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JP4211014B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、高温熱処理工程を伴うプロセスの終了後に、多結晶シリコン配線層の任意の部分をアルミニウム等の低比抵抗の金属に置換する方法及び結果として構造に特徴のある半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体装置の高集積化、大容量化に伴い設計ルール(ライン/スペース)が厳しくなって来ており、それに伴って半導体装置、例えば、DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)の配線層の幅が細くなり、且つ、上下の配線層間を接続するプラグを形成するためのビアホールの径が小さくなってきている。
【0003】
この様に、配線層の幅が細くなると抵抗も高くなり、動作速度の遅延を招くという問題があり、また、ビアホールの径が小さくなるにしたがって、アスペクト比(深さ/径)が非常に大きくなり、スパッタリング法に比べてステップカヴァレッジの良好なCVD法を用いてもこの様なビアホールにAlを完全に埋め込むことはできず、ビアホールの内部に鬆(void)が形成され、鬆の形成された部分の断面積が小さくなる結果、抵抗が高くなったり、場合によっては断線してしまうと言う問題がある。
【0004】
この様な、微細ビアホールの問題を解決するために、ポリシリコン−アルミニウム置換法(Polysilicon−Aluminium Substitute:PAS)が提案されているので(必要ならば、International Electron Devices Meeting 96,p.946−948参照)、図を参照して説明する。
【0005】
(a)参照
まず、シリコン基板201上にCVD法により厚さ2.4μmのSiO2 膜202を堆積させたのち、RIE(反応性イオンエッチング)によって、底部の直径が0.25μmとなるビアホール、即ち、コンタクトホール203を形成し、次いで、減圧化学気相成長法(LPCVD法)によって、Alより回り込みの非常に良好な多結晶Si層204を堆積させ、コンタクトホール203の内部を埋め込む。
【0006】
(b)参照
次いで、CMP法(化学機械研磨法)を用いて、SiO2 膜202の表面が露出するまで研磨してコンタクトホール203の内部に埋め込まれた多結晶Si層により多結晶Siプラグ205を形成したのち、スパッタリング法によって厚さ0.5μmのAl層206を堆積させる。
【0007】
(c)参照
次いで、窒素雰囲気中で500℃でアニール処理を施すことによって、SiとAlとの相互拡散により、多結晶Siプラグ205はAlに置換され、次いで、図示しないものの、SiO2 膜202の表面が露出するまで研磨することによってAl置換プラグ207からなるコンタクト電極が形成される。
なお、この場合のAl置換プラグ207におけるSi含有量は底の部分でも約0.4%で、殆どAlに置換されている。
【0008】
なお、アニール工程において、Al層206の上に、厚さ0.2μmのTi層を堆積させておくことによって、このTi層がSi吸収層として機能し、Al置換のためのAl層206をより薄く、また、アニール処理温度をより低く、且つ、アニール処理時間をより短くすることができる。
【0009】
この様なポリシリコン−アルミニウム置換法(PAS法)を用いることにより、最大アスペクト比が10程度で、直径が0.1μm以下のビアホールを低抵抗のAlで埋め込むことができ、将来のMPU(Microprocessor Unit)やDRAMのプラグ(コンタクト電極)として期待されているものである。
【0010】
しかし、この様なポリシリコン−アルミニウム置換法を実際のLSIの製造プロセスに適用する場合には、他のプロセスとの関係が生じ、上記の単体プロセスの単純な導入により種々の問題が発生することが予想される。
【0011】
例えば、IGFET(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)のソース・ドレインコンタクト電極に適用した場合には、ソース・ドレイン領域が多結晶Si層と同じSiで構成されているため、多結晶SiプラグがAlに置換されたのち、ソース・ドレイン領域もAlに置換されることになる。
【0012】
そうすると、シリコン基板中に形成されているpn接合にAlが入り込めば、pn接合間にAlスパイクが延びるなどしてpn接合が破壊されることになるが、これはLSIにとって致命的な損傷となる。
【0013】
そこで、本発明者は、この様なポリシリコン−アルミニウム置換法を実際のデバイスに応用する際に、ソース・ドレイン領域と多結晶Siプラグとの間にAlのストッパとなるストッパ膜或いはバリア膜を設けることを試みたので、この応用例を図を参照して説明する。
【0014】
なお、一般論としては、拡散を防ぐためにストッパ膜或いはバリア膜を設けること自体は常套手段であるが、ポリシリコン−アルミニウム置換法の場合には、高温でもAlと反応しないか、或いは、反応しにくい物質を選択する必要があり、この様な物質としてはTiN、WN、或いは、SiCが適当であると判断した。
【0015】
しかし、TiN、WN、或いは、SiCはSiとの反応性が乏しく、電気的にコンタクトが取りにくいため、ソース・ドレイン領域とのコンタクト抵抗が非常に高くなるという問題があるので、この場合には、ストッパ膜或いはバリア膜とソース・ドレイン領域との界面にSiと反応しやすい膜、即ち、コンタクトメタルを薄く形成するようにした。
【0016】
(a)参照
まず、p型シリコン基板211の所定領域に選択酸化によって素子分離酸化膜212を形成したのち、素子分離酸化膜212で囲まれたp型シリコン基板211の露出表面を熱酸化してゲート酸化膜213を形成し、次いで、ノン・ドープ多結晶Si層を堆積させたのち、P(リン)等の不純物をイオン注入し、次いで、全面に、CVD法により、保護膜215となるSiO2 膜或いはSi34 膜を堆積させたのち、所定パターンにエッチングしてゲート電極214を形成する。
【0017】
次いで、ゲート電極214及び保護膜215をマスクとしてAs或いはP等の不純物をイオン注入してn型ソース・ドレイン領域217を形成し、次いで全面に、CVD法によりSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール216を形成する。
【0018】
次いで、CVD法によって、全面にエッチング時のストッパ膜となるSi34 膜218を堆積させたのち、CVD法によって全面にSi3 N4 膜218とエッチング特性の異なるSiO2 膜を堆積させて層間絶縁膜219とし、次いで、Si34 膜218をエッチングストッパ層として層間絶縁膜219に開口部を形成したのち、開口部に露出するSi34 膜218を選択的に除去する。
【0019】
次いで、コンタクトメタルとなる厚さ20nmのTi膜220及びバリアメタルとなる厚さ10〜100nmのTiN膜221をスパッタリング法或いはCVD法により順次堆積させる。
【0020】
次いで、LPCVD法を用いて多結晶Si膜を堆積させたのち、TiN膜221が露出するまでCMP法によって研磨することによって多結晶Siプラグ222を形成し、次いで、スパッタリング法を用いて厚さ2μmのAl層223と厚さ200nmのTi層224を堆積させる。
【0021】
(b)参照
