專利名稱：鎳－自對準(zhǔn)硅化物工藝和利用該工藝制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造半導(dǎo)體器件的方法，更具體地涉及鎳-自對準(zhǔn)硅化物(nickel salicide)工藝和利用該工藝制造半導(dǎo)體器件的方法。
背景技術(shù)：
分立器件例如金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管廣泛用于半導(dǎo)體器件中。由于半導(dǎo)體器件變得更加高度集成化，MOS晶體管按比例縮小了。結(jié)果，MOS晶體管的溝道長度減小從而導(dǎo)致了短溝道效應(yīng)。溝道長度的減小導(dǎo)致柵極窄的寬度。從而增加了柵電極的電阻。為了改善短溝道效應(yīng)，應(yīng)該減小柵極絕緣層的厚度以及MOS晶體管的源和漏區(qū)的結(jié)深度。結(jié)果，提高了柵電極的電容(C)和電阻(R)。在這種情況下，由于電阻-電容(RC)的延遲時(shí)間，降低了用于柵電極的電信號的傳輸速度。
另外，為了改善MOS晶體管的特性，減小了源/漏區(qū)的結(jié)深度。在這種情況下，提高了源/漏區(qū)的薄層電阻。結(jié)果，降低了短溝道MOS晶體管的可操作性能(drivability)。為了實(shí)現(xiàn)適合于高度集成半導(dǎo)體器件的高性能MOS晶體管，廣泛應(yīng)用自對準(zhǔn)硅化物(salicide)技術(shù)。
自對準(zhǔn)硅化物技術(shù)是一種通過選擇性地在柵電極和源/漏區(qū)上形成金屬硅化物層，從而減小柵電極和源/漏區(qū)的電阻的工藝技術(shù)。廣泛地應(yīng)用硅化鈷層或硅化鈦層作為金屬硅化物層。具體地，硅化鈷層的電阻受線寬改變的影響非常小。因此，硅化鈷層被廣泛地用于形成在短溝道MOS晶體管的柵電極上的金屬硅化物層。
在關(guān)于linuma等人的名稱為“Semiconductor device and method ofmanufacturing the same”的美國專利號5,989,988中公開了一種形成硅化鈷層的方法。然而，當(dāng)柵電極的寬度小于約0.1μm時(shí)，硅化鈷層的應(yīng)用由于成團(tuán)作用受到了某些限制。因而，近年來將鎳-自對準(zhǔn)硅化物技術(shù)用作制造高性能的MOS晶體管。
通過鎳-自對準(zhǔn)硅化物技術(shù)形成的硅化鎳層可以具有不同的組成比率。例如，硅化鎳層可以是雙鎳單硅化物層(Ni2Si層)，單鎳單硅化物層(NiSi層)和單鎳雙硅化物層(NiSi2層)中的任何一種。在這些硅化鎳層中NiSi層具有最低的電阻率。然而，NiSi層在大約300℃至約550℃的低溫下形成。
在關(guān)于lnoue的名稱為“salicide process for selectively forming amonocobalt disilicide film on a silicon region”的美國專利號5,780,361中公開了一種形成硅化鎳層和硅化鈷層的方法。根據(jù)lnoue的觀點(diǎn)，以150℃至300℃的溫度下在硅襯底上沉積鎳以形成雙鎳單硅化物層，并且在高于沉積溫度的溫度下退火雙鎳單硅化物層，從而形成單鎳單硅化物層。在這種情況下，當(dāng)單鎳單硅化物層在高于約600℃的溫度下后退火時(shí)，可將單鎳單硅化物層轉(zhuǎn)化成單鎳雙硅化物層。
總之，需要提高單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案提供了能夠提高單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝。
本發(fā)明的另一實(shí)施方案提供了一種制造半導(dǎo)體器件的方法，該方法利用優(yōu)化的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝保持熱穩(wěn)定性。
一方面，本發(fā)明針對一種鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝。鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝包括準(zhǔn)備具有硅區(qū)和包含硅的絕緣區(qū)的襯底，并且在襯底上沉積鎳。在300℃至380℃的第一溫度下退火具有沉積的鎳的襯底。結(jié)果，在硅區(qū)上選擇性地形成了單鎳單硅化物層，并在絕緣區(qū)上留下未反應(yīng)的鎳層。選擇性除去未反應(yīng)的鎳層，從而暴露絕緣區(qū)使得在硅區(qū)上僅僅剩下單鎳單硅化物層。然后將已除去未反應(yīng)的鎳層的襯底在高于第一溫度的第二溫度下退火，從而不需要單鎳單硅化物層的相變就形成了熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
在一些實(shí)施方案中，硅區(qū)可以是單晶硅襯底或多晶硅層，并且絕緣區(qū)可以是氧化硅層或氮化硅層。
在另一些實(shí)施方案中，鎳可以是純鎳或鎳合金。鎳合金可以包含從鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鎢(W)、鈷(Co)、鉑(Pt)、鉬(Mo)、鈀(Pd)、釩(V)和鈮(Nb)組成的組中選擇的至少一種材料。
在其它的實(shí)施方案中，鎳的沉積可以在150℃至300℃的溫度下進(jìn)行。另外，鎳的沉積可以用濺射技術(shù)進(jìn)行。
在其它的實(shí)施方案中，第二溫度可以在400℃至500℃范圍內(nèi)?？梢岳脼R射裝置或迅速熱退火裝置在第二溫度下進(jìn)行退火。
