JPH02296323A - 集積回路装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野］ 本発明は集積回路およびその製造方法に関する。

［従来の技術］ 集積回路の開光に携わる研究者は各トランジスタのソー
ス、ゲートおよびドレインの接点の抵抗率を低下させ、
また、ｌランジスタ間の相ｔｒ’、　接続の抵抗率を低
下させる新たな方法および構造を探し続けている。様々
な超耐熱金属ケイ化物は抵抗率が低く、安定で、しかも
、自己整合形成が可能なので、集積回路設計の分野では
普遍的な材料になりつつある。

最近、ケイ化チタンがＶＬＳＩ用途で昨週的な材料にな
りつつある。代表的な自己整合ケイ化チタン２人では、
ゲー１−、ソースおよびドレインを形成した後に、チタ
ン薄膜層を被着する。チタンはソース／ドレインのシリ
コンおよびゲートポリシリコンと反応し、ケイ化チタン
を生成する。通常、ゲートスタックに隣接する酸化物ス
ペーサーは、ソースまたはドレイン七ゲートとの間で架
橋が起こることを防雨する。なぜなら、チタンは二酸化
ケイ素と殆ど反応しないからである。（その他のリイ化
物も同様な方法により形成される。）　代表的なケイ化
チタン生成力法について現在詳細に検討が進められてい
る。部分的に製造された集積回路１．に蒸首またはスパ
ッタ法により膜厚が約１１００ｎのチタン薄膜を被着す
る。回路は露出されたシリコンとポリシリコン面（結局
、チタンと反応する）および二酸化ケイ素またはその他
の物質（望ましくは、グ・タンと反応しない）を有する
。

次に、必要に応じて、シリコンをチタン中に打込む。シ
リコン打込みは下部のシリコンまたはポリシリコン基板
を若干損傷し、そして、より完全なケイ化チタン生成を
確実にする。次いで、加熱することによりチタンを下部
のシリコンまたはポリシリコンと反応させる。加熱は常
用の炉中で行うこともできるし、または、急速加熱アニ
ーリング法（ＲＴＡ）（別名、急速加熱加工法（ＲＴＰ
）とも呼ばれる）により行うこともできる。

この加熱処理は窒素雰囲気中で行われる。反応中に酸素
が存在すると二酸化チタンの生成を促進することか発見
されたので、酸素を除去することか望ましい。−二酸化
チタンは絶縁体なので、これが存在すると、冑られたケ
イ化物層の抵抗率を飛躍的に増大させる。高い抵抗率は
望ましくない。

前記の方法において窒素雰囲気が存在すると、本質的に
、最」一部にチタン金属層を有する窒化チタンキャップ
が成長する。

前記の加熱工程後に、過酸化水素およびリン酸によるエ
ツチングを行い、薄い窒化物キャップと全ての未反応チ
タンを除去する。最後に、第２の加熱工程を実施し、ケ
イ化チタンの相を低抵抗率の相に変える。

［発明が解決しようとする課題］ 前記のように、ゲイ化物反応方法で使用される窒素雰囲
気中における酸素汚染の問題は重大な問題である。酸素
汚染を防雨する　・つの方法が米国特許第４６９０７３
０号明細８に開示されている。

この方法によれば、最初の加熱■、程の１）；１に、−
′酸化ケイ素のキャップまたは窒化チタンまたは窒化一 ケイ素の−１−層を有する二酸化ケイ素のキャップを被
着する。このキャップ層は前記の望ましくない酸素汚染
の問題を防止４−る。

しかし、１ｌｉｊ記のような酸化物キャップを除去する
際に別の問題か発生することが発見された。この酸化物
キャップを除去するエツチング剤およびエツチング方法
はド部のケイ化物も攻撃する傾向がある。従って、ケイ
化物の抵抗率および最終のケイ化物層の厚さは、これを
保護するために設ｄ１された現実の方法により悪影響を
被る。

［課題を解決するための手段］ 前記課題を解決する手段として、本発明は、下部のケイ
化物を損傷する危険を殆ど伴うことなく（所望により）
除去することのできる、ケイ化物用の保護キャップを提
供する。成る実施例では、保護キャップは窒化チタンか
ら形成されている。

