JPS63283166A - Gate electrode structure - Google Patents
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- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明はシリコンを用いたMOS(閘etal−Ox
ide−Semiconductor )型半導体素子
、特に51M0 S F E T (Field Ef
fect Transistor )のゲート電極構造
に関するものである。[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) This invention is a MOS (metal-Ox) using silicon.
ide-Semiconductor) type semiconductor devices, especially 51M0 SFET (Field Ef
The present invention relates to the gate electrode structure of the Fect Transistor.
(従来の技術)
従来かう、シリコンMOS電界効果トランジスタのゲー
ト電極として、リンドープド・ポリシリコン(以下、ポ
リシリコンゲートと称することもある。)が良く用いら
れている。一方、半導体装置の集積度はますます高まり
、これに伴ない、この装置に備わるFETのゲート電極
の配線幅はますます微細に、かつ、その配線長はますま
す長いものになってきている。このような状況においで
は、ポリシリコンゲートの高い抵抗値に起因する信号の
遅延が問題となり、従って、より抵抗の低いゲート電極
配線金属が求められている。(Prior Art) Phosphorus-doped polysilicon (hereinafter sometimes referred to as polysilicon gate) has been commonly used as a gate electrode of a silicon MOS field effect transistor. On the other hand, the degree of integration of semiconductor devices is increasing more and more, and along with this, the wiring width of the gate electrode of the FET provided in this device is becoming increasingly finer and the wiring length is becoming longer and longer. In such a situation, signal delay due to the high resistance value of the polysilicon gate becomes a problem, and therefore a gate electrode wiring metal with lower resistance is required.
ポリシリコンより低抵抗なゲート電極であって然もこれ
を用いて構成されたシリコシMOSFETの電気的特牲
がポリシリコンゲートを有するEETのそれと同等であ
り、かつ、その製造プロセスがポリシリコンゲートのも
のと互換性のあるゲート電極として、高融点金属シリサ
イドをポリシリコン上に積層した高融点金属ポリサイド
ゲート電極が提案され一部実用化されている。Although the gate electrode has a lower resistance than polysilicon, the electrical characteristics of silicon MOSFETs constructed using this are equivalent to those of EETs with polysilicon gates, and the manufacturing process is similar to that of polysilicon gates. A high melting point metal polycide gate electrode, in which a high melting point metal silicide is laminated on polysilicon, has been proposed as a gate electrode compatible with the above-mentioned polysilicon, and some have been put into practical use.
第2図は、上述のような高融点金属ポリサイドゲート電
極の一種であるTi(チタン)ポリサイドゲート電極の
構造を概略的に示す断面図である。第2図において、1
1はTiシリサイド(TiS i x )層、13はポ
リシリコン層、15はゲート結縛膜、17はn十拡散層
、19はフィールド酸化膜、21はシリコン基板をそれ
ぞれ示す。FIG. 2 is a sectional view schematically showing the structure of a Ti (titanium) polycide gate electrode, which is a type of high melting point metal polycide gate electrode as described above. In Figure 2, 1
1 is a Ti silicide (TiS i x ) layer, 13 is a polysilicon layer, 15 is a gate binding film, 17 is an n+ diffusion layer, 19 is a field oxide film, and 21 is a silicon substrate.
このT1ポリサイドゲート電極は、高融点金属ポリサイ
ドゲート電極の中でも、最小の抵抗率を示すものであり
実用化か期待されでいるか、反面、例えば拡散層+71
8:形成するために行なうイオン注入後のアニール工程
等のようなシリコンMOSFET製造工程中で59行な
われる熱処理によって不具合が生じるというように、そ
の耐熱性に問題があった。このようなTiシリサイドの
耐熱性についで調査した結果は例えば文献(ジャーナル
・エレクトロケミカル・ンサエティ(J。This T1 polycide gate electrode exhibits the lowest resistivity among high-melting point metal polycide gate electrodes, and is expected to be put into practical use.
8: There was a problem with its heat resistance, as problems were caused by heat treatment performed during the silicon MOSFET manufacturing process, such as an annealing process after ion implantation. The results of a subsequent investigation into the heat resistance of Ti silicide can be found in, for example, the literature (Journal Electrochemical Science (J.
Electrochemical 5ociety)
133 [12] P、2621〜2625)に開示さ
れている。Electrochemical 5ociety)
133 [12] P, 2621-2625).