在另一方案中，本發(fā)明針對一種利用優(yōu)化的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝制造半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括在半導(dǎo)體襯底的預(yù)定區(qū)域中形成MOS晶體管。形成的MOS晶體管具有彼此分開的源區(qū)和漏區(qū)、形成于源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)上方的柵極圖案、以及覆蓋柵極圖案側(cè)壁的絕緣隔離片(insulatingspacer)。在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳。對具有沉積鎳的半導(dǎo)體襯底在300℃至380℃的第一溫度下進(jìn)行第一退火工藝，從而至少在源和漏區(qū)上選擇性地形成單鎳單硅化物層。在這種情況下，在絕緣隔離片上剩下了未反應(yīng)的鎳層。選擇性除去未反應(yīng)的鎳層，從而暴露絕緣隔離片并且在源和漏區(qū)上僅剩下單鎳單硅化物層。對已除去了未反應(yīng)的鎳層的半導(dǎo)體襯底在高于第一溫度的第二溫度下進(jìn)行第二退火工藝，在無需單鎳單硅化物層的相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
在一些實(shí)施方案中，形成柵極圖案包括在半導(dǎo)體襯底上形成硅層并構(gòu)圖硅層。在這種情況下，在第一退火工藝期間，構(gòu)圖的硅層與在已構(gòu)圖的硅層上的鎳反應(yīng)形成了單鎳單硅化物層。
可選擇地，形成柵極圖案可以包括在半導(dǎo)體襯底上依次形成導(dǎo)電層和絕緣層，并連續(xù)構(gòu)圖絕緣層和導(dǎo)電層。在這種情況下，僅在源區(qū)和漏區(qū)上形成單鎳單硅化物層。
在其它實(shí)施方案中，鎳可以是純鎳或鎳合金。鎳合金可以包含由Ta、Zr、Ti、Hf、W、Co、Pt、Mo、Pd、V和Nb構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料。
在其它的實(shí)施方案中，可以在150℃至300℃的溫度下進(jìn)行沉積鎳。另外，可以利用濺射技術(shù)沉積鎳。
在另外其它的實(shí)施方案中，第二溫度可以在400℃至500℃的范圍內(nèi)?？梢岳脼R射裝置或迅速熱退火裝置在第二溫度下進(jìn)行退火。
在另一方面，本發(fā)明針對一種利用優(yōu)化的鎳-自對準(zhǔn)硅化物技術(shù)制造半導(dǎo)體器件的方法。該方法包括在半導(dǎo)體襯底的預(yù)先區(qū)內(nèi)形成MOS晶體管。形成MOS晶體管以具有彼此分開的源區(qū)和漏區(qū)、形成于源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)上方的柵電極、以及覆蓋柵極側(cè)壁的絕緣隔離片。在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底上形成暴露柵電極的絕緣掩模圖案。形成絕緣掩模圖案以覆蓋源和漏區(qū)。在具有掩模圖案的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳。對具有沉積鎳的半導(dǎo)體襯底在300℃至380℃的第一溫度下進(jìn)行第一退火工藝，從而在柵電極上選擇性地形成單鎳單硅化物層。在這種情況下，在掩模圖案上剩下未反應(yīng)的鎳層。選擇性地除去未反應(yīng)的鎳層以暴露絕緣掩模圖案，從而在柵電極上僅剩下單鎳單硅化物層。將已除去未反應(yīng)的鎳層的半導(dǎo)體襯底在高于第一溫度的第二溫度下進(jìn)行第二退火工藝，從而在沒有單鎳單硅化物層相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
在一些實(shí)施方案中，柵電極可以由硅層形成。另外，絕緣隔離片可以由氧化硅層或氮化硅層形成。
在其它實(shí)施方案中，形成絕緣掩模圖案可以包括在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成絕緣掩模層，然后平坦化絕緣掩模層直到露出柵電極。絕緣掩模層可以由氧化硅層形成。
在另一些實(shí)施方案中，鎳可以是純鎳或鎳合金。鎳合金可以包含由Ta、Zr、Ti、Hf、W、Co、Pt、Mo、Pd、V和Nb構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料。
在另一些實(shí)施方案中，鎳的沉積可以在150℃至300℃的溫度下進(jìn)行。另外，可以利用濺射技術(shù)來進(jìn)行鎳的沉積。
此外，第二溫度可以是在400℃至500℃的范圍內(nèi)。


通過本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案結(jié)合附圖的具體描述，本發(fā)明的上述和其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯而易見。附圖沒有必要按比例，只要能說明本發(fā)明的主旨即可。
圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造半導(dǎo)體器件的方法的工藝流程圖。
圖2-7圖解了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案制造半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
圖8-11圖解了根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施方案制造半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案制造的硅化鎳層的熱穩(wěn)定性和傳統(tǒng)的硅化鎳層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖13是顯示與在本發(fā)明中進(jìn)行的第一退火工藝的溫度相對應(yīng)的硅化鎳層的薄層電阻的圖表。
