JPS58138075A - シリコンｍｏｓ型電界効果トランジスタ及びその製造方法 - 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】 本発明はシリコン結晶を用いたＭＯａ型電界効果トラン
ジスタに関するものである０ シリコンＭＯａ型電界効果トランジスタは、高周波用の
単体トランジスタや集積回路の基本素子として広く用い
られている。これらいずｎの応用に対してもスイッチン
グ速［、最大動作周波数、利得等のトランジスタ特性の
向上、あるいは集積回路に８ける集積度の向上を因るた
めトランジスタのチャネル長の短−が重要な課題となっ
ているｏしかしチャネル長を１−１．５μｍ＠度以下に
まで短縮するといわゆる短チャネル幼果として知られて
いる閾値電圧のチャネル長依存性やソース・ドレイン間
耐圧の低下等の重大な問題点が生じる０これらの問題は
王として、ソースとドレイン間の距離がトレイン領域に
よる空乏層の蝙びのａｉ１度あるいはそれ以下にまで短
かくなったためによるものである◎この問題、即ち、ド
レイン空乏層の蝙びの影響を軽減するためには、ソース
及びドレイン領域の深さ、即ちソース及びドレイン領域
の接合陳さを浅くすることが有効であることが知らｎて
いる。現在、接合深さが０．３μｍ梶置０比較的浅ス いｎ型ンー２．ドレイン層は砒素イオン注入により形成
することができる。し力）じ、このｌ！度の浅さのソー
ス及びドレイン領域においても、その層抵抗は３０〜５
０Ω／口という比較的大きな値になり、集積回路への応
用の場合の様にソースあるいはドレイン領域のｇ長が°
そのま＼素子間の相互接続配−としても使用される場合
には直列抵抗が無視し得ない値になってしまい信号の伝
播遅延や電圧低下の原因となる。ナヤ不ル長が１μ亀μ
下にまで短−された場合−こは、更に浅い接合深さが必
要となり、従って層抵抗は益々大きくなりその場燻抗に
よるトランジスタや集積回路の性能の低下は一層一刻な
ものとなる。

また、０．１〜０．２μｍ４にの浅い接合−域へのアル
ミニウム系金属によるオーミックコンタクトにおいても
いわゆるスパイクと称される局部的拡散・合金化反応が
生じ基板との電気的ＩＭｉ絡を引起し易いことが予想さ
れる。この様に、率に不純曹イオン注入のみで０．１〜
０．２μｍ１１度の浅いソース・ドレイン領域を形成す
ることは電気抵抗やオーミックコンタクト等の点り）ら
好ましくないことが判る。

この問題を解決するために金ｌ１４硅化物ＩｊＩＩＩを
ソース・ドレイン領域の表面に形成することが考えられ
る。

し力）シ、白金、パラジウム等の貴金属の硅化物を形成
した場合には、こｎらの責蛍属の硅化物の熱安定性が充
分でないため８５０℃１４直の熱処理によって抵抗値が
著しく増大したり、オーミックコンタクト部でアルミニ
ウム系金属と反応したりするという問題があり実用に供
し崩い。一方、モリブデン、タンゲスアン、タンタル、
チタン等のいわゆる高融点金属の硅化物の場合に番まそ
れらの材料自身の耐熱性という点においては問題はない
。そこで従来の技術を用いてＣれらの高融点金属の硅化
物をソース・ドレイン領域上に形成して低抵抗化を図る
という目的のために応用しようとすると次の２つの方法
が従来考えられていた。

第１の方法は所望の組成比の高融点金属の硅化物膜その
ものをスパッタリングや真空蒸着等の方法を用いて堆積
する方法である。しη）シ、この方法においては８００
℃糧置以装の毫温熱処理によって高融点金属の硅化物膜
とその下の予め高濃度にネトレイン領域の実効的な直列
抵抗、・の増加を引起す。

更に、この方法では、予め金属硅化物組成を持った膜を
堆積するため、ソース、ドレイン領域等の所望の領域に
のみ自己整合的に形成することは容易ではないという欠
点をも含んでいる。