T1ポリサイドゲート電極を有するシリコンMOSFE
Tは次の如き製造プロセスで形成される。P型シリコン
基板21ヲ選択酸化して分離用酸化膜(フィールド酸化
膜)19を形成後、熱酸化によって約20OAのシリコ
ン酸化膜(ゲート結縛膜)15ヲ形成する。次に、この
シリコン酸化膜15を含む基板上に、CVD法を用い、
ポリシリコン層を2500〜3000A程度の膜厚に形
成する0次に、このポリシリコン層に対し熱拡散によっ
てp(lノン)をドープしてこの層%n+ポリシリコン
層とする0次に、このポリシリコン層上に、好適な方法
によって、Ti層を約50OAの膜厚に形成し、不活性
ガス雰囲気中にで600〜900℃の温度で30分間程
度の熱処理を行ないTiと、Siとを反応させて、Ti
5iz層を形成する9次に、フォトリソグラフィ技術及
びドライエツチング技術を用い、TiSi2層及びn÷
ポリシリコン層をゲート電極形状に加工しT1ポリサイ
ド電極構造を得る(第2図中、11及び13て示す部分
、)。Silicon MOSFE with T1 polycide gate electrode
T is formed by the following manufacturing process. After selectively oxidizing the P-type silicon substrate 21 to form an isolation oxide film (field oxide film) 19, a silicon oxide film (gate binding film) 15 of about 20 OA is formed by thermal oxidation. Next, on the substrate including this silicon oxide film 15, using the CVD method,
A polysilicon layer is formed to a thickness of about 2500 to 3000 A. Next, this polysilicon layer is doped with p(l-non) by thermal diffusion to make this layer%n+ polysilicon layer. A Ti layer with a thickness of about 50 OA is formed on the polysilicon layer by a suitable method, and heat treatment is performed at a temperature of 600 to 900°C for about 30 minutes in an inert gas atmosphere to separate Ti and Si. React, Ti
Next, photolithography and dry etching techniques were used to form the TiSi2 layer and the n÷
The polysilicon layer is processed into a gate electrode shape to obtain a T1 polycide electrode structure (portions 11 and 13 in FIG. 2).
次に、イオン注入法によってAs(砒素)をシリコン基
板の所定部分に注入しn+拡散層を形成してソース・ト
レイン領土或17を得る。Next, As (arsenic) is implanted into a predetermined portion of the silicon substrate by ion implantation to form an n+ diffusion layer to obtain a source train region 17.
上述した文献では、上述した製造プロセスのうちのソー
ス・トレイン領域の形成を行なう前までのプロセスと同
様なプロセスによってシリコンMOSキャパシターを作
製し、このキャパシターのリーク電流をこのキャパシタ
ーに対する熱処理温度を変えて測定している。その測定
結果によれば、熱処理温度が800〜900 ’Cでリ
ーク電流が増加しでいる。そして、リーク電流が増加す
る原因は、Tiシリサイド層内のTiが熱処理によって
下地のポリシリコン層を通過しざらに下層の酸化膜を破
壊して、このキャパシターをショート状態にするためと
している。In the above-mentioned literature, a silicon MOS capacitor is manufactured by a process similar to the process up to the formation of the source train region in the above-mentioned manufacturing process, and the leakage current of this capacitor is reduced by changing the heat treatment temperature for this capacitor. Measuring. According to the measurement results, the leakage current increases when the heat treatment temperature is 800 to 900'C. The reason for the increase in leakage current is that Ti in the Ti silicide layer passes through the underlying polysilicon layer due to heat treatment, destroys the underlying oxide film, and short-circuits the capacitor.
又、第2図に示したシリコンMOSFETは以下に述べ
るような製造プロセスでも得ることが出来る。Further, the silicon MOSFET shown in FIG. 2 can also be obtained by the manufacturing process described below.
酸化膜+9.+5及びリンドープドポリシリコン層13
ヲ形成した後のTiポリサイド形成を、TlSix合金
ターゲットそ用いてのスパッタ、T1及びSiの各ター
ゲットを用いての同時スパッタ、又は電子ビーム蒸着法
等の好適な方法を用いで行なうようにする方法である。Oxide film +9. +5 and phosphorus doped polysilicon layer 13
A method in which Ti polycide formation after forming 2 is performed by sputtering using a TlSix alloy target, simultaneous sputtering using each target of T1 and Si, or using a suitable method such as electron beam evaporation method. It is.
このような方法によれば、前述した方法とは異なり、ポ
リシリコン層と、TiSix層との反応を低減すること
が出来る。しかしなから、この出願に係る発明者の実験
によれば、このようにしで形成したMOSFETであっ
てもこれに対し不活性雰囲気中で900℃以上の温度で
熱処理すると、ゲート電極とシリコン基板との間のリー
ク電流が増加し、MOSFETとして使用出来なくなる
ことか分った。ざらに、このMOS F E Tに対し
酸化雰囲気中で熱処理を行なうと、上述したと同様な温
度での熱処理においで不活゛i雰囲気中でのリーク電流
増加より激しいリーク電流の増加が認められた。According to such a method, unlike the method described above, it is possible to reduce the reaction between the polysilicon layer and the TiSix layer. However, according to experiments conducted by the inventor of this application, even if a MOSFET is formed in this way, if it is heat-treated at a temperature of 900°C or higher in an inert atmosphere, the gate electrode and silicon substrate will be separated. It was found that the leakage current between the two increased, making it impossible to use it as a MOSFET. Roughly speaking, when this MOS FET is heat-treated in an oxidizing atmosphere, a more severe increase in leakage current is observed than the increase in leakage current in an inert atmosphere when heat-treated at the same temperature as mentioned above. Ta.