圖14是顯示與純鎳沉積溫度相應(yīng)的硅化鎳層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖15是顯示與鎳-鉭沉積溫度對應(yīng)的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖16是顯示與鎳-鉭沉積溫度相對應(yīng)的形成在N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)上的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖17是顯示與鎳-鉭沉積溫度相對應(yīng)的形成在P型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)上的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖18是顯示與N型多晶硅柵電極的線寬對應(yīng)的形成在N型多晶硅柵電極上的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖19是顯示與P型多晶硅柵電極的線寬對應(yīng)的形成在P型多晶硅柵電極上的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖20是顯示與N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)的線寬對應(yīng)的形成在N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)上的鎳鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖21是顯示與P型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)的線寬對應(yīng)的形成在P型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)上的鎳-鉭硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。
圖22顯示了與不同的鎳沉積溫度對應(yīng)的硅化鎳層的x射線散射測量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在下文中將參考所示的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的附圖更加充分地描述本發(fā)明。然而本發(fā)明可以以不同的形式表達(dá)，并且不應(yīng)該限制在此闡述的實(shí)施方案。而且，提供這些實(shí)施方案使得本公開更加透徹和完全，并且將充分地把本發(fā)明的范圍傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在圖中，為了清楚夸大了層和區(qū)的厚度。在整個(gè)說明書中，相同的數(shù)字代表相同的元件。
圖1圖解了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝和利用該工藝制造半導(dǎo)體器件的方法的工藝流程圖，圖2至7圖解了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝和利用該工藝制造半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
參考圖1和2，在例如單晶硅襯底的半導(dǎo)體襯底31的預(yù)定區(qū)中形成隔離層33以定義有源區(qū)(active region)。在有源區(qū)上形成柵極絕緣層35。柵極絕緣層可以由氧化硅層形成。柵極導(dǎo)電層和柵極帽層依次形成在具有柵極絕緣層35的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上。柵極導(dǎo)電層可以由非晶硅層、多晶硅層和單晶硅層中的任何一種形成。硅層可以摻雜有N型雜質(zhì)或者P型雜質(zhì)?？蛇x擇地，可以通過依次堆疊硅層、氮化鎢(WN)層和鎢層形成柵極導(dǎo)電層。在這種情況下，可分別形成厚度為800、50和500的硅層、WN層和鎢層。另外，柵極帽層可以由絕緣層如氧化硅層或氮化硅層形成。形成柵極帽層的工藝可以省略。
構(gòu)圖柵極帽層和柵極導(dǎo)電層形成橫跨有源區(qū)(在圖1中步驟1)上方的柵極圖案46。結(jié)果，柵極圖案46包括依次疊加的柵電極43和柵極帽層圖案45。然而，當(dāng)形成柵極帽層的工藝被省略時(shí)，柵極圖案46僅僅由柵電極43構(gòu)成。當(dāng)通過依次疊加硅層、WN層和鎢層形成柵極導(dǎo)電層時(shí)，柵電極43包括依次疊加的硅圖案37、WN圖案39和鎢圖案41?？蛇x擇地，當(dāng)柵極導(dǎo)電層僅由硅層形成時(shí)，柵電極43僅由硅圖案37構(gòu)成。
隨后，利用柵極圖案46和隔離層33作為離子注入掩模在有源區(qū)中注入第一雜質(zhì)離子，從而形成稍微摻雜的漏區(qū)(LDD)47(圖1中的步驟3)。第一雜質(zhì)離子可以是N型雜質(zhì)離子或P型雜質(zhì)離子。
參考圖1和3，在具有LDD區(qū)47的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成間隔絕緣層。間隔絕緣層可以由氧化硅層或氮化硅層形成。異向蝕刻間隔絕緣層以在柵極圖案46的側(cè)壁上形成絕緣隔離片(insulating spacer)49(圖1中的步驟5)。利用柵極圖案46、隔離片49和隔離層33作為離子注入掩模，把第二雜質(zhì)離子注入到有源區(qū)中，從而形成源和漏區(qū)51(圖1中的步驟7)。結(jié)果，LDD區(qū)47保留在隔離片49下面。第二雜質(zhì)離子也可以是N型雜質(zhì)離子或P型雜質(zhì)離子。
退火具有源和漏區(qū)51的半導(dǎo)體襯底，以激活在源和漏區(qū)51內(nèi)的雜質(zhì)離子(在圖1中的步驟9)?？梢酝ㄟ^迅速熱退火工藝在830℃至1150℃的溫度下來進(jìn)行源和漏退火工藝。柵極圖案46、柵極絕緣層35、源和漏區(qū)51和隔離片49構(gòu)成了MOS晶體管。源和漏區(qū)51可以通過除了本實(shí)施方案中描述的方法以外的其它方法來形成。比如，形成從半導(dǎo)體襯底的表面突出的源和漏區(qū)的方法，也就是說，形成上升的源和漏區(qū)的方法可以應(yīng)用于源和漏區(qū)51。
