JPS597230B2 - 絶縁ゲイト型電界効界半導体装置およびその作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタにおいて
（以後ＭＩＳ、ＦＥＴという）基板上部を選択的に酸化
することによりーー部が装置して形成された酸化珪素（
以後ＳｉＯ２という）の底部に、ソース（以後Ｓという
）とドレイン（以後Ｄという）を構成する不純物領域を
受け、この境界領域に金属またはその化合物を設けた構
造の絶縁ゲイト型電界効果半導体装置に関する。

すなわち、本発明の目的は、ＳｉＯ２および不純物拡散
と酸化に対してマスク作用のある被膜との二重構造被膜
を半導体基板」二の所定の部分に有し、かかる多層膜に
より、少なく：ともＳ、Ｄまたはそのリードを半導体基
板に不純物を拡散・ドープして作成し、かつ必要に応じ
て、かかる表面に金属被膜を形成し、酸化珪素膜のみを
側面より化学的に一部除去した後、半導体表面のチャネ
ル電流の受授を行なう拡散層の上端のみを残し、他のＳ
、Ｄの上面は、多層膜の存在しない基板表面を十分酸化
することにより作られたる埋設したｂｉＯ２底部に接し
めることにある。

従来、通常ＭＩＳ、ＦＥＴを作成する場合、Ｓ、Ｄ、Ｇ
が必要最少限の要素であるが、これを同一半導体基板に
集積化して、例えば半導体メモリ装置を作成する場合、
上記要素以外に隣接ＭＩＳ。

ＦＥＴ間の電気的な分離いす）ゆるチャネル、カットわ
よび基板とリード、特にケイ ト、リードとの間に作ら
れる漂浮容量（ＳｔｒａＹＣａｐａｃｉｔｙ）を少なく
するため両者の間に比誘電率の小さい絶縁膜を０．５μ
以上の厚さにして介在せしめることが重要になる。これ
らを十分満足するために、多くの方法が知られているが
、その代表的な製造法として、フィリップス社よりロー
ガス（ １、ｏｃｏｓ）という、製造方法が知られてい
る。

本発明は、上記製造およびその製法から一義的に決めら
れる構造を、さらに発展させたものである。参考例 第１図は、本発明を説明するための参考製法および参考
構造を示す縦断面図である。

すなわち、半導体基板１として、Ｎ型（１００）ＮＯ＝
５Ｘ１０１４〜１０Ｘ１０１（１７７！−３を用いた。
この基板の誘電型、結晶方位、不純物濃度は、その使用
目的に従つて変えれはよい。基板１表面を、十分清浄に
した後、熱酸化法により、ＳｌＯ２膜を１００〜５００
Ａの厚さに作る。

この後この上面に、不純物拡散と酸化物気体に対してマ
スク作用を有する被膜、例えば窒化珪素膜（以後ＳｉＮ
膜という）、またはモリブデンを５００〜３０００Ａの
厚さに形成する。このＳｉＯ２膜およびその上面に形成
される膜は９００℃以上で作製するのが好ましく、特に
ＳｉＮを用いる場合は、高密度化によるクラツクの発生
を抑止するため技術的に可能である範囲において高温で
あればあるはどよい。このようにして二重構造被膜を作
り、モリブデンの場合は、モリブデンのエツチ液、また
はＳｌＮの場合はその上面にＳｌＯ２膜を、シランと酸
素または炭酸ガスとの反応により作成する。こうして、
このＳｉＯ２膜をオキサイド・エツチで、不要部分のみ
除去し、さらに熱リン酸でその下のＳｉＮ膜のみを除去
し、この後すべてのＳｉＯ２膜を除去する。このように
した後、水蒸気または湿酸素中でこれら基体を９００℃
〜１１５０℃で熱酸化して第１図Ａを得る。但し、酸化
されて作られたＳｉＯ２４の上面はあらかじめ基板１の
上面と概略同一となるようバツフ一・エツチ液で基板の
表面をステツプ・エツチしておいた。これは珪素は酸化
することによりもとの珪素の厚さの２．３倍に無限平板
の場合、厚さが厚くなることにより計算しておけばよい
。次に、第１図Ｂに示された如く、二重膜をさらに、そ
の一部を化学的に除去し、Ｓ，Ｄの作製のための基板表
面が６に露呈される。

