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JP4058231B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP4058231B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体の製造装置及び半導体の製造プロセスに関し、特に、強誘電体膜を結晶化するため、もしくはコンタクト部のコンタクト特性を向上させる熱処理装置と熱処理方法及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、強誘電体メモリ(FerroelectricRAM)が注目されている。DRAMと略同等の応答速度を持ち、且つ記憶が消えない不揮発性という特徴を持つためである。その特徴は、汎用メモリはもとよりロジックデバイスと混載するシステムLSIでいかんなく発揮されるものとして期待を集めている。
強誘電体メモリ素子の断面を図16に示す。図から明らかなように、下から順に、トランジスタ、強誘電体キャパシタ、配線が形成されている。この強誘電体メモリ素子においてキャパシタの下部電極101は、プレート線を兼ねており、強誘電体膜102を挟んで上部電極103は、ビット線に接続されている。製造プロセスは、当然のことながら、最初にトランジスタが作成され、次に、強誘電体キャパシタが形成される。そして、接続孔が開孔されてAl−Cu配線が形成される。接続孔内の接続配線は、タングステン(W)が用いられる。
【0003】
強誘電体メモリを製造する場合の困難さの一つは、強誘電体がプロセス損傷を受け易いということである。多層配線を形成するためのドライエッチングやスパッタリングを行った際に、プラズマ中の荷電粒子の影響を受け、さらに、これらのプロセスが減圧下で行われるのでチタン酸ジルコン酸鉛PZT(Pb(Tix ・Zr1-x )O3 )やタンタル酸ストロンチウムビスマスSBT(Sr2 BiTaO9 )などの強誘電体中に酸素が脱離し、強誘電性を著しく損ってしまう。
このような多層配線形成工程のプロセスダメージを避けるための一つの工夫として、例えば、特開平11−317500号公報には、多層配線を先に形成し、その上に強誘電体キャパシタを作成する方法が提案されている。多層配線を先に形成し、その上に強誘電体キャパシタを形成するのであるから、当然のことながら強誘電体は、配線形成工程のプロセスダメージを受けることはない。
このプロセスの問題点は、強誘電体であるPZTやSBTの結晶化温度が、アルミニウム配線の耐える温度(450℃)よりも高いという点にある。PZTの結晶化温度は、低くても550℃であり、一方、SBTの場合は少なくとも650℃を要する。このような温度に加熱するとアルミニウムが溶融し、配線が分断するなどの問題が発生する。
【0004】
このような問題を避けるために、例えば、熱処理温度が450℃程度のCVD(Chemical Vapour Deposition)で形成するプロセスが研究されているが、低温では、良質の強誘電体性能が実現されていない。強誘電体としての充分な性能を得るためには、やはり高い温度で充分に結晶化させる必要がある。
加熱される時間が非常に短ければ、温度は高くてもアルミニウムは変質して溶融することはない。例えば、500℃の場合、数秒以内であれば、アルミニウムは変質しない。したがって、RTP(Rapid Thermal Process)も一つの手段となり得るが、現在のRTPで、例えば、650℃に加熱した場合、450℃以上に到達している時間が長いため、アルミニウムに変質が起きてしまう。このように現在では、高温を要する結晶化とアルミニウムが変質しない温度以下でのプロセスという狭間に挟まれて、解が見つからない状況である。
【0005】
また、現在トランジスタの高性能化を進める上でゲート絶縁膜が薄膜化されるに及んでゲート電極空乏化という問題が顕在化している。ゲート電極空乏層の存在により寄生容量が増大してしまうので非常に薄いゲート絶縁膜を形成したとしても実効的な酸化膜厚が厚くなってしまう。これを解決するためには、メタルゲート電極もしくは高誘電率ゲート絶縁膜を用いることが極めて有効である。しかし、メタルゲートや高誘電体膜が直面する問題点の一つにコンタクトプロセスの低温化がある。通常、Si基板の表面上には自然酸化膜が存在しているため、それが障壁層となって金属とのコンタクトをとるのが難しい。近年、半導体装置のコンタクト部の形成方法は、層間絶縁膜にパターニングされ開口されたコンタクト孔に電極あるいは電極の下地層として金属導電性の膜を堆積させ、その後赤外加熱炉で550℃1時間以上の熱処理が行われてきた。この熱処理の目的は、電極と半導体基板界面の自然酸化膜を還元して低抵抗オーミックコンタクトの形成を行うことである。
【0006】
しかし、従来の熱処理条件はサーマルバジェットが大きく、抵抗率の低い金属であるAlは融点が低いために、また高誘電体材料であるTa2 5 は結晶化に伴いゲートリーク電流が増大するために、各々ゲート電極やゲート絶縁膜として用いるには十分ではない。また、素子特性の更なる高性能化への実現のためには低誘電率材料を層間絶縁膜に用いる必要があるが、従来の熱工程では密度の低下に伴い力学的強度が減少したり吸湿性が増加したりするため、トランジスタへの適用が困難になる。但しコンタクト部形成の熱処理温度を500℃以下にまで低温化するとコンタクト抵抗及び半導体基板面内でのバラツキが共に増大することが判明している。これは、500℃以下の熱処理ではシリコン基板表面上の自然酸化膜を十分に還元することができないるためである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、現在トランジスタの高性能化を進める上でゲート絶縁膜が薄膜化されるに及んでゲート電極空乏化という問題が顕在化している。そして、前述の低サーマルバジェットでコンタクト部を形成するという問題があった。さらに多層配線上に強誘電体キャパシタを形成する方法は、多層配線のダメージを避けることが出来るが、上述のようにアルミニウムが変質しない温度で強誘電体を結晶化しなければならないという制約がある。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、400℃程度の低温で良質な強誘電体膜を形成すること、低温でコンタクト性の高いコンタクト部を形成すること、低温で急速にシリサイド形成を行うことなどを実施するための熱処理方法及びこの熱処理方法を利用した半導体装置の製造方法を提供する。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料を加熱処理する際に、加熱時間の異なる2つの加熱源、例えば、少なくとも2種類以上のランプを備え、まず、第1のランプを点灯して試料を加熱し、一定の温度に達したところで第2のランプを点灯し、試料の温度をさらに上昇させ所望の温度に到達せしめることを特徴としている。
従来のRTPの場合、所望の温度まで一種類のランプで加熱する。例えば、熱処理温度を700℃とすると、700℃まで1種類のランプで加熱する。標準的なRTPの性能である50℃/秒で昇温したとすると、700℃に到達するまでに14秒、処理時間をゼロとして直ちに降温するとしても降温に20秒以上を要するため、トータルの熱処理時間は30秒を越える。試料が半導体基板であり、この上にアルミニウム配線が形成され、その上に層間絶縁膜を介して形成された強誘電体膜を結晶化により熱処理する場合において、アルミニウムにとって危険温度である450℃以上に加熱される時間は、10秒以上に及ぶことになり、アルミニウム配線の溶解に至ることになる。アルミニウムは、450℃で加熱を続けても1時間は変質しない。500℃では10〜15秒程度は、加熱を続けることができる。550℃では5〜6秒程度は、加熱を続けることができる。
【0009】
さらに、600℃では、大体1〜2秒で変質する。アルミニウムは、660℃で溶融する。しかし、溶融温度より低い温度でも加熱時間を上記のような範囲を越えると、変質する。このような変質とはアルミニウム配線におけるアルミニウム粒が成長してヒロックが生じる状態をいう。
第1のランプを用いて予備加熱を行うことが必要な理由は、以下の通りである。すなわち、第2のランプで加える熱エネルギーには、ある程度の制限が加わる。照射時間の非常に短いフラッシュランプだけで試料表面を加熱しようとすると、場合よっては、大きな熱エネルギーが必要になることがある。そのような場合、狙いどおり強誘電体を結晶化できたとしても、印加されたエネルギーが下層に伝導し、そして、トータルのエネルギー量が多いためにアルミニウムの温度が上昇するという問題が起こる。第2のランプで投入される熱エネルギーは、強誘電体だけが加熱され、且つ結晶化に必要な程度に加熱されるように調整されなければならない。そのために、ある程度まで予備加熱しておくことが意味を持つのである。
【0010】
図10は、ランプエネルギーと強誘電体膜の熱処理による温度の照射されるランプのエネルギー依存性を示す特性図である。図に示すように、強誘電体膜は、所定の温度になると結晶化が始まり、さらに高い温度Tになると分解する。そしてそれぞれに対応した必要エネルギーが図に示したエネルギー曲線から求まる。結晶化に必要なエネルギーは、エネルギー幅dの間にある。図11は、本発明を実施するに際して結晶化温度と熱処理時間との関係を示す特性図である。本発明では、第1のランプで強誘電体膜を所定の温度(T1又はT2)に予備加熱しておき、次に、短時間で昇温させることができる第2のランプで、例えば、1000分の1秒程度の短時間のうちに結晶化温度(Tc)にまで温度を上げる。第2のランプが与えるエネルギー量は、予備加熱の温度に依存している。第2のランプのエネルギー量を少なく(例えば、E2)したいときは、予備加熱温度を高く(例えば、T2)し、予備加熱時間を短くする(例えば、t2)と良い。フラッシュランプを第2のランプとして用いた場合において、エネルギー量を27ジュール(J)/cm2 以下に設定すれば、強誘電体膜の下層に形成されたアルミニウム配線が溶融し破損しない。例えば、PZT強誘電体膜を結晶化する場合において、予備加熱温度を400℃に設定すると、フラッシュランプのエネルギーは、10J/cm2 以上で結晶化する。
【0011】
予備加熱を550℃に設定すると、フラッシュランプのエネルギーが7〜8J/cm2 で結晶化する。このように予備加熱温度が高い場合は、第1ランプの予備加熱温度を1秒以下にすることができる。
ランプを用いず、試料台中にヒーターを埋め込み、このヒーターを用いて予備加熱を行うことも可能である。しかし、この場合、加熱されたヒーター上に試料を載置する関係上、本来の結晶化が起こる時間を挟んで前後の予備加熱時間は、数10秒に及ぶことになる。予備加熱温度がアルミニウムにとって問題のない温度であれば、この方法も可能である。しかし、第2のランプで印加する熱エネルギーの大きさによっては、500℃程度の予備加熱しなければならないことも起こりうる。その場合、アルミニウムの変質を考えると、予備加熱時間を秒単位に短縮しなければならない。そのために予備加熱をランプで行うことが必要となるのである。ランプで予備加熱を行う方法が様々なケースに対応できるという幅広い応用性を持つのである。
