JPS603158A - 電界効果トランジスタの形成方法 - 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】 〔技術分野〕 本発明は、小さな寸法の領域を画成するだめの方法に係
り、更に具体的に云えば、狭い幅を有し、ソース及びド
レイン領域に関して自己整合されているゲート領域を有
する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ　）の形成方法に係
る。

〔従来技術〕

ＦＥＴ型素子の周波数応答速度（」、キャリア（基板の
ドーピングに応じて、電子又は正孔）の走行時間及びゲ
ートのキャパシタンスによって制限される。従来技術に
於ては、キャリアの走行時間及びゲートのキャパシタン
スを減少させるために、チャンネルの短かいＦＥＴを形
成することが試みられて（・る＠Ｉ〜かしながら、従来
技術に於て提案されているそれらの方法は、かなり複雑
であり、ｑ″ｆＶ：、再現性を有していない。チャンネ
ルの短かし・ＦＥＴを設けるために従来状みられ、又は
提案されている技術は、例えば、金属と二酸化シリコン
との相対的食刻速度、ゲート構造体の重なり、遂次的拡
散、及び近接する結晶学的平面の選択的食刻等を用いて
いる。

〔発明の概要〕

本発明の方法は、小さな寸法の領域を設けるために従来
提案されている種々の方法よりも、ずっと簡単であり、
極めて優れた再現性を有し、制御が極めて容易である。

　゛ 本発明の方法は、ソース及びドレイン領域に重ならずに
、それらの領域と自己整合されているゲート領域の形成
を可能にする。

本発明の方法の利点は、ポケット領域に於ける段差部の
整合が厳密さを要しないことである。そのポケット領域
は比較的大きく、段差部はゲート領域のパッドと整合さ
れる様に該ポケット領域の中央の辺りに配置されて℃・
ればよ（・。

本発明の方法は、約５０００１又はそれ以下の小さな寸
法の領域を画成するための方法を提案する。本発明の方
法に於ては、基板上に配置されており、食刻されており
、食刻処理に対して第１の応答を有する第１材料層中に
垂直な段差部が設けられる。第２の異なる材料の層が上
記段差部に句着される。これは、金属層を上記第１材料
層の水平な表面上よりも上記の垂直な段差部に隣接して
より厚く付着させるために充分な角度で蒸着することに
よって達成される。上記金属層は、食刻処理に対して、
上記第１材料層と異なる第２の応答を有する。更に、該
金属、：層は、食刻処理に於てマスクとして働く特性を
有している。

上記金属層の予め選択された部分を除去することにより
、金属領域が形成される・上記金属層領域によりマスク
されていない全ての第１利料層が、少くとも基板に達す
る迄、食刻により除去される。

更に、本発明の方法は、自己整合されたゲート領域を有
するＦＥＴの形成方法を提供する。この方法に於ては、
半導体基板」二の二酸化シリコン層の如き絶縁体層中に
垂直な段差部が設けられる。

上記絶縁体層の水平な表面上よりも上記の垂直な段差部
に隣接してより厚く付着させるために充分な角度で蒸着
することにより、金属層が上記段差部に付着される。上
記金属層の予め選択された部分を除去することにより、
金属領域が形成される。

上記金属領域によりマスクされてし・ない部分の上記絶
縁体層を上基板に達ずろ迄食刻することにより、絶縁体
領域が形成される・ソース、ドレイン及びゲート領域を
画成する材料の層が、上記絶縁体領域の両側及び上部に
於ける水平な表面上に伺着される。

本発明の方法を用いることにより、半導体基板上に付着
されたドープされたシリコン層より成るソース及びドレ
イン領域、並びに両領域に整合さレテイる。５ｏｏＸ又
はそれ以下の狭い幅のゲート領域を有しているＦＥＴが
形成される。

