专利名称：金属硅化物形成方法及半导体器件的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种金属硅化物形成方法及一种半导体器件的制造方法，并且更具体地，涉及一种在其中包含硅的半导体区上形成金属硅化物层的金属硅化物形成方法及一种半导体器件的制造方法。
背景技术：
半导体器件需要小型化、高集成度等。由此，例如在金属氧化物半导体(MOS)晶体管中缩小了沟道区。所以在一些情况中由于短沟道效应，晶体管特性会恶化。为了解决这个缺陷，在MOS晶体管中，例如在源区和漏区分别形成浅结，以及为了减小源区和漏区的接触电阻形成金属硅化物层。
该金属硅化物层，例如在硅化(自对准硅化)工艺中形成。在硅化工艺中形成金属硅化物层，例如在日本专利申请特开平No.09-283465、日本专利申请特开平No.07-273066、日本专利申请特开平No.07-94449和日本专利申请特开平04-299825中公开。
发明内容
更具体地，在硅化工艺中，首先，沉积金属以对应于在其中包含硅的半导体区中想要形成金属硅化物层的区域，从而形成金属层。例如，利用溅射工艺在室温下沉积镍以覆盖由多晶硅构成的栅电极和在硅半导体衬底上形成且之间形成栅电极的一对源区核漏区，由此形成金属层。
接着，通过进行热处理，使必要的半导体区中的硅与该金属层中的金属产生硅化，从而形成金属硅化物层。例如，在必要的半导体区中的硅和由镍构成的金属层在250-400℃的高温气氛中彼此发生反应，从而形成硅化镍(NixSiX＝1到2)层。
接着，因为去除因为未与半导体区产生硅化而剩余的部分金属层。例如，通过使用硫酸和过氧化氢的混合溶液(混合酸)进行蚀刻工艺，去除没有发生反应的部分金属膜。
接着，再次进行热处理，进行硅化，由此生长该金属硅化物层。例如，在450-650℃的温度再次进行热处理，该温度高于上面描述的温度。这样，生长硅化镍层以覆盖由多晶硅构成的栅电极的表面和在半导体衬底上形成且之间形成栅电极的一对源漏区的表面。
以上面描述的方式，在硅化工艺中金属硅化物层以自对准方式形成。
然而，当该金属硅化物层以上述方式形成时，难于控制该金属硅化物的核尺寸。所以，金属硅化物的核可能局部地形成为大尺寸。因此，晶粒可能会以大尺寸形成，因而金属硅化物层不是均匀的。也就是说，金属硅化物会凝聚并且异常地生长，以至于在一些情况下晶粒尺寸变得不均匀。更具体地，由于在沉积镍期间镍的核以大尺寸生长，那么当进行热处理时，形成例如具有晶粒尺寸落在50到500nm范围内的金属硅化物层。所以，在形成的MOS晶体管的有源区会产生漏电流，或者由于金属硅化物层中的非均匀晶粒尺寸而增大有源区电阻。因此，在某些情况下无法获得理想的晶体管特性。
如上所述，由于某些情况下金属硅化物层中晶粒尺寸的不均匀，使得半导体器件的可靠性下降。
因此，需要提供一种能使金属硅化物层的晶粒尺寸均匀并增强可靠性的金属硅化物形成方法和一种半导体器件的制造方法。
按照本发明的第一实施例，提供一种在包含硅的半导体区上形成金属硅化物层的金属硅化物形成方法，该方法包括步骤在半导体区上形成其中包含第一金属的第一金属层；在半导体区上形成其中包含第二金属的第二金属层以覆盖在形成第一金属层步骤中形成的该第一金属层；并通过对其中在形成第二金属层步骤中形成第二金属层以覆盖第一金属层的半导体区进行热处理，使该半导体区与该第一金属层和该第二金属层中至少之一产生硅化，由此形成该金属硅化物层，其中在形成第一金属层步骤中，第一金属层在允许半导体区与第一金属产生硅化的第一温度下形成，并在形成第二金属层步骤中，在低于第一温度的第二温度下形成第二金属层。
按照本发明的另一实施例，提供一种具有在其中包含硅的半导体区上形成的金属硅化物层的半导体器件的制造方法，该方法包括步骤在该半导体区上形成其中包含第一金属的第一金属层；在该半导体区上形成其中包含第二金属的第二金属层以覆盖在形成第一金属层步骤中形成的第一金属层；并通过对其中在形成第二金属层步骤中形成第二金属层以覆盖第一金属层的半导体区进行热处理，使该半导体区与该第一金属层和该第二金属层中至少之一产生硅化，由此形成该金属硅化物层，其中在形成第一金属层步骤中，第一金属层在允许该半导体区与该第一金属产生硅化的第一温度下形成，并且在形成第二金属层步骤中，在低于第一温度的第二温度下，形成第二金属层。
