JP2004128501A - 表面保護によるニッケルシリサイド−窒化ケイ素の接着性の改良 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体集積回路基板の構成要素としてニッケルシリサイド膜を用いる時、その表面に形成される窒化ケイ素膜などの絶縁層との接着性が劣ることが問題になる。その原因になる両者の界面に生じやすいケイ素リッチな界面膜の生成を防ぎ、接着性の問題を解決する。
【解決手段】１つの手段は、ケイ素リッチ層の形成を防ぐために、シリコン基板上に形成されたニッケルシリサイド膜に、アンモニアなどの窒素保持ガス材料を導入し、実質的にケイ素不在下で、プラズマを導入して発生させた活性化窒素種をシリサイド膜表面と反応させ、生成した窒化ケイ素でシリサイド表面を保護安定化する。
【選択図】図４

Description

　本発明は、半導体集積デバイスの分野に関するものであり、特に、ニッケルシリサイド層と窒化ケイ素層間の接着性を改良するための、表面保護（surface passivation）の方法に関する。

　シリコン集積回路の性能は、その構成要素のサイズに関係する。小さい構成要素は、より集積化された機能とより速い動作を可能にする。シリコン集積回路の構成要素のサイズを縮小させる技術者の努力の中で、彼らに課された１つの技術的挑戦は、回路の構成要素を接続する導電線のコンダクタンスを維持することである。シリコン集積回路産業で現在用いられている導電線の１つのタイプは、耐火金属シリサイドクラッドシリコンである。例えば、コバルトシリサイドクラッドシリコンは、ＭＯＳトランジスタゲート電極および高性能論理回路のソース・ドレイン領域を作成するための最上の材料である。

　コバルトシリサイドクラッドシリコンは、その設計目的を十分に果たした。しかし、コバルトシリサイド法は、ポリシリコン線が５０ナノメーターより狭くなる時、幾つかの問題に出会う。１つの問題は、コバルトシリサイドを作成するために約７００℃の温度を必要とし、これが全プロセスの熱収支の重い負担をかけることである。他の問題は、７００℃におけるポリシリコン混合物（conglomerate：集塊）中の結晶粒（grain：粒）であり、これがポリシリコン体積を縮小させ、ポリシリコン線にボイドを形成させる。ポリシリコン線の幅およびボイドの密集度とサイズに応じて、ポリシリコンのコンダクタンスが実質的に変化することがある。

　コバルトシリサイドの欠点を解決するために、技術者はニッケルシリサイドを調査している。ニッケルはケイ素と反応して、３００℃以下の温度でニッケルケイ素を形成する。我々は、２６０℃と３１０℃の間で、ニッケルリッチでかつ良好な均質性の安定したシート抵抗を有するニッケルシリサイド合金を作成できることを証明した。合金が４００℃〜５５０℃で処理され、合金がニッケルモノシリサイドに実質的に転化する時、抵抗がさらに低下する。約５００℃への処理温度の低下は、ポリシリコン結晶粒の混合物の問題を排除または実質的に減少させ、かつ全プロセスの熱収支を実質的に確保する。

　しかし、ニッケルシリサイドクラッドポリシリコン法が広く実施されない問題が存在する。１つの知られた問題は、ニッケルシリサイド表面上に形成された絶縁層、通常は窒化ケイ素が、ふくれるかあるいはシリサイド表面から剥がれる傾向があることである。この絶縁層の貧弱な接着性は、望ましくない過剰な電力消費と信頼性の問題を引起す。

　半導体装置製造会社および集積回路製造会社の技術者は、この接着問題の解決を試みてきたが成功していない。本発明は、この問題を効果的に排除し、または実質的に減少させる。

　我々は、ニッケルシリサイドと窒化ケイ素間の貧弱な接着性の根本的原因は、ケイ素リッチ界面膜の存在であることを確認した。本発明は、このような膜の形成を防ぐことにより接着性の問題を排除しまたは実質的に減少させる。

