(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（１）の上にあるシリサイド形成金属であるコバルト（Ｃｏ）層（２）を含む半導体構造のためのキャッピング層であって、
前記半導体構造の上にあり、前記コバルト層（２）に接触する第１のＴｉＮ層（６１）であって、窒素不足の非化学量論量の窒化物からなる、前記第１のＴｉＮ層と、
前記第１のＴｉＮ層（６１）の上でかつこれに接触する第２のＴｉＮ層（６２）であって、前記第１のＴｉＮ層とは組成が異なり、前記第１のＴｉＮ層中の窒素量より多い窒素を含む窒素リッチの非化学量論量の窒化物からなる、前記第２のＴｉＮ層と、
を含み、
前記第１のＴｉＮ層（６１）は、前記ＴｉＮ層が窒素流量４０ｓｃｃｍ未満のターゲットに窒化物を形成しない雰囲気中のスパッタリングにより形成され、前記第２のＴｉＮ層（６２）は、５０ｓｃｃｍを超える窒素流量の前記ターゲットに窒化物を形成する雰囲気中のスパッタリングにより形成され、
各ＴｉＮ層の窒素含有量は、前記第２のＴｉＮ層から拡散する窒素が前記第１のＴｉＮ層に吸収されるように選択され、前記コバルト層への窒素拡散を抑え、前記シリコン表面に酸窒化物を形成しないことを特徴とする、キャッピング層。
【請求項２】
シリコン（１）の上にあるシリサイド形成金属であるコバルト（Ｃｏ）層（２）を含む半導体構造用のキャッピング層を形成する方法であって、
前記半導体構造の上にあり、前記コバルト層（２）に接触する、窒素不足の非化学量論量の第１のＴｉＮ層を、窒素流量４０ｓｃｃｍ未満のチタン・ターゲットに窒化物を形成しない雰囲気中でスパッタリングにより形成するステップと、
前記第１のＴｉＮ層の上でかつこれに接触する、前記第１のＴｉＮ層とは組成の異なる窒素リッチの非化学量論量の第２のＴｉＮ層を、５０ｓｃｃｍを超える窒素流量のチタン・ターゲットに窒化物を形成する雰囲気中でスパッタリングにより形成するステップと、
を含み、
各ＴｉＮ層の窒素含有量は、前記第２のＴｉＮ層から拡散する窒素が前記第１のＴｉＮ層に吸収されるように選択され、前記コバルト層への窒素拡散を抑え、前記シリコン表面に酸窒化物を形成しないことを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスおよびその製造方法に関し、詳細にはＦＥＴデバイスにおける狭い構造の抵抗の低減に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポリシリコン・ゲートを備えたＦＥＴデバイスの製造において、ゲート・サイズの絶え間ない減少によりゲート導体の抵抗が増大してきた。この問題を克服するため、しばしばシリサイド層（典型的にはＣｏＳｉ２）がポリシリコンの上にある。狭いポリシリコン・ゲート導体にシリサイドを付加することは抵抗を低減させるのに効果があることがわかっている。さらに、他の能動領域（ゲートに隣接した、ソースおよびドレン）にＣｏＳｉ２層を形成することがこれらの領域のシート抵抗を低減させるので有利な効果をもつことが知られている。自己整合された形でシリサイドを形成するプロセスは当技術分野で公知である。
【０００３】
ゲート導体上でのケイ化コバルトの形成は、通常はポリシリコンの上部にＣｏ層を付着することから始まる。コバルトの酸化を防ぐため、キャッピング層が一般に使用される。窒化チタン（ＴｉＮ）は有効なキャッピング層（capping layer）であり、コバルトに対する良好な付着力をもつ酸素バリアとして働き、下にあるシリコンと反応しない。典型的なシリサイド形成プロセスを図１ないし図３に示す。Ｓｉ表面の固有酸化物を最小限に抑えるため、Ｃｏ付着の前に標準のプレクリーニングを行う。図１に示すように、シリコン・ゲート構造１上にコバルト層２が付着され、Ｃｏ層２の厚さは約８０Åである。
【０００４】
次にコバルト上にＴｉＮキャッピング層３が付着される。これは従来は窒素雰囲気中でＡｒ原子を使用してＴｉターゲットをスパッタリングすることにより行われる。Ｎ２の流れが変わるに応じて、ターゲット電圧（Ｔｉターゲットとアースの間の電圧）が従属変数として測定できることが当技術分野の技術者には理解されよう。この関係のグラフを図４に示す。ターゲット電圧対Ｎ２流れのプロットの詳細は、もちろん、プロセス条件により、スパッタリング・ツールごとに変わる。図４に示す電圧と流量は例に過ぎない。Ｎ２の流れには、図４のＩ、ＩＩおよびＩＩＩで示す３つの異なる領域がある。
