JP3058956B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置およびその
製造方法に係り、特に、微細な接続孔等における半導体
基板と配線材料との間のコンタクト抵抗の低減に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、回
路の微細化は進む一方であり、ＭＯＳ集積回路において
も、ゲート電極や、ソース・ドレイン拡散層と金属配線
との接続を行うための接続部の面積は非常に小さくなっ
ている。

【０００３】この結果、コンタクト抵抗の増大が大きな
問題となってきている。

【０００４】単位面積当たりのコンタクト抵抗の値は、
一般に金属と半導体との仕事関数の差、および半導体中
の電気的に活性化した不純物濃度によって決定される。
コンタクト抵抗を下げるためには、仕事関数の差は小さ
い方が望ましく、また半導体中の不純物濃度は高い方が
望ましい。

【０００５】コンタクトの形成に際しては、拡散層の抵
抗の低減および自己整合コンタクト形成の目的で金属の
硅化物を用いる技術が用いられている。通常硅化物を形
成する金属としてはチタンが用いられているが、この技
術の問題点として、ｐ型拡散層に対するコンタクト抵抗
が高いという問題がある。

【０００６】即ち、チタニウムの硅化物によってｐ型拡
散層中のボロンが吸い出され、接触領域界面でのキャリ
ア濃度が減少することによって、コンタクト抵抗が高く
なってしまっていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このようにコンタクト
に金属の硅化物を用いる方法は、拡散層からのボロンの
吸い出しによるキャリア濃度の減少により、コンタクト
抵抗を低減することができないという問題があった。

【０００８】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、微細化に際してもコンタクト抵抗の十分に小さいコ
ンタクトを形成することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明の第１で
は、半導体基板にボロンを不純物として導入した不純物
領域が形成され該領域に対してコンタクトするコンタク
ト層が形成された半導体装置において、前記基板のコン
タクト層が、ボロンとの化合物よりもシリコンとの化合
物を形成する際の自由エネルギー低下が大である金属の
硅化物で構成されていることを特徴とする。

【００１０】また、本発明の第２では、半導体基板に形
成されるボロンを不純物として導入した不純物領域に対
してコンタクトを形成する半導体装置の製造方法におい
て、前記コンタクトの形成は前記半導体基板上にボロン
との化合物よりもシリコンとの化合物を形成する際の自
由エネルギー低下が大である金属の硅化物を形成する工
程を含むようにしている。

【００１１】

【作用】ｐ型拡散層のボロンが吸い出され、コンタクト
抵抗が高くなってしまう問題は次の理由によるものと思
われる。

【００１２】即ち、チタニウムの硼化物（ＴｉＢ₂ ）と
チタニウムの硅化物（ＴｉＳｉ₂ ）とではチタニウム硼
化物の方が生成自由エネルギーが負に大きいことであ
る。シリコン基板中に拡散したボロンはシリコン硅化物
中に拡散し、チタン−ボロン結合が形成され安定化す
る。

【００１３】このようにして、ＴｉＳｉ₂ ／ｐ⁺ −Ｓｉ
界面に存在するＢがＴｉＳｉ₂ 膜中に積極的に吸い込ま
れる。そしてＴｉ−Ｂの結合率は熱処理温度に比例して
増大するため、ゲッタリング工程あるいはメルト工程な
どの高温熱処理工程を加えることによりＢの吸い出し効
果が加速され、界面ボロン濃度の低下が顕著になる。こ
の結果従来の技術では熱的に安定な低抵抗コンタクトを
形成することが不可能であった。

【００１４】本発明によれば、ボロンとの化合物よりも
シリコンとの化合物を形成する際の自由エネルギー低下
が大である金属の硅化物をコンタクトの界面に形成する
ことにより、この金属の硅化物の方が安定であるため、
この金属はシリコンと反応しボロンと反応する可能性は
極めて小さく、従ってボロンの吸い出しはほとんど皆無
とすることができる。

【００１５】ここで望ましくは、ボロンとの化合物より
もシリコンとの化合物を形成する際の自由エネルギー低
下が大である金属としてバナジウムＶを用いる。バナジ
ウムは、シリコンと反応してＶ₂ Ｓｉの化学式をもつ化
合物を形成する。すなわち、バナジウム２原子に対して
Ｓｉ１原子しか消費しないうえバナジウムは原子半径が
大きいため、Ｓｉの食われは少なくてすみ、浅い拡散層
の場合にも突き抜けのおそれはない。また、わずかにボ
ロンと反応したとしてもＶ₂ Ｂの化学式をもつ化合物を
形成するため、ボロンの消費は少ない。