　知られている技術では、通常、窒化ケイ素薄膜をより厚い二酸化ケイ素と組み合わせて用いることにより、導電性ニッケルシリサイドを他の導電性材料から絶縁している。通常、窒化ケイ素薄膜は、プラズマ反応器中でプラズマ強化（enhanced）化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法を用いて形成される。

　反応器の環境は、アンモニアとシランを含む気体混合物である。高周波信号の形態のエネルギーは、プラズマ中でシランとアンモニアの分子を活性化し、ケイ素と窒素種を生成する。ケイ素と窒素種は、半導体基板の表面上で反応して窒化ケイ素を形成する。

　しかし、シランは、ニッケルシリサイドの存在下で、高周波信号の援助がなくても、分解してケイ素を生成する。望ましい窒化ケイ素を形成するための活性化窒素が十分に存在しないと、ケイ素種が基板表面上に沈澱してケイ素リッチ膜を形成し、これが接着性の問題の原因になる。

　本発明は、このケイ素リッチ膜の形成を防ぐことにより、この問題を解決する。本発明の一実施形態では、ケイ素を保持するガス（silicon carrying gas）の不存在下で、高周波信号によりアンモニアが最初に活性化される。活性化アンモニアから生成した窒素種がニッケルシリサイド表面を保護（passivate）する。引き続き、反応器中で、シランまたはその他のケイ素を保持するガスが混合され、窒化ケイ素を形成することができる。

　本発明の他の実施形態では、ケイ素を保持するガスの不存在下で、高周波信号により窒素ガスが最初に活性化される。活性化された窒素ガスから得られた窒素種は、ニッケルシリサイド表面を保護する。引き続き、反応器中で、シランまたはその他のケイ素を保持するガスが混合され、窒化ケイ素を形成することができる。

　また、本発明のその他の実施形態では、半導体基板に窒化チタン膜が堆積させられる。窒化チタン膜中の窒素種は、約５００℃の高められた温度でニッケルシリサイドと反応して、ニッケルシリサイド表面を保護する。この表面が十分に保護されたならば、窒化ケイ素膜の形成が進行可能になる。

　なお、本発明のその他の実施形態では、ターゲットが窒化ケイ素材料を含む物理的スパッタリング法により、半導体基板上に窒化ケイ素膜を堆積させる。

　　（発明の形態の詳細な説明）
　図１は、既知のニッケルシリサイド化法で製造したシリコンＣＭＯＳトランジスタ１０を描写するもので、シリコン基板２０が提供される。集積回路のトランジスタが示されている活性領域が、二酸化ケイ素３０の薄層で被覆されている。望ましい結晶粒サイズをもつ凝集した多結晶の形態で、ポリシリコン膜４０がシリコン基板上に堆積される。このポリシリコン膜は、リン、ホウ素及びヒ素などの適切な化学成分でドープ可能であり、所望の電気抵抗率を達成できる。シリサイド化（silicidation）は、さらに抵抗率を減少させる。

　このポリシリコンが、パターン付けされかつエッチングされて、集積回路設計に応じた線パターン（line pattern）を形成する。この線パターンを被覆するためにシールドとしてホトレジストパターンを用いることにより、通常はプラズマ強化化学エッチング法で、非被覆部のポリシリコンの部分が除去される。

　ポリシリコン線形成後、シリコン基板のポケットにイオン打ち込みによりドープし、ソース・ドレイン領域６０を形成する。このソース・ドレイン領域の形成は、通常、ポリシリコン線のサイドウォール上に絶縁物質５０と５５を形成することを含む。この実施例では、物質５0は窒化ケイ素であり、物質５５は二酸化ケイ素である。この絶縁物質は、サイドウォールスペーサと呼ばれる。このサイドウォールスペーサは多くの機能を果たすが、その１つは、トランジスタ１００のゲートを形成するポリシリコン線４０からソース・ドレイン領域６０を電気的に分離することである。

