(57)【要約】【課題】コバルトシリサイド膜の厚さを均一に形成することができるシリサイド膜の形成方法を提供する。【解決手段】シリサイド膜の形成方法は、シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、前記高融点金属膜を構成する高融点金属と前記シリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を前記高融点金属膜と前記シリコン基板との間の界面に形成する相互拡散層形成工程と、前記高融点金属と前記シリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を前記高融点金属膜と前記相互拡散層との間の界面に形成するために、前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理する熱処理工程とを包含する。【選択図】  図１
2004228324.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、前記高融点金属膜を構成する高融点金属と前記シリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を前記高融点金属膜と前記シリコン基板との間の界面に形成する相互拡散層形成工程と、
前記高融点金属と前記シリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を前記高融点金属膜と前記相互拡散層との間の界面に形成するために、前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理する熱処理工程とを包含することを特徴とするシリサイド膜の形成方法。
【請求項２】
前記熱処理工程において熱処理された前記相互拡散層は、シリサイド膜に変態する、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項３】
前記シリコン基板は、ゲート領域に形成されたゲート電極と、ソース領域とドレイン領域とにそれぞれ形成された不純物拡散層とを有しており、
前記相互拡散層形成工程は、前記ゲート電極と前記不純物拡散層とを覆うように前記高融点金属膜を形成する、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項４】
前記相互拡散層形成工程は、前記ゲート電極と前記高融点金属膜との間の界面および前記不純物拡散層と前記高融点金属膜との間の界面に前記相互拡散層を形成する、請求項３記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項５】
前記ゲート電極は、ポリシリコン電極によって構成されている、請求項３記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項６】
前記熱処理工程において、前記相互拡散防止層は１ナノメータ以上の厚みに形成される、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項７】
前記熱処理工程の後で、前記高融点金属膜を除去する除去工程をさらに包含する、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項８】
前記除去工程の後で、前記シリサイド膜を低抵抗化するために窒素元素を含む雰囲気中において前記シリサイド膜を追加熱処理する追加熱処理工程をさらに包含する、請求項７記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項９】
前記窒素元素を含む雰囲気は、アンモニアを添加した窒素あるいはアルゴン雰囲気である、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１０】
前記相互拡散防止層は、窒化シリコンを含んでいる、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１１】
前記窒素元素を含む雰囲気は、アンモニアと酸素を添加した窒素あるいはアルゴン雰囲気である、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１２】
前記相互拡散防止層は、酸窒化シリコンを含んでいる、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１３】
前記高融点金属は、４００度以上の熱処理をしたときに窒素化合物をその表層に形成しない金属であり、かつ前記高融点金属膜は、前記高融点金属膜の下面まで窒素を拡散させる膜である、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１４】
前記高融点金属は、コバルトである、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１５】
前記高融点金属膜は、基板温度１００℃以上で５ナノメータ以上の厚みに形成される、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１６】
前記相互拡散層は、２ナノメータ以上３ナノメータ以下の厚みに形成される、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１７】
