專利名稱：形成硅化鈷的方法和裝置組及具有該硅化鈷的半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體工藝和實(shí)行此工藝的裝置、以及所形成的半導(dǎo)體元件，且特別涉及一種形成硅化鈷的方法和實(shí)行此方法的裝置、以及所形成的半導(dǎo)體元件，其適用于半導(dǎo)體工藝中。
背景技術(shù)：
現(xiàn)今的深亞微米(deep sub-micron)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路使用高密度的內(nèi)連線及接觸窗，故后者必須具有尺寸可調(diào)性(scalability)，以使工藝順利轉(zhuǎn)換至較小的尺寸。各CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Field EffectTransistor，F(xiàn)ET)元件之間或與其他構(gòu)件之間以所謂的金屬硅化物(silicide)接觸層進(jìn)行電連接，其中源/漏極區(qū)有部分的硅會(huì)在熱處理過程中與金屬反應(yīng)，而形成低電阻區(qū)?，F(xiàn)有技藝已提及數(shù)種金屬硅化反應(yīng)，而現(xiàn)今主流的0.18μm工藝基本上使用硅化鈦(TiSi2)作為柵極與有源區(qū)的電接觸層。然而，因?yàn)楣杌伒钠娮桀H受線寬的影響，熱穩(wěn)定性低，且鈦金屬在硅化反應(yīng)中所消耗的硅原子數(shù)量又不易控制，所以在使用上有不少限制。因此，硅化鈦并不適合使用在下一世代的工藝中。
為解決此問題，現(xiàn)有許多方法使用硅化鈷(CoSi2)來取代硅化鈦。
舉例來說，Goto等人于1994年Symposium on VLSI Technology Digest ofTechnical Papers第119頁“Optimization of Salicide Process for sub 0.1μmCMOS Devices一文中，即揭露硅化鈷的制造方法與使用。不過，鈷金屬也有其使用上的問題與限制。舉例來說，鈷對(duì)氧及水氣非常敏感，所以即使在熱處理工藝中使用純度極高的惰性氣體，所形成的硅化鈷仍常受到氧的污染，致使其片電阻增加。為了防止鈷金屬層氧化，Goto等人在其自對(duì)準(zhǔn)硅化鈷工藝(Cobalt Salicide Process)中使用鈦或氮化鈦頂蓋層作為鈷金屬層的保護(hù)層。亦即，該方法先在晶片頂面上沉積一層鈷，此頂面由數(shù)種不同性質(zhì)的表面所構(gòu)成，其包括電介質(zhì)表面(如側(cè)壁與隔離區(qū)的表面)及硅質(zhì)表面(如柵極與源/漏極區(qū)的表面)。接著在鈷金屬層上形成鈦或氮化鈦頂蓋層，以免鈷金屬層接觸到空氣，然后進(jìn)行第一次回火，以使晶片上和鈷金層接觸的硅質(zhì)表面與鈷產(chǎn)生反應(yīng)。在第一次回火之后，依序以NH4OH/H2O2/H2O溶液與HCl/H2O2/H2O溶液進(jìn)行蝕刻，以除去任何未硅化的金屬材料，即鈷、鈦、氮化鈦及其混合物，再進(jìn)行第二次回火。在此工藝的第一次回火步驟中，可以使用半導(dǎo)體工藝等級(jí)的氮?dú)庾鳛榄h(huán)境氣體，以免環(huán)境氣體中殘留的氧與鈷反應(yīng)。如此，所產(chǎn)生的自對(duì)準(zhǔn)硅化鈷層即不會(huì)被氧污染，而能防止片電阻上升。
如上所述，為防止金屬硅化反應(yīng)受到氧的污染，自對(duì)準(zhǔn)硅化鈷工藝可使用鈦或氮化鈦層作為鈷金屬層的頂蓋層。鈦與氮化鈦這兩種材料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，舉例來說，氮化鈦比較穩(wěn)定，且與鈷的反應(yīng)性甚低。然而，此種工藝中鈦金屬卻是優(yōu)選的選擇，主要是因?yàn)榧冣伵c氧的反應(yīng)性較高，而較能發(fā)揮頂蓋的效用以防止鈷被氧化。再者，前人的研究亦顯示，使用鈦頂蓋層也可以形成熱穩(wěn)定性優(yōu)選的自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物薄膜，如Sohn等人于“Effects of Ti-capping on formation and stability of Co silicide”(Journal ofThe Electrochemical Society，147(1)，373～380，2000)一文中所述的。
然而，在鈷金屬上形成鈦頂蓋層后，卻會(huì)使金屬硅化反應(yīng)機(jī)制更為復(fù)雜。如Sohn等人于上文中所指出的，在第一回火步驟中，不但硅會(huì)與鈷反應(yīng)生成主要由CoSi與Co2Si所構(gòu)成的硅化鈷層，而且鈦原子還會(huì)在鈷與硅反應(yīng)時(shí)擴(kuò)散到鈷金屬層中，并形成金屬混合物層；同時(shí)，鈦金屬層也會(huì)略為氮化。上述各反應(yīng)皆可用圖14簡單表示。由于該些反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，所以工藝的控制甚為復(fù)雜。