次いで、窒素雰囲気中で、400〜660℃の温度において1時間程度熱処理を行うことによって多結晶Siプラグ222をAlに置換したのち、再び、CMP法を用いて層間絶縁膜219の表面が露出するまで研磨することによってAl置換プラグ225を形成する。
【0022】
この様な構成、即ち、コンタクトメタルとバリアメタルからなるストッパ膜 を採用することによって、ポリシリコン−アルミニウム置換法を実際のLSIの製造工程に適用し得ることが分かった。
【0023】
なお、この場合のコンタクトメタルとしては、Ti以外に、W、Co、Ni、Ta、或いは、これらのシリサイドを用いることができ、また、n型ソース・ドレイン領域217の表面にすでにシリサイドが形成されている場合、或いは、コンタクトメタルとして機能する下地が形成されている場合には、コンタクトメタルの堆積工程は省略することができる。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の応用例において、アニール処理温度が400℃〜450℃と比較的低温の場合には問題がないものの、それより高い温度、例えば、450℃〜850℃で熱処理を行った場合には問題が生ずる。
【0025】
即ち、この様な高温でAl置換のための熱処理を行った場合、コンタクトメタルのTi自身がソース・ドレイン領域のSiと反応してしまい、pn接合中に進入して、pn接合を破壊するという場合が生ずるためである。
【0026】
したがって、この様なコンタクトプラグの形成工程が最終工程であれば問題がないものの、製造工程の途中でストッパ層を介して多結晶Siプラグを設け、後の製造工程において高温処理工程を経たのちポリシリコン−アルミニウム置換法を行えば、Al置換プラグを形成することはできるが、高温処理工程においてTiが拡散してpn接合を破壊するという問題や、Tiの拡散によってTiとSiの共晶合金が形成され、この共晶化領域に不純物が異常偏析してコンタクト不良が発生するという問題もあるので、適用工程が限られてしまうという問題がある。
【0027】
また、従来のポリシリコン−アルミニウム置換法は、多結晶Siプラグの置換しか想定していないので、LSIの導電通路を構成する下層の配線層はAl(比抵抗:2.8μΩ・cm)より比抵抗の大きなドープト多結晶Si(比抵抗:300〜800μΩ・cm)、高融点金属(Wの比抵抗:6μΩ・cm)、或いは、高融点金属シリサイド(Wシリサイドの比抵抗:70μΩ・cm、Tiシリサイドの比抵抗:15μΩ・cm)等の耐高温材料のままであるので、ポリシリコン−アルミニウム置換法のメリットを十分に生かせるものではなかった。
【0028】
例えば、DRAMのビット線の場合には、ビット線の上部にメモリセルのキャパシタを構成する蓄積電極やキャパシタ絶縁膜が形成されることになるが、現在の技術では、このキャパシタ絶縁膜を600℃程度の低温で形成して、高い信頼性を得ることは非常に難しいので、700℃〜850℃の高温熱処理が必要となっている。
【0029】
そして、この工程はビット線形成の後であるので、ビット線に融点が660℃のAlを用いることができないが、もし、Alをビット線に使用することができれば、単にビット線の抵抗を低くすることができるだけではなく、ビット線を薄く形成することが許されることになるので、隣接するビット線間の寄生容量も小さくすることができ、高速・低消費電力のメモリLSIを製造することが可能になる。
【0030】
また、ビット線の抵抗や寄生容量を低減することができることにより、1本のビット線に接続されるセルの数も増やすことができるので、メモリの集積度を上げることが可能になり、したがって、ビット線のAl化が待望されるところである。
【0031】
また、通常の自己整合型のIGFETの場合には、ゲート電極をマスクとしてイオン注入を行い、活性化のためのアニールを行ってソース・ドレイン領域を形成しているが、このアニール温度は800℃〜1100℃程度であるので、ゲート電極としてAlは使用されていない。
【0032】
しかし、Alをゲート電極として用いることができるならば、ビット線の場合と同様に、LSIの高速化と低消費電力化に大きく貢献することができ、付加価値の高いLSIを製造することができ、また、メモリのゲート電極、即ち、ワード線としてAlを用いることができるのならば、1本のワード線に接続できるセルの数を増やすことができ、メモリの集積度を上げることが可能になる。
【0033】
また、自己整合バイポーラトランジスタの場合には、ドープト多結晶Si層からなるベース引出電極及びエミッタ電極から不純物を固相拡散して外部ベース領域やエミッタ領域を形成しているが、この場合の拡散のための熱処理温度は800℃〜1100℃であるので、拡散源兼電極としてAlを用いることができない。
【0034】
しかし、このベース引出電極及びエミッタ電極をAlに置き換えることができるのならば、著しい高速性化と低消費電力化を図ることができ、非常に望ましいものとなる。
【0035】
そこで、この様な配線層或いは電極を低抵抗化するために、仮に、ポリシリコン−アルミニウム置換法の適用を考えても、上述のビット線、ゲート電極、或いは、ベース引出電極は、LSIの表面から奥まった部分、即ち、シリコン基板の表面近傍に形成されているため、ビット線、ゲート電極、或いは、ベース引出電極を多結晶Si層で形成しておき、ポリシリコン−アルミニウム置換法でAlに置換しようとしても、ポリシリコン−アルミニウム置換法の単純な適用では置換に必要な厚いAl層を置換すべき多結晶Si層に接続できないという問題が生ずる。
【0036】
また、最先端のLSIでは、ワード線に対してソース・ドレイン電極が、また、ビット線に対してはキャパシタコンタクトが自己整合で形成される構造になっているため、ワード線及びビット線の上部は絶縁膜で覆われることが必須であり、その後の工程においてもこの絶縁膜を除去することは許されない状況にある。
【0037】
したがって、セルの密集する部分では、ワード線或いはビット線の上部を露出させて、厚い置換用Al層と接触させることによってAl置換を行うと言った従来のポリシリコン−アルミニウム置換法を適用ができず、何らかの工夫が必要である。
【0038】
例えば、ビット線をAl置換する場合には、
a.ビット線自身が容易にAlに置換される構造と、Al置換の導入部の構造、
b.ビット線をAl置換したのち、Alがさらに下層の多結晶Siプラグやソース・ドレイン領域に進入しないためのストッパ構造、
c.Al置換が不所望な下部プラグとコンタクトしている上部プラグをAl置換した場合のストッパ構造、
等を工夫する必要あり、且つ、これらの対策を別々に講じていたのでは工定数が増えてコストアップにつながるので、製造工程を増やさないための何等かの工夫も合わせて必要である。
【0039】
特に、DRAMにおいては、メーカ間の競争が激しく、コストの低減が非常に重要であるので、ポリシリコン−アルミニウム置換法を導入して高機能化が果たせるとしても、コストを削減することが最重要課題であり、Al置換自体の工程や、これに伴うストッパ形成工程もコストが高くならないようにすることが必要不可欠となる。
【0040】
また、ゲート電極に対してポリシリコン−アルミニウム置換法を適用する場合には、ゲート絶縁膜は非常にデリケートな薄い絶縁膜であり、ささいな金属の拡散により信頼性を損ないやすいので、ゲート電極をAl置換する場合には、ゲート絶縁膜の信頼性を損なわない工夫が必要である。
【0041】
また、自己整合型のバイポーラトランジスタのベース引出電極やエミッタ引出電極に対してポリシリコン−アルミニウム置換法を適用する場合には、これらの引出電極は不純物の拡散源にもなっているため、これらの役割を果たせるように電極構造を工夫する必要がある。
【0042】