前記熱処理工程は、４００℃以上の温度において熱処理する、請求項１記載のシリサイド膜の形成方法。
【請求項１８】
シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、前記高融点金属膜を構成する高融点金属と前記シリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を前記高融点金属膜と前記シリコン基板との間の界面に形成するための相互拡散層形成チャンバと、
前記高融点金属と前記シリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を前記高融点金属膜と前記相互拡散層との間の界面に形成するために、前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理するために設けられた第１熱処理チャンバと、
前記第１熱処理チャンバにおいて熱処理された前記相互拡散層がシリサイド膜に変態するように熱処理する第２熱処理チャンバとを具備することを特徴とするシリサイド膜の形成装置。
【請求項１９】
前記相互拡散層形成チャンバによって前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を真空状態において前記第１熱処理チャンバへ搬送するために設けられた第１ロードチャンバをさらに具備する、請求項１８記載のシリサイド膜の形成装置。
【請求項２０】
前記第１熱処理チャンバによって前記相互拡散防止層が形成された前記シリコン基板を真空状態において前記第２熱処理チャンバへ搬送するために設けられた第２ロードチャンバをさらに具備する、請求項１８記載のシリサイド膜の形成装置。
【請求項２１】
前記第１熱処理チャンバには、前記窒素元素を含む雰囲気中へアンモニアガスを導入するために設けられたアンモニアガス導入手段が接続されている、請求項１８記載のシリサイド膜の形成装置。
【請求項２２】
前記第１熱処理チャンバには、前記窒素元素を含む雰囲気中へ酸素を導入するために設けられた酸素導入手段がさらに接続されている、請求項２１記載のシリサイド膜の形成装置。
【請求項２３】
前記高融点金属膜は、コバルトであり、
前記相互拡散層形成チャンバは、前記コバルトをスパッタリングによって前記シリコン基板上に形成する、請求項１８記載のシリサイド膜の形成装置。
【請求項２４】
半導体基板上にほぼ膜厚が均一な高融点金属膜を形成して高融点金属とシリコンとの初期相互拡散層を形成する第１工程と、
複数の昇温レート条件で、かつ昇温開始時から複数の設定時間条件だけ遅らせてアンモニアを含む雰囲気としながら前記半導体基板を所定温度まで昇温した後、所定時間熱処理する第２工程と、
前記複数の昇温レート条件と複数の設定時間条件の組み合わせ毎に高融点金属とシリコンとの最終相互拡散層の膜厚を求める第３工程とを包含することを特徴とするシリサイド膜厚制御方法。
【請求項２５】
前記高融点金属膜は、コバルトである、請求項２４記載のシリサイド膜膜厚制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板上に形成されたトランジスタのゲートおよびソース・ドレイン不純物拡散領域を低抵抗化するためのシリサイド膜の形成方法、その形成装置および膜厚制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ポリシリコンによって形成されたゲート領域とシリコン基板に不純物を拡散することによって形成されたソース・ドレイン領域とによって構成されたＭＯＳ型トランジスタにおいては、ゲート領域に印加される電圧によってソース領域からドレイン領域へ流れる電流を制御している。ここで、ゲート領域あるいはソース領域・ドレイン領域における抵抗がトランジスタ動作の遅延に影響することから、ＭＯＳ型トランジスタを高速化するためには、ゲート領域およびソース領域・ドレイン領域の低抵抗化が不可欠である。
【０００３】
そこで、従来では、例えば、非特許文献１に示されるように、ゲート領域およびソース領域・ドレイン領域を低抵抗化するための手段として、高融点金属とシリコンとを自己整合的に反応させるサリサイド（Ｓｅｌｆ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｓｉｌｉｃｉｄｅ）プロセスが用いられている。
【０００４】
以下、図面を参照しながら、シリコン基板上に形成されたトランジスタのゲートおよびソース・ドレイン不純物拡散領域を低抵抗化するための従来のサリサイドプロセスを説明する。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、従来のシリサイド膜の形成方法を説明するための断面図である。
【０００５】
図８（ａ）を参照すると、フィールド酸化膜８１によって分離されたシリコン基板上に、ＭＯＳ型トランジスタのゲート領域となるゲート絶縁膜８２とポリシリコン電極９９とが形成されている。
【０００６】
ゲート絶縁膜８２とポリシリコン電極９９との両側面には、サイドウォール８３が形成されている。サイドウォール８３の両側のシリコン基板には、ソース領域あるいはドレイン領域となる不純物拡散層９０が形成されている。
【０００７】
この様な構造のとき、低抵抗化を必要とする領域の最表面には清浄なシリコンが露出していなければならず、低抵抗化する必要のない領域は全てシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜によって覆われていなければならない。
