JP3008579B2 - 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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JP3008579B2
JP3008579B2 JP3197579A JP19757991A JP3008579B2 JP 3008579 B2 JP3008579 B2 JP 3008579B2 JP 3197579 A JP3197579 A JP 3197579A JP 19757991 A JP19757991 A JP 19757991A JP 3008579 B2 JP3008579 B2 JP 3008579B2
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省市 松葉
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NEC Corp
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  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)

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の製造方法に
関し、特にMOSFETの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来のMOSFETの標準的な製造方法
の例を、図3を用いて説明する。この例は、P型シリコ
ン基板1の表面にP型ウェル2及びN型ウェル3を形成
する工程と、素子分離用の選択酸化膜4とゲート酸化膜
5を形成して図3(a)に示す構造を得る工程と、図3
(b)に示す様にPチャネルMOSFET用のチャネル
ドープ領域17にフォト・レジスト6をマスクとしてス
トショルド電圧を調整するためのイオン注入を行う工程
と、NチャネルMOSFET用のチャネルドープ領域1
6に同様のイオン注入を行う工程と、ゲート電極7を形
成する工程と、自己整合的なイオン注入と不純物活性化
のための熱処理を行ってN型ソース・ドレイン8及びP
型ソース・ドレイン9を形成し、図3(c)に示す構造
を得る工程を有している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来MOSICに於い
ては集積化,高速化を達成するために素子の微細化を進
めてきた。MOSFETの微細化では、ゲート長の短縮
が最も重要である。しかしゲート長を短かくするとソー
ス,ドレイン間のパンチスルーが生じ易くなる。このパ
ンチスルーの耐圧を保つためにウェルの不純物濃度を高
くしなければならないが、そうするとスレッショルド電
圧が高くなりMOSFETの相互コンダクタンスが低下
するためICの動作速度も低下してしまう。そこで従来
技術では、ウェルの不純物濃度は高くしておいて、ウェ
ルの導電型と反対の導電型の不純物のイオン注入を行
い、ウェルの表面のみ不純物濃度を下げて所望のスレッ
ショルド電圧を得、ゲート長の短縮と相互コンダクタン
スの低下防止を両立させてきた。
【0004】ところで、イオン注入で不純物を導入する
方法では不純物プロファイルの深さ方向の精密なコント
ロールが難しく、また急峻な不純物プロファイルを得る
ことが困難である。このことは、従来最も一般的に採用
されてきた、NチャネルMOSFET及びPチャネルM
OSFET共にゲート電極をN型の多結晶シリコン形成
した構造では大きな問題となる。ゲート電極がN型の多
結晶シリコンの場合、PチャネルのMOSFETではゲ
ート電極とN型ウェルのフェルミ・レベルがほぼ等しく
なるので、通常設定される0.7V前後のスレッショル
ド電圧を得るためには、N型ウェル表面の不純物濃度を
下げるためのボロンのイオン注入量を大きくしなければ
ならない。そして、ゲート長が2μmを割るレベルにな
ると、ボロンのイオン注入量が更に大きいためN型ウェ
ルの表面は弱いP型へ反転した、いわゆる埋込チャネル
構造になってしまう。埋込チャネル構造をイオン注入で
形成する場合、前述の通り、イオン注入では不純物プロ
ファイルの深さ方向の精密なコントロールが難しく、ま
た急峻な不純物プロファイルを得ることが困難であるた
め、埋込チャネル領域の深さが深くしかもばらつきが大
きくなってしまう。埋込チャネル領域の深さが深いと、
ドレインの電界の影響を受け易く、いわゆるショート・
チャネル効果が顕著になる問題があった。また埋込チャ
ネル領域の深さのばらつきはそのままMOSFETのシ
ョート・チャネル効果のばらつきとして現われる問題が
あった。
【0005】上記の問題の対策として、ゲート電極をN
型の多結晶シリコンから高融点金属のタングステンへ変
える方法がある。タングステンは仕事関数が4.5eV
であるからそのフェルミ・レベルはシリコンのバンド・
ギャップのほぼ中央に位置する。このため、Pチャネル