さらに、LSIの高速化並びに低消費電力化のためには、配線層間の寄生容量の低減は必要であるが、従来のLSIにおいては層間絶縁膜を構成する絶縁膜自体の誘電率を低くする程度の考慮しか払われおらず、寄生容量対策は十分ではなかった。
【0043】
したがって、本発明は、ポリシリコン−アルミニウム置換法を製造工程があまり増大せず、且つ、素子特性に悪影響を与えないように工夫して適用することによって、プラグ及び配線層を低抵抗化し、或いは、配線層間の寄生容量を低減することを目的とする。
【0044】
【課題を解決するための手段】
ここで、図2を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
(1)本発明は、半導体装置の製造方法において、ゲート電極を上層側からシリコン層、置換用金属であるアルミニウムに対するストッパとなる導電体層(38)、及び、不純物をドープしたシリコン層(36)からなる多層構造で構成する工程と、前記上層側のシリコン層に接するシリコンプラグを形成する工程と、前記シリコンプラグに接するようにアルミニウム層を設ける工程と、窒素雰囲気中で熱処理を行うことによって前記シリコンプラグを前記アルミニウム層のアルミニウムと置換して金属置換プラグ(39)にするとともに、前記ゲート電極の内の上層のシリコン層のみをアルミニウムで置換する工程を有することを特徴とする。
【0045】
この様に、ゲート電極を、シリコン層/ストッパ(38)/ドープトシリコン層(36)の多層構造で構成することによって、シリコン層のみを金属置換することができるので、Vthを変動させることなく、且つ、ゲート絶縁膜(13)の信頼性を低下させることなく、ゲート電極を低比抵抗化することができる。
【発明の実施の形態】
【0046】
ここで、まず、図1を参照して、本発明の前提となる参考例1の工程を説明する。
(a)参照
従来と同様に、図に関して説明したように、まず、p型シリコン基板11の所定領域に選択酸化によって素子分離酸化膜12を形成したのち、素子分離酸化膜12で囲まれたp型シリコン基板11の露出表面を熱酸化してゲート酸化膜13を形成し、次いで、ノン・ドープ多結晶Si層を堆積させたのち、Pをイオン注入してドープト多結晶Si層とし、次いで、全面に、CVD法によって保護膜15となるSiO2 膜を堆積させたのち、所定パターンにエッチングしてゲート電極14を形成する。
【0047】
次いで、ゲート電極14及び保護膜15をマスクとしてAsをイオン注入してn型ソース・ドレイン領域17を形成し、次いで、CVD法によって全面にSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール16を形成する。
【0048】
次いで、CVD法によって、全面にエッチング時のストッパ膜となる厚さ10〜100nmのSi34 膜18を堆積させたのち、CVD法によって全面にSi34 膜18とエッチング特性の異なる厚さ100〜500nmのSiO2 膜を堆積させて層間絶縁膜19とし、次いで、Si34 膜18をエッチングストッパ層として層間絶縁膜19に開口部を形成したのち、開口部に露出するSi34 膜18を選択的に除去することによってn型ソース・ドレイン領域17に達するビアホールを形成する。
【0049】
次いで、LPCVD法によって不純物をドープした多結晶Si層を堆積させたのち、第1層間絶縁膜19が露出するまでCMP法によって研磨することによって導電性を有する多結晶Siプラグ20を形成する。
【0050】
次いで、コンタクトメタルとなる厚さ10〜100nm、例えば、20nmのTi膜21、次いで、バリアメタルとなる厚さ10〜200nm、例えば、50nmのTiN膜22をスパッタリング法により順次堆積させたのち、多結晶Siプラグ20上に残存するようにエッチングして、Alに対するストッパ用パッドを形成する。
【0051】
次いで、再び、CVD法を用いて全面に厚さ0.05〜5.0μm、例えば、0.5μmのSiO2 膜を堆積させて第2層間絶縁膜23としたのち、ストッパ用パッドに達するビアホールを設け、次いで、再び、LPCVD法によってノン・ドープの多結晶Si層を堆積させたのち、第2層間絶縁膜23が露出するまでCMP法によって研磨することによって多結晶Siプラグ24を形成する。
【0052】
次いで、スパッタリング法を用いて厚さ0.1〜10μm、例えば、2μmのAl層25と厚さ50nm〜2000nm、例えば、200nmのTi層26を堆積させる。
【0053】
(b)参照
次いで、窒素雰囲気中で、400〜660℃、例えば、500℃において、1.0〜48時間、例えば、6時間熱処理を行うことによって多結晶Siプラグ24をAlに置換したのち、再び、CMP法を用いて第2層間絶縁膜23の表面が露出するまで研磨することによってAl置換プラグ27を形成する。
【0054】
この様に、本発明の前提となる参考例1においては、下部に設けた多結晶Siプラグ20と上部の多結晶Siプラグ24との間にストッパ用パッドを設けているので、上部の多結晶Siプラグ24をAlに置換する際に、Alが下部の多結晶Siプラグ20に拡散することがなく、したがって、n型ソース・ドレイン領域17を構成するpn接合が破壊されることがない。
【0055】
また、ポリシリコン−アルミニウム置換工程に伴う熱処理工程、或いは、他の製造工程において、450℃以上の高温工程が施されたとしても、ストッパ用パッドを構成するコンタクトメタルとしてのTiの拡散は生ずるが、下部の多結晶Siプラグ20の存在によりn型ソース・ドレイン領域17との距離が離れるので、接合破壊に至ることはない。
【0056】
また、同じ理由によって、Tiとn型ソース・ドレイン領域17のSiとが共晶合金を形成することがなく、共晶合金に伴う不純物の異常偏析が生ずることがないので、コンタクト不良が発生することがなく、それによって、微小ビアホールを低比抵抗化することができると共に、素子の信頼性を高めることができる。
【0057】
以上を前提として、次に、図2を参照して本発明の第1の実施の形態の工程を説明する。
なお、図(b)は、図(a)のゲート引出配線層に沿った断面図である。
(a)及び(b)参照
まず、p型シリコン基板11の所定領域に選択酸化によって素子分離酸化膜12を形成したのち、素子分離酸化膜12で囲まれたp型シリコン基板11の露出表面を熱酸化してゲート酸化膜13を形成し、次いで、厚さ10〜300nm、例えば、50nmのノン・ドープ多結晶Si層を堆積させたのち、Pをイオン注入してドープト多結晶Si層36とする。
なお、始めからドープト多結晶Si膜として成膜しても良い。
【0058】
次いで、コンタクトメタルとなる厚さ10〜100nm、例えば、20nmのTi膜37及びバリアメタルとなる厚さ10〜200nm、例えば、50nmのTiN膜38をスパッタリング法により順次堆積させたのち、再びLPCVD法を用いて厚さ10〜1000nm、例えば、150nmのノン・ドープの多結晶Si層を堆積させ、次いで、全面に、CVD法によって保護膜15となるSiO2 膜を100nm堆積させたのち、所定パターンにエッチングしてゲート電極及びゲート引出配線層を形成する。
【0059】
次いで、ゲート電極及び保護膜15をマスクとしてAsをイオン注入してn型ソース・ドレイン領域17を形成し、次いで全面にSiO2 膜を堆積させ、異方性エッチングを施すことによってサイドウォール16を形成する。
【0060】