根据本发明，首先，在允许其中包含硅的半导体区与第一金属产生硅化的第一温度下，在半导体区上沉积第一金属，由此形成第一金属层。接着，在低于第一温度的第二温度下，在半导体区上沉积第二金属以覆盖所得到的第一金属层，由此形成第二金属层。接着，通过对其中形成第二金属层以覆盖第一金属层的半导体区进行热处理，使该半导体区与该第一金属层和该第二金属层中至少之一产生硅化，由此形成该金属硅化物层。
根据本发明，可以提供能使金属硅化物晶粒尺寸均匀并增强可靠性的金属硅化物形成方法和一种半导体器件的制造方法。
图1为显示根据本发明一实施例的半导体器件的主要部分的截面图；图2A至2C分别为显示根据本发明实施例的半导体器件制造工艺的截面图；和图3为显示根据本发明实施例的半导体器件中在具有源区和漏区的半导体衬底上形成的具有第一金属层的部分的截面图；具体实施方式
图1为显示根据本发明实施例的半导体器件的主要部分的截面图。
如图1所示，本实施例的半导体器件1包括半导体衬底11和MOS晶体管21。
半导体衬底11例如由单晶硅构成，并且具有主表面，在其上形成MOS晶体管21。
如图1所示，该MOS晶体管21具有轻掺杂漏极(LDD)结构。该MOS晶体管21形成在半导体衬底11的主表面上，以对应由隔离层(未示出)定义的一个区域。
这里，在MOS晶体管21中，如图1所示，沟道区21c形成在半导体衬底11的主表面上。
并且，在该MOS晶体管21中，如图1所示，形成栅绝缘膜21x以对应沟道区21c。栅绝缘膜21x例如由具有0.1到5.0nm的厚度的氧化硅构成。
此外，在该MOS晶体管21中，如图1所示，栅电极21g通过层叠形成，以通过栅绝缘膜21x与沟道区21c对应。例如，该栅电极21g由多晶硅形成以具有约100至约200nm的厚度。而且，由绝缘体构成的侧间隙壁21s形成在栅电极21g的每个侧壁部分上。另外，在本实施例中，如图1所示，在栅电极21g与栅绝缘膜21x相对的一侧上形成金属硅化物层21gm。例如，该金属硅化物层21gm由硅化镍构成。
并且，在MOS晶体管21中，形成源区和漏区对21sd以使沟道区21c位于该源区和漏区对21sd之间。该源区和漏区对21sd分别具有形成在对应侧间隙壁21s区域中的延伸区，并且沟道区21c形成在它们之间。而且，形成杂质扩散区以通过各自的延伸区使沟道区21c位于它们之间。这里，每个杂质扩散区都具有比每个延伸区高的杂质浓度并且具有比每个延伸区深的扩散深度。例如，注入杂质离子到半导体衬底11的主表面上以扩散到较深的部分中，从而分别在该源区和漏区对21sd中形成该杂质扩散区。并且，在本实施例中，如图1所示，在该源区和漏区对21sd的表面上形成每个金属硅化物层21sdm。例如，每个金属硅化物层21sdm由硅化镍形成在下文中将参照图2A到2C详细描述根据本发明的这个实施例的半导体器件的制造方法。
图2A至图2C分别为显示根据本发明实施例的半导体器件制造工艺的截面图。这里，半导体器件制造方法的相应工艺的截面图以图2A、2B和2C的顺序显示。
当要制造本实施例的半导体器件1时，首先，如图2A所示，形成MOS晶体管21。
这样如图2A所示，MOS晶体管21形成在由单晶硅构成的半导体衬底11的主表面上以便具有LDD结构。
更具体地，首先，形成MOS晶体管21的栅绝缘膜21x。
这样，热氧化该半导体衬底11以在半导体衬底11的表面上形成厚度大约为1到5nm的氧化硅。因此，形成栅绝缘膜21x以对应沟道区21c。
接着，形成MOS晶体管21的栅电极21g。
这样，例如，利用化学气相沉积(CVD)方法沉积具有厚度大约为100到200nm的多晶硅以覆盖栅绝缘膜21x，从而形成多晶硅膜(未示出)。而且，在得到的多晶硅膜上形成掩膜层(未示出)以对应沟道区21c。之后，利用掩膜层作为使用反应离子刻蚀(RIE)方法的刻蚀掩膜，选择性刻蚀该多晶硅膜，从而通过图案化工艺获得如图2A所示的栅电极21g。
接着，在半导体衬底11的表面上形成源区和漏区域对21sd。