ところで、Tiシリサイドの耐熱゛iの問題によってリ
ーク電流か増加しゲート耐圧を劣化させでしまうことを
防止する方法としては、例えば特開昭61−10585
6号公報に開示されているものかある。第3図はこの公
報に開示されでいる方法を具体的に示すゲート電極構造
である。この方法は、ポリシリコン層13と、T i
S I X層11との間にT1の拡散防止層としてのシ
リコン層23を設けたことを特徴としている。このシリ
コン層23はスパッタ法を用いで形成されていて、この
シリコン層23上にスパッタ法でTiSix層11が層
成1れでいる。この公報によれば、シリコン層t400
〜600Aの膜厚で形成することによって、ゲート耐圧
の劣化か防げるとしている。しかし、この出願に係る発
明者の復述するような実験によれば、ポリシリコン層と
、Tiシリサイド層との間にシリコン層上介在させた第
3図に示すような構造をとった場合であっても、不活性
雰囲気での熱処理によって、及び酸化雰囲気中での熱処
理によってゲート耐圧が劣化することが確認された。By the way, as a method for preventing the increase in leakage current and deterioration of gate breakdown voltage due to the problem of heat resistance ゛i of Ti silicide, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 61-10585
Some of them are disclosed in Publication No. 6. FIG. 3 shows a gate electrode structure specifically showing the method disclosed in this publication. This method consists of polysilicon layer 13 and T i
A feature is that a silicon layer 23 is provided between the SIX layer 11 and the silicon layer 23 as a diffusion prevention layer of T1. This silicon layer 23 is formed using a sputtering method, and a TiSix layer 11 is deposited on this silicon layer 23 using a sputtering method. According to this publication, the silicon layer t400
It is said that by forming the film with a thickness of ~600A, deterioration of gate breakdown voltage can be prevented. However, according to experiments as described by the inventor of this application, when a structure as shown in FIG. 3 is used in which a polysilicon layer and a Ti silicide layer are interposed on a silicon layer, However, it was confirmed that the gate breakdown voltage deteriorates due to heat treatment in an inert atmosphere and heat treatment in an oxidizing atmosphere.
この実験方法及び実験結果につき簡単に説明する。This experimental method and experimental results will be briefly explained.
比抵抗が4ΩcmのP型Si基板を熱酸化し300Aの
酸化膜を形成した後、CVD法によって膜厚1700人
のポリシリコン層をこのSi基板上に形成した。このポ
リシリコン層に対し、POCff3を用いP(リン)ド
ープを行ないこの層のリン濃度を1 x 1020c
m−3とした。このようなウェハを多数用意する。次に
、スパッタ法を用い、これらウェハのリンドープしたポ
リシリコン層上ニジ’) :] ン/I li 011
00,300.600Aにそれぞれ形成しシリコン層の
膜厚が異なる複数の試料ウェハを形成する。その後、同
一のスパッタ装at用い各試料ウェハのシリコン層上に
TiSix (x=2.5)層!250OAの膜厚で
それぞれ形成した。次に、これら試料ウェハに10mm
2の電極面積を有するキャパシター(MOSキャパシタ
ー)を多数個それぞれ形成した。A P-type Si substrate with a specific resistance of 4 Ωcm was thermally oxidized to form an oxide film of 300 A, and then a polysilicon layer with a thickness of 1700 Å was formed on this Si substrate by the CVD method. This polysilicon layer is doped with P (phosphorus) using POCff3, and the phosphorus concentration of this layer is 1 x 1020c.
It was set as m-3. A large number of such wafers are prepared. Next, using a sputtering method, the phosphorus-doped polysilicon layer of these wafers is sputtered.
00, 300, and 600 A, respectively, to form a plurality of sample wafers having different silicon layer thicknesses. Thereafter, a TiSix (x=2.5) layer was placed on the silicon layer of each sample wafer using the same sputtering equipment. Each film was formed with a film thickness of 250 OA. Next, these sample wafers were
A large number of capacitors (MOS capacitors) each having an electrode area of 2 were formed.
次に、各試料ウェハを、処理雰囲気をAr(アルゴン)
又は02 (酸素)雰囲気とし、処理温厚!800,8
50,900,950. 又は1000℃とし、かつ、
処理時間IFi、60分とした各熱処理条件に割当てて
それぞれ熱処理を行なった。Next, each sample wafer was processed in an Ar (argon) atmosphere.
Or 02 (oxygen) atmosphere and mild treatment! 800,8
50,900,950. or 1000℃, and
The heat treatment was performed by assigning each heat treatment condition to a treatment time IFi of 60 minutes.
熱処理の済んだ各試料ウェハの50個づつのMOSキャ
パシターのゲート耐圧をそれぞれ測定し、その平均値を
ゲート耐圧とした。The gate breakdown voltage of 50 MOS capacitors of each heat-treated sample wafer was measured, and the average value was taken as the gate breakdown voltage.
この実験の結果は以下の通りであった。The results of this experiment were as follows.
800℃の温度でかつAr雰囲気で行なった熱処理では
、シリコン層の膜厚によらずゲート耐圧は7.5MV/
cm程度であった。しかし、熱処理の温1t900”c
以上とした場合では、Ar及び02雰囲気共にシリコン
層の膜厚にかかわらす、ゲート耐圧は、800℃の温度
でかつAr雰囲気での熱処理後のものの]/2〜1/6
程度になり、ゲート耐圧の劣化を防止することが出来な
かった。但し、シリコン層の膜厚が厚いもの程ゲート耐
圧の劣化は緩やかであり、又、02雰囲気での熱処理後
の方がAr雰囲気の熱処理後より劣化の程度は激しいこ
とが認められた。In heat treatment performed at a temperature of 800°C in an Ar atmosphere, the gate breakdown voltage was 7.5 MV/cm regardless of the thickness of the silicon layer.
It was about cm. However, the temperature of heat treatment is 1t900"c
In the above case, the gate breakdown voltage after heat treatment at a temperature of 800°C and in an Ar atmosphere is /2 to 1/6, regardless of the thickness of the silicon layer in both Ar and 02 atmospheres.