次いで、CVD法によって、全面にエッチング時のストッパ膜となる厚さ10〜100nmのSi34 膜18を堆積させたのち、CVD法によって全面にSi34 膜18とエッチング特性の異なる厚さ100〜500nmのSiO2 膜を堆積させて層間絶縁膜19とし、次いで、Si34 膜18をエッチングストッパ層として層間絶縁膜19に開口部を形成したのち、開口部に露出するSi34 膜18を選択的に除去することによってn型ソース・ドレイン領域17に達するビアホールを形成する。
【0061】
次いで、LPCVD法によって不純物をドープした多結晶Si層を堆積させたのち、第1層間絶縁膜19が露出するまでCMP法によって研磨することによって導電性を有する多結晶Siプラグ20を形成する。
【0062】
次いで、再び、CVD法を用いて全面に厚さ0.05〜5.0μm、例えば、0.5μmのSiO2 膜を堆積させて第2層間絶縁膜23としたのち、ゲート引出配線層に達するビアホールを設け、次いで、再び、LPCVD法によってノン・ドープの多結晶Si層を堆積させたのち、第2層間絶縁膜23が露出するまでCMP法によって研磨することによって多結晶Siプラグを形成する。
【0063】
次いで、スパッタリング法を用いて厚さ0.1〜10μm、例えば、2μmのAl層(図示せず)と厚さ50nm〜2000nm、例えば、200nmのTi層(図示せず)を堆積させたのち、窒素雰囲気中で、400〜660℃、例えば、500℃において、1〜48時間、例えば、6時間熱処理を行うことによって多結晶Siプラグ及びそれに連なるゲート引出電極及びゲート電極を構成する上層のノン・ドープ多結晶Si層をAl置換したのち、再び、CMP法を用いて第2層間絶縁膜23の表面が露出するまで研磨することによってAl置換プラグ39、Al置換配線層40及びAl置換ゲート電極41を形成する。
【0064】
この様に、本発明の第の実施の形態においては、自己整合工程に伴う高温熱処理のためにAlを用いることができなかったゲート電極及びゲート引出配線層を、低比抵抗のAlに置換することができるので、絶縁ゲート型半導体装置の動作速度を高速化することができる。
【0065】
この場合、ゲート電極は、ノン・ドープの多結晶Si層/ストッパ/ドープト多結晶Si層36の多層構造であり、Alの拡散はストッパで阻止されるので、Al置換はノン・ドープの多結晶Si層だけであり、ドープト多結晶Si層36はそのままであるので、Vthが変動することがなく、且つ、ゲート酸化膜13及びチャネル領域42にダメージを与えることないので信頼性を損なうことがなく、ゲート電極及びゲート引出配線層の低抵抗化が可能になる。
【0066】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明は各種の変更が可能であり、例えば、置換用のAl層(25)上に設けるTi層(26)は必ずしも必要なものではない。
【0067】
また、上記の実施の形態においては、説明を簡単にするために、単一構造のソース・ドレイン領域としているが、LDD(Lightly Doped Drain)構造を採用しても良いものであり、その場合には、ゲート電極及び保護膜をマスクとしてイオン注入することによってLDD領域を形成したのち、サイドウォールをマスクとしてイオン注入することによってソース・ドレイン領域を形成すれば良い。
【0068】
また、バリアメタルはTiNに限られるものではなく、Alの拡散を防止できる導電性膜であれば何でも良く、例えば、TaN、WN、或いは、SiC等を用いることができる。
【0069】
また、本発明の実施の形態の説明においては、置換される領域を多結晶シリコンで構成しているが、多結晶シリコンに限られるものではなく、微結晶シリコン、或いは、アモルファスシリコンでも良く、場合によっては、単結晶シリコンでも良い。
【0070】
また、本発明の実施の形態の説明においては、多結晶シリコン以外の導電体膜をスパッタリング法で堆積させているが、スパッタリング法に限られるものではなく、CVD法或いは蒸着法を用いても良いものである。
【0071】
また、本発明の実施の形態の説明においては、nチャネル型IGFETで説明しているが、pチャネル型IGFETにも適用されることは言うまでもない。
【0072】
【発明の効果】
本発明によれば、その後の工程において高温処理工程を伴うため、Alを使用できなかった部分の配線層及び電極を、高温処理工程を終えたのちにポリシリコン−アルミニウム置換法を用いてAl置換して低抵抗化しているので、各種半導体装置の動作速度を大幅に高めることができ、且つ、低消費電力化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の前提となる参考例1の工程の説明図である。
【図2】 本発明の第1の実施の形態の説明図である。
【図3】 従来のPAS工程の説明図である。
【図4】 従来のPAS技術の応用例の説明図である。
【符号の説明】
11 p型シリコン基板
12 素子分離酸化膜
13 ゲート酸化膜
14 ゲート電極
15 保護膜
16 サイドウォール
17 n型ソース・ドレイン領域
18 Si34
19 第1層間絶縁膜
20 多結晶Siプラグ
21 Ti膜
22 TiN膜
23 第2層間絶縁膜
24 多結晶Siプラグ
25 Al層
26 Ti層
27 Al置換プラグ
36 ドープト多結晶Si層
37 Ti膜
38 TiN膜
39 Al置換プラグ
40 Al置換配線層
41 Al置換ゲート電極
42 チャネル領域
201 シリコン基板
202 SiO2
203 コンタクトホール
204 多結晶Si層
205 多結晶Siプラグ
206 Al層
207 Al置換プラグ
211 p型シリコン基板
212 素子分離酸化膜
213 ゲート酸化膜
214 ゲート電極
215 保護膜
216 サイドウォール
217 n型ソース・ドレイン領域
218 Si34
219 層間絶縁膜
220 Ti膜
221 TiN膜
222 多結晶Siプラグ
223 Al層
224 Ti層
225 Al置換プラグ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a semiconductor device.Made ofIn particular, a method of replacing an arbitrary portion of a polycrystalline silicon wiring layer with a metal having a low resistivity such as aluminum after completion of a process involving a high-temperature heat treatment process, and a semiconductor having a characteristic structure as a result apparatusMade ofIt relates to the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, design rules (lines / spaces) have become stricter with higher integration and larger capacity of semiconductor devices, and accordingly, wiring layers of semiconductor devices such as DRAM (Dynamic Random Access Memory). And the diameter of the via hole for forming the plug connecting the upper and lower wiring layers is becoming smaller.