此外，如硅化鈷工藝使用鈦頂蓋層，則其第一回火步驟的溫度須高于使用氮化鈦頂蓋層的工藝，這是因?yàn)閿U(kuò)散進(jìn)入鈷金屬層的鈦原子將會(huì)減慢硅化反應(yīng)。換句話說，在有鈦原子參與的鈷的硅化過程中，由于鈦原子會(huì)減慢鈷與硅的反應(yīng)，所以需要較高的溫度以完成整個(gè)反應(yīng)。另外，根據(jù)Sohn等人的說法，鈦原子會(huì)擴(kuò)散到硅的界面與硅化鈷的晶粒邊界中，而可以使最后的CoSi2薄膜穩(wěn)定化。然而，由于部分鈷原子會(huì)與鈦反應(yīng)生成鈷鈦金屬混合物層，所以不是所有的鈷原子都會(huì)與硅反應(yīng)生成硅化鈷。一般而言，此種工藝中鈦頂蓋層的厚度為鈷金屬層的1～2倍，如此大量的鈦金屬將會(huì)顯著降低可與硅反應(yīng)的鈷金屬的量。由于上述各種效應(yīng)皆難以預(yù)期與控制，致使硅化鈷工藝的設(shè)計(jì)規(guī)劃成為一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。舉例來說，在更先進(jìn)世代的工藝中，最后形成的硅化鈷層的厚度即須作精確的控制，以因應(yīng)日益減小的源/漏極區(qū)接面深度。
由此可見，雖然現(xiàn)有的自對(duì)準(zhǔn)硅化鈷工藝可滿足現(xiàn)今0.1μm以下先進(jìn)工藝的需求，但為使此工藝能用于更先進(jìn)的世代中，其仍有改善的必要。亦即，業(yè)界亟需一種可以形成極小的圖形尺寸及線寬的金屬硅化物工藝，其不但能減小硅化鈷層的厚度，同時(shí)還可以使硅化鈷層具有良好的熱穩(wěn)定定性，以耐受800～900℃的回火溫度而不會(huì)產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象。再者，此工藝也必須具有優(yōu)選的工藝裕度，特別是對(duì)硅化鈷薄膜的厚度及片電阻而言。最后，可用以形成自對(duì)準(zhǔn)硅化鈷的基本制造流程與制造工具，同樣也是現(xiàn)今的半導(dǎo)體制造業(yè)所急需的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是為前述各項(xiàng)硅化鈷工藝的問題提出解決的方案。
本發(fā)明目的之一即是提出一種效能高、工藝容易的電接觸材料，其可適用于各種半導(dǎo)體工藝，如自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物工藝等。
本發(fā)明另一目的即是提出一種改良型的整合式沉積裝置，其可沉積并處理多種半導(dǎo)體材料層，包括高導(dǎo)電效能的金屬硅化物層(如硅化鈷層)。
本發(fā)明再一目的即是提出一種成本較低卻可靠的硅化鈷工藝，其適用于下一代集成電路技術(shù)的量產(chǎn)化，但卻可于習(xí)用的半導(dǎo)體制造設(shè)備中進(jìn)行。
為達(dá)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出一種在以硅為主材質(zhì)的襯底(以下簡稱硅襯底)上形成硅化物的方法，其同時(shí)使用鈷金屬與鈷鈦合金，一般步驟如下(a)于硅襯底上沉積含鈷的第一金屬層；(b)至少于第一金屬層的選取部分上沉積第二金屬層，其含有鈷與一耐熱金屬的合金；(c)進(jìn)行第一熱處理，以至少使部分第一金屬層與硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物，其具有第一電阻率；以及(d)進(jìn)行第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成第二硅化組成物，其主要具有一低電阻硅化鈷相，且此低電阻硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于第一電阻率。
在上述方法的優(yōu)選型態(tài)中，所用的合金為含有20～80mol％的鈦元素的組成物。另外，在步驟(c)之后通常可進(jìn)行除去硅化物以外的所有金屬的步驟。再者，在步驟(a)之前可先清洗硅襯底的表面，以除去任何原生氧化層。此外，含鈷合金優(yōu)選為三成分的組成物，包含鈷、鈦，以及另一耐熱金屬或碳。
另外，在上述方法的優(yōu)選型態(tài)中，步驟(a)至(c)優(yōu)選在同一個(gè)半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行，以免晶片在工藝轉(zhuǎn)換之間暴露在外界環(huán)境中。如此元件的可靠性、生產(chǎn)性及產(chǎn)能皆可以增加。
為達(dá)成本發(fā)明的另一目的，本發(fā)明提出一種使用裝置組在硅襯底上形成硅化鈷的方法，其步驟如下(a)在一半導(dǎo)體晶片加工裝置組的第一處理室中，至少于硅襯底的選取部分上沉積第一金屬層，其含有鈷與一耐熱金屬(優(yōu)選為鈦)的合金，且耐熱金屬的含量為1～10％；(b)在半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行第一熱處理，以至少使部分的第一金屬層與硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物，其具有第一電阻率；以及(c)進(jìn)行第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成第二硅化組成物，其主要具有一低電阻硅化鈷相，且此低電阻硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于第一電阻率。在方法中，更可在步驟(a)與/或步驟(b)之前于群集進(jìn)行裝置中進(jìn)行氣體清洗處理(purge treatment)，其使用鈍氣以除去各種污染物及反應(yīng)氣體。
在上述方法的優(yōu)選型態(tài)中，第一熱處理可為一原位(in-situ)回火處理，其是在沉積第一金屬層的原處進(jìn)行。由于靶材中含有少量的鈦，所以生成的金屬硅化物中也含有微量的鈦。
