JP2000294775A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2000294775A
JP2000294775A JP11100098A JP10009899A JP2000294775A JP 2000294775 A JP2000294775 A JP 2000294775A JP 11100098 A JP11100098 A JP 11100098A JP 10009899 A JP10009899 A JP 10009899A JP 2000294775 A JP2000294775 A JP 2000294775A
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wsi
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silicide film
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Kojiro Nagaoka
弘二郎 長岡
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板上に形成される金属シリサイド膜
の異常酸化を抑止することのできる半導体装置の製造方
法を提供すること。 【解決手段】 半導体基板1上に金属シリサイド膜4、
5を形成した後、SiXY ClZ (X、Y、Zは各元
素の組成比)雰囲気中でアニール処理を行うことによ
り、金属シリサイド膜4、5の結晶性を改善し、かつS
XY ClZ ガス中のSiが金属シリサイド膜4、5
に供給されるので、成膜後の金属シリサイド膜4、5の
Si含有量を多くすることができる。これにより、以後
の熱処理を経て高温酸素雰囲気に曝されても金属シリサ
イド膜4、5には異常酸化が発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板上に金
属シリサイド膜を有する半導体装置の製造方法にに関
し、更に詳しくは金属シリサイド膜の異常酸化を抑制す
る半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、金属シリサイド膜を用いた従来
の半導体装置の製造方法を説明する模式断面図であり、
半導体装置としては例えばMOSトランジスタであり、
そのゲート電極の形成工程を示す。
【0003】図4Aを参照して、先ずSi基板1の表面
上にゲート酸化膜(SiO2 膜)2が、膜厚約5nmで
成膜される。そして、ゲート酸化膜2の上に、例えばリ
ンがドープ(添加)され低抵抗化されたポリシリコン膜
3を、次に示す条件でのCVD法で約100nm成膜す
る。その条件は、基板温度620℃、処理室内圧力1
0.6kPa、ゲート酸化膜2上に供給するガス及びそ
れぞれの流量は、SiH 4 /H2 /PH3 =0.45s
lm/10slm/20sccm、となっている。
【0004】ポリシリコン膜3は半導体であるため、リ
ンドープを施してもその低抵抗化には限界がある。そこ
で、ポリシリコン膜3の上にタングステン等の高融点金
属とシリコンとの化合物であるタングステンシリサイド
(WSiX )等の金属シリサイド膜を積層して、すなわ
ちポリサイド構造のゲート電極を構成して、更なる低抵
抗化を図っている。
【0005】WSiX 膜は、ポリシリコン膜3の上に形
成された第1のWSiX 膜4とこの上に形成された第2
のWSiX 膜5とから成る。第1のWSiX 膜4は、例
えば、基板温度595℃、圧力133Pa、供給するガ
ス及びその流量、SiH2 Cl2 /WF6 =300sc
cm/3sccmでCVD法により、膜厚約10nmに
成膜する。この第1のWSiX 膜4におけるWとSiと
の組成比は、Si/W=3.0となっている。第2のW
SiX 膜5は、例えば、基板温度595℃、圧力133
Pa、供給するガス及びその流量、SiH2 Cl2 /W
6 =100sccm/3.6sccmでCVD法によ
り、膜厚約90nmに成膜する。この第2のWSiX
5におけるWとSiとの組成比は、Si/W=2.6と
なっている。
【0006】SiH2 Cl2 還元で成膜するWSiX
