JPH0864808A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】本発明よれば、ゲート電極を構成する金属シリ
コン膜１４を、窒素雰囲気中で熱処理し薄膜の窒化膜３
１を形成する。併せて金属シリコン膜１４の膜厚、ゲー
ト電極２２の幅より熱酸化膜１２の膜厚を規定し、これ
に基づいて丸め処理において熱酸化膜１２を形成し電界
効果型トランジスタの製造工程における不良率の低減を
図る。 【効果】本発明よれば、金属膜表面の酸化を抑制するこ
とができ金属の拡散による絶縁破壊を防ぐことができ
る。併せて金属シリコン膜の膜厚、ゲート電極の幅より
熱酸化膜の膜厚を規定し、これに基づいて熱酸化膜を形
成することにより、電界効果型トランジスタの製造工程
における不良率の低減、及び信頼性を向上させることが
可能となる。

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とその製造方
法、特に電解効果型トランジスタのゲート電極とその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術として、金属層と多結晶シリ
コン膜の積層構造を有する電解効果型トランジスタ（以
下、ＭＯＳトランジスタと称す。）のゲ−ト電極の製造
方法を、図５を用いて説明する。まず図５（ａ）のよう
に半導体基板１０１を熱酸化して、この表面に膜厚１０
０オングストロームのシリコン酸化膜１０２を形成す
る。次にＬＰＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapour D
eposition ）法を用いてリン（以下Ｐと記す。）を含む
膜厚１５００オングストロームの多結晶シリコン膜１０
３と、タングステン（以下Ｗと記す。）とシリコン（以
下Ｓｉと記す。）の化合物である膜厚２０００オングス
トロームの金属シリサイド膜１０４を半導体基板１０１
上に成膜する。

【０００３】続いて図５（ｂ）に示すように、所定のＭ
ＯＳトランジスタの電極パタ−ンのレジストマスク１１
１を形成し、これをマスクとしてＲＩＥ(Reactive Ion
Etching)法によるエッチングで、金属シリサイド膜１０
４と多結晶シリコン膜１０３、シリコン酸化膜１０２を
順にエッチングし、ゲート電極１１２を形成する。この
エッチングを行って形成されたゲート電極１１２は、そ
のゲートエッジ部が図５（ｂ’）に示すように尖ってお
り、この部分に電界が集中しゲート絶縁膜の絶縁破壊が
生じ易くなる。

【０００４】続いて図５（ｃ）に示すように、この電界
集中を緩和するために、再度熱酸化を行いゲート電極の
表面と露出した半導体基板表面に、シリコン酸化膜１２
１を形成し、図５（ｃ’）に示すように、ゲートエッジ
部における多結晶シリコン膜１０３の丸め処理を行う。
以上の工程により、電界効果型トランジスタの丸め処理
を含む電極の製造工程が終了する。

【０００５】しかしながら従来の製造方法における、熱
酸化膜によるゲートエッジ部の丸め処理においては次に
示す問題点がある。この丸め処理は、ゲートエッジ部に
おいて熱酸化膜を形成するものであり、この部分のゲー
ト酸化膜が電界集中によって破壊されることを防止する
ものである。この部分で酸化膜を形成する場合、酸化膜
を形成するＳｉは主に、半導体基板表面と電極としてパ
ターニングした多結晶シリコン膜の表面より供給され
る。しかし熱酸化膜をこの部分にのみ選択的に形成する
ことは困難であり、電極としてパターニングした金属シ
リコン膜表面にも熱酸化膜が形成される。

【０００６】ゲート電極は多結晶シリコン膜と金属シリ
コン膜の積層構造で形成されているが、金属シリコン膜
が熱酸化されると、金属シリコン膜中のＳｉと酸素雰囲
気中の酸素（以下Ｏと記す。）が化合しシリコン酸化膜
が形成される。このため金属シリコン膜中のＷとＳｉの
組成比が変化し、過剰となったＷが下地の多結晶シリコ
ン膜へと単独で拡散してくる。この拡散してくるＷはス
パイク状に下層の多結晶シリコン膜内へ進入し、これが
半導体基板表面上に形成したゲート絶縁膜に達した場合
があり、絶縁不良を生じさせる原因となる。

【０００７】よってＷの拡散による絶縁不良を防ぐため
に、丸め処理を行う場合の熱酸化膜の膜厚は、ＷＳｉ膜
の露出している表面の表面積と体積の比により決定する
必要がある。即ち、ＷＳｉの膜厚が一定の場合は、ゲー
ト電極の幅が微細になるに従い、熱酸化膜の膜厚を薄く
形成しなけらばならない。

