(57)【要約】【課題】コンタクト抵抗を低減する半導体装置およびその製造方法を提供する。【解決手段】実施の形態の半導体装置は、シリコンを含む半導体基板１０上の層間絶縁膜１１に形成されたコンタクトホール１２の底部１４に形成され、コンタクトホール１２に形成されるコンタクトプラグ２１と電気的に接続するニッケルシリサイド膜１８を有する。このニッケルシリサイド膜１８は、ニッケルシリサイド膜１８とコンタクトプラグ２１の界面１８ａが半導体基板１０と層間絶縁膜１１の界面１０ａより高い。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含む半導体基板上の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールの底部に形成され、前記コンタクトホールに形成されるコンタクトプラグと電気的に接続するニッケルシリサイド膜を有し、
前記ニッケルシリサイド膜は、前記ニッケルシリサイド膜と前記コンタクトプラグの界面が前記半導体基板と前記層間絶縁膜の界面より高い半導体装置。
【請求項２】
前記ニッケルシリサイド膜が、さらに前記コンタクトホールの側面部に形成される請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記層間絶縁膜は、前記側面部に形成された前記ニッケルシリサイド膜と電気的に接続する少なくとも１つの導電体膜が形成された積層構造を有する請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
シリコンを含む半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールの側面部および底部にニッケル膜を形成する工程と、
熱処理により、前記半導体基板の上部と前記コンタクトホールの底部の前記ニッケル膜とをシリサイド反応させて前記コンタクトホールの前記底部にニッケルシリサイド膜を形成する工程と、
前記コンタクトホールに導電体材料を埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項５】
シリコンを含む半導体基板上の層間絶縁膜にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールの側面部および底部にニッケル膜を形成する工程と、
シリコンを含むガス雰囲気中における熱処理により、前記ガスと前記ニッケル膜とをシリサイド反応させて前記コンタクトホールの前記側面部および前記底部にニッケルシリサイド膜を形成する工程と、
前記ニッケルシリサイド膜が形成された前記コンタクトホールに導電体材料を埋め込んでコンタクトプラグを形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、シリコン膜、ポリシリコン膜またはシリサイド膜上にバリアメタルに囲まれたコンタクトプラグを有する半導体装置が知られている。この半導体装置は、バリアメタルとしてのチタンまたは窒化チタンが、シリコンと反応してシリサイドチタン（ＴｉＳｉ２）を形成することにより、コンタクト抵抗が低減する。
【０００３】
しかし、従来の半導体装置によると、微細化等に伴い、シリコン膜等の欠陥、拡散層、または拡散種等の影響により、シリサイドチタンが形成されにくく、コンタクト抵抗の低減が困難となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２４６１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、コンタクト抵抗を低減する半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施の形態の半導体装置は、シリコンを含む半導体基板上の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールの底部に形成され、コンタクトホールに形成されるコンタクトプラグと電気的に接続するニッケルシリサイド膜を有する。このニッケルシリサイド膜は、ニッケルシリサイド膜とコンタクトプラグの界面が半導体基板と層間絶縁膜の界面より高い。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】図１Ａ（ａ）〜図１Ａ（ｄ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂ（ｅ）〜図１Ｂ（ｇ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係る製造方法により形成されたニッケルシリサイド膜と第２の実施の形態に係る製造方法により形成されたニッケルシリサイド膜との配向性を比較したグラフである。