这样，利用栅电极21g作为掩膜，注入杂质离子到分别位于栅电极21g两端部的半导体衬底11部分中，从而形成一对延伸区。之后，在栅电极21g的每个侧壁上形成侧壁间隙壁21s。而且，注入杂质离子到分别位于侧壁间隙壁21s两端部的半导体衬底11部分中。然后，通过进行退火工艺活化该杂质离子。因此，形成一对延伸区以及一对高浓度杂质扩散区。这样，每个高浓度杂质扩散区具有比每个延伸区更高的杂质浓度，并且具有比每个延伸区更深的杂质扩散深度。因此，具有延伸区和高浓度杂质扩散区的源区和漏区21sd成对地形成。
接着，如图2B所示，在MOS晶体管21的表面上形成第一金属层12。
这样，通过利用物理气相沉积(PVD)方法沉积第一金属以覆盖该MOS晶体管21的表面，从而允许硅化发生在源区和漏区对21sd以及该栅电极21g中。因此，该MOS晶体管21的表面上形成该第一金属层12。
更具体地，进行预处理移除自然氧化物膜。之后，在包括N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn和H2中至少一种气体的气氛中，在允许硅化发生在该源区和漏区对21sd以及该栅电极21g的第一温度下，利用溅射工艺沉积镍作为第一金属以覆盖该CMOS晶体管21的表面，以形成该硅化镍。这样，形成第一金属层12。在本实施例中，在具有气氛的密闭容器中沉积镍以覆盖该CMOS晶体管21的表面，其中第一温度设置在不在硅化镍中形成具有高电阻的NiSi2的150到250℃温度范围内。因此，形成具有厚度为0.2到3.0nm的镍膜作为第一金属层12，从而当形成前面描述的该金属硅化物层21gm和21sdm时，形成正结核的结晶核。
这里，当沉积金属期间的温度低于150℃时，在没有形成硅化镍、核变得不均匀等的情形，可能出现不均一。另一方面，当沉积金属期间温度超过250℃时，则在硅化镍的核已经生长以致于热处理完成后晶粒尺寸变大的情形，也可能出现不均一。此外，当第一金属层12的厚度小于0.2nm时，由于硅化镍的核在形成中变稀疏从而完成热处理后的晶粒尺寸变大或者变得不均匀的情形等，可能出现不均一。另一方面，当该第一金属层12的厚度超过3nm时，在必要的沉积期间，该硅化镍生长以致于晶粒尺寸变大的情形，可能出现不均一。
图3为显示本发明本实施例中在具有形成其中的源区和漏区的半导体衬底11上形成的第一金属层12的部分的截面图。应该注意到，本截面图也用于形成在栅电极21g上的第一金属层12部分。
如图3所示，在本工艺中，在允许发生硅化反应的第一温度下，在该半导体衬底11上沉积镍。因此，在该半导体衬底11的表面上形成晶层12s，该晶层12s中包含硅化镍的结晶核以高密度存在。这样，形成该晶层12s以使该结晶核彼此之间不熔合并且分散地以小尺寸存在。
接着，如图2C所示，形成第二金属层13。
这样，在比上述工艺中第一温度低的第二温度下，沉积第二金属，以覆盖在上述工艺中通过PVD方法形成的第一金属层12。因此，形成该第二金属层13。在本实施例中，在可抑制该半导体区发生硅化反应的温度，比如在第二温度，沉积该第二金属从而形成该第二金属层13。
更具体地，在包括N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn和H2中至少一种气体的气氛中，于不在该源区和漏区对21sd以及该栅电极21g中形成硅化镍的第二温度下，利用溅射方法沉积镍作为第二金属。因此，形成该第二金属层13。在本实施例中，首先，在本制造阶段将该半导体衬底11移出在第一温度具有气氛并且在其中于前述工艺中容纳半导体衬底11的密闭容器，从而将其容纳在设定在作为第二温度的温度下具有气氛的另一密闭容器中，该第二温度等于或高于室温并低于150℃。之后，第二温度下在具有气氛的另一密闭容器中，在该MOS晶体管21的表面上沉积镍。因此，例如，形成厚度为3到15nm的镍膜作为该第二金属层13。
接着，如图1所示，金属硅化物层21gm和21sdm分别形成在栅电极21g以及源区和漏区对21sd的表面上。
这样，通过对其中形成覆盖第一金属层12的第二金属层13的半导体衬底11进行热处理，该源区和漏区对21sd以及栅电极21g与该第一金属层12和该第二金属层13中的至少一个发生硅化，由此分别形成该硅化物层21sdm和21gm。
