專利名稱：金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，特別涉及一種可降低漏電流(1eakage current)且不會降低崩潰電壓(breakdownvoltage)的硅化鈷(CoSi2)的制備方法。
常見用以制備硅化層最常見的材料為鈦(Ti)金屬，其制備流程如

圖1(a)至1(d)所示。首先，提供一具有金氧半晶體管的硅基底101，如圖1(a)所示。該金氧半晶體管包括一柵極(gate structure)103、位于該柵極103的側(cè)壁的間隙壁(spacer)104、位于該柵極二旁的源極/漏極區(qū)105以及一場氧化層(field oxide)102。其次，沉積一鈦金屬層106于該柵極103、間隙壁104、源極/漏極區(qū)105以及場氧化層表面上，如圖1(b)所示。之后，進(jìn)行第一階段的回火過程(thermal annealing process)，使鈦金屬與柵極103表面的多晶硅(polysilicon)及源極/漏極區(qū)105的硅(silicon)進(jìn)行硅化反應(yīng)而形成硅化鈦(TiSi2)層108，而在間隙壁104及場氧化層102表面上的鈦金屬則不會進(jìn)行反應(yīng)，如圖1(c)所示。之后，將位于間隙壁104及場氧化層102表面上的鈦金屬106以濕式或干式蝕刻的方式加以移除，而形成如圖1(d)所示的結(jié)構(gòu)。由于鈦金屬層106與柵極103的多晶硅及源極/漏極區(qū)105的硅反應(yīng)形成的硅化鈦層(TiSi2)108為C49相(C49 phase)，具有較高的片電阻(sheet resistance)，所以一般金屬硅化處理會進(jìn)一步進(jìn)行一第二階段回火過程，使硅化鈦層108由C49相轉(zhuǎn)換為片電阻值較低的C54相。
然而，由于目前半導(dǎo)體對線寬的要求愈來愈嚴(yán)格，相對地，以硅化鈦?zhàn)鳛榻饘俟杌瘜铀a(chǎn)生的片電阻及接面漏電流也愈來愈高。由于硅化鈷(CoSi2)具有更低的片電阻等特性，所以，針對0.25um以下的半導(dǎo)體制作方法，利用鈷金屬作為硅化層的材料的做法也愈來愈普遍。
一般而言，硅化鈷的形成方法與硅化鈦相似，但是由于其先天的材料特性而造成以下的缺點(diǎn)。第一，鈷金屬極易與氧氣反應(yīng)而造成電阻增加。第二，鈷金屬在沉積之前需將其表面的自然氧化物(native oxide)去除。第三，由于鈷-硅相較于鈦-硅更接近中間能階區(qū)(mid-bandgap level)，而導(dǎo)致在硅化反應(yīng)中，鈷金屬或是硅化鈷會滲入硅基底內(nèi)部而產(chǎn)生尖峰(spike)現(xiàn)象，在淺接面(shallow junction)結(jié)構(gòu)中易造成接面漏電流及崩潰電壓下降，因此，硅化鈷的制備方法也較硅化鈦的制備方法更為復(fù)雜。
美國第5,047,367號專利公開一利用雙層(bilayer)方式制備金屬硅化層的方法，其是將鈦金屬沉積于硅基底上，再覆蓋一層鈷金屬層，于氮?dú)庀逻M(jìn)行高溫回火步驟。在回火過程中，鈷金屬會轉(zhuǎn)移至硅基底表面而形成硅化鈷，而鈦金屬則會轉(zhuǎn)移至金屬硅化層的表面上而形成氮化硅，并且保護(hù)該硅化鈷層。雖然，這種形成氮化硅層的方式可省略將沉積表面的自然氧化物去除等步驟，卻會在鈦/鈷金屬的界面上形成鈦化鈷(CoTl2)而抑制硅化鈷的形成，且會造成接面漏電等問題。另外，因鈷為鐵磁性金屬，易造成在濺鍍時(shí)均勻性及再現(xiàn)性不佳等問題。
美國專利第4,923,822號及第5,911,114號揭示一硅化鈷層的制備方法是在沉積的鈷金屬表面上再沉積一氮化鈦(TiN)作為一覆蓋層(capping layer)，可避免鈷金屬在硅化過程中產(chǎn)生鈦化鈷而抑制硅化鈷的生成。然而，所形成的硅化鈷層仍不能解決接面漏電流以及尖峰現(xiàn)象等問題。另外，美國專利第5,736,461號揭示一制備硅化鈷層的方法是以鈦金屬作為覆蓋層，由于鈦金屬具有將硅基底表面的天然氧化物吸附(gettering)的特性，所以在鈷金屬沉積之前不需先進(jìn)行一清除步驟以移除硅基底表面的天然氧化物。然而，上述方法仍不能避免鈦化鈷的形成以及硅化鈷尖峰現(xiàn)象。