在本發(fā)明提出的另一種相關(guān)的硅化物形成方法中，是同時(shí)進(jìn)行濺鍍及加熱動(dòng)作，即以高溫濺鍍的方式于硅襯底上形成鈷與一耐熱金屬的合金層，其中鈷的含量足以在襯底上形成一低電阻接觸層。在進(jìn)行濺鍍時(shí)，硅襯底同時(shí)(以加熱燈管)加熱至一特定溫度，并持續(xù)一段時(shí)間，以至少使硅襯底與合金層產(chǎn)生部分的金屬硅化反應(yīng)。接著，在較高溫度下進(jìn)行一后續(xù)加熱步驟，以徹底完成此金屬硅化反應(yīng)，其亦可以原位(in-situ)的方式，在同一裝置組的同一處理室中進(jìn)行。
為達(dá)成本發(fā)明的再一目的，本發(fā)明提出一種在硅襯底上形成硅化物材料的方法，其使用兩層不同的鈷金屬層，且一般步驟如下(a).在硅襯底上沉積第一金屬層，其包含鈷與一耐熱金屬的合金；(b).在第一金屬層上沉積第二金屬層，其中鈷的含量高于第一金屬層；(c).在進(jìn)行步驟(b)的同時(shí)進(jìn)行第一加熱處理，以至少使部分的第一金屬層、第二金屬層與硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物，其具有第一電阻率；以及(d).進(jìn)行第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成第二硅化組成物，其主要具有一低電阻硅化鈷相，且此低電阻硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于第一電阻率在上述方法的優(yōu)選型態(tài)中，合金層優(yōu)選含有20～80mol％的鈦，且第二金屬層包含鈷與一耐熱金屬的合金。如前所述，步驟(a)、(b)及(c)優(yōu)選在同一半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行。
本發(fā)明又提出一種操作裝置組以完成前述硅化鈷工藝與反應(yīng)的方法，其代表性范例的步驟如下(a).清洗以硅為主要材質(zhì)的晶片(以下簡稱硅晶片)，以除去其上的原生氧化層與/或污染物；(b).加熱除去硅晶片上的液體，使得硅晶片上不致留下水痕(watermark)；(c).使用含有鈷與至少一種耐熱金屬的合金靶，在硅質(zhì)晶片上濺鍍第一金屬層；以及(d).對(duì)硅晶片進(jìn)行第一回火處理，以使鈷與硅晶片上的硅反應(yīng)。在此方法中，為提高產(chǎn)品的可靠度及生產(chǎn)性，步驟(b)～(d)皆可在同一半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行。
由于許多裝置組并不含濕蝕刻的部分，所以濕蝕刻步驟可以在與半導(dǎo)體晶片加工裝置組分離的處理站中進(jìn)行，以除去硅化物以外的金屬。再者，加熱除去液體的步驟亦可在半導(dǎo)體晶片加工裝置組的載入室中進(jìn)行。
接下來，本發(fā)明的裝置組用以對(duì)晶片進(jìn)行半導(dǎo)體加工操作程序，其具有(a).用以載入晶片的載入室；(b).配備鈷合金靶的濺鍍室，用以將靶材濺鍍至晶片上；以及(c).加熱回火裝置，其以一定速率及溫度加熱晶片，以使晶片與鍍上的靶材產(chǎn)生金屬硅化反應(yīng)。
上述的載入室優(yōu)選可用來加熱除去晶片上的液體，且濺鍍室與加熱回火裝置優(yōu)選整合在單一的處理站中，而以原位(in-situ)的方式進(jìn)行高溫濺鍍操作。另外，此裝置更可包含配備第二含鈷濺鍍靶的第二濺鍍室，用以將第二濺鍍靶的材料濺鍍至晶片上；又可包含一清洗站，以在任何濺鍍操作前先清洗晶片。再者，此裝置亦可稍作變化，在濺鍍室中采用可抽換的靶材，如此在先后沉積兩種不同的靶材時(shí)即不必移動(dòng)晶片。
本發(fā)明的其他方面，則是有關(guān)于利用前述硅化鈷反應(yīng)與工藝所得的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、硅化組成物及半導(dǎo)體元件，以及前述的裝置組的使用方法。


為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下，圖中圖1～6示出本發(fā)明第一實(shí)施例的硅化鈷層的完整工藝及具有此硅化鈷層的元件的剖面圖；圖7～9示出本發(fā)明第二實(shí)施例的硅化鈷層的完整工藝及具有此硅化鈷層的元件的剖面圖；圖10～13示出本發(fā)明第三實(shí)施例的硅化鈷層的完整工藝及具有此硅化鈷層的元件的剖面圖；圖14示出現(xiàn)有硅化鈷工藝的剖面圖，包括因回火步驟所引發(fā)的中間反應(yīng)的結(jié)果；圖15示出本發(fā)明的硅化鈷工藝中，因回火步驟所引發(fā)的中間反應(yīng)的部分結(jié)果；以及圖16示出本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的用以形成硅化物材料的沉積/反應(yīng)裝置組(cluster tool)。
附圖中的附圖標(biāo)記說明如下100半導(dǎo)體晶片 101襯底105半導(dǎo)體元件 110柵極115柵絕緣層120、121側(cè)壁間隙壁130、131淺摻雜源/漏極區(qū)135、136深摻雜源/漏極區(qū)138隔離區(qū) 140鈷金屬層150鈷鈦頂蓋層 151鈷鈦合金層160鈷金屬層與襯底的界面170硅化鈷層1000裝置組 1010、1020載入室1030、1060～1080各種處理室1040、1050(或1060、1070)濺鍍室1045預(yù)清洗站 1055冷卻站1100、1200晶片處理站具體實(shí)施方式