〔実施例〕

説明を簡朗にするために、本発明の方法の処理工程は、
半導体基板としてＰ型シリコン基板を用℃・、そしてＮ
型ンース及びドレイン領域とともにＮ型キャリア（電子
）を用いている実施例に関し２て説明されているが、Ｐ
チャンネル型ＦＥＴ技術蹟よるＮ型基板並びにソース及
びドレイン領域に拡散又は注入されたＰ型のドパント不
純物も同様に本発明の方法に於て用いられる。。

本発明の方法の処理工程がＮ型不純物に関して説明され
ているとき、Ｐ型不純物に関しても同様に適用可能であ
り、その逆も可能である。又、本発明の方法は、シリコ
ン以外の基板１ても適用可能である。本明細書に於て、
１高導電性相互絶縁体′は、アルミニウムの如き金属路
、及び導電性金属が一般的に有している大きさの導電率
を有することがある、例えば高濃度にドープされた多結
晶シリコンは金属間珪化物の如き非金１利を意味する。

本発明の方法は、ゲート領域及び金属相互接続体として
、好ましい材料であるアルミニウムを用いて説明されて
いるが、他の羽１」も用いられろ。

ゲート領域及び金属相互接続体は、アルミニウム又はそ
の珪化物の他に、耐火金属からも形成される。本明細書
に於て、′耐大金属“は、望ましくない程度迄劣化を生
じることなく、形成中に用いられる高温に耐える金属を
意味する。適当な耐大金属には、例えば、タングステン
、タンタル、ハフニウム及びロジウム等がある。適当な
珪化物には、例えば、珪化タングステン、珪化タンタル
、珪化ハフニウム及び珪化ロジウム等がある。

第１Ａ図に於て、所望の結晶方向（例えば、〈１００〉
を有するＰ型シリコン基板２が示されている・Ｐ型シリ
コン基板２は、従来の結晶成長技術に従って硼素の如き
Ｐ型ドパントの存在の下に成長されたＰ型のプール（ｂ
ｏｕ　Ｉｅ　）　ヲ７．　ライス及び研摩することによ
って形成される。シリコンのための他のＰ型ドパンドに
は、アルミニウム、ガリウム及びインジウム等がある。

フィールド酸化物分離領域３は、半導体基板の熱酸化を
含む任意の周知の方法により又は周知の真空付着技術或
は化学的気相伺着技術により形成される。更に、フィー
ルド酸化物分ＭＬ領域は、半導体表面上に形成されても
、又は半導体基板中に部分的或は完全ｆ埋設されてもよ
い。その様な方法の１例が、米国特許第３８９９３６３
号明細書に開示されている。

本発明の詳細な説明に於ては、埋設されてし・／、、Ｃ
いフィールド酸化物分離領域３が用いられる。フィール
ド酸化物分離領域ろは、一般的には、約４０００乃至約
１ｏｏｏｏ、ｊの厚さを有する。フィールド酸化物分離
領域３は、リングラフィ・マスクを用いて形成される。

そのマスクは、所定のパターンの不透明部分を有する透
明な利料より成る。

フィールド酸化物分離領域３は、ン第１・リングラフィ
技術を用いて、後に薄い二酸化シリコン層νＩＪち酸化
物層５の形成されるべき領域４がら食刻される。二酸化
シリコン層５が領域４に於てシリコン基板２上に成長又
は旧著される。通常約１００乃至約Ｉ　Ｄ　ＯＤ　、Ｈ
の厚さを有する二酸化シリコン層５は、乾燥した酸素の
存在の下Ｋ　１０００　’Ｃでシリコン表面を熱酸化す
ることにより形成される。

次に、第１Ｂ図に示されている如く、マスク層６が構造
体上に付着される。用（・られた特定のマスクの材料は
、周知の蒸着技術により付着されるアルミニウムである
。それから、予め選択された開孔が周知のマスク技術に
よりマスク層６中に食刻され、マスク層乙の除去により
露出された二酸化シリコン層５を後に食刻するだめのマ
スクが形成される。例えば、上記アルミニウムは、約１
容量部の硝酸と、約４容量部の水と、約２０容量部の燐
酸とを含む組成物の如き周知の食刻液を用いて食刻され
る、その様な食刻は、室温に於て毎秒約ｚ６Ｘの速度で
除去される。