ｇ２の方法は、ｌ１ｉ６融点金属の硅化物そのものを堆
積するのではなく、高融点金属層を堆積した後、熱処理
によって高融点金属とシリコンとを反応させて硅化一層
を形成する方法である０この方法では、ソース・ドレイ
ン領域等の所望の領域のシリコン表面を旙出せしめて力
）ら高融点金属層の堆積を行うことにより、所望部のみ
に自己整合的に高融点金属層を形成することができるｏ
しかし、この方法を実際に賦６ると高融点金属と高濃度
に不純物をドープしたシリコンとの反応の再演性や−様
性が著しく想いことが判った。即ち、高融点金属とシリ
コンとの硅化物反応が殆ど生じない場合や、激しい反応
が生じる場合が、試料間あるいは試料内においても生じ
た。これは多分高融点金属とシリコンとの界面やｉ％融
点金属あるいはシリコンの状態によって硅化物形成災厄
が敏感に影響された結果と考えられる。更に、この様な
方法においては、高融点金属とシリコンとの軸化物形成
反応が生じた場合においても、虹化物形成反応は、シリ
コン露出部の端部から未嬉田部（高融点金属−が絶縁物
上にある領域）ヘハミ出して生じるため、自己整合的に
高融点金属の軸化＠を所望領域にのみ形成するという点
においても問題があることが判明した。

その上、上記２つの方法いずれによって形成した高融点
金属の軸化物においても、８５０℃機に以上の高置熱処
理によって結晶粒極が１００ＯＸオーダｊ＝ の多結晶４なり従って表面の平滑性や均質性も余りよく
ない。この−に表面の平滑性や均質性もよくなく′ＩＪ
）つ多結晶の１４一点戴＾の硅化物層を＾濃度−こ不純
物をドープしたシリコン結晶表面に形成した後高温の熱
処理を行うと、シリコン結晶にドープしておいた不純物
が硅化物層の結晶粒界中に拡散しシリコン結晶中力）ら
抜けるという現象が生じたり、あるいは、オーミックコ
ンタクト用のアルミニウム来会Ｊ４を堆積した場合には
、アルミニウムやシリコンが結晶粒界を容易に相互拡散
しいわゆるスパイクを生じるということが判った。

以上の如く、従来の方法、あるいは従来の方法によって
形成される高融点金属の硅化物層は、ソース、ドレイン
領域の低抵抗化という目的への応用曇こげ不適当である
ことが判明した。

不発明の目的は、上記従来構造及び従来方法における問
題点を解決した１ｔｈｒ現なシリコンＭＯ８型電昇効釆
トランジスタとその装造方法を提供Ｔることである。

本発明によればソース・ドレイン領域のシリコン表面の
ほぼ全面が平滑で８）つ均質な単結晶状の高融点金属の
軸化物ｊ−で被われていることを特徴とするシリコンＭ
Ｏ８ｆｉ電界幼釆トランジスタが得られる。

更に本発明ＩＣよればこのシリコン結晶中力′４が効果
トランジスタの製造方法として、ソース及びドレイン領
域を形成すべき領域のシリコン結晶表面のほぼ全面に高
融照会Ｊ１１［を堆積し、次いでソース及びドレイン領
域を形成するための不純物イオンを該高融点金属Ｈｆ通
してかつその飛程が腋高融照会ｊＩＩ４襖の膜厚より大
きくなる条件でイオン注入することによりイオン法人さ
れた領域での前記高融点金属鎖と前記シリコン結晶との
界面ｌこ少くとも前記高融点金属と前記シリコンとが混
合した層を形成し同時番こ該混合層直下部にソース及び
ドレイン領域形成相の不純物イオン注入層を形成し。

次いで熱処理を行うことにより該イオン注入層の電気的
な活性化を行うとともにｓＩ記イオン注入によって形成
された前記混合層を平滑でかつ均質な単結晶状の高融点
金属硅化物層に結晶化させることを待機とするシリコン
結晶中力′−が効果トランジスタの製造方法が優られる
。

