JPS5863170A

JPS5863170A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPS5863170A
Application number: JP56161996A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Ofuji; 大藤　晋一; Chisato Hashimoto; 橋本　千里
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1981-10-13
Filing date: 1981-10-13
Publication date: 1983-04-14
Also published as: JPH0140507B2

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、電極配線を有する半導体装置の製造方法に関
するものである。

近年、集積回路技術の発展は著しく、半導体装置内部に
素子とその電極配線とを高密度に集積させるため、ＭＯ
８型集積回路などでは、いわゆる自己整合式素子形成法
が用いられるようになった。

この方法は、不純物添加多結晶８１などを半導体基板へ
の不純物イオン注入のマスクに用い、また、その１ま残
して電極配線として利用するものである。この工程につ
いて、ＭＯＳトランジスタを例にして図面で説明する。

捷ず、第１図（ａ）に示すように、Ｓｌ基板１に素子間
分離用Ｓｔ酸化膜２を形成しゲート酸化膜３を形成する
。その後、第１図（ｂ）に示すように、不純物添加多結
晶Ｓｔ　、高融点金属またはそのシリサイドなどを堆積
させ、これを写真蝕刻法で加工してゲート電極４を形成
する。次に第１図（ｅ）に示すように、Ｓｉ基板１と反
対の伝導型を示す不純物イオンをゲート電極４をマスク
にして注入し、ＭＯＳトランジスタのノース及びドレイ
ンとなる不純物拡散領域５．６を形成する。その後、窒
素写囲気中で１ｏｏｏ℃程度まで加熱して、不純物の活
性化を行なう。

この工程では、イオン注入に対してゲート電極をマスク
にして自己整合させているだめ、従来の自己整合を用い
ない技術と異なり、不純物拡散領域と電極配線との画像
合わせのための目合わせずれに対する余裕を必要としな
い。従って、素子の占める面積が減少し、照られたベレ
ット面積内により多くの素子を形成することが可能とな
る。現在、高密度化した集積回路を製作するためには、
このような自己整合式素子形成法は必須の技術となって
いる。

この自己整合式素子形成法を用いる場合には、ゲート電
極となる薄膜が注入される不純物イオンに対してマスク
として作用し、なおかつ１０００℃程度までの加熱に耐
える性質を備えていることが必要である。

ＭＯ８型集積回路では、このようなゲート電極配線とし
て、従来から不純物添加多結晶Ｓｔが用いられてきた。

しかし、その比抵抗が約５Ｘ１０’Ω・ｍ以上と高いた
め、電極配線の微細構造化により、配線部分の抵抗増加
に起因した信号の伝搬遅延が問題となってきた。このた
め、最近ではさらに比抵抗の低い高融点金属をゲート電
極配線に用いる技術が注目されている。

例えば、高融点金属のＭｏは、薄膜に形成した時の比抵
抗が不純物添加多結晶Ｓｉより約２桁小さく、結晶粒径
もより小さいため、これをゲート電極に用いて集積回路
の高密度化、高速化が検討されている。また、原子番号
が４２でバルクの密度が１０２２・ｃｒｎ〜３と大きい
ため、イオン注入に対する阻止能も高く、例えば１００
ＫｅＶのエネルギーを持つＡｓイオンのＭｏ膜中での飛
程は、高融点金属を非晶質と仮定したＬＳＳ論理によれ
ば、たかだか数１０ＯＡ’程、：度と推定されている。

しかし、実際に製作した高融点金属を電極配線とするＭ
ＯＳトランジスタでは、しきい値電圧の再現性が乏しい
。その原因の１つは、ゲート電極をイオン注入のマスク
に用いたときのマスク作用が十分でないことにある。物
理分析によれば、注入したイオンの一部はゲート電極膜
とゲート酸化膜を突き抜け、Ｓｉ基板にまで到達してい
ることが明らかになった。すなわち、注入イオンのゲー
ト電極膜中での飛程は、先の推測値よりもはるかに大き
いことがわかった。これは、基板表面に対して配向して
成長した高融点金属の柱状組織の結晶粒の中を、注入し
たイオンがチャネリング現象を起こして透過することが
一因となっている。結晶粒中でチャネリング現象を起こ
すと、注入イオンと膜との間の相互作用は非晶質の場合
よりはるかに小さくなり、小さいエネルギー損失でより
深部にまで到達することができる。このようにして８１
基板にまで到達した不純物イオンは、チャネル中の不純
物濃度を変える。従って、表面反転層を形成するのに必
要なゲート印加電圧が変化する。チャネル部に到達する
不純物イオンの量は、ゲート電極膜の厚さやその結晶構
造に強く依存するため、不純物イオン量を正確に制御す
ることは困難である。従って、しきい値電圧の再現性と
制御性を確保するためには、不純物イオンのゲート電極
膜中の透過を完全に防ぐ必要がある。