【図４】図４（ａ）は、第２の実施の形態に係る第１の試料の要部断面図であり、（ｂ）は第２の試料の要部断面図であり、（ｃ）は、第１の試料と第２の試料のシート抵抗（Ω）を示す表であり、（ｄ）は、第１の試料と第２の試料のコンタクト抵抗と累積確率の関係を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（実施の形態の要約）
実施の形態の半導体装置は、シリコンを含む半導体基板上の層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールの底部に形成され、コンタクトホールに形成されるコンタクトプラグと電気的に接続するニッケルシリサイド膜を有する。このニッケルシリサイド膜は、ニッケルシリサイド膜とコンタクトプラグの界面が半導体基板と層間絶縁膜の界面より高い。
[第１の実施の形態]
（半導体装置の製造方法）
図１Ａ（ａ）〜図１Ｂ（ｇ）は、第１の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【０００９】
まず、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により、半導体基板１０上に層間絶縁膜１１を形成する。
【００１０】
半導体基板１０は、例えば、シリコン、ポリシリコンまたはシリサイドを含んで構成される。本実施の形態における半導体基板１０は、例えば、シリコン基板である。以下に図示する半導体基板１０は、例えば、拡散層を含む部分であり、後述するコンタクトプラグは、この拡散層と電気的に接続するものである。
【００１１】
層間絶縁膜１１は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。この酸化シリコンは、例えば、ＣＶＤ法等により形成される。
【００１２】
次に、図１Ａ（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ法およびＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等により、層間絶縁膜１１にコンタクトホール１２を形成する。
【００１３】
次に、コンタクトホール１２の底部１４に残存する残渣物１５を除去する。この残渣物１５は、例えば、エッチングしたときに形成された下地膜のダメージ層、またはエッチングのときに発生した残留物である。この残渣物１５は、例えば、酸素アッシング処理により除去される。
【００１４】
次に、図１Ａ（ｂ）に示すように、熱酸化法等により、底部１４に酸化膜１６を形成する。この酸化膜１６は、例えば、酸化シリコンである。続いて、ウエットエッチング法等により、酸化膜１６を除去する。なお、ウエットエッチング処理により、底部１４の酸化膜１６が完全に除去されない場合、またはウエットエッチング処理により、底部１４に新たに酸化膜が形成された場合は、ドライエッチング法により、酸化膜を除去する。
【００１５】
次に、図１Ａ（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール１２の側面部１３および底部１４、および層間絶縁膜１１上にニッケル膜１７を形成する。このニッケル膜１７の形成は、例えば、ニッケルアミド系ガス、水素ガスおよびアンモニアガスを混合した混合ガス雰囲気中にて行われる。
【００１６】
また、イオン注入法等により、このニッケル膜１７に不純物を注入する。この不純物は、例えば、ニッケル膜１７の耐熱温度を上昇させるものである。不純物は、例えば、非磁性体またはコバルトである。本実施の形態においては、不純物としてコバルトを用いる。この不純物の注入により、ニッケル膜１７は、耐熱温度が高くなる。よって、後述するニッケルシリサイド膜の耐熱温度が高くなり（例えば、７００〜８００℃）、後述する導電体膜を埋め込む際の温度に耐えることができる。
【００１７】
次に、熱処理により、ニッケル膜１７をシリサイド化する。この熱処理は、例えば、およそ３００℃で行われる。この熱処理により、半導体基板１０の上部とコンタクトホール１２の底部１４のニッケル膜１７とをシリサイド反応させてコンタクトホール１２の底部１４にニッケルシリサイド膜１８を形成する。
【００１８】
次に、図１Ａ（ｄ）に示すように、ウエットエッチング法により、シリサイド化しなかったニッケル膜１７を除去する。このウエットエッチング法により、コンタクトホール１２の底部１４のみにニッケルシリサイド膜１８が形成される。
【００１９】