この窒化チタンは、ケイ化物を形成する最初の加熱工程
の前に形成される。このキャップは最初の加熱１稈中の
酸素ｌ！５染を防１１する機能を果たす。

更に、慣用の急速加熱アニーリング法はウェハ全体を均
一に加熱しないことが発見された。従っテ、ウェハの一
部分の集積回路はウェハの別の部分の集積回路よりも一
層加熱される。最初の加熱五程はケイ化物の膜厚を決定
するので、ウェハの部分の集積回路にはウェハの別の部
分の集積回路よりも−・層厚いり°イ化物層が形成され
る。本発明によれば、被１７される全ての金属がド部の
シリコンまたはポリシリコンと反応されるようにするこ
とにより抵抗の変動を軽減する。本発明の幾つかの実施
例では、保護キャップはゲイ化物形成の後に除去される
。他の実施例では、保護キャップは適所に残留し、電気
導体としての機能を果たす。

［実施例］ 以−ド、図面を参照しながら本発明を更に詳細に説明す
る。

第１図は加丁、中の集積回路の　部分の断面図である。

Ｊｊうまてもなく、図面は所定の・」°法に従って作図
されものではなく、また、各層は比例関係に基づいて作
図されたものでもない。中に、本発明を容易に理解でき
るようにようにするために作図されている。各トランジ
スタの細部は明確化と・膜化のために省略されている。

初号１１はケイ化物が形成されるシリコン領域を示す。

ｎＳ”；　１１はシリコン基板または被着エピタキシャ
ルシリコン若しくはポリシリコンを示す。これはドープ
されていても、あるいは、ドープされていなくてもとち
らでも良い。符号１３はケイ化物を形成しない、二酸化
ケイ素のような材料の領域を示す。

符号１１は、例えば、トランジスタのソースまたはドレ
イン領域であることもできる。また、１１号１１はゲー
ト酸化物の頂部のポリシリコン層を示すこともある。こ
の−・対の層はトランジスタのゲートスタックを構成す
る。別の態様では、符号１１はポリシリコンランナーを
示すこともある。

符−３１３は当Ｘ−者に公知の様々な方法により形成さ
れた電界酸化物を示すこともある。別の態様では、符す
１３はゲートスペーサーを示すこともある。

第２図を参：（！１する。符号１５は超耐熱金属（好ま
しくは、チタン）の層を小ず。層１５は領域ｌ■と領域
１３の両方に被着される。層１５の厚さは一般的に、２
０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内、現在の成る方法における好
ましい厚さは約４０ｎｍである。

本発明の方法における金属の被着量は−・膜内に、慣用
のケイ化物形成法における金属の被着量よりも少なく、
また、前記の米国特許第４６９０７３０号明細書に開示
された量（１００ｎｍ）よりも少ない。本発明における
このような低められた厚さは、シリコン領域１１に被着
された金属の完全反応を可能にする。

慣用のケイ化物形成法のメカニズムの解明中に、本発明
者らは、厚さ１１００ｎの金属を被着した場合、約４０
ｎｍ〜６０ｎｍまでの範囲内の量が下部のシリコン領域
と反応したことを発見した。反応した金属量は反応部位
か受けた熱の１１１により変化した。急速加熱アニーリ
ング法（ＲＴＡ）はウェハ表面を１・分均　に加熱しな
いので、打上の集積回路は他の集積回路よりも厚いケイ
化物を自していた。このような過大な厚さのゲイ化物を
イｒする集積回路は幾らか低い抵抗率を小した。テスト
ウニ１〇− ハの様々な部分に形成されたケイ化物の抵抗ネ（を調へ
たところ、ウェハーＬのケイ化物の位置に応して、抵抗
率か約１１ＱＡ変動ｄ−るこ占が判明した。

