JPH0612819B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0612819B2
JPH0612819B2 JP58108740A JP10874083A JPH0612819B2 JP H0612819 B2 JPH0612819 B2 JP H0612819B2 JP 58108740 A JP58108740 A JP 58108740A JP 10874083 A JP10874083 A JP 10874083A JP H0612819 B2 JPH0612819 B2 JP H0612819B2
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十郎 安井
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は多結晶シリコンを第1層とし金属シリサイドを
第2層をとするゲート材料を有する半導体装置の製造方
法に関するものである。
従来例の構成とその問題点 半導体装置はますます高密度化すなわち微細化される傾
向にあり、そのための様々な問題が明らかになってきて
いる。その問題点のひとつとして、従来用いられてきた
多結晶シリコンゲートではゲート材料である多結晶シリ
コンの抵抗が高いため微細化されていくに従って配線に
よる信号の遅延をもたらすということである。この配線
遅延についてはゲート材料を多結晶シリコンからより低
抵抗である金属あるいは金属シリサイドあるいはこれら
と多結晶シリコンとの2層構造に置き換えることにより
改善が図られている。
多結晶シリコンを低抵抗材料に置き換える場合、多結晶
シリコンゲートプロセスの特長あるいはプロセスの互換
性をできるかぎり失なわないことが望ましい。1,00
0℃程度の耐熱性を有し、ソース,ドレインのセルフア
ライン拡散が可能であるという特長を持つMoやWのよう
な高融点金属や、上記2つの特長に加えて耐酸化性と弗
酸などに対する耐薬品性などの特長をもつ高融点金属シ
リサイドが、ゲートの配線抵抗を低くする材料として使
われ始めている。しかしながら高融点金属や高融点金属
シリサイドを多結晶シリコンと単に置き換えることはで
きない。なぜなら、高融点金属あるいは高融点金属シリ
サイドは現在では原料としての純度が悪くトランジスタ
の動作に影響を与えるNaイオンのような可動イオンを含
んでいること、またこれらの材料は多結晶シリコンと仕
事関係が異なることからトランジスタ特性が変わるとい
うことがあるからである。このような欠点を取り除くべ
く採用されているのが、多結晶シリコンを第1層、高融
点金属あるいは高融点金属シリサイドを第2層とする2
層構造である。この2層構造を採用すれば、第1層目の
多結晶シリコンの存在により第2層目の材料に含まれる
アルカリイオン等の可動イオンの拡散が防止でき、かつ
トランジスタ特性は第1層目の多結晶シリコンで規定さ
れるため多結晶シリコンゲートと変わらず、ゲート形成
以外のプロセスは多結晶シリコンゲートプロセスと同様
でよい。
上記の2層ゲート構造の従来プロセスの1例を第1図に
示す。シリコン基板1上にフィールド酸化膜2、ゲート
酸化膜3を形成したのち、 約2,000〜3,000ÅのN拡散された多結晶シ
リコン層4を形成する(第1図a)。この多結晶シリコ
ンへのN型不純物の導入は多結晶シリコンの堆積時に同
時に行なう場合もあり、またアンドープの多結晶シリコ
ンを推積したのちにN+拡散する場合もある。この多結晶
シリコンへのN+ドーピングはトランジスタ特性を安定化
させるためのものである。N+拡散された多結晶シリコン
上に高融点金属あるいは高融点金属シリサイド5を堆積
する(b)。たとえば、約2000〜3000ÅのMo Si2
をスパッタ法により堆積する。次にフォトレジストでゲ
ートパターン形成し、2層膜をエッチングする(c)。
ゲートパターンの形成ののち、たとえば第2層がMo Si2
の場合には、1,000℃,30分の熱処理を窒素雰囲
気中で行ないMo Si2の抵抗を下げる。その後の、ソース
・ドレイン6をイオン注入にて形成し(d)、層間絶縁膜
形成、Al電極形成、パッシベーション膜形成などは通常
の多結晶シリコンゲートプロセスと同様である。
先に述べたように2層構造にすると、高融点金属やその
シリサイドを単独で用いる場合に比べてすぐれた特長を
有するが、以下に述べるような問題点がある。そのひと
つが、ゲート酸化膜の耐圧の劣化である。半導体装置の
製造には現在一般的に900℃以上の熱処理が必要とさ
れ、特にゲート材料としてMo Si2,WSi2のような高融点
金属シリサイドを用いる場合にはその抵抗を下げるため
に約1,000℃の熱処理が必要とされる。ゲート材料
形成後このような熱処理を加えると、ゲート酸化膜の耐
