JPH0140507B2 - - Google Patents

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、MOS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つ
た。この方法は、不純物添加多結晶Si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、そのま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。まず、第１図ａに示
すように、Si基板１に素子間分離用Si配化膜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Si、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ｃ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。その後、室素雰囲気中で1000℃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ため、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。従つて、素子の
占める面積が減少し、限られたペレツト面積内に
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
なつている。

この自己整合式素子形成法を用いる場合には、
ゲート電極となる簿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。

MOS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Siが用い
られてきた。しかし、その比抵抗が約５×
10^-4Ω・cm以上と高いため、電極配線の徴細構造
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つてきた。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、簿膜に形成した
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
10.2ｇ・cm^-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100KeV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
100A゜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MOS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
明らかになつた。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
大きいことがわかつた。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ヤネリング現象を
起こして透過することが一因となつている。結晶
粒中でチヤネリング象を起こすと、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Si基
板にまで到達した不純物イオンは、チヤネル中の
不純物濃度を変える。従つて、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。チヤ
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。従つて、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徴細加工の精度
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、
Si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図の方法は、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
に生ずるチヤ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
は完全には揃つていない。従つて、10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ヤネル長を持つ徴細
なMOSトランジスタを形成できなくなる。従つ
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、本発明を詳細に説明する。

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Si基板１
が用意され、このSi基板１上に素子間分離用Si酸
化膜２およびゲート酸化膜（絶緑膜）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ｃ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。
従つて、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Mo等の高融点金属の結晶構造は損傷
を受け、特に酸素を含む金属層８の内部に含まれ
る酸素濃度が10atom％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て
あるため、注入した不純物イオンの金属結晶粒中
でのチヤネリング現象が抑制される。従つて、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3000A゜程度で
あれば、100KeVのエネルギーのAs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℃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室素ガス雰囲気中で
行なうものである。例えば上層ゲート電極１０が
Mo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10atom％であれ
ば、熱処理により１×10^-4Ω・cm程度の比抵抗は
１／５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ｄに示し
た酸素を含むMo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。従つて、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、極めて徴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、Mo膜中で主
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
つ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30atom％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、Mo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たは非晶質
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ヤネリング現
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、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MOS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トランジスタの熱処理工程を説明する
ための断面図である。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に絶緑膜を形成する工程と、該絶緑膜
   上に金属膜を堆積する工程と、該金属膜に酸素イ
   オンを注入する工程と、該酸素イオンを注入した
   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。