慣用方法では、未反応チタンは後でエツチングにより除
去される。本発明の方法によれば、シリコン領域十に彼
？′ｔされた殆ど全てのチタンか反応する。

第３図を参！１（１する。保護キャップ１７が金属層１
５の上に形成される。金属層１５がチタンである場合、
キャップ１７は好ましくは窒化チタンである。層１７は
窒素雰囲気中でチタンターゲットから反応性スパッタに
より被着することができる。

別法として、層１７は不活性雰囲気中で複合窒化チタン
ターゲットからスパッタにより被着することもてきる。

層１７はその後の加熱−１，程中における酸素汚染を防
１１．する。層１７の膜厚は好ましくは、３０ｎｍ〜８
’Ｏｎｍの範囲内である。窒化チタンの代わりとして、
窒化ゲイ素も使用できる。窒化ゲイ素はスパッタ駄また
はプラズマ蒸着υ、により被着することができる。窒化
ケイ素も酸素１５′染を防雨する。（下記で説明するよ
うに、窒化ゲイ素層は後に温リン酸中またはその他の適
当なウェットまたはドライエツチング剤によりエツチン
グ除去される。） 慣用のケイ化物形成η、（キャップ層１７を有しない）
のメカニズムの解明中に、最初の（即ち、ケイ化物形成
）急速加熱アニーリング工程中に薄い（約１５ｎｍ）窒
化チタン層がチタン−１ｒ、に形成することが発見され
た。加熱アニーリングが進行するにつれて、三種類の競
争反応か起こる。チタンとシリコンが反応し、チタン／
シリコン界面付近にケイ化チタンを形成する。加熱装置
中の残留酸素はチタンの−に層に浸透し、そして、ケイ
化物に出会うまで内部深く侵入し、その結果、形成され
た層の抵抗率を著しく増大させる。更に、窒素はチタン
の１−層に侵透し、窒化チタンを形成する。

しかし、窒化チタン中における窒素の自己制限拡散のた
めに、窒化千タンはＬに構造体の外面に残る。従って、
（１１られた構造体は、酸素でｌぢ染されたケイ化チタ
ンの層と、続いて未反応チタンの層と、窒化チタンの薄
膜で被覆されたサンドイッチ状をしている。前記のよう
に、ケイ化チタンの最終厚さは加熱温度により変化する
。

あいにく、慣用の方法における最初の加熱工程中に形成
される窒化チタンはグ゛タン金属中への酸素侵入を防市
しない。本発明によれば、厚い窒化チタンキャップが加
熱工程前に別に形成される。

この別個に形成されたキャップはその後の加熱−１程に
おける酸素浸透から下部の金属を保護することができる
。

再び第３図を参照する。層１７を被着した後、層１７お
よび１５を通して、必要に応じて、シリコン打込みを行
う。代表的な打込みドーズ量はｌＸ１０１５イオン／ｃ
ｍ２〜３’Ｘ　１０ｔ　ｓイオン／ｃｍ２の範囲内、好
ましくは、ｌＸｌ０１５　イオン／ｃｍ２で、約１１０
　ｋ　ｅ　ｖのエネルギーて行オ）れる。この打込みに
より、チタン／ノリコン界Ｃｆｆ１か混合され、第２の
加熱ト稈（ゲイ化物の抵抗率をドげるために行オ）れる
）中に　層効果的なケイ化物形成か促進される。（所望
により、シリコン打込みは窒化チタンの被着前に行うこ
七もできる。）第４図は次の１−桿で起こることを示し
ている。

ウェハは窒素雰囲気中で、一般的に、６００　’Ｃ〜６
６０℃の範囲内の温度で、２０秒〜１２０秒間にわたっ
て急速加熱アニーリングを受ける。代表的なＲＴ　Ａ　
２１．では、温度は１秒間におおよそ５０℃（・般的に
、フラッシュランプによる）の速度で特定のアニーリン
グ温度にまで上昇し、その温度のまま所定時間にわたっ
て維持される。その後、ウェハは冷却される。本発明に
よれば、ますます初層的になりつつある慣用のＲＴＡ法
の従来未解決の欠点が除去される。常用の炉加熱中に受
ける望ましからざる酸素汚染のｉ’＋７能性を除去する
ために、第１および第２の加熱工程の両方についてこれ
らの方法が使用されている。しかし、前記のように、現
在使用されている殆どの装置はウェハの面全体を完全に
均・に加熱しない。ウェハ表面の何箇所かは他の箇所よ
りもｒ、−］多くの熱を受ける。