【０００５】
Ｉ．「非窒化物」ターゲット；スパッタリング・チェンバに存在するＮ２が、Ｔｉターゲット上に窒化物を形成するには少なすぎる。したがって、純粋なＴｉがターゲットからスパッタリングされる。このＴｉがチェンバ内でＮと反応して、ＴｉｘＮｙ（すなわち、非化学量論量のＴｉＮ）またはＴｉ（Ｎ）（すなわち、溶液中にＮを含むＴｉ）を形成する。したがってＣｏ表面は純粋Ｔｉ（これは後で反応してＴｉＮを形成する）と、ＴｉｘＮｙまたはＴｉ（Ｎ）のどちらかでコーティングされる。
【０００６】
ＩＩ．遷移領域：この領域はプラズマが不安定なことを特徴としており、スパッタリング・プロセスの制御が困難なため実際には避けられる。
【０００７】
ＩＩＩ．「窒化物化」ターゲット：ターゲット上に窒化物ＴｉｘＮｙを形成するのに十分なＮ２が存在する。ターゲット上に形成された窒化物の化学量論量は実際に使用されるＮ２の流れに依存する。このＴｉＮスパッタリングによってＳｉ表面上にＴｉＮ粒子が形成される。粒子境界にＮ原子を含めることによってＴｉＮの窒素含有量をさらに高めることができる。従来のＴｉＮ層はＮ２の流れのこの領域でスパッタリングすることによって生成される。
【０００８】
したがって、領域ＩＩＩではＮ２の流れによって生じたＴｉＮは「Ｎリッチ」を特徴としており、領域ＩではＮ２の流れによって生じたＴｉＮは「Ｎプア」を特徴としていることになる。
【０００９】
従来のＴｉＮキャッピング層プロセスでは、ＴｉＮ層の厚さは約２００Åである。次いでＳｉ／Ｃｏ／ＴｉＮ構造をほぼ４８０℃〜５７０℃の範囲、好ましくは約５４０℃の温度で不活性雰囲気（しばしばＮ２またはＡｒ）中アニールする。このアニール・ステップで、コバルトがシリコンと反応して、Ｃｏ層（図２）の代わりに、ケイ化コバルトＣｏＳｉの層４を生成する。Ｃｏ層２が厚さ約８０Åの場合、ＣｏＳｉ層の厚さは一般に２００Å〜３００Åである。次いでＴｉＮキャッピング層を（通常は硝酸−過酸化水素混合物を使用して）剥がす。ほぼ６８０℃〜７５０℃の範囲の温度での第２のアニールの結果、Ｓｉゲート１（図３）上に二ケイ化コバルトの層５が形成される。ＣｏＳｉ２は低抵抗導体であり、ＣｏＳｉ層よりも僅かに厚い（この例では３００Åないし４００Å）。
【００１０】
プレクリーンが行われるが、実際にはシリコン１の表面は通常は厚さ約５Å〜１０Åの固有酸化物で覆われている。この酸化物は図５で層１１として示されている。Ｃｏ層２が酸化物１１の上部に付着された、ＣｏおよびＳｉ原子は、図６に略示するように、酸化物を通して互いに向かって拡散する。第１のアニールの後、酸化物の上下にそれぞれＣｏＳｉの層１２、１３が形成される（図７：図２の理想図と比較のこと）。この薄い固有酸化物は、ＣｏとＳｉが反応してシリサイドを形成するのを妨害しない。
【００１１】
上述のように、キャッピング層３中の従来のＴｉＮは一般に真に化学量論的ではなく、余分の窒素を含む。したがって、窒素原子はキャッピング層３からコバルト層２内へさらにそれを貫通して拡散する。さらに、キャッピング層の付着中にＮ原子がＣｏ層中またはＣｏ／ＴｉＮ界面に取り込まれることがある。自動整合ＣｏＳｉ２中に窒素を導入すると有利な効果（たとえば、集中に対する熱安定性の改善）があり得ることは公知であるが、ケイ化コバルト形成プロセスに窒素を使用するのは望ましくない効果がある。具体的には、ＴｉＮキャッピング層３から酸化物層１１にＮ原子が拡散すると（図８参照）、酸窒化物層２１が形成され、これはコバルト層２へのＳｉ原子の拡散をブロックする（図９：図６を比較のこと）。厚い酸窒化物はＣｏ原子の移動も抑制する可能性がある。その結果ＣｏＳｉの形成が不完全となり、第１アニール後に酸窒化物２１の上に未反応のＣｏ層２２ができる（図１０：図７を比較のこと）。このＣｏ層２２をＴｉＮキャッピング層３でストリップすると、ＣｏＳｉの薄い層が残る。その結果、第２アニールで薄いＣｏＳｉ２層２５が形成される（図１１）。ＣｏＳｉ２層２５が不連続になること（すなわち、Ｓｉゲート１の不完全な被覆）が認められている。
【００１２】