【００１６】また、硅化バナジウム層の上にタングステ
ン層を形成しても良い。

【００１７】さらに、ブランケット構造のコンタクト形
成を行う場合には、バナジウム層上に、絶縁膜上まで及
ぶように窒化チタンまたは窒化バナジウム層等を形成す
るのが望ましい。これはタングステン層等の電極配線層
と絶縁膜との密着性が良くないためである。このように
電極配線層と絶縁膜との間に中間層として窒化チタンま
たは窒化バナジウム等の層を介在させることにより、よ
り信頼性の高いコンタクトの形成が可能となる。

【００１８】特に、ボロンとの化合物よりもシリコンと
の化合物を形成する際の自由エネルギー低下が大である
金属を堆積し、この金属中にボロンの最大濃度が位置す
るような条件でボロンイオンを注入し、かつこのボロン
イオン注入の後に熱処理を行い、この金属と半導体基板
とを反応させるようにすると、ｐ型拡散層の形成と同時
にコンタクトを形成することができる。そしてまた、ボ
ロンが良好に金属層内に存在し、平衡状態を形成するこ
とができ、ボロンの吸い出し効果が低減される。

【００１９】なお、前記イオン注入は金属と半導体基板
との反応後に行ってもよく、その後熱処理により拡散層
を形成すれば良い。

【００２０】また、ボロンを含有した上記金属薄膜を形
成し、熱処理を行うようにし、ボロン拡散によりｐ型層
の形成と同時に金属硅化物層を形成するようにしてもよ
い。さらには、すでに拡散層の形成された基板上にこの
金属薄膜を形成し熱処理を行うようにし、金属硅化物層
を形成してもよい。

【００２１】さらにまた、ここで用いる金属としてはＶ
の他、鉄等でもよい。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００２３】図１(a) 乃至(d) は本発明の第１の実施例
の半導体装置の製造工程を示す断面図である。

【００２４】まず、図１(a) に示すように、ｎ型シリコ
ン基板１にフィールド酸化膜（図示せず）を形成したの
ち、分離された素子領域内に、絶縁膜２を形成し、これ
にコンタクト窓を開口し、ＢＦ₂ を加速電圧３０ｋｅ
Ｖ、注入ドーズ量５×１０¹⁵cm^-2の条件でイオン注入
（マスクは図示せず）を行い、乾燥窒素雰囲気中、９５
０℃１時間の熱処理を行う。このようにしてｐ型拡散層
３を形成した後、この基板を周知のマグネトロンスパッ
タリング装置に設置する。

【００２５】そして、このスパッタリング装置のチャン
バー内を２×１０^-5Pa以下の真空に排気した後、４０cm
³ /minの流量のアルゴンガスを導入する。このときチャ
ンバー内の圧力が３．７×１０^-4Paに維持されるように
する。そしてＶターゲットを、印加電圧６００Ｖ、ター
ゲット電流５Ａで発生させたアルゴンプラズマでスパッ
タリングし、絶縁膜２の上層に、バナジウム層４を膜厚
６０nmとなるように堆積する。

【００２６】次に、このチャンバー内に１００cm³ /min
の流量の窒素ガスを導入して、チャンバー内圧力が３．
７×１０^-1Paに保たれるようにしておく。しかる後に基
板１の裏面側に設置したタングステンハロゲンランプに
より、６００℃１５秒の熱処理を行う。この熱処理によ
り、図１(c) に示すように、前記バナジウム層３はコン
タクト領域で硅化バナジウム層５となり、表面では窒化
バナジウム層６となる。従ってコンタクト領域では硅化
バナジウム層５と窒化バナジウム層６との積層構造とな
り、一方絶縁膜２上ではバナジウム層４と窒化バナジウ
ム層６との積層構造となる。なおこの窒化バナジウム
（ＶＮ_x ）層６は、膜厚１０〜５０nm程度に、硅化バナ
ジウム（ＶＳｉ_x ）層５は、膜厚２０〜８０nm程度に形
成されるのが望ましい。

【００２７】さらに、この半導体基板１を硫酸、過酸化
水素を１：２の割合で混合した溶液に１０分間浸漬する
ことにより選択的に窒化バナジウム層６およびバナジウ
ム層４をエッチングし、硅化バナジウム層５だけを残
し、図１(d) に示すようなコンタクト構造が形成され
る。

