專利名稱：有硅化物層的半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的一種制造方法，更具體地說是涉及一種有諸如鈦硅化物的金屬硅化物層的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中優(yōu)選地應(yīng)用了所謂的自對(duì)準(zhǔn)硅化物(SALICIDE)工藝。
近年來，半導(dǎo)體器件變得越來越小，集成規(guī)模越來越高。在這種情況下，在0.15到0.25μm的設(shè)計(jì)規(guī)則下所設(shè)計(jì)的大量電子器件，諸如存儲(chǔ)器或邏輯器件被集成在同一半導(dǎo)體芯片上。在這些高度集成化的器件中，通常所使用的是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
為了適應(yīng)不斷發(fā)展的微型化和不斷增長的集成趨勢(shì)，迫切需要將MOSFET柵電極的長度及源/漏區(qū)的寬度降低。然而，柵電極長度和源/漏區(qū)寬度的降低將會(huì)使其電阻增加，從而延遲器件的操作速度。
因此，在如此微型化和集成化的電子器件中，流行的作法是在柵電極和源/漏區(qū)的表面區(qū)域中額外地形成硅化物層以降低其電阻。MOSFET的這些硅化物層通常是利用所謂的“SALICIDE”工藝形成的。


圖1A到1E所示為這種常規(guī)的制造方法的第一示例。
很明顯在一個(gè)半導(dǎo)體襯底上形成并集成有大量的MOSFET。然而，為了簡(jiǎn)化，在本說明書和附圖中僅對(duì)這些MOSFET中的一個(gè)進(jìn)行說明。
首先，如圖1A所示，利用硅局部氧化(LOCOS)處理在一個(gè)多晶硅襯底1101的表面區(qū)域上選擇性地形成隔離氧化物1102，從而定義出一個(gè)其中用于形成一個(gè)MOSFET的器件區(qū)1101A。將一種雜質(zhì)離子注入進(jìn)襯底1101中以形成溝道截?cái)鄥^(qū)，由此提高絕緣擊穿電壓。利用一次熱氧化處理在器件區(qū)1101A中的襯底1101的整個(gè)暴露表面上形成一層二氧化硅(SiO2)薄膜1103。
隨后，利用化學(xué)氣相淀積(CVD)處理在整個(gè)襯底1101上方的SiO2薄膜1103上淀積一層厚度大約為150nm多晶硅薄膜(未示出)。所形成的多晶硅薄膜隨后被摻入一種諸如磷(P)的雜質(zhì)以降低其電阻。電阻被降低的多晶硅薄膜隨后被圖形化成一個(gè)特殊的設(shè)計(jì)形狀，從而在器件區(qū)1101A中的SiO2薄膜上形成一個(gè)柵電極1104。
利用CVD處理在整個(gè)襯底1101上淀積一層SiO2薄膜(未示出)以覆蓋多晶硅柵電極1104,SiO2薄膜1103以及由SiO2構(gòu)成的隔離氧化物1102。隨后，利用各向異性腐蝕處理將所淀積的SiO2薄膜，SiO2薄膜1103和隔離氧化物1102腐蝕掉，從而在柵電極1104的每一側(cè)形成一對(duì)側(cè)壁隔離層1105。側(cè)壁隔離層1105由SiO2構(gòu)成。在腐蝕處理的過程中，襯底1101的表面上用作源/漏區(qū)的位置沒有被覆蓋。所剩的SiO2薄膜1103用作柵氧化物薄膜。柵電極1104位于所形成的柵氧化物薄膜1103之上。
接著，通過離子注入將一種諸如砷的雜質(zhì)選擇性地注入到襯底1101的器件區(qū)1101A中。隨后對(duì)襯底1101進(jìn)行一次溫度為800到1000℃的熱處理，從而在器件區(qū)1101A中的柵電極1104的每一側(cè)形成一對(duì)源/漏區(qū)1106。該對(duì)源/漏區(qū)1106是以與柵電極1104和兩個(gè)側(cè)壁隔離層1105自對(duì)準(zhǔn)的方式形成的。該階段的狀態(tài)如圖1A所示。
在本步驟之后，利用濺射處理在整個(gè)襯底1101上淀積一層厚度大約為50nm的鈦(Ti)薄膜，如圖1B所示。隨后利用激光退火裝置對(duì)其上淀積有Ti薄膜1107的襯底1101在壓強(qiáng)為大氣壓，溫度為600到650℃的氮?dú)?N2)保護(hù)氣中進(jìn)行第一熱處理30到60秒鐘。
因此，如圖1C所示，在Ti薄膜1107與單晶硅源/漏區(qū)1106和多晶硅柵電極1104的界面的附近發(fā)生硅化反應(yīng)，由此形成了鈦硅化物(TiSix)層1109，其中x大約等于2。這些TiSi2層1109處于具有相對(duì)較高的電阻率(大約為60μΩ·cm)的C-49物相。在硅化反應(yīng)的同時(shí)，由于保護(hù)氣中所包含的氮原子擴(kuò)散到Ti薄膜中，Ti薄膜1107被氮化而形成一個(gè)鈦氮化物(TixN)薄膜1107’，其中x等于或大于1(即x≥1)。
接著，用氨水(NH3)和過氧化氫(H2O2)的混和水溶液作為腐蝕劑，通過一次濕法腐蝕處理將未參加反應(yīng)的TixN薄膜1107’除去。其結(jié)果是，TiSi2層1109被分別留在兩個(gè)源/漏區(qū)1106和柵電極1104的表面區(qū)域上，如圖1D所示。
另外，利用激光退火裝置對(duì)具有TiSi2層1109的襯底1101在壓強(qiáng)為大氣壓，溫度為850℃的氮?dú)?N2)保護(hù)氣中進(jìn)行第二熱處理大約60秒鐘。結(jié)果，具有C-49物相的TiSi2層1109被轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂邢鄬?duì)較低的電阻率20μΩ·cm的C54-物相的TiSi2，如圖1E所示。
接下來將對(duì)形成具有C-49物相的TiSi2薄膜1109的上述第一熱處理為何要在氮?dú)釴2保護(hù)氣中進(jìn)行的原因進(jìn)行說明。
具體地說，在Ti與Si的上述硅化反應(yīng)中，Si是作為一種擴(kuò)散物質(zhì)。因此，Si原子不僅被引入柵電極1104和源/漏區(qū)1106中，還由于其在此硅化反應(yīng)處理過程中的擴(kuò)散被引入到隔離氧化物1102中。如果擴(kuò)散進(jìn)隔離氧化物1102的這些Si原子與Ti發(fā)生反應(yīng)，則在隔離氧化物1102上將形成一個(gè)TiSi2層，由此降低了隔離氧化物1102的電氣絕緣性能。這種在隔離氧化物1102上形成所不需要的TiSi2層的現(xiàn)象稱為“過度生長”。正是為了避免這種“過度生長”現(xiàn)象，所以才在氮?dú)釴2保護(hù)氣中進(jìn)行第一熱處理以使Ti與N發(fā)生反應(yīng)，從而形成TixN薄膜1107’。
由于TixN的反應(yīng)溫度低于TiSi2的反應(yīng)溫度，所以在硅化反應(yīng)過程中隔離氧化物1102上的全部Ti薄膜107均被TixN的生成反應(yīng)所消耗掉。這意味著隔離氧化物1102上的Ti薄膜不與Si發(fā)生反應(yīng)，因而避免了在隔離氧化物1102上形成TiSi2。這意味著其能夠在兩個(gè)源/漏區(qū)1106和柵電極1104以與柵電極1104，側(cè)壁隔離層對(duì)1105和所需的隔離氧化物1102自對(duì)準(zhǔn)的方式形成C-49物相的TiSi2薄膜1109。
圖2A到2F所示為這種常規(guī)制造方法的第二示例，其中避免了“過度生長”現(xiàn)象。本示例在對(duì)應(yīng)于出版于1997年7月的日本未決專利出版物Nos.9-186194和9-186195的日本專利申請(qǐng)No.7-303928中被公開。
首先，如圖2A所示，以與圖1A到1E所示的第一示例相同的方式，在多晶硅襯底1101的表面區(qū)域上形成隔離氧化物1102以定義出器件區(qū)1101A。多晶硅柵電極1104被形成在穿過柵氧化物薄膜1103的襯底1101的表面上。在柵電極1104的每一側(cè)襯底1101的表面上形成兩個(gè)側(cè)壁隔離層1105。兩個(gè)源/漏區(qū)1106被形成在器件區(qū)1101A中柵電極1104兩側(cè)的位置上。該階段的狀態(tài)如圖2A所示。