さらにこの二重膜およびＳｉＯ２４をマスクとして、Ｓ
７，Ｄ８を熱拡散法により作製した。図面ではＰチャネ
ル．ＭＩＳ．ＦＥＴを作製する場合であつたため、ボロ
ンを３〜１０μの深さに拡散した。この場合拡散層の横
方向へのひろがりは拡散の深さと概略同じである。この
ｐ＋のＳ７の外周辺にＮ＋のチャネルカットの機能を有
するうめ込み層を作らんとするならば、最初にＳ７用の
窓をあけ、Ｎ＋をリンまたはヒ素を用いて０．５〜３μ
の深さに拡散し、さらにＤ８用の穴をあけた後、双方に
ボロンを拡散すればよい。この場合基板がＰまたはＰ一
型であるならは、いわゆるマイクロ・チャネル．ＭＩＳ
．ＦＥＴ（ＤＳＡ．ＭＩＳ．ＦＥＴになる）構造を作製
してもよい。本発明の次の工程として、第１図Ｄに示さ
れている如く、二重層のうち下側のアンダーカツトの可
能な絶縁膜すなわちＳｉＯ２膜２の外側周辺を弗酸また
はオキサイドエツチ液でアンダーカツト．エツチを行つ
て９の如きくみ込みを得た。この組込みの深さは、Ｓ７
，Ｄ８の横方向でのひろがりにくらべてわずかに少ない
程度とした。例えば横方向のひろがりが３μあつた場合
は約２μ、５μの場合は約４μ、アンダー．カツト．エ
ツチをほどこした。こうしてＤを得た。この後、これら
全体を再び水蒸気または湿酸素中で熱酸化して、Ｓ７，
Ｄ８上に酸化珪素１１を、０．５〜２μの厚に作製する
。このとき、アンダー．カツト．エツチされて作られた
マスク作用である被膜の１０の部分は、われて除去され
る。第１図Ｅよりわかる如く第１図の構造の最大の特徴
はＳ７，Ｄ８上に形成されたＳｌＯ２ｌｌは基板１を局
部的に酸化して作られること、およびチャネルを作りう
る基板表面領域と接するＳ７，Ｄ８の上端部を除き、他
は十分深いところに形成されることである。

このため、いわゆるＬＯｃＯｓがこの割合が全く等しい
のに対しＳ７．Ｄ８の最終的な深さ１３，１３′ に対
し、チャネル形成領域に接する不純物領域の上端部の巾
１２，１２′を小さく設けることを最大の特徴とする。
その結果、Ｓ７，Ｄ８蕃構成する不純物領域とＧとの間
の漂浮容量を除去し、かつ、不純物領域それ自体のシー
ト抵抗を下げるためにはきわめて重要なことである。

