專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造半導(dǎo)體器件的方法，能夠防止在半導(dǎo)體器件的制造工藝中形成在半導(dǎo)體襯底上的絕緣膜的擊穿，由此高成品率地制造高度可靠性的半導(dǎo)體器件。
隨著如LSI等半導(dǎo)體集成電路的尺寸越來越小，需要盡力將元件制造得更小。這種嘗試包括例如形成更淺的雜質(zhì)擴(kuò)散層作為更小面積的源-漏區(qū)和形成更窄的連接元件的布線。結(jié)果，雜質(zhì)擴(kuò)散層和布線的電阻增加，不利地影響或阻礙了元件的高速運(yùn)算。為避免此，在常規(guī)的半導(dǎo)體器件中，高熔點金屬硅化物形成在雜質(zhì)擴(kuò)散層的表面，以便減少雜質(zhì)擴(kuò)散層的電阻，由此增加了元件的運(yùn)算速度。用于提高元件運(yùn)算速度的半導(dǎo)體器件的一個例子是使用Ti硅化物層的半導(dǎo)體器件(USP4,855,798)。


圖1A到1D為示出一種常規(guī)半導(dǎo)體器件的制造方法，在制造步驟中使用Ti硅化物層提高運(yùn)算速度。如圖1A所示，包括絕緣膜的元件隔離膜11選擇性地形成在半導(dǎo)體襯底20的表面上，由此限定出元件區(qū)。接下來，氧化膜(未示出)和多晶硅膜(未示出)隨后形成在元件區(qū)的表面上。此后，通過光刻和干腐蝕將氧化膜和多晶硅膜構(gòu)圖成柵形狀，由此形成包括氧化膜的柵氧化膜14和包括多晶硅膜的柵電極13。然后在它的整個表面上形成氧化膜(未示出)并深腐蝕，由此在柵電極13的側(cè)壁上形成包括其余氧化膜的側(cè)壁絕緣膜12。之后，從上面注入離子，對襯底20進(jìn)行熱處理，由此選擇性地形成擴(kuò)散層15。
自然氧化膜(未示出)形成在柵電極13上，然后使用稀釋的氫氟酸和類似物通過濕腐蝕除去擴(kuò)散層15。如圖1B所示，在其上形成厚度約300埃的Ti膜19b。
如圖1C所示，對襯底進(jìn)行熱處理，包括高阻TiSi2的C49層的Ti硅化物層17以自對準(zhǔn)方式形成在Ti膜19b和柵電極13相互接觸的區(qū)域內(nèi)和Ti膜19b和擴(kuò)散層15相互接觸的區(qū)域內(nèi)。由于在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行熱處理，厚度約幾十埃的TiN層18形成在Ti膜19b的表面上。
接下來，如圖1D所示，除去元件隔離膜11和側(cè)壁絕緣膜12上的未腐蝕的Ti膜19和TiN膜18。然后在氮?dú)夥罩袑σr底進(jìn)行熱處理，由此將高阻Ti硅化物膜17轉(zhuǎn)移到包括低阻高阻TiSi2的C54層的Ti硅化物層。由此，在常規(guī)的半導(dǎo)體器件中，擴(kuò)散層15的表面電阻降低，由此增加了元件的運(yùn)算速度。
如果通過圖1A到1D示出的制造方法制備半導(dǎo)體器件，那么會產(chǎn)生以下的問題。在濺射工藝期間，等離子體中含有的二次電子和類似物會穿過Ti膜19b到達(dá)柵氧化膜14，并流進(jìn)襯底20內(nèi)。如果在Ti膜19b和襯底20之間有電流流動，那么會發(fā)生柵氧化膜14的介質(zhì)擊穿，由此耐壓下降。由于此，半導(dǎo)體器件的可靠性顯著降低，半導(dǎo)體器件的制造成品率下降。
作為防止被二次電子充電的柵氧化膜14擊穿的一個方式，提出一種不通過常規(guī)的濺射而是通過準(zhǔn)直濺射形成Ti膜的方法。圖2示出了使用DC磁控管的常規(guī)濺射方法的典型圖。圖3示出了準(zhǔn)直濺射方法的典型圖。如圖2和3所示，在濺射單元(未示出)中提供靶31，陰極磁鐵36提供在靶31上方。襯底33設(shè)置在靶31下面的載物臺34上。此后，在襯底33和靶31之間產(chǎn)生等離子體32,Ti膜形成在襯底33上。Ti膜形成方法同時適用于常規(guī)的濺射和準(zhǔn)直濺射。