次に、図１Ｂ（ｅ）に示すように、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール１２の側面部１３と、層間絶縁膜１１上にバリアメタル１９を形成する。バリアメタル１９の形成は、例えば、６５０℃以下で行われる。このバリアメタル１９は、例えば、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）またはチタンと窒化チタン（Ｔｉ／ＴｉＮ）の積層膜である。なお、このバリアメタル１９は、コンタクトホール１２の底部に露出するニッケルシリサイド膜１８上には、バリアメタル１９とニッケルシリサイド膜１８の密着性不良から形成されない。
【００２０】
次に、図１Ｂ（ｆ）に示すように、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposion）法等により、導電体膜２０をコンタクトホール１２に埋め込む。
【００２１】
この導電体膜２０は、例えば、導電性を有する導電体材料からなり、タングステン、アルミニウムまたは銅を含む。本実施の形態における導電体膜２０は、例えば、タングステンである。
【００２２】
次に、図１Ｂ（ｇ）に示すように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等により、層間絶縁膜１１上の余分なバリアメタル１９および導電体膜２０を除去してコンタクトプラグ２１を形成する。続いて、周知の工程を経て所望の半導体装置を得る。
【００２３】
ここで、ニッケルシリサイド膜１８は、ニッケルシリサイド膜１８とコンタクトプラグ２１の界面１８ａが半導体基板１０と層間絶縁膜１１の界面１０ａより高くなっている。
【００２４】
なお、ニッケル膜１７およびニッケルシリサイド膜１８の形成は、例えば、同一のチャンバー内にて行われるが、別のチャンバーにて行われても良い。
【００２５】
（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、コンタクトホール１２を形成した後、その底部１４にニッケルシリサイド膜１８を形成するので、拡散層の欠陥、シリコンのポリシリコン化、拡散種および拡散種の濃度等の影響が小さくなり、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００２６】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、層間絶縁膜の側面部にもニッケルシリサイド膜を形成する点で第１の実施の形態と異なっている。なお、以下の各実施の形態において、第１の実施の形態と同様の機能および構成を有する部分については、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は、省略するものとする。
【００２７】
以下に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００２８】
（半導体装置の製造方法）
図２（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【００２９】
まず、ＣＶＤ法等により、半導体基板１０上に層間絶縁膜１１を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法およびＲＩＥ法等により、層間絶縁膜１１にコンタクトホール１２を形成する。続いて、第１の実施の形態と同様に、底部１４に残存する残渣物を除去する。
【００３０】
次に、図２（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール１２の側面部１３および底部１４、および層間絶縁膜１１上にニッケル膜１７を形成する。続いて、イオン注入法等により、ニッケル膜１７に不純物を注入する。
【００３１】
次に、図２（ｂ）に示すように、熱処理により、コンタクトホール１２の側面部１３および底部１４、および層間絶縁膜１１上にニッケルシリサイド膜１８を形成する。
【００３２】
この熱処理は、例えば、モノシラン（ＳｉＨ４）またはジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）雰囲気において、２００℃以上の温度で行われる。この熱処理により、雰囲気に含まれるシリコンとニッケル膜１７とをシリサイド反応させて、底部１４のニッケル膜１７だけでなく、側面部１３および層間絶縁膜１１上のニッケル膜１７をシリサイド化させる。なお、この熱処理は、例えば、ニッケル膜１７を形成したときのチャンバー内で行われるが、別のチャンバー内で行われても良い。
【００３３】
次に、ＡＬＤ法等により、導電体膜をコンタクトホール１２に埋め込む。なお、ニッケルシリサイド膜１８の形成から導電体膜の形成は、例えば、同一のチャンバー内にて行われても良く、また、別のチャンバー内で行われても良い。