【0012】
また、本発明は、コンタクトプロセスのサーマルバジェットの低減化を目的に、発光波長分布と照射時間が異なる第1の加熱源と第2の加熱源とを組み合わせることを特徴としている。配線や電極と半導体基板や導電体膜とのコンタクト部を高速反応させることによりコンタクト抵抗の低抵抗化が実現される。
また、発光波長分布及び照射時間が異なる第1の加熱源と第2の加熱源を組み合わせてシリサイド形成を行うことを特徴としている。低温かつ急速にシリサイド形成を行うことができるため、耐熱性の低いメタルゲートや高誘電率ゲート絶縁膜、低誘電率層間絶縁膜などの新材料をトランジスタに適用できることが容易になり、素子特性の高性能化が実現できる。
【0015】
本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に前記半導体基板上に形成された第1の金属を有する第1のシリサイド膜を露出させるコンタクト孔を形成する工程と、前記コンタクト孔から露出している前記第1のシリサイド膜に接続する第2の金属を堆積させてコンタクト部を形成する工程と、前記半導体基板を熱処理することにより第2の金属を有する第2のシリサイド膜を前記第1の金属を有する第1のシリサイド膜上に形成して前記コンタクト部のコンタクト性を向上させる工程とを備え、前記半導体基板を熱処理する工程において、発光波長分布及び照射時間の異なる2つの加熱源を用い、第1の加熱源であるハロゲンランプを照射し、この照射中に第2の加熱源であるフラッシュランプを前記第1の加熱源の照射時間よりも短い時間照射することを特徴としている。前記フラッシュランプの消灯後に前記ハロゲンランプを消灯するようにしても良い。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図9に示す概略断面図を参照して本発明の熱処理装置を説明する。
この熱処理装置は、アルミニウムからなる試料チャンバー1を有し、この試料チャンバー1内部には、試料を載置する試料台2、ガスを導入するガス導入口3、排気する排気口4、光を導入するための上部の石英窓5、試料を予備加熱するための棒状のランプ(第1のランプ)6、フラッシュランプ(第2のランプ)7を備えている。棒状ランプ6は、3kWのタングステンハロゲンランプで16本、試料8の下に設置され、試料8を下から加熱する。一方、フラッシュランプ7は、同様に棒状のランプであり、15本が試料8の上に設置され、試料8を上から加熱する。両ランプは、いずれもそれぞれ専用の電源9、10に接続されている。ランプ点灯のタイミング、点灯時間及びフラッシュランプの点灯回数は、マイコンによって制御されるように構成されている。
前記2種類のランプは、棒状のランプであることが本質的ではなく、ランプの分野でシングルエンドと呼ばれる一方向に外部端子が2つ設けられたタイプのランプでも同様の効果を期待することができる。
【0017】
次に、図1及び図2を参照して第1の実施例を説明する。
図1は、半導体基板と配線とのコンタクト部の形成方法を説明する製造工程断面図である。まず、図1(a)に図示するように、単結晶シリコン基板41にCVD(Chemical Vapor Deposition) 法で200nmのSiO2 膜42を堆積させる。次に、図1(b)に図示するように、SiO2 膜42をパターニングして、0.3μm×0.3μmのコンタクト孔43を開口する。次に、SiO2 膜42をマスクとしてシリコン半導体基板41にボロン(B)を加速エネルギー10keV、ドーズ5×1015cm-2でイオン注入する。これにより、図1(c)に図示するように、イオン注入層44が形成される。ここで、シリコン半導体基板41の表面には、p型層形成不純物に限らず、P、As等のイオン注入によるn型導電層が形成されても良い。この後、赤外ランプ加熱炉(RTA)の窒素雰囲気中で1000℃10秒の熱処理を行う。これにより、図1(d)に示すように、イオン注入層44の結晶回復が行われると共に不純物の活性化が行われて、イオン注入層44は、ソース/ドレイン領域などに用いられるp型不純物拡散領域47になる。次に、この不純物拡散領域47上も含めてシリコン半導体基板41上に膜厚30nm以下の金属膜45を堆積させる。金属膜45としてはシリコン半導体基板上の自然酸化膜を還元できる金属、例えば、Tiが望ましい。
【0018】
これに適した金属として、他にはIIIa、IVa 、Va族の高融点金属が挙げられる。この後、シリコン半導体基板1を窒素雰囲気中で赤外加熱炉内で400℃に加熱し、加熱中にエネルギー密度10J/cm-2、パルス幅1msecを有するXeフラッシュランプを1パルス照射させる。これにより、金属膜5と下地シリコン半導体基板41とのオーミックコンタクトが形成された。次に、図1(e)に図示するように、抵抗率の低い金属膜46、例えば、Alを膜厚400nm程度堆積させてから、コンタクト孔43に合わせてパターニングして電極48を形成する。
なお、本発明における半導体装置のコンタクト部形成における赤外加熱炉の熱処理条件は、500℃以上の温度で長時間処理されることのないように設定される。
上述の方法によって形成したこの実施例のサンプルS1において、Al電極と不純物拡散層間のコンタクト抵抗を実測したところ、1.3×10-7Ωcm2 であった。
【0019】
実施例におけるコンタクト抵抗の低減効果を調べるために、フラッシュランプの照射を行わずに、400℃の基板加熱のみを行い、図1(e)と同じ構造のサンプルS2を比較例として形成する。比較例のサンプルS2のコンタクト抵抗を実測したところ、5.3×10-4Ωcm2 であった。
さらに、従来の赤外加熱炉のみの熱処理条件550℃、90分で作製された図1(e)と同じ構造のサンプルS3のコンタクト抵抗を実測したところ、2.5×10-7Ωcm2 であった。
上述の結果から、実施例のサンプルS1では、比較例サンプルS2に比べてコンタクト抵抗が著しく低下しており、従来例のサンプルS3と比べても低下していることが分かる。
【0020】
次に、実施例のサンプルS1、比較例のサンプルS2及び従来例のサンプルS3において、金属配線とシリコン半導体基板とのコンタクト部の元素の拡散挙動及び反応形態の様子をオージェ分光分析により調べる。その結果を図2に示す。図2は、本発明、比較例び従来の半導体装置のコンタクト部の反応形態においてフラッシュランプの効果を説明する組成図であり、縦軸が元素の組成比(atom%)、横軸がArイオンスパッタリング時間(分)を表わしている。即ち、横軸は深さ方向に対応している。図2(a)が実施例サンプルS1、図2(b)が比較例サンプルS2、図2(c)が従来例サンプルS3である。ここでは、さらにコンタクト抵抗を下げる方法としてシリコン半導体基板表面上に導電体膜CoSi2 層を設けており、金属膜TiとCoSi2 層との反応形態の様子が示されている。
【0021】
図2に示されるように、比較例のサンプルS2では、Ti/CoSi2 界面に酸素が検出されており、CoSi2 上に絶縁体の自然酸化膜(SiO2 、CoO)が存在していることが分かる。一方、実施例サンプルS1及び従来例サンプルS3では、CoSi2 上に自然酸化膜は検出されず、金属膜Tiにより還元されていることが分かる。さらには、Tiと下地シリコン半導体基板との相互拡散が生じており、Tiシリサイド層を形成していることが判明した。ちなみに、比較例サンプルS2では、熱処理時間を90分以上続けても、Tiシリサイド層の形成を確認することはできなかった。
以上の結果から、シリコン半導体基板表面上に存在する自然酸化膜の還元反応と金属膜によるシリサイド層の形成が、低抵抗コンタクト形成の鍵を握ると考えられる。低温熱処理ではシリコン半導体基板表面の自然酸化膜を金属膜であるTiが還元しきれずに、Tiシリサイド層の形成が抑制されていたためコンタクト抵抗を下げることができなかったと考えられる。この実施例におけるXeフラッシュランプの効果は、熱以外に光エネルギーをも利用することにより、赤外加熱炉では到達することのできないエネルギーを極短時間で得ることができたため、金属膜と下地シリコン半導体基板との高速反応が可能となり、低サーマルバジェットでコンタクト抵抗の低減化が実現できたものである。
【0022】
本発明は、上記実施例に限られるものではない。半導体装置のコンタクト部を形成するための2つの加熱源は、発光波長が赤外領域にある加熱源とそれよりも短波長側で発光波長の少なくとも一部が紫外領域にあれば良く、例えば、Ar、N2 、エキシマ等のレーザや水素ランプを適用することも可能である。
【0023】
次に、図3乃至図5を参照して第2の実施例を説明する。
図3は、比較例サンプルS4のコンタクト部の反応形態においてフラッシュランプの効果を説明する組成図であり、縦軸が元素の組成比(atom%)、横軸がArイオンスパッタリング時間(分)を表わしている。即ち横軸は深さ方向に対応している。前述の第1の実施例にしたがって半導体装置を製造する。但し、この実施例における金属配線とシリコン半導体基板とのコンタクト部を形成するための熱処理条件は、基板温度を100〜480℃、Xeフラッシュランプの照射エネルギー密度を5〜25J/cm2 の範囲内に設定する。
即ち、この実施例では、第1の加熱源による基板温度は高融点金属膜、ここではTi層が熱処理中の雰囲気からの影響を受けずに素子特性としての劣化を誘発しない温度を条件とし、第2の加熱源では光源本体の低負荷内でコンタクト部の反応が促進できる照射エネルギーに設定している。実施例におけるコンタクト部の反応効果を調べるために、基板温度を500℃に設定し、Xeフラッシュランプの照射エネルギー密度を10J/cm2 に設定したサンプルS4を比較例として作製する。
【0024】
比較例のサンプルS4のAl電極と不純物拡散層間のコンタクト抵抗を実測したところ7.2×10-3Ωcm2 であった。
上述の結果から、比較例サンプルS4は、第1の実施例のサンプルS1と比べてコンタクト抵抗が却って増大してしまうことが分かった。
図3(a)は、比較例のサンプルS4について、オージェ分光分析からコンタクト部の反応形態の様子を調べた結果を示している。
比較例サンプルS4ではTi層に相当量の酸素が取り込まれており、最表面に約15nm程度のTi酸化膜が存在しているばかりか、Tiシリサイド層の膜厚も減少してしまっていることが分かる。このことは、基板温度が高くなるほど雰囲気の影響を受け易くなり、基板表面側から侵入してくる酸素量が増加することによりTiシリサイド層の成長率が制限されてしまうことを示唆している。すなわち、比較例サンプルS4では、金属膜Tiが酸化されて絶縁体となってしまったことと、Tiシリサイドの成長が抑制されてしまったこととで、コンタクト抵抗が増大したものと考察される。
【0025】