參考圖1和4，清潔已完成源和漏區(qū)退火處理的半導(dǎo)體襯底的表面以便除去天然氧化層和殘留在源和漏區(qū)51上的污染顆粒。在清潔了的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳(圖1中的步驟11)。鎳可以是純鎳或鎳合金。具體地，鎳合金可以包含從Ta、Zr、Ti、Hf、W、Co、Pt、Mo、Pd、V和Nb構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料。當(dāng)鎳是鎳合金時(shí)，可以提高在隨后的工藝中要形成的鎳合金硅化物層的熱穩(wěn)定性。
優(yōu)選在150℃至300℃的溫度下沉積鎳。另外，鎳可以利用濺射技術(shù)來沉積?？梢酝ㄟ^在清潔過的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成鎳層53，即純鎳層或鎳合金層來沉積鎳。在這種情況下，在源和漏區(qū)51內(nèi)的硅原子在鎳沉積期間可以與鎳層53內(nèi)的鎳原子反應(yīng)。結(jié)果，可以在源和漏區(qū)51上形成雙鎳單硅化物(Ni2Si)層。然而，雙鎳單硅化物層仍然具有高的電阻?？梢栽阪噷?3上進(jìn)一步形成帽層55。帽層55可以由氮化鈦層構(gòu)成。在這種情況下，氮化鈦層用于防止鎳層53氧化。然而，帽層55的形成可以被省略。
參考圖1和圖5，對具有鎳層53和帽層55的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第一退火工藝(圖1中的步驟13)。第一退火工藝優(yōu)選在約300℃至約380℃的第一溫度下進(jìn)行。在這種情況下，在源和漏區(qū)51上的鎳層53與源和漏區(qū)51內(nèi)的硅原子反應(yīng)，從而形成具有最小電阻的單硅化鎳層53a。當(dāng)鎳為鎳鉭時(shí)，單鎳單硅化物層53a含有鉭。
此時(shí)，在第一退火工藝期間，絕緣隔離片49、柵極帽層圖案45和隔離層33不與鎳層53反應(yīng)。結(jié)果，即使當(dāng)進(jìn)行了第一退火工藝時(shí)，未反應(yīng)的鎳層53仍然殘留在絕緣隔離片49、柵極帽層圖案45和隔離層33上。
第一退火工藝可以利用濺射裝置進(jìn)行。也就是說，當(dāng)利用濺射裝置沉積鎳時(shí)，在沉積鎳后可以利用原位(in-situ)工藝進(jìn)行第一退火工藝。
隨后，利用濕蝕刻劑選擇性地除去未反應(yīng)的鎳層53，以便露出絕緣隔離片49、隔離層33和柵極帽層圖案45(圖1中的步驟15)。可以利用硫酸(H2SO4)和過氧化氫(H2O2)的混合物除去未反應(yīng)的鎳層53。在除去未反應(yīng)的鎳層的同時(shí)還可以剝掉帽層55。
參考圖1和6，在已經(jīng)除去了未反應(yīng)的鎳層53的半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行第二退火工藝(圖1中的步驟17)。第二退火工藝優(yōu)選在比第一溫度高的第二溫度下進(jìn)行。具體地，第二溫度可以在大約400℃至約500℃的范圍內(nèi)。在這種情況下，在源和漏區(qū)51上的單鎳單硅化物層53a可以不需要任何相變的情況下具有熱穩(wěn)定性。結(jié)果，在源和漏區(qū)51上形成了具有熱穩(wěn)定性的單鎳單硅化物層53b?？梢岳脼R射裝置或迅速熱退火裝置進(jìn)行第二退火工藝。
在已經(jīng)完成了第二退火工藝的半導(dǎo)體襯底上形成層間介電(ILD)層57(圖1中的步驟19)。構(gòu)圖ILD層57以形成接觸孔59，該接觸孔59暴露了在源和漏區(qū)51上的單鎳單硅化物層53b。在具有接觸孔59的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成金屬層，并且構(gòu)圖該金屬層以形成覆蓋接觸孔的金屬互連線61(圖1中的步驟21)。
圖7圖解了根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件的制造方法的截面圖。本實(shí)施方案在形成柵極圖案的方法方面不同于圖2至圖6中所示的實(shí)施方案。因此，在本實(shí)施方案中將僅描述形成柵極圖案的方法。
參考圖7，在具有柵極絕緣層35的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成硅層例如多晶硅層。構(gòu)圖多晶硅層以形成橫跨有源區(qū)的柵電極，即多晶硅構(gòu)圖。在這種情況下，形成如圖4中所示的鎳層53以直接接觸多晶硅圖案37以及源和漏區(qū)51。結(jié)果，根據(jù)本實(shí)施方案，如圖7所示，不僅在源和漏區(qū)51上形成了單鎳單硅化物層53b，而且在柵電極37上形成了單鎳單硅化物層53g。
圖8至11圖解了根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施方案制造半導(dǎo)體器件的方法的截面圖。
參考圖8，利用參考圖2和圖3描述的同樣的方法形成MOS晶體管。在本實(shí)施方案中，形成MOS晶體管的柵極圖案，以僅具有圖2和圖3中所示的硅圖案37。然后在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成絕緣掩模層。優(yōu)選的，絕緣掩模層由對于硅圖案37具有蝕刻選擇性的絕緣層形成。例如，絕緣掩模層可以由氧化硅層形成。絕緣掩模層被平坦化以形成暴露硅圖案37的絕緣掩模圖案95。結(jié)果，至少源和漏區(qū)51覆蓋有掩模圖案95。
參考圖9，在具有掩模圖案95的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳。利用參考圖4描述的同樣的方法沉積鎳。即，鎳可以是純鎳或鎳合金，并且在150℃至300℃的溫度下沉積。結(jié)果，在暴露的硅圖案37和掩模圖案95上形成鎳層97?？梢栽阪噷?7上進(jìn)一步形成帽層99。帽層99由與如圖4中所示的帽層55相同的材料形成。