更に不発明によれば同じく上記シリコンＭＯ８ｆｉ１１
Ｅ界幼果トランジスタの製造方法として不純物をドープ
して形成したソース及びドレイン領域のシリコン結晶表
面のほぼ全面ｔｃ高高融点金属管形成し。

次いでシリコン中において電気的に不活性なシリくなる
条件でイオン注入することによりイオン注入された領域
での高゛融照会ＪＩＮと不純物をドープしたシリコン結
晶との界面に少くとも前記高一点釡属と前記シリコンと
が混合した層を形成し、次いで熱処理を行うことにより
峡混合層を平滑でかつ均質な単結晶状の闘融点＊ｓ＆化
物層に結晶化させることを特徴とするシリコンＭＯ８ｆ
ｉ電界幼釆トランジスタの製造方法が侍らｎる・ 本発明によるトランジスタは、イオン注入によって形成
したｉ４ｍ点金属とシリコンとの混合層の結晶化ＮＩを
ソース・ドレイン領域の低抵抗化層として市いており、
上記本発明による方法により形成したｌＴｉ６融点金ｓ
４姓化物鳩は、従来方法によって形成した一一照会Ｊ４
硅化會層に比較して著しく優ｎた平滑性、均質性、熱的
安定性及び合雀化反応に対する障壁性を有する。従って
９５０℃梅度の熱処理を行っても低抵抗性を失わすη）
つ高信頼性のあるアルミニウム系のオーミックコンタク
トも形成し得る浅いソース・ドレイン領域を有するトラ
ンジスタが実質的に始めて実現される。

また、本発明による方法では、上述の優れた性質を有す
る高融点金属硅化物層は極めて再現性よく形成し得る上
、所ｉ！領域以外ヘハミ出して硫化１シ 鳩か形成されるこεがく従りて萬い自己腹合性を有する
という利点もある〇 第１図は、不発明による方法と従来の方法とによって形
成されたモリブデン軸化物層の表面状朧の違いを示すた
めの光学−微鏡写真である◎矩形領域内部はシリコン基
板表面を露出させてから（Ｋｌ化膜に窓を形成してから
）モリブデン膜を堆積した領域であり、矩形の外部は、
酸化シリコン瞑上にモリブデン膜が堆積された領域であ
る◎また、禎域１０１は不発明による方法により、４０
０Ａのモリブデン膜を通して１８０ｋｅＶ５Ｘ１０　ｍ
　　の砒素イオン注入を行った後に熱処理によりモリブ
デンは化物１ｍを形成した領域であり、領域１０２は、
従来の方法により全くイオン注入せずに熱処理によりモ
リブデン姓化物層を形成した領域である。

領域１０１では表面が極めて平滑であるのに対し領域１
０２での表面荒わが著しい。また領域１０１では酸化膜
の窓外へのハミ出した硅化物層の形成は生じていないが
、幀°斌１０２では酸化膜の窓へのハミ出した硅化物の
形成１０３が見られる。また透過′−子ｋｊ４微跳観察
によれば、領域１０１には殆ど明確な粒界が見肖らない
が、領域１０２では数百〜数千Ｘの結晶粒ρ）ら成立し
ていることが判った。更に、反射電子縁回折によっても
、領域１１０１１７Ｊ晶性が領域１０２の結晶性より着
しく良いことが判った。