【００３４】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法等により、層間絶縁膜１１上の余分なニッケルシリサイド膜１８および導電体膜を除去してコンタクトプラグ２１を形成する。続いて、周知の工程を経て所望の半導体装置を得る。
【００３５】
図３は、第１の実施の形態に係る製造方法により形成されたニッケルシリサイド膜と第２の実施の形態に係る製造方法により形成されたニッケルシリサイド膜との配向性を比較したグラフである。図３に示すグラフは、Ｘ線回折装置を用いてθ／２θ法により測定したものである。横軸はＸ線の散乱角（２０°〜８０°）であり、縦軸はカウント（０〜３０００）である。
【００３６】
第１の実施の形態では、ニッケル膜１７を形成した後、熱処理を行うことにより、半導体基板１０のシリコンと接触する部分（底部１４）にのみ、ニッケルシリサイド膜１８が形成された。この第１の実施の形態におけるニッケルシリサイド膜１８の測定結果を図示したものが、第１の回折プロファイル１ａである。
【００３７】
一方、第２の実施の形態では、ニッケル膜１７を形成した後、モノシランまたはジシラン雰囲気において、２００℃以上の条件で熱処理することにより、コンタクトホール１２の側面部１３および底部１４、および層間絶縁膜１１上にニッケルシリサイド膜１８を形成した。この第２の実施の形態におけるニッケルシリサイド膜１８の測定結果を図示したものが、第２の回折プロファイル２ａである。
【００３８】
図３から明らかなように、第１の実施の形態に係る製造方法によって形成されたニッケルシリサイド膜と、第２の実施の形態に係る製造方法によって形成されたニッケルシリサイド膜は、ほぼ同一の配向性を示していることが分かる。つまり、第１および第２の実施の形態に係る製造方法により形成されたニッケルシリサイド膜は、同じ性質を有するものであり、同様にコンタクト抵抗を低減することが可能となる。
【００３９】
（コンタクト抵抗について）
図４（ａ）は、第２の実施の形態に係る第１の試料の要部断面図であり、（ｂ）は第２の試料の要部断面図であり、（ｃ）は、第１の試料と第２の試料のシート抵抗（Ω）を示す表であり、（ｄ）は、第１の試料と第２の試料のコンタクト抵抗と累積確率（Cumulative Probability）の関係を示すグラフである。以下に、本実施の形態の半導体装置と同様の構成を有する第１の試料３と、ニッケルシリサイド膜を形成しない第２の試料４のシート抵抗とコンタクト抵抗について説明する。
【００４０】
第１の試料３は、図４（ａ）に示すように、シリコン基板３０上に、ニッケルシリサイド膜３１およびタングステン膜３２が順次形成されている。
【００４１】
第２の試料４は、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板４０上に、チタン膜４１、窒化チタン膜４２およびタングステン膜４３が順次形成されている。このチタン膜４１および窒化チタン膜４２は、タングステンの拡散を防止するバリアメタルである。なお、第１の試料３のシリコン基板３０と第２の試料４のシリコン基板４０は同じ厚さを有するものとする。また、ニッケルシリサイド膜３１、タングステン膜３２、４３、チタン膜４１および窒化チタン膜４２は、同じ厚さを有するものとする。
【００４２】
上記の第１の試料３および第２の試料４のシート抵抗の測定を行った。なお、第１の試料３のシート抵抗の測定結果は、第１の試料３のニッケルシリサイド膜３１およびタングステン膜３２が、ウエハの全域に形成されている場合の測定結果である。また、第２の試料４のシート抵抗の測定結果は、第２の試料４のチタン膜４１、窒化チタン膜４２およびタングステン膜４３が、ウエハの全域に形成されている場合の測定結果である。この測定の結果、図４（ｃ）に示すように、第１の試料３のシート抵抗は、０．６Ω／ｃｍ２であり、第２の試料４のシート抵抗は、０．８６Ω／ｃｍ２であった。
【００４３】
また、シリコン基板上の層間絶縁膜に複数のコンタクトホールを形成し、そのコンタクトホールの底部にニッケルシリサイド膜を形成した場合（第１のプロファイル５）のそれぞれのコンタクト抵抗を測定した。また、コンタクトホールの底部にシリサイドチタン（ＴｉＳｉ２）膜またはチタン（Ｔｉ）膜／窒化チタン（ＴｉＮ）膜からなるバリアメタルを形成した場合（第２のプロファイル６）のそれぞれのコンタクト抵抗を測定した。
【００４４】
図４（ｄ）において、横軸はコンタクト抵抗を示し、縦軸は、コンタクト抵抗の値が全体の何％のコンタクトで測定されたのか（累積確率）を示したものである。図４（ｄ）に示すように、底部にニッケルシリサイド膜を形成した場合の方が、底部にシリサイドチタン膜またはチタン膜／窒化チタン膜からなるバリアメタルを形成した場合よりもコンタクト抵抗が１／２〜１／１０程度、低減したことが分かった。