そこで、シリコン半導体基板の基板温度を室温にした状態で、Xeフラッシュランプ(照射エネルギー:10J/cm2 )のみで、図1(e)に図示する構造のサンプルS5を作製する。この時のサンプルS5のコンタクト抵抗は、3.1×10-5Ωcm2 であり、実施例サンプルと比べると著しく高いものであった。図3(b)にはサンプルS5について、オージェ分光分析からコンタクト部の反応形態の様子を調べた結果を示している。
以上の結果から、Ti層の酸化反応を阻止するために、第1の加熱源による基板温度を低く設定し過ぎても、第2の加熱源であるXeフラッシュランプのみでは、低抵抗コンタクトの形成は困難であることが分かる。Xeフラッシュランプ照射のみで金属シリサイド層を形成するには、30J/cm2 以上の照射エネルギー密度が必要になってくると予想されるが、照射エネルギー密度が大きくなるほど、金属シリサイドの生成量を制御することが困難となり、またフラッシュランプ負荷の面から考えても実用的とはいえない。
【0026】
図4は、低サーマルバジェットでコンタクト部にTiシリサイド層を形成し、低抵抗オーミックコンタクトを形成するために必要な第1の加熱源による基板温度と、第2の加熱源によるXeフラッシュランプ(パルス幅1msec時)の照射エネルギー密度との関係を示すものである。図中、斜線で示された領域は、Xeフラッシュランプの寿命を考慮した範囲内で5×10-7Ωcm2 以下の低抵抗コンタクトを形成することができる条件を示している。480℃付近までは基板温度を増加させるほど、低エネルギー密度のフラッシュ照射で、5×10-7Ωcm2 以下の低抵抗コンタクトが得られることが分かる。
図5は、Xeフラッシュランプを10回照射させた場合を図示したものである。照射回数を増加させると5×10-7Ωcm2 以下の低抵抗コンタクトの得られる条件が低温、低照射エネルギー側へ広がることが分かる。
以上から、金属配線とシリコン半導体基板とのコンタクト部を形成するための熱処理条件は、基板温度を100〜480℃、Xeフラッシュランプの照射エネルギー密度を5〜25J/cm2 の範囲内に設定するのが適当である。
【0027】
次に、図6を参照して第3の実施例について説明する。
この実施例では、第1の実施例にしたがって半導体装置を製造する。ただし、この実施例における金属配線とシリコン半導体基板とのコンタクト部を形成するための電極下地層として、5〜20%のSiが添加された金属導電性膜を堆積させる。Ti−10%Siの金属導電性膜をコンタクト底に堆積させ、その後、シリコン半導体基板の基板温度400℃でXeフラッシュランプをエネルギー密度10J/cm2 で1パルス照射させて、図1(e)に図示する構造のサンプルS6を作製する。
即ち、本発明による特徴は、高融点金属膜をコンタクト底に堆積する前に、コンタクト界面で金属シリサイド層を形成するためのSiを予め高融点金属膜内に含有させておくことにより熱工程に伴う下地基板であるシリコン半導体基板のシリコン表面側への前方拡散量を抑制し、シリサイデーション反応を抑制することで接合リーク電流の低減化を図ることにある。
【0028】
この実施例におけるサンプルS6の接合リーク電流の低減効果を調べるために、コンタクトプロセスの熱工程は実施例のサンプルS6と同じであるが、Si未添加の金属膜Tiを電極下地層としたサンプルS1を用いて、比較実験を行う。実施例のサンプルS6において、逆方向バイアス電圧5V印加時の接合リーク電流を実測したところ3.5×10-9A/cm2 であった。また、Al電極と不純物拡散層間のコンタクト抵抗は、3.6×10-7Ωcm2 であった。一方、比較例のサンプルS1(第1の実施例では実施例サンプル)において、接合リーク電流を実測したところ、5.1×10-7A/cm2 (コンタクト抵抗:1.3×10-7Ωcm2 )であった。さらに、第2の加熱源を使わずに第1の加熱源のみで550℃、90分の熱処理を行った従来例サンプルS3の接合リーク電流は2.6×10-9A/cm2 (コンタクト抵抗:2.5×10-7Ωcm2 )であった。これより、実施例サンプルS6の接合リーク電流は、従来例サンプルS3と同レベルのリーク電流が得られており、また比較例のサンプルS1と比べた場合にはコンタクト抵抗の上昇は見られるものの接合リーク電流は2桁近くも低くなり、極めて効果的に改善できることが分かる。
【0029】
第2の加熱源を組み合わせるコンタクト部の形成方法は、金属シリサイド層を厚く形成できることでコンタクト抵抗の低減化には著しい効果が見られたものの、その反面、下地シリコン半導体基板の金属膜側への前方拡散量が多く、シリコン半導体基板内に空孔ができてしまい、その空孔が逆バイアス印加時に空乏層中に含まれてしまうために接合リーク電流の増大を招いていたと考えられる。そこで、金属膜堆積前にSiを予め添加させておくことで、熱処理に伴う下地シリコン半導体基板からのSiの拡散量を抑制し、シリサイデーション反応を制御しつつ金属シリサイド層を形成することができたために接合リーク電流の改善に至ったと考察される。
図6は、基板温度400℃でXeフラッシュランプを照射エネルギー密度10J/cm2 で1パルス照射した時のTi中に添加されるSiの量に対するコンタクト抵抗と接合リーク電流(5V印加時)の関係を示す特性図である。Siの添加量が増えるほどコンタクト抵抗は上昇するが、接合リーク電流が小さくなることが分かる。コンタクト抵抗と接合リーク電流の両面からスペックを満たすことのできるSi添加量の範囲は、5〜20%であることが示されている。
【0030】
以上、金属配線とシリコン半導体基板との良好なコンタクト特性を有するコンタクト部を形成するための電極下地層としての金属導電性膜に5〜20%のSiを添加することが有効であることが分かる。
次に、図7及び図8を参照して第4の実施例を説明する。
この実施例ではロジック素子の不純物拡散領域と接続プラグとのコンタクト部の製造に本発明を適用する。p型シリコン半導体基板51の素子分離領域(STI)53に囲まれた素子領域にMOSトランジスタが形成されている。MOSトランジスタは、ソース/ドレイン領域を構成するn型不純物拡散領域57と、この不純物拡散領域57間の上に形成されたシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜54と、ゲート絶縁膜54上に形成されたポリシリコンなどからなり、側壁絶縁膜により保護されたゲート電極50が形成されている。ゲート電極50、不純物拡散領域57の表面にはコバルトシリサイド(CoSi2 )層55が形成され低抵抗化されている。半導体基板51の表面にはプラズマCVDにより形成されたシリコン窒化膜56が形成されている。シリコン窒化膜56の上にはBPSG膜及びその上のTEOS膜からなる層間絶縁膜52が形成されている。
【0031】
層間絶縁膜52の表面は、平坦化され、TiN/Tiバリアメタル層とこのバリアメタル層に挟まれたAl−Cu金属膜から構成された金属配線59が形成されている。この金属配線59とMOSトランジスタのゲート電極50及び不純物拡散領域57は、層間絶縁膜52に形成されたコンタクト孔に埋め込まれた接続プラグ58により電気的に接続されている。接続プラグ58は、コンタクト孔の内壁に形成されたTiN/Tiバリアメタル層とこのバリアメタル層に包まれたタングステン(W)から構成されている。
この接続プラグ58は、シリサイド層55に接続される。図7に示すA領域にそのコンタクト部が示される。シリサイド層は、ゲート電極50のポリシリコン上及び不純物拡散領域57上にコバルト膜をスパッタリング等により堆積させ、加熱処理してシリサイド化することにより形成される。しかし、A領域に示すコンタクト構造は、SiO2 及びCoO層が形成されているので、高抵抗になっている(図8(a))。そこで、通常は、接続プラグのバリアメタル層を形成してから550℃、90分の条件でアニールしてSiO2 及びCoO層を消失させ、低抵抗化させている(図8(b))。この実施例ではこのような条件でアニールを行わず、半導体基板を赤外線加熱により400℃で加熱し、加熱中にエネルギー密度10J/cm2 、パルス幅1msecを有するXeフラッシュランプを1照射させる。これにより、400℃の低温でありながら、従来と同じ、図8(b)に示すA領域の構造が得られる。
【0032】
次に、図12乃至図14を参照して第5の実施例を説明する。
図12は、1トランジスタ・1キャパシタ構成の強誘電体メモリセルの等価回路を示しており、これは、DRAMセルの等価回路と同じ回路接続を有する。図13は、FRAMが形成された半導体基板の断面図である。従来のFRAMが形成された半導体基板は、トランジスタの上に強誘電体キャパシタ、その上に多層配線が形成された構造であるが、この実施例では、加熱処理する試料としてトランジスタの上に多層配線が形成され、多層配線の上に強誘電体キャパシタが形成された構造の半導体基板を用いる。図14は、本発明が適用されるFRAM構造の半導体装置の製造工程を説明するフローチャートである。まず、ウェーハにメモリなどに用いられるMOSトランジスタを形成し(1)、次に、層間絶縁膜を介してアルミニウムもしくはアルミニウムを主成分とする金属配線を多層構造に形成する(2)。その後、層間絶縁膜を介して強誘電体膜を有するキャパシタを形成する(3)。この半導体装置は、図16に示すFRAM構造のものに比較してキャパシタの位置が上下入れ代わっていることに特徴がある。
【0033】
Cはペロブスカイト構造を有する強誘電体を電極間絶縁膜に用いた情報記録用のキャパシタ、Qはこのキャパシタに直列に接続されている電荷転送用MOSトランジスタ、WLはこのMOSトランジスタのゲートに接続されているワード線、BLはMOSトランジスタのソース/ドレイン領域の一方に接続されているビット線PLは、上記キャパシタの一端(プレート)に接続されているプレート線、VPLはプレート線電圧である。
図13は、強誘電体特性のある強誘電体膜を有するキャパシタを具備したFRAMの断面図である。p型シリコン半導体などからなる半導体基板20にはLOCOS法によるSiO2 から構成された素子分離領域が形成されている。半導体基板20の表面領域にはソース/ドレイン領域として用いられるn型不純物拡散領域21が形成されている。ソース/ドレイン領域間の上にはゲート酸化膜(SiO2 )22を介してゲート電極23が形成されている。ワード線(WL)に繋がるゲート電極23は、ポリシリコン膜とポリシリコン膜上のタングステンシリサイド膜などからなり、上面はシリコン窒化膜により保護されている。半導体基板20は、ゲート電極23を覆うように減圧CVD法により形成された層間絶縁膜として用いられるBPSG(Born Phospharus Silicate Glass)膜からなる第1の絶縁膜241により被覆されている。第1の絶縁膜241は、CMP(Chemical Mechanical Polishing) などにより研磨されて平坦化される。
【0034】
第1の層間絶縁膜241にはバリアメタル層を介在させたアルミニウムなどの金属配線251が埋め込み形成されている。第1の層間絶縁膜241上には、それぞれ第2乃至第4の金属配線252〜254が埋め込み形成されたシリコン酸化膜などからなる第2乃至第4の層間絶縁膜242〜244が形成され、第4の層間絶縁膜244上には第5の層間絶縁膜245が堆積されている。