參考圖10，對具有鎳層97和帽層99的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第一退火工藝。利用與參考圖5描述的同樣的方法進(jìn)行第一退火工藝。結(jié)果，僅在硅圖案37上選擇性地形成單鎳單硅化物層97a。然后利用H2SO4和H2O2的混合物除去殘留在掩模圖案95上的未反應(yīng)的鎳層97和帽層99。
參考圖11，對已經(jīng)除去未反應(yīng)的鎳層97的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第二退火工藝。利用與參考圖6所描述的同樣的方法進(jìn)行第二退火工藝。結(jié)果在硅圖案37，即柵電極上形成了具有熱穩(wěn)定性的單鎳單硅化物層97g。
在已完成第二退火工藝的半導(dǎo)體襯底上形成ILD層101。構(gòu)圖ILD層101和掩模圖案95以形成暴露源和漏區(qū)51的接觸孔103。當(dāng)形成接觸孔103時(shí)，還可以形成暴露單鎳單硅化物層97g的其它接觸孔。在具有接觸孔103的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成金屬層，并且構(gòu)圖金屬層以形成覆蓋接觸孔的金屬互連線105。
<實(shí)施例>
以下，將描述根據(jù)上述的實(shí)施方案和現(xiàn)有技術(shù)制造的樣品的不同測量結(jié)果。
圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案和現(xiàn)有技術(shù)制造的單鎳單硅化物層的抗熱性的圖表。參考圖12，橫軸表示后退火溫度Tp，而縱軸表示薄層電阻Rs。
利用在下面的表1中描述的關(guān)鍵工藝條件在硅襯底上制造示出圖12測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
表1

參考圖12和表1，傳統(tǒng)的單鎳單硅化物層和本發(fā)明的單鎳單硅化物層都示出了在室溫下(RT)的大約5歐姆/每平方的薄層電阻。然而，傳統(tǒng)的單鎳單硅化物層在650℃的溫度下進(jìn)行了30分鐘的后退火工藝后，示出了大約160歐姆/sq的高薄層電阻。相反，即使在后退火工藝后，本發(fā)明的單鎳單硅化物層仍示出了5歐姆/sq的薄層電阻。因此，可以知道傳統(tǒng)的單鎳單硅化物層在650℃的高溫下發(fā)生了相變，而本發(fā)明的單鎳單硅化物層即使在650℃的高溫下仍然沒有發(fā)生相變。即本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比提高了單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性。
圖13是顯示在如表1中描述的第一退火工藝后形成的硅化鎳層的薄層電阻的圖表。參考圖13，橫軸表示第一退火工藝的溫度T1，縱軸表示薄層電阻Rs。在這種情況下，通過利用濺射技術(shù)在150℃下沉積純鎳、并隨后對純鎳退火3分鐘來形成硅化鎳層。
從圖13中可以看出，當(dāng)?shù)谝煌嘶饻囟萒1低于300℃時(shí)，硅化鎳層示出了大約30歐姆/sq的薄層電阻。相反，當(dāng)?shù)谝煌嘶饻囟萒1是300℃或更高時(shí)，硅化鎳層的薄層電阻迅速降低到大約5歐姆/sq至大約10歐姆/sq?？梢岳斫?，在300℃或更高的溫度下形成具有最低的電阻的單鎳單硅化物層。
圖14是顯示與純鎳的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。參考圖14，橫軸表示后退火溫度Tp，縱軸表示薄層電阻Rs。
利用下表2中描述的關(guān)鍵工藝條件，在硅襯底上制造示出了圖14中的測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
表2

參考圖14和表2，當(dāng)以高于約150℃的溫度沉積純鎳時(shí)，即使在大約600℃下進(jìn)行了后退火工藝后，單鎳單硅化物層仍示出了大約5歐姆/sq的穩(wěn)定的薄層電阻。相反，當(dāng)在大約100℃或更低的溫度下沉積純鎳時(shí)，單鎳單硅化物層的薄層電阻在約600℃下進(jìn)行的后退火工藝后迅速降低到大約9歐姆/sq。因此，當(dāng)純鎳的沉積溫度高于約100℃時(shí)，可以得到熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
圖15是顯示與鎳鉭(NiTa)的沉積溫度相應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。參考圖15，橫軸表示后退火溫度Tp，縱軸表示薄層電阻Rs。在這種情況下，利用包含3.5原子％的鉭含量的鎳鉭靶沉積鎳鉭。
利用與表2描述的相同退火工藝條件制造顯示出圖15的測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
參考圖15，即使當(dāng)后退火溫度升高到700℃時(shí)，單鎳單硅化物層仍然示出了大約4歐姆/sq至6歐姆/sq的薄層電阻。特別的，當(dāng)在300℃下沉積鎳鉭時(shí)，即使在700℃下進(jìn)行后退火工藝后單鎳單硅化物層仍保持大約4.5歐姆/sq的低薄層電阻。因此，包含鉭的鎳合金硅化物層顯示了比純硅化鎳層更好的熱穩(wěn)定性。
圖16是顯示與沉積在N型雜質(zhì)區(qū)上的鎳鉭(NiTa)的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表，圖17是顯示與沉積在P型雜質(zhì)區(qū)域上的鎳鉭(NiTa)的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。參考圖16和17，每個(gè)橫軸表示后退火溫度Tp，以及每個(gè)縱軸表示薄層電阻Rs。在這種情況下，利用包含3.5原子％的鉭含量的鎳鉭靶沉積鎳鉭。另外，通過注入劑量為3×1015原子/cm2的砷離子到硅襯底，并隨后在900℃退火砷離子來形成N型雜質(zhì)區(qū)；P型雜質(zhì)區(qū)是通過在硅襯底中注入劑量為3×1015原子/cm2的硼離子，然后將硼離子在900℃進(jìn)行退火而形成的。