この後、二重膜２，３を化学的に除去し、その表面を十
分清浄にした後、ゲイト絶縁膜およびゲイト電極、リー
ドを作製した。

すなわち、Ｆにみらられる如く、半導体基板１表面を乾
燥酸奏、湿酸素または炭酸ガス、または過酸化窒素を水
素のキヤリアガスで炉内に導き、その表面を１５〜２０
００Ａの厚さに酸化する。この酸化温度は９５０℃〜１
１００℃がよく、いわゆる非常にうすい膜を作るために
６００℃〜７００℃の温度で酸素中で基板を酸化し、１
５〜４０Ａの膜厚のＳｉＯ２膜１５を作る方法は表面準
位が多くて好ましくない。むしろかかるうすい膜は、炭
酸ガスまたは過酸化窒素を水素または窒素のキヤリアガ
スにより希釈して流した反応炉中で作る方が好ましい。
なぜならこの場合は酸化温度が１０００℃前後であり、
いわゆる１１かたい１′酸化膜ができるからである。さ
らに、半導体または金属（導体）の塊状のクラスタまた
は膜からなる層を電荷のＴＬとして１６に作つた。図面
では例えば、シリコンの半導体を２００〜１００００Ａ
の厚さにシランの熱分解法により蓄積させたものである
。また塊状のクラスタは、全く同様にして作られるが、
それは平均膜厚が２００Ａ以下で存在し、その大きさは
合成条件によつて異るが、電子顕微鏡で調べた範囲では
、数１０Ａの直径の微粒子状のものから、直径約２００
０Ａの半球状のものまで存在しているが、いずれにして
も塊状のクラスタ（以下クラスタという）とは被膜にな
る前段階のもので、互いに電気的に分離した粒子が群を
なした構造を意味するものであると定義してよいと思わ
れる。半導体の場合は、必要に応じてＰまたはＮ型の不
純物をドープしたシリコンまたはゲルマニユームを用い
、金属には、アルミニユーム、モリブデン、タンタル、
チタン、ベリリユームなどが主な材料であり、金属は塩
化物として気相法で作製しても、また真空蒸着法、また
はスパツタ法により作製してもよい。絶縁物によりくる
まれた薄膜をＴＬとして用いる場合は、平均膜厚は３０
０Ａ？上存在することを必要とし、それが１０００Ａ以
上の場合は厚膜として定義してもよい。かくの如くにし
て、ＴＬを作製した後、この上面に絶縁膜１７を作製し
た。

これには窒化珪素、酸化アルミニユーム、または酸化タ
ンタルを用いる。この絶縁膜は比誘電率が高い方が好ま
しい。ＳｉＮ膜を１７として、かつＴＬｌ６にシリコン
を用いる場合は第１図Ｆを侍た後、このすべてを再び水
蒸気または湿酸素中で酸化した。かくの如くにして、Ｔ
Ｌｌ６を構成しない不要部分を酸化してＧにみられる如
くＴＬの側周辺のＴＬを構成している材料の酸化物絶縁
物ＳｉＯ２ｌ８とした。ＴＬに珪素以外の材料を用いか
つその材料が安定な酸化物絶縁物を構成しない場合は、
２０のＴＬの側周辺の部分は化学的エツチ液で除去すれ
ばよい。第１図Ｇは、ゲイト電極１９を作つたもので、
Ｓ７，Ｄ８がＸ軸に平行な場合、Ｇｌ９はＹ軸に平行に
なる。第１図Ｇよりわかる如く第１図の構造は、２つの
特徴を有する。その１つは、ＴＬｌ５とＧｌ９との間の
静電容量は、ＴＬｌ６と基板１との間の静電容量に比較
して十分大きくするため、ＴＬｌ６はＳ７，Ｄ８の上側
に基板に埋置して設けられた？縁物の上面にわたつて作
られていることである。第２は、Ｓ７，ｒ）８の上端１
２．１２′の巾をきわめて小さくさせ、それに比較して
Ｓ，Ｄを構成するその拡散層の深さ１３，１３′が大き
いことである。この上端１２，１２′が小さいことは２
つの点を解決する。すなわち、もしＳ７の上端１２が大
きいと、Ｓは基板と同電位にもなることがあるから、基
板１とＴＬｌ８との間の無意味な静電容量を大きくする
。また、Ｄ８の上端１１が大きいとＤ（５Ｇとの容量結
合が大きくな″り、ＭＩＳ−ＦＥＴの動作特性を悪化さ
せる。以上の特長を有せしめるために、第１図の製造で
は１図Ｄで明らかな如く、Ｓ７，Ｄ８を拡散して作製し
た後ゲイト領域構成用マスクに対しアンダー．カツト．
エツチを行なつたことにある。この方法を用いず、フオ
トエツチング法により、次の酸化工程のとき酸化される
べき部分を除去してもよい。しか・しこの場合は、マス
ク合せの精度が十分な１ｊＴ１，ばならない〇第２図Ａ
は、第１図Ｇの電気的等価回路を記したものである。す
なわち、Ｓ７，Ｄ８が基板１に作られ、基板１とＴＬｌ
６とにキヤパシタＣ２があり、またＴＬｌ６とＧｌ９と
にキヤパシタＣ，が存在する。この構造において第２図
Ｂは横軸にＣ１／Ｃ２を、またはＣ２を５ＰＦとしたと
きのＣ１の値を示し、また縦軸は全ゲイト電圧のうち、
Ｃ２に分割して印加される電圧の量を示している。これ
よりわかる如く、Ｇの電圧Ｖ７は、Ｃ１＝Ｃ２のとき等
しく分割されるが、Ｃ，／Ｃ２〉１では少しずつ増加し
てゆく。いずれにしてもＣ１／Ｃ２が３のときは、Ｖｙ
の７５％がＶ２に印加される。このことは、Ｃ１を大き
くし、Ｃ２を小さくすればするはど基板よりＴＬに電荷
を注入するに必要な電界をＶ２で得んとしても、低いＶ
ｙで十分（こなることを示している。逆にいえば、半導
体メモリ装置の駆動に必要な外部電界を小さくすること
ができることがわかる。しかしＣ２を小さくするためＣ
２を構成する絶縁膜の膜厚を厚くすると、キャリアのＴ
Ｌに注入するに時間がかかり、応答速度がぉそくなる。
結果として、Ｃ２は低い誘電率のものをうすくして用い
、またＣ，は高い誘電率で、かつそのＣを作るのに必要
な面積を増して、その値を大きくするのがよいことがわ
かる。実用的にはＣ１／Ｃ２は２〜４であろう。実施例 本実施例は、本発明の構成およびその製法を示すもので
、第３図にその縦断面図が記してある。