【００２８】そこでコンタクト部の界面付近のキャリア
プロファイルを測定するため、本発明実施例の硅化バナ
ジウム／ｐ+ 拡散層接触界面と、従来例のコンタクト構
造である硅化チタン／ｐ+ 拡散層接触界面とのそれぞれ
のキャリア濃度分布を測定した結果を図２(a) および
(b) に示す。これらの結果から、従来のコンタクト構造
では表面近傍でキャリア濃度が急激に低下し接触界面で
は２×１０¹⁹cm^-3程度まで落ち込んでいるのに対し、図
２(a) に示すように硅化バナジウム／ｐ+ 拡散層接触界
面では８×１０¹⁹cm^-3以上に保持されている。これらの
結果はいずれも８５０℃１時間の熱処理を経た後での結
果である。このように、硅化チタンに代えて硅化バナジ
ウムをｐ+ 拡散層との接触界面における電極材料として
用いることにより、ボロンの硅化物中への吸い出しが抑
制されることが確かめられた。

【００２９】この様にして得られたコンタクト構造では
１μm の正方形あたり２５Ωと非常に低抵抗のコンタク
トとなっている。ちなみに硅化チタンを用いたコンタク
ト構造では１μm の正方形あたり７０Ωとなっており、
これとの比較からも、本発明は極めて有効であることが
わかる。

【００３０】なお、前記実施例では金属膜としてバナジ
ウムを用いたが、バナジウムに限定されること無く、鉄
等ボロンとの化合物よりもシリコンとの化合物を形成す
る際の自由エネルギー低下が大である金属であればよ
い。

【００３１】また、本発明の効果は半導体基板の表面濃
度が、３×１０¹⁹cm^-3以上の高濃度の試料について特に
顕著な効果を得ることができた。

【００３２】このように、ボロンとの化合物よりもシリ
コンとの化合物を形成する際の自由エネルギー低下が大
であるバナジウムの硅化物をコンタクトの界面に形成す
ることにより、この硅化バナジウムの方が硼化バナジウ
ムよりも安定であるため、この硅化バナジウムはシリコ
ンと反応しボロンと反応する可能性は極めて小さく、従
ってボロンの吸い出しはほとんど皆無となるためと考え
られる。

【００３３】ここで、これらの金属について硅化物と硼
化物の生成エンタルピーを求めたところ、二硅化バナジ
ウムの生成エンタルピーが７５ｋcal/mol であったのに
対し、硼化バナジウムは３１ｋcal/mol であったことか
ら、硼化物が相対的に形成されにくいことがわかる。ま
た、鉄についてもそれぞれ２０ｋcal/mol 、９ｋcal/mo
l であり、同様の傾向となった。これに対してチタンで
は、硅化物，硼化物それぞれの生成エンタルピーは３２
ｋcal/mol ，７０ｋcal/mol となり、反対に硼化物が形
成されやすいことがわかった。

【００３４】なお、他の金属、例えばクロム、コバル
ト、タングステン、モリブデン、ニッケル、タンタル等
についても硅化物，硼化物の生成エンタルピーを求めて
みたが、これらのいずれについても、バナジウムや鉄の
ように相対的に硼化物の形成されにくい金属は見出だせ
なかった。

【００３５】次に、このようにして形成されたコンタク
トに、選択ＣＶＤ法を用いて配線層を形成する方法につ
いて説明する。

【００３６】図１(d) のようにしてコンタクトの硅化バ
ナジウム層５の形成された基板をＣＶＤ装置に設置し、
六フッ化タングステンを１０sccm、シランを５sccmの流
量で流し、０．２Torrに保持されたチャンバー内で、選
択的にタングステン層８をコンタクトホールを埋める程
度（約３００nm）に堆積する（図１(e) ）。このときの
堆積速度は１２０nm/minであった。ここで基板温度は３
２０℃とした。このようにして表面が十分に平坦な埋め
込みコンタクトを形成することができた。

【００３７】また、図３に示すように、開口部から絶縁
膜２上にかけて配線層を形成するいわゆるブランケット
構造も本発明の方法で形成した硅化バナジウム層上に形
成可能である。

【００３８】すなわち図３(a) に示すように硅化バナジ
ウム層５を形成した後、スパッタリング装置のチャンバ
ー内に、２０cm³ /minの流量の窒素ガスと２０cm³ /min
の流量のアルゴンガスを導入し、このときチャンバー内
の圧力が３．７×１０^-1Paに維持されるようにし、Ｖタ
ーゲットを、印加電圧６００Ｖ、ターゲット電流５Ａで
発生させたアルゴンプラズマでスパッタリングし、図３
(b) に示すように全面に窒化バナジウム層６を２０nm程
度堆積する。