次に本発明によるシリコンＭＯ８ｆｉ＝域界効果トラン
ジスタとその製造方法の実施例を図を用いて説明する。

第ｌｃｖ実施同は、本願特許−Ｎ求範囲の第２項に対重
６するものである◎第２図（ａ）　＃　（ｂ）　ｅ　（
ｃ）　ｔ　（ｄ）　ｓ　（ｅ）。

（ｆ）はこの第１の実施例を説明するための図で生簀工
程における上記トランジスタの模式的断面を順次示した
図である。

２０１は主面の面方位が（５１１）であるｐ！シリコン
基板、２０２はフィールド績化膜、２０３はチャネルス
トップ用ボロン注入層、２０４はゲート駿化膜（膜厚ａ
ｓｏＸ）、２０５はスパッタリングで形成したモリブデ
ン硅化物（Ｍｏ８ｉ　、　）ゲート電極である。次に―
）図の如くソース・ドレインを形成すべき領域のゲート
酸化ｌＩＩを除去してシリコン面２０６，２０６を露出
させる。この際ゲート電極２０５下のゲート鐵化膜がア
ンダーカットされるのを防ぐため方向性エツチング特性
を有する反応性イオンビームエツチングを用いた。次に
、　（Ｃ）＠、の如く電子ビーム蒸着法により、高融点
金属としてのモリブデン＠２０７＠厚４００Ｘ）を堆積
する。

この際ゲート電＠２０５の段差部での畿覆率が良くなら
ない様に行った方が後の自己整合的に硅化物を形成する
という観点からは万丈しい０次に（ｄ）図の如＜　１８
０ｋｅＶの砒素イオン２０８を５ＸＩＯａｌだけイオン
注入することにより、モリブデンとシリコンとの混合層
２０９，２０９並びに砒素イオン注入４２１０，２１０
を形成する０次に６００℃水嵩ガス中で熱処理すること
により拠金Ｆａ２０９，２０９舊 をモリブデン硅化物に結晶化さ扇た後、過鐵化水累系エ
ツチング液に浸漬することによりフィールド酸化＠２０
２及びゲート電り１２０ｓ上の未反応モリブデンｉ［を
除去することにより（ｅ）１ｍの様な構造を得る。次に
、図（わの即く、層間結縁娯としてのリンガラス層２１
１を堆積した後、イオン注入層の′４気的活性を図るた
め９５０℃の熱処理を行った後。

更−こアルミニウムによる配＠２１２を形成することれ
たＭＯ８ｆｉ電界効果トランジスタが形成できた・第３
図（ａｔ　、　（ｂ）　＊　（ｃ）　＊　（ｄ）は１本
願特許請求の範囲第３項に対応する実施向を説明するた
めのもので第２図と同様に主要工程における本発明のト
ランジスタの模式的断面を順次示した図である。

まず（ＩＪ図の如く主面の面方位が（５１１）であるｐ
ａｌシリコン基板３０１を用いてフィールド域化暎３０
２、チャネルスト、プ用ボロン注入４１３０３％ゲート
酸化１Ｉ３０４（膜厚３５０Ａ）、モリブデン硅化物ゲ
ート電極３０５を一述の＠ｌの実施例の場會七同様の条
件で形成する。次にゲート電＠３０ｓをマスクとして、
ゲート酸化＠３０４を通して１０　ｏｋｅ’ｒ″砒素イ
オン１５Ｘ１Ｇ　鋼　イオン注入し、ソース及びドレイ
ン用砒素イオン注入層３０６，３０６を形成する。次に
、ソース、ドレイン領域上のゲート酸化膜を除去するこ
とにより、Φ）図の如くシリコン表１１ｋＹ２７．２７
を露出させる。次に（ＣＪ図の如＜　４０ＯＡの膜厚の
モリブデン１１１２１３１積する。

次に（ｄ）図の如（１８０ｋｅＶのシリコンイオン３０
Ｇを５Ｘ１０ｃＩ１１　　だけ注入することによりモリ
ブデンとシリコンとの混合層３１０，３１０（Ｆ−形成
する◎以後は、ｉｌｌの実施例における６００℃での硅
化物結晶化のための熱処理以後と同じであるので省略す
る。