の場合、SiH4 還元で成膜したWSiX 膜と異なり、
膜厚方向の組成比に傾斜を持っており、ポリシリコン膜
3との界面でSi量は少なく、表面になるに従いSi量
は多くなる。下地のポリシリコン膜3との界面にWが多
く含まれる層(Wリッチ層)が形成されてしまうと、そ
の後の熱処理工程で異常酸化(酸化タングステンの形
成)が発生してしまう。これは、熱処理によるWSiX
膜中のSiのポリシリコン膜3への拡散で、界面におけ
るSi含有量は減少するが、成膜後の状態ですでに界面
がWリッチ層であると、Wが酸化され体積変化を起こ
し、良好な形状のポリサイドゲートが得られない。これ
を防止するためにポリシリコン膜3との界面には通常よ
りもSi/W組成比が大きい第1のWSiX 膜4、つま
りSiリッチ層を形成させている。
【0007】また、これら第1及び第2のWSiX
4、5のCVD法による形成には、ソースガスとしてS
iH2 Cl2 とWF6 を用いているが、これはSiH4
とWF 6 を用いて形成した場合に比べて、形成されるW
SiX 膜4、5中に含まれるFの含有量を少なくするこ
とができる。WSiX 膜4、5中のFの含有量が多い
と、その後の熱処理によりFがゲート酸化膜2へと拡散
し、ゲート酸化膜2中のSiとOの結合を切って、Si
−F結合をとるようになる。これによりゲート酸化膜2
の膜質の低下、ゲート容量低下、耐圧の低下などを引き
起こす。
【0008】次に、図4Bに示されるように、第2のW
SiX 膜5の上にSiO2 膜6を成膜する。この成膜
は、例えばCVD法により、基板温度700℃、圧力5
0Pa、供給するガス及びその流量はTEOS[Si
(OCH2 CH34 ]を130sccmで、膜厚約2
50nmで成膜する。後の工程でゲート電極を形成する
ためのフォトリソグラフィ時に、このSiO2 膜6がな
いと、第2のWSiX 膜5の表面荒さの影響で線幅が太
くなったり、細くなったりしてしまうので、段差被覆性
に極めて優れたSiO2 膜(特にTEOSで成膜される
もの)を形成させることで、フォトリソグラフィ時の露
光精度を向上させることができる。又、ゲート加工時の
無機マスクとしても使用し、加工性も向上する。又、S
iO2 膜6を成膜した場合、その下層のWSiX 膜はす
でにSiを拡散しWSiX 膜4、5の組成はほぼ同等と
なり単一膜となっている。更に、SiはWSiX 膜の界
面であるポリシリコン膜3、LP−TEOS(SiO2
膜6)界面に析出し、WSiX膜自体のSi組成比は低
下している。
【0009】この後、図示は省略するが、SiO2 膜6
の上にフォトレジストを塗布し、露光、現像により、図
4Cに示すようにレジストパターン7を形成する。
【0010】そして、このレジストパターン7をマスク
として、SiO2 膜6、第1及び第2のWSiX 膜4、
5、ポリシリコン膜3、ゲート酸化膜2をエッチング
し、レジストパターン7を剥離して、図4Dに示される
ゲート電極11が形成される。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】この後、ゲート電極1
1が、例えば、ソース・ドレイン拡散層を形成するイオ
ン注入時の保護膜や層間絶縁膜などのSiO2 膜を成膜
する際の高温(例えば700℃以上)酸化雰囲気に曝さ
れると、WSiX 膜の異常酸化を引き起こす。これは、
前工程である図4Bで示したSiO2 膜6の形成は、7
00℃での熱処理であり、このとき第1及び第2のWS
X 膜4、5中のSiは拡散してWSi中のSi/Wが
低下する。
【0012】このSi含有量の少ないWSiX 膜5に、
上述したような高温酸化雰囲気での熱処理がかかると、
その分より多くのWが酸化される。Wの酸化物は単体の
Wと比べて体積が大きく、よって酸化タングステンが生
成することに伴う体積変化によって、図4Eの符号8a
で示されるように、WSiX 膜の形状が悪化する。な
お、第1及び第2のWSiX 膜4、5はこのときの熱処
理でSi/Wがほぼ一様なWSiX 膜8に単層化され
る。また、図4Eにおいて、高温酸化雰囲気での熱処理
によって形成される例えばイオン注入用の保護膜等の図
示は省略している。
【0013】このWSiX 膜8の形状悪化、つまりゲー