Therefore, it was not possible to prevent the gate breakdown voltage from deteriorating. However, it was found that the thicker the silicon layer, the slower the deterioration of the gate withstand voltage, and the degree of deterioration was more severe after heat treatment in an 02 atmosphere than after heat treatment in an Ar atmosphere.
(発明が解決しようとする問題点)
このように、T1ポリサイド形成を、TiSix合金タ
ーゲットを用いてのスパッタ、Ti及びSlの各タゲッ
トを用いての同時スパッタ、又は電子ビーム蒸着法等で
行なって得たゲート電極であっても、又、ポリシリコン
層と、Ti5IX層との間にシリコン層を設けるように
して構成したゲート電極であっても、従来の高融点金属
ポリサイドゲート電極は、不活性ガス雰囲気又は酸化雰
囲気で高温度で熱処理するとゲート電極及び基板間のリ
ーク電流が増加する、つまりゲート耐圧か劣化してしま
うという問題点があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, T1 polycide formation is performed by sputtering using a TiSix alloy target, simultaneous sputtering using Ti and Sl targets, or electron beam evaporation. Regardless of whether it is a gate electrode obtained by using a polycide film or a gate electrode constructed by providing a silicon layer between a polysilicon layer and a Ti5IX layer, conventional high-melting point metal polycide gate electrodes are defective. When heat treatment is performed at high temperatures in an active gas atmosphere or an oxidizing atmosphere, there is a problem in that leakage current between the gate electrode and the substrate increases, that is, gate breakdown voltage deteriorates.
このような問題点が生じる原因を推定すれば、次のよう
なことが考えられる。If we estimate the causes of such problems, we can think of the following.
第2図に示したような従来のゲート電極構造においてゲ
ート耐圧が劣化する原因は、熱処理によってTiシリサ
イド中のTiがポリシリコン中を拡散しゲート酸化膜に
まで達し、この酸化膜を還元し酸化膜が絶縁膜として機
能しなくなるためであり、これによって、ゲート電極及
び基板間か短絡されてしまうことになる。The reason why the gate breakdown voltage deteriorates in the conventional gate electrode structure shown in Figure 2 is that Ti in the Ti silicide diffuses into the polysilicon due to heat treatment and reaches the gate oxide film, reducing this oxide film and causing oxidation. This is because the film no longer functions as an insulating film, resulting in a short circuit between the gate electrode and the substrate.
又、第3図を用いて説明した特開昭61105856号
公報に開示されゲート電極構造のように、Tiシリサイ
ド層からのTiの拡散を防止するためのシリコン層から
成る拡散防止層を設けたゲート電極構造の場合、シリコ
ン層がアモルファス層である間においては、このシリコ
ン層がT1の拡散を阻止する層として働くが、このシリ
コン層が熱処理によって結晶化すると共にその粒界を通
してのTi拡散が生じることになり結果的にゲート耐圧
劣化が生じる。Furthermore, as in the gate electrode structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 61105856 described with reference to FIG. In the case of an electrode structure, while the silicon layer is an amorphous layer, this silicon layer acts as a layer to prevent the diffusion of T1, but when this silicon layer is crystallized by heat treatment, Ti diffusion occurs through its grain boundaries. As a result, the gate breakdown voltage deteriorates.
従って、従来の構造の高融点金属ポリサイドゲートは、
熱処理工程を多く含む従来の半導体装置製造工程に適用
することは出来なかった。Therefore, the conventional structure of high melting point metal polycide gate is
This method could not be applied to conventional semiconductor device manufacturing processes that include many heat treatment steps.
この発明の目的は、上述した問題点を解決し、低比抵抗
のゲート電極であって、然も、半導体装1の製造工程の
高温熱処理を受けてもゲート耐圧特性の劣化が生じるよ
うなことのない信!I粧の高いゲート電極構造を提供す
ることにある。An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a gate electrode with low resistivity, which does not cause deterioration of gate breakdown voltage characteristics even after being subjected to high-temperature heat treatment in the manufacturing process of semiconductor device 1. No faith! The object of the present invention is to provide a gate electrode structure with high I-coupling.
(問題点を解決するための手段)
この目的の達成を図るため、この発明によれば、シリコ
ンMOS半導体素子のゲート電極構造においで、当該ゲ
ート電極は、シリコン酸化膜上に形成されたポリシリコ
ン層と、このポリシリコン層上に形成されたアモルファ
スカーボン層と、このアモルファスカーボン層上に形成
された高融点金属層又は高融点金属シリサイド層とを具
えることを特徴とする。(Means for Solving the Problems) In order to achieve this object, according to the present invention, in the gate electrode structure of a silicon MOS semiconductor device, the gate electrode is made of polysilicon formed on a silicon oxide film. an amorphous carbon layer formed on this polysilicon layer, and a high melting point metal layer or a high melting point metal silicide layer formed on this amorphous carbon layer.
(作用)
この発明のゲート電極構造によれば、ポリシリコン層と
、高融点金属層又は高融点金属シリサイド層との間にア
モルファスカーボン層を有しでいる。(Function) According to the gate electrode structure of the present invention, an amorphous carbon layer is provided between the polysilicon layer and the high melting point metal layer or the high melting point metal silicide layer.