第３図（旬ｔ　（ｂ）　、　（ＣＪ　ｅ　（ｄ）で示し
た実施列においては、モリブデン膜堆積前に形成するソ
ース・ドレイン領域３０６，３０６上のゲート酸化膜の
除去は、自己整合的に行ったが、この際のゲ、−計電極
３０５下のゲート酸化膜のアンダーカットの発生による
ゲート電極とソースやドレインとの短絡の可能性を避け
るため＊＠＜図（旬、−）に示した如く通常のホトリソ
グラフィーとエツチング技術を用いてゲート酸化膜を除
去する°領域４０７，４０７をゲート電極から少し離し
ておいてからモリブデン１１４０ｇを１堆積してもよい
。

上記いずれの実施例においても本発明による場合のソー
ス・ドレイン領域は接合深さが約０．２５μｍで層抵抗
が約１５νＯであったが、従来の様にソース・ドレイン
領域をイオン注入層のみで構成しまた場合には、その層
抵抗は６０Ｑ／口と４倍近く−大きい値であった。

なお、本実施９１＃こおいては、高−照会属としてモリ
ブデンを用いた場合についてのみ記述したが、タングス
テン、タンタル勢他の高融点金属につい２ても同様の効
果が確認できた。

【図面の簡単な説明】

ｗＩ１図は、本発明による方−法とイ疋米の発明による
方法とによって形成したモリブデン姓化物層の表面状態
を示すための光学順黴鏡写真。１１２〜ＩＩｇ４図は、
本発明による方法の実施列を示すための主要工程での試
料断面を示した模式的断面図である。 １０１・−・・・本発明によって形成したモリブデン硅
化物。 １０２−・・・・・従来の方法によって形成したモリブ
デン蛙化吻、 １０３・・−・・・酸化膜上にまでハミ出して成長した
モリブデン硅化物。 ２０１．３０１・・・・−シリコン基板、２０４．３０
４・・・・・・ゲート酸化膜。 ２０５．３０５・・・・・・ゲート電極。 ２０７．３０８，４０８・・・・・・モリブデン膜。 ２０９．２０９，３１０，３１０’−−−−・・混合層
、２１０．２１０，３０６，３０６’町−・不純物層、
２０３．３０３−・・・・チャネルスト、プ用ポロン注
入鳩。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　ソース及びドレイン領域のシリコン表面のほぼ全
   面が平滑でかつ均質な単結晶状の高融点金属硅化物質層
   で被われていることを特徴とするシリコンＭＯ８ａ！１
   ｓｌｌＥ界効果トランジスタ。 ２、　ソース及びドレイン領域を形成すべき領域のシリ
   コン結晶表面のほぼ全面に嶋融点金属膜を堆積し、次い
   でソース及びドレイン領域を形成するための不純物イオ
   ンを該ｉＩ％融点金属膜を通してかつその飛程が該高融
   点金属膜の膜厚より大きくなる条件でイオン注入Ｔるこ
   と醗こよりイオン注入された領域での前記高融点金属膜
   と前記シリコン結晶との界面に少くとも前記高融点金属
   と前記シリコンとが混合した層を形成し同時に咳混合層
   直下部にソース及びトレイン領域形成用の不純物イオン
   注入層を形成し１次いで熱処理を行うこと暑こより該イ
   オン注入層の電気的な活性化を行うとともｌ−に結晶化
   させることを特徴とするシリコンＭＯ８Ｎｕｎ効釆トラ
   ンジスタの製造方法。 ３、不純物をドープして形成したソース及びドレイン領
   域のシリコン結晶表面のほぼ全面に＾融点金ｍ＆！を形
   成し、次いでシリコン中において電気的に不活性なシリ
   コンやアルゴン等のイオンを該−一点金）Ａ膜を通して
   かつその飛程が該高融金属膜の膜厚より大きくなる条件
   でイオン注入することによりイオン注入ざｒした領域で
   のｓ６融点金属膜と不純物をドープしたシリコン結晶と
   の界面に少くとも前記高融点金属と前記シリコンとが混
   合したＨＩＩを形成し、次いで熱処理を行うことにより
   咳混曾層を平滑で力）つ均質な単結晶状の高一点金属妊
   化物鳩に結晶化させることを特徴とするシリコン結晶表
   面・−界効果トランジスタの装遣方法０