本發(fā)明的第二目的是提供一種不需覆蓋層的硅化鈷層的制備方法，以避免鈷金屬與覆蓋層進(jìn)行反應(yīng)而抑制硅化鈷的形成，為達(dá)成上述目的并避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，包括下列步驟提供一硅基底，該硅基底上具有一柵極、位于該柵極的二側(cè)的一輕摻雜的區(qū)域、位于該柵極側(cè)壁的一間隙壁以及一場氣化層；進(jìn)行重?fù)诫s(heavy doping)，以形成源極/漏極區(qū)；沉積一鈷金屬層，以覆蓋于該場氧化層、源極/漏極區(qū)、間隙壁及柵極的表面上；進(jìn)行離子植入步驟；及進(jìn)行一回火過程，使位于源極/漏極區(qū)及柵極結(jié)構(gòu)表面上的鈷金屬進(jìn)行反應(yīng)而形成硅化鈷，且去除場氣化層及間隙壁表面上未反應(yīng)的鈷金屬。
本發(fā)明是在金氧半晶體管進(jìn)行自對準(zhǔn)硅化處理之前先進(jìn)行一離子植入步驟，其植入的離子(例如氟、氟、溴、碘、硼及三氟化硼)會先與硅基底及柵極表面反應(yīng)，而在硅化過程中產(chǎn)生一阻障效應(yīng)(barriereffect)，可避免硅金屬或是硅化鈷滲入柵極或源極/漏極區(qū)內(nèi)部而產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象，避免造成金氧半晶體管產(chǎn)生接面漏電或降低其崩潰電壓。
具體地講，本發(fā)明提供一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一硅基底，該硅基底上具有一柵極、位于該柵極二側(cè)方的輕摻雜區(qū)域、位于該柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁的間隙壁及場氧化層；進(jìn)行重?fù)诫s以形成源極/漏極區(qū)；沉積一鈷金屬層以覆蓋于該場氧化層、源極/漏極區(qū)、間隙壁及柵極的表面上；進(jìn)行離子植入步驟；及進(jìn)行一回火過程，使位于源極/漏極區(qū)及柵極表面上的鈷金屬進(jìn)行反應(yīng)而形成硅化鈷，且去除場氧化層及間隙壁表面上未反應(yīng)的鈷金屬。
所述的在該鈷金屬層沉積之前，可進(jìn)一步包括一清除步驟，以移除硅基底表面上的雜質(zhì)。
所述的離子植入步驟所使用的離子是選自氟、氯、溴、碘、硼及三氟化硼。
所述的離子植入步驟所使用的劑量是介于1E13至2E15之間。
所述的回火過程的溫度是介于400℃至1000℃之間。
所述的回火過程包括下列步驟進(jìn)行第一階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面的鈷金屬進(jìn)行初步硅化反應(yīng)而形成砂化鈷中間物，而間隙壁及場氧化層表面的鈷金屬則不會進(jìn)行硅化反應(yīng)；移除間隙壁及場氧化層表面上未反應(yīng)的鈷金屬；及進(jìn)行第二階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面所形成的硅化鈷中間物進(jìn)一步反應(yīng)形成硅化鈷。
本發(fā)明還公開一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一硅基底，其中該硅基底上具有一柵極、一輕摻雜的區(qū)域位于該柵極的二側(cè)、一間隙壁位于該柵極的側(cè)壁上以及一場氧化層；進(jìn)行離子植入步驟；進(jìn)行重?fù)诫s以形成源極/漏極區(qū)；沉積一鈷金屬層以覆蓋于該場氧化層、源極/漏極區(qū)、間隙壁及柵極的表面上；及一進(jìn)行一回火過程，使位于源極/漏極區(qū)及柵極表面上的鈷金屬進(jìn)行反應(yīng)形成硅化鈷，且去除場氧化層及間隙壁表面上未反應(yīng)的硅金屬。
所述的離子植入步驟所使用的離子是選自氟、氯、溴、碘、硼及三氣化硼。
所述的離子植入步驟所使用的劑量是介于1E13至2E15之間。
所述的鈷金屬層沉積之前，可進(jìn)一步包括一清除步驟，以移除硅基底表面上的雜質(zhì)。
所述的回火過程的溫度是介于400℃至1000℃之間。
所述的回火過程包括下列步驟進(jìn)行第一階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面的鈷金屬進(jìn)行初步硅化反應(yīng)而形成硅化鈷中間物，而間隙壁及場氧化層表面的鈷金屬則不會進(jìn)行硅化反應(yīng)；移除間隙壁及場氧化層表面上未反應(yīng)的鈷金屬；及進(jìn)行第二階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面所形成的硅化鈷中間物進(jìn)一步反應(yīng)形成硅化鈷。
