JPS6239833B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、低抵抗でかつ、イオン注入時の自己
整合が可能な電極配線を有するMOS型半導体装
置の製造方法に関するものである。

近年集積回路の高密度化が進むにつれて、従来
MOS型集積回路等の電極配線等の素材として用
いられて来た不純物添加多結晶シリコンは、その
比抵抗が約700μΩ・cmから１μΩ・cmと高く、
配線抵抗が無視できなくなり、高速度の応答が困
難になるという欠点を有する。そのため、最近で
は、高融点金属をゲート電極配線として用いるこ
とにより、配線抵抗を下げ、かつ安全な半導体装
置を得るための精力的な研究が巾広く行われつつ
ある。

モリブデンは比抵抗が約10μΩ・cmと不純物添
加多結晶シリコンに比して約２桁も小さく、配線
抵抗は無視できる程小さくなる。

また、結晶粒径も小さく、微細加工性に優れて
おり、高密度集積回路の配線材料として多くの利
点を備えている。

一般にモリブデンゲートのMOSトランジスタ
は、第１図ａに示すごとく、素子分離用シリコン
酸化膜１を形成しゲート酸化膜２を成長させた
後、モリブデン膜を蒸着し加工したゲート電極３
を形成する。その後、第１図ｂに示すように、モ
リブデンゲート電極３をマスクとして基板と反対
の伝導型の不純物をイオン注入することにより、
MOSトランジスタのソース・及びドレインとな
る領域４を自己整合的に形成した後、窒素雰囲気
中で1000℃ぐらいに加熱し、注入層の電気的活性
化を行う。この際モリブデン膜のイオン注入に対
するマスク効果という観点からは、アモルフアス
モリブデンに対する理論計算によると、膜厚が
1500Åもあれば100keVのヒ素イオンの貫通を充
分阻止できると予想されていたが、実験の結果は
3000Åの膜厚でもなお不完全であることが明らか
になつた。これは、モリブデン膜の結晶粒が柱状
構造となつていることにかなりの理由があるらし
く、イオン注入されたヒ素イオンの一部はその粒
界に沿つて、また一部は結晶粒中を、エネルギー
損失の小さいチヤネリングによつてゲート金属を
透過し、さらにはゲート酸化膜を貫通してシリコ
ン基板中に到達したことによるものと考えられ
る。チヤネル部に一部このようにソース・ドレイ
ン領域形成のための不純物イオンが注入されてし
まうと、チヤネル部の基板の不純物濃度が変化
し、MOSトランジスタのしきい値電圧の変化を
引起す。しかもこの結晶粒界あるいは結晶粒中の
チヤネリングと思われる現象は、金属膜の形成時
の、あるいはウエハ内の二次元的な微妙な条件の
違い、等々に起因する結晶粒の大きさや方位によ
つて変化し、その結果MOSトランジスタのしき
い値電圧のばらつきや再現性の欠如を引起したも
のと考えられる。

上記のような、イオン注入による不純物原子の
ゲート金属の貫通を防ぐ手段として、第１にゲー
ト金属膜を厚くすることが考えられる。しかしな
がらこの方法では、試料表面の凹凸が激しくな
り、層間絶縁膜を介してゲート電極上に形成され
るソース・ドレイン等の配線部にいわゆる段切れ
を起す確率が高くなり、歩留りを悪くする原因と
なる。また、微細加工の観点からも、サイドエツ
チ量が増大し好ましくない。さらに、電極配線の
金属膜を厚くすることによるストレスの増大もま
た、素子の性能に悪影響を及ぼすことになる。以
上のことから、電極配線の金属膜を厚くすること
によつてマスク効果を高めることは不適当であ
る。

第２の方法として、金属膜表面をマスク効果の
高い他の物質例えば、アモルフアス状のシリコン
窒化膜もしくはシリコン酸化膜をCVD法等で被
着させる手段がある。この方法の一例を第２図に
示す。第２図ａは、素子分離用シリコン酸化膜１
及びゲート酸化膜２を形成した後、モリブデン膜
３を蒸着し、さらにその上にシリコン窒化膜２０
をCVD法で堆積し、MOSトランジスタのゲート
となるべき部分を加工した状態を示す模式的断面
図である。即ち、第２図ａは、第１図ａに於ける
ゲート金属膜の上にシリコン窒化膜を堆積したも
のになつている。第２図ｂは、シリコン窒化膜２
０をマスクとしてイオン注入し、MOSトランジ
スタのソース及びドレイン領域を形成した状態を
示している。第２図ｃは、その後シリコン窒化膜
を熱リン酸で除去し、その上に層間絶縁膜となす
べきシリコン酸化膜６を堆積し、ソース、ドレイ
ン及びゲート電極配線部分の層間絶縁膜６に孔あ
けして、Al等の金属でコンタクトをとり配線７
を形成した状態を示したものである。この第２の
方法は、前記第１の方法に比べて、シリコン窒化
膜２０を堆積し、加工し、またその後除去する、
という工程が新たにつけ加わるために工程が長く
複雑になり、また、ゲート金属の加工精度も悪く
なる、という欠点がある。