接著，利用濺射處理在整個(gè)襯底1101上淀積一層厚度大約為20nm的Ti薄膜，如圖2B所示。隨后，利用濺射處理在所淀積的Ti薄膜1107上淀積厚度大約為50nm的TixN薄膜1108并覆蓋整個(gè)Ti薄膜1107，如圖2C所示。
該步驟之后，在壓強(qiáng)為大氣壓，溫度為700℃的氮?dú)獗Ｗo(hù)氣中利用激光退火裝置對(duì)其上淀積有Ti薄膜1107和TixN薄膜1108的襯底1101進(jìn)行第一熱處理30秒鐘。因此，如圖2D所示，在Ti薄膜1107與兩個(gè)源/漏區(qū)1106和柵電極1104界面的附近發(fā)生硅化反應(yīng)，由此形成了TiSi2層1109。這些TiSi2層1109處于具有大約60μΩ·cm的相對(duì)較高電阻率的C-49物相。
在硅化反應(yīng)的同時(shí)，由于存在于上層的TixN薄膜1108中的氮原子擴(kuò)散到Ti薄膜中，使得由于發(fā)生氮化反應(yīng)而將Ti薄膜1107轉(zhuǎn)化為TixN薄膜1107’。
接著，用氨水(NH3)和過氧化氫(H2O2)的混和水溶液作為腐蝕劑，通過濕法腐蝕處理將整個(gè)TixN薄膜1108和未參加反應(yīng)的TixN薄膜1107’除去。其結(jié)果是，具有C-49物相的TiSi2層1109被留在兩個(gè)源/漏區(qū)1106和柵電極1104的表面區(qū)域上，如圖2E所示。
另外，利用激光退火裝置對(duì)其上形成有C-49物相的TiSi2層1109的襯底1101在壓強(qiáng)為大氣壓，溫度為800℃的氬氣Ar保護(hù)氣中進(jìn)行第二熱處理大約10秒鐘。因此，具有C-49物相的TiSi2層1109被轉(zhuǎn)化為具有相對(duì)較低電阻率20μΩ·c加的C54-物相的TiSi2層，如圖2F所示。
圖1A到1E所示的常規(guī)制造方法的第一示例可以有效地以自對(duì)準(zhǔn)方式形成C54物相的TiSi2層1111。然而，其產(chǎn)生一個(gè)問題在于，當(dāng)這些TiSi2層1111的厚度被降低大約30nm或更小時(shí)，這些層1111將不會(huì)按期望的那樣形成。
具體地說，隨著半導(dǎo)體器件微型化的不斷發(fā)展，Ti薄膜1107需要變得越來越薄。然而，發(fā)生于Ti薄膜1107中的氮化和硅化反應(yīng)在第一熱處理的過程中將會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)。特別是將砷(As)摻入源/漏區(qū)1106和柵電極1104中時(shí)，硅化反應(yīng)的速率將降低，而與此同時(shí)氮化反應(yīng)的速率將增加。其結(jié)果是，TiSi2層1109的厚度將變得極小。在極少數(shù)的情況中，在Ti薄膜1107中將只發(fā)生氮化反應(yīng)而沒有TiSi2層被形成。
另外，由于TiSi2層1109是利用第一熱處理在N2氣中形成的，所以接下來將對(duì)應(yīng)用于TiSi2層1109的物相轉(zhuǎn)變的效果進(jìn)行說明。
圖3所示為Ti薄膜從C-49物相轉(zhuǎn)變?yōu)镃-54物相時(shí)，物相轉(zhuǎn)變溫度隨Ti薄膜1107的厚度變化的關(guān)系。從圖3中可見，當(dāng)Ti薄膜1107的厚度大約為30nm或更小時(shí)，物相轉(zhuǎn)變溫度將突然升高，這是由于存在于Ti薄膜1107中的N的濃度不斷增加而發(fā)生氮化反應(yīng)所引起的。因此，需要將用于降低C-49物相TiSi2層1109的電阻的第二熱處理的溫度設(shè)置得更高。第二熱處理的高溫對(duì)源/漏區(qū)1106有負(fù)面的影響，從而降低了半導(dǎo)體器件(即MOSFET)的性能。另外，這個(gè)較高溫度降低了TiSi2的凝結(jié)反應(yīng)的溫度裕度。
另一方面，圖2A到2F所示的常規(guī)制造方法的第二示例可在抑制N元素?cái)U(kuò)散的同時(shí)有效地激勵(lì)硅化反應(yīng)。因此，第一示例中的上述問題將被解決。
具體地說，在第二示例中，如上所述，第一熱處理是在Ar氣中進(jìn)行的。因此，N原子從TixN薄膜1108中擴(kuò)散到Ti薄膜1107中，使得TixN薄膜1108中的N的濃度變低。而且，N原子擴(kuò)散進(jìn)入Ti薄膜的深度也變得比圖1A到1E所示第一示例的情況中的深度要淺。換句話說，N原子的擴(kuò)散行為被有效地抑制了。
由于N原子到Ti薄膜1107的擴(kuò)散得到了抑制，Ti薄膜1107與源/漏區(qū)1106接觸的底側(cè)上的Ti的氮化反應(yīng)被抑制。因此，即使Ti薄膜的厚度被降低到大約30nm或更小，也會(huì)在Ti薄膜1107的底側(cè)上發(fā)生所需要的硅化反應(yīng)，從而形成了具有滿意厚度的硅化物層1109。
然而根據(jù)圖2A到2F所示的常規(guī)制造方法的第二示例，由于TixN薄膜1108被淀積在Ti薄膜1107之上而存在如下的問題。
具體地說，由于第一熱處理是在TixN薄膜1108形成之后進(jìn)行的，在該熱處理的過程中TixN薄膜1108容易被燒結(jié)。其結(jié)果是，TixN薄膜1108容易具有較高的應(yīng)力和較高的密度。在此情況中，盡管通過使用NH3和H2O2的混和水溶液的濕法腐蝕處理對(duì)Ti薄膜1107進(jìn)行了清除，但在同樣的腐蝕處理中將難于將燒結(jié)的TixN薄膜清除掉。
為了解決腐蝕中的困難，可以將TixN薄膜1108過度腐蝕以使其在上述的濕法腐蝕處理中被完全地腐蝕掉，或可以在濕法腐蝕處理之后通過附加的干法腐蝕處理將其腐蝕掉。然而在這兩種情況中，其均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題在于，在過度腐蝕或附加的干法腐蝕處理的過程中，由于TiSi2和TixN之間的腐蝕區(qū)分度較低，將會(huì)使下層的TiSi2層1109很容易地被腐蝕掉。
因此，所生成的具有C-54物相的TiSi2層1111的薄膜電阻將會(huì)發(fā)生劇烈地波動(dòng)，同時(shí)降低TiSi2層1111的電阻的目的將變得難于實(shí)現(xiàn)。
而且，如果在一個(gè)由一個(gè)絕緣體所包圍的Si區(qū)上形成有一個(gè)Ti薄膜，將會(huì)由于發(fā)生硅化反應(yīng)而在靠近Ti薄膜與該Si區(qū)之間界面的地方形成一個(gè)TiSi2層。在此情況下，所形成的TiSi2層將容易隨著硅化反應(yīng)的進(jìn)行而從其初始水平面陷入到Si區(qū)中。這種沉陷現(xiàn)象是由于存在于Si區(qū)中的Si原子擴(kuò)散到Ti薄膜中所引起的。由于TiSi2層在硅化反應(yīng)的過程中的沉陷行為，Ti薄膜自身將被塑性地變形。
如果TixN薄膜位于Ti模之上，則TixN薄膜中將會(huì)發(fā)生塑性變形，并且隨著TiSi2層的沉陷現(xiàn)象的不斷發(fā)展，TixN的變形也將不斷增加。
如果Si區(qū)具有一個(gè)細(xì)長的形狀且寬度又較小如0.5μm或更小(即一個(gè)條紋形狀)時(shí)，則由環(huán)繞四周的絕緣體所支撐的Si區(qū)的跨度將比較短。因此，該Si區(qū)變得難于被塑性地變形。
位于細(xì)長Si區(qū)上的TixN薄膜將使Si區(qū)難于被TixN薄膜的應(yīng)力值塑性地變形。因此，硅化反應(yīng)的速率變得比Si區(qū)沒有一個(gè)細(xì)長形狀的情況中的速率要低。這意味著與硅化反應(yīng)競(jìng)爭(zhēng)的氮化反應(yīng)將變得顯著。因TiSi2層將難于被形成或根本就沒有TiSi2層被形成。