之后，利用化學(xué)沉積法(CVD)或是物理氣相沉積法(PVD)沉積一鈷金屬層207于該場氧化層202、源極/漏極區(qū)205、間隙壁204及柵極203表面上，如圖2(c)所示。為使該鈷金屬層207沉積更完全，在沉積之前可先進(jìn)行一清洗步驟，以清除表面的雜質(zhì)(例如自然氧化物或光阻的殘馀物)。在鈷金屬層207形成之后則進(jìn)行一離子植入步驟，所植入的離子會與硅基底表面進(jìn)行反應(yīng)而產(chǎn)生一阻障效應(yīng)(barrier effect)，使鈷金屬或硅化鈷不致在硅化反應(yīng)中滲入硅基底201內(nèi)部。該離子植入步驟所使用的離子，例如氟、氯、溴、碘、硼及三氟化硼等，較佳者為氟離子、硼離子及三氟化硼離子，且該離子植入步驟所使用的劑量是介于1E13至2E15之間。之后，進(jìn)行一回火過程，使鈷金屬層207與柵極203表面的多晶硅及源極/漏極區(qū)205的硅進(jìn)行一硅化反應(yīng)而形成一硅化鈷層208，而在間隙壁204及場氣化層202表面的鈷金屬層207則不會進(jìn)行反應(yīng)，如圖2(d)所示。其中，回火過程的溫度是介于400℃至1000℃之間。最后，將間隙壁204及場氧化層202表面上未進(jìn)行硅化反應(yīng)的鈷金屬層207加以移除，形成如圖2(e)所示的結(jié)構(gòu)。
但是，隨著晶體管積集度的增加，柵極203的尺寸也愈來愈小，若僅利用上述一階段回火過程進(jìn)行硅化反應(yīng)時(shí)，易導(dǎo)致在柵極203及源極/漏極區(qū)205表面上的硅化鈷層208急速反應(yīng)，而覆蓋至間隙壁204與柵極203的交界處及間隙壁204與源極/液汲區(qū)205的交界處，而使在柵極203及源極/漏極區(qū)205的硅化鈷層208互相接觸而造成短路，所以，本發(fā)明的方法也可利用二階段回火過程進(jìn)行硅化反應(yīng)，以避免造成上述短路現(xiàn)象。所謂二階段回火過程是先進(jìn)行第一階段回火步驟，使鈷金屬層207與柵極203表面的多晶硅及源極/漏極205表面的硅進(jìn)行硅化反應(yīng)而形成硅化鈷中間物(CoSi CoSix)，且在間隙壁204及場氧化層202表面的鈷金屬層則不會進(jìn)行硅化反應(yīng)。如圖2(d)所示，第一階段回火溫度是介于400℃至600℃之間。之后，如圖2(e)所示，利用濕式蝕刻或干式蝕刻，將間隙壁204及場氧化層202表面上未進(jìn)行硅化反應(yīng)的鈷金屬移除，再進(jìn)行第二階段回火步驟，第二階段回火過程所使用的溫度是高于第一階段回火過程(例如溫度介于600℃至800℃之間)。如此，可使柵極203與源極/漏極區(qū)205表面的硅化鈷中間物進(jìn)一步反應(yīng)形成硅化鈷。
本發(fā)明是在進(jìn)行回火過程之前先進(jìn)行一離子植入步驟，使硅金屬或硅化鈷在進(jìn)行硅化反應(yīng)時(shí)不會滲入硅基底或柵極表面，避免鈷金屬層及源極/漏極與柵極間的界面形成尖峰現(xiàn)象，造成接面漏電或降低崩潰電壓的缺點(diǎn)。本發(fā)明所揭示的離子植入步驟只要在鈷金屬進(jìn)行硅化反應(yīng)之前進(jìn)行即可，也即，離子植入步驟可在鈷金屬沉積之前或之后，或是在重?fù)诫s步驟之前或之后進(jìn)行，對此，本發(fā)明并不加以限制。
圖3(a)至3(e)根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)硅化處理的第二實(shí)施例的流程圖，其是在鈷金屬層沉積之前進(jìn)行離子植入步驟。首先，如前所述，提供一硅基底301，該硅基底301表面上具有一柵極303、輕摻雜的區(qū)域306位于該柵極303的二側(cè)下方的硅基底內(nèi)、間隙壁304位于該柵極303的側(cè)壁，及場氧化層302，如圖3(a)所示。之后，以該柵極303和間隙壁304為罩冪而進(jìn)行重?fù)诫s步驟，并形成一源極/漏極區(qū)305；接著再進(jìn)行一離子植入步驟，如圖3(b)所示。之后，進(jìn)行一清洗步驟以清除硅基底表面上的雜質(zhì)，并沉積一鈷金屬層307于該場氧化層302、源極/漏極305、間隙壁304及柵極303表面上，如圖3(c)所示。接著，再進(jìn)行上述一階段或是二階段回火過程，使硅金屬層進(jìn)行硅化反應(yīng)，如圖3(d)所示。最后，將未進(jìn)行硅化反應(yīng)的硅金屬移除，而形成一具有金屬硅化層的金氧半晶體管的結(jié)構(gòu)，如圖3(e)所示。