この対策として、次の３つの方法が考えられる。

第１の方法は、電極配線の膜厚をさらに大きくするか、
または、他の阻止能の高い物質を電極配線膜の表面に堆
積させるものである。これらの方法では、いずれもゲー
ト電極の微細加工の精度が悪くなり、また、後者の場合
には、さらに工程が複雑になる欠点がある。

第２の方法は、注入イオンのエネルギーを低くして飛程
を短くするものである。この方法では、Ｓｔ基板内での
注入イオンの深さ方向の分布が制限され、素子構造が限
定されてしまう欠点がある。

第３の方法は、基板へ不純物イオンを注入する時の入射
角を基板表面の法線方向からずらすものである。この方
法は、基板表面と平行な配向面を持つ高融点金属の結晶
粒に対して、不純物イオンを斜め方向から入射させるこ
とにより、結晶粒内の格子の列とほぼ平行にイオンが注
入された時に生ずるチャネリング現象を回避しようとす
るものである。しかし、通常得られる高融点金属膜中の
結晶粒は、配向しているものの各結晶粒の方向は完全に
は揃っていない。従って、１ｏ度程度まで入射角を変動
させてもその効果は小さく、さらに入射角を変動させる
と短いチャネル長を持つ微細なＭＯＳトランジスタを形
成できなくなる。従って、この方法も不適当である。

本発明の目的は、このような欠点を解決し、自己整合が
可能な電極配線のイオン注入に対するマスク性を向上さ
せることのできる半導体装置の製造方法を提供すること
である。

以下図面により、本発明の詳細な説明する。

第２図は、本発明の実施例で、ＭＯＳトランジスタに応
用した場合の主要な製造工程を示す断面図である。始め
に第２図（ａ）に示すように８１基板１が用意され、こ
のＳｔ基板１上に素子間）分離用Ｓｔ酸化膜２およびゲ
ート酸化膜（絶縁膜）３を形成する。

その後第２図（ｂ）に示すように、ＭＯ等の高融点金属
からなるゲート電極膜７を堆積させる。本発明では、次
の第２図（ｅ）に示す工程が従来の工程に新たに加わる
。すなわち、従来では、ゲート電極膜７を堆積した後、
ひき続いてこの膜を写真蝕刻法で加工してゲート電極を
形成した。本発明では、この加工の前に、第２図（ｃ）
に示すようにゲート電極膜７に酸素イオンを注入し、該
ゲート電極膜７の表面近傍に酸素を含む金属層８を形成
する。

この酸素を含む金属層８は、含有する酸素の濃度が高く
、かつ、膜厚が小さいことが望ましい。

従って、Ａｓ等の不純物イオンを注入する場合に比較し
て、酸素イオン注入時の加速電圧を低くし、かつ、ゲー
ト電極膜表面に対する入射角を法線方向から大幅にずら
す等の方法により酸素イオンの注入深さを浅くする必要
がある。

この酸素イオンの注入により、ゲート電極膜７を構成す
るＭ、等の高融点金属の結晶構造は損傷を受け、特に酸
素を含む釜属層８の内部に含まれる酸素濃度が１０　ａ
ｔｏｍ％を越えるとこの損傷は著しく、非晶質に近い構
造となる。

このようにして酸素を含む金属層８を形成した後は、従
来の工程と同様に、第２図（ｄ）に示すように写真蝕刻
法によりゲート電極膜７と酸素を含む金属層８を同時に
加工し、下層ゲート電極９と上層ゲート電極１０を形成
する。次に第２図（ｅ）に示すように、この下層ゲート
電極９と上層ゲート電極１０をマスクにしてＳｉ基板１
と反対の伝導型を示す不純物イオンを注入し、ＭＯＳト
ランジスタのソース及びドレインとなる不純物拡散領域
５．６を形成する。

この時、本発明では、マスクとして用いる下層ゲート電
極９と上層ゲート電極１０の２層構造からなるゲート電
極のうち、上層ゲート電極１０は、先の工程の酸素イオ
ン注入により非晶質または結晶粒径が小さく非晶質に近
い結晶構造にしであるため、注入した不純物イオンの金
属結晶粒中でのチャネリング現象が抑制される。従って
、注入した不純物イオンは、従来よりも表面から浅い位
置で阻止される。例えば、下層ゲート電極９と上層ゲー
ト電極１０の膜厚の和が３０００　Ａ０程度であれば、
１００ＫｅＶのエネルギーのＡ８イオンが貫通すること
はない。

その後、注入した不純物イオンの活性化とゲート電極の
比抵抗を低下させるために１０００　Ｃ程度の熱処理を
行なう。この熱処理には、３つの方法がある。第１の方
法は、第２図（ｅ）に示すように、従来と同様に不純物
を含まない窒素ガス雰囲気中で行なうものである。例え
ば上層ゲート電極１ｏがＭ。