如上所述，盡管圖2A到2F所示的第二示例能夠解決TiSi2層簡(jiǎn)單變薄的問題，其不適用于薄且細(xì)長的Si區(qū)的硅化。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的便是提供半導(dǎo)體器件的一種制造方法，其可以在防止過度生長現(xiàn)象的同時(shí)還能夠形成一個(gè)薄且細(xì)長的難熔金屬硅化物層。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供半導(dǎo)體器件的一種制造方法，即使難熔金屬硅化物層是薄且細(xì)長的，其也可以形成一個(gè)具有均勻厚度的難熔金屬硅化物層。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供半導(dǎo)體器件的一種制造方法，其能夠防止帶有一個(gè)薄且細(xì)長的難熔金屬硅化物層的半導(dǎo)體器件的性能和特性的降低。
從接下來的說明中，對(duì)于那些技術(shù)熟練者來說，上述和其它沒有具體提及的目的將變得顯而易見。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體器件的制造方法由如下的步驟(a)到(c)組成在步驟(a)中，在一個(gè)硅區(qū)上形成一層第一難熔金屬薄膜；在步驟(b)中，在第一難熔金屬薄膜上形成一層第二難熔金屬薄膜。第二難熔金屬薄膜含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮元素。第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力被控制為一個(gè)特殊值或更低；在步驟(c)中，在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)第一難熔金屬薄膜和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在硅區(qū)和第一難熔金屬薄膜之間的界面上由于第一難熔金屬薄膜與硅區(qū)發(fā)生硅化反應(yīng)而形成一個(gè)難熔金屬硅化物層。
對(duì)第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力值進(jìn)行設(shè)置，使得在步驟(c)中第二難熔金屬薄膜不會(huì)對(duì)在硅化反應(yīng)期間難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形施加影響。
利用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的半導(dǎo)體器件制造方法，在步驟(a)中在硅區(qū)上形成第一難熔金屬薄膜之后，在步驟(b)中將在第一難熔金屬薄膜上形成含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮元素的第二難熔金屬薄膜。接著，在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在硅區(qū)和第一難熔金屬薄膜之間的界面上由于第一難熔金屬薄膜與硅區(qū)發(fā)生硅化反應(yīng)而形成一個(gè)難熔金屬硅化物層。
第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力值被控制為特殊值或更低，使得在步驟(c)中第二難熔金屬薄膜不會(huì)對(duì)在硅化反應(yīng)期間難熔金屬硅化物層所發(fā)生塑性變形施加影響。
因此，由于對(duì)第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力如上所述地進(jìn)行控制，在硅化反應(yīng)期間難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形沒有第二難熔金屬薄膜的“貢獻(xiàn)”。這意味著由于第二難熔金屬薄膜的存在，硅化反應(yīng)的速率將不會(huì)和難于降低。
其結(jié)果是，即使硅化物層的厚度大約為30nm或更小而寬度大約為0.5μm或更小時(shí)，也能夠在硅區(qū)上形成一個(gè)薄且細(xì)長的難熔金屬硅化物層。
另外，不需要附加的腐蝕處理來清除第二難熔金屬薄膜，同時(shí)硅化反應(yīng)的速率沒有被降低或難于被降低。因此，即使難熔金屬硅化物層是薄且細(xì)長的，該硅化物層也會(huì)具有均勻的厚度。
另外，由于步驟(c)中第一和第二難熔金屬薄膜的熱處理是在不含氮元素的保護(hù)氣中進(jìn)行的，因此即使難熔金屬硅化物層的厚度小到30nm或更小，引起難熔金屬硅化物層的物相轉(zhuǎn)變的物相轉(zhuǎn)變溫度也不會(huì)升高。
因此，通過用于物相轉(zhuǎn)變的熱處理防止了半導(dǎo)體器件的性能和特性的降低。
另外，在步驟(b)中在第一難熔金屬薄膜上形成含有氮的第二難熔金屬薄膜后，在步驟(c)中在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在硅區(qū)和第一難熔金屬薄膜之間的界面處形成了難熔金屬硅化物層。因此，氮原子從第二難熔金屬薄膜(而不是從保護(hù)氣)中擴(kuò)散進(jìn)第一難熔金屬薄膜中，從而在步驟(c)中將第一難熔金屬薄膜氮化。因此，位于硅區(qū)外測(cè)的一個(gè)絕緣體上的難熔金屬硅化物層的過度生長現(xiàn)象將被避免。
在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力的具體值為×1019dyne/cm2。該值可確保其獲得本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟(c)中，由于第二難熔金屬薄膜中所包含的氮擴(kuò)散進(jìn)第一難熔金屬薄膜中，第一難熔金屬薄膜被轉(zhuǎn)化為一層第三難熔金屬薄膜。該第三難熔金屬薄膜含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬。在此實(shí)施例中，可有效地獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
在此情況中，其優(yōu)選地提供如下的附加步驟(d)和(e)。
步驟(d)中，第一難熔金屬薄膜和未參加反應(yīng)的第三難熔金屬薄膜被選擇性地清除以暴露出難熔金屬硅化物層。該難熔金屬硅化物層具有第一物相。
步驟(e)中，對(duì)該難熔金屬硅化物層進(jìn)行熱處理使其由于發(fā)生物相轉(zhuǎn)變而具有第二物相。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的另一個(gè)實(shí)施例中，形成第二難熔金屬薄膜的步驟(b)是在含有與第一難熔金屬薄膜相同的金屬元素和氮元素的保護(hù)氣中，利用能量密度為2.5W/cm2或更低的一次反應(yīng)濺射處理來進(jìn)行的。
除了使濺射能量密度為2.5W/cm2或更低，反應(yīng)濺射處理還可以在壓強(qiáng)為8mTorr或更高的，含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣中進(jìn)行，或在硅區(qū)溫度被保持在400℃或更高的條件下進(jìn)行。
在根據(jù)本發(fā)明第一方面的方法的另一優(yōu)選實(shí)施例中，步驟(c)中用于對(duì)第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理的不含氮的保護(hù)氣為一種惰性氣體或真空環(huán)境。