アモルファスカーボン膜はそれの結晶化(黒鉛化)温度
が1000’C以上の高温(無機化学全書X −2P、
252 (1965年丸善株式会社)であるため、通常
のVLSI製造プロセス中で行なわれる熱処理温度(1
000℃以下の温度)では結晶化しない、又、アモルフ
ァスカーボンと、例えばTiのような高融点金属又はS
iとの反応塩度は非常に高いことが知られているから、
上述したような製造ブOセス中の熱処理工程の温度程度
ではTiC,SiC等のような化合物は生成されないと
考えられる。従って、高融点金属層又は高融点金属シリ
サイド層と、アモルファスカーボン層との界面、及びポ
リシリコン層と、アモルファスカーボン層との界面は共
に化学的に安定であると考えられる。このため、Tiは
アモルファスカーボン層で阻止されこの層より下層に拡
散することが出来なくなる。The amorphous carbon film has a crystallization (graphitization) temperature of 1000'C or higher (Inorganic Chemistry Complete Book X-2P,
252 (Maruzen Co., Ltd., 1965), the heat treatment temperature (1
000℃ or less), and amorphous carbon and a high melting point metal such as Ti or S
Since the reaction salinity with i is known to be very high,
It is considered that compounds such as TiC, SiC, etc. are not generated at the temperature of the heat treatment step during the manufacturing process as described above. Therefore, both the interface between the high melting point metal layer or the high melting point metal silicide layer and the amorphous carbon layer, and the interface between the polysilicon layer and the amorphous carbon layer are considered to be chemically stable. Therefore, Ti is blocked by the amorphous carbon layer and cannot diffuse into layers below this layer.
(実施例)
以下、第1図を嵜照してこの発明のゲート電極構造の実
施例につき説明する。第1図はこの発明のゲート電極構
造を有するシリコンMOSF E Tを概略的に示した
断面図である。尚、この図はこの発明が理解出来る程度
に概略的に示しであるにすぎず、従って、この発明が図
示例のみに限定されるものでないことは理解されたい。(Example) Hereinafter, an example of the gate electrode structure of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a sectional view schematically showing a silicon MOSFET having the gate electrode structure of the present invention. It should be noted that this figure is merely a schematic representation to facilitate understanding of the present invention, and therefore, it should be understood that the present invention is not limited to the illustrated example.
グニΣ!皇贋】
この発明のゲート電極構造は、シリコン酸化膜上41に
形成されたポリシリコン層43と、このポリシリコン層
43上に形成されたアモルファスカーボン層45と、こ
のアモルファスカーボン層45上に形成された高融点金
属層又は高融点金属シリサイド層の上層49とを具えた
構造になっている。Guni Σ! The gate electrode structure of the present invention includes a polysilicon layer 43 formed on a silicon oxide film 41, an amorphous carbon layer 45 formed on this polysilicon layer 43, and a polysilicon layer 45 formed on this amorphous carbon layer 45. The structure includes an upper layer 49 of a high melting point metal layer or a high melting point metal silicide layer.
このような構造において、ポリシリコン層43の導電型
はMOSFETのチャンネルがnかpかに応じ好適な導
電型とすることが出来る。又、アモルファスカーボン層
47の導電型については、ポリシリコン層43がp+で
ある場合にはp型というように、ポリシリコン層43の
導電型に合わせで変更するのが好適である。In such a structure, the conductivity type of the polysilicon layer 43 can be set to a suitable conductivity type depending on whether the channel of the MOSFET is n or p. Further, the conductivity type of the amorphous carbon layer 47 is preferably changed according to the conductivity type of the polysilicon layer 43, such as p type when the polysilicon layer 43 is p+.
又、この発明のゲート電極構造は、ポリシリコン層上に
高融点金属又は高融点金属シリサイドを直接積層した場
合に熱処理によって生ずる不具合を解決するためになさ
れている。従って、第1図に示した上層49をTiシリ
サイド層とした場合は勿論のこと、シリサイドと接する
ポリシリコン層の層厚が薄い場合に酸化処理によってゲ
ート耐圧劣化の生ずることが知られているW(タングス
テン)シリサイド、Mo(モリブケン)シリサイド、Z
r(ジルコニウム)シリサイド、Go(コバルト)シリ
サイド等とした場合にもアモルファスカーボン層は各金
属元素の拡散防止層として有効に働く、さらに、上層4
9!T i、W、Mo、Zr又はCo等の高融点金属層
とした場合であっても、アモルファスカーボン層45が
ポリシリコン43及び高融点金属層49間に生じるシワ
サイド化反応を阻止する層として有効に働く。Further, the gate electrode structure of the present invention is designed to solve the problems caused by heat treatment when a refractory metal or a refractory metal silicide is directly laminated on a polysilicon layer. Therefore, it is known that the gate breakdown voltage deteriorates due to oxidation treatment not only when the upper layer 49 shown in FIG. 1 is a Ti silicide layer but also when the polysilicon layer in contact with the silicide is thin. (tungsten) silicide, Mo (molybuken) silicide, Z
Even when using r (zirconium) silicide, Go (cobalt) silicide, etc., the amorphous carbon layer effectively acts as a diffusion prevention layer for each metal element.
9! Even when a high melting point metal layer such as Ti, W, Mo, Zr, or Co is used, the amorphous carbon layer 45 is effective as a layer for blocking the wrinkling reaction that occurs between the polysilicon 43 and the high melting point metal layer 49. to work.