【０００８】よってゲートエッジ部に電界集中を緩和す
るために行う酸化膜の形成においては、絶縁破壊を防ぐ
ための十分な膜厚を有する熱酸化膜を形成することが困
難な場合があり、この結果ゲートエッジ部に電界集中が
生じ、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が生じるという問題点が
ある。

【０００９】また従来の製造方法においては、ゲートエ
ッジ部の丸め処理を行う場合形成する熱酸化膜の膜厚
は、明確な指標なく適当に決定されているのが現状であ
り、このため素子によっては必要以上に熱酸化膜が厚く
形成されてしまったり、逆に薄く形成されすぎていたり
していた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ＭＯＳトランジスタのゲート電極の電界集中緩和のため
のゲートエッジ部の丸め処理においては、ゲート電極を
構成する金属シリコン膜中のＳｉのみが消費されＷが過
剰となるため、この過剰なＷが下層の多結晶シリコン膜
中やゲート絶縁膜中に進入し、絶縁破壊を生じさせる原
因となる。また熱酸化膜の膜厚は、明確な指標なく適当
に決定されており、このため素子によっては必要以上に
熱酸化膜が厚く形成されてしまったり、逆に薄く形成さ
れすぎていたりしていた。

【００１１】本発明においては上記の問題点を鑑み、Ｗ
の拡散等の問題を生じずゲートエッジ部におけるゲート
絶縁膜の絶縁破壊に対し、十分な膜厚を持つ熱酸化膜の
形成方法と、熱酸化膜の形成する膜厚の最適化をゲート
電極の幅とゲート電極の膜厚より規定することを目的と
する。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明においては、従来
と同様にゲート電極として半導体基板上に多結晶シリコ
ン膜と金属シリコン膜を形成しこれをパターニングした
後、ゲート電極表面に熱酸化膜を形成する前に、ゲート
電極を窒素雰囲気中で熱処理する。これにより金属シリ
コン膜表面上に薄膜の窒化膜が形成され、この後行われ
る熱酸化膜の形成工程において、半導体基板表面と多結
晶シリコン膜表面の酸化する速度を低下させることなし
に、金属シリコン膜の酸化速度のみを低下させ、ゲート
エッジ部において十分な膜厚の熱酸化膜を形成するのと
同時に、Ｗの拡散を防ぎ、絶縁破壊を防ぐ。

【００１３】併せて多結晶シリコン膜や金属シリコン膜
の膜厚に対して耐圧を確保ための十分な熱酸化膜の膜厚
を規定し、これによりゲート電極の丸め処理を行い、絶
縁破壊に対して信頼性の高いゲート電極を製造する。

【００１４】

【作用】本発明によれば、ゲート電極表面の熱酸化膜に
よる丸め処理を行う前に、ゲート電極を窒素雰囲気中で
熱処理することにより、金属シリコン膜表面上に薄膜の
窒化膜を形成し、金属シリコン膜の酸化速度を低下さ
せ、Ｗの拡散を防ぐことにより絶縁破壊を防ぐことがで
きる。

【００１５】併せて多結晶シリコン膜や金属シリコン膜
の膜厚に対して耐圧を確保ための十分な熱酸化膜の膜厚
を規定し、これによりゲート電極の丸め処理を行うこと
により、絶縁破壊に対して信頼性の高いゲート電極を製
造ことができる。

【００１６】

【実施例】本発明の実施例におけるＭＯＳトランジスタ
のゲート電極の製造方法について以下、図面を参照して
説明する。まず図１（ａ）のように半導体基板１１を熱
酸化して、この表面に膜厚１００オングストロームのシ
リコン酸化膜１２を形成する。次にＬＰＣＶＤ法を用い
てシリコン酸化膜１２表面上に、Ｐを含む膜厚１５００
オングストロームの多結晶シリコン膜１３形成する。次
にスパッタ法により多結晶シリコン膜１３表面上に、Ｗ
とＳｉの化合物である膜厚２０００オングストロームの
金属シリサイド膜１４を形成する。

【００１７】続いて図１（ｂ）に示すように、フォトリ
ソグラフィ法により所定のゲート電極のパタ−ンのレジ
ストマスク２１を形成し、これをマスクとしてＲＩＥ法
によって、金属シリサイド膜１４と多結晶シリコン膜１
３、シリコン酸化膜１２を順にエッチングし、ゲート電
極２２を形成する。