これは第１図のそれと類似であるが、Ｓ７．Ｄ８のシー
ト抵抗をさらに減少せしめるため、その一部に金属化合
物または金属との多層膜を作つている点に特徴がある。
第３図Ａは、その作製工程として第１図Ｄに相当する。

すなわち、Ｎチヤネル．ＭＩＳ．ＦＥＴを作るため、Ｐ
型基板１を用いた。またＴＬに低い電圧でアバランシエ
等によるホツトキヤリアを生成してその電荷を注入する
ため、本実施例はゲイトに電圧ｔを加えると同時に、Ｓ
７に基板と同一の導電型のうめ込み層２５が作つてある
。これは基板１の不純物濃度が例えば１×１０１５ｃｄ
であつた場合、この基板またはＤ８とＳ７との間に逆バ
イアスを加えて、シアンクシヨン。アバランシエまたは
コンダクシヨン。アバランシエを利用してホツト。キヤ
リアを作らんとした場合、そのキヤリアを作るのに必要
な印加電圧の絶対値を下げるためのものである。このた
めうめ込み層は、ここでは基板と同一の導電型で、かつ
その不純物濃度は基板のそれより１桁以上高くしてある
。例えば１Ｘ１０１６〜１Ｘ１０１６ｃ１ｎ−３の範囲
にした。なおこの実施例よりわかる如く、うめ込み層が
あるときは、いわゆる図面におけるＳ７の外周辺に作ら
れ、信号の読出しのＳ７，Ｄ８は書き込みの際はＤ７，
Ｓ８として用いることを原則としている。この後、Ｓ７
，Ｄ８のシート抵抗を下げるためこの不純物領域の上部
に金属膜２０を０．０５〜０．５μの厚さに真空蒸着法
、気相法またはスパツタ法により形成する。この材料と
しては、アルミニユーム、チタン、タンタル、ベリリユ
ーム、クロームなどがよかつた。この材料に対しては、
基板シリコンと合金を作ること、合金の領域がＳ，Ｄと
基板との接合部まで到達しないこと、基板シリコン中へ
の拡散係数が小さいこと、基板シリコンと珪化物の合金
を作り、化学的に安定であること、比較的酸化されやす
く、酸化された膜は絶縁膜となり、特にアルカリイオン
に対する保護作用があること、さらにマスク作用のある
被膜３とは反応をしないことなどの性質を有することが
重要である。このため、酸化されにくいモリブデン、タ
ングステンを使用する場合は１０００℃〜１３００℃ま
で昇温して合金にする必要がある。また金、白金は、シ
リコンおよびＳｉＮ，ＳｉＯ２中への拡散係数が１００
０℃以上では大きくなるので、使用に際して注意が必要
である。次に、第３図Ｂに示す如く、かかる金属膜２１
を水素または不活性気体中で加熱し２１にみられる如く
、基板シリコンと合金を作り、さらに被膜のうち合金を
作らない成分および被膜８上の金属膜を、化学的に除去
してＢを得た。