為了有效地獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，其最優(yōu)選的是用一層鈦薄膜作為第一難熔金屬薄膜，而用一層鈦氮化物薄膜作為第二難熔金屬薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的半導(dǎo)體器件制造方法包括如下步驟(a)到(g)
步驟(a)中，一個(gè)隔離絕緣體被選擇性地形成在一個(gè)硅襯底的表面上，由此定義出一個(gè)器件區(qū)。
步驟(b)中，一個(gè)柵絕緣體被形成在器件區(qū)中的襯底表面上。
步驟(c)中，一個(gè)柵電極被形成在柵絕緣體上。
步驟(d)中，絕緣側(cè)壁隔離層被形成在柵電極的每一側(cè)的襯底表面上，該側(cè)壁隔離層與該柵電極的相應(yīng)側(cè)面接觸。
步驟(e)中，通過將一種雜質(zhì)引入到襯底的器件區(qū)中，在柵電極的每一側(cè)的襯底中形成源/漏區(qū)。
步驟(f)中，與隔離絕緣體，絕緣側(cè)壁隔離層和源/漏區(qū)相接觸地形成一層第一難熔金屬薄膜。
步驟(g)中，在第一難熔金屬薄膜上形成一層第二難熔金屬薄膜。第二難熔金屬薄膜含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮。第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力被控制為一個(gè)特殊值或更低。
步驟(h)中，在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)第一難熔金屬薄膜和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在第一難熔金屬薄膜與源/漏區(qū)的界面處形成了一個(gè)難熔金屬硅化物層。
對(duì)第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力值進(jìn)行設(shè)置，使得在步驟(c)中第二難熔金屬薄膜對(duì)在硅化反應(yīng)期間難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形不施加影響。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面的半導(dǎo)體器件制造方法具有與根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法相同的優(yōu)點(diǎn)，這是因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的第二方面的方法相當(dāng)于將根據(jù)本發(fā)明的第一方面的方法應(yīng)用于一個(gè)MOSFET的制造所獲得的方法。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力的具體值為3×1019dyne/cm2。該值可確保獲得本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的另一優(yōu)選實(shí)施例中，在步驟(h)中，由于第二難熔金屬薄膜中所包含的氮擴(kuò)散進(jìn)第一難熔金屬薄膜，第一難熔金屬薄膜被轉(zhuǎn)化為一層第三難熔金屬薄膜。該第三難熔金屬薄膜含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬。在此實(shí)施例中，可有效地獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
在此情況中，其優(yōu)選地提供如下的附加步驟(i)和(j)。
步驟(i)中，第一難熔金屬薄膜和未參加反應(yīng)的第三難熔金屬薄膜被選擇性地清除以暴露出難熔金屬硅化物層。該難熔金屬硅化物層具有第一物相。
步驟(j)中，對(duì)該難熔金屬硅化物層進(jìn)行熱處理使其由于發(fā)生物相轉(zhuǎn)變而具有第二物相。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的另一個(gè)實(shí)施例中，形成第二難熔金屬薄膜的步驟(g)是在含有與第一難熔金屬薄膜相同的金屬元素和氮元素的保護(hù)氣中，利用能量密度為2.5W/cm2或更低的一個(gè)反應(yīng)濺射處理來進(jìn)行的。
除了使濺射能量密度為2.5W/cm2或更低，反應(yīng)濺射處理還可以在壓強(qiáng)為8mTorr或更高，含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮?dú)獾谋Ｗo(hù)氣中進(jìn)行，或在硅區(qū)溫度被保持在400℃或更高的條件下進(jìn)行。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的方法的另外優(yōu)選實(shí)施例中，步驟(h)中用于對(duì)第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理的不含氮元素的保護(hù)氣為一種惰性氣體或真空環(huán)境。
為了最有效地獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，其最優(yōu)選地用一層鈦薄膜作為第一難熔金屬薄膜，而用一層鈦氮化物薄膜作為第二難熔金屬薄膜。
為了使本發(fā)明更易于被實(shí)施，現(xiàn)在將參照附圖對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)地說明。
圖1A到1E所示分別為常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的第一示例的各處理步驟的部分剖面簡(jiǎn)圖。
圖2A到2F所示分別為常規(guī)半導(dǎo)體器件制造方法的第二示例的各處理步驟的部分剖面簡(jiǎn)圖。
圖3所示為鈦硅化物的物相轉(zhuǎn)變溫度與其厚度之間的關(guān)系圖。
圖4A到4F所示分別為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的各處理步驟的部分剖面簡(jiǎn)圖。
圖5所示為在根據(jù)第一實(shí)施例的制造方法中鈦氮化物薄膜的壓縮應(yīng)力與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。
圖6所示為在根據(jù)第一實(shí)施例的制造方法中鈦氮化物薄膜的壓縮腐蝕速率與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。
圖7所示為在根據(jù)第一實(shí)施例的制造方法中鈦氮化物層的薄膜電阻與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。
圖8A到8C所示分別為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的各處理步驟的部分剖面簡(jiǎn)圖。
圖9所示為在根據(jù)第二實(shí)施例的制造方法中鈦氮化物薄膜的壓縮應(yīng)力與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。
圖10A到10C所示分別為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法的各處理步驟的部分剖面簡(jiǎn)圖。