第5の層間絶縁膜245の上には、強誘電体キャパシタCが形成されている。キャパシタCは、層間絶縁膜245に接触し、下部電極301、強誘電体特性を有するPZTなどの強誘電体膜302及びプレート線(PL)に繋がる上部電極303が順次堆積された積層体から構成されている。第1乃至第5の層間絶縁膜241〜245にはコンタクト孔が形成され、そこにタングステンなどの接続プラグ27が埋め込み形成され、接続プラグ27は、下部電極301とMOSトランジスタQのソース/ドレイン領域の一方とを電気的に接続している。ソース/ドレイン領域の他方は、ビット線(BL)(図示しない)に繋がっている。
【0035】
下部電極301は、層間絶縁膜245に接触するTi膜及びTi膜の上に形成されたPt膜から構成されている。上部電極303は、Pt膜から構成されている。キャパシタCを被覆するように層間絶縁膜245上に絶縁膜28が形成されている絶縁膜28は、TEOS膜(SiO2 膜)などからなる。絶縁膜28は、CMPなどにより平坦化される。絶縁膜28にはエッチングによりコンタクト孔及び配線溝が形成され、そこにアルミニウムなどの金属配線(PL)29が埋め込み形成される。
以上、説明したFRAMにおいてキャパシタ強誘電体膜は、本発明の結晶化方法を適用して形成される。すなわち、PZTやSROPなどの強誘電体膜をアモルファス状態で成膜させ、その後に熱処理により結晶化してキャパシタ誘電体として用いる膜が形成される。
【0036】
次に、図15を参照して第6の実施例を説明する。
図15は、強誘電体膜を誘電体とするキャパシタが形成された半導体基板の断面図である。p型(100)シリコン半導体基板31を加熱炉に入れ酸素雰囲気中で850℃に加熱し、膜厚100nmの熱酸化膜32を形成する。この上に、アルゴンガスを用いるスパッタリングによってアルミニウム(Al)膜33を膜厚400nm程度堆積する。この上に、SiH4 とN2 Oガスを用いるプラズマCVD法によりシリコン酸化膜34を膜厚500nm程度堆積する。この半導体基板31上に、さらに、スパッタリングによって金属チタン(Ti)膜35と白金(Pt)36を、それぞれ30nmと100nmの膜厚で堆積する。次に、再びスパッタリング装置を用いて、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrx Ti1-x 3 、以下、PZTという)膜37を膜厚150nm程度堆積する。このときのスパッタリングに用いたガスは、アルゴンガスで、スパッタリング中の基板温度は、室温とする。
【0037】
この半導体基板31を図9に示す加熱処理装置に入れ、酸素を導入しながら、結晶化を行う。この工程は、まず、半導体基板31を予備加熱するために下からのタングステンハロゲンランプ(第1のランプ)6に3kWを投入し、1秒間に80℃の速度で昇温した。昇温開始から5秒後400℃の到達した時点でフラッシュランプ(第2のランプ)7を1回だけ点灯し、その直後にタングステンハロゲンランプ6を消灯した。フラッシュランプ7の点灯時間は、1.3msecであり、そのエネルギーは、12J/cm2 である。
このように本発明を実施した半導体基板をX線回析で分析したところ、フラッシュランプ6を照射しなかった試料(半導体基板)ではPZTが結晶化していなかったのに対し、フラッシュランプを照射した試料ではペロブスカイト相に結晶化していることが確認された。同時に下地のアルミニウム膜33の状態を顕微鏡と走査型電子顕微鏡で調べたが、全く変化が認められず、アルミニウム膜33を変化させることなくPZT膜37を結晶化させることが可能であることが明らかになった。タングステンハロゲンランプ7による予備加熱温度を400℃に固定し、PZT膜の結晶化に要するフラッシュランプ8の出力を調べたところ、10J/cm2 以上では結晶化が起こることが判明した。
【0038】
また、逆に予備加熱温度をパラメーターとしてアルミニウム膜33を変化させることなくPZT膜37を結晶化させることが出来る範囲を調べると、予備加熱時間を1秒以内にすれば550℃程度まで加熱してもアルミニウム膜33に変化が起こらないことが確認できた。
この半導体基板31上に再びPt膜38をアルゴンガスを用いるスパッタリングにより形成した。膜厚は、150nmとした。この試料の分極特性を測定したところ、残留分極値が30μC/cm2 あり、通常のRTAで結晶化したPZT膜に比較して何ら遜色がないことが明らかになった。
2種類のランプを同時に点灯すると、それだけ電力を消費する。消費電力の削減を目指して、例えば、タングステンハロゲンランプ6を点灯し、消灯した瞬間にフラッシュランプ7を点灯することも可能である。この場合、数10kWの電力を消費するタングステンハロゲンランプ6を消灯した後であるが、消灯直後のために半導体基板31の温度はまだ保たれている。したがって、ランプ点灯のための電極が一つで済み、同時に消費電力の削減を計ることが可能となる。
【0039】
強誘電体膜は、PZT膜に限らずSBT(SrBiTa2 9 ),BTO(BaTiO3 )など多くの材料が存在するが、本発明を実施することによりアルミニウム膜に変化を起こすことなく、これらの膜を結晶化させることが可能であることはいうまでもない。
本発明は、半導体基板上に形成された強誘電体膜の結晶化方法に限るものではなく、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3 、STOと略)、チタン酸ストロンチウム・バリウム(Bax Sr1-x TiO3 )の結晶化、Ta2 5 の結晶化などの下地に与える熱エネルギーを抑制しなければならないプロセスに幅広く応用することが可能である。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体装置のコンタクト部の製造を低温で且つ急速に制御性良く行うことができ、その結果メタルゲート電極や高誘電率ゲート絶縁膜、低誘電率層間絶縁膜に見られる耐熱性の低い新材料を半導体装置に容易に適用できるようになり素子特性の高性能化が実現可能になる。また、本願発明の方法により第1のシリサイド膜と第2のシリサイド膜との間に存在するSiO 2 やCoOを有効に消失させることが出来るのでコンタクト部の低抵抗化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置におけるコンタクト部の製造工程を示す断面図。
【図2】本発明及び比較例のサンプルにおけるコンタクト部の反応形態においてフラッシュランプの効果を示す組成図。
【図3】本発明及び比較例のサンプルにおけるコンタクト部の反応形態において基板温度の効果を示す組成図。
【図4】フラッシュランプを1回照射した時の低抵抗コンタクトを形成するために必要な基板温度とフラッシュランプの照射エネルギー密度との関係を示す特性図。
【図5】フラッシュランプを10回照射した時の低抵抗コンタクトを形成するために必要な基板温度とフラッシュランプの照射エネルギー密度との関係を示す特性図。
【図6】下地金属膜に対するSiの添加量とコンタクト抵抗及び接合リーク電流との関係を示す特性図。
【図7】本発明のロジック素子が形成されたシリコン半導体基板の断面図。
【図8】図7のA領域の構造を示す断面図。
【図9】本発明の熱処理装置の概略断面図。
【図10】本発明を説明するランプエネルギーと強誘電体膜の熱処理による温度の照射されるランプのエネルギー依存性を示す特性図。
【図11】本発明を説明する結晶化温度と熱処理時間との関係を示す特性図。
【図12】1トランジスタ・1キャパシタ構成の強誘電体メモリセルの等価回路図。
【図13】本発明のFRAMが形成された半導体基板の断面図。
【図14】本発明に適用されるFRAM構造の半導体装置の製造工程図。
【図15】本発明の強誘電体膜を誘電体とするキャパシタが形成された半導体基板の断面図。
【図16】従来のFRAM素子の断面図。
【符号の説明】
1・・・試料チャンバー、 2・・・試料台、 3・・・ガス導入口、
4・・・排気口、 5・・・石英窓、
6・・・第1のランプ(タングステンハロゲンランプ)、
7・・・第2のランプ(フラッシュランプ)、
8・・・試料、 9、10・・・電源、 20、31・・・シリコン基板、
21、47、57・・・不純物拡散領域、 22・・・ゲート酸化膜、
23、50・・・ゲート電極、 27・・・接続プラグ、
28・・・絶縁膜、 29、251〜254・・・金属配線、
32・・・熱酸化膜、 33・・・アルミニウム膜、
34・・・シリコン酸化膜、 35・・・金属チタン膜、
36・・・白金膜、 37・・・チタン酸ジルコン酸鉛膜、
41、51・・・シリコン半導体基板、 42・・・SiO2 膜、
43・・・コンタクト孔、 44・・・イオン注入層、
45・・・金属膜、 46・・・抵抗率の低い金属膜、
48・・・電極、 52、241〜245・・・層間絶縁膜、
53・・・素子分離領域、 54・・・ゲート絶縁膜、
55・・・シリサイド層、 56・・・シリコン窒化膜、
58・・・接続プラグ、 59・・・金属配線、
101、301・・・下部電極、 102、302・・・強誘電体膜、
103、303・・・上部電極、 241〜245・・・層間絶縁膜。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor manufacturing apparatus and a semiconductor manufacturing process, and more particularly to a heat treatment apparatus and a heat treatment method for crystallizing a ferroelectric film or improving contact characteristics of a contact portion, and a method for manufacturing a semiconductor device. is there.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a ferroelectric memory (FerroelectricRAM) has attracted attention. This is because it has a response speed substantially equivalent to that of a DRAM and has a feature of non-volatility in which memory is not erased. The feature is attracting expectations as it can be used in system LSIs that are mixed with logic devices as well as general-purpose memories.