以下的詳細(xì)說明僅用以解釋本發(fā)明的數(shù)個(gè)特定實(shí)施例，而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可由以下的說明推知本發(fā)明其他的實(shí)施例及已揭露的實(shí)施例的變化型態(tài)。
第一實(shí)施例本發(fā)明第一實(shí)施例的優(yōu)選方法示于圖1～6中。請(qǐng)參照?qǐng)D1，其示出半導(dǎo)體晶片100的剖面圖，圖中有一習(xí)用的半導(dǎo)體元件105形成在輕度摻雜的N或P型襯底101上，此元件基本上包括由N或P摻雜的多晶硅所構(gòu)成的柵極110、柵絕緣層115、介電材質(zhì)(SiN)的側(cè)壁間隙壁120與121、淺N或P摻雜源/漏極區(qū)130/131，以及深N或P摻雜源/漏極區(qū)135/136。此元件100基本上以一或多個(gè)隔離區(qū)138作為邊界，其可由各種絕緣薄膜所構(gòu)成，如二氧化硅薄膜。由于此等隔離結(jié)構(gòu)的材質(zhì)及制作方法皆為周知者，故在此不予贅述。另外，雖然本發(fā)明優(yōu)選使用主要由多晶硅構(gòu)成的柵極110及主要由硅構(gòu)成的源/漏極區(qū)135/136，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)可由本發(fā)明所教示的內(nèi)容推知，任何襯底材料只要能與鈷反應(yīng)，且其反應(yīng)易于控制，即可適用于本發(fā)明中。
在整個(gè)晶片100上，暴露出的硅質(zhì)表面部分基本上包括N型及P型摻雜區(qū)，其為多晶硅及襯底材料所構(gòu)成的區(qū)域，如柵極110及源/漏極區(qū)135/136等。硅襯底區(qū)域的源/漏極區(qū)135/136與多晶硅柵極110一般以磷(P)、砷(As)、硼(B)及鍺(Ge)離子摻雜，且其表面常會(huì)產(chǎn)生很薄的原生氧化層(未顯示)，如前所述。此原生氧化層必須在金屬硅化反應(yīng)之前去除，以免影響電接觸層的品質(zhì)。
為減少或除去原生氧化層，晶片100可先以一或多種習(xí)用技術(shù)加以處理。優(yōu)選的方式是將其浸泡在氫氟酸(HF)的去氧水溶液中，再以異丙醇干燥晶片，以免留下水痕，其中氫氟酸浸泡與異丙醇干燥的步驟可以批次及單晶片處理的方式進(jìn)行。另一種方法是使用氣態(tài)氟化氫(HF vapor)處理晶片100，以除去原生氧化層；而再一種方法則是對(duì)晶片100進(jìn)行物理濺鍍。上述的后兩種方法可以很容易地并入裝置組系統(tǒng)中，其先在一處理室中去除氧化物，再將晶片100移至另一處理室中進(jìn)行金屬濺鍍，其工藝步驟轉(zhuǎn)換間并不會(huì)接觸到外界空氣。
此外，在某些應(yīng)用中更可進(jìn)行加熱除氣(out-gassing)的步驟，如此整個(gè)原生氧化層去除工藝即包括下列步驟氫氟酸浸泡、異丙醇干燥及加熱除氣步驟。另外，雖然加熱除氣步驟通常在裝置組的特定處理室中進(jìn)行，但其在某些應(yīng)用中亦可直接在裝置組的載入室中進(jìn)行。
不過，無論采用何種方式，原生氧化層去除后的晶片100的剖面皆如圖1所示。接著，如圖2所示，將晶片100置于第一濺鍍沉積室中，并以鈍氣等離子體將純鈷靶的材料濺鍍到整個(gè)晶片上，而形成厚約10nm的鈷金屬層140。在優(yōu)選的作法中，此第一濺鍍沉積室為一裝置組的一部分，而此種裝置組將于稍后依圖16作詳細(xì)說明。
如圖3所示，接著將晶片移到第二濺鍍沉積室中，并同樣以鈍氣等離子體將鈷鈦合金靶的材料濺鍍到晶片上，以沉積厚度約15nm的鈷鈦合金頂蓋層150。其中鈷鈦合金靶中鈦含量約為20～80mol％，且優(yōu)選約為50mol％。另外，若第一濺鍍室的濺鍍靶是可以抽換的，此步驟即不必將晶片100移出第一濺鍍室，如此鈷金屬層與鈷鈦合金頂蓋層即可在同一處理室中形成。
再者，雖然此優(yōu)選實(shí)施例使用鈦金屬作為合金層的成分，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能明了，為得到所需的薄膜品質(zhì)，并顧及與后續(xù)沉積的材料的相容性，本發(fā)明亦可使用其他的元素，只要該元素具有相同的防止氧化效果即可。舉例來說，某種特定的應(yīng)用可能適合使用一或任意多種的耐熱金屬，如鉭(Ta)、鎢(W)、鉬(Mo)、鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)等，其皆可如鈦一般減慢鈷的硅化反應(yīng)，以形成高品質(zhì)的硅化鈷薄膜。由此觀點(diǎn)而言，本文中“耐熱金屬”一詞并非用以限定本發(fā)明可用的金屬元素的范圍，而本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)可明了，在周期表上位置靠近該些耐熱金屬的其他金屬亦皆可能適用于本發(fā)明中。
在形成鈷鈦頂蓋層150后，接著將晶片100傳送至一回火室，此回火室亦可整合至前述內(nèi)含第一第二濺鍍室的裝置組中。不過，因?yàn)殁掆來斏w層150已有保護(hù)的作用，所以此回火室也可以置于他處。但是，如果此回火室并未整合至同一裝置組中，則鈷鈦頂蓋層150優(yōu)選為一非晶態(tài)薄膜，其非晶態(tài)可以現(xiàn)有的方法達(dá)成，亦即在沉積鈷鈦頂蓋層150時(shí)控制晶片100的溫度。為作進(jìn)一步的改良，亦可使用含三種成分的靶材，其中除鈷與鈦外更包括第二耐熱金屬或碳之類的輕元素，以改善頂蓋層150的性質(zhì)。
