(57)【要約】【課題】半導体デバイスなどにおけるＳｉ／金属界面では接合リークを抑制すべく、Ｓｉ基板と、これに隣接して形成される金属層との界面平坦性を確保した半導体積層膜を提供する。【解決手段】（１００）Ｓｉ基板と、この（１００）Ｓｉ基板上に形成された、（１１１）配向のＮｉＳｉ多結晶膜とからなる半導体積層膜を構成する。これによって、（１００）Ｓｉ基板と（１１１）配向のＮｉＳｉ多結晶膜との界面平坦性を確保することができる。【選択図】図１
2008135666.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１００）Ｓｉ基板と、
前記（１００）Ｓｉ基板上に形成されたＮｉＳｉ多結晶膜とを具え、
前記ＮｉＳｉ多結晶膜は（１１１）配向していることを特徴とする、半導体積層膜。
【請求項２】
前記ＮｉＳｉ多結晶膜は、前記（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉアモルファス層、Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層及びＮｉ多結晶層を順次に形成して半導体中間積層膜を形成した後、この半導体中間積層膜に対して熱処理を施すことによって形成することを特徴とする、請求項１に記載の半導体積層膜。
【請求項３】
前記半導体中間積層膜は、前記（１００）Ｓｉ基板を加熱した状態で形成することを特徴とする、請求項２に記載の半導体積層膜。
【請求項４】
前記熱処理は、第１の熱処理及びこの第１の熱処理よりも高温度の第２の熱処理の２段階の熱処理操作を含むことを特徴とする、請求項２又は３に記載の半導体積層膜。
【請求項５】
前記ＮｉＳｉ多結晶膜は、前記（１００）Ｓｉ基板上に電磁波を照射しながらＮｉ膜を形成し、その後熱処理を実施することによって形成することを特徴とする、請求項１に記載の半導体積層膜。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種半導体デバイスとして使用することのできる、Ｎｉシリサイド（ＮｉＳｉ）膜を具える半導体積層膜に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、半導体デバイスにおいては、Ｓｉ／金属界面では接合リークが発生し、この接合リークに起因して前記半導体デバイスの温度が上昇したり、消費電力が増大したりなどの問題が生じ、これによってトランジスタの駆動力が上昇しないなどの原因となっていた。したがって、界面に生じる準位などを減らしていくことで前記接合リークを減少させ、トランジスタなどの特性向上や集積度を向上させるなどの試みがなされてきた。
【０００３】
このような接合リークを減少させるためには、Ｓｉ／金属界面を清浄化すること、あるいはＳｉ／金属界面を平坦化することなどが試みられてきた。特に前記平坦化方法においては、Ｓｉ基板上に金属層をエピタキシャル成長させることによって界面を接合し、平坦化する試みがなされていた。しかしながら、このようなエピタキシャル成長を用いた界面の平坦化においては、前記Ｓｉ基板に対して格子定数が近接した金属層を用いる必要がある。
【０００４】
かかる観点より、近年においてはＳｉ基板上に形成する金属層としてＮｉシリサイド（ＮｉＳｉ）膜が注目され、盛んに研究が行われている。
【０００５】
例えば、特許文献１では、（１００）Ｓｉ基板上にコバルト中間層を形成し、ニッケル原子をコバルト中間層を通じて拡散させ、（１００）面Ｓｉ基板上にニッケル原子を均一に成長させ、そのＳｉ基板上においてニッケルシリサイド（ＮｉＳｉ２）層を形成することが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、Ｓｉ基板上にゲート絶縁膜を介して第１の多結晶シリコン膜及び第２の多結晶シリコン膜を形成した後、この第２の多結晶シリコン膜にコバルトシリサイド層を形成することが開示されている。さらに、特許文献３では、基板上にバリヤ層を介して例えばアモルファスシリコン層及び遷移金属膜を順次形成し、アニーリング処理を施すことによってニッケルシリサイドあるいはコバルトシリサイドを形成することが開示されている。また、特許文献４では、シリコン基板上方に、多結晶シリコン電極及びニッケルシリサイドなどの金属シリサイド電極を順次に積層してゲート電極を形成することが開示されている。