　ポリシリコン線４０および適所のサイドウォール５０および５５と共に、ニッケル膜層が基板上部（top）に適用される。このニッケル膜は、ポリシリコン線の上部表面、サイドウォールスペーサおよびケイ素材料を含むソース・ドレイン領域と接触する。

　堆積ニッケル膜をもつシリコン基板は、続いて２段階熱処理プロセスを受ける。第１段階の温度は約２６０℃〜３１０℃である。この温度範囲で、ニッケルはポリシリコン線８０およびソース・ドレイン領域７０と反応し、ニッケルリッチシリサイド合金を形成する。しかし、ニッケルは、誘電体材料から成るサイドウォールスペーサとは反応しない。第１段階の熱処理後、残留ニッケルが基板表面から除去される。第２段階の温度は約４００℃〜５５０℃である。この温度範囲で、ニッケルリッチシリサイド合金は、ニッケルと窒素原子数が１：１に近い比率のモノニッケルシリサイドに転換される。

　最近の集積回路では、ニッケルシリサイドクラッドポリシリコンが、複数の導電線手段の１つのタイプを作る。その他のタイプは、アルミニウム、タングステン及び銅およびその他の金属合金を含み、それらは、集積回路の異なる幾何学面に配置される。ニッケルシリサイドクラッドポリシリコン線は、特に他の電導線からシリサイドを分離するバイアホールスルー（via-holes through）絶縁層内に配置された電導プラグにより、その他のタイプの導電線に通常接続される。

　通常、絶縁層は、シリサイド上に直接配置され、２０〜４０ナノメーターの程度の窒化ケイ素層９０、および厚みが１マイクロメーターを越えてもよく、かつ窒化物層の上部に配置される酸化ケイ素層１００を含む。２層からなる絶縁層を用いる目的は、プロセスの制御のためであり、特に、窒化物層はバイアホール形成時にエッチストッパとして働く。

　バイアホールは、集積回路製造業界の通常の技術を有する者に知られている、パターン付けとエッチングプロセスで形成される。酸化ケイ素層は、ホトレジストのパターンにより部分的に被覆されていない。エッチングは、プラズマ中で活性化されたフッ素種と、被覆されていない酸化ケイ素との反応により、行われる。フッ素は、酸化ケイ素との反応よりも窒化珪素とかなり遅く反応する故、エッチングが二酸化ケイ素層を突き破る時、エッチングプロセスは効果的にストップして、窒化ケイ素膜を露出する。

　窒化ケイ素膜９０は、既知技術のプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）を用いて形成されるものであり、そこでは、プラズマ環境下でケイ素種が窒素種と反応して、シリコン基板上に窒化ケイ素を形成する。ケイ素種はガス状シランから、窒素種はアンモニアから得ることができる。シリサイド合金がチタンまたはコバルトなどの耐火金属（refractory metal）で作成される時、このように作成された窒化ケイ素膜はシリサイド表面に十分に接着する。しかし、シリサイド合金がニッケルを用いて作成される時、意外な現象がシリサイド表面に起きる：即ち、ガス状シランが処理条件下で早期に解離してケイ素になり、このケイ素種がシリサイド表面上でケイ素リッチ膜８５を形成する。

　図２に描写されるように、ニッケルシリサイド２８０上のケイ素リッチ膜２８５の存在は、シリサイド２８０に対する窒化ケイ素２９０の接着に悪影響を及ぼし、かつ、これは、窒化ケイ素膜２９０がふくれ、構造から剥離することがある故に、構造の完璧さを低下させる。

　図３は、領域２０１の付近で図２における膜２８５のＸＰＳ深さのファイルを表している。図から、膜２８５がケイ素３１０に富み、かつ窒素３２０が事実上存在しないことを確認できる。