【００３９】このようにして、窒化バナジウム層６／硅
化バナジウム層５の積層構造を得ることができる。

【００４０】実施例２ 次に本発明の第２の実施例について説明する。

【００４１】前記実施例では、ターゲットとしてバナジ
ウムを用いたスパッタリング法によりバナジウム層を形
成し、熱処理により界面に硅化バナジウム層を形成した
が、この例ではターゲット材料としてあらかじめ５％以
下のボロンを含有したバナジウムを用いてスパッタリン
グ法によりボロン含有バナジウム層を形成するようにし
ている。

【００４２】まず、図４(a) に示すように、ｎ型シリコ
ン基板１にフィールド酸化膜（図示せず）を形成したの
ち、分離された素子領域内に、絶縁膜２を形成し、これ
にコンタクト窓としての開口を形成した後、この基板を
周知のマグネトロンスパッタリング装置に設置する。

【００４３】そして、このスパッタリング装置のチャン
バー内を２×１０^-5Pa以下の真空に排気した後、４０cm
³ /minの流量のアルゴンガスを導入する。このときチャ
ンバー内の圧力が３．７×１０^-4Paに維持されるように
する。そして５質量％のボロンを含有したバナジウムか
らなるターゲットを、印加電圧６００Ｖ、ターゲット電
流５Ａで発生させたアルゴンプラズマでスパッタリング
し、絶縁膜２の上層に、ボロン含有バナジウム層７を膜
厚６０nmとなるように堆積する。

【００４４】次に、このチャンバー内に１００cm³ /min
の流量の窒素ガスを導入して、チャンバー内圧力が３．
７×１０^-1Paに保たれるようにしておく。しかる後に基
板１の裏面側に設置したタングステンハロゲンランプに
より、６００℃１５秒の熱処理を行う。この熱処理によ
り、図４(b) に示すように、前記ボロン含有バナジウム
層７はコンタクト領域で硅化バナジウム層５となり、表
面では窒化バナジウム層６となる。従ってコンタクト領
域では硅化バナジウム層５と窒化バナジウム層６との積
層構造となり、一方絶縁膜２上ではボロン含有バナジウ
ム層７と窒化バナジウム層６との積層構造となる。

【００４５】そしてさらに８５０℃３０秒の熱処理を行
うことにより、図４(c) に示すように硅化バナジウム層
５の基板側にはｐ型拡散層３が形成された。このときｐ
型拡散層の接合深さは９０nmであった。

【００４６】さらに、この半導体基板１を硫酸、過酸化
水素を１：２の割合で混合した溶液に１０分間浸漬する
ことにより選択的に窒化バナジウム層６およびバナジウ
ム層４をエッチングし、硅化バナジウム層５だけを残
し、図４(d) に示すようなコンタクト構造が形成され
る。

【００４７】このようにして、ｐ型拡散層の形成と同時
にコンタクト抵抗の低いコンタクト構造を得ることがで
きる。

【００４８】実施例３ 次に本発明の第３の実施例について説明する。

【００４９】前記実施例１，２では、いずれもスパッタ
リング法でバナジウム層を形成し、熱処理により界面に
硅化バナジウム層を形成したが、この例ではＣＶＤ法に
よりバナジウムを形成する。

【００５０】まず、実施例２と同様、図５(a) に示すよ
うに、ｎ型シリコン基板１にフィールド酸化膜（図示せ
ず）を形成したのち、分離された素子領域内に、絶縁膜
２を形成し、これにコンタクト窓としての開口を形成す
る。

【００５１】そして、この基板をコールドウオール型の
ＣＶＤ装置にセットし、装置のチャンバー内を２×１０
^-5Pa以下の真空に排気した後、基板を４５０℃まで昇温
する。そして１０００cm³ /minの流量の水素ガスと２０
０cm³ /minの流量のバナジウムクロライドガス（ＶＣｌ
₅ ）とを導入する。このときチャンバー内の圧力が３．
７×１０^-3Paに維持されるようにする。そして図５(b)
に示すように絶縁膜２から露呈する基板表面に選択的に
バナジウム層４を膜厚６０nmとなるように堆積する。

【００５２】そして、ＢＦ₂ を加速電圧２５ｋｅＶ、注
入ドーズ量８．０×１０¹⁵cm^-2の条件でイオン注入（マ
スクは図示せず）を行い、乾燥窒素雰囲気中、８５０℃
１５秒の熱処理を行う。この熱処理により、バナジウム
層４は基板表面と反応して硅化バナジウム層５となり、
表面では窒化バナジウム層６となる。そして硅化バナジ
ウム層５の基板側にはｐ型拡散層３が形成されている。