【特許文献１】特開２００２−３４３７４２号
【特許文献２】特開２００４−１１１７３６号
【特許文献３】特開２０００−２９９４７３号
【特許文献４】特開２００４−３４９６０７号
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１においては、Ｓｉ基板に隣接して形成されているニッケルシリサイドはニッケルジシリサイドであるため、Ｓｉ基板、特に（１００）Ｓｉ基板との界面平坦性をある程度確保することができるものの、十分なものではなかった。また、特許文献２〜４においては、Ｓｉ基板などに直接隣接して形成される層はゲート絶縁膜やバリヤ層などであるので、Ｓｉ基板と隣接して形成されているのは金属層ではなく、酸化物などの絶縁層である。
【０００８】
したがって、これらの特許文献２〜４においては、ニッケルシリサイドを電極などの何らかの形態で使用することを考慮してはいるものの、Ｓｉ基板と隣接させて金属層を形成することについては何ら問題としていない。すなわち、Ｓｉ／金属界面の平坦化などについては何ら問題としていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、半導体デバイスなどにおけるＳｉ／金属界面では接合リークを抑制すべく、Ｓｉ基板と、これに隣接して形成される金属層との界面平坦性を確保した半導体積層膜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】
【００１０】
上記目的を達成すべく、本発明の一態様は、
（１００）Ｓｉ基板と、
前記（１００）Ｓｉ基板上に形成されたＮｉＳｉ多結晶膜とを具え、
前記ＮｉＳｉ多結晶膜は（１１１）配向していることを特徴とする、半導体積層膜に関する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、半導体デバイスなどにおけるＳｉ／金属界面では接合リークを抑制すべく、Ｓｉ基板と、これに隣接して形成される金属層との界面平坦性を確保した半導体積層膜を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
【００１３】
（半導体積層膜）
本発明の半導体積層膜は、（１００）Ｓｉ基板上において、（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶膜が形成されている。ＮｉＳｉ多結晶膜、すなわちニッケルモノシリサイド多結晶膜は、１Åのニッケル（Ｎｉ）当たり１．８３ÅのＳｉしか消費しないので、Ｓｉ消費量を考慮すると、Ｓｉ基板との接合部に用いるのに適した金属膜（金属層）ということができる。
【００１４】
しかしながら、ＮｉＳｉ多結晶膜は熱的に不安定であるため、その後Ｓｉとさらに反応してＮｉＳｉ2に変化し、温度が高くなると塊状化して、膜内に島状部を孤立させる傾向があった。かかる観点より、従来においては、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）を添加元素として付加することが試みられている。しかしながら、Ｐｔを付加すると、Ｎ型Ｓｉの電気的活性な欠陥が誘起され、Ｉｒを付加すると選択的エッチングなどのプロセスが困難となるなどの問題があった。
【００１５】
かかる問題に鑑み、本発明者らは以下に開示するような種々の製造方法を利用することによって、（１００）Ｓｉ基板上に（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶膜を形成できることに成功した。そして、このような（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶膜は、熱的に極めて安定であるとともに、（１００）Ｓｉ基板との界面接合性に優れ、それらの間の界面をＮｉＳｉ（０２０）／Ｓｉ（１００）界面に比べて平坦化できることを見出した。したがって、（１００）Ｓｉ基板／ＮｉＳｉ多結晶膜界面における接合リークを大幅に低減することができ、本発明の半導体積層膜を用いて半導体デバイスを作製した際に、前記接合リークに基づいた種々の特性劣化を回避できることを見出したものである。
【００１６】
なお、本例における上記ＮｉＳｉ多結晶膜の（１１１）配向とは、理想的な（１１１）配向に対して±５度の範囲にあるようなものを意味している。