也就是说，由单晶硅构成的该半导体衬底11具有形成在其上的源区和漏区对21sd，其与第一金属层12和第二金属层13中的至少一个的硅化反应，是通过使用当形成该第一金属层12时作为源形成的结晶核来生长硅化物晶粒进行的。因此，每个硅化物层21sdm形成在该源区和漏区对21sd表面上。并且，与该工艺同时地，由多晶硅构成的栅电极21g与第一金属层12和第二金属层13中至少一个的硅化反应，是通过当形成该第一金属层12时作为源形成的结晶核来生长硅化物晶粒进行的。因此，该硅化物层21gm形成在该栅电极21g表面上。
更具体地，首先，对具有形成在其上的必要部分的半导体衬底11进行第一热处理。例如，进行第一热处理，在设定得等于或高于250℃并低于450℃的温度下，在包括N2、He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn和H2中的至少一种气体的气氛中，通过灯加热来获得为10到120秒的该热处理时间。另外，注意该热处理可以是使用电炉、激光加热装置、脉冲退火机等。例如，当使用电炉时，该第一热处理进行2分钟到一个小时的处理时间。
接着，因为在该第一热处理中该栅电极21g表面和源区和漏区21sd的表面上没被硅化的部分而因此留下部分的第一金属层12和第二金属层13通过进行刻蚀工艺被去除。例如，使用硫磺酸和过氧化氢的混合溶液(混合酸)通过湿法刻蚀方法，去除在硅化中没发生反应而留下的部分第一金属层12和第二金属层13。另外，注意，可以通过干法刻蚀方法去除在硅化中没发生反应而留下的部分第一金属层12和第二金属层13。
接着，对已经去除第一金属层12和第二金属层13的半导体衬底11进行第二热处理。这样，在比上述第一热处理高的温度下进行第二热处理。例如，进行第二热处理，在450到600℃的温度下的气氛中，通过灯加热来获得4到120秒的热处理时间。另外，注意该热处理可以是使用电炉、激光加热装置、脉冲退火机等。
本实施例中的半导体器件1以上述方式制造。这样，可以确认在本实施例的半导体器件1中，每个硅化物层21gm和21sdm的晶粒尺寸都在10到50nm的范围内，因此小并且均匀。
如上所述，在本实施例中，在允许硅化反应发生在其中包含硅的相关半导体区的第一温度下，沉积第一金属在其中包含硅的半导体衬底11上，该半导体区例如为由单晶硅构成且具有形成在其上的源区和漏区对21sd以及由多晶硅构成的栅电极21g的半导体衬底11。因此，形成其中包含第一金属的第一金属层12。接着，在低于该第一温度的第二温度下，在相关的半导体区上沉积第二金属13以覆盖形成的第一金属层12，由此形成其中包含第二金属的第二金属层13。接着，对形成第二金属层13以覆盖第一金属层12的相关的半导体区进行热处理，从而使其中包含硅的相关的半导体区与第一金属层12和第二金属层13中至少之一发生硅化。因此，形成该金属硅化物层21gm和21sdm。所以，在本实施例中，如上所述，在允许硅化反应发生这样高的第一温度下，沉积镍在该半导体衬底1上，从而形成该第一金属层12。因此，在该半导体衬底11的表面上形成晶层12s，在该晶层12s中结晶核包含高密度的硅化镍。并且，在低于该第一温度的第二温度下，沉积镍以覆盖该第一金属层12，从而形成该第二金属层13。因此，该第一金属层12的结晶核彼此之间不熔合并且分散地以小尺寸存在。并且，通过进行热处理，以该结晶核作为源，金属硅化物晶粒生长为金属硅化物层21gm和21sdm的形式。所以，金属硅化物层21gm和21sdm具有小且均匀的晶粒尺寸。因此，在本实施例中，金属硅化物的结晶核没有局部地形成大尺寸。因此，可以阻止其中形成MOS晶体管的有源区产生漏电流，并且也可以阻止致使电阻比预想大的不均一发生。从而，根据本实施例，可以均匀化金属化层中的晶粒尺寸，并可以增强半导体器件的可靠性。
应该注意的是，在实施时，本发明并不意于局限于以上提及的实施例，可以采用其中的各种变化。
