形成金屬硅化物的方法

專利名稱：形成金屬硅化物的方法
技術領域：
本發明是有關于一種半導體制程，且特別有關于自行對準金屬硅化物(self-aligned silicidation or SALICIDE)制程。
背景技術：
SRAM為常見的內存，本身是屬于一種揮發性(volatile)的內存，亦即，當供給SRAM的電力消失之后，所儲存的數據會同時抹除。SRAM儲存數據的方式是利用存儲單元(memory cell)內晶體管的導電狀態來達成，SRAM的設計是采用互耦合晶體管為基礎，沒有電容器放電的問題，不需要不斷充電以保持數據不流失，也就是不需做內存更新的動作，這與同屬揮發性內存的動態隨機存取內存(DRAM)利用電容器帶電狀態儲存數據的方式并不相同。SRAM的存取速度相當快，因此有在計算機系統中當作高速緩存(cache memory)等的應用。
隨著電子裝置的漸趨復雜，集成電路如金氧半(MOS)晶體管的尺寸也日愈縮小，因此，就晶體管的通道區而言，源/汲極的阻值亦相對提高。有鑒于此，為了降低阻值并保持金屬層與MOS晶體管間的淺接面，習知技術揭露了一種自行對準金屬硅化物制程，如圖1A至圖1D所示。
首先依據圖1A，習知例適用于一半導體基底10，如由硅半導體材質所構成，形成方式則有磊晶(expitaxial)或絕緣層上有硅(silicon oninsulator)等，為方便說明，在此以一p型硅基底為例。然后定義出晶體管所在的主動區，例如利用區域氧化法(LOCOS)或淺溝隔離制程(STI)來形成一場氧化層(field insulator)，本圖以場氧化層11來表示，并藉該氧化層11來隔離出主動區(active area)。再依據傳統集成電路制程如沈積、微影及蝕刻步驟于主動區形成一閘極氧化層12、復晶硅閘極14、閘極間隙壁20，以及形成源/汲極區16。
然后如圖1B所示，由于芯片表面經與空氣中的氧氣接觸，會形成一薄原始氧化層(native oxide)30，由于此原始氧化層30會使得組件阻值升高而影響后續組件的電性表現，一般而言，習知的處理方式有二第一種是借由氬氣電漿濺擊(Argon sputter)21方式進行濺擊蝕刻如圖1C所示，直接以外力方式去除原始氧化層30以達到使組件阻值不致升高的目的。
接著，請參閱圖1D，先形成一鈷金屬層40，以覆蓋源/汲極16表面、閘極間隙壁20外側壁、上側壁和復晶硅閘極14上表面。然后，再形成一覆蓋層50以覆蓋該鈷金屬層40，例如一氮化鈦層50，以覆蓋該鈷金屬層40。
之后，如圖1E所示，實施一第一熱制程。經由此熱制程步驟，鈷金屬層40和復晶硅閘極14及源/汲極16表面形成硅化鈷化合物41。其中在閘極間隙壁20及場氧化層11表面是留下剩余未與硅反應的金屬鈷層40。
接著，依據圖1F，除去在絕緣間隔層20及場氧化層11表面剩余未與硅反應的鈷金屬層40及覆蓋層50，舉例而言，可利用選擇性蝕刻，如濕蝕刻制程以去除未反應的金屬鈷層40，但不會溶蝕硅化鈷化合物41，故在閘極間隙壁20及場氧化層11表面剩余未與硅反應的金屬鈷層40將因此去除，而留下在復晶硅閘極14及源/汲極16表面的硅化鈷化合物41。
最后，再實施一第二熱制程，經由此熱退火步驟，在復晶硅閘極14及源/汲極16表面的硅化鈷化合物41的阻值可以再降低。
除此之外，請參閱圖2A至圖2D，其顯示習知技術另一種使用硅化鈷的自行對準金屬硅化物制程。
首先依據圖2A，一基本MOS結構是形成于一半導體基底20上，例如先以場氧化層110隔離出一主動區，再依據傳統集成電路制程如沈積、微影及蝕刻步驟于主動區形成一閘極氧化層120、復晶硅閘極140、閘極間隙壁210和源/汲極區160。
然后，請再參閱圖2A，于形成的原始氧化層31表面先形成一鈷金屬層51，以覆蓋如源/汲極160表面、閘極間隙壁210外側壁、上側壁和復晶硅閘極140上表面。再全面性形成一鈦金屬層52以覆蓋該鈷金屬層51，利用鈦金屬高活性的特性以沉積于鈷金屬層51之上，并順勢往下擴散(diffuse through)53至鈷金屬層51下面與原始氧化層31反應而去除原始氧化層31。
再者，請參閱圖2B，進行金屬硅化物制程。以實施一第一熱制程，且經由此熱制程，鈷金屬層51和復晶硅閘極140及源/汲極160表面形成硅化鈷化合物(CoSix)54。其中，在閘極間隙壁210表面是留下剩余未與硅反應的鈷金屬層51。