あいにく、ウェハの所定１ス１所が受けた熱の量は１・
部のシリコンまたはポリシリコンと反応するチタ＝１４
＝ ンの量を決定する。従って、ウニ／−のある部分の集積
回路はウェハの別の部分の集積回路よりも層厚いう６イ
化物をイ丁釘る。クイ化物の１ワさの変動は接点および
相１１：接続１：ζ１所における抵抗率の変動を引き起
こす。

ウェハを−・層均−・に加熱する急速加熱アニーリング
装置を開発する努力か゛ト導体分野で進イ１中である。

それにも拘らず、本発明は、酸素汚染問題のために、改
良された急速加熱アニーリング装置にさえも応用１げ能
であることか発見された。

前記のように、層１７はその形成中に酸素侵入から一ド
部のケイ化物１９を保護する。代表的な反応では、４０
ｎｍの被着チタンを有する場合、約９０ｎｍのシリコン
が消費され、約１１００ｎのケイ化チタン１９を形成す
る。領域１１における　般的な反応では、全てのチタン
が消費される。従って、ケイ化物領域の厚さはウニ／Ｘ
の面全体を通じて比較的均一になる。

本発明の方法をテストするために１１われだ実験におい
て、テストウニ／＼の而の様々な部分を調べたきころ、
ケイ化物の厚さの変動は約１％であった。これに対して
、前記のように、慣用の方法を用いたところ、１１％も
の厚さ変動か認められた。

第４図の構造体をみれば、層１５と１３はケイ化物形成
反応を示さないことが認められる。

第５図を参照する。保護キャップ１７はウェハの旧居か
ら除去されている。リン酸および過酸化水素により約８
０℃で約９分間エツチングすることにより、窒化チタン
層１７を除去することができる。別法として、硫酸と過
酸化水素またはアンモニアと過酸化水素によるエツチン
グも使用できる。キャップが窒化シリコンである場合、
これは？１μリン酸により除去できる。また、未反応チ
タン層１５も　般的に、同しエソチンデカ１人により除
去される。

これに対して、前記の米国特許第４６９０７３０弓・で
は、酸化物キャップ層はクイ化チタンの表面と直接接触
している。本発明者らの研究によれば、Ｆ部のゲイ化チ
タンを全く損傷することなくこの酸化物層をエツチング
除去することは困難であることか発見された。このよう
な場合、損傷された、または、薄くされたケイ化チタン
は高い抵１ノ″Ｃ；ｌ；＜を示し、そして、後のエツチ
ングにより損傷されやすい。例えば、ケイ化物がソース
またはドレイン領域に形成され、前記の薄層化か起こる
と、後の１クインドウエツチング王稈はこのクイ化物を
史に損傷するか、または、２１１７層化する。そして、
後の金属接点は望ましくない、−６い抵抗を示す。

最後に、第２の急速加熱アニーリングを、−・般的に、
８００℃〜９５０℃の範囲内の温度で、１０秒〜６０秒
間の範囲内の時間にわたって行う。

第２の急速加熱アニーリング（ＲＴＡ）Ｉ程は第１の急
速加熱アニーリングＩユ稈で形成されたケイ化チタン層
を高電導外相に変化させる。特に、第１のＲＴＡ＋：程
は高抵抗重相のクイ化−１タン（当業者によりＣ−４９
と呼ばれている）を形成する。