[0003]
  As described above, there is a problem that when the width of the wiring layer is reduced, the resistance is increased, resulting in a delay in operation speed, and the aspect ratio (depth / diameter) is extremely increased as the via hole diameter is reduced. Therefore, even if a CVD method having better step coverage than a sputtering method is used, Al cannot be completely embedded in such a via hole, and a void is formed inside the via hole. As a result of the reduced cross-sectional area of the portion, there is a problem that the resistance is increased or the wire is disconnected in some cases.
[0004]
  In order to solve such a problem of fine via holes, a polysilicon-aluminum substrate (PAS) has been proposed (International Electron Devices Meeting 96, p. 946-948 if necessary). See), Figure3Will be described with reference to FIG.
[0005]
  Figure3(A) Reference
  First, after a SiO 2 film 202 having a thickness of 2.4 μm is deposited on the silicon substrate 201 by a CVD method, a via hole having a bottom diameter of 0.25 μm, that is, a contact hole 203 is formed by RIE (reactive ion etching). Then, a polycrystalline Si layer 204 that is much better than Al is deposited by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD), and the inside of the contact hole 203 is buried.
[0006]
  Figure3(B) Reference
  Next, after using a CMP method (chemical mechanical polishing method) to polish until the surface of the SiO2 film 202 is exposed, a polycrystalline Si plug 205 is formed by a polycrystalline Si layer embedded in the contact hole 203. An Al layer 206 having a thickness of 0.5 μm is deposited by sputtering.
[0007]
  Figure3(C) Reference
  Next, by performing annealing at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere, the polycrystalline Si plug 205 is replaced with Al by mutual diffusion of Si and Al, and then the surface of the SiO 2 film 202 is exposed, although not shown. The contact electrode composed of the Al-substitution plug 207 is formed by polishing up to 1.
  In this case, the Si content in the Al replacement plug 207 is about 0.4% even in the bottom portion, and is almost replaced with Al.
[0008]
  In the annealing step, a Ti layer having a thickness of 0.2 μm is deposited on the Al layer 206, so that the Ti layer functions as a Si absorption layer. It is thin, the annealing temperature can be lowered, and the annealing time can be shortened.
[0009]
  By using such a polysilicon-aluminum substitution method (PAS method), a via hole having a maximum aspect ratio of about 10 and a diameter of 0.1 μm or less can be filled with low-resistance Al, and future MPU (Microprocessor) Unit) and DRAM plugs (contact electrodes).
[0010]
  However, when such a polysilicon-aluminum replacement method is applied to an actual LSI manufacturing process, there is a relationship with other processes, and various problems arise due to the simple introduction of the above-described single process. Is expected.
[0011]
  For example, when applied to a source / drain contact electrode of an IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor), since the source / drain region is made of the same Si as the polycrystalline Si layer, the polycrystalline Si plug is made of Al. After the replacement, the source / drain regions are also replaced with Al.
[0012]
  Then, if Al enters the pn junction formed in the silicon substrate, the pn junction is destroyed due to an Al spike extending between the pn junctions. This is a fatal damage to the LSI. Become.
[0013]
  Therefore, when applying such a polysilicon-aluminum substitution method to an actual device, the present inventor has provided a stopper film or a barrier film serving as an Al stopper between the source / drain regions and the polycrystalline Si plug. I tried to install it.4Will be described with reference to FIG.
[0014]
  In general, the provision of a stopper film or a barrier film to prevent diffusion itself is a conventional method. However, in the case of the polysilicon-aluminum substitution method, it does not react with Al or reacts even at a high temperature. It was necessary to select a difficult material, and it was determined that TiN, WN, or SiC was appropriate as such a material.
[0015]
  However, since TiN, WN, or SiC has poor reactivity with Si and it is difficult to make electrical contact, there is a problem that the contact resistance with the source / drain region becomes very high. In addition, a film that easily reacts with Si, that is, a contact metal is formed thinly at the interface between the stopper film or the barrier film and the source / drain region.
[0016]
  Figure4(A) Reference
  First, an element isolation oxide film 212 is formed in a predetermined region of the p-type silicon substrate 211 by selective oxidation, and then the exposed surface of the p-type silicon substrate 211 surrounded by the element isolation oxide film 212 is thermally oxidized to form a gate oxide film 213. Next, after depositing a non-doped polycrystalline Si layer, impurities such as P (phosphorus) are ion-implanted, and then the entire surface is made of SiO which becomes the protective film 215 by CVD.2 Film or SiThree NFour After the film is deposited, the gate electrode 214 is formed by etching into a predetermined pattern.
[0017]
  Next, impurities such as As or P are ion-implanted using the gate electrode 214 and the protective film 215 as a mask to form n-type source / drain regions 217, and then the entire surface is made of SiO by a CVD method.2 A sidewall 216 is formed by depositing a film and performing anisotropic etching.
[0018]
  Next, Si is used as a stopper film during etching on the entire surface by CVD.Three NFour After the film 218 is deposited, SiO 3 having different etching characteristics from the Si 3 N 4 film 218 is formed on the entire surface by CVD.2 A film is deposited to form an interlayer insulating film 219, and then SiThree NFour After forming an opening in the interlayer insulating film 219 using the film 218 as an etching stopper layer, the Si exposed in the openingThree NFour The film 218 is selectively removed.
[0019]
  Next, a 20 nm thick Ti film 220 as a contact metal and a 10-100 nm thick TiN film 221 as a barrier metal are sequentially deposited by sputtering or CVD.
[0020]
  Next, after depositing a polycrystalline Si film using the LPCVD method, the polycrystalline Si plug 222 is formed by polishing by the CMP method until the TiN film 221 is exposed, and then a thickness of 2 μm is formed using the sputtering method. An Al layer 223 and a Ti layer 224 having a thickness of 200 nm are deposited.
[0021]
  Figure4(B) Reference
  Next, the polycrystalline Si plug 222 is replaced with Al by performing a heat treatment at a temperature of 400 to 660 ° C. for about 1 hour in a nitrogen atmosphere, and then the surface of the interlayer insulating film 219 is exposed again using the CMP method. The Al-substitution plug 225 is formed by polishing until.
[0022]
  It was found that the polysilicon-aluminum replacement method can be applied to an actual LSI manufacturing process by adopting such a structure, that is, a stopper film made of a contact metal and a barrier metal.
[0023]
  As the contact metal in this case, W, Co, Ni, Ta, or a silicide thereof can be used in addition to Ti, and silicide is already formed on the surface of the n-type source / drain region 217. In the case where the contact metal layer is formed, or when a base functioning as a contact metal is formed, the contact metal deposition step can be omitted.