接著，請參閱圖2C，利用選擇性蝕刻除去在閘極間隙壁210表面及場氧化層110表面剩余未與硅反應的鈷金屬層51，而留下在復晶硅閘極140及源/汲極160表面的硅化鈷化合物54。
最后，再實施一第二熱制程，經由此熱退火步驟，在復晶硅閘極140及源/汲極160表面的硅化鈷化合物54的阻值可以再降低。
但在實際制程及組件電性經驗上發現，于施行上述第一種自行對準金屬硅化物制程中，以氬氣電漿濺擊(Argon sputter)方式進行濺擊蝕刻來去除原始氧化層的過程會發生因CoSix殘留于復晶硅閘極邊緣而產生N+與N+間漏電流(Ioff)的風險，此外，上述過程中亦曾發現硅化鈷成型的粗劣化現象，此亦會造成漏電流，進而使得良率降低。
而上述第二種自行對準金屬硅化物制程中的去除原始氧化層方式是以濺鍍一金屬鈦層沉積于金屬鈷層之上，并順勢往下擴散(diffusethrough)至金屬鈷層下面而去除原始氧化層。此方法雖不會有電漿濺擊蝕刻去除原始氧化層的問題，但亦有金屬鈦層沉積量難以控制的難題，且會有使金屬硅化物的Rs阻值惡化之虞，進而使得良率降低。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種新式制程以去除原始氧化層，并配合使用于硅化鈷的自行對準金屬硅化物制程，以期解決上述習知技術的缺點。
為達到上述目的，本發明是在形成MOS結構后，以沉積一活性金屬層來取代習知的氬氣電漿濺鍍(Argon sputter)制程以去除原始氧化層，達到使組件阻值因原始氧化層被去除而不致升高的目的。此目的可利用濺鍍法順應性沉積一高活性金屬鈦層于已形成的原始氧化層上并覆蓋住該原始氧化層，在濺鍍沉積過程中，芯片經適當地加熱后，由于金屬鈦是一相當高活性的金屬且具有良好氧吸能力，其極易與下面覆蓋的原始氧化層(SiO2)反應，而將原始氧化層還原成TiSixOy。
簡言之，本發明的形成金屬硅化物的方法，其步驟至少包括先形成一活性層于該硅基板既有的結構上；然后形成一金屬層于該活性層上；再形成一覆蓋層于該金屬層上；進行一第一熱制程使該金屬層與上述復晶硅閘極結構、源極及汲極的硅成份反應，以形成一金屬硅化物；之后，選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層；最后，對該金屬硅化物進行一第二熱制程。
此外，本發明另提供一種金屬硅化物的形成方法，其步驟包括提供一具有硅層的基板；首先，形成一活性層于該硅層上；然后形成一金屬層于該活性層上；之后，形成一覆蓋層于該金屬層上；進行一第一熱制程使該金屬層與上述硅層反應，以形成一金屬硅化物；以及，選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層；最后，對該金屬硅化物進行一第二熱制程。
經由此發明，可避免因實施氬氣電漿濺鍍方式進行濺擊蝕刻來去除原始氧化層的過程中，會有因CoSix殘留于閘極間隙壁邊緣而產生N+與N+間漏電流(Ioff)的風險及硅化鈷成型的粗劣化現象。除此之外，活性層金屬鈦于硅或多晶硅材質表面的沉積厚度是不難控制的，且氮化鈦層沉積時亦不會有金屬鈦順勢往下擴散(diffuse through)至金屬鈷層下面的疑慮，可防止良率降低的風險。


圖1A至圖1F是顯示習知的一自行對準金屬硅化物的制程剖面圖。
圖2A至圖2C是顯示另一習知的自行對準金屬硅化物的制程剖面圖。
圖3A至圖3E是代表本發明的實施例中，使用活性層的自行對準金屬硅化物制程剖面圖。
符號說明習知技術半導體基底-10； 場氧化層-11；閘極氧化層-12； 復晶硅閘極-14；閘極間隙壁(spacer)-20；電漿濺擊(Argon sputter)21；源/汲極區-16； 原始氧化層-30、31；(鈷)金屬層-40、51； 鈦金屬層-52；覆蓋層-50； 擴散穿透-53；硅化鈷化合物-41、54；
半導體基底-20； 閘極氧化層-120；復晶硅閘極-140； 閘極間隙壁-210；源/汲極區-160。
本發明技術半導體基底-200； 場氧化層-111；閘極氧化層-121； 復晶硅閘極-141；閘極間隙壁(spacer)-201；源/汲極區-161； 原始氧化層-300；活性層-310；TiSixOy-320；金屬鈷層-330； 覆蓋層、氮化鈦層-340；硅化鈷化合物(CoSix)-350。
具體實施例方式
首先依據圖3A，一基本MOS結構是形成于一半導體硅基底200上，例如先以場氧化層111隔離出一主動區，再依據傳統集成電路制程如沈積、微影及蝕刻步驟于主動區形成一閘極氧化層121、復晶硅閘極141、閘極絕緣間隙壁201和源/汲極區161。