請(qǐng)參照?qǐng)D4，接著在氮?dú)饣驓鍤猸h(huán)境下進(jìn)行第一次回火，其溫度為500～650℃，回火時(shí)間較短(約60秒)，且使用一般的加熱燈具。當(dāng)然，實(shí)際上所用回火時(shí)間與溫度依加熱器的性能而定，也很容易針對(duì)材料的種類及厚度作適當(dāng)調(diào)整，以達(dá)最佳的效果。此第一回火操作會(huì)引發(fā)數(shù)種反應(yīng)，包括鈷鈦頂蓋層150及鈷金屬層140中的反應(yīng)，以及下方硅層界面處的反應(yīng)。例如，鈷金屬層140會(huì)與下方含硅區(qū)(即柵極110與源/漏極區(qū)135/136)中的硅反應(yīng)，而在鈷金屬層140中或其界面160處形成一些化合物，包括CoSi及Co2Si等，其為高電阻的硅化物相態(tài)。
另外，雖然在某些環(huán)境或特定的工藝中，鈷鈦合金層150中的鈦原子也可能因氮的作用而到達(dá)表面，并反應(yīng)生成鈦/氮化鈦層(未顯示)，但因鈷-鈦的硅化反應(yīng)為其競爭反應(yīng)，此鈦/氮化鈦層的形成應(yīng)不致對(duì)本發(fā)明造成太大的影響。
請(qǐng)參照?qǐng)D5，接著選擇性地蝕刻晶片100，以去除硅化物以外的金屬及其混合物。同樣地，此步驟所需的各種化學(xué)品及蝕刻程序皆為業(yè)界所熟知，故本發(fā)明并不對(duì)其作特別限制。
請(qǐng)參照?qǐng)D6，接著在750～900℃下，以同樣方式對(duì)晶片100進(jìn)行第二回火步驟，其時(shí)間足以使硅化反應(yīng)完成，即將高電阻的Co2Si/CoSi相轉(zhuǎn)變成低電阻的CoSi2相，而完成硅化鈷層170的工藝。當(dāng)然，如之前所述的，實(shí)際上所用的時(shí)間及溫度，依照沉積薄膜的材質(zhì)及厚度等特性而定。于此之后，即可對(duì)晶片100進(jìn)行一些現(xiàn)有工藝步驟，如形成元件105的介電層、接觸窗及內(nèi)連線等，而完成此元件的工藝。
上述第一回火處理的結(jié)果的剖面圖繪示于圖15中，其可與圖14所繪的現(xiàn)有方法在同階段的結(jié)果作對(duì)照。如圖15所示，本發(fā)明的中間反應(yīng)產(chǎn)物與現(xiàn)有的相似，但本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于一開始即沉積現(xiàn)有方法的最后產(chǎn)物(即鈷鈦合金)。此即表示本發(fā)明的結(jié)果較可預(yù)測(cè)，使工藝工程師能更為準(zhǔn)確地估算一定量的鈷金屬將會(huì)產(chǎn)生多少的中間產(chǎn)物(即CoSi與Co2Si)。
再者，雖然鈷鈦合金對(duì)N2的反應(yīng)性低于鈦，但其對(duì)氧及水氣還是有足夠的反應(yīng)性，而得以防止各種可能的污染，進(jìn)而防止所形成的硅化鈷層的導(dǎo)電性能下降。另外，如同現(xiàn)有方法所用的鈦頂蓋層，本發(fā)明的鈷鈦頂蓋層150亦可提供鈦原子擴(kuò)散至下方鈷金屬層140中。雖然鈦原子會(huì)減慢硅化反應(yīng)，而使轉(zhuǎn)換至低電阻CoSi2相態(tài)所需的溫度升高，但其卻可以提高所形成的硅化鈷層170的品質(zhì)。同時(shí)，鈷鈦頂蓋層150與下方鈷金屬的反應(yīng)性亦低于鈦頂蓋層，所以鈷鈦頂蓋層150與鈷金屬層的交互作用較少，而不會(huì)影響到可參與硅化反應(yīng)的鈷金屬的量。此即表示所形成的硅化鈷薄膜的厚度更容易控制，而能改善工藝的可控制性。
除此之外，由于參與整個(gè)反應(yīng)過程的鈦量較少，所以與現(xiàn)有方法相比，本方法的鈷金屬層可以做得很薄，如此將具有增加生產(chǎn)力及縮短工藝時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。舉例來說，本方法只要形成厚80～100的鈷金屬層，即足以與厚350的硅層反應(yīng)，而在硅化反應(yīng)后形成厚度約330的致密硅化鈷層。
第二實(shí)施例本發(fā)明第二實(shí)施例的優(yōu)選方法繪示于圖7～9中，其中以相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示曾出現(xiàn)在第一實(shí)施例說明中的相同結(jié)構(gòu)，除非其另有所指。
如同第一實(shí)施例，此處亦先準(zhǔn)備具有電介質(zhì)表面與硅質(zhì)表面的晶片100。如前所述，此時(shí)可先使用一或多種習(xí)用技術(shù)去除或減少晶片100上的原生氧化層。
如圖7所示，接著將晶片100移到濺鍍室中，并使用鈍氣等離子體及鈷鈦合金靶沉積鈷鈦合金層150，其中鈍氣等離子體優(yōu)選為氬氣等離子體，且鈷鈦合金靶中鈦的含量約為1～50mol％，優(yōu)選為1～10mol％。
此實(shí)施例的第一回火步驟在500～650℃下進(jìn)行，且優(yōu)選直接在沉積處(即原位(in-situ))進(jìn)行。為達(dá)到在原位回火的目的，可將加熱板或加熱燈管之類的加熱器整合至濺鍍室中，如此即可以在濺鍍的同時(shí)進(jìn)行硅化反應(yīng)，其可視為一種高溫濺鍍操作。
此外，第一回火步驟也可以在裝置組的另一處理室中，以相同的加熱器(即加熱板或加熱燈管)來進(jìn)行。由于硅層表面并無氧化層，且加熱環(huán)境中也沒有氮?dú)猓员緦?shí)施例中鈦原子較不易移動(dòng)到表面。
