JPH06104428A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高融点金属の拡散現象に起因するゲート耐圧不
良を防止し、信頼性の高いポリサイドゲート形の半導体
装置を提供すること。 【構成】ポリサイドからなるゲート電極３の多結晶シリ
コン層を、第１の多結晶シリコン層４及び第２の多結晶
シリコン層６の２層構造とし、その層間に高融点金属の
拡散現象を抑止するための層間膜５を設けた。 【効果】ゲート電極形成後の熱処理の際、シリサイド層
と多結晶シリコン層との反応によって生じる高融点金属
の拡散現象が層間膜によって抑止されることにより、ゲ
ート絶縁膜が拡散した高融点金属によって汚染されるこ
とがなく、それに伴うゲート耐圧不良を防止することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造分野
に関し、特に絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有す
る半導体装置の製造技術に利用して有効なものである。

【０００２】

【従来の技術】絶縁ゲート形電界効果トランジスタを有
する半導体装置は、年々高集積化及び高速化が進んでお
り、微細化された配線の抵抗値を低減させることが重要
な課題となる。そのため、トランジスタのゲート電極配
線として、低抵抗化を実現できる利点から、従来から用
いられている多結晶シリコンゲート電極に代わって、多
結晶シリコン膜上に、モリブデン、タングステン、タン
タル、チタン等の高融点金属とシリコンとの化合物から
なるシリサイドを積層させたポリサイドゲート電極が実
用化されている。

【０００３】ポリサイドゲート電極を有するトランジス
タの形成工程は次の通りである。導電型がｎ型又はｐ型
の半導体基板主面を熱酸化し、ゲート絶縁膜を形成す
る。次にゲート絶縁膜上に、ＣＶＤ法（Chemical Vapor
Deposition）によって多結晶シリコン層を形成する。
多結晶シリコン層表面に、スパッタリング法又はＣＶＤ
法によりシリサイド層を被着させる。その後、ホトエッ
チング技術により、シリサイド層、多結晶シリコン層及
びゲート絶縁膜を用いて所定の形状にエッチングし、ゲ
ート電極を形成する。最後に、ゲート電極をマスクとし
て、半導体基板に半導体基板とは反対導電型の不純物を
導入することによって、ソース領域及びドレイン領域を
形成し、絶縁ゲート形電界効果トランジスタが形成され
る。

【０００４】尚、ポリサイドゲート電極を有する半導体
装置に関しては、例えば、特開昭６１−５９８６７号公
報等に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のポリサイドゲー
ト電極構造は、多結晶シリコン層１層と、シリサイド層
１層の２層構造となっている。図４に示すように、この
構造において、ゲート電極３形成後に施す熱処理によっ
て、多結晶シリコン層１０とシリサイド層１１との界面
で、シリサイド層から多結晶シリコン層へ高融点金属が
拡散する現象が起きることが明らかになった。この高融
点金属の拡散現象は、多結晶シリコン層１０中のシリコ
ンがシリサイド層１１へ、また、シリサイド層１１中の
高融点金属が多結晶シリコン層１０へ、相互に拡散する
現象である。この現象が進行すると、多結晶シリコン層
１０中に拡散する高融点金属がゲート絶縁膜２にまで達
することによりゲート絶縁膜２が高融点金属によって汚
染され、ゲート耐圧が不良となることが問題となってい
る。特に、ポリサイドゲート電極の微細化及び高熱処理
化が進むにつれ、ゲート絶縁膜の破壊が増加してきてい
る。

【０００６】従来はその対策として、シリサイドを構成
するシリコンと高融点金属との組成比の最適化を試みて
いるが、高融点金属の比率を大きくした場合は、多結晶
シリコン層とシリサイド層との熱膨張率の差による膜剥
がれが生じやすく、シリコンの比率を大きくした場合
は、高融点金属の拡散現象が生じやすくなるため、完全
な打開策には至っていない。

【０００７】ところで、ポリサイドゲート電極の形成プ
ロセスにおいて、多結晶シリコン層形成後、ごく薄い酸
化膜を形成し、シリサイド層を被着させると、その後の
熱処理により、多結晶シリコン層とシリサイド層の熱膨
張係数差によるシリサイド層の剥がれが生じやすくなる
ものの、シリサイド層の高融点金属は、多結晶シリコン
層へは拡散しないことが確認できた。

【０００８】本発明者は、薄い自然酸化膜が高融点金属
の拡散を抑えるバリアとして働くことに着目した。そこ
で本発明者は、拡散を抑止する膜を用い、熱膨張係数差
による膜どうしの剥がれを生じさせずに、高融点金属の
拡散現象によるゲート耐圧不良を防止することを課題と
し、鋭意検討した。

【０００９】従って、本発明は、高融点金属の拡散現象
に起因するゲート耐圧不良を防止し、信頼性の高いポリ
サイドゲート形の半導体装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】本発明の前記並びにその他の目的と新規な
特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになる
であろう。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次
のとおりである。すなわち、ポリサイドゲート電極の多
結晶シリコン層を２層構造とし、その層間に高融点金属
の拡散を抑止するための層間膜を設けたものである。