圖11所示為在根據(jù)第三實(shí)施例的制造方法中鈦氮化物薄膜的壓縮應(yīng)力與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。
接下來將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。第一實(shí)施例圖4A到圖4F所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于具有一種MOSFET的半導(dǎo)體器件的制造方法的示意圖。
在本方法中，首先，如圖4A所示，利用LOCOS處理在一個(gè)p型多晶硅襯底101表面區(qū)域上選擇性地形成一個(gè)由SiO2構(gòu)成的隔離氧化物102，由此定義出一個(gè)其中用于形成MOSFET的器件區(qū)101A。一種雜質(zhì)被選擇性地離子注入進(jìn)襯底101中以形成溝道截?cái)鄥^(qū)，由此提高絕緣擊穿電壓。
除了p型襯底101之外，也可以使用一個(gè)具有一種p型阱的n型多晶硅襯底。
通過一次熱氧化處理在器件區(qū)101A中的襯底101的整個(gè)暴露表面上形成一層厚度大約為8nm的SiO2薄膜103。
隨后，利用CVD處理在整個(gè)襯底101的SiO2薄膜103上淀積厚度大約為100nm的一層多晶Si(即多晶硅)薄膜(未示出)。所形成的多晶硅薄膜被摻入一種諸如磷(P)的雜質(zhì)以降低其電阻。電阻被降低的多晶硅薄膜隨后被摹制一個(gè)具體設(shè)計(jì)的形狀，由此在器件區(qū)101A中的SiO2薄膜103上形成一個(gè)柵電極104。
利用CVD處理，在整個(gè)襯底101上淀積一層厚度大約為100nm的SiO2薄膜(未示出)以覆蓋多晶硅柵電極104,SiO2薄膜103和由SiO2構(gòu)成的隔離氧化物102。隨后，利用各向異性腐蝕處理將所淀積的SiO2薄膜，SiO2薄膜103和隔離氧化物102腐蝕掉，由此在柵電極104的每側(cè)處的襯底101的表面上形成一對(duì)側(cè)壁隔離層。由SiO2構(gòu)成的這兩個(gè)側(cè)壁隔離層105與柵電極104的對(duì)應(yīng)側(cè)面相互接觸。
在該各向異性腐蝕處理的過程中，襯底101上對(duì)應(yīng)于兩個(gè)源/漏區(qū)位置上的表面被清除掉。所剩的SiO2薄膜103被用作一個(gè)柵氧化物薄膜。柵電極104位于所形成的柵氧化物薄膜之上。
接著，利用離子注入處理將一種諸如砷的n型雜質(zhì)選擇性地注入到襯底101的器件區(qū)101A中。n型雜質(zhì)的劑量被設(shè)置為，例如1×1015atom s/cm2。隨后對(duì)襯底101進(jìn)行溫度大約為900℃的熱處理。從而在器件區(qū)101中柵電極104的每一側(cè)形成了一對(duì)源/漏區(qū)106。所形成的兩個(gè)源/漏區(qū)106自對(duì)準(zhǔn)于柵電極104，側(cè)壁隔離層對(duì)105，以及隔離氧化物102。本階段的狀態(tài)如圖4A所示。
如圖4B所示，在本步驟形成源/漏區(qū)106之后，利用反應(yīng)濺射處理在整個(gè)襯底101上淀積一層厚度大約為20nm的鈦(Ti)薄膜107。該濺射處理是通過Ti靶和氬氣(Ar)保護(hù)氣來進(jìn)行的。
在Ti薄膜107上，利用反應(yīng)濺射處理在整個(gè)襯底101上淀積一層厚度大約為20nm的鈦氮化物(TixN)薄膜108a，如圖4C所示，其中X≥1。該濺射處理是在如下的條件下進(jìn)行的。
(ⅰ)靶直徑為30Cm的Ti靶(ⅱ)保護(hù)氣Ar和N2的混和氣體(ⅲ)Ar和N2的流速相等(ⅳ)大氣壓強(qiáng)3mTorr(ⅴ)襯底溫度大約200℃(ⅵ)濺射能量0.5到1.5kW
其優(yōu)選地將濺射能量設(shè)置為最低值0.5kW，其原因由圖5中可見。
圖5所示為在第一實(shí)施例中TixN薄膜108a的壓縮應(yīng)力與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。正如從圖5可看出的，TixN薄膜108a的壓縮應(yīng)力隨著濺射能量和濺射能量密度的降低而降低。這意味著隨著濺射能量或?yàn)R射能量密度的降低不僅TixN薄膜108a的濺射速率降低，其壓縮應(yīng)力也隨之降低。TixN薄膜108a的壓縮應(yīng)力單調(diào)地從4.5kW(=6.3W/cm2)的8.5×1019dyne/cm2降低到0.5kW(=0.7W/cm2)的0.5×1019dyne/cm2。在1.5kW(=2.1W/cm2)處壓縮應(yīng)力為3.0×1019dyne/cm2。
接著，利用激光退火裝置在700℃的Ar氣中對(duì)其上以淀積有Ti和TixN薄膜107和108a的襯底101進(jìn)行一次30秒鐘的第一熱處理。因此，如圖4D所示，在Ti薄膜107與多晶硅源/漏區(qū)106和多晶硅柵電極104的界面附近將發(fā)生硅化反應(yīng)，由此形成鈦硅化物(TiSi2)層109。這些TiSi2層109處于具有大約等于60μΩ·cm的相對(duì)較高電阻率的C-49物相。
在第一熱處理的過程中，TixN薄膜108a的壓縮應(yīng)力將變?yōu)槔鞈?yīng)力。第一熱處理之后的TixN薄膜108a的拉伸應(yīng)力隨著濺射能量的降低而變得更低。Ti的硅化反應(yīng)是一個(gè)體積減小的反應(yīng)，因此TixN薄膜108a拉伸應(yīng)力增加得越高，硅化反應(yīng)的速率降低的越低。因此，其優(yōu)選地將濺射能量密度設(shè)置為一個(gè)盡可能低的值，以使TixN薄膜108a的最終拉伸應(yīng)力變得盡可能的低。
在硅化反應(yīng)的同時(shí)，存在于上層TixN薄膜108a中的N原子被擴(kuò)散進(jìn)Ti薄膜107中，因此由于發(fā)生氮化反應(yīng)而將Ti薄膜107轉(zhuǎn)化為一層TixN薄膜107’。由于TixN薄膜107’的存在，使得在隔離氧化物102上將不會(huì)生長出TiSi2層109，其意味著避免了過度生長現(xiàn)象的發(fā)生。
接著，利用氨水(NH3)和過氧化氫(H2O2)的混和水溶液作為腐蝕劑，通過一次濕法腐蝕處理將整個(gè)TixN薄膜108a和未參加反應(yīng)的TixN薄膜107’清除掉。其結(jié)果是，如圖4E所示，TiSi2層109被分別留在源/漏區(qū)106和柵電極104的表面區(qū)域中。
圖6所示為在該濕法腐蝕處理中TixN薄膜108a的腐蝕速率與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。正如由圖6可看出的，當(dāng)濺射能量為2kW或?yàn)R射能量密度為2.8W/cm2或更高時(shí)，TixN薄膜108a的腐蝕速率看不出大的變化。然而，當(dāng)濺射能量為1.5kW或?yàn)R射能量密度為2.1W/cm2或更低時(shí)，TixN薄膜108a的腐蝕速率卻增加為大約兩倍。這意味著如果對(duì)TixN薄膜108a的濺射處理是在濺射能量密度等于2.1kW/cm2或更低的情況下進(jìn)行的，TixN薄膜108a的腐蝕速率將會(huì)過高。在2.1kW/cm2和2.8kW/cm2之間似乎存在一個(gè)臨界點(diǎn)。發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在大約2.5kW/cm2處存在一個(gè)臨界點(diǎn)。
接下來將考慮為何TixN薄膜108a會(huì)有如此高的腐蝕速率。
由于濺射能量密度較低，從Ti靶濺射出來的Ti粒子的動(dòng)能將變低，其降低了TixN薄膜108a的結(jié)合能量。這個(gè)較低的結(jié)合能量將導(dǎo)致一個(gè)較低的密度和大量空洞，從而使得TixN薄膜108a具有較低的應(yīng)力和較高的腐蝕速率。