次に、第１Ｃ図に示されている如く、上記アルミニウム
のマスクにより保護されていない部分の酸化物層５が除
去される様に、上記酸化物層を好ましくは反応性イオン
食刻により食刻することによって、凹所又は段差部が酸
化物層５中に形成される。上記酸化物層中に良好に画成
された段差部を形成するために、方向性を有する食刻方
法が用いられるべきである。ｆＥ−ましくけ、上記食刻
により除去される量は、その酸化物層の全体の厚さの半
分であるべきである。反応性イオン食刻の典型的条件は
、約４０ｃｒｎ’／９のカス流Ｊ７ｆｔＫ於て約２５μ
Ｈｇの圧力のＣＦ４ガスを用いそして約００７３Ｗ／　
ｃ　ｍ　２の電力密度に等しい約２０Ｗのパワーを用い
ることを含む。これら特定のパラメータは、約１６０Ｘ
／分の食刻速度を与える。

代替的方法に於ては、二酸化シリコン層５が下のシリコ
ン基板２に達する迄完全に食刻され、それから薄し・酸
化物層が再成長される。例えば、１００ＯＸの酸化物層
がこの方法により完全に食刻されて、５ｏｏ’ｌ、の酸
化物層が再成長される。この方法も、所望の酸化物の段
差部を形成する。

それから残されているマスク層６が剥離される。

例えば、アルミニウムの場合には、前述の食刻組成物が
用いられる。

次に、金属層７が、酸化物層の水平な表面上よりも上記
の垂直な段差部に隣接してより厚く伺着される様に、好
ましくは蒸着により角度伺けて旧著される。同様に、金
属層７−１、第１Ｃ図に示されている如く、酸化物層の
水平な表面上よりも厚い付着がフィールド酸化物分離領
域３にも隣接して付着される様に、構造体全体に付着さ
れる。王妃蒸着の角度は、垂直面から４５°よりも大き
い角度であるべきであり、好ましくは少くとも約６００
である。その角度が大きい程、その方法はより良好であ
る。又゛その角度は９０°よりも小さく、金属層を付着
し得ろ限り出来るだけ９０°に近いことが好ましい。最
も好ましい角度範囲は約６０乃至約８０°である。水平
は表面上の部分の厚さと段差部に隣接する部分の厚さと
の差は、正弦−余弦の関係である。例えば、約８０’の
蒸着角度に於ては、段差部Ｋｌ接する部分の厚さと水平
な表面上の部分の厚さとの比は約５７：１でＡｂろ・蒸
着等の方向性を有する方法により旧著され得る全ての金
属が用いられる０好ましい金属は、アルミニウム及び金
等である。

典型的な適用例に於ては、段差部て隣接して約１００乃
至約５ｏｏｏＸの厚さが得られる様に金属層が付着され
る。段差部に隣接する部分の金属層の厚さは、該段差部
の高さに略等し見・ことが好ましく、水平な表面上の部
分の金属層の厚さの少くとも２倍、好捷しくは少くとも
５倍である。成る特定の実施例に於ては、段差部に隣接
して、約７ｏｏＸの厚ぎのアルミニウム層が８０°の角
度で付着される。その場合、水平な表面上には約１２０
穴の厚さのアルミニウム層が利殖される。

