JPH03119763A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特にゲート電
極形成後の酸化工程（ゲート後酸化工程）を改良した半
導体装置の製造方法に係わるものである。

（従来の技術） 周知の如く、半導体装置の電極や配線としては多結晶シ
リコンが広く用いられている。しかしながら、半導体装
置の高集積化、高速化に伴い電極や配線の抵抗による信
号伝達遅延が重大な問題となってきている。特に、大容
量、高集積化が進展しているＭＯ３ＬＳＩの分野ではゲ
ート電極に使用されている多結晶シリコンは第１層配線
と共用になるので、ここでの抵抗値が半導体装置の高速
動作の障害となっている。

このようなことから、多結晶シリコンに代わる電極配線
材料として、熱的な安定性と電気的な低抵抗性を有する
高融点金属のシリサイドが使用されつつある。また、最
近ではＷ、Ｍｏ等の高融点金属そのものをゲート電極と
して使用する試みもなされている。ＷＳＭｏなどの高融
点金属は、その電気抵抗率が多結晶シリコンよりも　２
桁低く、またシリサイドの抵抗率の１／４〜ｌ／３であ
り、低抵抗の電極配線として有望視されている。

上述した高融点金属（例えばＷ）をゲート電極の一構成
材として用いた半導体装置としては、従来より第４図に
示す構造のものが知られている。

即ち、図中の１はｐ型シリコン基板であり、この基板１
表面には素子領域を電気的に分離するためのフィールド
絶縁膜２が形成されている。このフィールド絶縁膜２で
分離された基板１表面には、互いに電気的に分離された
ソース、ドレインとなるｎ＋型型数散層３ａ　３ｂが形
成されている。これら拡散層３ａ、　３ｂ間のチャンネ
ル領域を含む前記基板１表面上には、ゲート酸化膜４を
介して多結晶シリコン層５、窒化金属層（例えばＴｉＮ
層）６及びＷ層７からなるゲート電極８が設けられてい
る。

なお、前記ゲート電極８を構成する窒化金属層６はＷ層
７の多結晶シリコン層４に対する密着性を向上すると共
にＷ層７と多結晶シリコン層４とが反応して抵抗率が１
桁上昇するのを防止する反応障壁層として作用する。

ところで、従来より採用されている多結晶シリコンゲー
ト電極の形成工程では５０〜５００人といった薄いゲー
ト酸化膜に対する欠陥やゲート電極のエッヂ形状に起因
するゲート耐圧劣化を回復するために酸化雰囲気（例え
ば乾燥酸素）中で熱処理を行い多結晶シリコン層の露出
面やソース、ドレイン領域の基板上にシリコン酸化膜を
新たに成長させる工程を行っている。この工程は、ゲー
ト後酸化工程と呼ばれている。

しかしながら、一般にＷ、Ｍｏなどの高融点金属は酸化
雰囲気中での熱処理において耐性がないため、前述した
第４図に示すゲート電極構造で従来のような後酸化工程
を適用することができないという問題があった。

一方、Ｗ層単独のゲート電極の場合には水蒸気（Ｈ２０
）をｌｏｐｐｍ　〜１０％含む水素（Ｈ２）キャリガス
中で熱処理を行う方法が提案されている。

しかしながら、このような雰囲気下で前述した第４図に
示すゲート電極構造の後酸化を行なうと、金属窒化層、
例えばＴｉＮ層から窒素が抜け、Ｔｉが酸化されるとい
う問題があった。従って、水素−水蒸気雰囲気での後酸
化も窒化金属層か存在するゲート電極構造では有効な解
決にはなっていない。そのため、ゲート後酸化工程を適
用できず、ゲート耐圧が極端に悪化し、高融点金属ゲー
ト電極の実用化の障害となっている。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、後酸化工程においてゲート電極を構成する金属層
及び窒化金属層の酸化を招くことなくシリコン酸化膜を
成長でき、ゲート耐圧を向上させた半導体装置の製造方
法を提供しようとするものである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介して窒
化金属層及び金属層をこの順序で積層した電極（例えば
ゲート電極）を形成する工程と、還元性気体及び酸化性
気体を含み、かつ窒素を含む気体を希釈気体とした雰囲
気中で熱処理する工程とを具備したことを特徴とする半
導体装置の製造方法である。

上記窒化金属としては、例えばＴｉ、Ｚｒ。

Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏなどの周期律表のｒＶａ族
、Ｖａ族又はＶｌａ族に属する金属元素の窒化物を挙げ
ることができる。

上記金属としては、例えばＷＳＭｏ、ＡΩ、Ｃｕ　ＳＡ
　ｇ　ｓ　Ａ　ｕの少なくとも１つを主成分とするもの
を挙げることができる。

上記還元性気体としては、例えば−酸化炭素、水素等を
、上記酸化性気体としては例えば二酸化炭素、水蒸気、
二窒化酸素等を、挙げることができる。上記窒素を含む
気体としては、例えば窒素単独、窒素と水素の混合気体
等を挙げることができる。