TixN薄膜108a應(yīng)力的降低等價(jià)于其厚度的降低，其將有助于TiSi2層109在硅化反應(yīng)期間發(fā)生沉陷行為并防止硅化反應(yīng)的速率降低。
在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法中，濺射能量等于0.5kW，即濺射能量密度等于0.7W/cm2。因此，TixN薄膜108a的腐蝕速率大約與40angstrom s/cm2一樣高，其大約等于在2.1W/cm2濺射能量密度處的腐蝕速率的兩倍。因此可以優(yōu)選地獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。
在濕法腐蝕處理之后，利用激光退火裝置在800℃的Ar氣中對(duì)其上已形成有SiNx層109的襯底101進(jìn)行一次10秒鐘的第二熱處理。因此，如圖4F所示，具有C-49物相的TiSi2層109被轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂须娮杪蚀蠹s為相對(duì)較低的20μΩ·cm的C54物相的TiSi2層111。
圖7所示為具有C-54物相的TiSi2層111的薄膜電阻與濺射能量或?yàn)R射能量密度之間的關(guān)系圖。正如由圖7可看出的，當(dāng)對(duì)TixN薄膜108a的濺射處理是在濺射能量密度等于2.1kW/cm2或更低的情況下進(jìn)行的時(shí)，其中TixN薄膜108a的腐蝕速率較高，TiSi2層111的電氣薄膜電阻將非常低。
如上所述，利用根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的半導(dǎo)體器件制造方法，在襯底101上形成Ti薄膜107之后，TixN薄膜108a被形成在Ti薄膜107上。接著，Ti和TixN薄膜107和108a在Ar氣中被熱處理，從而由于Ti薄膜107發(fā)生硅化反應(yīng)而在源/漏區(qū)106和柵電極104之間的界面處形成TiSi2層109。
對(duì)TixN薄膜108a的應(yīng)力值進(jìn)行設(shè)置，使得TixN薄膜108a在硅化反應(yīng)期間不對(duì)TiSi2層109的塑性變形施加影響。
因此，由于TixN薄膜108a的應(yīng)力較低，在硅化反應(yīng)期間TiSi2層109所發(fā)生的塑性變形沒有難熔金屬薄膜的“貢獻(xiàn)”。這意味著由于存在著TixN薄膜108a，硅化反應(yīng)的速率將不會(huì)或難于被降低。
其結(jié)果是，即使TiSi2層109厚度較小，大約為30nm或更低；寬度較窄，大約為0.5μm或更少，其也能夠被形成在源/漏區(qū)106和柵電極104上。
另外，不需要附加的腐蝕處理以清除TixN薄膜108，同時(shí)硅化反應(yīng)的速率不會(huì)或難于被降低。因此，即使TiSi2層109是薄且細(xì)長的，其也能夠具有均勻的厚度。
而且，由于對(duì)TixN薄膜107和108a的第一熱處理是在Ar氣中進(jìn)行的，因此即使TiSi2層109的厚度小到大約30nm或更低，引起TiSi2層109的塑性變形的塑性變形溫度也不會(huì)升高。
因此，用于物相轉(zhuǎn)變的熱處理避免了半導(dǎo)體器件的性能和特性的降低。
另外，在在Ti薄膜上形成TixN薄膜108a之后，Ti薄膜和TixN薄膜107和108a在Ar氣中被熱處理，從而形成TiSi2層109。因此，氮原子從TixN薄膜108a(而不是保護(hù)氣)中擴(kuò)散進(jìn)Ti薄膜107中，從而在此處理中將Ti薄膜氮化。因此，將避免隔離氧化物102上的TiSi2層109的過度生長現(xiàn)象。第二實(shí)施例圖8A到圖8C所示為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的用于具有一種MOSFET的半導(dǎo)體器件的制造方法的示意圖。
除了在對(duì)TixN薄膜108a的濺射處理中是對(duì)濺射壓強(qiáng)進(jìn)行控制而不是對(duì)濺射能量密度進(jìn)行控制外，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的方法包括與根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法相同的處理步驟。因此，出于簡(jiǎn)化的目的，在此通過在8A到8C中相同元件標(biāo)注相同的參考字符對(duì)與第一實(shí)施例相同的處理步驟的說明進(jìn)行了省略。
首先，以與第一實(shí)施例相同的方式，在襯底101中，上或上方形成隔離氧化物102，柵氧化物薄膜103，柵電極104，絕緣側(cè)壁隔離層105及源/漏區(qū)106。隨后，利用反應(yīng)濺射處理以與第一實(shí)施例相同的方式在整個(gè)襯底101的上方淀積一層厚度大約為20nm的Ti薄膜107。本階段的狀態(tài)如圖8A所示。
接著，如圖8B所示，利用如下條件下的反應(yīng)濺射處理在整個(gè)襯底101上淀積一層厚度大約為20nm的TixN薄膜108a。
(ⅰ)靶直徑為30Cm的Ti靶(ⅱ)保護(hù)氣Ar和N2的混和氣體(ⅲ)Ar和N2的流速相等(ⅳ)大氣壓強(qiáng)3mTorr到12mTorr(ⅴ)襯底溫度大約200℃(ⅵ)濺射能量4.5kW(≈6.4W/cm2)通過在保持Ar氣和N2的各自流速相等的情況下改變Ar和N2混和氣體的總流速來改變?yōu)R射壓強(qiáng)。
其優(yōu)選地將濺射壓強(qiáng)設(shè)置為大約12mTorr，其原因可從圖9中看出。
圖9所示為在第二實(shí)施例中TixN薄膜108b的壓縮應(yīng)力與濺射壓強(qiáng)之間的關(guān)系圖。正如從圖9可看出的，TixN薄膜108b的壓縮應(yīng)力隨著濺射壓強(qiáng)的增加而降低。TixN薄膜108b的壓縮應(yīng)力單調(diào)地從3mTorr的8.0×1019dyne/cm2降低到12mTorr的0.5×1019dyne/cm2。在8mTorr處壓縮應(yīng)力為3.0×1019dyne/cm2。
接下來將考慮為何TixN薄膜108b具有較低的壓縮應(yīng)力的原因。
由于濺射壓強(qiáng)較高，濺射電壓將變得很低，其將從Ti靶濺射出來的Ti粒子的動(dòng)能降低。這等價(jià)于在第一實(shí)施例中濺射能量和濺射能量密度的降低。因此TixN薄膜108b具有較低的壓縮應(yīng)力及較高的腐蝕速率。
接著，以與第一實(shí)施例相同的方式在Ar氣中對(duì)其上以形成有Ti和TixN薄膜107和108b的襯底進(jìn)行一次第一熱處理，由此如圖8B所示形成了具有C-49物相的TiSi2層109。
以與第一實(shí)施例相同的方式將整個(gè)TixN薄膜108b和未參加反應(yīng)的TixN薄膜107’清除掉，由此將TiSi2層109分別留在源/漏區(qū)106和柵電極104的表面區(qū)域中。
最后，以與第一實(shí)施例相同的方式在Ar氣中對(duì)其上已形成有TiSi2層109的襯底101進(jìn)行第二熱處理。從而將C-49物相的TiSi2層109轉(zhuǎn)變?yōu)镃-54物相的TiSi2層111。
很明顯，根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的方法具有與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