【００１７】
また、上記（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶膜の厚さは、このＮｉＳｉ多結晶膜を含む半導体積層膜を使用する半導体デバイスなどの種類に応じて適宜に設定されるが、以下に詳述する製造方法を用いる限りにおいては、０．００４μｍ〜０．１μｍの厚さのものを製造することができる。
次に、本発明の半導体積層膜を製造する方法について詳細に説明する。
【００１８】
（第１の製造方法）
上記半導体積層膜は、（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉアモルファス層、Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層及びＮｉ多結晶層を形成して半導体中間積層膜を形成した後、この半導体中間積層膜に対して熱処理を施すことによって、前記（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉ（１１１）配向の多結晶膜を形成することができる。
【００１９】
前記ＮｉＳｉアモルファス層はＳｉ上にＮｉを成膜すると、インターレイヤーとして形成される。これは、スパッタリング法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などの任意の方法を用いて製造することができるが、（１００）Ｓｉ基板を適当な温度、好ましくは１００℃〜３００℃の温度に加熱することによって、制御が簡単で取り扱いが容易なスパッタリング法を用いて、ＮｉＳｉアモルファス層上にＮｉ２Ｓｉ多結晶層、Ｎｉ多結晶層を形成することができる。
【００２０】
また、本方法においては、上述のようにして形成したＮｉＳｉアモルファス層上にＮｉ２Ｓｉ多結晶層を形成する。このＮｉ２Ｓｉ多結晶層も、上述したようなスパッタリング法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などの任意の方法を用いて製造することができる。しかしながら、（１００）Ｓｉ基板を上記温度範囲に加熱した状態においては、上記ＮｉＳｉアモルファス層と連続してスパッタリング法によって形成することができる。なお、この場合は、上記ＮｉＳｉアモルファス層に対してスパッタリング操作を施すのみで、その上に形成されるＮｉ２Ｓｉ層は多結晶となる。
【００２１】
なお、Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層を形成する場合のスパッタリングは、単一のＮｉ２Ｓｉ合金ターゲットを用いて行うこともできるし、ＮｉターゲットとＳｉターゲットとを準備し、２元スパッタリングを用いて行うこともできる。
【００２２】
次に、本方法においては、上述のようにして形成したＮｉ２Ｓｉ多結晶層上にＮｉ多結晶層を形成する。このＮｉ多結晶層も、上述したようなスパッタリング法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などの任意の方法を用いて製造することができる。しかしながら、（１００）Ｓｉ基板を上記温度範囲に加熱した状態においては、上記ＮｉＳｉアモルファス層及びＮｉ２Ｓｉ多結晶層と連続してスパッタリング法によって形成することができる。なお、この場合は、上記Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層に対してスパッタリング操作を施すのみで、その上に形成されるＮｉ層は多結晶となる。
【００２３】
以上のような操作を経ることにより、（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉアモルファス層、Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層及びＮｉ多結晶層を順次に積層してなる半導体中間積層膜を形成することができる。なお、この半導体中間積層膜を構成する各層の厚さは、主として得ようとするＮｉＳｉ多結晶膜の厚さに依存して決定される。特に、ＮｉＳｉアモルファス層及びＮｉ２Ｓｉ多結晶層は以下に説明する熱処理を通じてＮｉＳｉ多結晶層を構成するメインの層となるので、前記ＮｉＳｉ多結晶層を厚さを考慮して決定すべき事項である。