FIG. 16 shows a cross section of the ferroelectric memory element. As is apparent from the figure, transistors, ferroelectric capacitors, and wirings are formed in order from the bottom. In this ferroelectric memory element, the lower electrode 101 of the capacitor also serves as a plate line, and the upper electrode 103 is connected to the bit line with the ferroelectric film 102 interposed therebetween. As a matter of course, in the manufacturing process, a transistor is first formed, and then a ferroelectric capacitor is formed. Then, the connection hole is opened to form an Al—Cu wiring. Tungsten (W) is used for the connection wiring in the connection hole.
[0003]
One difficulty in manufacturing a ferroelectric memory is that the ferroelectric is susceptible to process damage. When dry etching or sputtering for forming a multilayer wiring is performed, it is affected by charged particles in the plasma. Further, since these processes are performed under reduced pressure, lead zirconate titanate PZT (Pb (Tix・ Zr1-x) OThree) And strontium bismuth tantalate SBT (Sr2BiTaO9) And the like, and oxygen is desorbed into the ferroelectric material, and the ferroelectricity is remarkably impaired.
As one contrivance for avoiding such process damage in the multilayer wiring forming process, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-317500 discloses a method of forming a multilayer wiring first and forming a ferroelectric capacitor thereon. Has been proposed. Since the multilayer wiring is formed first and the ferroelectric capacitor is formed thereon, it is natural that the ferroelectric is not subjected to process damage in the wiring forming process.
The problem with this process is that the crystallization temperature of PZT and SBT, which are ferroelectric materials, is higher than the temperature that the aluminum wiring can withstand (450 ° C.). The crystallization temperature of PZT is at least 550 ° C., while SBT requires at least 650 ° C. When heated to such a temperature, problems such as melting of aluminum and disconnection of wiring occur.
[0004]
In order to avoid such a problem, for example, a process of forming by CVD (Chemical Vapor Deposition) with a heat treatment temperature of about 450 ° C. has been studied, but a high-quality ferroelectric performance has not been realized at a low temperature. In order to obtain sufficient performance as a ferroelectric, it is necessary to crystallize it sufficiently at a high temperature.
If the heating time is very short, even if the temperature is high, the aluminum will not change in quality and melt. For example, in the case of 500 ° C., aluminum does not change within a few seconds. Therefore, RTP (Rapid Thermal Process) can be one means, but when it is heated to 650 ° C. with the current RTP, for example, since it takes a long time to reach 450 ° C. or more, the aluminum is altered. . Thus, at present, a solution cannot be found between crystallization requiring high temperature and a process at a temperature not exceeding the temperature at which aluminum does not change.
[0005]
In addition, the problem of depletion of the gate electrode is becoming apparent as the gate insulating film is made thinner in order to improve the performance of transistors at present. Since the parasitic capacitance increases due to the presence of the gate electrode depletion layer, an effective oxide film thickness increases even if a very thin gate insulating film is formed. In order to solve this, it is extremely effective to use a metal gate electrode or a high dielectric constant gate insulating film. However, one of the problems faced by metal gates and high dielectric films is the low temperature of the contact process. Usually, since a natural oxide film exists on the surface of the Si substrate, it is difficult to make a contact with the metal as a barrier layer. In recent years, a method for forming a contact portion of a semiconductor device is to deposit a metal conductive film as an electrode or an underlayer of the electrode in a contact hole patterned and opened in an interlayer insulating film, and then in an infrared heating furnace at 550 ° C. for 1 hour. The above heat treatment has been performed. The purpose of this heat treatment is to reduce the natural oxide film at the interface between the electrode and the semiconductor substrate to form a low resistance ohmic contact.
[0006]
However, conventional heat treatment conditions have a large thermal budget, and Al, which is a metal with low resistivity, has a low melting point.2OFiveSince the gate leakage current increases with crystallization, it is not sufficient for use as a gate electrode or a gate insulating film, respectively. In order to achieve higher performance of device characteristics, it is necessary to use a low dielectric constant material for the interlayer insulating film. However, in the conventional thermal process, the mechanical strength decreases or the moisture absorption decreases as the density decreases. Increase in the characteristics, making it difficult to apply to transistors. However, it has been found that when the heat treatment temperature for forming the contact portion is lowered to 500 ° C. or less, both the contact resistance and the variation in the semiconductor substrate surface increase. This is because the natural oxide film on the silicon substrate surface cannot be sufficiently reduced by the heat treatment at 500 ° C. or lower.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the problem of depletion of the gate electrode has become apparent as the gate insulating film is made thinner in order to improve the performance of transistors at present. And there was a problem that a contact part was formed with the above-mentioned low thermal budget. Further, the method of forming a ferroelectric capacitor on the multilayer wiring can avoid damage to the multilayer wiring, but there is a limitation that the ferroelectric must be crystallized at a temperature at which aluminum does not change as described above.
The present invention has been made under such circumstances, such as forming a high-quality ferroelectric film at a low temperature of about 400 ° C., forming a contact portion having a high contact property at a low temperature, and rapidly forming a silicide at a low temperature. A heat treatment method for performing formation and the like and a method for manufacturing a semiconductor device using the heat treatment method are provided.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention includes two heating sources having different heating times, for example, at least two kinds of lamps when the sample is heat-treated. First, the first lamp is turned on to heat the sample, and the constant temperature is set. The second lamp is turned on when the temperature reaches the point, and the temperature of the sample is further increased to reach a desired temperature.
In the case of conventional RTP, heating is performed with a single lamp to a desired temperature. For example, when the heat treatment temperature is 700 ° C., heating is performed up to 700 ° C. with one kind of lamp. Assuming that the temperature is raised at 50 ° C./second, which is the standard RTP performance, it takes 14 seconds to reach 700 ° C., and even if the temperature is lowered immediately after setting the processing time to zero, it takes more than 20 seconds to lower the temperature. The heat treatment time exceeds 30 seconds. When a sample is a semiconductor substrate, an aluminum wiring is formed thereon, and a ferroelectric film formed thereon via an interlayer insulating film is heat-treated by crystallization, 450 ° C. or more, which is a dangerous temperature for aluminum The time for heating to 10 seconds or more will lead to dissolution of the aluminum wiring. Aluminum does not deteriorate for 1 hour even if heating is continued at 450 ° C. At 500 ° C., heating can be continued for about 10 to 15 seconds. At 550 ° C., heating can be continued for about 5 to 6 seconds.
[0009]
Furthermore, at 600 ° C., the material changes in about 1 to 2 seconds. Aluminum melts at 660 ° C. However, even if the temperature is lower than the melting temperature, if the heating time exceeds the above-mentioned range, the quality is changed. Such alteration refers to a state in which aluminum grains in aluminum wiring grow and hillocks occur.
The reason why it is necessary to perform preheating using the first lamp is as follows. In other words, the heat energy applied by the second lamp is limited to some extent. If the sample surface is heated only with a flash lamp having a very short irradiation time, in some cases, a large amount of heat energy may be required. In such a case, even if the ferroelectric can be crystallized as intended, there is a problem that the applied energy is conducted to the lower layer and the temperature of aluminum rises due to the large amount of total energy. The thermal energy input by the second lamp must be adjusted so that only the ferroelectric is heated and heated to the extent necessary for crystallization. Therefore, preheating to a certain extent makes sense.
[0010]
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the lamp energy and the energy dependence of the irradiated lamp by the temperature by the heat treatment of the ferroelectric film. As shown in the figure, the ferroelectric film starts to crystallize at a predetermined temperature and decomposes at a higher temperature T. And the required energy corresponding to each is obtained from the energy curve shown in the figure. The energy required for crystallization is between the energy widths d. FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the crystallization temperature and the heat treatment time when carrying out the present invention. In the present invention, the ferroelectric film is preheated to a predetermined temperature (T1 or T2) with the first lamp, and then the second lamp that can be heated in a short time, for example, 1000 The temperature is raised to the crystallization temperature (Tc) in a short time of about 1 second. The amount of energy provided by the second lamp depends on the preheating temperature. When it is desired to reduce the energy amount of the second lamp (for example, E2), it is preferable to increase the preheating temperature (for example, T2) and shorten the preheating time (for example, t2). When a flash lamp is used as the second lamp, the amount of energy is 27 joules (J) / cm.2If set as follows, the aluminum wiring formed in the lower layer of the ferroelectric film is not melted and broken. For example, when the PZT ferroelectric film is crystallized, if the preheating temperature is set to 400 ° C., the energy of the flash lamp is 10 J / cm.2Crystallization is complete.
[0011]
When preheating is set to 550 ° C, the energy of the flash lamp is 7-8 J / cm.2Crystallize with. Thus, when the preheating temperature is high, the preheating temperature of the first lamp can be set to 1 second or less.
It is also possible to embed a heater in the sample stage without using a lamp and perform preheating using this heater. However, in this case, the preheating time before and after the original crystallization time is several tens of seconds due to the sample being placed on the heated heater. This method is also possible if the preheating temperature is a temperature that does not cause a problem for aluminum. However, depending on the amount of thermal energy applied by the second lamp, it may be necessary to perform preheating at about 500 ° C. In that case, considering the alteration of aluminum, the preheating time must be reduced to seconds. Therefore, it is necessary to perform preheating with a lamp. The method of preheating with a lamp has a wide range of applicability that it can handle various cases.
[0012]
  In addition, the present invention is characterized in that a first heating source and a second heating source having different emission wavelength distributions and irradiation times are combined for the purpose of reducing the thermal budget of the contact process. The contact resistance between the wiring or electrode and the semiconductor substrate or conductor film is reacted at high speed, thereby realizing a reduction in contact resistance.