本實(shí)施例與第一實(shí)施例不同之處，在于其并未先沉積鈷金屬層。這是因?yàn)殁捊饘賹硬⒉皇墙^對(duì)必要的，只要小心控制鈷鈦合金靶中鈦的含量，即可沉積適用的鈷鈦混合層，其不但具有足夠的鈷以有效地與下方硅層反應(yīng)，同時(shí)還具有足夠的鈦，以防止鈷受到氧及其他反應(yīng)物的污染。
為減輕上述第二種效應(yīng)，本實(shí)施例的裝置組使用氬氣之類的鈍氣進(jìn)行濺鍍，并在沉積操作等重要操作之前，使用鈍氣清除所有真空系統(tǒng)中的原有氣體。此處之所以使用鈍氣作為清除氣體，乃是因?yàn)槠淇稍跒R鍍操作之前驅(qū)除微量的反應(yīng)性氣體，如氧氣、水氣及氮?dú)獾?。也就是說，使用鈍氣可大幅減少將影響下方鈷金屬層的反應(yīng)產(chǎn)物的數(shù)目，所以本方法只需要較低的鈦含量，即可控制氧氣與水氣的污染。因此，本實(shí)施例中濺鍍靶的優(yōu)選鈦含量為1～10mol％。
另外，由于所形成的鈷鈦合金層150含有足夠的鈷原子，所以可有效地與下方硅質(zhì)區(qū)域反應(yīng)而形成硅化鈷。同時(shí)，低鈦含量的鈷鈦合金層150亦可提供足量的鈦原子以形成鈦調(diào)節(jié)的硅化鈷層，且不會(huì)形成鈷鈦金屬混合物而消耗過多的鈷金屬。另外，由于各反應(yīng)期間鈦原子會(huì)遷移，所以在形成的硅化鈷薄膜中可發(fā)現(xiàn)少量的鈦。
最后，由于鈷鈦合金層150并非由純鈷所構(gòu)成，所以其與可能殘留在晶片100上的氧化物或稍后的其他污染物的反應(yīng)性較低，此即表示整個(gè)工藝的良率可以提升，或表示其操作環(huán)境及起始條件可以不必如現(xiàn)有技術(shù)一般嚴(yán)苛。
在第一回火步驟之后，將晶片100取出裝置組，再以之前所述的方法進(jìn)行選擇性蝕刻，以除去硅化物以外的金屬。然后以之前所述的方法清洗并干燥晶片，再進(jìn)行第二回火步驟，以使高電阻的Co2Si/CoSi相轉(zhuǎn)變成低電阻的CoSi2相，而形成圖9所示的結(jié)構(gòu)，其與圖6所示的結(jié)構(gòu)完全相同。
本發(fā)明第二實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于工藝步驟的減少及流程的簡化，而可增加裝置組的生產(chǎn)力。如采用圖16所示的裝置組，即可在不接觸空氣的情況下，對(duì)晶片100進(jìn)行許多步驟，如除去原生氧化層、濺鍍鈷鈦合金及第一回火等步驟。另外，由于本例采用鈷鈦合金層150，所以可形成鈦調(diào)節(jié)的硅化鈷層170，其具有良好的熱穩(wěn)定性，而不易在高溫下產(chǎn)生結(jié)塊。此外，采用鈷鈦合金層150亦可提高工藝的裕度，所以原生氧化層的去除程度及處理室的環(huán)境要求皆不必太高。
此外，因?yàn)樯鲜鰧?shí)施例可以原位的方式，即高溫濺鍍的方式(本例是在濺鍍時(shí)以燈管加熱)進(jìn)行硅化反應(yīng)，所以在降低極淺源/漏極接面漏電流的方面很有潛力，而可應(yīng)用到下一世代的工藝中。
第三實(shí)施例本發(fā)明第三實(shí)施例的優(yōu)選方法示于圖10～13中，其中以相同的附圖標(biāo)記標(biāo)示曾出現(xiàn)在第一實(shí)施例的說明中的相同結(jié)構(gòu)，除非其另有所指。
如前所述，首先使用一或多種習(xí)用技術(shù)去除或減少晶片100上的原生氧化層。接著如圖10所示，將晶片100移到濺鍍室中，并使用鈷鈦合金靶沉積厚約5～15nm的鈷鈦合金層150，其中鈷鈦合金靶中鈦的含量約為20～80mol％。
參照?qǐng)D11，接著將晶片100移到第二濺鍍室中，以沉積純鈷金屬層151，或鈷含量比鈷鈦合金層150高的鈷鈦合金層151，其中第二濺鍍室優(yōu)選與第一濺鍍室位于同一裝置組中。此二金屬層150與151皆是在鈍氣等離子體環(huán)境下形成，而在第二沉積步驟中晶片可加熱至約500～600℃，以在濺鍍室中直接進(jìn)行原位(in-situ)回火。第一沉積步驟所用的第一鈷鈦合金靶的鈦含量優(yōu)選是接近或超過50mol％，以減少第二濺鍍室的加熱過程中鈷鈦合金層150內(nèi)可參與硅化反應(yīng)的鈷金屬的量；而第二濺鍍步驟則可提供額外的鈷原子到晶片表面上，且因同時(shí)進(jìn)行加熱，而可直接在工藝中形成Co2Si及CoSi。如此，該二金屬層150與151的最終厚度即可得優(yōu)選的控制。
如前所述，接著選擇性地蝕刻晶片100，以除去硅化物以外的金屬。然后清洗并干燥晶片100，并進(jìn)行第二次回火，以使Co2Si/CoSi相轉(zhuǎn)變成阻值較低的CoSi2相，如圖12所示，而圖13中繪示的硅化鈷層170基本上與第6、9圖中所示的相同。
裝置組的實(shí)施例請(qǐng)參照?qǐng)D16，其大體上示出經(jīng)改良的半導(dǎo)體處理裝置1000的結(jié)構(gòu)，此裝置基本上是由習(xí)用的裝置組(如Applied Materials生產(chǎn)的EnduraHP PVDSystem)改良而得。如圖所示，裝置1000包括一組載入室1010與1020，其用來接收/預(yù)處理送入的晶片，以及/或是送出完成的晶片。舉例來說，加熱除氣(out-gassing)操作基本上即可在載入室1010與1020中進(jìn)行。此裝置1000并包含數(shù)種處理室1030～1080，以及晶片處理站1100與1200。具體地，為能進(jìn)行本發(fā)明的各項(xiàng)工藝，此裝置1000包括一或多個(gè)改變?cè)O(shè)計(jì)的濺鍍室1040，其使用鈷鈦合金靶以取代習(xí)用的濺鍍靶，或是包含分別配置鈷金屬靶及鈷鈦合金靶的兩組濺鍍室，以分別沉積鈷金屬層與鈷鈦合金層。