然而，如圖2所示，如果使用常規(guī)的濺射方法，那么等離子體32就在襯底33上產(chǎn)生。由于此，二次電子會飛入襯底33內(nèi)。相反，圖4所示的準(zhǔn)直濺射方法中，準(zhǔn)直器35設(shè)置在襯底33和等離子體32之間。準(zhǔn)直器35提供有平行穿過準(zhǔn)直器35的厚度方向的多個孔。如果等離子體32穿過準(zhǔn)直器35的孔，那么來自等離子體32的二次電子將由準(zhǔn)直器35捕獲。由此，可以防止發(fā)生圖1A到1D所示的柵氧化膜14的介質(zhì)擊穿。
如果使用如圖3所示的準(zhǔn)直濺射法，那么Ti膜將附著到準(zhǔn)直器35，并且準(zhǔn)直器35的直徑減小。由于此，需要隨著靶的消耗而校正膜形成速率，不利的是很難這樣做。此外，由于Ti膜附著到準(zhǔn)直器35，靶的消耗效率降低，由此增加了生產(chǎn)成本。這不利于半導(dǎo)體器件的批量生產(chǎn)。最初設(shè)計準(zhǔn)直濺射是即使顯示在襯底的表面內(nèi)形成的孔深度與孔的直徑的高寬比很高，也以良好的涂敷狀態(tài)下在孔的下表面上形成膜。考慮到以上因素，在不需要高涂敷狀態(tài)的形成Ti膜的步驟中使用準(zhǔn)直濺射更不利。
從半導(dǎo)體器件批量生產(chǎn)的角度來看，需要使用常規(guī)的濺射方法形成用于形成Ti硅化物的Ti膜。如果實際上使用了常規(guī)的濺射方法，需要提供一種制造半導(dǎo)體器件同時柵絕緣膜14不會介質(zhì)擊穿的方法。
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種制造半導(dǎo)體器件的方法，當(dāng)金屬膜形成在半導(dǎo)體襯底表面的元件上時，能夠防止等離子體的二次電子引起的元件絕緣膜的擊穿。
根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法包括在硅襯底上形成元件；以及在元件上形成金屬膜的步驟。形成金屬膜的步驟在開始膜形成之后一秒鐘得到連續(xù)金屬膜的條件下進(jìn)行。
金屬膜可以由濺射形成。此時，金屬膜優(yōu)選在形成金屬膜的DC電源為4到10KW的條件下形成。金屬膜也可以通過等離子體化學(xué)汽相淀積法形成。
此外，金屬膜可以包括通過與硅反應(yīng)形成金屬硅化物的金屬。金屬膜可以包括選自例如Ti、Co、Ni、Mo、W和Ta組成的組中的至少一種金屬。
此外，在硅襯底上形成元件的步驟包括在硅襯底上選擇性地形成絕緣膜；在絕緣膜上形成柵電極；在硅襯底的表面上形成擴(kuò)散層的步驟。
在本發(fā)明中，連續(xù)的膜是指這樣的情況，即濺射時薄層電阻的測量值由下列方程近似表示Y=a/X(其中a為常數(shù))，在圖形中Y軸為金屬膜的薄層電阻，X軸為濺射時間。在嚴(yán)格的意義上，測量值沒有由上面的方程表示，而是在方程的-40％到+40％的范圍內(nèi)。
本發(fā)明的發(fā)明人進(jìn)行了不同的實驗和研究，以防止由等離子體的二次電子引起的絕緣膜擊穿。由此發(fā)現(xiàn)在通過常規(guī)方法在元件上形成金屬膜的情況中，介質(zhì)擊穿的原因是在膜形成初始階段附著到元件表面的金屬膜為帶形不連續(xù)的膜。換句話說，如圖4所示，從開始之后2到3秒開始形成Ti膜(或金屬膜)19a的膜形成初始階段，Ti膜19a附著到元件表面形成帶形不連續(xù)的膜。此后，形成連續(xù)的Ti膜。在膜形成初始階段中的不連續(xù)的Ti膜19a處于膜電位浮動的狀態(tài)中。由于此，Ti膜19a由含在如濺射使用的等離子體中的二次電子帶電，和充電或發(fā)生局部高電位的現(xiàn)象。如果充電電位增加超過某個閾值，那么電流穿過Ti膜19a下的絕緣膜14之后流過襯底20。當(dāng)不連續(xù)的Ti膜19a形成在柵電極13上時，特別是電流穿過柵氧化膜14穿過柵電極13并流過襯底20。結(jié)果，柵氧化膜的介質(zhì)強(qiáng)度下降最后發(fā)生耐壓失效。