MOSFETのボロンのイオン注入量を小さくすること
ができ、埋込チャネル領域の深さを浅くすることができ
るので、ショートチャネル効果を全体として緩和するこ
とができる。しかし、この場合も、イオン注入による不
純物プロファイルの深さ方向のコントロールが難しいた
め、ショート・チャネル効果のばらつきが改善できない
という問題があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、第1の導電型半導体基板に第1の導電型ウエ
ルおよび第2の導電型ウエルを形成する工程と、前記半
導体基板に素子分離酸化膜を形成する工程と、前記第2
の導電型ウエル上に分子線エピタキシャル成長法により
第1の導電型不純物を含むシリコン膜を形成する工程
と、前記シリコン膜の表面および前記第1の導電型ウエ
ル表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶
縁膜上に第2の導電型シリコンからなるゲート電極を形
成する工程とを有することを特徴とする。
【0007】
【実施例】図1は、本発明の第1の実施例を示す工程断
面図である。
【0008】P型シリコン基板1にNチャネルMOSF
ET用のP型ウェル2とPチャネルMOSFET用のN
型ウェル3を形成する。更に、シリコン基板1表面に素
子分離用の選択酸化膜4と50nm程度の薄いシリコン
酸化膜10を形成した後、N型ウェル表面のみこの薄い
シリコン酸化膜を除去してシリコン基板表面を露出させ
る。次に、分子線エピタキシャル成長によりシリコン基
板全面に10nmから300nm程度の膜厚のボロンを
ドープしたP型シリコン膜11を形成して、図1(a)
に示す構造を得る。この際、形成されたP型シリコン膜
11は、露出したシリコン基板1上ではエピタキシャル
成長してシリコン基板と同様の単結晶になっており、他
のシリコン酸化膜上ではアモルファスあるいは多結晶の
シリコン膜になっている。
【0009】次に、シリコン基板1全面に形成したP型
シリコン膜11のうち、N型ウェル3上以外の部分を全
て除去する。更に、P型ウェル2上の薄いシリコン酸化
膜10を一度除去した後、全面を750℃前後の低温で
酸化して膜厚が6nmから30nm程度のゲート酸化膜
5,5aを形成する。このとき、N型ウェル3上のシリ
コン膜11は表層のみが酸化されて、下層のシリコン膜
12が残る様にシリコン膜厚とゲート酸化膜厚を設定す
る。シリコン膜12は、シリコン膜11に比較してボロ
ンの濃度が低下する。こうして図1(b)に示す構造を
得る。
【0010】次に、図示しないが、Pウェル部のみNチ
ャネルMOSFET用のスレッショルド電圧調整のため
のイオン注入を行う。次にN型多結晶シリコンゲート電
極13を形成し、その後このゲート電極13下以外のゲ
ート酸化膜5,5aを全て除去して、図1(c)に示す
構造を得る。
【0011】次に、酸化を行ってゲート電極13の露出
表面並びにシリコン膜12を全てシリコン酸化膜14に
変えた後、自己整合的なイオン注入トラピッド・サーマ
ル・アニール(RTA)によりN型ソース・ドレイン8
とP型ソース・ドレイン9を形成して、図1(d)に示
す構造を得る。ゲート電極直下に残ったシリコン膜12
aは、PチャネルMOSFETの埋込チャネル層とな
る。
【0012】本実施例では、NチャネルMOSFET,
PチャネルMOSFET共N型多結晶シリコンをゲート
電極として用いているので、PチャネルMOSFETが
埋込チャネル構造になっている。しかし、埋込チャネル
の形成を、成長温度が650℃程度の分子線エピタキシ
ャル成長で行っているので、従来のイオン注入による形
成方法と比較して、埋込チャネル領域の深さが浅く不純
物プロファイルが急峻であり、しかも深さの制御性が向
上している。また、ゲート酸化は750℃の前後の低温
であり、ソース・ドレイン拡散領域の活性化はRTAで
行っているので、埋込チャネル領域の不純物プロファイ
ルの変動が小さく、最終的にイオン注入に較べて極く浅
い埋込みチャネル層が得られる。
【0013】このため、従来に較べてショート・チャネ
ル効果が大幅に抑制されてゲート長の短縮とスレッショ
ルド電圧の低電圧化が可能になり、MOSFETの集積
化と高速化が達成できる。
【0014】図2は、本発明の第2の実施例を示す工程
断面図である。
【0015】P型シリコン基板1にP型ウェル2とN型
ウェル3及び選択酸化膜4を形成した後、両ウェル領域
のシリコン基板1表面を露出させ、分子線エピタキシャ
ル成長によりシリコン基板全面に膜厚が10nm〜30
0nm程度のボロンをドープしたP型シリコン膜11を
形成して、図2(a)に示す構造を得る。
【0016】次に、750℃前後の低温で酸化を行い、
P型シリコン膜11の表層のみ酸化して膜厚が6nmか
ら30nm程度のゲート酸化膜5aを形成する。このと
き、ゲート酸化膜5aの下には、下層のシリコン膜12
が残る様にシリコン膜厚とゲート酸化膜を設定する。こ
うして図2(b)に示す構造を得る。
【0017】次に、図示しないが、P型ウェル2のみN