【０００８】
次に、図８（ｂ）を参照すると、ポリシリコン電極９９とサイドウォール８３と不純物拡散層９０とフィールド酸化膜８１とを覆うようにコバルト蒸着膜９４を堆積させる。そして、コバルト蒸着膜９４を覆うようにＴｉＮ等によって構成される保護膜９１を堆積させる。
【０００９】
このようにして堆積されたコバルト蒸着膜９４とポリシリコン電極９９との間の界面と、コバルト蒸着膜９４と不純物拡散層９０との間の界面とには、コバルトとシリコンとの相互拡散層２が約２ナノメータ（ｎｍ）ないし３ナノメータの厚みに形成される。
【００１０】
そして、図８（ｃ）を参照すると、この状態から窒素雰囲気において４００度以上の熱処理を施すと、コバルトとシリコンとの相互拡散層２がコバルトシリサイド膜９３に変態するとともに、コバルト蒸着膜９４からコバルト原子のコバルトシリサイド膜９３への拡散が続き、コバルトシリサイド膜９３は成長する。
【００１１】
次に、図８（ｄ）を参照すると、前述したようなコバルトシリサイド膜９３の成長は、直上のコバルト蒸着膜９４を消費し尽くすか、熱処理が終了するまで続くため、コバルト蒸着膜９４の膜厚と熱処理条件とに基づいて、最終的なコバルト膜厚を調整しなければならない。この後で、保護膜９１とコバルト蒸着膜９４だけを硫酸／過酸化水素水などシリコン酸化膜に選択性を有する洗浄により除去し、必要に応じてコバルトシリサイド膜９３が最も低抵抗化するための追加熱処理を窒素雰囲気中で実施する。
【００１２】
このようにして処理された半導体装置は、図８（ｄ）に示すように、図８（ａ）に示す状態において清浄なシリコンが露出していた部分にのみ選択的に低抵抗化したコバルトシリサイド膜９３が形成される。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１０−２２３５６０号公報
【００１４】
【非特許文献１】
丹呉  浩侑、西澤  潤一、“半導体工学シリーズ９  半導体プロセス技術”、Ｐ３６、培風館  発行
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の構成では、コバルトシリサイド膜９３の厚さが熱処理前にシリコン表面に堆積したコバルト蒸着膜９４の厚さに基づいて決定されるため、コバルト蒸着膜９４に厚さのばらつきが生じる場合には、例えば、ゲート電極とゲート電極との間隔が狭くシリコン基板を囲むようなパターンの場合には、熱処理後のコバルトシリサイド膜９３の厚さが均一にならないために、抵抗がばらつくという問題を有していた。
【００１６】
また、コバルトシリサイド膜９３の膜厚を厚く形成しすぎると、拡散層境界からシリコン基板側への電流のリークが発生する。このため、トランジスタ能力を劣化させるおそれがある。このように、コバルトシリサイド膜９３の厚さにばらつきがあると、トランジスタ性能の均一性も損なわれるという問題がある。
【００１７】
本発明の目的は、コバルトシリサイド膜の厚さを均一に形成することができるシリサイド膜の形成方法、その形成装置および膜厚制御方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリサイド膜の形成方法は、シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、前記高融点金属膜を構成する高融点金属と前記シリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を前記高融点金属膜と前記シリコン基板との間の界面に形成する相互拡散層形成工程と、前記高融点金属と前記シリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を前記高融点金属膜と前記相互拡散層との間の界面に形成するために、前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理する熱処理工程とを包含することを特徴とする。
【００１９】
本発明に係るシリサイド膜の形成装置は、シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、前記高融点金属膜を構成する高融点金属と前記シリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を前記高融点金属膜と前記シリコン基板との間の界面に形成するための相互拡散層形成チャンバと、前記高融点金属と前記シリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を前記高融点金属膜と前記相互拡散層との間の界面に形成するために、前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理するために設けられた第１熱処理チャンバと、前記第１熱処理チャンバにおいて熱処理された前記相互拡散層がシリサイド膜に変態するように熱処理する第２熱処理チャンバとを具備することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係るシリサイド膜厚制御方法は、半導体基板上にほぼ膜厚が均一な高融点金属膜を形成して高融点金属とシリコンとの初期相互拡散層を形成する第１工程と、複数の昇温レート条件で、かつ昇