上記熱処理は、８００〜９００℃の温度範囲で行なえば
よい。

上記還元性気体としてＨ２を、酸化性気体として水蒸気
（Ｈ２０）を、窒素を含む気体としてＮ２を用いた場合
には、それら気体の混合比率を次のように設定すること
が望ましい、即ち、Ｈ２、Ｈ２Ｏ，Ｎ２の分圧をＰＨ２
、Ｐ　Ｈ２Ｏｓ　Ｐ　Ｎ２とすると、Ｐ　Ｈ２／　Ｐ　
１４２０を０．５以上、１．ＯＸ　ｔｏ９以下にし、か
つ　ｌｏｇｐ　Ｎ２を一２２以上、１４以下にする。更
に、より好ましい条件としては前記温度を８００〜９０
０℃にすることがよく、この際Ｐ　ｌ＋２／　Ｐ　１１
２０をＬＸ　１０’以上、１．ＯＸ　１０’以下にし、
かつｌｏｇＰ　Ｎ２を一２以上、　２以下にする。但し
、Ｎ２、Ｎ２０に代えて上述した還元性気体、酸化性気
体をそれぞれ用いても同様な条件にて本発明を達成でき
る。

なお、本発明方法において金属層の厚さを厚くする場合
には金属層から半導体基板やゲート酸化膜に応力が加わ
り、また金属層中の可動イオンが多い場合にはその可動
イオンがシリコン酸化膜に拡散して耐圧を劣化する恐れ
があるため、前記金属層から半導体基板に加わる応力の
緩和及び金属層中の可動イオンのシリコン酸化膜への拡
散を阻止する目的で該シリコン酸化膜と窒化金属層の間
に多結晶シリコン層を介在させてもよい。

（作用） 本発明によれば、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介
して窒化金属層及び金属層をこの順序で積層した電極（
例えばゲート電極）を形成した後に熱処理を行なう際、
還元性気体及び酸化性気体を含み、かつ窒素を含む気体
を希釈気体とじた雰囲気中で熱処理することによって、
金属層（例えばＷ層）を酸化させずにシリコンのみを酸
化することが可能な酸素ポテンシャルを得ることができ
、かつ窒素を含む気体をキャリアガスにすることにより
窒化金属層（例えばＴｉＮ層）からの脱窒反応を阻止す
ることができ、窒化金属層の酸化も同時に防止すること
ができる。従って、かかる雰囲気中での後酸化処理によ
り金属層及び窒化金属層を酸化させることなくシリコン
酸化膜を成長できるため、良好なゲート絶縁耐圧を有す
る半導体装置を製造することができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

まず、第１図に示すように例えば比抵抗６Ω・ｃｍのｐ
型シリコン基板１１表面に選択酸化によりフィルド酸化
膜１２を形成した後、熱酸化処理を施してフィールド酸
化膜１２で分離されたシリコン基板１１表面に厚さ５０
〜３００人のシリコン酸化膜１３を形成した。

次いで、シリコン酸化膜１３上に不純物が添加された厚
さ　５００人の多結晶シリコン層１４を堆積した後、基
板１１を４７３にの温度に保持した状態にてＴｉをター
ゲットとしたＮ２とＡｒの混合ガス（混合比５０：５０
）中でスパッタリングすることにより多結晶シリコン層
１４上に厚さ　５００人のＴｉＮ層１５を堆積した。つ
づいて、ＬＰＣＶＤ法により水素（Ｎ２）、モノシラン
（ＳｉＨ４）及び六フッ化タングステン（ＷＦ６）の混
合ガスを用いてＮ２をＯ，１７３ｔｏｒｒ、ＳｉＨ４を
０．０１３ｔｏｒｒｓＷＦ６を０．０６５ｔｏｒｒの各
分圧に保持し、４２０℃の基板温度でＴｉＮ層１層上５
上さ約１５００人のＷ層１６を堆積した（第１図（ｂ）
図示）。ひきつづき、前記Ｗ層１６、ＴｉＮ層１５及び
多結晶シリコン層１４を通常のフォトリソグラフィと反
応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）を用いて順次選択的
にエツチングすることにより第１図（Ｃ）に示すゲート
電極１７を形成した。