チャネルMOSFET用のスレッショルド電圧調整のた
め、砒素のイオン注入を行う。次にタングステンゲート
電極15を形成し、その後このゲート電極15下以外の
ゲート酸化膜5aを全て除去して、図2(c)に示す構
造を得る。後は酸化を行って、ゲート電極15下以外の
シリコン膜12を全てシリコン酸化膜14に変えた後、
自己整合的なイオン注入とRTAを行い、図2(d)に
示す構造を得る。
【0018】本実施例は、ゲート電極としてタングステ
ンを用いているので、元々N型多結晶シリコンの場合よ
りも埋込みチャネルは浅くできる。加えて、本発明の分
子線エピタキシャル成長による埋込みチャネル形成を適
用することにより、更に埋込みチャネルの深さが浅くな
ってショート・チャネル効果が抑えられ、一層ゲート長
の短縮とスレッショルド電圧の低電圧化が可能になり、
MOSFETの集積化と高速化が可能になる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、埋込みチ
ャネル構造のMOSFETの埋込みチャネル領域を分子
線エピタキシャル成長で形成するので、従来のイオン注
入による形成方法に比較して、埋込みチャネル領域の深
さが浅く、その不純物プロファイルが急峻であり、しか
も深さの制御性が良いので、ショート・チャネル効果を
抑制でき、そのばらつきも小さくできる。このため、ゲ
ート長をより短かくでき、またスレッショルド電圧を低
電圧化することができ、MOSFETの集積化と高速化
が可能になるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程順
の断面図である。
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための工程順
の断面図である。
【図3】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
工程順の断面図である。
【符号の説明】
1 P型シリコン基板 2 P型ウェル 3 N型ウェル 4 選択酸化膜 5,5a ゲート酸化膜 6 フォト・レジスト 7 ゲート電極 8 N型ソース・ドレイン 9 P型ソース・ドレイン 10,14 シリコン酸化膜 11 P型シリコン膜 12,12a シリコン膜 13 N型多結晶シリコンゲート電極 15 タングステンゲート電極 16 チャネルドープ領域(NチャネルMOSFET
用) 17 チャネルドープ領域(PチャネルMOSFET
用)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/78 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/8238 H01L 21/203 H01L 21/8234 H01L 27/088 H01L 27/092 H01L 29/78

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1の導電型半導体基板に第1の導電型ウ
    エルおよび第2の導電型ウエルを形成する工程と、前記
    半導体基板に素子分離酸化膜を形成する工程と、前記第
    2の導電型ウエル上に分子線エピタキシャル成長法によ
    り第1の導電型不純物を含むシリコン膜を形成する工程
    と、前記シリコン膜の表面および前記第1の導電型ウエ
    ル表面にゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶
    縁膜上に第2の導電型シリコンからなるゲート電極を形
    成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
  2. 【請求項2】第1の導電型半導体基板に第1の導電型ウ
    エルおよび第2の導電型ウエルを形成する工程と、前記
    半導体基板に素子分離酸化膜を形成する工程と、前記第
    1の導電型ウエル上に絶縁膜を形成する工程と、前記半
    導体基板上に第1の導電型不純物を含むシリコン膜を形
    成する工程と、前記第1の導電型ウエル上の前記絶縁膜
    および前記第1の導電型不純物を含むシリコン膜を除去
    する工程と、前記第1の導電型ウエル表面および前記第
    1の導電型不純物を含むシリコン膜上にゲート絶縁膜を
    形成する工程と、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形
    成する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製
    造方法。
  3. 【請求項3】前記ゲート電極を形成する工程の後に、表
    面に露出した前記第1の導電型不純物を含むシリコン膜
    を酸化する工程を有することを特徴とする請求項1また
    は請求項2記載の半導体装置の製造方法。
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