  In addition, the silicide is formed by combining the first heating source and the second heating source having different emission wavelength distributions and irradiation times. Since silicide can be formed rapidly at low temperature, it becomes easy to apply new materials such as metal gates with low heat resistance, high dielectric constant gate insulating films, and low dielectric constant interlayer insulating films to transistors. High performance can be realized.
[0015]
  A method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes:Forming an insulating film on the semiconductor substrate, forming a contact hole in the insulating film to expose the first silicide film having the first metal formed on the semiconductor substrate; and exposing the insulating film from the contact hole. Depositing a second metal connected to the first silicide film to form a contact portion, and heat-treating the semiconductor substrate to form a second silicide film having the second metal. A step of improving the contact property of the contact portion by forming on the first silicide film having a metal, and in the step of heat-treating the semiconductor substrate, two heating sources having different emission wavelength distributions and irradiation times are provided. When a halogen lamp as a first heating source is used and a flash lamp as a second heating source is shorter than the irradiation time of the first heating source during the irradiation. And wherein the irradiationis doing.The halogen lamp is turned off after the flash lamp is turned off.You may do it.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the heat treatment apparatus of the present invention will be described with reference to a schematic sectional view shown in FIG.
This heat treatment apparatus has a sample chamber 1 made of aluminum. Inside the sample chamber 1, a sample stage 2 on which a sample is placed, a gas introduction port 3 for introducing gas, an exhaust port 4 for exhausting gas, and light are introduced. An upper quartz window 5 is provided, a rod-shaped lamp (first lamp) 6 and a flash lamp (second lamp) 7 are used for preheating the sample. Sixteen rod lamps 6 of 3 kW tungsten halogen lamps are installed under the sample 8 and heat the sample 8 from below. On the other hand, the flash lamps 7 are similarly rod-shaped lamps, and 15 lamps are installed on the sample 8 to heat the sample 8 from above. Both lamps are connected to dedicated power sources 9 and 10 respectively. The lamp lighting timing, lighting time, and flash lamp lighting frequency are configured to be controlled by a microcomputer.
It is not essential that the two types of lamps are rod-shaped lamps, and a similar effect can be expected even in a lamp type in which two external terminals are provided in one direction, which is called single-ended in the field of lamps. it can.
[0017]
Next, a first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a manufacturing process cross-sectional view illustrating a method for forming a contact portion between a semiconductor substrate and a wiring. First, as shown in FIG. 1A, a 200 nm SiO 2 film is formed on a single crystal silicon substrate 41 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.2A film 42 is deposited. Next, as illustrated in FIG.2The film 42 is patterned to open 0.3 μm × 0.3 μm contact holes 43. Next, SiO2Using the film 42 as a mask, boron (B) is accelerated to the silicon semiconductor substrate 41 with an acceleration energy of 10 keV and a dose of 5 × 10.15cm-2Ion implantation. As a result, an ion implantation layer 44 is formed as shown in FIG. Here, not only the p-type layer forming impurities but also an n-type conductive layer by ion implantation of P, As, etc. may be formed on the surface of the silicon semiconductor substrate 41. Thereafter, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 seconds in a nitrogen atmosphere of an infrared lamp heating furnace (RTA). As a result, as shown in FIG. 1D, the crystal implantation of the ion implantation layer 44 is performed and the impurity is activated, so that the ion implantation layer 44 has a p-type impurity used for the source / drain region and the like. A diffusion region 47 is formed. Next, a metal film 45 having a thickness of 30 nm or less is deposited on the silicon semiconductor substrate 41 including the impurity diffusion region 47. The metal film 45 is preferably a metal that can reduce the natural oxide film on the silicon semiconductor substrate, for example, Ti.
[0018]
Other suitable metals include IIIa, IVa and Va refractory metals. Thereafter, the silicon semiconductor substrate 1 is heated to 400 ° C. in an infrared heating furnace in a nitrogen atmosphere, and the energy density is 10 J / cm during the heating.-2The Xe flash lamp having a pulse width of 1 msec is irradiated with one pulse. Thereby, an ohmic contact between the metal film 5 and the underlying silicon semiconductor substrate 41 was formed. Next, as shown in FIG. 1E, a metal film 46 having a low resistivity, for example, Al, is deposited to a thickness of about 400 nm, and then patterned in accordance with the contact hole 43 to form an electrode 48.
Note that the heat treatment condition of the infrared heating furnace in the contact portion formation of the semiconductor device according to the present invention is set so as not to be treated for a long time at a temperature of 500 ° C. or higher.
In the sample S1 of this example formed by the above-described method, the contact resistance between the Al electrode and the impurity diffusion layer was measured and found to be 1.3 × 10.-7Ωcm2Met.
[0019]
In order to investigate the effect of reducing the contact resistance in the example, only the substrate heating at 400 ° C. is performed without performing the flash lamp irradiation, and a sample S2 having the same structure as that shown in FIG. When the contact resistance of the sample S2 of the comparative example was measured, it was 5.3 × 10.-FourΩcm2Met.
Further, when the contact resistance of the sample S3 having the same structure as that shown in FIG. 1 (e) manufactured at 550 ° C. for 90 minutes under the heat treatment condition of only the conventional infrared heating furnace was measured, it was 2.5 × 10.-7Ωcm2Met.
From the above results, it can be seen that the contact resistance of the sample S1 of the example is significantly lower than that of the comparative sample S2, and is lower than that of the sample S3 of the conventional example.
[0020]
Next, in the sample S1 of the example, the sample S2 of the comparative example, and the sample S3 of the conventional example, the element diffusion behavior and the state of reaction at the contact portion between the metal wiring and the silicon semiconductor substrate are examined by Auger spectroscopy. The result is shown in FIG. FIG. 2 is a composition diagram illustrating the effect of the flash lamp in the reaction mode of the contact portion of the present invention, comparative example, and conventional semiconductor device, where the vertical axis represents the elemental composition ratio (atom%), and the horizontal axis represents Ar ions. It represents the sputtering time (minutes). That is, the horizontal axis corresponds to the depth direction. 2A is an example sample S1, FIG. 2B is a comparative sample S2, and FIG. 2C is a conventional sample S3. Here, as a method for further reducing the contact resistance, the conductor film CoSi is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate.2Layer, the metal film Ti and CoSi2The mode of reaction with the layer is shown.
[0021]
As shown in FIG. 2, in the sample S2 of the comparative example, Ti / CoSi2Oxygen is detected at the interface and CoSi2Insulating natural oxide film (SiO2, CoO) is present. On the other hand, in the example sample S1 and the conventional example sample S3, CoSi2It can be seen that the natural oxide film is not detected and is reduced by the metal film Ti. Further, it was found that interdiffusion between Ti and the underlying silicon semiconductor substrate occurred, and a Ti silicide layer was formed. Incidentally, in the comparative sample S2, the formation of the Ti silicide layer could not be confirmed even when the heat treatment time was continued for 90 minutes or more.
From the above results, it is considered that the reduction reaction of the natural oxide film existing on the surface of the silicon semiconductor substrate and the formation of the silicide layer by the metal film hold the key to forming the low resistance contact. It is considered that the contact resistance could not be lowered because the low-temperature heat treatment could not reduce the native oxide film on the surface of the silicon semiconductor substrate because Ti as a metal film could not be reduced and the formation of the Ti silicide layer was suppressed. The effect of the Xe flash lamp in this example is that, by using light energy in addition to heat, energy that could not be reached in an infrared heating furnace could be obtained in a very short time. The high-speed reaction with the semiconductor substrate is possible, and the contact resistance can be reduced with a low thermal budget.
[0022]
The present invention is not limited to the above embodiments. The two heating sources for forming the contact portion of the semiconductor device need only have a heating source whose emission wavelength is in the infrared region and at least a part of the emission wavelength in the ultraviolet region on the shorter wavelength side, for example, Ar, N2It is also possible to apply a laser such as an excimer or a hydrogen lamp.
[0023]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a composition diagram for explaining the effect of the flash lamp in the reaction mode of the contact portion of Comparative Sample S4, where the vertical axis represents the elemental composition ratio (atom%) and the horizontal axis represents the Ar ion sputtering time (minutes). It represents. That is, the horizontal axis corresponds to the depth direction. A semiconductor device is manufactured according to the first embodiment described above. However, the heat treatment conditions for forming the contact portion between the metal wiring and the silicon semiconductor substrate in this embodiment are as follows: the substrate temperature is 100 to 480 ° C., and the irradiation energy density of the Xe flash lamp is 5 to 25 J / cm.2Set within the range.
That is, in this example, the substrate temperature by the first heating source is conditioned on the condition that the refractory metal film, here the Ti layer is not affected by the atmosphere during the heat treatment and does not induce deterioration as device characteristics, In the second heating source, the irradiation energy is set so that the reaction of the contact portion can be promoted within the low load of the light source body. In order to investigate the reaction effect of the contact portion in the example, the substrate temperature was set to 500 ° C., and the irradiation energy density of the Xe flash lamp was set to 10 J / cm.2A sample S4 set to be prepared as a comparative example.
[0024]
When the contact resistance between the Al electrode and the impurity diffusion layer of sample S4 of the comparative example was measured, it was 7.2 × 10.-3Ωcm2Met.
From the above results, it was found that the contact resistance of the comparative example sample S4 increased compared to the sample S1 of the first example.
FIG. 3A shows the result of examining the reaction state of the contact portion from Auger spectroscopic analysis for the sample S4 of the comparative example.
In the comparative sample S4, a considerable amount of oxygen is taken into the Ti layer, and not only the Ti oxide film of about 15 nm exists on the outermost surface, but also the thickness of the Ti silicide layer has decreased. I understand. This suggests that the higher the substrate temperature, the more easily affected by the atmosphere, and the increase in the amount of oxygen entering from the substrate surface side limits the growth rate of the Ti silicide layer. That is, in the comparative sample S4, it is considered that the contact resistance is increased because the metal film Ti is oxidized to become an insulator and the growth of Ti silicide is suppressed.
[0025]
Therefore, the Xe flash lamp (irradiation energy: 10 J / cm) with the substrate temperature of the silicon semiconductor substrate set to room temperature.2) Alone, a sample S5 having the structure shown in FIG. The contact resistance of sample S5 at this time is 3.1 × 10-FiveΩcm2It was significantly higher than the sample of the example. FIG. 3B shows the result of examining the reaction state of the contact portion of the sample S5 from Auger spectroscopic analysis.