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
  However, in the application example described above, there is no problem when the annealing temperature is relatively low, such as 400 ° C. to 450 ° C., but when the heat treatment is performed at a higher temperature, for example, 450 ° C. to 850 ° C. Problems arise.
[0025]
  That is, when heat treatment for Al substitution is performed at such a high temperature, Ti of the contact metal itself reacts with Si in the source / drain region, and enters the pn junction to destroy the pn junction. This is because a case occurs.
[0026]
  Therefore, although there is no problem if such a contact plug formation process is the final process, a polycrystalline Si plug is provided through a stopper layer in the middle of the manufacturing process, and after a high temperature treatment process in the subsequent manufacturing process, If the silicon-aluminum substitution method is performed, an Al substitution plug can be formed, but the problem that Ti diffuses in the high temperature treatment process and destroys the pn junction, and the eutectic alloy of Ti and Si is caused by the diffusion of Ti. There is also a problem that impurities are abnormally segregated in this eutectic region and contact failure occurs, so that the application process is limited.
[0027]
  In addition, since the conventional polysilicon-aluminum replacement method only assumes replacement of the polycrystalline Si plug, the lower wiring layer constituting the conductive path of the LSI is higher than Al (specific resistance: 2.8 μΩ · cm). Doped polycrystalline Si with high resistance (specific resistance: 300 to 800 μΩ · cm), refractory metal (specific resistance of W: 6 μΩ · cm), or refractory metal silicide (specific resistance of W silicide: 70 μΩ · cm, Ti Since the high-temperature resistant material such as the specific resistance of silicide (15 μΩ · cm) remains, the merit of the polysilicon-aluminum substitution method cannot be fully utilized.
[0028]
  For example, in the case of a DRAM bit line, a storage electrode and a capacitor insulating film constituting a capacitor of a memory cell are formed above the bit line. In the current technology, this capacitor insulating film is formed at 600 ° C. Since it is very difficult to obtain high reliability by forming at a low temperature, high temperature heat treatment at 700 ° C. to 850 ° C. is required.
[0029]
  Since this process is after the formation of the bit line, Al having a melting point of 660 ° C. cannot be used for the bit line. However, if Al can be used for the bit line, the resistance of the bit line is simply lowered. In addition to being able to do this, it is allowed to make the bit line thin, so that the parasitic capacitance between adjacent bit lines can be reduced, and a high-speed and low-power consumption memory LSI can be manufactured. It becomes possible.
[0030]
  Further, since the resistance and parasitic capacitance of the bit line can be reduced, the number of cells connected to one bit line can be increased, so that the degree of integration of the memory can be increased. There is a long-awaited desire for Al in bit lines.
[0031]
  In the case of a normal self-aligned IGFET, ion implantation is performed using a gate electrode as a mask, and annealing for activation is performed to form a source / drain region. This annealing temperature is 800 ° C. Since it is about ˜1100 ° C., Al is not used as the gate electrode.
[0032]
  However, if Al can be used as the gate electrode, as in the case of the bit line, it can greatly contribute to speeding up and lowering power consumption of the LSI, and a high added value LSI can be manufactured. In addition, if Al can be used as the gate electrode of the memory, that is, the word line, the number of cells that can be connected to one word line can be increased, and the degree of integration of the memory can be increased. Become.
[0033]
  In the case of a self-aligned bipolar transistor, an external base region and an emitter region are formed by solid-phase diffusion of impurities from a base extraction electrode and an emitter electrode made of a doped polycrystalline Si layer. Therefore, Al cannot be used as a diffusion source / electrode because the heat treatment temperature for the heat treatment is 800 ° C. to 1100 ° C.
[0034]
  However, if the base extraction electrode and the emitter electrode can be replaced with Al, it is possible to significantly increase the speed and reduce the power consumption, which is very desirable.
[0035]
  Therefore, in order to reduce the resistance of such a wiring layer or electrode, even if the application of the polysilicon-aluminum replacement method is considered, the above-described bit line, gate electrode, or base lead electrode is not provided on the surface of the LSI. The bit line, the gate electrode, or the base lead electrode is formed of a polycrystalline Si layer and is formed on Al by the polysilicon-aluminum substitution method. Even if the replacement is attempted, the simple application of the polysilicon-aluminum replacement method causes a problem that the thick Al layer necessary for the replacement cannot be connected to the polycrystalline Si layer to be replaced.
[0036]
  Moreover, since the state-of-the-art LSI has a structure in which the source / drain electrodes are formed with respect to the word lines and the capacitor contacts are formed with self-alignment with respect to the bit lines, the upper portions of the word lines and bit lines are formed. It is indispensable to be covered with an insulating film, and it is not allowed to remove the insulating film in the subsequent process.
[0037]
  Therefore, the conventional polysilicon-aluminum replacement method in which Al replacement is performed by exposing the upper portion of the word line or the bit line and contacting with a thick replacement Al layer can be applied to the dense portion of the cell. Therefore, some ingenuity is necessary.
[0038]
  For example, when replacing a bit line with Al,
a.A structure in which the bit line itself is easily replaced with Al, and a structure of an introduction portion of Al replacement,
b.After replacing the bit line with Al, a stopper structure for preventing Al from entering further lower polycrystalline Si plugs and source / drain regions,
c.Stopper structure when the upper plug in contact with the lower plug that is not desired to be replaced with Al is replaced with Al,
It is necessary to devise such measures, and if these measures are taken separately, the work constant increases and the cost increases, so some contrivance to prevent an increase in the manufacturing process is also necessary.
[0039]
  In particular, in DRAM, competition among manufacturers is fierce, and cost reduction is very important. Even if a polysilicon-aluminum replacement method can be introduced to achieve high functionality, it is most important to reduce cost. This is a problem, and it is indispensable to prevent the cost of the Al replacement process itself and the accompanying stopper formation process.
[0040]
  In addition, when the polysilicon-aluminum substitution method is applied to the gate electrode, the gate insulating film is a very delicate thin insulating film, and the reliability of the gate electrode is easily lost due to the diffusion of a small metal. In the case of replacing Al, a device that does not impair the reliability of the gate insulating film is necessary.
[0041]
  In addition, when the polysilicon-aluminum substitution method is applied to the base extraction electrode and the emitter extraction electrode of the self-aligned bipolar transistor, these extraction electrodes also serve as impurity diffusion sources. It is necessary to devise an electrode structure so that it can play a role.
[0042]
  Furthermore, in order to increase the speed and power consumption of LSI, it is necessary to reduce the parasitic capacitance between wiring layers. However, in conventional LSI, the dielectric constant of the insulating film itself constituting the interlayer insulating film is lowered. Therefore, parasitic capacitance countermeasures were not sufficient.
[0043]
  Therefore, the present invention reduces the resistance of the plug and the wiring layer by applying the polysilicon-aluminum replacement method so that the manufacturing process does not increase so much and the device characteristics are not adversely affected, or An object is to reduce parasitic capacitance between wiring layers.