其還有一個(gè)附加的優(yōu)點(diǎn)在于，可以發(fā)揮濺射裝置的最大性能，使所需的濺射時(shí)間要比根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的時(shí)間短一些(即濺射速率要高一些)。
比如，在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法中，在濺射能量密度大約等于0.7W/cm2的情況下，其將花費(fèi)3分鐘或更長的時(shí)間來生長厚度為20nm的TixN薄膜108a。另一方面，在根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的方法中，其只需20秒鐘或更短的時(shí)間便可以生長出具有相同厚度的TixN薄膜108b。第三實(shí)施例圖10A到圖10C所示為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的用于具有一種MOSFET的半導(dǎo)體器件的制造方法的示意圖。
除了在對(duì)TixN薄膜108a的濺射處理中是對(duì)襯底的溫度進(jìn)行控制而不是對(duì)濺射能量密度進(jìn)行控制外，根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的方法包括與根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的方法相同的處理步驟。因此，出于簡(jiǎn)化的目的，在此通過在10A到10C中對(duì)相同元件附注相同的參照字符對(duì)與第一實(shí)施例相同的處理步驟的說明進(jìn)行了省略。
首先，以與第一實(shí)施例相同的方式，在襯底101中，上或上方形成隔離氧化物102，柵氧化物薄膜103，柵電極104，絕緣側(cè)壁隔離層105及源/漏區(qū)106。隨后，利用反應(yīng)濺射處理以與第一實(shí)施例相同的方式在整個(gè)襯底101的上方淀積一層厚度大約為20nm的Ti薄膜107。此階段的狀態(tài)如圖10A所示。
接著，如圖10B所示，利用如下條件下的反應(yīng)濺射處理在整個(gè)襯底101上方的Ti薄膜107上淀積一層厚度大約為20nm的TixN薄膜108c。
(ⅰ)靶直徑為30Cm的Ti靶(ⅱ)保護(hù)氣Ar和N2的混和氣體(ⅲ)Ar和N2的流速相等(ⅳ)大氣壓強(qiáng)3mTorrr(ⅴ)襯底溫度大約50℃到450℃(ⅵ)濺射能量4.5kW(≈6.4W/cm2)其優(yōu)選地將襯底101的溫度設(shè)置為400℃或更高，其原因可從圖11中看出。
圖11所示為在第三實(shí)施例中TixN薄膜108c的壓縮應(yīng)力與襯底101的溫度之間的關(guān)系圖。正如從圖11可看出的，TixN薄膜108c的壓縮應(yīng)力隨著襯底101溫度的升高而降低。TixN薄膜108c的壓縮應(yīng)力單調(diào)地從50℃的11.0×1019dyne/cm2降低到450℃的0.5×1019dyne/cm2。在400℃處的壓縮應(yīng)力為3.0×1019dyne/cm2。
接下來將考慮為何TixN薄膜108c具有較低壓縮應(yīng)力的原因。
由于的溫度襯底101較高，TixN薄膜108c的結(jié)合能量將變得很低。較低的結(jié)合能量將導(dǎo)致較低的密度和大量空洞，從而使得TixN薄膜108c具有較低的應(yīng)力和較高的腐蝕速率。
接著，以與第一實(shí)施例相同的方式在Ar氣中對(duì)其上已淀積有Ti和TixN薄膜107和108c的襯底101進(jìn)行第一熱處理，由此如圖11B所示形成了具有C-49物相的TiSi2層109。
以與第一實(shí)施例相同的方式將整個(gè)TixN薄膜108c和未參加反應(yīng)的TixN薄膜107’清除掉，由此將TiSi2層109分別留在源/漏區(qū)106和柵電極104的表面區(qū)域中。
最后，以與第一實(shí)施例相同的方式在Ar氣中對(duì)其上已形成有TiSi2層109的襯底101進(jìn)行第二熱處理。從而將C-49物相的TiSi2層109轉(zhuǎn)變?yōu)镃-54物相的TiSi2層111。
很明顯，根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的方法具有與第一實(shí)施例相同的優(yōu)點(diǎn)。
其也有一個(gè)與第二實(shí)施例相同的附加優(yōu)點(diǎn)，即可以發(fā)揮濺射裝置的最大性能，從而使所需的濺射時(shí)間要比根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的時(shí)間短一些(即濺射速率要高一些)。
盡管在第一到第三實(shí)施例中是用Ti作為難熔金屬，但本發(fā)明并不局限于Ti。很明顯任何其它的難熔金屬如鎢(W)或鈷(Co)均可用于本發(fā)明中。
盡管在第一到第三實(shí)施例中是將難熔金屬硅化物層111用于一個(gè)MOSFET上，但本發(fā)明并不局限于此。也可以將本發(fā)明應(yīng)用到一個(gè)雙極晶體管上。
盡管已對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但對(duì)于那些技術(shù)熟練者來說應(yīng)被理解的是，很明顯可以在不背離本發(fā)明的精神的情況下對(duì)其進(jìn)行多種修改。因此，本發(fā)明的范圍僅由如下的權(quán)利要求唯一地確定。
權(quán)利要求
1．一種半導(dǎo)體器件制造方法，其特征在于包括如下步驟(a)在一個(gè)硅區(qū)上形成一層第一難熔金屬薄膜；(b)在所述第一難熔金屬薄膜上形成一層第二難熔金屬薄膜；所述第二難熔金屬薄膜包含與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬以及氮元素；將所述第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力控制為一個(gè)特殊值或更低；及(c)在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)所述第一難熔金屬薄膜和所述第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在所述硅區(qū)和所述第一難熔金屬薄膜之間的界面上，由于所述第一難熔金屬薄膜與所述硅區(qū)發(fā)生硅化反應(yīng)，而形成一個(gè)難熔金屬硅化物層；其中對(duì)所述第二難熔金屬薄膜的所述應(yīng)力的值進(jìn)行設(shè)置，使得所述第二難熔金屬薄膜不影響在步驟(c)中的硅化反應(yīng)期間所述難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第二難熔金屬薄膜的所述應(yīng)力的特殊值為3×1019dyne/cm2。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在步驟(c)中由于包含于所述第二難熔金屬薄膜中的所述氮元素?cái)U(kuò)散進(jìn)所述第一難熔金屬薄膜之中，所述第一難熔金屬薄膜被轉(zhuǎn)化為第三難熔金屬薄膜；其中所述第三難熔金屬薄膜含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬及氮元素。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，另外包括如下步驟(d)選擇性地清除所述第一難熔金屬薄膜和所述未參加反應(yīng)的難熔金屬薄膜以暴露出所述難熔金屬硅化物層；所述難熔金屬硅化物層具有第一物相；及(e)熱處理所述難熔金屬硅化物層，使其通過發(fā)生物相轉(zhuǎn)變而具有第二物相；