温開始時から複数の設定時間条件だけ遅らせてアンモニアを含む雰囲気としながら前記半導体基板を所定温度まで昇温した後、所定時間熱処理する第２工程と、前記複数の昇温レート条件と複数の設定時間条件の組み合わせ毎に高融点金属とシリコンとの最終相互拡散層の膜厚を求める第３工程とを包含することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係るシリサイド膜の形成方法においては、高融点金属とシリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を高融点金属膜と相互拡散層との間の界面に形成するために、高融点金属膜と相互拡散層とが形成されたシリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理する熱処理工程が実行される。このため、高融点金属膜と相互拡散層との間の界面に形成された相互拡散防止層によって、高融点金属とシリコンとのさらなる相互拡散が防止される。従って、相互拡散層から変態したコバルトシリサイド膜の膜厚が均一になる。その結果、ゲート領域、ソース領域およびドレイン領域の抵抗のばらつきを抑えることができる。
【００２２】
前記熱処理工程において熱処理された前記相互拡散層は、シリサイド膜に変態することが好ましい。
【００２３】
前記シリコン基板は、ゲート領域に形成されたゲート電極と、ソース領域とドレイン領域とにそれぞれ形成された不純物拡散層とを有しており、前記相互拡散層形成工程は、前記ゲート電極と前記不純物拡散層とを覆うように前記高融点金属膜を形成することが好ましい。
【００２４】
前記相互拡散層形成工程は、前記ゲート電極と前記高融点金属膜との間の界面および前記不純物拡散層と前記高融点金属膜との間の界面に前記相互拡散層を形成することが好ましい。
【００２５】
前記ゲート電極は、ポリシリコン電極によって構成されていることが好ましい。
【００２６】
前記熱処理工程において、前記相互拡散防止層は１ナノメータ以上の厚みに形成されることが好ましい。
【００２７】
前記熱処理工程の後で、前記高融点金属膜を除去する除去工程をさらに包含することが好ましい。
【００２８】
前記除去工程の後で、前記シリサイド膜を低抵抗化するために窒素元素を含む雰囲気中において前記シリサイド膜を追加熱処理する追加熱処理工程をさらに包含することが好ましい。
【００２９】
前記窒素元素を含む雰囲気は、アンモニアを添加した窒素あるいはアルゴン雰囲気であることが好ましい。
【００３０】
前記相互拡散防止層は、窒化シリコンを含んでいることが好ましい。
【００３１】
前記窒素元素を含む雰囲気は、アンモニアと酸素を添加した窒素あるいはアルゴン雰囲気であることが好ましい。
【００３２】
前記相互拡散防止層は、酸窒化シリコンを含んでいることが好ましい。
【００３３】
前記高融点金属は、４００度以上の熱処理をしたときに窒素化合物をその表層に形成しない金属であり、かつ前記高融点金属膜は、前記高融点金属膜の下面まで窒素を拡散させる膜であることが好ましい。
【００３４】
前記高融点金属は、コバルトであることが好ましい。
【００３５】
前記高融点金属膜は、基板温度１００℃以上で５ナノメータ以上の厚みに形成されることが好ましい。
【００３６】
前記相互拡散層は、２ナノメータ以上３ナノメータ以下の厚みに形成されることが好ましい。
【００３７】
前記熱処理工程は、４００℃以上の温度において熱処理することが好ましい。
【００３８】
本実施の形態に係るシリサイド膜の形成装置においては、高融点金属とシリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を高融点金属膜と相互拡散層との間の界面に形成するために、高融点金属膜と相互拡散層とが形成されたシリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理するために設けられた第１熱処理チャンバが設けられている。このため、高融点金属膜と相互拡散層との間の界面に形成された相互拡散防止層によって、高融点金属とシリコンとのさらなる相互拡散が防止される。従って、相互拡散層から変態したコバルトシリサイド膜の膜厚が均一になる。その結果、ゲート領域、ソース領域およびドレイン領域の抵抗のばらつきを抑えることができる。
【００３９】
前記相互拡散層形成チャンバによって前記高融点金属膜と前記相互拡散層とが形成された前記シリコン基板を真空状態において前記第１熱処理チャンバへ搬送するために設けられた第１ロードチャンバをさらに具備することが好ましい。
【００４０】
前記第１熱処理チャンバによって前記相互拡散防止層が形成された前記シリコン基板を真空状態において前記第２熱処理チャンバへ搬送するために設けられた第２ロードチャンバをさらに具備することが好ましい。
【００４１】
前記第１熱処理チャンバには、前記窒素元素を含む雰囲気中へアンモニアガスを導入するために設けられたアンモニアガス導入手段が接続されていることが好ましい。
【００４２】
前記第１熱処理チャンバには、前記窒素元素を含む雰囲気中へ酸素を導入するために設けられた酸素導入手段がさらに接続されていることが好ましい。
【００４３】
前記高融点金属膜は、コバルトであり、前記相互拡散層形成チャンバは、前記コバルトをスパッタリングによって前記シリコン基板上に形成することが好ましい。
【００４４】