[0044]
[Means for Solving the Problems]
  Here, means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
  (1) The present invention relates to a semiconductor device.In this manufacturing method, the gate electrode is formed from the upper layer side with a multilayer structure comprising a silicon layer, a conductor layer (38) serving as a stopper for aluminum as a replacement metal, and a silicon layer (36) doped with impurities. A step of forming a silicon plug in contact with the upper silicon layer, a step of providing an aluminum layer in contact with the silicon plug, and heat treatment in a nitrogen atmosphere so that the silicon plug is made of aluminum in the aluminum layer. And a metal replacement plug (39), and replacing only the upper silicon layer of the gate electrode with aluminum.
[0045]
  In this way, gate powerThe pole, Silicon layer / stopper(38)/ Doped silicon layer(36)By using the multi-layer structure, only the silicon layer can be replaced with metal, so that the gate insulating film can be obtained without changing Vth.(13)Without reducing the reliability of the gateThe poleThe specific resistance can be reduced.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0046]
  Here, first, with reference to FIG. 1, the process of the reference example 1 used as the premise of this invention is demonstrated.
  Figure1(A) Reference
  As before,3As described above, first, the element isolation oxide film 12 is formed by selective oxidation in a predetermined region of the p-type silicon substrate 11, and then the exposed surface of the p-type silicon substrate 11 surrounded by the element isolation oxide film 12 is thermally oxidized. Then, a gate oxide film 13 is formed, and then a non-doped polycrystalline Si layer is deposited. Then, P is ion-implanted to form a doped polycrystalline Si layer. SiO2 After the film is deposited, the gate electrode 14 is formed by etching into a predetermined pattern.
[0047]
  Next, As is ion-implanted using the gate electrode 14 and the protective film 15 as a mask to form n-type source / drain regions 17, and then the entire surface is made of SiO by a CVD method.2 A sidewall 16 is formed by depositing a film and performing anisotropic etching.
[0048]
  Next, a Si film having a thickness of 10 to 100 nm that serves as a stopper film during etching is formed on the entire surface by CVD.Three NFour After the film 18 is deposited, Si is deposited on the entire surface by the CVD method.Three NFour A SiO2 film having a thickness of 100 to 500 nm, which is different from the film 18 in etching characteristics, is deposited to form an interlayer insulating film 19, and then SiThree NFour After forming an opening in the interlayer insulating film 19 using the film 18 as an etching stopper layer, the Si exposed in the openingThree NFour By selectively removing the film 18, via holes reaching the n-type source / drain regions 17 are formed.
[0049]
  Next, after depositing a polycrystalline Si layer doped with impurities by LPCVD, polishing is performed by CMP until the first interlayer insulating film 19 is exposed, thereby forming a polycrystalline Si plug 20 having conductivity.
[0050]
  Next, a Ti film 21 having a thickness of 10 to 100 nm, for example, 20 nm, serving as a contact metal, and a TiN film 22 having a thickness of 10 to 200 nm, for example, 50 nm, serving as a barrier metal, are sequentially deposited by sputtering. Etching is performed so as to remain on the crystalline Si plug 20 to form a stopper pad for Al.
[0051]
  Next, again, a CVD method is used to deposit a SiO2 film having a thickness of 0.05 to 5.0 .mu.m, for example, 0.5 .mu.m on the entire surface to form the second interlayer insulating film 23, and then a via hole reaching the stopper pad is formed. Then, after depositing a non-doped polycrystalline Si layer again by LPCVD method, the polycrystalline Si plug 24 is formed by polishing by CMP method until the second interlayer insulating film 23 is exposed.
[0052]
  Next, an Al layer 25 having a thickness of 0.1 to 10 μm, for example, 2 μm, and a Ti layer 26 having a thickness of 50 to 2000 nm, for example, 200 nm are deposited by sputtering.
[0053]
  Figure1(B) Reference
  Next, after the polycrystalline Si plug 24 is replaced with Al by performing heat treatment at 400 to 660 ° C., for example, 500 ° C. in a nitrogen atmosphere for 1.0 to 48 hours, for example, 6 hours, the CMP method is performed again. The Al replacement plug 27 is formed by polishing until the surface of the second interlayer insulating film 23 is exposed.
[0054]
  In this way, the present inventionReference example 1Since the stopper pad is provided between the polycrystalline Si plug 20 provided in the lower part and the polycrystalline Si plug 24 provided in the upper part, when the upper polycrystalline Si plug 24 is replaced with Al, Al It does not diffuse into the lower polycrystalline Si plug 20, and therefore, the pn junction constituting the n-type source / drain region 17 is not destroyed.
[0055]
  Further, even if a high temperature process of 450 ° C. or higher is performed in the heat treatment process accompanying the polysilicon-aluminum replacement process or other manufacturing processes, diffusion of Ti as a contact metal constituting the stopper pad occurs. The presence of the lower polycrystalline Si plug 20 increases the distance from the n-type source / drain region 17, so that no junction breakdown occurs.
[0056]
  For the same reason, Ti and Si in the n-type source / drain region 17 do not form a eutectic alloy, and abnormal segregation of impurities accompanying the eutectic alloy does not occur, resulting in contact failure. Thus, the specific resistance of the minute via hole can be reduced, and the reliability of the element can be improved.
[0057]
  Given the above,next,The steps of the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
  Figure2(B)2It is sectional drawing along the gate extraction wiring layer of (a).
  Figure2See (a) and (b)
  First, an element isolation oxide film 12 is formed in a predetermined region of the p-type silicon substrate 11 by selective oxidation, and then an exposed surface of the p-type silicon substrate 11 surrounded by the element isolation oxide film 12 is thermally oxidized to form a gate oxide film 13. Next, after depositing a non-doped polycrystalline Si layer having a thickness of 10 to 300 nm, for example, 50 nm, P is ion-implanted to form a doped polycrystalline Si layer 36.
  Note that a doped polycrystalline Si film may be formed from the beginning.
[0058]
  Next, a TiN film 37 having a thickness of 10 to 100 nm, for example, 20 nm, which becomes a contact metal, and a TiN film 38 having a thickness of 10 to 200 nm, for example, 50 nm, which becomes a barrier metal, are sequentially deposited by sputtering, and then LPCVD again. Is used to deposit a non-doped polycrystalline Si layer having a thickness of 10 to 1000 nm, for example, 150 nm.2 After the film is deposited to 100 nm, the gate electrode and the gate lead-out wiring layer are formed by etching into a predetermined pattern.
[0059]
  Next, As is ion-implanted using the gate electrode and the protective film 15 as a mask to form n-type source / drain regions 17, and then the entire surface is made of SiO.2 A sidewall 16 is formed by depositing a film and performing anisotropic etching.