另外，Endura裝置原本即已包含一預(yù)清洗站1045，以進(jìn)行一或多種前述的晶片清洗操作。此外，裝置1000中的一或多個(gè)濺鍍室1050(或1060、1070)亦具有某種型態(tài)的加熱組件及冷卻站1055，所以可以直接進(jìn)行晶片100的加熱操作(包括原位回火操作)及冷卻操作，而不必移出裝置組1000。再者，當(dāng)配備合金靶的濺鍍室1040中亦整合有加熱燈管時(shí)，其例如可以進(jìn)行高溫濺鍍操作，以在原位進(jìn)行金屬硅化反應(yīng)。最后，晶片處理站1100與1200用以確保晶片可在站與站之間順利移動(dòng)而不會(huì)破壞真空狀態(tài)，以避免可能的污染。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例公開如上，但是其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以所附的權(quán)利要求所確定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種形成硅化鈷的方法，適用于一硅襯底上，包括；(a)在該硅襯底上沉積含鈷的一第一金屬層；(b)至少在該第一金屬層的多個(gè)選取部分上形成一第二金屬層，該第二金屬層含有鈷與一耐熱金屬的合金；(c)進(jìn)行一第一熱處理，以至少使部分的該第一金屬層與該硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的一第一硅化組成物，該第一硅化組成物具有一第一電阻率；以及(d)進(jìn)行一第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的該第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成一第二硅化組成物，該第二硅化組成物主要具有一低電阻率硅化鈷相，且該低電阻率硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于該第一電阻率。
2.如權(quán)利要求1所述的形成硅化鈷的方法，其中該合金含有20～80mol％的鈦。
3.如權(quán)利要求1所述的形成硅化鈷的方法，更包括在步驟(c)之后除去硅化物以外的金屬。
4.如權(quán)利要求1所述的形成硅化鈷的方法，更包括在步驟(a)之前清洗該硅襯底，以除去原生氧化層。
5.如權(quán)利要求1所述的形成硅化鈷的方法，其中該合金為三成分組成物，包括鈷、鈦，以及另一耐熱金屬或碳。
6.如權(quán)利要求1所述的形成硅化鈷的方法，其中步驟(a)～(c)皆在單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行，使得該硅襯底不致在步驟轉(zhuǎn)換間暴露于外界環(huán)境中。
7.一種形成硅化鈷的方法，適用于一硅襯底上，包括；(a)在一半導(dǎo)體工藝裝置組的一第一處理室中，至少于該硅襯底的多個(gè)選取部分上沉積一第一金屬層，該第一金屬層含有鈷與一耐熱金屬的合金，而該合金中該耐熱金屬的含量為1～10mol％；(b)使用該半導(dǎo)體工藝裝置組進(jìn)行一第一熱處理，以至少使部分的該第一金屬層與該硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的一第一硅化組成物，該第一硅化組成物具有第一電阻率；以及(c)進(jìn)行一第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的該第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成一第二硅化組成物，該第二硅化組成物主要具有一低電阻率硅化鈷相，且該低電阻率硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于該第一電阻率，其中在步驟(a)與(b)二者中的至少一個(gè)之前，于該半導(dǎo)體工藝裝置組中使用一鈍氣進(jìn)行一氣體凈化處理，以除去多種污染物與反應(yīng)氣體。
8.如權(quán)利要求7所述的形成硅化鈷的方法，其中該第一加熱處理在沉積該第一金屬層的同時(shí)進(jìn)行，而作為一原位回火處理。
9.如權(quán)利要求7所述的形成硅化鈷的方法，其中該耐熱金屬包括鈦。
10.如權(quán)利要求9所述的形成硅化鈷的方法，其中該第二硅化組成物附近存在有微量的鈦。
11.一種形成硅化鈷的方法，適用于一硅襯底上，包括；(a)于該硅襯底上濺鍍鈷(Co)與一耐熱金屬的一合金層，其中鈷的含量足以與該硅襯底反應(yīng)形成一低電阻率硅化物接觸層；以及(b)在濺鍍?cè)摵辖饘拥耐瑫r(shí)，于原位加熱該硅襯底至一特定溫度，并持續(xù)一段時(shí)間，以至少使該硅襯底與該合金層產(chǎn)生部分的金屬硅化反應(yīng)。
12.如權(quán)利要求11所述的形成硅化鈷的方法，其中該金合層中含有1～10％的該耐熱金屬。
13.如權(quán)利要求11所述的形成硅化鈷的方法，更包括在高于步驟(b)的該特定溫度的溫度下進(jìn)行一后續(xù)加熱步驟，以完成該金屬硅化反應(yīng)，而形成該低電阻率硅化物接觸層。
14.如權(quán)利要求11所述的形成硅化鈷的方法，其中步驟(b)使用一加熱燈管來加熱，以對(duì)該硅襯底進(jìn)行一高溫濺鍍操作。