然后如圖3B所示，由于芯片表面與空氣中的氧氣接觸而自然地形成例如厚度約10-30埃的一原始氧化層(native oxide)300。接著，以物理氣相沉積(PVD)方式順應性濺鍍一層例如厚度約10-100埃，最佳范圍10-30埃的活性層310層于已形成的原始氧化層300上，此活性層例如為一鈦金屬層或鉑、鈦、鋯、鉭等金屬層，且覆蓋住該原始氧化層300。在濺鍍沉積過程中，芯片經加熱后，活性層310與下面覆蓋的原始氧化層300反應，而將原始氧化層300還原成TiSixOy 320，如圖3C所示，此制程的目的為達到使組件阻值因原始氧化層被分解去除而不致升高。
隨后，亦再利用物理氣相沉積(PVD)方式濺鍍進行順應性沉積一例如厚度約20-100埃，最佳值80埃的金屬層例如鈷金屬層330于該TiSixOy320層上以作為后續的金屬硅化反應的材料。由于具有良好氧吸能力的鈷金屬層330其特性為在適當的溫度下，能與硅產生反應而形成硅化鈷(CoSix)，并借由交互擴散形成低阻值的化合物，因此，在硅和鈷的接口間可形成良好的奧姆接觸。
接著，再利用物理氣相沉積(PVD)方式順應性沉積一例如厚度約50-500埃，最佳范圍100-200埃的覆蓋層例如氮化鈦(TiN)層340，覆蓋在該金屬鈷層330上，其目的為避免金屬鈷層330于高溫下污染機臺的室腔(chamber)。
接著，如圖3D所示，進行一例如溫度約300-800℃/10-60秒，最佳值約500℃/30秒的第一熱制程，例如為一快速熱退火制程(RTA)于該組件上以使金屬鈷層330進行硅化反應而產生硅化鈷(CoSix)350化合物于主動區的復晶硅閘極、及源極/汲極區上。于該第一次快速熱退火制程中，將活性較小的TiSixOy320層擠出而形成于CoSix350及氮化鈦層340之上，且部份的TiSixOy320層可能會在CoSix350及氮化鈦層340之間。
之后，如圖3E所示，經由后續的一例如氨水/雙氧水混合酸(APM)+M2混酸的選擇性濕蝕刻制程將CoSix350上面的TiSixOy320層及含金屬鈷、TiN成分的未參與硅化反應的部份去除，此制程的成效為防止未參與硅化反應TiN的鈷金屬層殘留而造成組件阻值上升的現象。最后，進行一例如溫度約500-1000℃/10-60秒，最佳值約850℃/30秒的第二熱制程，例如為一快速熱退火制程(RTA)以更為降低該硅化鈷的電阻率。
綜上所述，經由此發明，可避免因習知的施行氬氣電漿濺鍍方式進行濺擊蝕刻來去除原始氧化層的過程中，會有因CoSix殘留于閘極間隙壁邊緣而產生N+與N+間漏電流(Ioff)的風險及硅化鈷成型的粗劣化現象。另外，亦可避免另一種以濺鍍一金屬鈦層沉積于金屬鈷層之上，并順勢往下擴散(diffuse through)至金屬鈷層下面而去除原始氧化層卻造成金屬鈦層沉積量難以控制的難題，且會有使金屬硅化物的Rs阻值惡化之虞。本發明的優點為，活性層金屬鈦于硅或多晶硅材質表面的沉積厚度是不難控制的，且氮化鈦層沉積時亦不會有金屬鈦順勢往下擴散(diffusethrough)至金屬鈷層下面的疑慮，而最重要的是，不會有因CoSix殘留于閘極間隙壁邊緣而產生N+與N+間漏電流(Ioff)的風險及硅化鈷成型的粗劣化現象，大大地使良率降低的風險更為降低。
權利要求
1.一種形成金屬硅化物的方法，適用于一硅基板，其上形成有一MOS晶體管，包括一復晶硅閘極結構、一源極及一汲極，該方法包括下列步驟形成一活性層于該硅基板既有的結構上；形成一金屬層于該活性層上；形成一覆蓋層于該金屬層上；進行一第一熱制程使該金屬層與上述復晶硅閘極結構、源極及汲極的硅成份反應，以形成一金屬硅化物；選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層；以及對該金屬硅化物進行一第二熱制程。
2.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該復晶硅閘極結構是包括一間隙物、一復晶硅閘電極、以及一閘介電層。
3.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該形成的活性層是順應性沉積覆蓋在該硅基板既有的結構上，使該活性層與該基底上的原始氧化層反應，而消除該原始氧化層。
4.根據權利要求3所述的形成金屬硅化物的方法，其中該活性層是鈦金屬層。