小さな寸法の領域を設けるために、第１Ｄ図に示されて
いる如く、水平な表面上の部分のアルミニウム層が食刻
されて、酸化物層の段差部に隣接する部分のアルミニウ
ム層が残される。１アルミニウム層は段差部に隣接する
部分に於てより厚いので、水平な表面上の部分のアルミ
ニウム層を食刻することにより、所望の小さ”な寸法の
領域を設けるために充分な量のアルミニウム領域が残さ
れる。更に、段差部に隣接する上記アルミニウム領域を
フォトリングラフィ技術によシ保護して、フィールド酸
化物分離領域乙に隣接する部分のアルミニウム層が食刻
により除去される。しかしながら、所望ならば、フィー
ルド酸化物分離領域乙に隣接する部分のアルミニウム層
は、ゲート領域から謙れているので、除去されなくても
よい。

この処理段階に於けるアルミニウム層の食刻は、初めの
食刻の条件について述べた食刻組成物を用いた短時間の
浸漬食刻でもよい。その食刻は、構造体の段差部から必
要以上の除去が行われない様に、成る程度制御されて遅
いことが好ましい。所望ならば、アルミニウム層は、反
応性イオン食刻、スパフタリング、又はイオン・ミリン
グの技術ヲ用いて食刻されてもよい。

典型的には、残されたアルミニウム領域の長さは、最大
約５０００Ｘであり、好ましくは少くとも約１００穴で
ある。一般的には、残されるアルミニウム領域の長さは
、約１５０万主約３０００人であり、通常約１５０乃至
約５００人である。

約１００乃至１５０人の長さが、この方法によって容易
に形成される。この処理段階に於ける素子が第１Ｄ図に
示されている。

本発明の方法に於ては、金属層７が、米国特許第４３５
９３４０号明細書に記載されている多結晶シリコンの如
き祠料でなく、角度付けて旧著された金属より成ること
が重役である・本発明の方法は、上記特許明細ｊ肩１（
／コ記載の方法よりも、１１・Ｑ　ｆｌｌが容易である
。多結晶シリコンの食刻は）ｒ方性の垂直方向の食刻で
あり、その食刻は残されるべき領域の拐石と完全に除去
されるべき領域の月相との相対的な厚さが、本発明の方
法により得られる相対的な厚さには程遠いので、注意深
く制御されねばならない０所望の幅が小さい程、上記米
国特許第４３５８３４０号明細書（・て記載の方法を制
御するために必要とされる配慮はより大きくなる・それ
から、残されているアルミニウム領域７が該アルミニウ
ム領域により保獲されて℃・ない酸化物層５を食刻によ
り除去するためのマスクとして用（・られる。この処理
段階に於て用℃・られる好ましい食刻技術は、反応性イ
オン食刻である。約４０ｃ　ｍ　”　７分のガス流量に
於て約２５μＨｇの圧力のＣＦ　４ガスを用いそして約
００７６Ｗ／　ｃ　ｍ　２の′ｉｆ＋力密度に等しい約
２０Ｗのパワーを用いた典〕（す的条件による方向性を
有する食刻方法が用いられるべきである。これらの特定
のパラメータは、約１６０Ｘ７分の食刻速度を力える。