第２のＲＴ　Ａ　、ｉ−稈は、この１１ム抵抗ネく相を
低抵抗重相（当業者によりＣ−４９と呼ばれている）に
変化させる。

最新の・クエハ加１−装置では、チタン層１５と窒化チ
タン層１７は、所望により、同一の装置て被着できる。

このような装置は例えば、パリアン（Ｖａｒｉａｎ）３
１８０装置である。（これに対して、酸化物キャップ技
術は一般的に、−゛酸化ケイ素被着に別の装置を必゛災
とする。） 般的に、層１５は純粋なチタンである必゛冴はない。純
チタンの代わりに、−主にチク／からなる、様々な種類
のチタン合金または疑似合金、例えば、チタン−バナジ
ウム、チタン−アルミニウム、チタン−タングステンお
よびチタン−イツトリウムなどの組成物を使用できる。

第６図は本発明の方法を代表的なＭＯＳトランジスタ構
造物に応用した事例の断面図である。符弓１００は中結
晶７リコンまたはエピタキシャルシリコン被着層を介す
る基板を小す。被着領域１１１および２１１はトランジ
スタのソースおよびトレインを形成する。符５７３ｏｔ
はゲート酸化物１１３で小される。酸化物ゲートスペー
サーは１′１＝１７ ＝１８− 号２１３および３１３で示される。ケイ化物領域１１９
および２１９は本発明の力ｑ大により、ドープト領域１
１１および２１１の上にそれぞれ形成される。また、ケ
イ化物領域３１９はポリシリコンゲート層３１１の１、
に形成できる。更に、ケイ化物領域３１９はランナー４
１９にまで延伸させることもできる。

また、第６図にはゲートレベルランナー４１９が１個し
か図示されていないが、本発明によれば、所望により、
これよりも高いレベルのランナーを形成することもでき
る。従って、本発明の方法はケイ化物形成方法に限定さ
れるず、むしろ、所望のレベルのケイ化物形成方法に応
用できる。例えば、高レベル相Ｌｆ接続用のケイ化物ラ
ンナーが所望の場合、ポリシリコン層を誘電体層（例え
ば、二酸化ゲイ素）の１・、に被着することもできる。

次いで、このポリシリコンをチタンのような金属の層で
被覆することもできる。その後、本発明の方法により、
窒化チタンの層を形成し、チタン金属層を被覆すること
ができる。次いて、前記の第１の加熱工程を実施し、金
属を反応させ、ケイ化物を形成する。その後、このケイ
化物／窒化物スタックをパターン形成し、ランナーを形
成する。（別法として、金属−ボリ／リコンスタソクを
最初にパターン形成し、その後、反応させてケイ化物を
形成少ることもできる。）最後に、第２の加熱に稈を実
施し、ケイ化物の抵抗率を低下させる。

所望により、導電性窒化チタンをクイ化物ランナーの」
二面の適所に残すこともできる。

本発明の概念は窒化−１タンの導電性の利用およびその
局部相互接続としての使用にまで拡張することもできる
。例えば、第４図の説明に戻ると、ケイ化物を領域１１
の＋、に形成した後、チタン層１５は基板１３と反応し
ないこきが認められる。

チタン層１５および上部の窒化チタン−１−ヤソブ層１
７の部分は、所望により、ケイ化物１９を被覆する窒化
チタン層１７の部分をエツチング除去する前に、マスク
−ご被覆するこ七もできる。このマスクは相−げ接続パ
ターンを自することもできる。

この相Ｉノ′接続パターンは例えば、成るトランジスタ
のソースから他のトランジスタのゲートおよび／または
ドレインにまで延ばすこともできる。このンスクは、ク
イ化物１９を高抵抗重相から低抵抗ヰ（相に変化させる
第２の加熱工程前に除去できる。得られた局部相互接続
は領域１３の上に妊ひる窒化チタン１７により被覆され
るチタン金属層１５を有する。

この局部相ｔ７Ｈ接続法を使用する場合、前記の膜厚よ
りも人きな膜厚を自する窒化チタン層１７を形成するこ
とが望ましい。これにより、局部相互接続の抵抗率を低
くすることができる。３Ω／甲方シ一ト抵抗未満の値を
得るには、層１７の膜厚は１６０ｒ＋ｍ程度であること
が望ましい。

タングステン、タンタルおよびモリブデンから形成さ才
ｌるようなその他の超耐熱金属ケイ化物も本発明の教生
に従い、特に、窒化シリコン保護キャップと共に、都合
よく使用できる。