次に第３図Ｃは第１図Ｅに対応するが、これらすべてを
水蒸気または湿酸素中で９５０℃〜１１５０℃の温度で
酸化した。

この酸化は、テトラ、ヒドロ、フルビル、アルコｉルを
溶媒として用い溶質として硝酸を１０％前後混入した溶
液を用い陽極酸化をしてもよいことはいうまでもない。
ただし、陽極酸化を行なう場合は、被膜３にＳｌＮを用
いるとそこも酸化されてＳｉＯ２になることが知られて
いる。このため化成電圧は、ＳｌＮ膜を酸化することの
ない程度の低い電圧にしなければならない。以上の如く
にして、ＳｉＯ２膜２２が作られるが、その一部または
全部に金属膜の酸化物、例えばアルミナ、チタニア、ベ
リリア、酸化タンタルが２３として含ま孔ている。

図面の如き構造は酸素との反応が、基体表面で行なわれ
た場合生ずるもので、もし酸素が反応面まで拡散してゆ
くならば、金属酸化物は２２の申にも均一に混在してい
る。２４は、金属一シリコンの合金領域であり、その抵
抗は１０−５〜１０−２Ω？でゐつた。

図面よりわかる如く、Ａでアンダー．カツト．エツチ９
を十分行なつているため、Ｓ７，Ｄ８の上端部のひろが
り１２は、Ｓ７，Ｄ８の深さ方向のひろがり１３に比べ
て十分小さいことがわかる。

さらに２０よりわかる如く、基板に酸化して作られるＳ
ｉＯ２の端２５は、弧の形状をしており、ＤにおいてＴ
Ｌｌ６を作る際、またＧｌ８を作る際、かかる部分での
断膜がおこりにくいことがわかる。この後、被膜２，３
を除去し、Ｄにみられる如く、絶縁膜１５、ＴＬｌ６、
絶縁膜１７およびＧｌ８を作製した。絶縁膜１５，１７
はそれぞれ酸化珪素、窒化珪素を用いたが、これらは異
種絶縁膜を多層に用いて１５，１７としてもよいことは
いうまでもない。なお、本発明において基板とは半導体
ウエハ一を示し、基体とはその上面に新たに被膜形成ま
たは処理を行なうその基となるものすべてを意味するこ
とを付記する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を説明するために参考としてあげた参考
構造およびその参考作製方法を示すための縦断面図群で
ある。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板に選択的に埋置された絶縁物と、前記半
   導体基板の表面またはその近傍のチアネル形成領域に接
   しかつ前記埋置された絶縁物の下側まで延在して設けら
   れた不純物領域とを有する半導体装置において、金属ま
   たはその化合物が前記埋置された絶縁物の底部と前記不
   純物領域の上部に介在していることを特徴とした絶縁ゲ
   イト型電界効果半導体装置。 ２ アンダ・カットの可能な絶縁膜と、酸化性気体また
   は溶剤に対しマスク作用を有する被膜との二重構造被膜
   を半導体基板上に選択的に形成する工程と、前記二重構
   造の被膜をマスクとして前記基板に不純物を拡散ドープ
   する工程と、前記アンダカツトの可能な絶縁膜を側辺よ
   り一部アンダ・カットにより除去する工程と、前記不純
   物が拡散された半導体表面に金属膜を形成する工程と、
   半導体基板を酸化して埋置した絶縁物を形成するととも
   に、その底部には前記金属膜またはその化合物を形成す
   る工程とを有することを特徴とした絶縁ゲート型電界効
   果半導体装置の作製方法。