【００２４】
したがって、例えばＮｉＳｉアモルファス層は０．００１μｍ〜０．０２μｍの厚さに形成することができ、Ｎｉ２Ｓｉ多結晶層は０．００１μｍ〜０．０８μｍの厚さに形成することができる。
【００２５】
さらに、最上層に位置するＮｉ多結晶層は、以下に説明する熱処理を通じてＮｉ原子を上記ＮｉＳｉアモルファス層及びＮｉ２Ｓｉ多結晶層内に拡散させるためのものである。したがって、その厚さは上記ＮｉＳｉアモルファス層及びＮｉ２Ｓｉ多結晶層内に十分なＮｉ原子が拡散するように設定する必要がある。
【００２６】
次に、本方法においては、上述のようにして形成した半導体中間多層膜に対して熱処理を施す。この熱処理は１段で行うこともできるが好ましくは２段階で行う。
【００２７】
２段階の熱処理を行う場合、第１の熱処理は、主として上記半導体中間多層膜を構成する各層間の原子拡散を可能ならしめるために実施するものである。この目的のためには、第１の熱処理は例えば２５０℃〜４００℃の温度で行う。これによって、最上層のＮｉ多結晶層内のニッケル原子が下方に位置するＮｉＳｉアモルファス層及びＮｉ２Ｓｉ多結晶層内に拡散するとともに、前記層間でも構成原子の拡散が行われる。なお、この加熱処理において、前記ＮｉＳｉアモルファス層は原子拡散のみならず、ある程度結晶化が促進される。
【００２８】
次に、上記第１の熱処理に続いて第２の熱処理を行う。この第２の熱処理は、主として上記第１の熱処理を通じて形成されたＮｉＳｉ拡散層の結晶化を促進するために実施するものである。この目的のためには、第２の熱処理は上記第１の熱処理の温度よりも高温度、例えば４００℃〜６００℃に設定する必要がある。これによって、前記ＮｉＳｉ拡散層の結晶化が促進され、（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶層が形成されるようになる。
【００２９】
なお、第２の熱処理は、結晶化促進のために実施するので、第１の熱処理において最上層のＮｉ多結晶層が残存している場合は、この残存したＮｉ多結晶層を除去した後に実施することが好ましい。これによって、過度のニッケル原子がＮｉＳｉ拡散層中に混入し、その結晶性を阻害するようなことがなくなる。
【００３０】
なお、上記第１の熱処理及び第２の熱処理のいずれも非酸化性の雰囲気下で行うことが好ましい。具体的には、不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で実施することができる。
図１に、本例の製造方法の製造工程を簡略化して示す。
【００３１】
また、本願明細書においては、特に具体例を開示していないものの、上述した第１の製造方法を実施することによって、前記（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉ多結晶膜が形成されたことをＸ線回折その他の手法によって確認している。
【００３２】
（第２の製造方法）
次に、上記半導体積層膜に関する第２の製造方法について説明する。第２の製造方法においては、（１００）Ｓｉ基板の、目的とする（１１１）配向ＮｉＳｉ膜を形成する主面に対して電磁波を照射しながら、Ｎｉ膜を形成する。次いで、得られたＮｉ膜に対して熱処理を行うことによって上記（１１１）配向ＮｉＳｉ膜を形成する。
【００３３】
Ｎｉ膜の形成に際しては、スパッタリング法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などの任意の方法を用いて製造することができる。但し、いずれの方法においても、形成過程にあるＮｉ膜に対して電磁波を照射することが要求される。この電磁波は、単なる加熱処理ではなく、堆積過程になるＮｉ粒子に対してエネルギーを付与するものであるので、短波長の電磁波であることが好ましい。具体的には、青色可視光領域以下の波長領域の光を使用することが好ましい。
【００３４】
このような波長領域の電磁波を出力する装置としては、汎用のブルーレーザや紫外光レーザなどを用いることができるが、比較的安価に入手が可能なエキシマレーザなどを用いることもできる。但し、本方法において用いることのできる電磁波は、上述したような波長領域のものに限らず、上記目的を達成できるものであれば、その他の波長領域の電磁波及びそれに付随した出力装置を用いることもできる。
【００３５】