圖4(a)至4(e)是根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)硅化處理的第三實(shí)施例的流程圍，其是在進(jìn)行重?fù)诫s步驟以形成源極/漏極區(qū)之前進(jìn)行離子植入步驟。首先，如上所述，先提供一硅基底401，該硅基底401上具有場氧化層402、一柵極403、間隙壁404以及輕摻雜的區(qū)域406。之后，沉積一鈷金屬層407于該場氧化層402、輕摻雜的區(qū)域406、間隙壁404及柵極403表面上，如圖4(b)所示。接著，進(jìn)行一離子植入步驟。之后，再進(jìn)行一重?fù)诫s步驟以形成源極/漏極區(qū)405，如圖4例叫所示。然后，如上述步驟，進(jìn)行一階段或是二階段回火過程，使硅金屬進(jìn)行硅化反應(yīng)，并且將未進(jìn)行硅化反應(yīng)的硅金屬移除。
圖5(a)至5(e)是根據(jù)本發(fā)明的自對準(zhǔn)硅化處理的第四實(shí)施例的流程圖，其是在鈷金屬沉積及源極/漏極區(qū)形成之前進(jìn)行一離子植入步驟。同樣地，先提供具有場氧化層502、一柵極503、間隙壁504及輕摻雜的區(qū)域506的硅基底501，并且進(jìn)行一離子植入步驟，如圖5(a)所示。之后，沉積鈷金屬層507于該場氣化層502、輕摻雜的區(qū)域506、間隙壁504及柵極503表面上，如圖5(b)所示。接著，進(jìn)行一重?fù)诫s步驟以形成源極/漏極區(qū)505，如圖5(c)所示。然后，進(jìn)行一階段或是二階段回火過程，使硅金屬進(jìn)行硅化反應(yīng)，并且將未進(jìn)行硅化反應(yīng)的硅金屬移除。
圖6是利用現(xiàn)有技術(shù)及本發(fā)明的方法在N金氧半晶體管上形成硅化鈷的接面漏電流的比較圖，其中橫軸坐標(biāo)表示進(jìn)行回火過程的溫度，而縱軸坐標(biāo)表示所產(chǎn)生的接面漏電流。曲線a表示以現(xiàn)有技術(shù)的金屬硅化方法所制備的NMOS晶體管，而曲線b則表示以本發(fā)明的金屬硅化方法所制備的NMOS晶體管，也即，再進(jìn)行硅化反應(yīng)之前，先進(jìn)行一氟離子植入步驟。由圖中可知，以本發(fā)明的方法所形成的硅化鈷所產(chǎn)生的接面漏電流較以現(xiàn)有技術(shù)的方法所形成的硅化鈷為低。
圖7是利用本發(fā)明的方法于PMOS晶體管上且以不同離子進(jìn)行離子植入步驟所形成的硅化鈷所產(chǎn)生的接面漏電流的比較圖，其中，曲線c是以三氟化硼進(jìn)行離子植入，而曲線d是以硼離子進(jìn)行離子植入。由圖中可知，以硼離子植入所產(chǎn)生的接面漏電流較三氣化硼所產(chǎn)生的低，并且，利用比較圖6及圖7可知，利用本發(fā)明所揭示的方法確實(shí)可降低硅化鈷層的接面漏電流。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而本領(lǐng)域普通技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教導(dǎo)和啟事而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示者，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一硅基底，該硅基底上具有一柵極、位于該柵極二側(cè)方的輕摻雜區(qū)域、位于該柵極結(jié)構(gòu)側(cè)壁的間隙壁及場氧化層；進(jìn)行重?fù)诫s以形成源極/漏極區(qū)；沉積一鈷金屬層以覆蓋于該場氧化層、源極/漏極區(qū)、間隙壁及柵極的表面上；進(jìn)行離子植入步驟；及進(jìn)行一回火過程，使位于源極/漏極區(qū)及柵極表面上的鈷金屬進(jìn)行反應(yīng)而形成硅化鈷，且去除場氧化層及間隙壁表面上未反應(yīng)的鈷金屬。
2.如權(quán)利要求1所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于，在該鈷金屬層沉積之前，可進(jìn)一步包括一清除步驟，以移除硅基底表面上的雜質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的離子植入步驟所使用的離子是選自氟、氯、溴、碘、硼及三氟化硼。