本発明は上記従来方法における欠点を解消した
新規な窒化モリブデン及びモリブデンの２層ゲー
ト構造を持つMOS型半導体装置の製造方法を提
供するものである。本発明は、窒化モリブデン薄
膜を形成する工程と、該窒化モリブデン薄膜を電
極配線としてパターン化する工程と、該電極配線
をマスクとしてソース・ドレイン領域をイオン注
入法により形成したのち水素又は水素を含む雰囲
気中で熱処理することにより窒化モリブデンゲー
ト電極配線の表面層を脱窒素せしめて、窒化モリ
ブデン及びモリブデンの２層電極配線に変換する
工程、とを含むことを特徴とするMOS型半導体
装置の製造方法である。

本発明の原理は、本発明者らが実験的に見出し
た次の様な事実に基づいたものである。本発明者
らは、窒化モリブデン薄膜の場合には、上述の如
くモリブデン薄膜に見られたイオン注入マスク効
果の低下現象が生じないことを見出した。即ち、
具体的には、例えば100keVのヒ素イオン注入に
対して厚さ1500Åの窒化モリブデン薄膜で充分な
マスク効果が得られることが判つた。更に、窒化
モリブデンはモリブデンに比して１桁以上電気抵
抗が大きいが、水素又は水素を含む雰囲気中で熱
処理することにより窒素を脱離せしめて電気抵抗
の小さなモリブデンに変換できることを見出し
た。従つて、本発明による方法に於ては、ソー
ス・ドレイン領域は、イオン注入マスク効果の大
きい窒化モリブデンをマスクとしてイオン注入さ
れるので、薄い窒化モリブデン膜を用いても自己
整合方式を有効に適用することができる。更に、
窒化モリブデン膜は、最終的には窒化モリブデン
及びモリブデンの２層膜に変換されるので、電極
配線の電気抵抗の点に於ても充分低い抵抗値が実
現できる。

以下、本発明による方法を実施例に基づいて説
明する。第３図ａは、素子分離用シリコン酸化膜
１及びゲート酸化膜２をシリコン基板上に形成し
た後、窒化モリブデン付着し、加工してゲート電
極部３２を形成した状態を示す模式的断面図であ
る。窒化モリブデン膜３２は、窒素及びアルゴン
の混合気体中でモリブデンをスパツタする、いわ
ゆる反応性スパツタリング法で形成した。この場
合窒素分圧の程度により、窒素原子濃度とモリブ
デン原子濃度の比ｘは調整し得るが、0.05から１
の間に調整したものを用いるとよい成績を得る。
この範囲の組成の窒化モリブデンは、結晶粒が小
さく、本発明の第１の目的であるイオン注入のマ
スク効果が大であり、自己整合可能なゲート電極
材料として使用することができる。その後第３図
ｂに示すように、ソース・ドレイン領域をイオン
注入法、例えば加連電圧100keV、５×10¹⁵cm^-2の
ヒ素イオンを注入によつて形成した。第３図ｃ
は、本発明の第３の目的である電極配線の低抵抗
化の工程である。すなわち窒化モリブデン膜３２
は、前述したようにマスク効果が大であるため自
己整合可能であるが、モリブデンに比べて１桁比
抵抗が高い。そこで窒化モリブデン・ゲート電極
部３２の表面層を解離して脱窒素し比抵抗を下げ
るために水素雰囲気中で800℃５分間加熱した。
本実施例の場合、3000Åの窒化モリブデン膜の表
面層約2000Åが解離されモリブデン層３３で転換
できた。第３図に示したように、ゲート酸化膜２
上に、1000Åの窒化モリブデン膜層３２及び2000
Åのモリブデン膜層３３からなる２層電極配線が
形成できたのである。