考慮到常規(guī)的問題，設(shè)計本發(fā)明在膜形成初始階段中得到連續(xù)的膜。即，如圖5所示，根據(jù)本發(fā)明，在允許開始形成Ti膜之后一秒鐘形成連續(xù)的Ti膜(金屬膜)6a的條件下形成Ti膜。因此，即使Ti膜6a被例如等離子體產(chǎn)生的二次電子充電，也不會發(fā)生局部充電。由此，可以防止柵氧化膜4的擊穿，從而高成品率地制造高可靠性的半導(dǎo)體器件。
圖1A到1D示出一種常規(guī)半導(dǎo)體器件的制造方法，在制造步驟中使用Ti硅化物層增加運(yùn)算速度；圖2示出了使用DC磁控管的常規(guī)濺射方法的典型圖；圖3示出了準(zhǔn)直濺射方法的典型圖；圖4為使用常規(guī)的制造方法當(dāng)金屬膜形成在元件上時金屬膜的初始狀態(tài)的剖面圖；圖5為使用根據(jù)本發(fā)明的制造方法當(dāng)金屬膜形成在元件上時金屬膜的初始狀態(tài)的剖面圖；圖6A到6E示出根據(jù)本發(fā)明的實施例半導(dǎo)體器件制造方法的剖面圖；圖7為示出4.4KW和1.1KW的濺射功率下薄層電阻和濺射時間之間的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)代表薄層電阻，橫坐標(biāo)代表濺射時間；以及圖8為以不同濺射功率形成Ti膜時發(fā)生比率的曲線，縱坐標(biāo)代表發(fā)生柵耐壓失效發(fā)生的比率。
下面參考附圖具體地介紹根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件。圖6A到6D示出在制造步驟中根據(jù)本發(fā)明的實施例半導(dǎo)體器件制造方法的剖面圖。如圖6A所示，包括絕緣膜的元件隔離膜1選擇性地形成在半導(dǎo)體襯底10的表面上，由此限定出元件區(qū)。接下來，氧化膜(未示出)和多晶硅膜(未示出)依次形成在元件區(qū)的表面上，然后通過光刻和干腐蝕構(gòu)圖成柵形狀，由此形成包括氧化膜的柵氧化膜4和包括多晶硅膜的柵電極3。此后，氧化膜(未示出)形成在它的整個表面上并深腐蝕，由此形成包括柵電極3的側(cè)壁上其余氧化膜的側(cè)壁絕緣膜2。然后，從上面注入離子，對襯底10進(jìn)行熱處理，由此選擇性地形成擴(kuò)散層5。
用稀釋的氫氟酸通過濕腐蝕除去在柵電極3和擴(kuò)散層5上形成的自然氧化膜(未示出)。然后如圖6B和6C所示，通過濺射在它的表面上形成Ti膜6a。在該實施例中，在例如1mTorr的Ar氣體壓力和4.4KW的DC電源(直流電源)的膜形成條件下通過使用通常的DC磁控管濺射單元形成Ti膜6a。在這些條件下，在開始之后一秒鐘開始放電的膜形成初始階段中，Ti膜6a保持連續(xù)的膜，如圖6B所示。即使Ti膜6a被例如濺射中使用的等離子體或類似物產(chǎn)生的二次電子充電，也不會發(fā)生局部充電。通過連續(xù)的濺射，在整個表面上形成厚度約300埃的Ti膜6a。
接下來，如圖6D所示，使用燈退火裝置在氮?dú)夥障略?00℃進(jìn)行30秒的熱處理，包括高阻TiSi2的C49層的Ti硅化物層7以自對準(zhǔn)方式在Ti膜6a和柵電極3相互接觸的區(qū)域內(nèi)和Ti膜6a和擴(kuò)散層5相互接觸的區(qū)域內(nèi)形成。由于在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行熱處理，膜厚度約幾十埃的TiN層8形成在Ti膜6a的表面上。
此后，如圖6E所示，通過包括氨水和過氧化氫的水溶液除去元件隔離膜1和側(cè)壁絕緣膜2上的未腐蝕的Ti膜6a和TiN膜8。然后在氮?dú)夥罩惺褂脽敉嘶鹧b置在850℃下進(jìn)行10秒的熱處理，由此將高阻Ti硅化物膜7轉(zhuǎn)變?yōu)榘ǖ妥鑄iSi2的C54層的Ti硅化物層。