」二記反応１１：イオン食刻に於て、フィールド酸化物
分離領域ろが食刻されない様に、該領域３をアルミニウ
ムの如き金属で被覆することが望ましい。

しかしながら、上記領域ろは素子領域に於ける酸化物層
５よりも相ｉ　Ｋ厚く、アルミニウムの如き金属で被覆
されていなくても、方向性を有する反応性イオン食刻が
完了した後も残されて℃・るので、該領域ろ上に金属の
被膜を設けなくてもよい。第１Ｅ図に示されている如く
、二酸化シリコン層５がシリコン基板２に達する迄食刻
される・次に、アルミニウム領域７が化学的食刻等によ
り除去されて、第１Ｆ図に示されている如く、二酸化シ
リコン領域５が残される、アルミニウム領域７は、約１
容量部の硝酸、約４容量部の水、及び約２０容ｄ部の燐
酸を含む組成物の如き食刻液を用いて除去される。その
様な食刻け、宰温に於て、約２６Ｘ／秒の速度で行われ
る・ 少くとも約１５ｏＸであり、通常は二酸化シリコン領域
５の厚さの約半分を超えない、薄い、高濃度にドープさ
れたＮ十型シリコン層８．９及び１０が、二酸化シリコ
ン領域５の両側及び上部に旧著される。ドープされたシ
リコン層８及び９は二酸化シリコン領域５の側壁を完全
に被膜せず、二酸化シリコン領域５の上部のドープされ
たシリコン層１０上を電気的に短絡させず、従って第１
Ｆ図に示される如き構造体が得られる・ドープされたシ
リコン層８．９及び１０閣１、非晶質シリコン又は多結
晶シリコンを設ける従来の蒸着により形成され、それら
は約７００°Ｃの温度に加熱することにより多結晶シリ
コンに再結晶化される。更に、ドープされたシリコン層
８．９及び１０は、真空中で７００°Ｃ以上の温度に於
て行われるシリコン分子ビーム・エヒリキシャタ技術に
よって形成されてもよい。分子ビーム・エビクキシャル
技術は、単結晶シリコン層が露出されているシリコン表
面上のみにエピタキシャルに成長される蒸着による、方
向性を有する被ｇＹ技術である。二酸化シリコン表面上
には、多結晶シリコンが形成される。その様な方法に於
て＆Ｊ、単納品シリコンのソース領域８及びトレイン領
域９が形成され、ゲート領域のシリコンＪ？４ｉｏは多
結晶シ１ノコンになる。又は、シリコン層８及び９は、
ＳＩｏ、２領域が清浄であれば、シリコン表面上にのみ
シ１ノコンが設けられる化学的気相旧著によって設けら
れてもよし・。

この技術に於ては、ゲート領域１０は、次の処理工程に
於て高導電性相互接続体を設ける際に同時に設けられて
もよい０上記のソース及びドレイン領域の形成方法は、
極めて短かい素子の形成を可能にし、従来のドーピング
方法（例えば、イオン注入及び熱拡散）は、ゲート領域
の下により多量のドパントの拡散を生じろ・従って、ゲ
ート領域が短かすぎる場合には、従来の技術を用℃・た
とき、ソース及びトレイン領域間に短絡路が生じてしま
う。

それから、第１Ｇ図に示される如く、高導電性相互接続
体１１が、蒸着等の周知の技術によりソース、ドレイン
及びゲート領域に設けられる。高導電性相互接続体は、
例えば、アルミニウムの如き金属又は好ましくは金属付
着後に焼結さＪ’Ｌイ）ことにより形成された金属珪化
物より成る。

次に、フォトレジスト層（図示せず）カー行１　、；％
　（、（ｑに付着され、所定のマスク・〕くターンをＩ
Ｉ」し・て紫外線で露光され、露光領域が溶解されろ。

それ力・ら、上記フォトレジスト層で保獲されて（・な
し・導電性拐石の部分が除去される様に、上記構造体カ
ー処理されろ０ 第２Ａ図乃至第２１図は、本発明の方法の第２実施例を
示している。第２Ａ図乃至第２Ｆ図に示されている処理
工程は前述の第１Ａ図乃至第１Ｆ図に於ける第１実施例
の場合と全く同様で゛あイ）。

それらの図に於て、第１実施例の場合に対処する第２実
施例の場合の参照番号は、ダッシュ記号を付して示され
ている。

第２Ｇ図に於て、第２Ｆ図の二酸化シリコン領域５１が
化学的食刻等により除去され、それとともに該二酸化シ
リコン領域上に存在して℃・るＮ＋へり多結晶シリコン
層１０’がリフト・オフされろ０例えば、二酸化シリコ
ン領域５′は、緩衝された弗化水素酸の溶液を用し・て
食刻される。

フィールド酸化物分離領域５′は二酸化シリコン領域５
′よりも相当に厚いので、二酸化シリコン領域５／の食
刻が相当な量の分離領域ダな除去するこトハナい。所望
ならば、分離領域ろ′が二酸化シリコン領域５Ｉの食刻
中に従来のフォトリソグラフィ技術により保護されても
よい。