圧が劣化する。この耐圧劣化は、第1層多結晶シリコン
の膜厚に依存することが判明している。
第2図に250μm角のMOSダイオード(ゲート酸化
膜厚350Å)の耐圧の多結晶シリコン膜厚依存性を示
す。この図より、多結晶シリコン膜圧が約1,500Å
以上でないとゲート酸化膜耐圧の歩留が急激に低下する
ことがわかる。半導体装置の微細化が問題となってきて
いる現在、横方向の微細化だけでなく、縦方向の微細化
または平坦化が必要とされている。ゲートとして2層構
造を用いる場合、第2層目の高融点金属あるいは高融点
金属シリサイドもゲート材料として抵抗を低くするため
ある程度の膜厚が必要とされるので第1層目の多結晶シ
リコン層もできるだけ薄く形成することが望まれる。し
かしながらゲート酸化膜耐圧の問題のためこれまでは
2,000Å以上の多結晶シリコン層が用いられてき
た。
もうひとつの問題は、2層膜のエッチングである。フォ
トレジストをマスクにして2層膜を1度にドライエッチ
ングするが、CFやCCl4などのガスを用いる場合、第
1層のN+拡散された多結晶シリコンのエッチング速度
が、第2層の高融点金属や高融点金属シリサイドのエッ
チング速度に比べて大きく、そのために第2層のパター
ンエッチングの内側に第1層のエッチングが進行するサ
イドエッチが生じ、第1図(c)に示すようにアンダーカ
ットの状態となる。このアンダーカットが生じた場合、
エッチング後の層間絶縁膜やAl配線の形成時に段差をお
おいきれなくなる可能性が高く、半導体装置の歩留を下
げる原因となる。
ところで、本発明者は先に述べたゲート酸化膜耐圧が熱
処理時の多結晶シリコンのN型不純物の濃度に依存する
ことを見い出し、その結果第2層金属あるいは金属シリ
サイドを堆積する前の第1層多結晶シリコンのN型不純
物濃度を小さくすればゲート酸化膜耐圧の劣化を防ぐこ
とができることが判明した。この原因については、本発
明者は多結晶シリコンとその上層である金属あるいは金
属シリサイドとの界面反応に起因しており、多結晶シリ
コン表面の自然酸化膜の存在が耐圧劣化の原因であると
推定している。
また2層膜エッチングについても、多結晶シリコンの不
純物濃度が小さい程多結晶シリコンのエッチング速度が
小さくなり、アンダーカットを生じにくくすることがで
きることが判明した。
発明の目的 本発明は以上のような問題に鑑み、第1層多結晶シリコ
ン膜厚を約300Åから約1500Åとしてもゲート酸
化膜耐圧の劣化を生ぜず、かつ加工し易い低抵抗ゲート
配線を有する半導体装置の製造方法を提供することを目
的とする。
発明の構成 本発明は、ゲート絶縁膜上に第1層多結晶シリコンをア
ンドープで形成しアンドープの状態でその上に金属シリ
サイドからなる第2層を形成する工程により、その後の
熱処理によるゲート酸化膜耐圧劣化が防げ、第1層多結
晶シリコンを300Åから1500Åの膜厚とすること
ができ、かつ2層膜を良好にエッチングすることを可能
とする。また、2層膜を形成した後にイオン注入法、気
相拡散法、または固相拡散法により不純物をドーピング
し、熱拡散することにより、多結晶シリコンをN+化し、
多結晶シリコンゲートと同様の安定したトランジスタ特
性を得ることを可能とするものである。
実施例の説明 第3図に本発明の実施例を示す。シリコン基板1上にフ
ィールド酸化膜2、ゲート酸化膜3形成の後、たとえば
膜厚1,000Aの多結晶シリコン4′をアンドープで
形成する(a)。
次にたとえば2,000ÅのMo Si2膜5をスパッタ法に
より堆積し、その上からたとえば燐を加速電圧70Ke
V,注入量3×1015cm-2でイオン注入7する(b)。この
状態では多結晶シリコンはまだアンドープの状態であ
る。フォトレジストでゲートパターンを形成しそれをマ
スクに2層膜のエッチングを行なう(c)。レジストを除
去した後Mo Si2膜5の抵抗を下げるための熱処理をたと
えば1000℃,30分間窒素雰囲気中で行なう。この
工程で多結晶シリコン4′は隣の熱拡散によりNドー
プされたシリコン4となる(d)。こうして4,5よりな
るゲート電極が作成される。その後のイオン注入による
ソース・ドレイン6の形成工程以降の工程は通常の多結
晶シリコンゲートプロセスと同様である(e)。
以上に示したような、本実施例を用いれば、第1層多結
晶シリコン膜厚が1500Å以下でもゲート酸化膜耐圧
劣化を防ぐことができる。第4図に第3図と同じMOS
ダイオードを本実施例の工程を用いて作成したときのゲ
ート酸化膜耐圧の多結晶シリコン膜厚依存性を示す。多
結晶シリコン膜厚を300Åまで薄くしても耐圧の歩留
はほぼ100%であることが判明した。多結晶シリコン
膜圧300Å以下ではトランジスタ特性が多結晶シリコ
ンによって規定されなくなり、意味がなくなる。また、