本実施の形態に係るシリサイド膜厚制御方法においては、複数の昇温レート条件と複数の設定時間条件の組み合わせ毎に高融点金属とシリコンとの最終相互拡散層の膜厚を求める第３工程が設けられている。このため、初期相互拡散層の膜厚を原点とした昇温レートごとの検量線を作成することができ、所望の膜厚のシリサイド膜を形成することができる。
【００４５】
前記高融点金属膜は、コバルトであることが好ましい。
【００４６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００４７】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において相互拡散防止層１が形成された半導体装置の模式断面図である。フィールド酸化膜２１によって分離されたシリコン基板５上に、ＭＯＳ型トランジスタのゲート領域となるゲート絶縁膜２２とポリシリコン電極９とが、この順番に形成されている。
【００４８】
ポリシリコン電極９の上には、コバルトシリサイド膜３が形成されている。コバルトシリサイド膜３の上には、相互拡散防止層１が形成されている。コバルトシリサイド膜３とポリシリコン電極９とゲート絶縁膜２２との両側の側面には、サイドウォール２３が形成されている。
【００４９】
サイドウォール２３の両側におけるシリコン基板５には、ソース領域あるいはドレイン領域となる不純物拡散層１０が形成されている。不純物拡散層１０の上には、コバルトシリサイド膜３が形成されている。コバルトシリサイド膜３の上には、相互拡散防止層１が形成されている。
【００５０】
相互拡散防止層１とサイドウォール２３とフィールド酸化膜２１とを覆うように、高融点金属膜４が形成されている。高融点金属膜４は、コバルト蒸着膜によって構成されている。
【００５１】
このように、高融点金属膜４とコバルトシリサイド膜３との間に薄い相互拡散防止層１が、高融点金属膜４とコバルトシリサイド膜３とからの原子の相互拡散を制限するように形成されている。
【００５２】
以下、このような相互拡散防止層１を形成するための半導体装置の製造方法を説明する。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、実施の形態１に係るシリサイド膜の形成方法を説明するための断面図である。
【００５３】
図２（ａ）を参照すると、フィールド酸化膜２１によって分離されたシリコン基板５上に、ＭＯＳ型トランジスタのゲート領域となるゲート絶縁膜２２とポリシリコン電極９とが形成されている。
【００５４】
ゲート絶縁膜２２とポリシリコン電極９との両側面には、サイドウォール２３が形成されている。サイドウォール２３の両側のシリコン基板５には、ソース領域あるいはドレイン領域となる不純物拡散層１０が形成されている。
【００５５】
この様な構造のとき、低抵抗化を必要とする領域の最表面には清浄なシリコンが露出していなければならず、低抵抗化する必要のない領域は全てシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜によって覆われていなければならない。
【００５６】
次に、図２（ｂ）を参照すると、ポリシリコン電極９とサイドウォール２３と不純物拡散層１０とフィールド酸化膜２１とを覆うように高融点金属膜４を基板温度１００℃以上において約５ナノメータ（ｎｍ）以上堆積させる。高融点金属膜４は、コバルト蒸着膜によって構成されている。
【００５７】
このようにして堆積された高融点金属膜４とポリシリコン電極９との間の界面と、高融点金属膜４と不純物拡散層１０との間の界面とには、コバルトとシリコンとの相互拡散層２が約２ナノメータ（ｎｍ）ないし３ナノメータの厚みに形成される。
【００５８】
図２（ｃ）を参照すると、この状態でアンモニア雰囲気中あるいは窒素中のアンモニア希釈率０．５以上の雰囲気において、４００度以上の熱処理を施す。そして、コバルトとシリコンとの相互拡散層２がコバルトシリサイド膜３に変態する。これと同時に、高融点金属膜４とコバルトシリサイド膜３との間に窒化シリコンの非晶質層が形成される。これがシリコンとコバルト原子の相互拡散を防止する相互拡散防止層１となる。
【００５９】
この相互拡散防止層１が１ｎｍ以上形成されると、コバルトとシリコンとの相互拡散が防止される。このため、コバルトシリサイド膜３およびコバルト蒸着膜によって構成される高融点金属膜４には互いの原子が供給されないので、熱処理による反応は進まない。
【００６０】
この後で、高融点金属膜４と相互拡散防止層１とを硫酸／過酸化水素水などシリコン酸化膜に選択性を有する洗浄により除去する。そして、必要に応じてコバルトシリサイド膜３が最も低抵抗化するための追加熱処理を窒素雰囲気中で実施する。
【００６１】
このようにして処理された半導体装置は図２（ｄ）のように、図２（ａ）に示す状態において清浄なシリコンが露出していた部分にのみ選択的に低抵抗化したコバルトシリサイド膜３が形成される。
【００６２】
この半導体装置上に、シリコン酸化膜を主体とした層間絶縁膜を形成して配線やコンタクトなどを配置することによって、ＭＯＳ型トランジスタとして、低抵抗のコバルトシリサイド膜を用いないトランジスタよりも高速に動作させることができる。
【００６３】