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(b)是在含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮的保護(hù)氣中，利用能量密度為2.5W/cm2或更低的反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(b)是在含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮，壓力為8mTorr或更高的保護(hù)氣中利用反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(b)是利用在含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮的保護(hù)氣中，在所述硅區(qū)的溫度被保持在400℃或更高的條件下利用反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在對(duì)所述第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理的步驟(c)中的所述不含氮的保護(hù)氣是一種惰性氣體或真空環(huán)境。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一難熔金屬薄膜為一層鈦薄膜。
10．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述第一難熔金屬薄膜為一層鈦薄膜，而所述第二難熔金屬薄膜為一層鈦氮化物薄膜。
11．一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于包括如下步驟(a)選擇性地在一個(gè)硅襯底的表面上形成一個(gè)隔離絕緣體，從而定義出一個(gè)器件區(qū)；(b)在所述器件區(qū)中所述襯底的表面上形成一個(gè)柵絕緣體；(c)在所述柵絕緣體上形成一個(gè)柵電極；(d)在所述柵電極的每一側(cè)處的所述襯底的表面上形成側(cè)壁隔離層；所述側(cè)壁隔離層與所述柵電極的對(duì)應(yīng)側(cè)面接觸；(e)通過將一種雜質(zhì)引入到所述襯底的所述器件區(qū)中，在所述柵電極的每一側(cè)的所述襯底中形成源/漏區(qū)；(f)與所述隔離絕緣體、所述絕緣側(cè)壁隔離層，以及所述源/漏區(qū)相互接觸地形成一層第一難熔金屬薄膜；(g)在所述第一難熔金屬薄膜上形成一層第二難熔金屬薄膜；所述第二難熔金屬薄膜含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬以及氮；將所述第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力控制為一個(gè)特殊值或更低；及(h)在不含氮的保護(hù)氣中對(duì)所述第一難熔金屬薄膜和所述第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理，由此在所述第一難熔金屬薄膜與所述源/漏區(qū)之間的界面上形成一個(gè)難熔金屬硅化物層；其中對(duì)所述第二難熔金屬薄膜的所述應(yīng)力的值進(jìn)行設(shè)置，使得所述第二難熔金屬薄膜不影響在步驟(c)中的硅化反應(yīng)期間所述難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形。
12．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第二難熔金屬薄膜的所述應(yīng)力的特殊值為3×1019dyne/cm2。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在步驟(h)中由于包含于所述第二難熔金屬薄膜中的所述氮擴(kuò)散進(jìn)所述第一難熔金屬薄膜之中，所述第一難熔金屬薄膜被轉(zhuǎn)化為第三難熔金屬薄膜；其中所述第三難熔金屬薄膜含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬及氮。
14．如權(quán)利要求11所述的方法，另外包括如下步驟(i)選擇性地清除所述第一難熔金屬薄膜和所述未參加反應(yīng)的難熔金屬薄膜以暴露出所述難熔金屬硅化物層；所述難熔金屬硅化物層具有第一物相；及(j)熱處理所述難熔金屬硅化物層，使其通過發(fā)生物相轉(zhuǎn)變而具有第二物相；
15．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(g)是利用在含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮的保護(hù)氣中，利用能量密度為2.5W/cm2或更低的反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
16．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(g)是在含有與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮，壓力為8mTorr或更高的保護(hù)氣中利用反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
17．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于形成所述第二難熔金屬薄膜的步驟(g)是在包含與所述第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬和氮的保護(hù)氣中，在所述硅區(qū)的溫度被保持在400℃或更高的條件下利用反應(yīng)濺射工藝來實(shí)現(xiàn)的。
18．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于在對(duì)所述第一和第二難熔金屬薄膜進(jìn)行熱處理的步驟(h)中的所述不含氮的保護(hù)氣是一種惰性氣體或真空環(huán)境。
19．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第一難熔金屬薄膜為一層鈦薄膜。
20．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于所述第一難熔金屬薄膜為一層鈦薄膜而所述第二難熔金屬薄膜為一層鈦氮化物薄膜。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體器件制造方法,在一個(gè)硅區(qū)上形成一第一難熔金屬薄膜。在其上形成第二難熔金屬薄膜。第二難熔金屬薄膜含有與第一難熔金屬薄膜相同的難熔金屬以及氮元素。第一和第二難熔金屬薄膜在不含氮的保護(hù)氣中被熱處理,從而在硅區(qū)與第一難熔金屬薄膜之間的界面上發(fā)生硅化反應(yīng)而形成一個(gè)難熔金屬硅化物層。對(duì)第二難熔金屬薄膜的應(yīng)力值進(jìn)行設(shè)置,使其在硅化反應(yīng)期間難熔金屬硅化物層所發(fā)生的塑性變形不影響。
文檔編號(hào)H01L21/285GK1214534SQ9812014
公開日1999年4月21日 申請(qǐng)日期1998年10月9日 優(yōu)先權(quán)日1997年10月9日
發(fā)明者松原義久, 石上隆史, 山田義明, 綿貫真一 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社