膜に酸素イオンを注入することにより形成したものであ
れば、膜中に注入された酸素イオンは、この熱処理によ
りＭｏＯ２なる金属酸化物となる。この時、膜中の酸素
濃度が１０　ａｔｏｍ％であれば、熱処理によりｌＸｌ
０’Ω・ｍ程度の比抵抗は１１５以下に減少する。

第２の方法は、第３図に示すように、この熱処理を水素
とＡｒの混合ガス等の還元性雰囲気中で行なうものであ
る。これにより、第２図（（至）に示した酸素を含むＭ
ｏ等から成る上層ゲート電極１０は、第３図の還元され
たＭｏから成るゲート電極１１となる。

従って、比抵抗も減少し、酸素イオンを注入しない場合
の値に近づく。

第３の方法は、第４図に示すように、この熱処理を酸素
を含む窒素ガス等の酸化性雰囲気中で行なうものである
。この時の雰囲気中の酸素の量は、極めて微量であるこ
とが望ましく、例えば、窒素ガス純化器の性能を低下さ
せる等の方法により実現できる。この熱処理により、Ｍ
Ｏ模膜中主にＭｏＯ２の形で含有されていると推定され
る酸素に、さらに雰囲気中の酸素が加わり、ＭｏＯ３と
なって雰囲気中に昇華される。これにより、膜中の酸素
濃度が減少し、酸化物を放出したゲート電極１２を形成
することができる。熱処理前の膜中酸素濃度が３０ａｔ
ｏｍ％の場合には、この熱処理で比抵抗が１／１０以下
に減少する。

以上、３種の熱処理方法で示したように、高融点金属膜
の結晶構造を改良するために注入するイオン種として酸
素を用いれば、その化学的性質から酸化還元反応を用い
て容易に比抵抗を低下させることができ、電極配線の電
気伝導特性を劣化させることなくイオン注入のマスク性
を向上することができる。

本実施例では、金属膜としてＭｏを用いたが、これ以外
にＴｉ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗなどを使用することができる。

ただし、酸素を含む雰囲気中での熱処理により電極配線
の比抵抗を低減させる場合には、Ｍ。

のように１０００℃程度の高温に於ける酸化物の昇華性
が強い材料を用いる必要がある。

以上説明したように、本発明により単体の高融点金属膜
の代りに該高融点金属膜の表面近傍に酸素イオンを注入
し、該高融点金属膜を用いた場合よりも結晶粒径を小さ
くして非晶質まだは非晶質に近い層を有する膜を形成し
、これを電極配線に用いて不純物イオン注入時のマスク
とすれば、配向した結晶粒中での注入イオンのチャネリ
ング現象を低減でき、自己整合が可能な電極配線のマス
ク作用を向上させることができる。また、高融点金属膜
を非晶質化するのに酸素イオンを用いれば、・１：１その後の熱処理による酸化還元反応により、容易に電極
配線の比抵抗を低減することができるという利点がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）はＭＯＳトランジスタの
従来の製造工程を説明するための断面図、第２図（ａ）
　（ｂ）　（ｃ）　（ｄ）　（ｅ）は本発明によるＭＯ
Ｓ　トランジスタの製造工程を説明するための断面図、
第３図は本発明における水素を含む雰囲気中でのＭＯＳ
　トランジスタの熱処理工程を説明するための断面図、
第４図は本発明における酸素を含む雰囲気中でのＭＯＳ
）ランジスタの熱処理工程を説明するだめの断面図であ
る。１・・・Ｓｉ基板、２・・・素子間分離用Ｓｉ酸化膜、
３・・・ゲート酸化膜、４・・・ゲート電極、５・・・
ソース領域、６・・・ドレイン領域、７・・・ゲート電
極膜、８・・・酸素を含む金属層、９・・・下層ゲート
電極、１０・・・上層ゲート電極、１１・・・還元され
たＭｏから成るゲート電極、１２・・酸化物を放出した
ゲート電極。特許出願人　　日本電信電話公社代　理　人　　　白　　水　　常　　雄外１名第１図第２図第３図３３７−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）基板上に絶縁膜を形成する工程と、該絶縁膜上に
金属膜を堆積する工程と、該金属膜に酸素だ金属膜を加
工して電極配線パターンを形成する工程と、該電極配線
パターンをマスクとして前記基板に選択的に不純物イオ
ンを注入する工程と、該不純物イオンを注入した基板を
熱処理する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の
製造方法。
（２）前記熱処理を水素を含む雰囲気中で行なうことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装置の製
造方法。
（３）熱処理を酸素を含む雰囲気中で行なうことを特徴
とする特許請求の範囲第１°項記載の半導体装置の製造
方法。