From the above results, even if the substrate temperature by the first heating source is set too low in order to prevent the oxidation reaction of the Ti layer, the low resistance contact is formed only by the Xe flash lamp as the second heating source. Proves difficult. To form a metal silicide layer only by Xe flash lamp irradiation, 30 J / cm2The above irradiation energy density is expected to be required, but the higher the irradiation energy density, the more difficult it is to control the amount of metal silicide generated, and it is also practical from the viewpoint of the flash lamp load. I can't say that.
[0026]
FIG. 4 illustrates a substrate temperature by a first heating source and a Xe flash lamp (pulsed by a second heating source) necessary for forming a Ti silicide layer at a contact portion with a low thermal budget and forming a low-resistance ohmic contact. This shows the relationship with the irradiation energy density at the time of 1 msec in width. In the figure, the shaded area is 5 × 10 5 within the range considering the lifetime of the Xe flash lamp.-7Ωcm2The conditions under which the following low resistance contact can be formed are shown. As the substrate temperature is increased up to around 480 ° C., 5 × 10 5 is obtained with low energy density flash irradiation.-7Ωcm2It can be seen that the following low resistance contact is obtained.
FIG. 5 illustrates a case where the Xe flash lamp is irradiated 10 times. Increasing the number of irradiations will result in 5 × 10-7Ωcm2It can be seen that the conditions under which the following low-resistance contact is obtained spread to the low temperature and low irradiation energy side.
From the above, the heat treatment conditions for forming the contact portion between the metal wiring and the silicon semiconductor substrate are the substrate temperature of 100 to 480 ° C. and the irradiation energy density of the Xe flash lamp of 5 to 25 J / cm.2It is appropriate to set within the range.
[0027]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
In this embodiment, a semiconductor device is manufactured according to the first embodiment. However, a metal conductive film to which 5 to 20% Si is added is deposited as an electrode base layer for forming a contact portion between the metal wiring and the silicon semiconductor substrate in this embodiment. A metal conductive film of Ti-10% Si is deposited on the contact bottom, and then an Xe flash lamp is applied at an energy density of 10 J / cm at a substrate temperature of 400 ° C. of the silicon semiconductor substrate.2A sample S6 having the structure shown in FIG.
That is, according to the present invention, before depositing the refractory metal film on the bottom of the contact, Si for forming a metal silicide layer at the contact interface is included in the refractory metal film in advance in the thermal process. The purpose is to reduce the junction leakage current by suppressing the forward diffusion amount to the silicon surface side of the silicon semiconductor substrate as the underlying substrate and suppressing the silicidation reaction.
[0028]
In order to investigate the effect of reducing the junction leakage current of the sample S6 in this example, the thermal process of the contact process is the same as that of the sample S6 of the example, but the sample S1 using a metal film Ti not added with Si as an electrode underlayer. A comparative experiment is performed using. In the sample S6 of the example, the junction leakage current at the time of applying the reverse bias voltage of 5 V was measured and found to be 3.5 × 10.-9A / cm2Met. The contact resistance between the Al electrode and the impurity diffusion layer is 3.6 × 10-7Ωcm2Met. On the other hand, when the junction leakage current was measured in the sample S1 of the comparative example (the example sample in the first example), 5.1 × 10 5 was obtained.-7A / cm2(Contact resistance: 1.3 × 10-7Ωcm2)Met. Furthermore, the junction leakage current of the conventional sample S3, which was heat-treated at 550 ° C. for 90 minutes using only the first heating source without using the second heating source, was 2.6 × 10.-9A / cm2(Contact resistance: 2.5 × 10-7Ωcm2)Met. As a result, the junction leakage current of the example sample S6 is the same level as that of the conventional sample S3, and although the contact resistance is increased when compared with the sample S1 of the comparative example, the junction leakage current is obtained. It can be seen that the leakage current is nearly two orders of magnitude lower and can be improved very effectively.
[0029]
Although the method for forming the contact portion combined with the second heat source has a remarkable effect in reducing the contact resistance because the metal silicide layer can be formed thick, on the other hand, the method for forming the contact portion on the metal film side of the underlying silicon semiconductor substrate is effective. It is considered that the amount of forward diffusion is large and vacancies are formed in the silicon semiconductor substrate, and the vacancies are included in the depletion layer when a reverse bias is applied, which causes an increase in junction leakage current. Therefore, by adding Si in advance before metal film deposition, the amount of Si diffusion from the underlying silicon semiconductor substrate accompanying heat treatment can be suppressed, and the metal silicide layer can be formed while controlling the silicidation reaction. This is considered to have led to an improvement in junction leakage current.
FIG. 6 shows an irradiation energy density of 10 J / cm with a Xe flash lamp at a substrate temperature of 400 ° C.2FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between contact resistance and junction leakage current (when 5 V is applied) with respect to the amount of Si added to Ti when one pulse is irradiated at. It can be seen that the contact resistance increases as the amount of Si added increases, but the junction leakage current decreases. It is shown that the range of Si addition amount that can satisfy the specifications from both sides of contact resistance and junction leakage current is 5 to 20%.
[0030]
As described above, it can be seen that it is effective to add 5 to 20% Si to the metal conductive film as the electrode base layer for forming a contact portion having good contact characteristics between the metal wiring and the silicon semiconductor substrate. .
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, the present invention is applied to manufacture of a contact portion between an impurity diffusion region of a logic element and a connection plug. A MOS transistor is formed in the element region surrounded by the element isolation region (STI) 53 of the p-type silicon semiconductor substrate 51. The MOS transistor is formed on an n-type impurity diffusion region 57 constituting a source / drain region, a gate insulating film 54 made of a silicon oxide film formed between the impurity diffusion regions 57, and the gate insulating film 54. A gate electrode 50 made of polysilicon or the like and protected by a sidewall insulating film is formed. Cobalt silicide (CoSi) is formed on the surfaces of the gate electrode 50 and the impurity diffusion region 57.2) Layer 55 is formed to reduce the resistance. A silicon nitride film 56 formed by plasma CVD is formed on the surface of the semiconductor substrate 51. On the silicon nitride film 56, an interlayer insulating film 52 made of a BPSG film and a TEOS film thereon is formed.
[0031]
The surface of the interlayer insulating film 52 is flattened, and a metal wiring 59 composed of a TiN / Ti barrier metal layer and an Al—Cu metal film sandwiched between the barrier metal layers is formed. The metal wiring 59 and the gate electrode 50 of the MOS transistor and the impurity diffusion region 57 are electrically connected by a connection plug 58 embedded in a contact hole formed in the interlayer insulating film 52. The connection plug 58 is composed of a TiN / Ti barrier metal layer formed on the inner wall of the contact hole and tungsten (W) wrapped in the barrier metal layer.
The connection plug 58 is connected to the silicide layer 55. The contact portion is shown in the region A shown in FIG. The silicide layer is formed by depositing a cobalt film on the polysilicon of the gate electrode 50 and the impurity diffusion region 57 by sputtering or the like, and heat-treating it to form a silicide. However, the contact structure shown in region A is SiO2And since the CoO layer is formed, the resistance is high (FIG. 8A). Therefore, normally, after forming the barrier metal layer of the connection plug, annealing is performed at 550 ° C. for 90 minutes to obtain SiO2In addition, the CoO layer is eliminated to reduce the resistance (FIG. 8B). In this example, annealing is not performed under such conditions, the semiconductor substrate is heated at 400 ° C. by infrared heating, and the energy density is 10 J / cm during heating.2, One Xe flash lamp having a pulse width of 1 msec is irradiated. As a result, the structure of the A region shown in FIG. 8B, which is the same as the conventional one, can be obtained at a low temperature of 400 ° C.
[0032]
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 12 shows an equivalent circuit of a 1-transistor 1-capacitor ferroelectric memory cell, which has the same circuit connection as an equivalent circuit of a DRAM cell. FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which an FRAM is formed. A semiconductor substrate on which a conventional FRAM is formed has a structure in which a ferroelectric capacitor is formed on a transistor and a multilayer wiring is formed thereon. In this embodiment, the multilayer wiring is formed on the transistor as a sample to be heat-treated. A semiconductor substrate having a structure in which a ferroelectric capacitor is formed on a multilayer wiring is used. FIG. 14 is a flowchart for explaining a manufacturing process of a FRAM structure semiconductor device to which the present invention is applied. First, a MOS transistor used for a memory or the like is formed on a wafer (1), and then aluminum or metal wiring mainly composed of aluminum is formed in a multilayer structure through an interlayer insulating film (2). Thereafter, a capacitor having a ferroelectric film is formed through the interlayer insulating film (3). This semiconductor device is characterized in that the position of the capacitor is changed up and down as compared with the FRAM structure shown in FIG.
[0033]
C is an information recording capacitor using a ferroelectric material having a perovskite structure as an interelectrode insulating film, Q is a charge transfer MOS transistor connected in series with this capacitor, and WL is connected to the gate of this MOS transistor. The word line BL, the bit line PL connected to one of the source / drain regions of the MOS transistor, the plate line connected to one end (plate) of the capacitor, and VPL the plate line voltage.
FIG. 13 is a cross-sectional view of an FRAM including a capacitor having a ferroelectric film having ferroelectric characteristics. The semiconductor substrate 20 made of a p-type silicon semiconductor or the like is made of SiO by LOCOS method.2An element isolation region constituted by is formed. An n-type impurity diffusion region 21 used as a source / drain region is formed in the surface region of the semiconductor substrate 20. A gate oxide film (SiO2) is formed between the source / drain regions.2) 22 is formed through the gate electrode 23. The gate electrode 23 connected to the word line (WL) is composed of a polysilicon film and a tungsten silicide film on the polysilicon film, and the upper surface is protected by a silicon nitride film. The semiconductor substrate 20 is covered with a first insulating film 241 made of a BPSG (Born Phospharus Silicate Glass) film used as an interlayer insulating film formed by a low pressure CVD method so as to cover the gate electrode 23. The first insulating film 241 is polished and planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like.
[0034]
In the first interlayer insulating film 241, a metal wiring 251 such as aluminum with a barrier metal layer interposed is buried. On the first interlayer insulating film 241, second to fourth interlayer insulating films 242 to 244 made of silicon oxide films or the like in which second to fourth metal wirings 252 to 254 are embedded are formed, respectively. A fifth interlayer insulating film 245 is deposited on the fourth interlayer insulating film 244.