【００１２】

【作用】上記の手段により、ゲート電極形成後の熱処理
の際、シリサイド層と多結晶シリコン層のとの反応によ
って生じる高融点金属の拡散は、層間膜によって抑止さ
れ、ゲート絶縁膜の高融点金属による汚染を防止する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図３によ
り説明する。

【００１４】図１は、本発明の半導体装置に有する絶縁
ゲート形電界効果トランジスタの断面図を示す。半導体
基板１上にゲート絶縁膜２を介してゲート電極３が形成
されている。ゲート電極３は、下層より、、第１の多結
晶シリコン層４、層間膜５、第２の多結晶シリコン層
６、シリサイド層７が積層した構造となっている。シリ
サイド層７は、シリコンと高融点金属との化合物からな
り、高融点金属は例えば、タングステン、モリブデン、
チタン、タンタル等が用いられる。層間膜５は、後の熱
処理によって膜の剥がれが生じないように、多結晶シリ
コンとの熱膨張係数の差が小さい材料、例えば、薄いシ
リコン酸化膜からなる。このシリコン酸化膜はゲート絶
縁膜のように完全な絶縁状態を生じさせるものではな
く、その厚さはシリサイド層７及び第２の多結晶シリコ
ン層６にゲート電圧を印加した場合に、シリサイド層７
及び第２の多結晶シリコン層６中の正孔又は電子が突き
抜けられる程度の厚さ、具体的には約１００Å以下に形
成される。従って、第１の多結晶シリコン層４と第２の
多結晶シリコン層６との間のシリコン酸化膜によって動
作に支障を来すほどの容量が生じることはなく、従来通
りの動作が可能となっている。通常は２０〜３０Å程度
の厚さでも、シリサイド層７の高融点金属の拡散を抑止
することができる。８及び９は、絶縁ゲート形電界効果
トランジスタのソース及びドレインであり、半導体基板
１に半導体基板の導電型とは反対導電型の不純物を導入
して形成される。不純物は、半導体基板がｐ型の場合は
リンや砒素、半導体基板がｎ型の場合はボロンが用いら
れる。

【００１５】図２（ａ）乃至（ｈ）は、本発明の半導体
装置の製造方法を示す。以下、順を追って説明する。

【００１６】（ａ）半導体基板１表面にゲート絶縁膜２
を形成する。このゲート絶縁膜２は、例えば半導体基板
１に熱酸化処理を施すことによって形成される。ＣＶＤ
法によるシリコン窒化膜を用いても良い。

【００１７】（ｂ）ゲート絶縁膜２表面上に第１の多結
晶シリコン層４を形成する。この層は、ＣＶＤ法によっ
て形成される。この第１の多結晶シリコン層４には、導
電性を向上させるための不純物が導入される。

【００１８】（ｃ）第１の多結晶シリコン層４表面上に
層間膜５を形成する。この層間膜５にシリコン酸化膜を
用いる場合は、第１の多結晶シリコン層４の表面を大気
中で自然酸化させて形成するか、もしくは熱酸化、ＣＶ
Ｄによって形成しても良い。熱酸化膜を形成する場合
は、第１の多結晶シリコン層４形成後、酸化性雰囲気の
中で８００℃程度の温度で短時間熱処理を施す。

【００１９】（ｄ）層間膜５表面上に第２の多結晶シリ
コン層６を第１の多結晶シリコン層４と同様に形成す
る。

【００２０】（ｅ）第２の多結晶シリコン層６の表面上
にシリサイド層７を形成する。このシリサイド層７は、
ＣＶＤ法又はスパッタ法によって形成される。

【００２１】（ｆ）１枚のマスクを用いてパターニング
を行い、シリサイド層７、第２の多結晶シリコン層６、
層間膜５、及び第１の多結晶シリコン層４にエッチング
処理を施すことにより、ゲート電極３を形成する。

【００２２】（ｇ）ゲート電極３を不純物導入用マスク
として、半導体基板の導電型とは反対導電型の不純物を
イオン打ち込み技術を用いて導入し、その後熱処理によ
り不純物を拡散して、絶縁ゲート形電界効果トランジス
タのソース８及びドレイン９を形成する。

【００２３】上記工程で、ゲート電極３形成後の熱処
理、例えばソース８及びドレイン９の形成工程において
高融点金属の拡散現象が生じたとしても、図３に示すよ
うに、シリサイド層７中の高融点金属は、層間膜５によ
って拡散が止まるので、ゲート絶縁膜２を汚染すること
がなく、なおかつ第２の多結晶シリコン層６とシリサイ
ド層７との膜剥がれが生じにくくなる。