［発明の効果コ 以ト説明したように、本発明によれば、ゲイ化物用の保
護キＪ−ノブか形成されるが、このキヤ。

プは、下部のケイ化物を損傷する危険を殆ど伴うことな
く必蟹に応じて除去することができる。このキャップは
、例えば、窒化チタンから形成されている。この窒化チ
タンキャップは、ケイ化物を形成する最初の加熱−１′
、稈の前に形成され、最初の加熱丁、稈中の酸素馬乗を
防１１４する機能を果たす。

従来の急速加熱アニーリング法はウェハ全体を均一・に
加熱せｒ１不均　な膜厚のクイ化物を形成し、抵抗値の
変動を発生するが、本発明によれば、被着される全ての
金属が下部のシリコンまたはポリシリコンと反応される
ようにすることにより均な厚さのケイ化物層を形成し、
抵抗率の変動を軽減する。

本発明における保護キャップはケイ化物形成の後に除去
することもてきるが、保護キャップを適所に残留させ電
気導体として使用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は本発明の方法の　連の流れ説明する集
積回路の　部分の（莫式的断面図であり、第６図は本発
明の方法を使用する集積回路の部分断面図と部分斜視図
である。 ｊ（１願人：アメリカン テレフイン アンド テレグラフ カム／でニ ＝２３ ば）　　１ 〒−７−

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）主にシリコンからなる少なくとも１箇所の露出部
   分を含む、部分的に製造された集積回路構造体を有する
   基板（１１）を供給し； 前記露出部分に超耐熱金属ケイ化物（１９）を形成する
   ； 工程からなる集積回路装置の製造方法において、前記超
   耐熱金属ケイ化物の形成は、 前記構造体上に前記超耐熱金属からなる金属層（１５）
   を被着し； 金属窒化物およびシリコン窒化物からなる群から選択さ
   れる窒化物（１７）からなるキャップ層を前記金属層（
   １５）の最上面に形成し；そして、加熱し、前記シリコ
   ン（１１）の前記露出部分を被覆する前記金属層（１５
   ）の殆ど全部を反応させる； ことにより行われることを特徴とする集積回路装置の製
   造方法。
2. （２）前記超耐熱金属（１５）はチタンである請求項１
   の製造方法。
3. （３）前記キャップ層（１７）の少なくとも一部分を除
   去する追加工程を更に含む請求項１の製造方法。
4. （４）前記ケイ化物の抵抗率を低下させるために、前記
   キャップ層（１７）の除去後に追加の加熱工程を更に含
   む請求項３の製造方法。
5. （５）前記加熱工程は急速加熱アニーリング法により行
   われる請求項３の製造方法。
6. （６）前記追加の加熱工程は急速加熱アニーリング法に
   より行われる請求項４の製造方法。
7. （７）主にシリコンからなる露出部分を含む、部分的に
   製造された集積回路構造体を有する基板（１１）を供給
   し； 主にチタンからなる金属（１５）の全体層を被着する； 工程からなる集積回路装置の製造方法において、前記金
   属層の膜厚は２０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内であり； スパッタリングにより前記金属層の上面に窒化チタンか
   らなるキャップ層（１７）を形成し、前記キャップ層の
   膜厚は３０ｎｍ〜８０ｎｍの範囲内であり； 前記金属層（１５）および前記キャップ層（１７）を通
   して、前記シリコン（１１）の露出部分にシリコン打込
   みを行い； 前記層を急速加熱アニーリングにより６００℃〜６６０
   ℃の温度で加熱し、前記金属層（１５）の全部を前記シ
   リコン（１１）と反応させることによりケイ化チタン（
   １９）を形成し； リン酸、硫酸およびアンモニアからなる群から選択され
   る材料と過酸化水素でエッチングすることにより前記キ
   ャップ層（１７）を除去し；前記ケイ化チタン（１９）
   を急速加熱アニーリング法により８００℃〜９５０℃の
   範囲内の温度で加熱する； ことからなることを特徴とする集積回路装置の製造方法
   。