多結晶シリコンのエッチング速度はN+拡散されたものに
比べアンドープでは約半分となり、ほぼMo Si2のエッチ
ング速度と同程度となることから、アンダーカットを生
じにくく、マスクパターンに忠実な2層膜パターンが形
成できた。
なお、実施例では第2層の材料としてMo Si2を用いた
が、W Si2,TiSi2,Ta Si2のような金属シリサイドを用
いてもよく、またこれらを組み合わせた複層構造でもよ
い。
また、2層膜形成後のドーピングにイオン注入を用いた
が、POCl3,PH3などを用いた気相拡散法や、燐化ケイ素
ガラス等を用いた固相拡散法によってもよい。ドーピン
グ種は燐に限らず、砒素等のN型不純物または硼素等の
P型不純物でもよい。
チャンネル長1.5μm、巾5μmのテストトランジス
ターにおけるVT変動(△VT)を第5図に示す。信頼性を
試すBTテストは、150℃,10Vで行った。ポリシ
リコン層なしのMo Si2単層のものでは、実線11に示すよ
うに1000時間で100mvを越す変動があり、従来
のポリシリコン層単層のものを示す実線12に比べ非常
に大きい。これに対して、本発明におけるもの、ポリシ
リコン層1500Å(一点鎖線13),300Å(点線
14)では、後者がやや大きなVTの変動を生じている
が、共に従来のポリシリコン単層2のバラツキの範囲内
にあった。
発明の効果 以上のように、本発明はゲート酸化膜上にアンドープの
多結晶シリコンを形成し、アンドープのままの状態でそ
の上に金属シリサイドを形成することにより、熱処理に
起因するゲート酸化膜耐圧劣化を防ぐことができる。そ
の結果第1層多結晶シリコンの膜厚を従来得られなかっ
た300Åから1500Åと薄くすることが可能とな
り、ゲート材料の抵抗値を高くすることなく半導体装置
の平坦化に寄与するという効果が得られる。また、多結
晶シリコンがエッチング時にアンドープ状態であること
により、2層膜のエッチングにおいてアンダーカットを
生じることがなく、エッチングによる加工が容易となる
効果を得ることができる。そして、信頼性についても問
題のないことが確認された。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(d)は従来プロセスの実施例を示した断面
図、第2図は従来プロセスにより作製したMOSダイオ
ードのゲート酸化膜耐圧の多結晶シリコン膜厚依存性を
示す図、第3図(a)〜(e)は本発明によるプロセスの一実
施例を示した断面図、第4図は本発明によるプロセスに
より作製したMOSダイオードのゲート酸化膜耐圧の多結
晶シリコン膜厚依存性の改善例を示す図、第5図は信頼
性試験の結果を示す特性図である。 1……シリコン基板、3……ゲート酸化、4……N+多形
晶シリコン層、4′……アンドープ多結晶シリコン層、
5……金属シリサイド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 昌三 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 安井 十郎 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 釘宮 公一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−72383(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上のゲート絶縁膜上に、約30
    0Åから約1500Åの膜厚の多結晶シリコンよりなる
    第1層、およびこの上に金属シリサイドの単層あるいは
    複数層からなる第2層を形成したゲート材料を形成する
    に際し、前記第1層多結晶シリコンをアンドープの状態
    でその上に前記金属シリサイドからなる第2層を堆積す
    る工程と、前記第2層を形成した後に前記ゲート材料に
    不純物をドーピングする工程と、前記ドーピング工程の
    後に熱処理を行なう工程とを有し、ゲート絶縁膜耐圧劣
    化を防止したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】金属シリサイドを高融点金属シリサイドと
    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. 【請求項3】ゲート材料への不純物ドーピングを、イオ
    ン注入法または気相拡散法叉は固相拡散法により行なう
    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。
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