在該實施例中，如圖6B所示，雖然通過濺射形成Ti膜6a，但Ti膜6a為不規(guī)則的帶形狀態(tài)，而在從開始之后的一秒鐘開始放電的膜形成初始階段中是連續(xù)的。
圖7為示出4.4KW和1.1KW的濺射功率下薄層電阻和濺射時間之間的關(guān)系曲線，縱坐標(biāo)代表薄層電阻，橫坐標(biāo)代表濺射時間。在圖7中，O代表濺射功率為4.4KW濺射時薄層電阻的測量值，Δ代表濺射功率為1.1KW濺射時薄層電阻的測量值。由于濺射時間與膜厚度成比例，由此可以認(rèn)為橫坐標(biāo)代表圖7中的膜厚度。正常情況下，連續(xù)膜的薄層電阻和膜厚度滿足下面方程1表示的關(guān)系，薄層電阻與膜厚度成反比，其中指定的電阻為常數(shù)。
(薄層電阻)=(指定的電阻)/(膜厚度)(1)
在濺射功率為4.4KW的該實施例中，使用對應(yīng)于以上由圖7中的實線21表示的方程1的近似函數(shù)Y=a/X，通過最小二乘法進(jìn)行擬合。即，當(dāng)濺射功率為4.4KW時，即使開始放電后0.2秒，也可以形成連續(xù)的Ti膜。如果以相同的方式使用Y=a/X的近似函數(shù)同時濺射功率為1.1KW時進(jìn)行擬合，測量點明顯與圖7中實線22表示的擬合曲線偏移。這意味著部分測量點不滿足以上方程1。
如果除了濺射功率為1.1KW開始放電之后約3秒的測量點，使用近似函數(shù)Y=a/(X-b)進(jìn)行擬合，和濺射功率為4.4KW的時一樣，近似函數(shù)與虛線23顯示的測量點一致。這表示除去的測量點不滿足以上的方程。換句話說，當(dāng)濺射功率為1.1KW時，在開始放電之后約三秒沒有形成連續(xù)的膜，而是不規(guī)則地出現(xiàn)帶形狀態(tài)的不連續(xù)的Ti膜。即使是不規(guī)則和不連續(xù)的膜，如果相鄰膜之間的距離為幾到幾十埃，在幾伏的條件下由隧道效應(yīng)產(chǎn)生電流，并且可以測量薄層電阻。因此，在本發(fā)明中，如果薄層電阻的測量值與濺射時間近似為方程Y=a/X(其中a為常數(shù))，可以認(rèn)為已形成了連續(xù)的膜。然而，此時在嚴(yán)格意義上，測量值沒有用以上方程表示，而在方程的-40％到+40％的范圍內(nèi)。
圖8為以不同濺射功率形成Ti膜時失效的發(fā)生率，縱坐標(biāo)代表柵耐壓失效的發(fā)生率。應(yīng)該注意比較在開始放電之后一秒鐘形成連續(xù)的膜在根據(jù)本實施例的條件下(即4.4KW的濺射功率)形成用于形成Ti硅化物層的Ti膜的情況和在開始放電之后約3秒鐘形成不連續(xù)、帶形Ti膜時在對比例的條件下(即1.1KW的濺射功率)形成Ti膜的情況之間失效的發(fā)生率。
下面介紹測量失效發(fā)生率的方法。首先，形成圖6中所示結(jié)構(gòu)的樣品作為測試圖形，Ti膜形成在樣品的表面上，然后通過濺射除去，0到12V的電壓變化地施加在柵電極和襯底之間。測量發(fā)生柵氧化膜介質(zhì)擊穿和因此流過的高電流的電壓，如果測量的電壓為3V以下，可以確定為失效。計算缺陷數(shù)與測量點數(shù)目的比率作為發(fā)生失效的比率。介質(zhì)強(qiáng)度不降低的常規(guī)柵氧化膜取決于它的膜厚度和面積。如果例如膜厚度約100埃并且面積約32mm2，那么膜可以承受約10V的電壓。
如圖8所示，如果采用4.4KW的濺射功率形成Ti膜，那么柵氧化膜的耐壓失效率很低，為0.58％。這是由于在開始之后一秒鐘開始形成Ti膜形成連續(xù)的Ti膜的條件下形成Ti膜。另一方面，如果采用1.1KW的濺射功率形成Ti膜，那么在開始之后約三秒鐘開始放電形成帶形不連續(xù)的Ti膜，發(fā)生失效的比率高達(dá)14.53％。在該實施例中比率增加約25倍。如果在開始之后一秒鐘開始形成Ti膜形成連續(xù)膜的條件下通過濺射形成Ti膜，那么可以得到防止發(fā)生柵氧化膜耐壓失效的優(yōu)點。