4.如權(quán)利要求1所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的離子植入步驟所使用的劑量是介于1E13至2E15之間。
5.如權(quán)利要求1所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的回火過程的溫度是介于400℃至1000℃之間。
6.如權(quán)利要求1所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的回火過程包括下列步驟進(jìn)行第一階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面的鈷金屬進(jìn)行初步硅化反應(yīng)而形成砂化鈷中間物，而間隙壁及場氧化層表面的鈷金屬則不會進(jìn)行硅化反應(yīng)；移除間隙壁及場氧化層表面上未反應(yīng)的鈷金屬；及進(jìn)行第二階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面所形成的硅化鈷中間物進(jìn)一步反應(yīng)形成硅化鈷。
7.一種金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于，包括下列步驟提供一硅基底，其中該硅基底上具有一柵極、一輕摻雜的區(qū)域位于該柵極的二側(cè)、一間隙壁位于該柵極的側(cè)壁上以及一場氧化層；進(jìn)行離子植入步驟；進(jìn)行重?fù)诫s以形成源極/漏極區(qū)；沉積一鈷金屬層以覆蓋于該場氧化層、源極/漏極區(qū)、間隙壁及柵極的表面上；及進(jìn)行一回火過程，使位于源極/漏極區(qū)及柵極表面上的鈷金屬進(jìn)行反應(yīng)形成硅化鈷，且去除場氧化層及間隙壁表面上未反應(yīng)的硅金屬。
8.如權(quán)利要求7所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的離子植入步驟所使用的離子是選自氟、氯、溴、碘、硼及三氟化硼。
9.如權(quán)利要求7所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的離子植入步驟所使用的劑量是介于1E13至2E15之間。
10.如權(quán)利要求7所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的鈷金屬層沉積之前，可進(jìn)一步包括一清除步驟，以移除硅基底表面上的雜質(zhì)。
11.如權(quán)利要求7所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的回火過程的溫度是介于400℃至1000℃之間。
12.如權(quán)利要求7所述的金氧半晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，其特征在于所述的回火過程包括下列步驟進(jìn)行第一階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面的鈷金屬進(jìn)行初步硅化反應(yīng)而形成硅化鈷中間物，而間隙壁及場氧化層表面的鈷金屬則不會進(jìn)行硅化反應(yīng)；移除間隙壁及場氧化層表面上未反應(yīng)的鈷金屬；及進(jìn)行第二階段回火，使柵極與源極/漏極區(qū)表面所形成的硅化鈷中間物進(jìn)一步反應(yīng)形成硅化鈷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金氧半(MOS)晶體管的自對準(zhǔn)硅化物的制備方法，本發(fā)明是在金氧半晶體管進(jìn)行自對準(zhǔn)硅化處理之前先進(jìn)行一離子植入步驟，其植入的離子(例如氟、氯、溴、碘、硼及三氟化硼)會先與硅基底及柵極表面反應(yīng)，而在硅化過程中產(chǎn)生一阻障效應(yīng)(barrier effect)，可避免硅金屬或是硅化鈷滲入柵極或源極/漏極區(qū)內(nèi)部而產(chǎn)生尖峰現(xiàn)象，避免造成金氧半晶體管產(chǎn)生接面漏電或降低其崩潰電壓。
文檔編號H01L29/78GK1449002SQ02108180
公開日2003年10月15日 申請日期2002年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者陳偉梵, 廖文翔, 張明倫 申請人:華邦電子股份有限公司