【００２４】次に、上記実施例によって得られる効果を
以下に述べる。

【００２５】（１）ゲート電極形成後に高温の熱処理を
施した場合に、高融点金属の拡散現象が生じても、高融
点金属の拡散が層間膜で食い止められるため、ゲート絶
縁膜が拡散した高融点金属によって汚染されることがな
く、それに伴うゲート耐圧不良を防止することができ
る。

【００２６】（２）層間膜より上層で高融点金属の拡散
現象が生じた場合に、多結晶シリコン層とシリサイド層
との界面に嵌合部が生じるため、熱ストレス変化による
シリサイド層と多結晶シリコン層との膜剥がれを防止で
きる。

【００２７】（３）層間膜は、ゲート絶縁膜よりも薄い
シリコン酸化膜を形成すればよいので、現状のポリサイ
ドゲート電極形成プロセスの形成条件のごく一部を変更
するだけで簡単に層間膜を形成することができる。

【００２８】以上、本発明者によってなされた発明を、
実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施
例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範
囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例え
ば、実施例では層間膜を第１の多結晶シリコン層の上面
を熱酸化又は大気中で自然酸化させて形成したが、非酸
化性雰囲気で多結晶シリコンの堆積中に、一時的に酸化
性雰囲気に切り替えることによりシリコン酸化膜が形成
され、再度非酸化性雰囲気へ戻す方法でもよい。

【００２９】層間膜はシリコン酸化膜に限定されず、例
えば薄いシリコン窒化膜で形成しても良い。導電性の層
間膜を形成する場合は、高融点金属の窒化膜、例えばＴ
ｉＮのような導電性の窒化膜を用いても良い。

【００３０】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。

【００３１】すなわち、ポリサイドゲート電極の多結晶
シリコン層を２層構造とし、その層間に高融点金属の拡
散を抑止する層間膜を設けることにより、ゲート絶縁膜
が拡散した高融点金属によって汚染されることがなく、
それに伴うゲート耐圧不良を防止することができる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置に有する、絶縁ゲート形電
界効果トランジスタの断面図である。

【図２】（ａ）はゲート絶縁膜の形成を示す図、（ｂ）
は第１の多結晶シリコン層の形成を示す図、（ｃ）は層
間膜の形成を示す図、（ｄ）は第２の多結晶シリコン層
の形成を示す図、（ｅ）はシリサイド層の形成を示す
図、（ｆ）は、ゲート電極の形成を示す図、（ｇ）はソ
ース及びドレインの形成を示す図である

【図３】熱処理後の絶縁ゲート形電界効果トランジスタ
を示す図である。

【図４】従来のポリサイドゲート電極の問題点を示す図
である。

【符号の説明】

１・・半導体基板、２・・ゲート絶縁膜、３・・ゲート
電極、４・・第１の多結晶シリコン層、５・・層間膜、
６・・第２の多結晶シリコン層、７・・シリサイド層、
８・・ソース、９・・ドレイン、１０・・多結晶シリコ
ン層、１１・・シリサイド層

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板主面にゲート絶縁膜を介してゲ
   ート電極を有する絶縁ゲート形電界効果トランジスタか
   らなる半導体装置であって、前記ゲート電極は第１の多
   結晶シリコン層と、該第１の多結晶シリコン層の上面に
   形成された層間膜と、該層間膜上の第２の多結晶シリコ
   ン層と、該第２の多結晶シリコン層表面に被着せしめら
   れた高融点金属又は高融点金属とシリコンとの化合物か
   らなるシリサイド層との積層構造をなしており、前記層
   間膜は前記ゲート絶縁膜より薄く形成されてなることを
   特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】前記層間膜はシリコン酸化膜であることを
   特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 【請求項３】半導体基板主面にゲート絶縁膜を介してゲ
   ート電極を有する絶縁ゲート形電界効果トランジスタか
   らなる半導体装置の製造方法であって、（１）半導体基
   板主面にゲート絶縁膜を形成し、該ゲート絶縁膜上に第
   １の多結晶シリコン層を被着せしめる工程と、（２）前
   記第１の多結晶シリコン層表面に層間膜を形成する工
   程、（３）前記層間膜上に第２の多結晶シリコン層を被
   着せしめる工程、（４）前記第２の多結晶シリコン層表
   面に、高融点金属又は高融点金属とシリコンとの化合物
   からなるシリサイド層を被着せしめる工程、（５）１枚
   のマスクを用いて、前記シリサイド層、前記第２の多結
   晶シリコン層、前記層間膜及び前記第１の多結晶シリコ
   ン層にエッチング処理を施し、所定の形状にゲート電極
   を形成する工程、及び、（６）前記ゲート電極に熱処理
   を施す工程、とを備えたことを特徴とする半導体装置の
   製造方法。
4. 【請求項４】前記層間膜は、前記第１の多結晶シリコン
   層の表面に熱酸化処理を施すことによって形成されるシ
   リコン酸化膜であることを特徴とする請求項２記載の半
   導体装置の製造方法。
5. 【請求項５】前記層間膜は、前記第１の多結晶シリコン
   層の表面が大気中で形成された自然酸化膜であることを
   特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。