【００４５】
以上の結果により、コンタクトホールの底部にシリサイドチタン膜またはチタン膜／窒化チタン膜からなるバリアメタルを形成した場合よりも底部にニッケルシリサイド膜を形成する場合の方が、コンタクト抵抗を低減することが分かった。
【００４６】
（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、ニッケルシリサイド膜１８をコンタクトホール１２の側面部１３にも形成するので、ニッケルシリサイド膜１８をバリアメタルとしても利用できる。第２の実施の形態によれば、ニッケルシリサイド膜１８をバリアメタルとしても利用できるので、チタン／窒化チタンをバリアメタルとして用いる場合と比べて、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００４７】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、層間絶縁膜が、コンタクトプラグと側面部から電気的に接続する少なくとも１つの導電体膜が形成された積層構造を有する点で、上記の他の実施の形態と異なっている。
【００４８】
以下に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
【００４９】
（半導体装置の製造方法）
図５（ａ）〜（ｃ）は、第３の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。
【００５０】
まず、ＣＶＤ法等により、半導体基板７０上に第１の層間絶縁膜７２を形成する。続いて、ＣＶＤ法等により、第１の層間絶縁膜７２上に導電体膜７４を形成する。この導電体膜７４は、例えば、導電性材料からなる配線等である。この導電性材料は、例えば、ポリシリコン、銅またはタングステン等である。本実施の形態においては、導電体膜７４は、例えば、ポリシリコンである。なお、導電体膜７４は、例えば、第１および第２の層間絶縁膜７２、７６に複数含まれ、コンタクトホール７８に露出していても良い。
【００５１】
次に、ＣＶＤ法等により、導電体膜７４上に第２の層間絶縁膜７６を形成する。続いて、フォトリソグラフィ法およびＲＩＥ法等により、第２の層間絶縁膜７６、導電体膜７４および第１の層間絶縁膜７２を貫通するコンタクトホール７８を形成する。続いて、第１の実施の形態と同様に、底部８２に残存する残渣物を除去する。この第１および第２の層間絶縁膜７２、７６は、例えば、酸化シリコンである。
【００５２】
次に、図５（ａ）に示すように、ＣＶＤ法等により、コンタクトホール７８の側面部８０および底部８２、および第２の層間絶縁膜７６上にニッケル膜８４を形成する。続いて、イオン注入法等により、ニッケル膜８４に不純物を注入する。
【００５３】
次に、図５（ｂ）に示すように、熱処理により、コンタクトホール７８の側面部８０および底部８２、および第２の層間絶縁膜７６上にニッケルシリサイド膜８６を形成する。この熱処理は、例えば、第２の実施の形態における熱処理と同条件で行われる。
【００５４】
次に、ＡＬＤ法等により、導電体膜をコンタクトホール７８に埋め込む。
【００５５】
次に、図５（ｃ）に示すように、ＣＭＰ法等により、第２の層間絶縁膜７６上の余分なニッケルシリサイド膜８６および導電体膜を除去してコンタクトプラグ８８を形成する。続いて、周知の工程を経て所望の半導体装置を得る。
【００５６】
（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、コンタクトホール７８の側面部８０に露出する少なくとも１つの導電体膜７４と、ニッケルシリサイド膜８６を介して電気的に接続するコンタクトプラグ８８を形成することができる。
【００５７】
（実施の形態の効果）
以上説明した実施の形態によれば、コンタクトホールを形成した後、少なくとも底部にニッケルシリサイド膜を形成するので、拡散層の欠陥、シリコンのポリシリコン化、拡散種および拡散種の濃度等の影響が小さくなり、コンタクト抵抗を低減することができる。
【００５８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５９】
１０、７０…半導体基板、１０ａ、１８ａ…界面、１１…層間絶縁膜、１２、７８…コンタクトホール、１３、８０…側面部、１４、８２…底部、１７、８４…ニッケル膜、１８、３１、８６…ニッケルシリサイド膜、２１、８８…コンタクトプラグ、７２…第１の層間絶縁膜、７４…導電体膜、７６…第２の層間絶縁膜
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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