【００１８】続いて図１（ｃ）に示すように、レジスト
マスク２１を除去した後、７５０℃〜８００℃の窒素雰
囲気中で数分間熱処理し、ゲート電極の金属シリコン膜
表面上に薄膜の窒化膜３１を形成する。次に先の工程で
行われたエッチングにより、ダメージを受けたゲートエ
ッジ部と半導体基板表面上に、再度熱酸化膜を形成し丸
め処理を行うために、８００℃〜９００℃の酸素雰囲気
中で数十分間熱処理を行い、多結晶シリコン膜１３表面
上に膜厚１５０オングストロームの熱酸化膜３２を形成
する。以上の工程により、本発明におけるゲート電極の
製造工程が終了する。この窒化膜と酸化膜の形成は、同
一の熱処理炉内において、窒素を流入させ窒化膜を形成
した後、酸素を流入させ酸化膜を形成してもよいし、別
の熱処理炉内においてそれぞれ形成してもよい。

【００１９】本発明においては、ゲート電極表面と半導
体基板表面に熱酸化膜を形成する前に、金属シリコン膜
表面上に窒化膜を形成する。これによりゲートエッジ部
や半導体基板表面上に電界集中を緩和するために熱酸化
膜を十分厚く形成し、丸め処理を行う場合でも、金属シ
リコン膜表面では薄膜の窒化膜が形成されているため
に、酸素雰囲気中においてＳｉとＯとの化合をある程度
まで防ぐことができる。よって従来問題となっていたＳ
ｉとＯの化合によるＷ等の金属の単独の拡散を防ぐこと
ができ、ゲート絶縁膜を保護することができ、絶縁破壊
に関する信頼性を向上させることができる。

【００２０】次に図２において、本発明の上記実施例に
より製造されたＭＯＳトランジスタと、従来の製造方法
により製造されたＭＯＳトランジスタの、ゲート電極の
幅を変化させた場合の絶縁破壊による不良の発生率を示
したものである。ここでゲート電極を構成する多結晶シ
リコン膜の膜厚は１５００オングストローム、金属シリ
コン膜の膜厚は２０００オングストロームとし、ゲート
電極の丸め処理において形成する熱酸化膜の膜厚は、多
結晶シリコン膜表面で１５０オングストロームとしゲー
ト電極の幅によらず一定とし、金属シリコン膜はＷとＳ
ｉの化合物である。

【００２１】これによれば従来の製造方法によるもので
は、ゲート絶縁膜の絶縁破壊はゲート電極の幅に依存し
ており、ゲート電極の幅が短くなるに従い不良率が指数
関数的に増加していることが分かる。これに対し本発明
によるものはゲート電極の幅が短くなっても不良率が変
化せず、本発明による効果がうかがえる。

【００２２】また本発明においては、熱酸化膜の形成す
る膜厚の最適化を、ゲート電極の幅とゲート電極の膜厚
より規定した。図３は金属シリコン膜の膜厚に対する、
ゲート絶縁膜の絶縁破壊に関する不良率を示したもので
ある。ここで金属シリサイド膜表面上に形成する熱酸化
膜の膜厚は１５０オングストローム、ゲート電極の幅は
０．４５μｍ、金属シリコン膜の下層の多結晶シリコン
膜の膜厚は、１５００オングストロームであり、金属シ
リコン膜はＷとＳｉの化合物である。これによれば、金
属シリコン膜の膜厚が薄くなるに従い不良率が増加して
いることが分かる。また金属シリコン膜の膜厚が厚いほ
ど不良率は減少し、ゲート絶縁膜の耐圧の低下を抑制で
きることが分かる。

【００２３】図４は多結晶シリコン膜の膜厚に対する、
ゲート絶縁膜の絶縁破壊に関する不良率を示したもので
あり、金属シリコン膜はＷとＳｉの化合物である。ここ
で金属シリサイド膜表面上に形成する熱酸化膜の膜厚
は、１４０オングストロームと１７０オングストローム
の場合を示し、ゲート電極の幅は０．４５μｍ、金属シ
リコン膜の膜厚は２０００オングストロームである。こ
れによれば、多結晶シリコン膜の膜厚が薄くなるに従い
不良率が増加していることが分かる。また多結晶シリコ
ン膜の膜厚が厚いほど不良率は減少し、ゲート絶縁膜の
耐圧の低下を抑制できることが分かる。さらにゲート電
極表面に形成する熱酸化膜の膜厚を薄くすることによ
り、不良率が減少していることが分かる。