利用與表2所描述的相同的退火工藝條件制造示出了圖16和17的測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
參考圖16和17，雖然鎳鉭是在150℃的低溫下沉積的，但是在700℃的高溫下進(jìn)行了后退火后，形成在N型雜質(zhì)區(qū)上的單鎳單硅化物層顯示出了大約5歐姆/sq的穩(wěn)定的薄層電阻。
與此同時(shí)，當(dāng)在150℃的低溫下沉積鎳鉭時(shí)，形成在P型雜質(zhì)區(qū)上的單鎳單硅化物層在700℃的高溫下進(jìn)行了后退火后顯示出了大約8.5歐姆/sq的高薄層電阻。然而，當(dāng)在300℃下沉積鎳鉭時(shí)，形成在N型雜質(zhì)區(qū)和P型雜質(zhì)區(qū)上的單鎳單硅化物層在700℃的高溫下進(jìn)行了后退火后顯示出了大約4歐姆/sq至約5歐姆/sq的穩(wěn)定的薄層電阻。
圖18顯示了與后退火溫度和沉積在具有不同寬度的N型多晶硅柵電極上的鎳鉭的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表；圖19顯示了與后退火溫度和沉積在具有不同寬度的P型多晶硅柵電極上的鎳鉭的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。參考圖18，橫軸表示N型多晶硅柵電極的寬度WNG，縱軸表示形成在N型多晶硅柵電極上的單鎳單硅化物層的薄層電阻Rs。相似的，參考圖19，橫軸表示P型多晶硅柵電極的寬度WPG，縱軸表示形成在P型多晶硅柵電極上的單鎳單硅化物層的薄層電阻Rs。在這種情況下，利用包含3.5原子％的鉭含量的鎳鉭靶沉積鎳鉭。
利用與表2所描述的相同退火工藝條件制造示出了圖18和19的測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
參考圖18和19，當(dāng)在300℃的高溫下沉積鎳鉭時(shí)，形成在N型多晶硅柵電極和P型多晶硅柵電極上的單鎳單硅化物層即使在550℃下進(jìn)行后退火工藝后仍顯示出了大約5歐姆/sq至大約10歐姆/sq的均勻薄層電阻。在這種情況下，雖然N型多晶硅柵電極的寬度WNG和P型多晶硅柵電極的寬度WPG都降低到0.09μm，但是形成在多晶硅柵電極上的單鎳單硅化物層顯示出了約5歐姆/sq至約10歐姆/sq的穩(wěn)定的薄層電阻。
可選擇地，當(dāng)在200℃的低溫下沉積鎳鉭時(shí)，形成在N型多晶硅柵電極和P型多晶硅柵電極上的單鎳單硅化物層的薄層電阻，在450℃的低溫下進(jìn)行后退火工藝后迅速降低。特別地，在具有窄寬度為0.09μm的多晶硅柵電極上形成的單鎳單硅化物層顯示出大約15歐姆/sq至約20歐姆/sq的高的薄層電阻。
圖20顯示了與后退火溫度和沉積在具有不同寬度的N型有源區(qū)上的鎳鉭(NiTa)的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表；圖21是顯示與后退火溫度和沉積在具有不同寬度的P型有源區(qū)上的鎳鉭(NiTa)的沉積溫度相對應(yīng)的單鎳單硅化物層的熱穩(wěn)定性的圖表。參考圖20，橫軸表示N型有源區(qū)的寬度WNA，縱軸表示形成在N型有源區(qū)上的單鎳單硅化物層的薄層電阻Rs。相似地，參考圖21，橫軸表示P型有源區(qū)的寬度WPA，縱軸表示形成在P型有源區(qū)上的單鎳單硅化物層的薄層電阻Rs。在這種情況下，利用包含3.5原子％的鉭含量的鎳鉭靶沉積鎳鉭。分別利用與參考圖16描述的形成N型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)的方法和參考圖17描述的形成P型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)的方法相同的方法來形成N型有源區(qū)和P型有源區(qū)。
利用與表2所描述的相同退火工藝條件制造示出了圖20和21的測量結(jié)果的單鎳單硅化物層。
參考圖20和21，當(dāng)在300℃的高溫下沉積鎳鉭時(shí)，在N型有源區(qū)和P型有源區(qū)上形成的單鎳單硅化物層即使在550℃進(jìn)行的后退火工藝后，仍顯示出了大約5歐姆/sq至約8歐姆/sq的均勻的薄層電阻。在這種情況下，雖然N型有源區(qū)的寬度WNA和P型有源區(qū)的寬度WPA都降低到大約0.1μm，形成在有源區(qū)上的單鎳單硅化物層仍顯示出了小于約8歐姆/sq的薄層電阻。
可選擇地，當(dāng)在200℃的低溫下沉積鎳鉭時(shí)，形成在N型有源區(qū)和P型有源區(qū)的單鎳單硅化物層的薄層電阻，在450℃的低溫下進(jìn)行后退火工藝后迅速降低。特別地，在具有0.1μm的窄寬度的有源區(qū)上形成的單鎳單硅化物層示出了大約12歐姆/sq至約15歐姆/sq的高的薄層電阻。
圖22顯示了相應(yīng)于不同的鎳沉積溫度下制造的硅化鎳層的x射線衍射測量結(jié)果。參考圖22，橫軸表示x射線2θ的散射角，縱軸表示散射的x射線的強(qiáng)度I。參考圖22，曲線 表示在300℃下沉積鎳的樣品的測量結(jié)果，曲線 表示在150℃下沉積鎳的樣品的測量結(jié)果，曲線表示在50℃下沉積鎳的樣品的測量結(jié)果。這些樣品都利用與表2中描述的退火工藝相同的條件下制造。
可以從圖22中看出，在50℃的低沉積溫度下形成的硅化鎳層，在進(jìn)行了表2的第二退火工藝后，在散射角約36.5°和44.5°處顯示出了顯著的峰。然而，當(dāng)在300℃的高溫下形成硅化鎳層時(shí)，這些峰值顯著的降低了。這些峰值代表了具有不穩(wěn)定相的η-NiSi相的存在。因此，可以知道當(dāng)鎳的沉積溫度升高時(shí)，在硅化鎳層中存在的η-NiSi相減少了，從而提高了硅化鎳層的熱穩(wěn)定性。
