形成される。
【００２０】
続いて、ＲＴＰ装置において、純窒素ガス雰囲気で第２の熱処理が行われる。当該熱処理の処理条件は、処理温度６００〜８５０℃、処理時間２０〜１２０ｓｅｃ程度である。当該熱処理により、第１の熱処理にて形成されたシリサイド膜（主としてＣｏＳｉ）は結晶相転移し、主としてコバルトダイシリサイド（ＣｏＳｉ2）となる。この結果、ゲート電極１３上および高濃度不純物領域１６上のシリサイド膜１８ａ、１８ｂがそれぞれ低抵抗化される。
【００２１】
図２は、第１の熱処理および第２の熱処理に使用されるＲＴＰ装置の要部構成図である。図２に示すように、ＲＴＰ装置２０は、金属製のチャンバ２１を備えている。チャンバ２１の上部には、石英板２３を介して、ランプ光源となる多数のタングステンハロゲンランプ等を備えたランプユニット２２が設けられている。チャンバ２１内には基板２５を水平に支持する支持リング２４が設けられている。支持リング２４は、チャンバ２１の底部に水平面内で回転自在に設けられた回転シリンダ３２に支持されている。熱処理中に回転シリンダ３２は、図示しない駆動機構により回転され、基板２５をチャンバ２１内で、例えば、９０〜２５０回転／分で回転させる。
【００２２】
また、支持リング２４に載置された基板２５の裏面側には、複数の温度プローブ２６が基板２５の中心に対向する位置から外周に対向する位置に渡って設置されている。当該温度プローブ２６は、基板２５の裏面からの放射光に基づいて基板２５の面内の温度および温度分布を計測する。そして、図示しない温度制御部が計測された基板２５の温度に基づいて、ランプユニット２２の各ランプが放射する光量を調節することにより、基板２５面内の温度が所定の処理温度に維持される。なお、チャンバ２１には、プロセスガスを導入するガス導入路２７と、チャンバ２１内のプロセスガスを排気するガス導出路２８が設けられている。熱処理中の処理圧力は、ガス導出路２８に接続された圧力計２９の計測値に基づいて圧力制御弁３０の開度を調整することにより所定の圧力に維持される。なお、基板２５は、例えば、チャンバ２１の側壁に開閉自在に設けられた、図示しない基板入出口から搬入出される。
【００２３】
図３は、上述のＲＴＰ装置２０において、熱処理に使用される一般的な熱処理シーケンスを示す図である。図３に示すように、熱処理シーケンスは、昇温プロセスと、所定の熱処理温度Ｔｍを所定時間ｔだけ保持するメインプロセスと、降温プロセスからなる。なお、上述の処理時間は所定時間ｔであり、上述の処理温度は温度Ｔｍである。
【００２４】
さて、本実施形態では上述の第１の熱処理および第２の熱処理を行う場合、チャンバ２１の基板２５が設置された空間部分（処理室）が大気圧以上となるように、圧力制御弁３０の開度が調整される。これにより、例えば、石英板２３の設置異常や温度プローブ２６の設置異常等の装置異常により、チャンバ２１とチャンバ２１外部との間にリークパスが生じた場合でも、チャンバ２１内への大気の進入を確実に防止することができる。例えば、リークパスを通じて１ＳＬＭ（standard liter per minute）の大気がチャンバ２１内に流入した場合、５％程度の酸素が混入することになる。すなわち、本実施形態によれば、第１の熱処理を、雰囲気中に酸素の混入がない状態で確実に行うことができる。この結果、低抵抗なシリサイド膜を安定して形成することができる。
【００２５】
なお、処理室の圧力は、ＲＴＰ装置２０が設置されているクリーンルーム内の大気圧よりも高い圧力であればよいが、１０４０ｈＰａ〜１２００ｈＰａの範囲とすることが望ましい。これは、１０４０ｈＰａより小さいとチャンバ２１内への大気の流入防止効果が低下するためである。また、１２００ｈＰａより大きいと、チャンバ２１とチャンバ２１外部との間にリークパスがない正常な状態であっても、チャンバ２１内の圧力により例えば、石英板２３との界面等から、チャンバ２１内のプロセスガスがクリーンルームへリークする恐れがあるからである。
【００２６】
また、上記では、特に好ましい形態として、第１の熱処理と第２の熱処理との双方を加圧雰囲気において実施したが、少なくとも第１の熱処理を加圧雰囲気において実施することにより、シリサイド膜の抵抗上昇を抑制する効果を得ることができる。
【００２７】
さらに、第１の熱処理および第２の熱処理では、処理ガスとして純窒素ガスをチャンバ２１内に導入したが、処理ガスは、アルゴンやキセノン等の不活性ガスであればよい。また、処理ガスとしては通常半導体装置の製造工程において使用される純度９９．９９％以上のガスを使用することが望ましい。
【００２８】
加えて、上記実施形態では、金属膜形成後、シリサイド膜を低抵抗化するまでの工程で２回の熱処理を実施する事例について説明したが、熱処理の回数は２回に限るものではない。例えば、金属膜と基板上に露出したシリサイド形成領域との界面に凹凸がある場合や、シリサイド形成領域に局所的にシリサイドが異常成長する可能性がある場合等は、金属膜形成後、シリサイド膜を低抵抗化するまでの工程における熱処理を２回以上に分けて実施することもできる。
【００２９】
以上説明したように、本発明によれば、設備異常等により熱処理が行われる処理室にリークパスが発生した場合でも、大気中の酸素の影響を受けることなく、シリサイド膜を安定して形成することが可能である。このため、半導体装置の特性低下や長期信頼性低下が生じることを防止することができる。
【００３０】
なお、本発明は、以上で説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記実施形態では、ＲＴＰ装置に本発明を適用した事例について説明したが、他の熱処理装置に対しても本発明が適用可能であることはいうまでもない。また、上記ではコバルトシリサイド膜を形成する事例について説明したが、シリサイド膜形成領域が基板表面に露出した状態で、基板上にチタン、あるいはニッケルを堆積し、チタンシリサイドあるいはニッケルシリサイドを形成する場合にも同様の効果を得ることができる。さらに、酸化防止膜が窒化チタンであることは必須でなく、窒化タングステン等も使用することができる。加えて、金属膜上に酸化防止膜が形成されていることは本発明に必須の要素ではなく、酸化防止膜が形成されていなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、シリサイド膜を安定して形成することができるという効果を有し、半導体装置の製造方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態における半導体装置の製造過程を示す工程断面図
【図２】本発明の一実施形態における熱処理装置の要部構成図
【図３】図２の熱処理装置における熱処理シーケンスを説明するため図
【図４】処理雰囲気中の酸素混入割合とシリサイド膜抵抗との関係を示す図
【符号の説明】
【００３３】
１１  シリコン基板
１２  ゲート絶縁膜
１３  ゲート電極
１４  低濃度不純物領域
１５  絶縁性サイドウォール
１６  高濃度不純物領域
１７  金属膜
１８ａ  シリサイド膜
１８ｂ  シリサイド膜
２１  チャンバ
２２  ランプユニット
２３  石英板
２５  基板
２６  温度プローブ
２７  ガス導入路
２８  ガス導出路
２９  圧力計
３０  圧力制御弁
【図１】
2008053532.tif 000003
【図２】
2008053532.tif 000004
【図３】
2008053532.tif 000005
【図４】
2008053532.tif 000006