5.根據權利要求3所述的形成金屬硅化物的方法，其中該活性層是鉑、鈷、鋯或鉭金屬層。
6.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該活性層的厚度是在50-500埃之間。
7.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該金屬層是鈷金屬層。
8.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該金屬層是鉑、鈦、鋯或鉭金屬層。
9.根據權利要求7所述的形成金屬硅化物的方法，其中該鈷金屬層的厚度是在20-100埃之間。
10.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該覆蓋層是一氮化鈦層。
11.根據權利要求10所述的形成金屬硅化物的方法，其中該氮化鈦層的厚度是在50-500埃之間。
12.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該第一熱制程是一快速熱退火制程，其溫度是在300-800℃之間，且經歷時間是10-60秒之間。
13.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層是利用濕蝕刻法來施行。
14.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該第二熱制程是一快速熱退火制程，其溫度是在500-1000℃之間，且經歷時間是10-60秒之間。
15.一種形成金屬硅化物的方法，包括下列步驟提供一具有硅層的基板；形成一活性層于該硅層上；形成一金屬層于該活性層上；形成一覆蓋層于該金屬層上；進行一第一熱制程使該金屬層與上述硅層反應，以形成一金屬硅化物；選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層；以及對該金屬硅化物進行一第二熱制程。
16.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中該活性層是鈦、鉑、鈷、鋯或鉭金屬層。
17.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中該活性層的厚度是在50-500埃之間。
18.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中該金屬層是鈷、鈦、鉑、鋯或鉭金屬層。
19.根據權利要求18所述的形成金屬硅化物的方法，其中該金屬層的厚度是在20-100埃之間。
20.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中該覆蓋層是一氮化鈦層。
21.根據權利要求20所述的形成金屬硅化物的方法，其中該氮化鈦層的厚度是在50-500埃之間。
22.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中該第一熱制程的溫度是在300-800℃之間，且經歷時間是10-60秒之間。
23.根據權利要求15所述的形成金屬硅化物的方法，其中選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層是利用濕蝕刻法來施行。
24.根據權利要求1所述的形成金屬硅化物的方法，其中該第二熱制程的溫度是控制在500-1000℃之間，且經歷時間是10-60秒之間。
全文摘要
本發明提供一種自我對準金屬硅化物的制造方法，其步驟為于一硅基板上形成一復晶硅閘極結構，尚且形成一源極與一汲極于該閘極結構兩側的硅基板上。接著，形成一活性層于該上述結構表面以消除原始氧化層，再于該活性層表面上形成一金屬層。之后，進行一第一熱制程使該金屬層與復晶硅閘極結構、源極及汲極上進行硅化反應以形成金屬硅化物；然后，進行選擇性蝕刻移除未與硅反應的該金屬層；以及進行一第二熱制程以降低半導體組件的電阻率。
文檔編號H01L21/3205GK1574249SQ20031010332
公開日2005年2月2日 申請日期2003年10月28日 優先權日2003年6月16日
發明者杜安群, 黃振銘 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司