このように、半導体装置のソース・ドレイン領域およびゲート領域などを低抵抗化するために、コバルト蒸着膜によって構成される高融点金属膜４を清浄なシリコン表面を有する半導体装置上に堆積したのち、アンモニア雰囲気中あるいはアンモニアを含む窒素雰囲気中で熱処理を施すことにより、高融点金属膜４とコバルトシリサイド層３との間に相互拡散防止層１を形成し、熱処理の反応初期で、コバルトシリサイド化を制御し、厚さばらつきの少ない均一なコバルトシリサイド膜３を作製することができる。
【００６４】
なお上記実施形態では、コバルト蒸着膜によって構成される高融点金属膜４を堆積し、低抵抗化したコバルトシリサイド膜３を形成した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。高融点金属膜４を構成する金属元素は、熱処理時にアンモニアによる窒素原子の拡散が起こり、シリサイド化反応の初期段階で相互拡散防止層１を形成することができる金属元素であって、シリサイドが安定かつ低抵抗であればよい。
【００６５】
以上のように実施の形態１によれば、高融点金属４とシリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層１を高融点金属膜４と相互拡散層２との間の界面に形成するために、高融点金属膜４と相互拡散層２とが形成されたシリコン基板５を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理する熱処理工程が実行される。このため、高融点金属膜４とコバルトシリサイド膜３との間の界面に形成された相互拡散防止層１によって、高融点金属４とシリコンとのさらなる相互拡散が防止される。従って、相互拡散層２から変態したコバルトシリサイド膜３の膜厚が均一になる。その結果、ゲート領域、ソース領域およびドレイン領域の抵抗のばらつきを抑えることができる。
【００６６】
（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係るシリサイド膜形成装置１５０の構成を示す平面断面図である。シリサイド膜形成装置１５０は、実施の形態１において前述したシリサイド膜の形成方法を実施するシングルウェハ方式の装置である。
【００６７】
シリサイド膜形成装置１５０は、相互拡散層形成チャンバ１１を備えている。相互拡散層形成チャンバ１１は、シリコン基板上に高融点金属膜を形成し、高融点金属膜を構成する高融点金属とシリコン基板を構成するシリコンとの相互拡散層を高融点金属膜とシリコン基板との間の界面に形成するために設けられている。
【００６８】
シリサイド膜形成装置１５０には、熱処理チャンバ１２が設けられている。熱処理チャンバ１２は、高融点金属とシリコンとのさらなる相互拡散を防止するための相互拡散防止層を高融点金属膜と相互拡散層との間の界面に形成するために、高融点金属膜と相互拡散層とが形成されたシリコン基板を窒素元素を含む雰囲気中において熱処理するために設けられている。
【００６９】
熱処理チャンバ１２には、窒素元素を含む雰囲気中へアンモニアガスを導入するために設けられたアンモニアガス導入器１６と、窒素元素を含む雰囲気中へ酸素を導入するために設けられた酸素導入器１７とが接続されている。
【００７０】
相互拡散層形成チャンバ１１と熱処理チャンバ１２との間には、ロードチャンバ１４が設けられている。ロードチャンバ１４は、相互拡散層形成チャンバ１１によって高融点金属膜と相互拡散層とが形成されたシリコン基板を真空状態において熱処理チャンバ１２へ搬送するために設けられている。
【００７１】
シリサイド膜形成装置１５０は、熱処理チャンバ１３を備えている。熱処理チャンバ１３は、熱処理チャンバ１２において熱処理された相互拡散層がシリサイド膜に変態するように熱処理する。
【００７２】
熱処理チャンバ１２と熱処理チャンバ１３との間には、ロードチャンバ１５が設けられている。ロードチャンバ１５は、熱処理チャンバ１２によって相互拡散防止層が形成されたシリコン基板を真空状態において熱処理チャンバ１３へ搬送するために設けられている。
【００７３】
シリサイド膜形成装置１５０には、メインロードチャンバ２４が相互拡散層形成チャンバ１１および熱処理チャンバ１３と連通自在に設けられている。メインロードチャンバ２４には、カセットステーション２５が接続されている。
【００７４】
このように構成されたシリサイド膜形成装置１５０の動作を説明する。まず、実施の形態１において前述した図２（ａ）に示す構造までＭＯＳ型トランジスタの製造の進んだシリコンウエハをカセットステーション２５にセットして真空引き後に、メインロードチャンバ２４へ移動させる。
【００７５】
次に、相互拡散層形成チャンバ１１へウェハを１枚づつ移動して、コバルト蒸着膜４を基板温度１００度以上でスパッタ堆積させる。その後、真空中のロードチャンバ１４を通って、相互拡散防止層を形成するための熱処理チャンバ１２へ移動させる。
【００７６】
そして、熱処理チャンバ１２では、チャンバ内を窒素によって大気圧付近まで減圧してからハロゲンランプ加熱による熱処理を行い、シリコン表面温度が４００度に到達するまでに、チャンバ内が０．５％以上のアンモニアを含む窒素雰囲気になるように、アンモニアガス導入器１６からアンモニアガスを導入し４５０度以下の温度で加熱する。加熱処理終了後に０．１ｍＰａ以下まで真空引きしてから、ロードチャンバ１５を通って熱処理チャンバ１３へ移動する。
【００７７】
熱処理チャンバ１３では、窒素雰囲気で再度４５０度以上５００度以下のハロゲンランプ加熱を２０秒前後行い、真空引きしてからメインロードチャンバ２４に戻し、カセットステーション２５からウェハを取り出すことで、コバルトシリサイド層３を再現性よく形成することができる。