ト電極11の形状の変形は、近年の高集積化に伴う精密
な寸法精度の要求を満たすことができない。また、酸化
タングステンを多く含んだWSiX 膜は抵抗が増大す
る。このように異常酸化の発生はトランジスタ特性の低
下と歩留りの低下を引き起こす。
【0014】また、他従来例として、図4Dで示すゲー
ト電極11の形成後に、例えば基板温度800℃、N2
ガス雰囲気中で30分、WSiX 膜の結晶性を改善する
目的でアニール処理を行う方法があり、これにより異常
酸化を防げる。しかし、これは図4Aで示すWSiX
5の形成後に、例えば600℃以上の熱処理を何ら行わ
ないことが前提となっている。すなわち、ゲート電極1
1の形成後だと、アニール処理により、SiはWSiX
膜5の側面にも拡散し、従って、その後に高温酸化雰囲
気に曝されても側面に拡散してきたSiが酸化されるの
で、Wの酸化を抑えることができ異常酸化は発生しな
い。しかし、図4Bで示されるようなSiO2 膜6の成
膜という熱処理がゲート電極11の形成前に行われる
と、このときの熱処理でSiはすでに膜厚方向へと拡散
してしまい、WSiX 膜5中のSi/Wは低下する。よ
って、ゲート電極11の形成後にアニール処理を行って
も異常酸化を抑制することはできない。
【0015】また、特開平8−191102号公報に
は、WSiX 膜の下又は上にアモルファスシリコン膜を
形成させて、熱処理時にアモルファスシリコン膜からS
iがWSiX 膜に供給されてWSiX 膜の異常酸化を防
ぐことが示されている。更に、特開平8−78411号
公報には、WSiX 膜の上に窒素を含有したSiO2
を形成させてこの膜中のSi−N2 結合層で、酸化種が
WSiX 膜へ達するのを防ぐようにしている。しかし、
これらは、アモルファスシリコン膜や窒素を含有したS
iO2 膜を形成させなければならず、工程数の増加及び
製造コスト高となる。
【0016】本発明は上述の問題に鑑みてなされ、半導
体基板上に形成される金属シリサイド膜の異常酸化を何
ら新たな膜を形成させることなく抑止することのできる
半導体装置の製造方法を提供することを課題とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するに
あたり、本発明では、半導体基板上に金属シリサイド膜
を形成した後、SiXY ClZ (X、Y、Zは各元素
の組成比)雰囲気中でアニール処理を行うことにより、
金属シリサイド膜の結晶性を改善し、かつSi XY
Z ガス中のSiが金属シリサイド膜に供給されるの
で、成膜後の金属シリサイド膜のSi含有量を多くする
ことができる。これにより、以後の熱処理を経て高温酸
素雰囲気に曝されても金属シリサイド膜には異常酸化が
発生しない。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図1〜3を参照して説明する。
【0019】図1〜3は、本実施の形態による、金属シ
リサイド膜を用いた半導体装置の製造方法を説明する模
式断面図であり、従来例と同様に半導体装置としては例
えばMOSトランジスタであり、そのゲート電極の形成
工程を示す。
【0020】図1Aは、上記で説明した従来例の図4A
と全く同一の構成となっている。すなわち、Si基板1
の表面上にゲート酸化膜(SiO2 膜)2が、膜厚約5
nmで成膜される。そして、ゲート酸化膜2の上に、例
えばリンがドープされたポリシリコン膜3を、以下に示
す条件でのCVD法で約100nm成膜されている。そ
の条件は、基板温度620℃、処理室内圧力10.6k
Pa、ゲート酸化膜2上に供給するガス及びそれぞれの
流量は、SiH4 /H2 /PH3 =0.45slm/1
0slm/20sccm、である。
【0021】次に、ポリシリコン膜3の上に低抵抗化を
目的としてWSiX 膜4、5を成膜して、すなわちポリ
サイド構造のゲート電極を構成している。ポリシリコン
膜3の上に形成された第1のWSiX 膜4は、例えば、
基板温度595℃、圧力133Pa、供給するガス及び
その流量、SiH2 Cl2 /WF6 =300sccm/
3sccmでCVD法により、膜厚約10nmに成膜さ
れる。この第1のWSiX 膜4におけるWとSiとの組
成比は、Si/W=3.0となっている。第1のWSi