例如，尽管在上述提及的实施例中，描述了关于利用溅射方法形成每个第一金属层和第二金属层的情形，但本发明不局限于此。例如，第一金属层和第二金属层中的每一个都是利用电子束蒸发方法形成。此外，当形成第一金属层时，允许发生硅化反应的金属离子可注入到其中包含硅的半导体区中。这样，例如在具有与上述提及实施例中相同温度的气氛中，在放射剂量为1×1015的10kev加速电压下，向其中包含硅的半导体区中注入镍离子，从而形成其中包含镍作为第一金属的第一金属层。
另外，尽管在上述提及的实施例中，描述了关于由硅化镍构成的形成金属硅化物层的例子，但本发明不局限于此。例如，本发明也适用于将通过使半导体区与金属例如钛、钴、铂或钯或各种金属的任何合金产生硅化来获得金属硅化物情形。更具体地，当半导体区与钛或钴硅化时，形成上述提及的第一金属膜时优选地在沉积温度为350到500℃的条件和热处理温度为500到850℃的条件下进行硅化反应。另外，就铂和钯来说，形成上述提及的第一金属膜时优选地在沉积温度为250到400℃的条件和热处理温度为400到850℃的条件下进行硅化反应。并且，就各种金属的任何合金而言，条件设定在上述采用的条件之间。
另外，尽管在上述提及的实施例中，描述了关于在半导体器件中形成MOS晶体管作为半导体元件的例子，但本发明不局限于此。例如，本发明也可以适用于形成比如双极晶体管的半导体元件的情形。
本领域的普通技术人员应该理解的是，只要在权利要求或相当于此的范围内，各种修改、合并、子合并和替代都可能依赖于设计需要和其他因素产生。
权利要求
1.一种在包含硅的半导体区上形成金属硅化物层的金属硅化物形成方法，所述方法包括步骤在所述半导体区上形成包含第一金属的第一金属层；在所述半导体区上形成包含第二金属的第二金属层以覆盖在所述形成第一金属层步骤中形成的所述第一金属层；以及通过对其中所述形成第二金属层步骤中形成第二金属层以覆盖所述第一金属层的半导体区进行热处理，使所述半导体区与所述第一金属层和所述第二金属层中至少之一产生硅化，形成所述金属硅化物层，其中在所述形成第一金属层步骤中，所述第一金属层在允许所述半导体区与所述第一金属产生硅化的第一温度下形成，以及在所述形成第二金属层步骤中，所述第二金属层在低于所述第一温度的第二温度下形成。
2.如权利要求1所述的金属硅化物形成方法，其中所述第二温度为抑制所述半导体区与所述第二金属产生硅化的温度。
3.如权利要求2所述的金属硅化物形成方法，进一步包括步骤通过刻蚀工艺从所述半导体区去除部分的第一金属层和第二金属层，所述部分的第一金属层和第二金属层因为所述半导体区没有在硅化步骤中与所述部分产生硅化而剩下；并对在所述去除步骤中去除了所述第一金属层和所述第二金属层的半导体区进行热处理，其中在所述热处理步骤中，在比所述硅化步骤中的热处理温度高的温度下进行所述热处理。
4.一种具有在包含硅的半导体区上形成的具有金属硅化物层的半导体器件的制造方法，所述方法包括步骤在所述半导体区上形成包含第一金属的第一金属层；在所述半导体区上形成包含第二金属的第二金属层以覆盖在所述形成第一金属层步骤中形成的所述第一金属层；以及通过对其中所述形成第二金属层步骤中形成第二金属层覆盖所述第一金属层的所述半导体区进行热处理，使所述半导体区与所述第一金属层和所述第二金属层中至少之一产生硅化，形成所述金属硅化物层，其中在所述形成第一金属层步骤中，所述第一金属层在允许所述半导体区与所述第一金属产生硅化的第一温度下形成，以及在所述形成第二金属层步骤中，所述第二金属层在低于所述第一温度的第二温度下形成。
全文摘要
本发明公开了一种在包含硅的半导体区上形成金属硅化物层的金属硅化物形成方法。该方法步骤包括在该半导体区上形成包含第一金属的第一金属层；在该半导体区上形成包含第二金属的第二金属层以覆盖在该形成第一金属层步骤中形成的该第一金属层；并通过对其中在形成第二金属层步骤中形成第二金属层以覆盖第一金属层的半导体区进行热处理，使该半导体区与该第一金属层和该第二金属层中至少之一产生硅化，形成该金属硅化物层。在第一温度下硅化该第一金属层。在比第一温度低的第二温度下形成该第二金属层。
文档编号H01L21/28GK101017777SQ200710087920
公开日2007年8月15日 申请日期2007年2月8日 优先权日2006年2月8日
发明者片桐孝浩, 十河康则 申请人:索尼株式会社