ゲート電極の制゛告 法
以下、この発明のゲート電極構造の理解を深めるため、
第1図に示したシリコンMO8FETの製造方法の一例
につき上層49ヲ高融点金属シソサイトの一種のTiシ
リサイドした例で説明する。Gate electrode restraint method Below, in order to deepen the understanding of the gate electrode structure of this invention,
An example of the manufacturing method of the silicon MO8FET shown in FIG. 1 will be explained using an example in which the upper layer 49 is a kind of Ti silicide of high melting point metal sisosite.
例えばp型シリコン基板31を用意する。このシリコン
基板31を選択酸化して分離用酸化膜(フィールド酸化
膜)33そ形成復、熱酸化によって所定の膜厚例えば1
00〜200Aのシリコン酸化膜(ゲート絶縁膜)41
を形成する0次に、このシリコン酸化膜41を含む基板
31上に、減圧CVD法を用い、膜厚が300〜200
0Aのポリシリコン層を形成し、その後、このポリシリ
コン層に対しPOCl2を用いた熱拡散によってP(リ
ン)をその濃度が2×1020/Cm3程度になるよう
にドープしてこの層をn+ポリシリコン層とする0次に
、プラズマCVD法によって、PH3及びC2H2を原
料ガスとしてリンドープアモルファスカーボン層を膜厚
が10〜1000Aになるように形成する。尚、このア
モルファスカーボン層の形成方法はこの例に限定される
ものではな(1,この例と同様にCVD法を用いる場合
であれば、原料ガスは炭素と水素とを含んでいる他の好
適なものや、炭素と水素とを含む以外にフッ素や塩素を
含んでいる好適なガスであっても良い。For example, a p-type silicon substrate 31 is prepared. This silicon substrate 31 is selectively oxidized to form an isolation oxide film (field oxide film) 33, and thermally oxidized to a predetermined film thickness, e.g.
00-200A silicon oxide film (gate insulating film) 41
Next, on the substrate 31 including this silicon oxide film 41, a film with a thickness of 300 to 200
A 0A polysilicon layer is formed, and then this polysilicon layer is doped with P (phosphorus) by thermal diffusion using POCl2 to a concentration of about 2 x 1020/Cm3, and this layer is made of n+ polysilicon. Next, a phosphorus-doped amorphous carbon layer is formed to have a thickness of 10 to 1000 Å using PH3 and C2H2 as raw material gases by plasma CVD as a silicon layer. Note that the method for forming this amorphous carbon layer is not limited to this example (1. If the CVD method is used similarly to this example, the raw material gas may be any other suitable method containing carbon and hydrogen. It may also be a suitable gas containing fluorine or chlorine in addition to carbon and hydrogen.
又、プラズマCVD法によらずスパッタ法或は電子ビー
ム蒸着法を用いることも出来る。Furthermore, instead of the plasma CVD method, a sputtering method or an electron beam evaporation method can also be used.
次に、T1と81との合金ターゲットを用いてスパッタ
法によって高融点金属シリサイド層としてのTiSix
(x=2.0〜3.0)層を膜厚が数100〜数1
000Aになるように形成する。Next, TiSix was formed as a high melting point metal silicide layer by sputtering using an alloy target of T1 and 81.
(x=2.0~3.0) The film thickness of the layer is several 100 to several 1
000A.
次に、フォトリソグラフィ技術によって所定形状のレジ
ストパターンを形成し、残存するレジスト部分をマスク
とし、CF aと02との混合ガスを用いたドライエツ
チング技術によって、TiS I X層、アモルファス
カーボン層及びポリシリコン層をゲート電極形状に加工
し、この発明のゲート電極構造を得る(第1図中、41
〜49で示す部分。)。Next, a resist pattern with a predetermined shape is formed using photolithography, and using the remaining resist portion as a mask, the TiS I The silicon layer is processed into a gate electrode shape to obtain the gate electrode structure of the present invention (indicated by 41 in FIG. 1).
~The part indicated by 49. ).
次に、このゲート電極をマスクとしてイオン注入法によ
ってAs(砒素)をシリコン基板の所定部分に注入しソ
ース及びトレイン領域になるn+拡散層51を形成する
0次に、このような工程を経た基板に対し、電気炉を用
い不活性ガス雰囲気中で800〜1000″Cの温度で
約1時間熱処理を行なう。この熱処理によって、Asド
ープ領域51のAsが活′注化されn+ドープドシリコ
ンになつ、又、Tiシリサイド層49は結晶化し比抵抗
が約20uΩcmという低い値を示す層になる。Next, using this gate electrode as a mask, As (arsenic) is implanted into a predetermined portion of the silicon substrate by ion implantation to form an n+ diffusion layer 51 that will become a source and train region. Then, heat treatment is performed for about 1 hour at a temperature of 800 to 1000"C in an inert gas atmosphere using an electric furnace. Through this heat treatment, As in the As-doped region 51 is activated and becomes n+ doped silicon. Furthermore, the Ti silicide layer 49 is crystallized and becomes a layer exhibiting a low specific resistance of about 20 uΩcm.