【００５３】このようにして、ｐ型拡散層の形成と同時
にコンタクト抵抗の低いコンタクト構造を得ることがで
きる。

【００５４】なお、この実施例ではイオン注入の後熱処
理を行い硅化バナジウムを形成したが、熱処理を行って
硅化バナジウムと窒化バナジウムとの積層構造を得た後
に、Ｂイオンの注入を行いｐ型拡散層を形成するように
してもよい。また、バナジウム層はブランケット状に形
成してもよい。

【００５５】さらにまた、図５(c) に示した工程におい
て、硅化物形成のための熱処理に先立ち、この基板１を
４５０℃に保持したまま、チャンバーを２×１０^-5Pa以
下の真空に排気した後、５００cm³ /minの流量の水素ガ
スと５００cm³ /minの流量の窒素ガスと２００cm³ /min
の流量のバナジウムクロライド（ＶＣｌ₅ ）ガスを導入
する。このときチャンバー内の圧力が３．７×１０^-3Pa
に維持されるようにし、バナジウム層４上に２０nm程度
の窒化バナジウム層６を選択的に形成しておくようにし
てもよい。またこの窒化バナジウム６の堆積工程では１
３．５６MHz ，８００Ｗの高周波電力を印加してＲＦ放
電を行うことにより窒素プラズマを発生させるようにし
てもよい。

【００５６】さらに硅化バナジウムの形成はバナジウム
クロライドとシラン（ＳｉＨ₄ ）および活性な水素を用
いて、半導体基板露出分、もしくは前記実施例等の方法
によりすでに形成した硅化バナジウム層等の金属硅化物
層上に硅化バナジウムを選択成長させるかもしくは全面
に成長させることによって行うようにしてもよい。

【００５７】ところで、選択成長は、初期段階において
バナジウムクロライドがシリコンと反応し、硅化バナジ
ウムと四塩化硅素（ＳｉＣｌ₄ ）が形成され、そのとき
四塩化硅素が蒸発するため、基板表面にエッチピットや
ボイドが成長しやすい。

【００５８】従って、シランと活性な水素を用いてシリ
コン基板との反応を抑え、硅化バナジウムを選択成長さ
せるとよい。このようにシリコン基板を浸蝕させない硅
化バナジウムの選択成長を用いることにより、０．０５
μm 程度の浅いｐ+ ／ｎおよびｎ+ ／ｐ接合の上にも硅
化バナジウムの張り付けを行うことができる。

【００５９】なお、上記した硅化バナジウムの形成はス
パッタリング法によって直接形成するようにしてもよ
い。

【００６０】その他、本発明は前述した実施例に限定さ
れるものではない。例えば熱処理方法としては、ハロゲ
ンランプによる加熱の他、レーザビーム、イオンビー
ム、電子ビームなどの照射による加熱等、瞬間的にシリ
コン基板を加熱する方法等を用いても良い。

【００６１】電極金属としても、タングステンに限定さ
れることなく、銅、アルミニウム、チタンなど他の金属
等でもよい。

【００６２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、半導体装置におけるコンタクト抵抗を大幅に低減す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の半導体装置の製造工程
図。

【図２】上記実施例の方法で形成したコンタクトと従来
例の方法で形成したコンタクトの表面近傍のキャリアプ
ロファイルを示す図。

【図３】本発明の第１の実施例の変形例である半導体装
置の製造工程図。

【図４】本発明の第２の実施例の半導体装置の製造工程
図。

【図５】本発明の第３の実施例の半導体装置の製造工程
図。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 酸化シリコン膜 ３ 不純物拡散層 ４ バナジウム層 ５ 硅化バナジウム層 ６ 窒化バナジウム層 ７ ボロン含有バナジウム層 ８ タングステン層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須黒 恭一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町 １ 株 式会社 東芝 総合研究所内 (56)参考文献 特開 平４−239126（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−148533（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−202860（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−256238（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−211622（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−3978（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−177565（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−6656（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/28 H01L 21/768

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板にボロンを不純物として導入
   した不純物領域が形成され、該領域に対してコンタクト
   するコンタクト層が形成された半導体装置において、 前記基板のコンタクト層が、ボロンとの化合物よりもシ
   リコンとの化合物を形成する際の自由エネルギー低下が
   大である金属の硅化物で構成されていることを特徴とす
   る半導体装置。
2. 【請求項２】 半導体基板に形成されるボロンを不純物
   として導入した不純物領域に対してコンタクトを形成す
   る半導体装置の製造方法において、 前記コンタクトの形成は前記半導体基板上にボロンとの
   化合物よりもシリコンとの化合物を形成する際の自由エ
   ネルギー低下が大である金属の硅化物を形成する工程を
   含むようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方
   法。