根據(jù)上述的本發(fā)明，在150℃至300℃的溫度下沉積鎳，并分別在300℃至380℃的第一溫度下和高于第一溫度的第二溫度下進(jìn)行第一和第二退火工藝。結(jié)果，可以得到熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
在這里公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，雖然使用了專業(yè)術(shù)語，但是它們僅僅用作或被解釋為一般或描述性的含義，并不是用作限制的目的。因此應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在不脫離下面權(quán)利要求中所展現(xiàn)的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式上和細(xì)節(jié)上作出各種改變。
權(quán)利要求
1.一種鎳-自對準(zhǔn)硅化物(salicide)工藝，其包括制備具有硅區(qū)和包含硅的絕緣區(qū)的襯底；在襯底上沉積鎳；在300℃至380℃的第一溫度下，對具有沉積鎳的襯底進(jìn)行第一退火工藝，以在硅區(qū)上選擇性地形成單鎳單硅化物層，并同時(shí)在絕緣區(qū)上僅剩下未反應(yīng)的鎳層；選擇性除去未反應(yīng)的鎳層以暴露絕緣區(qū)，并且同時(shí)在硅區(qū)上僅剩下單鎳單硅化物層；以及在高于第一溫度的第二溫度下對已除去未反應(yīng)鎳層的襯底進(jìn)行第二退火工藝，以在沒有單鎳單硅化物層相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
2.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中鎳是純鎳和鎳合金中的任意一種。
3.如權(quán)利要求2所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中鎳合金包括選自鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鎢(W)、鈷(Co)、鉑(Pt)、鉬(Mo)、鈀(Pd)、釩(V)和鈮(Nb)中的任意一種材料。
4.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中在150℃至300℃的溫度下沉積鎳。
5.如權(quán)利要求4所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中利用濺射技術(shù)沉積鎳。
6.如權(quán)利要求5所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中在沉積鎳后利用原位工藝進(jìn)行第一退火工藝。
7.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中利用硫酸和過氧化氫的混合物進(jìn)行選擇性去除未反應(yīng)的鎳層。
8.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中第二溫度在400℃至500℃的范圍內(nèi)。
9.如權(quán)利要求8所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中利用濺射裝置和迅速熱退火裝置中的任意一種進(jìn)行第二退火工藝。
10.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中絕緣區(qū)由氧化硅層和氮化硅層中的任意一種形成。
11.如權(quán)利要求1所述的鎳-自對準(zhǔn)硅化物工藝，其中硅區(qū)是單晶硅襯底和多晶硅層的任意一種。
12.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其包括在半導(dǎo)體襯底的預(yù)定區(qū)中形成金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，MOS晶體管具有彼此分開的源區(qū)和漏區(qū)、在源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)上方形成的柵極圖案、和覆蓋柵極圖案側(cè)壁的絕緣隔離片；在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳；在300℃至380℃的第一溫度下對具有沉積鎳的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第一退火工藝，從而至少在源區(qū)和漏區(qū)上選擇性地形成單鎳單硅化物層，并同時(shí)在絕緣隔離片上僅留下未反應(yīng)的鎳層；選擇性除去未反應(yīng)的鎳層以暴露絕緣隔離片，并同時(shí)在源區(qū)和漏區(qū)上僅留下單鎳單硅化物層；以及在高于第一溫度的第二溫度下對已除去未反應(yīng)鎳層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第二退火工藝，以在沒有單鎳單硅化物層相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成柵極圖案包括在半導(dǎo)體襯底上形成硅層；和構(gòu)圖硅層，該構(gòu)圖的硅層與在構(gòu)圖的硅層上的鎳在第一退火工藝期間反應(yīng)，以形成單鎳單硅化物層。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中形成柵極圖案包括依序在半導(dǎo)體襯底上形成導(dǎo)電層和絕緣層；和連續(xù)地構(gòu)圖絕緣層和導(dǎo)電層。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中鎳是純鎳和鎳合金中的任意一種。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中鎳合金包括選自鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鎢(W)、鈷(Co)、鉑(Pt)、鉬(Mo)、鈀(Pd)、釩(V)和鈮(Nb)中的至少一種材料。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中在150℃至300℃的溫度下沉積鎳。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中利用濺射技術(shù)沉積鎳。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中在沉積鎳后利用原位工藝進(jìn)行第一退火工藝。