尚、この発明のゲート電極構造においで、アモルファス
カーボン層45の膜厚tioOAとし、ゲート長%1u
mゲート配線長を1cmとし、Tiシリサイド層49の
膜厚%3000Aこれの抵抗率を20μΩcmとすると
、このゲート電極の配線抵抗は6.7にΩという値にな
るのに対し、T1シリサイドとポリシリコンと間のアモ
ルファスカーボン層の抵抗は0.]Ωでありこのアモル
ファスカーボン層が介在することによる抵抗増加は通常
のVLSIでは無視できることが分る。In the gate electrode structure of the present invention, the film thickness of the amorphous carbon layer 45 is tioOA, and the gate length is %1u.
Assuming that the m gate wiring length is 1 cm and the resistivity of the Ti silicide layer 49 is 3000 A and its resistivity is 20 μΩcm, the wiring resistance of this gate electrode is 6.7Ω, whereas the T1 silicide and poly The resistance of the amorphous carbon layer between silicon and silicon is 0. ]Ω, and it can be seen that the increase in resistance due to the presence of this amorphous carbon layer can be ignored in normal VLSI.
このように、この発明のゲート電極構造によれば、ポリ
シリコン層43と、高融点金属層又は高融点金属シリサ
イド層49との間にアモルファスカーボン層45ヲ具え
でいるため、VLSI製造プロセスにおける上述したよ
うな熱処理を受けてもゲート耐圧劣化が生じないという
効果が得られる。As described above, according to the gate electrode structure of the present invention, since the amorphous carbon layer 45 is provided between the polysilicon layer 43 and the high melting point metal layer or the high melting point metal silicide layer 49, the above-mentioned problems in the VLSI manufacturing process can be avoided. The advantage is that the gate breakdown voltage does not deteriorate even when subjected to such heat treatment.
夫扶更】
この発明の効果を確認するため、以下に説明するような
実験を行なった。In order to confirm the effects of this invention, experiments as described below were conducted.
ゲート酸化膜の膜厚を30OAとした複数の試料ウェハ
を用意した。この試料ウェハ上にポリシリコンをその膜
厚が170OAになるように形成した0次に、これら試
料ウェハのポリシリコン層に対しリンを1 x 102
0c m−3の濃度でドープした0次に、これら試料ウ
ェハを第一〜第三の3つのグループにそれぞれ分け、C
2H2にPz3!流量比で1%混合したものを原料ガス
としてプラズマCVD法で、第一グループのウェハのポ
リシリコン上に100Aの膜厚のアモルファスカーボン
層を、第ニゲループのウェハのポリシリコン上に30O
Aの膜厚のモルフアスカ−ボン層を、第三グループのウ
ェハのポリシリコン上に60OAの膜厚のアモルファス
カーボン層をそれぞれ形成した0次に、第一、第二及び
第三グループの全試料ウェハのアモルファスカーボン層
上に、T1と81との合金ターゲットを用いたスパッタ
法によってTiSix (x=2.5)を250OAの
膜厚に形成した。然る後、フォトエツチング技術及びド
ライエツチング法を用い、電極面積が10mm2のゲー
ト電極を形成してMOSキャパシターとした。A plurality of sample wafers with gate oxide films having a thickness of 30 OA were prepared. Polysilicon was formed on these sample wafers to a film thickness of 170 OA. Next, phosphorus was added to the polysilicon layer of these sample wafers at 1 x 102
These sample wafers doped at a concentration of 0 cm-3 were then divided into three groups, first to third, and
Pz3 in 2H2! An amorphous carbon layer with a thickness of 100A was formed on the polysilicon of the wafers of the first group, and an amorphous carbon layer of 30A was formed on the polysilicon of the wafers of the second group by plasma CVD using a mixture of 1% in flow rate ratio as a raw material gas.
All sample wafers in the first, second and third groups TiSix (x=2.5) was formed to a thickness of 250 OA on the amorphous carbon layer by sputtering using an alloy target of T1 and 81. Thereafter, a gate electrode having an electrode area of 10 mm2 was formed using a photoetching technique and a dry etching method to form a MOS capacitor.
このようにして得たM’OSキャパシターのゲート耐圧
をそれぞれ測定した後、これらキャパシターに対し95
0℃の温度でAr雰囲気で60分間熱処理した0次に、
熱処理後のキャパシタのゲート耐圧をそれぞれ測定した
。熱処理前後でのゲート耐圧を比較したところ、各水準
共にゲート耐圧の劣化は認められなかった。このことか
ら、この発明のゲート電極構造によれば、VLSI製造
プロセス中で行なわれるであろう熱処理によってはゲー
ト耐圧の劣化はみられないことか分かる。After measuring the gate breakdown voltage of each of the M'OS capacitors obtained in this way,
The 0th order was heat treated for 60 minutes in an Ar atmosphere at a temperature of 0°C.
The gate breakdown voltage of each capacitor after heat treatment was measured. When comparing the gate breakdown voltage before and after heat treatment, no deterioration in gate breakdown voltage was observed at each level. From this, it can be seen that according to the gate electrode structure of the present invention, there is no deterioration in gate breakdown voltage due to heat treatment that may be performed during the VLSI manufacturing process.