上記熱処理は、上述のようにして形成したＮｉ膜と（１００）Ｓｉ基板との間の原子拡散を生ぜしめるとともに、得られたＮｉＳｉ膜の（１１１）配向を促進するために実施するものである。また、上記熱処理は非酸化性の雰囲気下で行うことが好ましい。具体的には、不活性ガス雰囲気中、あるいは真空中で実施することができる。
【００３６】
なお、本方法において、上記Ｎｉ膜は目的とする（１１１）配向ＮｉＳｉ膜の厚さに応じて決定されることになるが、上記熱処理を通じて残存したＮｉ膜が適宜除去することができる。
図２に、本例の製造方法の製造工程を簡略化して示す。
【００３７】
また、本願明細書においては、特に具体例を開示していないものの、上述した第２の製造方法を実施することによって、前記（１００）Ｓｉ基板上にＮｉＳｉ多結晶膜が形成されたことをＸ線回折その他の手法によって確認している。
【００３８】
（第１の製造方法の応用例）
上記第１の製造方法において、（１００）Ｓｉ基板の一部を選択的にＳＯＩとする。このとき、上述した第１の熱処理及び第２の熱処理を実施した場合において、前記Ｓｉ基板のＳＯＩ化した部分は熱伝導が悪くなるために、上述した各熱処理まで加熱しても、その加熱温度にまで達しない。したがって、上記Ｓｉ基板のＳＯＩ化した部分では、最終的に（０２０）配向したＮｉＳｉ多結晶膜しか得ることができなくなる。結果として、（１００）Ｓｉ基板上にはＳＯＩ化した部分に相当する（０２０）配向のＮｉＳｉ多結晶膜と、その他の領域の（１１１）配向のＮｉＳｉ多結晶膜とが混在するようになる。
【００３９】
この結果、（１００）Ｓｉ基板上に２種類の配向を有するＮｉＳｉ多結晶膜を選択的に形成することができ、２種類の（１００）Ｓｉ／ＮｉＳｉ界面を形成することができる。したがって、異なるバリアハイトを形成することができ、例えば仕事関数の異なる２種類の金属電極を簡易に形成することができるようになる。
【００４０】
（第２の製造方法の応用例）
上記第２の製造方法において、電磁波を（１００）Ｓｉ基板の主面上において選択的に照射する。すると、前記電磁波を照射した部分では、その後の熱処理を経て（１１１）配向したＮｉＳｉ多結晶膜となるが、前記電磁波を照射していない部分では前記熱処理を経ても、（０２０）配向したＮｉＳｉ多結晶膜しか得ることができない。したがって、（１００）Ｓｉ基板上に２種類の配向を有するＮｉＳｉ多結晶膜を選択的に形成することができ、２種類の（１００）Ｓｉ／ＮｉＳｉ界面を形成することができる。したがって、異なるバリアハイトを形成することができ、例えば仕事関数の異なる２種類の金属電極を簡易に形成することができるようになる。
【００４１】
（半導体積層膜の応用例）
次に、本発明の半導体積層膜の応用例について説明する。図３は、立体型トランジスタの構成を概略的に示す図である。図３（ａ）は、前記立体型トランジスタの斜視図であり、図３（ｂ）は、前記立体型トランジスタの上平面図である。
【００４２】
図３に示す立体型トランジスタは、Ｓｉ基板を中心としてその主面側にＳｉＯ２層が形成され、その裏面側にＳｉＮ層が形成されることによって構成されたＳｉ基材を含んでいる。そして、このＳｉ基材の略中心にＳｉＮ層で覆われた（ポリシリコン）からなるゲート電極が位置するとともに、前記Ｓｉ基材の端部にはＳｉをＮｉＳｉ層を覆ってなるソース／ドレインが位置している。
【００４３】
このような構成の立体型トランジスタにおいて、前記Ｓｉ基材の前記Ｓｉ基板が、（０１０）、（１００）又は（００１）の端面を有している場合、シリコンの（０１０）及び（００１）面は（１００）面と同じ原子配列を有している。したがって、これらの端面を有するソース／ドレインに対しても、上述した方法を用いることにより、適宜（１１１）配向のＮｉＳｉ多結晶膜を形成することができる。
【００４４】
以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１の製造方法を概略的に示す工程図である。
【図２】本発明の第２の製造方法を概略的に示す工程図である。
【図３】本発明の半導体積層膜を適用する、立体型トランジスタの一例を示す構成図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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