したがって、ＣｏＳｉ２を形成する前にコバルト中へのＮの導入を一般に制御し、特にコバルトとシリコンの間での酸窒化物の形成を避け、それによってＣｏＳｉ層の完全な形成を可能にする、コバルト金属用のキャッピング層が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、そこからの窒素拡散がシリコン上の酸化物層から酸窒化物を形成させるのに不十分な、シリサイド形成金属用のキャッピング層を提供することにより、上述の必要性に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の態様によれば、キャッピング層は半導体構造の上にあり、シリサイド形成金属と接触する金属層である。この金属層はタングステン、モリブデン、チタンまたはその他の耐火金属で構成される。層がタングステン製の場合、その厚さは約２５Å〜１５０Åの範囲である。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、キャッピング層は半導体構造の上にあり、シリサイド形成金属と接触する、窒化チタン（ＴｉＮ）などの窒化物の層であり、この層は、この層からシリサイド形成金属への窒素の拡散が阻止されるような窒素含有量を有する。具体的には、この窒素層は窒素不足の非化学量論量のＴｉＮである。したがって、窒化物層からの窒素の拡散は、シリコン表面上の酸化物層において酸窒化物を形成させるのに不十分である。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、キャッピング層はシリサイド形成金属に接触する第１層と、第１層の上にあり、これと接触する第２層を有し、第２層は第１層と異なる組成をもつ。これらの各層はチタンを含むことが好ましい。具体的には、第１層は第１量の窒素を含む窒化チタン（ＴｉＮ）であり、第２層は第１量より多い第２量の窒素を含むＴｉＮである。第１層および第２層はそれぞれ厚さ約１００Åである。これらの異なるＴｉＮ層はそれぞれ領域Ｉおよび領域ＩＩＩにおけるＮ２の流れの存在下でＴｉをスパッタリングすることによって生成することができ、それによってＮ不足およびＮに富んだＴｉＮ層を生じる。あるいは、第１層は本質的にＴｉからなり、厚さ約２０Å以下であり、第２層は厚さ約２００ÅのＴｉＮを含んでいる。他の代替方法として、第２層は本質的に厚さ約２００ÅのＴｉからなってもよく、第１層はＴｉＮを含んでいる。
【００１７】
本発明のさらなる態様によれば、半導体構造がシリコンの上にあるシリサイド形成金属を含む、半導体構造用のキャッピング層を形成する方法が提供される。この方法は、半導体構造の上にあり、シリサイド形成金属に接触する窒化物の層を形成するステップを含み、この層はこの層からシリサイド形成金属への窒素の拡散が阻止されるような窒素含有量を有する。窒化物層は窒化チタンであることが好ましい。この形成ステップは、ターゲット上に窒化物を形成させるのに不十分な窒素の流れを特徴とする雰囲気中でチタン・ターゲットからスパッタリングを行うことを含み、したがって、窒化物層は窒素不足の非化学量論量のＴｉＮを含んでいる。
【００１８】
本発明の追加の態様によれば、この方法は第１層を形成するステップと第２層を形成するステップを含み、第１層と第２層とは異なる組成をもつ。第１層を形成するステップは、ターゲット上に窒化物を形成させるのに不十分な窒素の流れを特徴とする雰囲気中でチタン・ターゲットからスパッタリングすることを含み、したがって、第１層は窒素不足の非化学量論量のＴｉＮである。あるいは、第１層を形成するステップは、チタン・ターゲットからスパッタリングを行って、本質的にチタンからなる層を生成することを含み、第２層を形成するステップは、ターゲット上に窒化物を形成するのに十分な窒素の流れを特徴とする雰囲気中でチタン・ターゲットからスパッタリングを行って、窒化チタンの層を生成することを含む。他の代替方法として、窒化チタンの第１層と本質的にチタンからなる第２層を生成するためにこれらのステップを実行することもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明によれば、従来のＴｉＮキャッピング層３は（１）Ｎの拡散が起こらない金属層、または（２）Ｎ原子が酸化物層１１に達せず、そのため酸窒化物層２１の形成が避けられるように配列されたＴｉまたはＴｉＮあるいはその両方を含む１枚または複数枚の層で置き換えられる。