(発明の効果)
上述した説明からも明らかなように、この発明によれば
、ドープドポリシリコン層と、高融点金属層又は高融点
金属シリサイド層との積層構造を有するシリコンMO8
FETのゲート電極構造において、ドープドポリシリコ
ン層と、高融点金属層又は高融点金属シリサイド層との
間にアモルファスカーボン層を設けている。従って、高
温での熱処理を行なっても、高融点金属又は高融点金属
シリサイドと、ドープドポリシリコンとの反応、及び高
融点金属又は高融点金属シリサイドに含まれる金属元素
のポリシリコン層中への拡散を阻止することが出来るよ
うになる。又、従来のポリシリコンゲートに比し低抵抗
でありながら、ポリシリコンゲートのスレッシュホール
ド電圧と同しスレッシュホールド電圧を有するゲート電
極が得られる。(Effects of the Invention) As is clear from the above description, according to the present invention, silicon MO8 having a laminated structure of a doped polysilicon layer and a high melting point metal layer or a high melting point metal silicide layer.
In the gate electrode structure of an FET, an amorphous carbon layer is provided between a doped polysilicon layer and a high melting point metal layer or a high melting point metal silicide layer. Therefore, even if heat treatment is performed at a high temperature, there will be a reaction between the refractory metal or refractory metal silicide and doped polysilicon, and a reaction of the metal element contained in the refractory metal or refractory metal silicide into the polysilicon layer. It will be possible to stop the spread. Furthermore, a gate electrode can be obtained which has a lower resistance than a conventional polysilicon gate but has the same threshold voltage as that of the polysilicon gate.
これがため、低比抵抗のゲート電極であって、然も、V
LSIの製造工程中で行なわれる高温熱処理を受けても
ゲート耐圧特゛1の劣化が生じるようなことのない信頼
゛iの高いゲート電極構造を提供することが出来る。Therefore, it is a gate electrode with low resistivity, and V
It is possible to provide a highly reliable gate electrode structure in which the gate breakdown voltage characteristic (1) does not deteriorate even when subjected to high-temperature heat treatment performed during the manufacturing process of LSI.
第1図は、この発明の実施例のゲート電極構造を概略的
に示す断面図、
第2図は、従来のゲート電極構造の一例を示す断面図、
第3図は、従来のゲート電極構造の他の例を示す断面図
である。
31・・・シリコン基板、 33−・・フィールド酸
化膜41・・・シリコン酸化膜(ゲート酸化膜)43−
・・ポリシリコン層
45・・・アモルファスカーボン層
49・・・上層(高融点金属層又は高融点金属シリサイ
ド層)
51−n+拡散層(ソース・トレイン領域)。
特許出願人 沖電気工業株式会社31ニジ1ノコ
ン基板 33:フィールド酸化膜4トシリコン酸化
膜(ゲート酸化@)
43:ポリシリコン層
45ニアモルフアスカーボン層
49:上層(高融点全屈層又は高融点金属シ1ノサイト
層)51:n+拡散層(ソース・トレイン領域)この発
明のゲート電極構造を示す断面図第1図
従来のゲート電極構造の一例を示す断面図第2図
1γ
従来のゲート電極構造の他の例を示す断面図第3図FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a gate electrode structure according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a conventional gate electrode structure, and FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional gate electrode structure. It is a sectional view showing other examples. 31...Silicon substrate, 33-...Field oxide film 41...Silicon oxide film (gate oxide film) 43-
...Polysilicon layer 45...Amorphous carbon layer 49...Upper layer (high melting point metal layer or high melting point metal silicide layer) 51-n+ diffusion layer (source/train region). Patent Applicant: Oki Electric Industry Co., Ltd. 31 Niji 1-no-contact substrate 33: Field oxide film 4 Silicon oxide film (gate oxide @) 43: Polysilicon layer 45 Nearmorphous carbon layer 49: Upper layer (high melting point total layer or high melting point layer) (metal sinosite layer) 51: n+ diffusion layer (source/train region) Cross-sectional view showing the gate electrode structure of the present invention Figure 1 Cross-sectional view showing an example of the conventional gate electrode structure Figure 2 1γ Conventional gate electrode structure Fig. 3 is a sectional view showing another example of
Claims (1)
いて、 シリコン酸化膜上に形成されたポリシリコン層と、 該ポリシリコン層上に形成されたアモルファスカーボン
層と、 該アモルファスカーボン層上に形成された高融点金属層
又は高融点金属シリサイド層と を具えることを特徴とするゲート電極構造。(1) In the gate electrode structure of a silicon MOS semiconductor device, a polysilicon layer formed on a silicon oxide film, an amorphous carbon layer formed on the polysilicon layer, and a high carbon layer formed on the amorphous carbon layer A gate electrode structure comprising a melting point metal layer or a high melting point metal silicide layer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11697987A JPS63283166A (en) | 1987-05-15 | 1987-05-15 | Gate electrode structure |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11697987A JPS63283166A (en) | 1987-05-15 | 1987-05-15 | Gate electrode structure |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63283166A true JPS63283166A (en) | 1988-11-21 |
Family
ID=14700488
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11697987A Pending JPS63283166A (en) | 1987-05-15 | 1987-05-15 | Gate electrode structure |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63283166A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005134542A (en) * | 2003-10-29 | 2005-05-26 | Seiko Epson Corp | Substrate for electrooptical device, its manufacturing method and electrooptical device |
KR100654340B1 (en) | 2004-12-08 | 2006-12-08 | 삼성전자주식회사 | Semiconductor device having a carbon-containing silicide layer and method for manufacturing the same |
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1987
- 1987-05-15 JP JP11697987A patent/JPS63283166A/en active Pending
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KR100654340B1 (en) | 2004-12-08 | 2006-12-08 | 삼성전자주식회사 | Semiconductor device having a carbon-containing silicide layer and method for manufacturing the same |
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