次いで、水素（Ｎ２）と水蒸気（Ｎ２０）を含み、窒素
（Ｎ２）をキャリアガスとした混合ガス雰囲気中、８０
０℃で熱処理した。この熱処理は、例えばｌ１００Ｋで
第２図に斜線部に示す範囲の分圧、具体的にはＮ２　：
　Ｎ２０−２０００：　　ｌに混合されたガスを４０％
含むＮ２雰囲気（点Ａで示す）で行なった。こうした熱
処理により第１図（ｄ）に示すように多結晶シリコン層
１４の側壁部とシリコン基板１１にそれぞれ新たな酸化
膜１８．１９が成長し、ゲート酸化膜が厚くなった。ま
た、前記熱処理においてゲート電極１７を構成するＷ層
１６及びＴｉＮ層１５はいずれも全く酸化されなかった
。即ち、この熱処理雰囲気はシリコンに対して酸化性、
Ｗ層１６に対しては還元性、更にＴｉＮ層１５に対して
は酸化防止性を奏するように働く。熱処理雰囲気をかか
る性質を示すように選定することが重要であり、そのた
めに前述したように温度とガスの割合を定めた。つづい
て、フィールド酸化膜１２及びゲート電極１７をマスク
としてｎ型不純物、例えば砒素をイオン注入し、“活性
化することによりシリコン基板１表面にソース、ドレイ
ンとなるｎ＋型型数散層２０ａ、　２０ｂを形成した。

本実施例によれば、前記雰囲気下での後酸化工程により
ゲート酸化膜に存在する絶縁耐圧不良部を消滅できると
共に、電界の集中するゲート電極１７のエッヂ部のゲー
ト酸化膜を厚くできるため、良好なゲート耐圧を得るこ
とができる。また、Ｗ層１６を含む低抵抗材料でゲート
電極１７を形成できる。その結果、ゲート耐圧（破壊電
界強度）が高く、ゲート遅延時間が非常に短く０．５μ
ｍ以下のゲート長に微細化し得る高信頼性のＭＯＳ型半
導体装置を製造することができる。

事実、本実施例により得られたＭＯＳ型半導体装置にお
けるゲート耐圧（破壊電界強度）の頻度、及び熱処理を
施さなかった前述した第４図図示のＭＯ８半導体装置（
比較例）おけるゲート耐圧（破壊電界強度）の頻度をそ
れぞれ調べたところ、第３図（Ａ）、（Ｂ）に示す結果
を得た。なお、第３図（Ａ）、（Ｂ）はｌ　ｕ　ｍ　２
のゲート面積のトランジスタ　１００万個を並列接続し
た測定パターンを用いて１００パターンを評価した結果
である。

本実施例で製造された半導体装置（第３図（Ａ））は、
ゲート耐圧の大部分がｇＭＶ／ｃ＋ｎ以上であり、比較
例の半導体装置（第３図（Ｂ））と比べて初期短絡（：
：１ＭＶ／ｃｍ）や５Ｍ　Ｖ　／　ｃ＋ｎ＋下の不良モ
ードが観測されず、良好なゲート耐圧特性を有すること
がわかる。

なお、上記実施例では還元性気体として水素、酸化性気
体として水蒸気を用いたが、還元性気体として一酸化炭
素、酸化性気体として二酸化炭素を用いた場合、熱処理
時の酸素ポテンシャルは水素−水蒸気の場合とほぼ同値
で、第２図に示す条件範囲をそのまま適用できる。

なお、上記実施例では、ｎ型シリコン基板を用いたｎチ
ャンネルＭＯ８半導体装置の製造に適用した例を説明し
たが、ｎ型シリコン基板を用いたてもｐチャンネルＭＯ
３半導体装置、ＭＯＳキャパシタ、ＭＯＳダイオード等
の製造に同様に適用できる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば後酸化工程において
ゲート電極を構成する金属層及び窒化金属層の酸化を招
くことなくシリコン酸化膜を成長でき、ひいては信号伝
達速度が高く、ゲート耐圧が向上された高信頼性の半導
体装置を高歩留りで製造し得る方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例におけるＭＯＳ
型半導体装置の製造工程を示す断面図、第２図は本実施
例での熱処理時の水素、水蒸気（又は−酸化炭素、二酸
化炭素）の分圧条件を示す特性図、第３図（Ａ）は本実
施例で製造されたＭＯＳ型半導体装置のゲート耐圧の頻
度を示す特性図、同図（Ｂ）は従来法（比較例）により
製造されたＭＯＳ型半導体装置のゲート耐圧の頻度を示
す特性図、第４図は従来のＭＯＳ型半導体装置を示す断
面図である。 １１・・・ｎ型シリコン基板、１３・・・シリコン酸化
膜、１４・・・多結晶シリコン層、１５・・・ＴｉＮ層
、１６・・・Ｗ層、１７　＝−・ゲート電極、１８．１
９−・・酸化膜、２０ａ　、　２０ｂ　−・・ｎ＋型型
数散層 （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） 第１図 第 ２ 図 Ｖ界強厘［Ｍｖｃｍ］ （Ａ） 電岑蝕屋［ｘｖ／ｃｍｌ （Ｂ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリコン基板上にシリコン酸化膜を介して窒化金属層
   及び金属層をこの順序で積層した電極を形成する工程と
   、還元性気体及び酸化性気体を含み、かつ窒素を含む気
   体を希釈気体とした雰囲気中で熱処理する工程とを具備
   したことを特徴とする半導体装置の製造方法。