　図４は、本発明の方法で製造されたシリコンＣＭＯＳトランジスタ１１０を描写する。領域１７０，１８０と窒化ケイ素膜１９０との間に膜がないことに注目のこと。

　図５は、ケイ素５４０、ニッケルシリサイド５８０及び窒化ケイ素５９０を含む構造の透過型電子顕微鏡写真である。図５は、本発明の方法の結果を表している。ニッケルシリサイド５８０と窒化ケイ素５９０との間にケイ素リッチ膜がないことに注目のこと。

　次の章で、実施例を用いて本発明の実施形態を説明する。

　最初の実施形態では、上で説明したように、２段階加熱処理法を用いて、ニッケルシリサイドがシリコン基板上に形成される。図２に示されるようなケイ素リッチ層２８５の形成を防ぐために、窒化ケイ素堆積法に１つの処理ステップが加えられる。このステップでは、アンモニアまたは窒素ガスなどのその他の窒素を保持するガス状材料が、プラズマ反応室に導入される。反応室のガス状雰囲気には、実質的にケイ素種が存在しない。次に、高周波信号を適用してプラズマを誘導し、これが断続的にアンモニアなどの窒素を保持するガス状材料を活性化する。活性窒素種は、ニッケルシリサイド表面と反応し、ニッケルシリサイド表面を保護する。

　このように保護されたニッケルシリサイド表面では、上記のように窒化ケイ素の堆積が続けられてもよい。窒化ケイ素の堆積は、同一のプラズマ反応室でまたは分離した反応室で実施されてもよい。

　２番目の実施形態では、２段階シリサイド化熱処理法の第１段階が、記載されたように行なわれ、即ち、基板を２６０〜３１０℃で熱処理して、ソース・ドレインおよびポリシリコン線領域でニッケルリッチ合金を形成し、かつ残留ニッケルが除去される。シリサイド化の第２段階の前に、窒化チタンのような窒化金属膜が基板上に配置され、ニッケルシリサイドを被覆する。次に、熱処理の第２段階が４００〜５５０℃で行なわれ、ニッケルリッチ合金をモノニッケルシリサイド合金に転換する。熱処理の第２段階中に、窒化金属膜からの窒素がニッケルシリサイド表面中に一体化されて、ニッケルシリサイドを保護する。引き続き、窒化チタン膜が基板表面から除去された後、窒化ケイ素膜が堆積される。

　本発明は、例えば、絶縁体上のシリコン（ＳＯＩ）またはシリコンゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）基板などのシリコン以外の基板上に形成される集積回路に応用可能である。また、これは、例えば、構成要素がバイポーラトランジスタ、ダイオード、キャパシタおよびレジスタなどのＭＯＳトランジスタ以外を含む集積回路にも応用する。これは、また、例えば、ヒータなどの集積回路以外の電子デバイスにも応用する。