【００７８】
このような加工をすることができるのは、相互拡散層形成チャンバ１１と熱処理チャンバ１３との間に独立した真空のロードチャンバ１４および１５を設け、ロードチャンバ１４および１５の間に相互拡散防止層を形成するための熱処理チャンバ１２を備えたためである。
【００７９】
このようにコバルト蒸着膜４を堆積した後から、相互拡散防止層１を形成するための処理までに、コバルト蒸着膜４の中への余分な不純物の混入の可能性を排除し、相互拡散防止層１を形成するための熱処理チャンバ１２においてのみ不純物を拡散させることで、高い精度で相互拡散防止層１を形成することができる。
【００８０】
また、相互拡散防止層１を形成するための熱処理チャンバ１２と熱処理チャンバ１３との間に真空のロードチャンバ１５を設けることによって、装置内の他のチャンバへの不純物の進入を防ぐことができるので、相互拡散防止層１を安定に形成することが可能となる。また、シリコン表面を清浄に保つためにＡｒスパッタによるエッチング処理チャンバを必要に応じて追加してもよい。
【００８１】
なお、実施の形態２では、シングルウェハ方式の例を説明したが、コバルト蒸着膜の堆積条件および加熱処理条件を考慮して、バッジ方式の加工装置を用いても同様の方法で、相互拡散防止層を用いたシリサイド膜を形成することができる。
【００８２】
また実施の形態２では、シリサイド膜を形成するための材料としてコバルトを用いたが、熱処理時に蒸着膜の上方より蒸着膜中へアンモニアによる窒素原子の拡散が起こり、シリサイド反応の初期段階において相互拡散防止層を形成することができる金属原子であって、シリサイドが安定かつ低抵抗な材料であれば、同様のシリサイド形成装置によって相互拡散防止層をもつシリサイド層を形成することができる。
【００８３】
このように実施の形態２に係るシリサイドの形成装置によれば、コバルト蒸着膜とコバルトシリサイド膜の間の相互拡散防止層の形成を制御することができるので、所望の膜厚のシリサイドを形成することができる。
【００８４】
（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る初期シリサイド膜厚を決定する手順を示すフローチャートである。コバルト蒸着膜を堆積する条件によってコバルトとシリコンの相互拡散層の厚さが異なるため、これを元に形成されるコバルトシリサイド膜の厚さにも違いが生じる。このため、図４に示すフローチャートに基づいて、初期コバルトシリサイド膜の厚みを決定することが必要となる。
【００８５】
図５は、実施の形態３に係るアンモニア導入時間と昇温レートとの関係を説明するためのグラフである。図５では、アンモニアを添加した窒素雰囲気中で熱処理するチャンバでのシリコン基板表面温度を、横軸に熱処理時間、縦軸に熱処理温度を示してプロットしている。
【００８６】
熱処理開始時間の０秒においてチャンバにアンモニアの導入を開始する。熱処理開始時間がアンモニア導入開始時間の０秒である。図５に示す直線の傾きは、熱処理による昇温レートを示している。熱処理温度が４００±５０度に到達した時間が、導入限界時間を示している。
【００８７】
図４を参照すると、初期コバルトシリサイド膜厚を決定するためには、最初にコバルト蒸着膜によって構成される高融点金属膜４の堆積条件を決定する（ステップＳ１）。具体的には、ウェハの表面における自然酸化膜などを洗浄により除去し、清浄なシリコンを露出させたパターンの形成されていないウェハ上に、コバルト蒸着膜を形成する。そして、例えば、蛍光Ｘ線装置などによって膜厚を測定し、Ｘ線回折計などによって結晶配向性を測定し、２次イオン質量分析器などによって膜中不純物量を測定して、ウェハ面内およびウェハ間での均一性に優れた堆積条件を決定する。
【００８８】
次に、決定した堆積条件に従って形成したコバルト蒸着膜における、コバルトとシリコンとの相互拡散層２の厚さを透過電子顕微鏡などによって測定し（ステップＳ２）、ウェハ面内およびウェハ間で一定であるかを確認する（ステップＳ３）。一定でないときは（ステップＳ３においてＮＯ）、コバルト蒸着膜を堆積する時の基板温度設定などコバルト蒸着膜堆積条件を再検討する（ステップＳ４）。そして、ステップＳ１へ戻る。
【００８９】
コバルトとシリコンとの相互拡散層厚さを一定にしたのち（ステップＳ３においてＹＥＳ）、熱処理開始と同時にアンモニアを導入する（ステップＳ５）。そして、硫酸と過酸化水素水混合液による選択エッチング工程を経て（ステップＳ６）、窒素雰囲気中において７５０度以上の高温熱処理をし（ステップＳ７）、コバルトシリサイド膜３を形成した後、コバルトシリサイド膜３の膜厚を測定する（ステップＳ８）。
【００９０】
次に、コバルトシリサイド膜３の膜厚にウェハ面内およびウェハ間およびロット間で再現性があるか否かを判断する（ステップＳ９）。コバルトシリサイド膜厚にウェハ面内およびウェハ間およびロット間で再現性がない場合は（ステップＳ９においてＮＯ）、熱処理チャンバに導入するアンモニア量や導入タイミング、昇温レート、選択エッチング工程でのコバルトシリサイドの膜減りなどについて再検討する（Ｓ１０）。そして、ステップＳ５へ戻る。
【００９１】
コバルトシリサイド膜厚にウェハ面内およびウェハ間およびロット間で再現性がある場合には（ステップＳ９においてＹＥＳ）、このときの膜厚を初期コバルトシリサイド膜厚２０として処理を終了する（ステップＳ１０）。
【００９２】