X 膜4の上に形成される第2のWSiX 膜5は、例え
ば、基板温度595℃、圧力133Pa、供給するガス
及びその流量、SiH2 Cl2 /WF6 =100scc
m/3.6sccmでCVD法により、膜厚約90nm
に成膜する。この第2のWSiX 膜5におけるWとSi
との組成比は、Si/W=2.6となっている。
【0022】従来技術の説明で詳述したが、通常のSi
/W組成比の第2のWSiX 膜5の下に、Siリッチな
第1のWSiX 膜4を形成させているのは、ポリシリコ
ン膜3との界面にWが多く含まれる層(Wリッチ層)が
形成されることによる、その後の熱処理工程での異常酸
化(酸化タングステンの形成)の発生を防止するためで
ある。
【0023】また、やはりこれら第1及び第2のWSi
X 膜4、5のCVD法による形成には、ソースガスとし
てSiH2 Cl2 とWF6 を用いているが、これも形成
されるWSiX 膜4、5中に含まれるFの含有量を少な
くして、Fが拡散してゲート酸化膜2の膜質と耐圧の低
下を防ぐようにしている。
【0024】次に、本実施の形態では、WSiX 膜4、
5を形成した同一の処理室内で、SiH2 Cl2 雰囲気
中でアニール処理を行う。基板温度は625℃、処理室
内圧力133Pa、SiH2 Cl2 ガスの供給量100
sccmの条件で行う。これは、WSiX 膜4、5の形
成に用いたSiH2 Cl2 と同じガス雰囲気で、圧力も
同じ条件であり、すなわち基板温度のみを変えるので同
一の処理室内でそのままアニール処理を行うことができ
る。このアニール処理により、WSiX 膜4、5中のS
iは拡散を起こすが、SiH2 Cl2 中のSiがWSi
X 膜5中へ供給されるので、Si/Wの組成比を低下さ
せることはない。また、このアニール処理により、WS
X 膜4、5の形成直後の非結晶状態又は六方晶状態
を、これ以上結晶変化をしない安定で、かつより低抵抗
の正方晶へと改善させる。つまり、図1Bに示すよう
に、SiH2 Cl2 雰囲気中でのアニール処理により、
第2のWSiX 膜5は、Si含有量の多いかつ正方晶構
造のWSiX 膜5’になる。
【0025】次に、図2Aに示されるように、上述のア
ニール処理を受けた第2のWSiX膜5’の上に、従来
と同様に、後の工程でゲート電極を形成するためのフォ
トリソグラフィ時の露光精度を向上させるためにSiO
2 膜6を成膜する。この成膜は、例えばCVD法によ
り、基板温度700℃、圧力50Pa、供給するガス及
びその流量はTEOS[Si(OCH2 CH34 ]を
130sccmで、膜厚約250nmで成膜する。
【0026】この後、図示は省略するが、SiO2 膜6
の上にフォトレジストを塗布し、露光、現像により、図
2Bに示すようにレジストパターン7を形成する。
【0027】そして、このレジストパターン7をマスク
として、SiO2 膜6、WSiX 膜4、5’、ポリシリ
コン膜3、ゲート酸化膜2をエッチングし、レジストパ
ターン7を剥離して、図3Aに示されるゲート電極10
が形成される。例えば、WSiX 膜4、5’のエッチン
グはプラズマエッチングで行われ、処理室内圧力1.8
mTorr、高周波電力RF=600W、エッチングガ
スCl2 を25sccmで供給して行う。ポリシリコン
膜3は、例えば、エッチングガスCl2 =30scc
m、HBr=30sccm、圧力2.0mTorr、高
周波電力RF=600Wのプラズマエッチングで行われ
る。
【0028】以上のようにして、形成された本実施の形
態によるゲート電極10に、この後、ゲート電極10
が、例えば、ソース・ドレイン拡散層を形成するイオン
注入時の保護膜や層間絶縁膜などのSiO2 膜を成膜す
る際の高温(例えば700℃以上)酸素雰囲気に曝され
てもWSiX 膜の異常酸化は発生しない。これを図3B
に示す。第1及び第2のWSiX 膜4、5’はこのとき
の熱処理でSi/Wがほぼ一様なWSiX 膜9に単層化
されている。なお、イオン注入用の保護膜等の図示は省
略している。
【0029】すなわち、図1Bに示す、SiH2 Cl2
雰囲気中でのアニール処理により、WSiX 膜9はSi
含有量の多い膜、かつ安定な正方晶構造の中にSiがし
っかりと取り入れられているので、Siが酸化されるこ