15.一種形成硅化鈷的方法，適用于一硅襯底上，包括；(a)在硅襯底上沉積一第一金屬層，該第一金屬層包含鈷與一第一耐熱金屬的一第一合金；(b)在該第一金屬層上沉積一第二金屬層，該第二金屬層中鈷的濃度高于該第一金屬層；(c)在進(jìn)行步驟(b)的同時(shí)進(jìn)行一第一加熱處理，以至少使部分的該第一金屬層、該第二金屬層與該硅襯底反應(yīng)，而形成含有一或多種硅化鈷相的一第一硅化組成物，該第一硅化組成物具有一第一電阻率；以及(d)進(jìn)行一第二熱處理，以使含有一或多種硅化鈷相的該第一硅化組成物轉(zhuǎn)變成一第二硅化組成物，該第二硅化組成物主要具有一低電阻率硅化鈷相，且該低電阻率硅化鈷相的電阻率實(shí)質(zhì)上低于該第一電阻率。
16.如權(quán)利要求15所述的形成硅化鈷的方法，其中該第一合金中含有20～80mol％的鈦。
17.如權(quán)利要求15所述的形成硅化鈷的方法，其中該第二金屬層包含鈷與一第二耐熱金屬的一第二合金。
18.如權(quán)利要求15所述的形成硅化鈷的方法，其中步驟(a)、(b)與(c)于單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行。
19.一種形成硅化鈷的方法，適用于一硅晶片上，包括；(a)清洗該硅晶片以除去其上的原生氧化層與/或污染物；(b)加熱除去該硅晶片上的氣體，使得該硅晶片實(shí)質(zhì)上沒有留下水痕；(c)使用包括鈷與至少一耐熱金屬的合金靶，在該硅晶片上濺鍍一第一金屬層；以及(d)對(duì)該硅晶片進(jìn)行一第一回火處理，以使鈷與該硅晶片上的硅反應(yīng)生成硅化鈷；其中步驟(b)～(d)皆在單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組中進(jìn)行。
20.如權(quán)利要求19所述的形成硅化鈷的方法，還包括步驟(e)在與該單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組分離的一處理站中選擇性地蝕刻該晶片，以去除硅化物以外的金屬。
21.如權(quán)利要求19所述的形成硅化鈷的方法，還包括步驟(g)對(duì)該硅晶片進(jìn)行一第二回火處理，以使該硅化鈷進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成低電阻的相態(tài)。
22.如權(quán)利要求19所述的形成硅化鈷的方法，其中步驟(c)與(d)于該單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組的一物理氣相沉積室中進(jìn)行。
23.如權(quán)利要求19所述的形成硅化鈷的方法，其中步驟(b)于該單一半導(dǎo)體晶片加工裝置組的一載入室中進(jìn)行。
24.一種裝置組，其用以進(jìn)行半導(dǎo)體工藝，包括(a)用以載入一晶片的一載入室；(b)配備一鈷合金靶的一濺鍍室，用以將該鈷合金靶的一靶材濺鍍至該晶片上；以及(c)一加熱回火裝置，其以一定速率及溫度加熱該晶片，以使該晶片與鍍上的該靶材產(chǎn)生一金屬硅化反應(yīng)。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置組，其中該載入室也用來對(duì)該晶片進(jìn)行加熱除氣的操作。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置組，其中該濺鍍室與該加熱回火裝置整合在單一處理站中。
27.如權(quán)利要求24所述的裝置組，還包括配備一含鈷的第二濺鍍靶的一第二濺鍍室，該第二濺鍍靶用以將該第二濺鍍靶的靶材濺鍍至該晶片上。
28.如權(quán)利要求24所述的裝置組，還包括一清洗站，其用來在各濺鍍操作之前對(duì)該晶片進(jìn)行一清洗操作。
29.如權(quán)利要求24所述的裝置組，其中該濺鍍室所配備的濺鍍靶可于原位抽換，以在不移動(dòng)該晶片的狀態(tài)下先后沉積兩種不同的靶材。
30.一種半導(dǎo)體元件，包括一場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其包括至少一源/漏極區(qū)；以及一硅化物接觸區(qū)，其與該源/漏極區(qū)連接；其中，該硅化物接觸區(qū)由硅化鈷所構(gòu)成，且包含微量的一耐熱金屬。
31.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中該耐熱金屬包括鈦。
32.如權(quán)利要求30所述的半導(dǎo)體元件，其中該耐熱金屬的濃度小于1mol％。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種形成硅化鈷的方法和裝置組及具有該硅化鈷的半導(dǎo)體元件。此方法先于硅層上形成鈷/鈷鈦合金復(fù)合層，再加熱引發(fā)金屬硅化反應(yīng)。所形成的硅化鈷層具有極低的電阻，且品質(zhì)不隨工藝線寬而變，所以特別適合使用在半導(dǎo)體元件中。進(jìn)行該方法的裝置組由合適的濺鍍室及加熱組件所構(gòu)成，以進(jìn)行金屬硅化反應(yīng)所需的各種操作步驟，而能夠提高經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)力。
文檔編號(hào)H01L21/285GK1471145SQ0314237
公開日2004年1月28日 申請(qǐng)日期2003年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月10日
發(fā)明者盧火鐵, 李大為, 王光志 申請(qǐng)人:聯(lián)華電子股份有限公司