第２Ｈ図に於て、所望のケート酸化物層１２を設けるた
めに、シ１ノコン表面２’、８’及び９′カ酸化される
。本発明の方法の利点は、ゲート酸化物層１２が約５０
乃至約１ｏｏＸｉ比較的薄く形成されそしてソース及び
ドレイン接点が比較的低抵抗に形成されることである。

これは、素子が論理回路に於て働くために充分に低し・
ゲート電圧でスイッチングされることを可能Ｖこする。

第２１図に於て、高導電性相互接続体１１’が、ソース
領域８′、ドレイン領域９′、及びゲート領域１３に接
続される。

高導電性相互接続体１１′は、構造体に７オトレジスト
層を付着することによって形成される０上記フォトレジ
スト層が、リンクラフィ・マスク・パターンを用℃・て
紫外線で露光され、その露光領域が溶解される。次に、
上記フォトし／スト層で保護されていない部分の酸化物
層１２が除去される様に、上記構造体が処理される。例
えば、ＦＥＴのソース及びドレイン領域に電気的接続が
設けられる様に酸化物層１２中に接点開孔又は貫通孔を
形成するために、上記構造体が緩衝された弗化水素酸の
溶液中に浸漬される。食刻された二酸化シリコン層上に
残されているフ第１・レジスト層が、適当な溶剤中に溶
解されることにより除去される。

次に、高導電性相互接続体１１’のための相別、好まし
くは金属が旧著されて、相互接続パターンが画成される
。相互接続体のために一般に用いられている高導電性材
料はアルミニウムである。アルミニウムの如き高導電性
材料は、スパッタリングにより又は好ましくは蒸着によ
り旧著される。

それから、フォトレジスト層（図示せず）が＋１６造体
に付着される１、上記フォトレジスト層が所定のマスク
・パターンを用いて紫外線で露光され、露光領域が溶解
される。上記フォトレジスト層で保護されていない高導
電性材料の部分が除去される様に、上記構造体が処理さ
れる。ゲート領域１３に電気接点を形成する際に、一部
の僅かな金属が側壁上に存在している場合には、それら
は短時間の浸漬食刻によって容易に除去される・

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図乃至第１Ｇ図は本発明の方法の第１実施例の種
々の処理の段階に於けるＦＥＴを示す概略図、第２Ａ図
乃至第２工図は本発明の方法の第２実施例の種々の処理
段階に於けるＦＥＴを示す概略図である。 ２．２′・・・・Ｐ型シリコン基板、６．３１・・・・
フィールド酸化物分離領域、５．５′、１２・・・・酸
化物（二酸化シリコン）層（領域）、６．６′・・・・
マスク層、７．７′・・・・金属層（領域）、８．８′
、９．９′・・・・ドープされたＮ十型シリコン層（ソ
ース及びドレイン領域）、１０・・・・ドープされたＮ
十型シリコン層（ゲート領域）、１１．１１”・・・・
高導電性相互接続体、１０′・・・・ドープされたＮ十
型シリコン層、１ろ・・・・ゲート領域０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板上の絶縁体層中に庫直な段差部を設け、 上記絶縁体層の水平な表面上よりも上記の垂直な段差部
   に隣接してより厚く句着させるために充分な角度で蒸着
   することにより、金属層を上記段差部に付着し、 上記金属層の予め選択された部分を除去することにより
   、金属領域を形成し、 上記金属領域によりマスクされていない部分の上記絶縁
   体層を上記基板に達する迄食刻するととにより、絶縁体
   領域を形成し、 上記絶縁体領域の両側及び上部に於ける水平な表面上に
   ソース、ドレイン及びゲート領域を画成する拐料の層を
   伺着することを含む、自己整合されたゲート領域を有す
   るＦＥＴの形成方法。