とにより、Wの酸化を抑制して異常酸化を防いでいる。
これにより、ゲート電極10の形状の変形を防ぐことが
でき、また抵抗も増大することはなく、トランジスタ特
性の低下と歩留りの低下を防ぐことができる。
【0030】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発
明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【0031】以上の実施の形態では、SiH2 Cl2
囲気中でアニール処理を行ったが、これに限ることな
く、SiXY ClZ の化学式で表される他の化合物、
例えば、SiH4 、SiH2 Cl2 、Si26 、Si
38 、SiCl4 、SiHCl3 、SiH3 Cl等で
も良い。また、WSiX 膜の形成時にWF6 と共に用い
るガスもSiH2 Cl2 に限ることなく、これらアニー
ル処理を行う時のガスと対応させて、同じガスを用いれ
ば、同一の処理室内でWSiX 膜の形成とアニール処理
を行うことができ、手間がかからず迅速な処理を行え
る。
【0032】また、以上の実施の形態では、WSiX
を2層に分けて成膜したが、これに限ることなく、WS
X 膜形成時に用いるソースガスの種類や基板の温度に
よっては単層で成膜させてもよい。
【0033】また、以上の実施の形態では、WSiX
とポリシリコン膜とからなるポリサイド構造のゲートと
したが、これに限ることなく、ゲート酸化膜の上に直接
WSiX 膜を形成させたシリサイドゲートとしてもよ
い。
【0034】また、以上の実施の形態では、金属シリサ
イド膜としてのWSiX 膜はゲート電極材料に用いられ
ているが、これに限ることなく、例えば、コンタクトホ
ールを埋める配線の材料に用いるようにしてもよい。
【0035】また、以上の実施の形態では、金属シリサ
イド膜としてWSiX 膜のみを示したが、これに限るこ
となく、他の金属シリサイド、例えば特に高融点金属の
TiSi2 、MoSi2 などでも良い。しかし、TiS
2 、MoSi2 はCVD技術の適用による成膜が難し
く、WSiX 膜をCVD法で成膜したときのような良好
な段差被覆性、膜質の制御性が得られない。
【0036】また、以上の実施の形態では、ゲート電極
形成前の熱処理工程としてSiO2膜6の成膜を示した
が、これに限ることなく、SiO2 膜以外の膜の形成、
あるいは、ゲート酸化膜2、ポリシリコン膜3、WSi
X 膜4、5の膜質を改善するための何らかの熱処理とし
ても良い。
【0037】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の請求項1に
よる半導体装置の製造方法によれば、Si含有量の多い
金属シリサイド膜を形成させることができ、金属シリサ
イド膜の異常酸化を抑制できる。
【0038】また、本発明の請求項2による半導体装置
の製造方法によれば、手間と時間をかけることなく迅速
なアニール処理を行うことができる。
【0039】また、本発明の請求項3による半導体装置
の製造方法によれば、金属シリサイド膜にフォトリソグ
ラフィを行う場合、その露光精度を良くすることができ
る。
【0040】また、本発明の請求項4による半導体装置
の製造方法によれば、低抵抗のゲート電極を製造するこ
とができる。
【0041】また、本発明の請求項5による半導体装置
の製造方法によれば、段差被覆性と膜質の制御性に優れ
た金属シリサイド膜を形成させることができる。
【0042】また、本発明の請求項6による半導体装置
の製造方法によれば、金属シリサイド膜の下地との境界
に発生する異常酸化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方
法を説明する模式断面図(その1)であり、AはWSi
X 膜形成後の状態を示し、BはAのWSiX 膜にSiH
2 Cl2 雰囲気中でアニール処理を行う工程を示す。
【図2】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方
法を説明する模式断面図(その2)であり、Aはアニー
ル処理が施されたWSiX 膜の上にSiO2 膜が形成さ
れた状態を示し、BはSiO2 膜の上にレジストパター