【００２４】これらの結果より、ゲート電極の幅と金属
シリコン膜の膜厚が決まっている場合に、ゲート電極の
丸め処理において形成することが可能な、金属シリコン
膜表面上における熱酸化膜の膜厚を規定することができ
る。ここで金属シリコン膜の膜厚をＴｍ、ゲート電極の
幅をＬｇ、金属シリコン膜表面上での熱酸化膜の膜厚を
Ｔｏｘとした場合、 Ｔｏｘ≦Ｔｍ×Ｌｇ×１０^-4 となる。ここで金属シリコン膜は高融点金属とＳｉの化
合物である。この関係が成立する領域の金属シリコン膜
表面上の酸化膜の膜厚を形成することにより、絶縁破壊
に対する耐圧を向上させ、絶縁破壊に対する信頼性を向
上させることができる。

【００２５】以上のように、本発明においてはゲート電
極の丸め処理のための酸化膜を形成する前に、ゲート電
極を構成する金属シリコン膜を、窒素雰囲気中で熱処理
し薄膜の窒化膜を形成することにより、金属膜表面の酸
化を抑制することができ金属の拡散による絶縁破壊を防
ぐことができる。併せて上記に示した金属シリコン膜の
膜厚、ゲート電極の幅より熱酸化膜の膜厚を規定し、こ
れに基づいて熱酸化膜を形成することにより、さらに絶
縁破壊を防ぐことができ、電界効果型トランジスタの製
造工程における不良率の低減、またはその信頼性を向上
させることが可能となる。尚、上記実施例においては主
に金属シリコン膜としてＷとＳｉの化合物の例を示した
が、他の高融点金属、例えばチタン（Ｔｉ）やＷとＴｉ
の化合物についても適用できる。

【００２６】

【発明の効果】本発明よれば、ゲート電極の丸め処理の
ための酸化膜を形成する前に、ゲート電極を構成する金
属シリコン膜を、窒素雰囲気中で熱処理し薄膜の窒化膜
を形成することにより、金属膜表面の酸化を抑制するこ
とができ金属の拡散による絶縁破壊を防ぐことができ
る。併せて金属シリコン膜の膜厚、ゲート電極の幅より
熱酸化膜の膜厚を規定し、これに基づいて丸め処理にお
いて熱酸化膜を形成することにより、電界効果型トラン
ジスタの製造工程における不良率の低減、またはその信
頼性を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の製造工程を説明する断面図。

【図２】本発明の効果を示す説明図。

【図３】本発明の根拠を示す説明図。

【図４】本発明の根拠を示す説明図。

【図５】従来の製造方法を説明する断面図。

【符号の説明】

１１、１０１ 半導体基板 １２、３２、１０２、 シリコン酸化膜 １３、１０３ 多結晶シリコン膜 １４、１０４ 金属シリサイド膜 ２１、１１１ レジストマスク ２２、１１２ ゲート電極 ３１、１２１ 窒化膜

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、 この半導体基板表面上に形成された第一の絶縁膜と、 この第一の絶縁膜表面上に形成され、所定の形状に加工
   された導電膜と、 この導電膜表面上に形成され、前記導電膜と共に電極を
   構成する金属シリコン膜と、 少なくとも前記金属シリコン膜表面上に形成された窒化
   膜と、 少なくとも前記導電膜表面上に形成された熱酸化膜とを
   有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置において、 前記金属シリコン膜表面上の熱酸化膜の膜厚をＴｏｘ、
   金属シリコン膜の膜厚をＴｍ、前記所定の電極形状の幅
   をＬｇとした場合、 Ｔｏｘ≦Ｔｍ×Ｌｇ×１０^-4 の関係にあることを特徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の半導体装置にお
   いて、 前記金属シリコン膜は、ＷとＳｉの化合物であることを
   特徴とする半導体装置。
4. 【請求項４】 半導体基板表面上に形成された導電膜と
   金属シリコン膜を所定の形状にパターニングした後に、
   前記導電膜と前記金属シリコン膜の表面上に熱酸化膜を
   形成する工程を具備する半導体装置の製造方法におい
   て、 前記熱酸化膜を形成する工程に先だち、パターニングさ
   れた前記金属シリコン膜を窒素雰囲気中で熱処理するこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。