【００２０】
第１実施形態：タングステン・キャッピング層
この実施形態では、タングステンのキャッピング層４０がコバルト層２の上に付着される（図１２）。Ｗ層は厚さが約２５Å〜１５０Åの範囲、好ましくは約７５Åである。この厚さは、下にあるＣｏ層に過剰な応力がかかるのを避けるため、一般にＴｉＮキャッピング層３の厚さより薄いことに留意されたい。Ｗキャップは、ＣｏおよびＳｉの両方の拡散が起こり、ＣｏＳｉが第１アニールの後に酸化物の上下に形成されるように、Ｃｏ層２または酸化物層１１中に窒素が取り込まれるのを許さない（図１３：図７と比較のこと）。Ｗキャッピング層を除去し（図１４）、第２アニールを行った後、所望の厚さのＣｏＳｉ２層４５がＳｉの表面上に残る（図１５）。キャッピング層からのＮの拡散が避けられるので、シリサイド上面の未反応Ｃｏも同様に避けられる。キャッピング層用の追加の可能な材料にはモリブデン、チタンおよび他の耐火金属が含まれる。
【００２１】
第２実施形態：Ｎの不足するＴｉＮキャッピング層
図４を参照して上述したように、ＴｉＮキャッピング層の窒素含有量は、Ｔｉスパッタリング・チェンバ内のＮ２の流れを調節し、それによってＴｉがＣｏ層２の表面上にスパッタされる際の雰囲気を制御することによって制御される。この実施形態では、Ｎの不足するＴｉＮを有するキャッピング層５１が形成される。すなわち、Ｔｉは図４の領域ＩにおけるＮ２の流れでスパッタリングされ、キャッピング層に含まれる窒素の量が（領域ＩＩＩのＮ２の流れにより窒化Ｔｉターゲットからスパッタリングされる）従来のＴｉＮ層中よりも少なくなる。Ｎの不足するＴｉＮは図１６でＴｉＮ（−）として示されており、層５１は厚さ約２００Åであることが好ましい。したがって、従来のＴｉＮの場合よりもＣｏ中への拡散に利用できるＮが少なくなり、したがって層５１からＣｏ層への拡散が低減し、酸窒化物が形成されない（図１７参照）。その結果、第１のアニール後に（図７におけるように）所望の厚さのＣｏＳｉ層が形成される。
【００２２】
第３実施形態：ＴｉＮ２層
この実施形態では、図１８に示すように、２つの層を含むＴｉＮキャッピング層が形成される。窒素不足のＴｉＮ層６１がＣｏ層２上に付着され、窒素に富んだＴｉＮ層６２がその上に付着される。Ｎに富んだＴｉＮ材料は図１８でＴｉＮ（＋）と示されている。層６１および層６２はそれぞれ図４の領域Ｉと領域ＩＩＩでＴｉをスパッタリングすることによって得られる。層６１および層６２はそれぞれ厚さ約１００Åである。この構成では、層６２から拡散する窒素原子が、層６１に吸収されることが可能であり、酸化物１１へのＮの拡散（およびその後の酸窒化物の形成）が避けられる（図１９）。層２のコバルトは上記のように、次いでＳｉと反応して、ＣｏＳｉを形成することができる。
【００２３】
第４実施形態：ＴｉＮ／Ｔｉ組合せキャッピング層
この実施形態では、キャッピング層は２つの異なる層、すなわち（１）好ましくは厚さ２０Å未満の、コバルト上に付着された純粋なＴｉの層７１と、（２）好ましくは厚さ約２００Åの、Ｎに富んだＴｉＮの層７２との組合せである（図２０参照）。第１アニールの後でＣｏＳｉを形成する際のＴｉとＣｏＳｉの反応を最小限に抑えるため、層７１の厚さは限られたものでなければならない。この構成では、図２１に略示するように、層７２から拡散する窒素原子が層７１に吸収されることが可能である。したがって窒素はＣｏ層２とＴｉ層７１の界面に達しない。したがって、Ｓｉ表面上に酸窒化物が形成されず、未反応Ｃｏの問題は発生しない。
【００２４】
第５実施形態：Ｔｉ／ＴｉＮ組合せキャッピング層
この実施形態のキャッピング層は、（１）窒素に富んだＴｉＮ層８１と（２）その上に付着された純粋Ｔｉの層８２を含んでいる（図２２）。層８１は好ましくは厚さが約５０Å未満であり、層８２の厚さは約２００Åである。ＴｉＮ（＋）フィルム８１の厚さは、過剰な応力なしに下にあるＣｏ層への接着力が十分となり、酸化物層１１中に酸窒化物を形成するのに利用可能な窒素の量が限られたものとなるように選ぶ。ＴｉＮ（＋）層８１から拡散する窒素原子はＴｉ層８２中に吸収され（図２３参照）、コバルト層２内へかつこれを通って拡散するのに利用可能なＮはより少なくなる。したがって、酸窒化物の形成が避けられる。