20.如權(quán)利要求12所述的方法，其中利用硫酸和過氧化氫的混合物選擇性地除去未反應(yīng)的鎳層。
21.如權(quán)利要求12所述的方法，其中第二溫度在400℃至500℃的范圍內(nèi)。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中利用濺射裝置和迅速熱退火裝置中的任意一種進(jìn)行第二退火工藝。
23.如權(quán)利要求12所述的方法，其中絕緣隔離片由氧化硅層和氮化硅層中的任意一種形成。
24.如權(quán)利要求12所述的方法，其中進(jìn)一步包括在已經(jīng)完成第二退火工藝的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間介電(ILD)層。
25.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其包括在半導(dǎo)體襯底的預(yù)定區(qū)中形成金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)晶體管，MOS晶體管具有彼此分開的源區(qū)和漏區(qū)、在源區(qū)和漏區(qū)之間的溝道區(qū)上方形成的柵電極、和覆蓋柵電極側(cè)壁的絕緣隔離片；在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底上形成暴露柵電極的絕緣掩模圖案，該絕緣掩模圖案覆蓋源區(qū)和漏區(qū)；在含有掩模圖案的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上沉積鎳；在300℃至380℃的第一溫度下對具有沉積的鎳的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第一退火工藝，以在柵電極上選擇性地形成單鎳單硅化物層，并同時(shí)在掩模圖案上僅留下未反應(yīng)的鎳層；選擇性除去未反應(yīng)的鎳層以暴露絕緣掩模圖案，并同時(shí)在柵電極上僅留下單鎳單硅化物層；以及在高于第一溫度的第二溫度下對已除去了未反應(yīng)的鎳層的半導(dǎo)體襯底進(jìn)行第二退火工藝，以在沒有單鎳單硅化物層相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其中柵電極由硅層構(gòu)成。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其中絕緣隔離片由氧化硅層和氮化硅層中的任意一種形成。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其中形成絕緣掩模圖案包括在具有MOS晶體管的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成絕緣掩模層；和平坦化絕緣掩模層直到露出柵電極。
29.如權(quán)利要求28所述的方法，其中絕緣掩模層由氧化硅層形成。
30.如權(quán)利要求25所述的方法，其中鎳是純鎳和鎳合金中的任意一種。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中鎳合金包括選自鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鎢(W)、鈷(Co)、鉑(Pt)、鉬(Mo)、鈀(Pd)、釩(V)和鈮(Nb)中的至少一種材料。
32.如權(quán)利要求25所述的方法，其中在150℃至300℃的溫度下沉積鎳。
33.如權(quán)利要求32所述的方法，其中利用濺射技術(shù)沉積鎳。
34.如權(quán)利要求33所述的方法，其中在沉積鎳后利用原位工藝進(jìn)行第一退火工藝。
35.如權(quán)利要求25所述的方法，其中利用硫酸和過氧化氫的混合物選擇性地除去未反應(yīng)的鎳層。
36.如權(quán)利要求25所述的方法，其中第二溫度在400℃至500℃的范圍內(nèi)。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中利用濺射裝置和迅速熱退火裝置中的任意一種進(jìn)行第二退火工藝。
38.如權(quán)利要求25所述的方法，其中進(jìn)一步包括在已經(jīng)完成了第二退火工藝的半導(dǎo)體襯底的整個(gè)表面上形成層間介電(ILD)層。
全文摘要
提供了鎳－自對準(zhǔn)硅化物工藝和利用該工藝的制造半導(dǎo)體器件的方法。鎳－自對準(zhǔn)硅化物工藝包括制備具有硅區(qū)和包含硅的絕緣區(qū)的襯底。鎳沉積在襯底上，并且在300℃至380℃的第一溫度下退火鎳以在硅區(qū)上選擇性地形成單鎳單硅化物層，并且在絕緣區(qū)上僅剩下未反應(yīng)的鎳層。選擇性地除去未反應(yīng)的鎳層以暴露絕緣區(qū)，并同時(shí)在硅區(qū)上僅剩下單鎳單硅化物層。隨后，在比第一溫度高的第二溫度下對單鎳單硅化物層進(jìn)行退火，從而在沒有單鎳單硅化物層相變的情況下形成熱穩(wěn)定的單鎳單硅化物層。
文檔編號H01L21/336GK1649112SQ200410099749
公開日2005年8月3日 申請日期2004年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月17日
發(fā)明者金旼炷, 具滋欽, 宣敏喆, 盧官種 申請人:三星電子株式會(huì)社