ンが形成された状態を示す。
【図3】本発明の実施の形態による半導体装置の製造方
法を説明する模式断面図(その3)であり、Aはエッチ
ングによりゲート電極が形成された状態を示し、BはA
の状態のゲート電極に酸素雰囲気中で熱処理を施した後
のゲート電極を示す。
【図4】従来例の半導体装置の製造方法を説明する模式
断面図であり、AはWSiX 膜形成後の状態を示し、B
はWSiX 膜の上にSiO2 膜が形成された状態を示
し、CはSiO2 膜の上にレジストパターンが形成され
た状態を示し、Dはエッチングによりゲート電極が形成
された状態を示し、EはDの状態のゲート電極に酸素雰
囲気中で熱処理を施した後のゲート電極であり、WSi
X 膜が異常酸化したことを示す。
【符号の説明】
1……Si基板、2……ゲート酸化膜、3……ポリシリ
コン膜、4……WSi X 膜、5……WSiX 膜、5’…
…WSiX 膜。
フロントページの続き Fターム(参考) 4M104 AA01 BB01 BB37 BB38 BB40 CC05 DD43 DD65 DD78 FF14 GG09 HH18 5F004 AA16 BA04 BB13 DA00 DA04 DB02 DB03 DB15 DB17 EB02 5F033 HH04 HH27 HH28 HH29 LL06 LL09 MM07 PP03 PP04 PP09 PP33 QQ01 QQ08 QQ09 QQ10 QQ12 QQ73 QQ84 QQ85 QQ98 RR04 SS04 SS13 VV06 WW10 XX20 5F040 DA00 DA06 DA19 DC01 EC01 EC02 EC04 EC07 EC09 EC13 EJ03 FC00

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に金属シリサイド膜を形成
    する工程の後に、熱処理工程を有する半導体装置の製造
    方法において、 前記金属シリサイド膜の形成後に、SiXY ClZ
    (X、Y、Zは各元素の組成比)雰囲気中でアニール処
    理を行った後、前記熱処理工程を行うようにしたことを
    特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記金属シリサイド膜の形成にSiX
    Y ClZ を用いて、この金属シリサイド膜の形成を行っ
    た処理室内で、このSiXY ClZ 雰囲気中で前記ア
    ニール処理を行うようにしたことを特徴とする請求項1
    に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記熱処理工程は、前記金属シリサイド
    膜の上にSiO2 膜を形成させることであることを特徴
    とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造
    方法。
  4. 【請求項4】 前記半導体基板と前記金属シリサイド膜
    との間に、前記半導体基板側から順にゲート酸化膜とポ
    リシリコン膜を形成させて、ポリサイド構造のゲート電
    極を形成するようにしたことを特徴とする請求項1又は
    請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記金属シリサイド膜は、タングステン
    シリサイド膜であることを特徴とする請求項1又は請求
    項2に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記タングステンシリサイド膜は、前記
    半導体基板側から順に形成された第1のタングステンシ
    リサイド膜と第2のタングステンシリサイド膜とから成
    り、前記第1のタングステンシリサイド膜におけるタン
    グステンに対するシリコンの比Si/Wは、前記第2の
    タングステンシリサイド膜よりも大きいことを特徴とす
    る請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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