【００２５】
本発明を特定の実施形態に関して記述したが、前述の記述に鑑みれば多数の代替形態、変更形態および変形形態が当分野の技術者に明らかなことは自明であろう。したがって、本発明は、本発明および頭記特許請求の範囲の範囲および精神に属するこれらの代替形態、変更形態および変形形態をすべて包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は一般にポリシリコン・ゲートを有するＦＥＴデバイスの製造に適用可能である。本発明は、抵抗を低減するためにシリサイド層がゲート上に形成される高度超小型電子デバイスの製造に特に有用である。本発明の方法を実施すると有効なシリサイド層をより確実に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ＴｉＮキャッピング層を使用したときのその上の二ケイ化コバルト層の形成を示す、ゲート構造の略図である。
【図２】ＴｉＮキャッピング層を使用したときのその上の二ケイ化コバルト層の形成を示す、ゲート構造の略図である。
【図３】ＴｉＮキャッピング層を使用したときのその上の二ケイ化コバルト層の形成を示す、ゲート構造の略図である。
【図４】スパッタリングが非窒化物化ターゲットおよび窒化物化ターゲットから行われ、Ｎ２の流れの異なる領域がある、Ｔｉのスパッタリング時のターゲット電圧とＮ２の流れの関係を示すグラフである。
【図５】固有酸化シリコン層が存在するときのケイ化コバルト層の形成を示す略図である。
【図６】固有酸化シリコン層が存在するときのケイ化コバルト層の形成を示す略図である。
【図７】固有酸化シリコン層が存在するときのケイ化コバルト層の形成を示す略図である。
【図８】ＴｉＮキャッピング層からのＮの拡散が起こり、シリコン・ゲートの表面上に酸窒化物が形成されるときのケイ化コバルト層の不完全な形成の問題を示す図である。
【図９】ＴｉＮキャッピング層からのＮの拡散が起こり、シリコン・ゲートの表面上に酸窒化物が形成されるときのケイ化コバルト層の不完全な形成の問題を示す図である。
【図１０】ＴｉＮキャッピング層からのＮの拡散が起こり、シリコン・ゲートの表面上に酸窒化物が形成されるときのケイ化コバルト層の不完全な形成の問題を示す図である。
【図１１】ＴｉＮキャッピング層からのＮの拡散が起こり、シリコン・ゲートの表面上に酸窒化物が形成されるときのケイ化コバルト層の不完全な形成の問題を示す図である。
【図１２】本発明の第１実施形態による、タングステン・キャッピング層を使用したときのゲート構造上へのケイ化コバルト層の形成を示す図である。
【図１３】本発明の第１実施形態による、タングステン・キャッピング層を使用したときのゲート構造上へのケイ化コバルト層の形成を示す図である。
【図１４】本発明の第１実施形態による、タングステン・キャッピング層を使用したときのゲート構造上へのケイ化コバルト層の形成を示す図である。
【図１５】本発明の第１実施形態による、タングステン・キャッピング層を使用したときのゲート構造上へのケイ化コバルト層の形成を示す図である。
【図１６】本発明の第２実施形態による、Ｎの不足するＴｉＮキャッピング層の使用を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施形態による、Ｎの不足するＴｉＮキャッピング層の使用を示す図である。
【図１８】本発明の第３実施形態による、２層ＴｉＮキャップの使用を示す図である。
【図１９】本発明の第３実施形態による、２層ＴｉＮキャップの使用を示す図である。
【図２０】本発明の第４実施形態による、ＴｉＮ／Ｔｉ組合せキャッピング層の使用を示す図である。
【図２１】本発明の第４実施形態による、ＴｉＮ／Ｔｉ組合せキャッピング層の使用を示す図である。
【図２２】本発明の第５実施形態による、Ｔｉ／ＴｉＮ組合せキャッピング層の使用を示す図である。
【図２３】本発明の第５実施形態による、Ｔｉ／ＴｉＮ組合せキャッピング層の使用を示す図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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