[0060]
  Next, a Si film having a thickness of 10 to 100 nm that serves as a stopper film during etching is formed on the entire surface by CVD.Three NFour After the film 18 is deposited, Si is deposited on the entire surface by the CVD method.Three NFour A SiO2 film having a thickness of 100 to 500 nm, which is different from the film 18 in etching characteristics, is deposited to form an interlayer insulating film 19, and then SiThree NFour After forming an opening in the interlayer insulating film 19 using the film 18 as an etching stopper layer, the Si exposed in the openingThree NFour By selectively removing the film 18, via holes reaching the n-type source / drain regions 17 are formed.
[0061]
  Next, after depositing a polycrystalline Si layer doped with impurities by LPCVD, polishing is performed by CMP until the first interlayer insulating film 19 is exposed, thereby forming a polycrystalline Si plug 20 having conductivity.
[0062]
  Then, again, a CVD method is used to form a SiO.sub.2 layer having a thickness of 0.05 to 5.0 .mu.m, for example, 0.5 .mu.m.2 After the film is deposited to form the second interlayer insulating film 23, a via hole reaching the gate lead-out wiring layer is provided, and then a non-doped polycrystalline Si layer is deposited again by LPCVD, and then the second interlayer insulating film is deposited. A polycrystalline Si plug is formed by polishing by CMP until the film 23 is exposed.
[0063]
  Next, after depositing an Al layer (not shown) having a thickness of 0.1 to 10 μm, for example, 2 μm, and a Ti layer (not shown) having a thickness of 50 to 2000 nm, for example, 200 nm, by sputtering, In a nitrogen atmosphere, heat treatment is performed at 400 to 660 ° C., for example, 500 ° C. for 1 to 48 hours, for example, 6 hours. After replacing the doped polycrystalline Si layer with Al, the Al replacement plug 39, the Al replacement wiring layer 40, and the Al replacement gate electrode 41 are again polished by CMP until the surface of the second interlayer insulating film 23 is exposed. Form.
[0064]
  In this way, the first of the present invention1In this embodiment, since the gate electrode and the gate lead-out wiring layer that could not use Al due to the high-temperature heat treatment accompanying the self-alignment process can be replaced with low specific resistance Al, the insulated gate type The operating speed of the semiconductor device can be increased.
[0065]
  In this case, the gate electrode has a multilayer structure of non-doped polycrystalline Si layer / stopper / doped polycrystalline Si layer 36, and Al diffusion is blocked by the stopper, so Al substitution is non-doped polycrystalline. Since only the Si layer and the doped polycrystalline Si layer 36 are left as they are, Vth does not fluctuate, and the gate oxide film 13 and the channel region 42 are not damaged, so that reliability is not impaired. The resistance of the gate electrode and the gate lead-out wiring layer can be reduced.
[0066]
  As described above, the present inventionThe fruitAlthough the embodiments have been described, the present invention can be modified in various ways, for example, a replacement Al layer(25)Ti layer provided on top(26)Is not always necessary.
[0067]
  Also, aboveThe fruitIn the present embodiment, the source / drain region having a single structure is used for the sake of simplicity of explanation, but an LDD (Lightly Doped Drain) structure may be adopted, and in that case, the gate electrode After forming the LDD region by ion implantation using the protective film as a mask, the source / drain regions may be formed by ion implantation using the sidewall as a mask.
[0068]
  The barrier metal is not limited to TiN, and any conductive film that can prevent Al diffusion can be used. For example, TaN, WN, SiC, or the like can be used.
[0069]
  In addition, the present inventionThe fruitIn the description of the embodiment, the region to be replaced is made of polycrystalline silicon, but is not limited to polycrystalline silicon, and may be microcrystalline silicon or amorphous silicon. Silicon may be used.
[0070]
  In addition, the present inventionThe fruitIn the description of the embodiment, a conductor film other than polycrystalline silicon is deposited by a sputtering method. However, the present invention is not limited to the sputtering method, and a CVD method or a vapor deposition method may be used.
[0071]
  In addition, the present inventionThe fruitIn the description of the embodiment, n-channel type IGFEAt TAs described, p-channel IGFETIt goes without saying that also applies.
[0072]
【The invention's effect】
  According to the present invention, since the high-temperature treatment step is involved in the subsequent steps, the wiring layer and the electrode where the Al cannot be used are replaced with Al by using a polysilicon-aluminum substitution method after the high-temperature treatment step is finished. Since the resistance is reduced, the operating speed of various semiconductor devices can be greatly increased, and it contributes to the reduction of power consumption.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]It is explanatory drawing of the process of the reference example 1 used as the premise of this invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the first embodiment of the present invention.
[Fig. 3]It is explanatory drawing of the conventional PAS process.
[Fig. 4]It is explanatory drawing of the example of application of the conventional PAS technique.
[Explanation of symbols]
  11 p-type silicon substrate
  12 Device isolation oxide film
  13 Gate oxide film
  14 Gate electrode
  15 Protective film
  16 sidewall
  17 n-type source / drain regions
  18 SiThree NFour film
  19 First interlayer insulating film
  20 Polycrystalline Si plug
  21 Ti film
  22 TiN film
  23 Second interlayer insulating film
  24 Polycrystalline Si plug
  25 Al layer
  26 Ti layer
  27 Al replacement plug
  36 doped polycrystalline Si layer
  37 Ti film
  38 TiN film
  39 Al replacement plug
  40 Al replacement wiring layer
  41 Al substitution gate electrode
  42 channel region
  201 silicon substrate
  202 SiO2 film
  203 Contact hole
  204 Polycrystalline Si layer
  205 Polycrystalline Si plug
  206 Al layer
  207 Al replacement plug
  211 p-type silicon substrate
  212 Device isolation oxide film
  213 Gate oxide film
  214 Gate electrode
  215 Protective film
  216 sidewall
  217 n-type source / drain regions
  218 SiThree NFour film
  219 Interlayer insulation film
  220 Ti film
  221 TiN film
  222 Polycrystalline Si plug
  223 Al layer
  224 Ti layer
  225 Al replacement plug

Claims (1)

ゲート電極を上層側からシリコン層、置換用金属であるアルミニウムに対するストッパとなる導電体層、及び、不純物をドープしたシリコン層からなる多層構造で構成する工程と、前記上層側のシリコン層に接するシリコンプラグを形成する工程と、前記シリコンプラグに接するようにアルミニウム層を設ける工程と、窒素雰囲気中で熱処理を行うことによって前記シリコンプラグを前記アルミニウム層のアルミニウムと置換して金属置換プラグにするとともに、前記ゲート電極の内の上層のシリコン層のみをアルミニウムで置換する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。A step of forming a gate electrode with a multilayer structure comprising a silicon layer from the upper layer side, a conductor layer serving as a stopper for aluminum as a replacement metal, and a silicon layer doped with impurities, and silicon in contact with the upper silicon layer A step of forming a plug, a step of providing an aluminum layer in contact with the silicon plug, and a heat treatment in a nitrogen atmosphere to replace the silicon plug with aluminum in the aluminum layer to form a metal replacement plug. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: replacing only the upper silicon layer of the gate electrode with aluminum.
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