　以上の説明に関して更に以下の項を開示する。
（１）　半導体デバイスの形成方法であって：
ａ．上部表面を有する基板を提供するステップであって、その上部表面の少なくとも一部がシリサイド（silicide）材料の領域を含むステップ；及び
ｂ．シリサイド材料の領域を含むその上部表面を、窒素の活性化種を含みかつ実質的にケイ素が存在しない環境に曝すステップ；
を含む方法。
（２）　シリサイド材料がニッケルシリサイドを含む第１項記載の方法。
（３）　窒素の活性化種が、部分的にイオン化されたガス状窒素またはアンモニアまたは窒化物材料中の窒素を含む第１項記載の方法。
（４）　窒化物材料が窒化チタンを含む第３項記載の方法。
（５）　上部表面から外側に窒化ケイ素層を形成することを更に含む第１項記載の方法。
（６）　窒化ケイ素層を形成した後、活性化窒素種を含み、かつ実質的にケイ素が存在しない環境に上部表面を曝す第５項記載の方法。
（７）　上部表面から外側に窒化ケイ素層を形成することを更に含む第１項記載の方法。
（８）　半導体デバイスであって：
ａ．ケイ素領域を含む上部表面を有する基板；
ｂ．上部表面（top surface）を有し、ケイ素領域の上部表面の外側に形成されたシリサイド領域；
ｃ．下部表面（bottom surface）を有し、シリサイド領域の外側に形成された窒化物領域；及び
ｄ．窒化物下部表面とシリサイド上部表面との間の界面であって、窒素が実質的に存在しないケイ素リッチ材料が実質的に不在である界面；
を含むデバイス。
（９）　シリサイド領域がニッケルを含む第８項記載の半導体デバイス。
（１０）　半導体デバイスを形成する方法であって：
ａ．上部表面を有する基板を提供するステップであって、少なくともその上部表面がケイ素領域を含むステップ；
ｂ．ケイ素領域を含む上部表面に隣接して、上部表面から外側にニッケル層を形成するステップ；
ｃ．上部表面から外側に窒化チタンキャップ層を形成するステップであって、キャップ層が少なくともニッケル層の一部分を被覆するステップ；
ｄ．基板を約２９０℃に加熱することにより上部表面の上にニッケルシリサイド領域を形成するステップ；
ｅ．上部表面から窒化チタン層と残留ニッケル層を除去するステップ；
ｆ．約５００℃で基板を加熱するステップ；
ｇ．アンモニアを含みかつ実質的にケイ素を含まないガス状材料で、上部表面をプラズマ反応器中で処理するステップ；及び
ｈ．上部表面から外側に窒化ケイ素層を形成するステップ；
を含む方法。
（１１）　半導体集積回路デバイス１１０中のニッケルシリサイド１７０と窒化ケイ素９０構造を形成する方法が記載される。ニッケルシリサイド１７０と窒化ケイ素９０の間の良好な接着は、ニッケルシリサイド表面を窒素で保護することにより達成される。この保護（passivation）は、ニッケルシリサイド表面をプラズマ活性化窒素種で処理することにより完成される。代替の保護手段は、ニッケルシリサイドを窒化金属膜で被覆し、基板を約５００℃に加熱することである。その他の代替手段は、スパッタによりニッケルシリサイド１７０の上部の上に窒化ケイ素９０を堆積させることである。

図１は、ＭＯＳトランジスタの断面図を表し、ケイ素リッチ膜がニッケルシリサイドと窒化ケイ素の間に存在する。 図２は、ニッケルシリサイド、ケイ素リッチ膜及び窒化ケイ素を含む構造の透過型電子顕微鏡写真である。 図３は、図２における構造の組成物百分率のＸＰＳ表示である。 図４は、ＭＯＳトランジスタの断面図を表し、ケイ素リッチ膜がニッケルシリサイドと窒化ケイ素の間に存在しない。 図５は、ケイ素リッチ膜が存在しないニッケルシリサイドと窒化ケイ素の透過型電子顕微鏡写真の表示である。

Claims (2)

1. 　半導体デバイスの形成方法であって：
   ａ．上部表面を有する基板を提供するステップであって、その上部表面の少なくとも一部がシリサイド材料の領域を含むステップ；及び
   ｂ．シリサイド材料の領域を含むその上部表面を、窒素の活性化種を含みかつ実質的にケイ素が存在しない環境に曝すステップ；
   を含む方法。
2. 　半導体デバイスであって：
   ａ．ケイ素領域を含む上部表面を有する基板；
   ｂ．上部表面を有し、ケイ素領域の上部表面の外側に形成されたシリサイド領域；
   ｃ．下部表面を有し、シリサイド領域の外側に形成された窒化物領域；及び
   ｄ．窒化物下部表面とシリサイド上部表面との間の界面であって、窒素が実質的に存在しないケイ素リッチ材料が実質的に不在である界面；
   を含むデバイス。