A ferroelectric capacitor C is formed on the fifth interlayer insulating film 245. The capacitor C is composed of a laminated body in contact with the interlayer insulating film 245 and sequentially depositing a lower electrode 301, a ferroelectric film 302 such as PZT having ferroelectric characteristics, and an upper electrode 303 connected to a plate line (PL). Has been. Contact holes are formed in the first to fifth interlayer insulating films 241 to 245, and connection plugs 27 such as tungsten are embedded therein, and the connection plugs 27 are formed in the lower electrode 301 and the source / drain regions of the MOS transistor Q. Is electrically connected to one of the two. The other of the source / drain regions is connected to a bit line (BL) (not shown).
[0035]
The lower electrode 301 is composed of a Ti film in contact with the interlayer insulating film 245 and a Pt film formed on the Ti film. The upper electrode 303 is composed of a Pt film. The insulating film 28 in which the insulating film 28 is formed on the interlayer insulating film 245 so as to cover the capacitor C is a TEOS film (SiO 22Film). The insulating film 28 is planarized by CMP or the like. A contact hole and a wiring groove are formed in the insulating film 28 by etching, and a metal wiring (PL) 29 such as aluminum is embedded therein.
In the FRAM described above, the capacitor ferroelectric film is formed by applying the crystallization method of the present invention. That is, a ferroelectric film such as PZT or SROP is formed in an amorphous state, and then crystallized by heat treatment to form a film used as a capacitor dielectric.
[0036]
Next, a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a capacitor having a ferroelectric film as a dielectric is formed. A p-type (100) silicon semiconductor substrate 31 is placed in a heating furnace and heated to 850 ° C. in an oxygen atmosphere to form a thermal oxide film 32 having a thickness of 100 nm. On this, an aluminum (Al) film 33 is deposited to a thickness of about 400 nm by sputtering using argon gas. On top of this, SiHFourAnd N2A silicon oxide film 34 is deposited to a thickness of about 500 nm by plasma CVD using O gas. A metal titanium (Ti) film 35 and platinum (Pt) 36 are further deposited on the semiconductor substrate 31 by sputtering to a thickness of 30 nm and 100 nm, respectively. Next, again using a sputtering apparatus, lead zirconate titanate (PbZrxTi1-xOThreeA film 37 (hereinafter referred to as PZT) is deposited to a thickness of about 150 nm. The gas used for sputtering at this time is argon gas, and the substrate temperature during sputtering is room temperature.
[0037]
The semiconductor substrate 31 is placed in the heat treatment apparatus shown in FIG. 9, and crystallization is performed while introducing oxygen. In this step, first, 3 kW was charged into the tungsten halogen lamp (first lamp) 6 from the bottom in order to preheat the semiconductor substrate 31, and the temperature was raised at a rate of 80 ° C. per second. The flash lamp (second lamp) 7 was turned on only once when the temperature reached 400 ° C. 5 seconds after the start of temperature increase, and the tungsten halogen lamp 6 was turned off immediately after that. The lighting time of the flash lamp 7 is 1.3 msec, and its energy is 12 J / cm.2It is.
Thus, when the semiconductor substrate which implemented this invention was analyzed by X-ray diffraction, in the sample (semiconductor substrate) which did not irradiate the flash lamp 6, PZT was not crystallized, but irradiated with the flash lamp. It was confirmed that the sample was crystallized in the perovskite phase. At the same time, the state of the underlying aluminum film 33 was examined with a microscope and a scanning electron microscope, but no change was observed, and it was clear that the PZT film 37 could be crystallized without changing the aluminum film 33. Became. When the preheating temperature by the tungsten halogen lamp 7 was fixed at 400 ° C. and the output of the flash lamp 8 required for crystallization of the PZT film was examined, it was 10 J / cm.2From the above, it was found that crystallization occurred.
[0038]
Conversely, when the range in which the PZT film 37 can be crystallized without changing the aluminum film 33 using the preheating temperature as a parameter is investigated, the preheating time is set to about 550 ° C. if the preheating time is within 1 second. It was also confirmed that no change occurred in the aluminum film 33.
A Pt film 38 was again formed on the semiconductor substrate 31 by sputtering using argon gas. The film thickness was 150 nm. When the polarization characteristics of this sample were measured, the remanent polarization value was 30 μC / cm.2In other words, it has been clarified that there is no inferiority to a PZT film crystallized by ordinary RTA.
If two types of lamps are turned on simultaneously, power is consumed accordingly. With the aim of reducing power consumption, for example, the tungsten halogen lamp 6 can be turned on and the flash lamp 7 can be turned on at the moment when the lamp is turned off. In this case, after the tungsten halogen lamp 6 that consumes several tens of kW of power is turned off, the temperature of the semiconductor substrate 31 is still maintained immediately after the turn-off. Therefore, only one electrode for lighting the lamp is required, and at the same time, power consumption can be reduced.
[0039]
The ferroelectric film is not limited to the PZT film but SBT (SrBiTa).2O9), BTO (BaTiOThreeHowever, it goes without saying that these films can be crystallized by implementing the present invention without causing any change in the aluminum film.
The present invention is not limited to the method of crystallizing a ferroelectric film formed on a semiconductor substrate, and is not limited to strontium titanate (SrTiOThree, Abbreviated as STO), strontium barium titanate (Ba)xSr1-xTiOThree), Crystallization of Ta2OFiveIt can be applied to a wide range of processes in which the thermal energy applied to the substrate, such as crystallization, must be suppressed.
[0040]
【The invention's effect】
  According to the present invention, the contact portion of a semiconductor device can be manufactured at a low temperature and rapidly with good controllability. New materials with low properties can be easily applied to semiconductor devices, and high performance of element characteristics can be realized.Further, the SiO present between the first silicide film and the second silicide film by the method of the present invention is used. 2 In addition, since the CoO can be effectively eliminated, the resistance of the contact portion can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a contact portion in a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a composition diagram showing the effect of a flash lamp in a reaction mode of a contact portion in samples of the present invention and a comparative example.
FIG. 3 is a composition diagram showing the effect of substrate temperature on the reaction mode of the contact portion in the samples of the present invention and comparative examples.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a substrate temperature necessary for forming a low-resistance contact when the flash lamp is irradiated once and an irradiation energy density of the flash lamp.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the substrate temperature required to form a low-resistance contact when the flash lamp is irradiated 10 times and the irradiation energy density of the flash lamp.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the amount of Si added to the base metal film, contact resistance, and junction leakage current.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate on which a logic element of the present invention is formed.
8 is a cross-sectional view showing the structure of region A in FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the heat treatment apparatus of the present invention.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing the lamp energy and the energy dependence of the lamp irradiated with temperature by heat treatment of the ferroelectric film, illustrating the present invention.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the crystallization temperature and the heat treatment time for explaining the present invention.
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram of a ferroelectric memory cell having a one-transistor / one-capacitor configuration.
FIG. 13 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which an FRAM of the present invention is formed.
FIG. 14 is a manufacturing process diagram of a FRAM structure semiconductor device applied to the invention;
FIG. 15 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate on which a capacitor using the ferroelectric film of the present invention as a dielectric is formed.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a conventional FRAM element.
[Explanation of symbols]
1 ... sample chamber, 2 ... sample stage, 3 ... gas inlet,
4 ... exhaust port, 5 ... quartz window,
6 ... 1st lamp (tungsten halogen lamp),
7: Second lamp (flash lamp),
8 ... sample, 9, 10 ... power supply, 20,31 ... silicon substrate,
21, 47, 57... Impurity diffusion region, 22... Gate oxide film,
23, 50 ... gate electrode, 27 ... connection plug,
28 ... insulating film 29, 251-254 ... metal wiring,
32 ... thermal oxide film, 33 ... aluminum film,
34 ... silicon oxide film, 35 ... metal titanium film,
36 ... platinum film, 37 ... lead zirconate titanate film,
41, 51 ... silicon semiconductor substrate, 42 ... SiO2film,
43 ... contact hole, 44 ... ion implantation layer,
45 ... metal film, 46 ... metal film with low resistivity,
48 ... Electrode, 52, 241-245 ... Interlayer insulating film,
53 ... element isolation region, 54 ... gate insulating film,
55 ... Silicide layer, 56 ... Silicon nitride film,
58 ... connection plug, 59 ... metal wiring,
101, 301 ... lower electrode, 102, 302 ... ferroelectric film,
103, 303 ... upper electrodes, 241 to 245 ... interlayer insulating films.

Claims (2)

半導体基板上に絶縁膜を形成し、この絶縁膜に前記半導体基板上に形成された第1の金属を有する第1のシリサイド膜を露出させるコンタクト孔を形成する工程と、Forming an insulating film on the semiconductor substrate, and forming a contact hole in the insulating film for exposing the first silicide film having the first metal formed on the semiconductor substrate;
前記コンタクト孔から露出している前記第1のシリサイド膜に接続する第2の金属を堆積させてコンタクト部を形成する工程と、Depositing a second metal connected to the first silicide film exposed from the contact hole to form a contact portion;
前記半導体基板を熱処理することにより第2の金属を有する第2のシリサイド膜を前記第1の金属を有する第1のシリサイド膜上に形成して前記コンタクト部のコンタクト性を向上させる工程とを備え、Forming a second silicide film having a second metal on the first silicide film having the first metal by heat-treating the semiconductor substrate to improve the contact property of the contact portion. ,
前記半導体基板を熱処理する工程において、発光波長分布及び照射時間の異なる2つの加熱源を用い、第1の加熱源であるハロゲンランプを照射し、この照射中に第2の加熱源であるフラッシュランプを前記第1の加熱源の照射時間よりも短い時間照射することを特徴とする半導体装置の製造方法。In the step of heat-treating the semiconductor substrate, two heating sources having different emission wavelength distributions and irradiation times are used to irradiate a halogen lamp that is a first heating source, and a flash lamp that is a second heating source during the irradiation. Is irradiated for a time shorter than the irradiation time of the first heat source.
前記フラッシュランプの消灯後に前記ハロゲンランプを消灯することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the halogen lamp is turned off after the flash lamp is turned off .
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