図６は、実施の形態３に係るシリサイド膜厚を決定する手順を示すフローチャートである。
【００９３】
図４および図５を参照して前述した方法によって決定したコバルト蒸着膜の堆積条件に基づいて、コバルト蒸着膜を堆積する（ステップＳ１１）。そして、コバルトとシリコンとの相互拡散層２を形成し、同一昇温レートでアンモニア導入時間が０．１秒以上である３種類以上の条件において処理をウェハ毎に行う（ステップＳ１２）。次に、それぞれのウェハを、図５と同じ条件で選択エッチングし（ステップＳ１３）、７５０度以上において高温熱処理して（ステップＳ１４）、形成されたコバルトシリサイド膜３の膜厚を測定する（ステップＳ１５）。
【００９４】
図７は、実施の形態３に係るシリサイド膜厚の昇温レートごとの検量線を説明するためのグラフである。横軸はアンモニア導入時間を示しており、縦軸はコバルトシリサイド膜３の膜厚を示している。
【００９５】
ステップＳ１５において測定したコバルトシリサイド膜３の膜厚は、図７に示すように、前述した図４に示すフローチャートによって決定した初期コバルトシリサイド膜厚２０を通る右上がりの直線によって示される検量線２２となる（ステップＳ１６）。このとき、直線が初期コバルトシリサイド膜厚２０を含まない直線あるいは曲線になった場合は、コバルトシリサイド形成工程にばらつきが生じているため、図４のフローチャートに基づき、再度初期コバルトシリサイド膜厚の決定を行う。
【００９６】
また、コバルトシリサイド膜の膜厚がアンモニア導入時間の増加に比例しなくなった時間は、コバルト蒸着膜が全て消費されたことを示しており、これがアンモニア導入時間の短い時間で発生する場合は、昇温レートを緩やかにし（ステップＳ１８）、図６のフローチャートに基づいて同一の処理を行い、新たにコバルトシリサイド膜厚をプロットする。このようにして、図７に示すような昇温レート別の検量線２２が作成される。この昇温レート別の検量線２２により、半導体デバイス作製に必要とされるコバルトシリサイド膜厚を最も安定に、再現よく、高スループットで形成できる条件を選択することが可能となる。
【００９７】
このようなコバルトシリサイド膜厚の制御ができるのは、相互拡散防止層１を用いたコバルトシリサイド膜３の膜厚は、コバルト蒸着膜条件によってコバルトとシリコンが相互拡散層２を形成しており、これを元にしたコバルトシリサイド膜３の膜厚を初期コバルトシリサイド膜厚として決定し、この膜厚を原点とした昇温レート別の検量線を作成することができるためである。
【００９８】
なお、実施の形態３では、シリサイド形成の材料としてコバルトを用いたが、熱処理時に蒸着膜の上方より膜中へアンモニアによる窒素原子の拡散が起こり、シリサイド反応初期段階で相互拡散防止層が形成できる金属原子でシリサイドが安定かつ低抵抗であれば同様の加工装置で相互拡散防止層を用いたシリサイド層の形成とその制御ができる。
【００９９】
このように、実施の形態３に係るシリサイド膜厚制御方法によれば、初期相互拡散層の膜厚を原点とした昇温レート別の検量線を作成することができ、所望の膜厚のコバルトシリサイドを制御して形成することができる。
【０１００】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、コバルトシリサイド膜の厚さを均一に形成することができるシリサイド膜の形成方法、その形成装置および膜厚制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る半導体装置の製造方法において相互拡散防止層が形成された半導体装置の模式断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１に係るシリサイド膜の形成方法を説明するための断面図である。
【図３】実施の形態２に係るシリサイド膜形成装置の構成を示す平面断面図である。
【図４】実施の形態３に係る初期シリサイド膜厚を決定する手順を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態３に係るアンモニア導入時間と昇温レートとの関係を説明するためのグラフである。
【図６】実施の形態３に係るシリサイド膜厚を決定する手順を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態３に係るシリサイド膜厚の昇温レートごとの検量線を説明するためのグラフである。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、従来のシリサイド膜の形成方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１  相互拡散防止層
２  相互拡散層
３  コバルトシリサイド膜
４  高融点金属膜
５  シリコン基板
９  ゲート電極
１０  不純物拡散層
１１  相互拡散層形成チャンバ
１２、１３  熱処理チャンバ
１４、１５  ロードチャンバ
１６  アンモニアガス導入器
１７  酸素導入器
２１  フィールド酸化膜
２２  ゲート絶縁膜
２３  サイドウォール
２４  メインロードチャンバ
２５  カセットステーション
１５０  シリサイド膜形成装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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