第４図は、Mo₂Nで表わされる窒化モリブデン
膜を水素雰囲気中で熱処理したときの比抵抗値の
処理温度依存性のデータ４１及び同様の熱処理を
窒素雰囲気中で施したときの処理温度依存性のデ
ータ４２である。窒素雰囲気中では比抵抗は殆ん
ど変化しないが、水素雰囲気中では約１桁小さく
なり、モリブデンの比抵抗に近づく。窒化モリブ
デン薄膜は熱処理時間と共に表面から解離が進
み、長時間の熱処理では、窒化モリブデン膜はす
べて解離されるが、膜厚が厚い場合は、膜にひび
割れが生じたり、又水素がシリコン酸化膜にまで
侵入し、MOSトランジスタの長期信頼性が劣つ
たりし、適当ではなく、モリブデン窒化物層を残
す方がよい結果を得る。

第５図は、従来方法によるモリブデン・ゲート
及び本発明の方法による窒化モリブデン及びモリ
ブデンの２層構造ゲートを持つMOSトランジス
タのしきい値電圧とゲート金属膜厚の関係を示す
図である。本発明による２層ゲートの場合、横軸
は窒化モリブデン及びモリブデンの全膜厚であ
り、窒化モリブデン膜厚は1000Åに固定してあ
る。データ５１が示す本発明の２層ゲートの場合
は、全膜厚が1500Åもあればしきい値電圧は一定
となる。データ５２が示す従来方法によるもので
は5000Å程度のモリブデン膜が必要である。これ
らのデータからも本発明による場合は、1500Å程
度の膜厚でもイオン注入によるヒ素イオンの貫通
が生じていないことがわかる。またしきい値電圧
の再現性及びそのばらつきも従来方法によるもの
に比して向上した。

以上本発明によれば、自己整合可能な低抵抗ゲ
ート配線を持つ再現性の良いMOS型半導体装置
が得られる。さらにゲート電極の加工は、結晶粒
径の小さい窒化モリブデンの状態で行うので加工
性は極めて良いという利点もある。また従来方法
による場合よりも薄い膜でもマスク効果があるた
め、ゲート電極部での段差が小さくAl等による
上部の配線に際しても段切れを減らすことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂ、第２図ａ，ｂ，ｃ、第３図ａ，
ｂ，ｃの各図は、それぞれ自己整合法を用いたソ
ース・ドレイン領域の形成工程における断面を模
式的に示したものであり、第１図は従来方法によ
るモリブデンゲート電極をイオン注入マスクとし
た場合、第２図は従来方法によるモリブデンゲー
ト電極上にシリコン窒化膜を設けた構造をマスク
とした場合、第３図は本発明の方法による窒化モ
リブデンゲート電極をマスクとした場合である。
第２図ｃは、Alによる上部配線形成工程を終了
してモリブデン・ゲートMOSトランジスタとし
て完成したものの断面図である。第３図ｃは、本
発明の方法による窒化モリブデンの表面層を脱窒
素して、窒化モリブデン及びモリブデンの２層ゲ
ート構造形成後の断面図である。図中１は素子分
離用シリコン酸化膜、２はゲート酸化膜、３はモ
リブデンゲート電極部、４はソース・ドレイン領
域、５はチヤネル部分、６は層間絶縁膜、７は
Alによるソース、ドレイン及びゲート電極への
コンタクト配線、２０はシリコン窒化膜、３２は
モリブデン窒化膜によるゲート電極、３３は、水
素処理により脱窒素されたモリブデン層を示す。 第４図は、Mo₂N膜の比抵抗の水素及び窒素雰
囲気中での熱処理温度依存性を示す。図中曲線４
１はMo₂Nの水素雰囲気中での熱処理の場合であ
り、曲線４２は窒素雰囲気中での熱処理の場合で
ある。 第５図は、MOSトランジスタのしきい値電圧
とゲート電極膜厚の関係を示す。図中曲線５１
は、本発明の方法による窒化モリブデンをイオン
注入マスクとして形成したMOSトランジスタの
場合で、曲線５２は、従来方法によるモリブデン
をマスクとした場合である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 窒化モリブデン薄膜を形成する工程と、該窒
   化モリブデン薄膜を電極配線としてパターン化す
   る工程と、該電極配線をマスクとしてソース・ド
   レイン領域をイオン注入法により形成した後に水
   素又は水素を含む雰囲気中で熱処理することによ
   り窒化モリブデンゲート電極配線の表面層を脱窒
   素せしめてモリブデンに変換し、窒化モリブデン
   及びモリブデンの２層電極構造を形成することを
   特徴とするMOS型半導体装置の製造方法。