在圖6A到6E顯示的實施例中，設(shè)置在開始之后一秒鐘開始形成Ti膜形成連續(xù)Ti膜的條件，以便DC電源由常規(guī)的范圍開始增加，由此增加Ti膜形成速率。在本發(fā)明中，除了DC電源之外的條件都可以改變。如果使用優(yōu)選濺射時對另一膜形成參數(shù)如氣體壓力等進(jìn)行優(yōu)化的方法或者對在放電中使用的陰極磁鐵進(jìn)行優(yōu)化的方法，那么可以得到和濺射功率為4.4KW的情況中相同的優(yōu)點。這種方法必須滿足在開始之后一秒鐘開始形成膜時可以形成連續(xù)Ti膜的條件。
在以上實施例中，介紹了進(jìn)行濺射形成Ti膜的情況。根據(jù)本發(fā)明，即使在本發(fā)明指定的條件下使用例如等離子體CVD法和類似方法形成Ti膜，也可以得到相同的優(yōu)點。此外，在以上實施例中，介紹了形成Ti膜來形成硅化物層的條件。根據(jù)本發(fā)明，使用與硅反應(yīng)形成硅化物層的金屬膜如Co、Ni、Mo、W和Ta可以得到相同的優(yōu)點。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，適當(dāng)?shù)匾?guī)定在元件上形成金屬膜的條件，由此從開始之后一秒鐘開始形成金屬膜可以形成連續(xù)的金屬膜。由于此，可以防止由充電的金屬膜引起的絕緣膜的擊穿，從而以高成品率地制造高度可靠性的半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1．制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在硅襯底上形成元件；以及在所述元件上形成金屬膜的步驟，形成所述金屬膜的步驟在開始膜形成之后一秒鐘得到連續(xù)的金屬膜的條件下進(jìn)行。
2．根據(jù)權(quán)利要求1制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬膜由濺射形成。
3．根據(jù)權(quán)利要求2制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述條件是形成金屬膜的DC電源是4到10KW。
4．根據(jù)權(quán)利要求1制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬膜由等離子體化學(xué)汽相淀積法形成。
5．根據(jù)權(quán)利要求1制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬膜包括與硅反應(yīng)形成金屬硅化物的金屬。
6．根據(jù)權(quán)利要求5制造半導(dǎo)體器件的方法，其中所述金屬膜包括選自例如Ti、Co、Ni、Mo、W和Ta組成的組中的至少一種金屬。
7．根據(jù)權(quán)利要求1制造半導(dǎo)體器件的方法，其中在硅襯底上形成元件的所述步驟包括以下步驟在所述硅襯底上選擇性地形成絕緣膜；在所述絕緣膜上形成柵電極；以及在所述硅襯底的表面上形成擴(kuò)散層。
全文摘要
通過濺射法將Ti膜形成在其上形成有元件的半導(dǎo)體襯底上。使用在1mTorr的Ar氣體壓力和4.4KW的DC功率的條件下通過使用常規(guī)的DC磁控管濺射單元形成所述Ti膜。在這些條件下,在開始之后1秒鐘開始放電的膜形成初始階段中,Ti膜保持連續(xù)的膜。由于此,即使Ti膜被例如濺射中使用的等離子體產(chǎn)生的二次電子充電,也不會發(fā)生局部充電。此后通過連續(xù)的濺射,在整個表面上形成厚度約300埃的Ti膜。因此,可以防止等離子體的二次電子引起的元件絕緣膜的擊穿。
文檔編號H01L21/00GK1221980SQ9812561
公開日1999年7月7日 申請日期1998年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月18日
發(fā)明者星野晶 申請人:日本電氣株式會社