JP2002025931A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

半導体素子の製造方法

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JP2002025931A JP2001077352A JP2001077352A JP2002025931A JP 2002025931 A JP2002025931 A JP 2002025931A JP 2001077352 A JP2001077352 A JP 2001077352A JP 2001077352 A JP2001077352 A JP 2001077352A JP 2002025931 A JP2002025931 A JP 2002025931A
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Hynix Semiconductor Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 不純物の拡散速度増加を防止し、高品質のエ
ピタキシャルシリコン層チャネルを得られる半導体素子
の製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体基板21の表面に低エネルギー不
純物イオン注入を実施してデルタドーピング層23を形
成する第1ステップと、第1ステップを行った半導体基
板21の上面全体にレーザー熱処理を実施して、デルタ
ドーピング層23にイオン注入された不純物を活性化さ
せる第2ステップと、第2ステップを行った半導体基板
21の上面全体上に選択的エピタキシャル成長法を利用
してエピタキシャルシリコン層25を形成する第3ステ
ップと、エピタキシャルシリコン層25上にゲート酸化
膜26及びゲート電極27を形成する第4ステップと、
ゲート電極27の両側にソース/ドレイン領域29を形
成する第5ステップと、を含んでなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
方法に関し、特に、エピタキシャルシリコン層によるチ
ャネルとレーザー熱処理とを利用した半導体素子の製造
方法に関する。
【0002】
【従来の技術】低エネルギーイオン注入工程及びエピタ
キシャルシリコン層チャネル形成工程は、低いしきい値
電圧でショートチャネル効果(Short Channel Effect;
SCE)を改善させる長所があるため、今後、0.1μ
m以下の極微細な半導体素子で採用可能な技術である。
【0003】このような従来の技術では、図7に示した
ように、半導体基板11の表面に、低エネルギーイオン
注入工程により形成されたチャネルイオン注入層12か
らイオン注入されたホウ素のプロファイルが、エピタキ
シャル成長工程を含んだ後続する熱処理でも拡散されず
に、鋭く維持される必要がある。また、その上に成長し
たエピタキシャルシリコン層13がチャネルとして作用
するために、エピタキシャル成長時に、界面が残らず、
高品質なエピタキシャルシリコン層13が形成される必
要がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の技術では、後続して行うエピタキシャル成長工程時
に、800℃の温度による熱処理と、後続するソース/
ドレイン領域の活性化のために、950℃の温度で、2
0秒間の急速熱処理を行うため、これらの工程時に、ホ
ウ素の浅いドーピングプロファイルは、大部分が損失さ
れて、その効果を半減させることとなる。
【0005】また、それらの工程後に形成されるエピタ
キシャルシリコン層13は、イオン注入された半導体基
板11上で成長されるため、エピタキシャル成長工程時
に、半導体基板11の表面に含まれた酸素等の不純物に
より、エピタキシャルシリコン層13と半導体基板11
との間に積層膜14が形成される傾向がある。このよう
な現象により、半導体素子の製造が完了した後、エピタ
キシャルシリコン層13によるチャネルの物性は大きく
低下される。
【0006】本発明は、上記した従来技術の問題点を解
決するために案出されたもので、注入された不純物が、
後続する熱処理時に拡散されずに、鋭いしきい値電圧プ
ロファイルを維持でき、エピタキシャルシリコン成長時
に、不純物による界面形成を防止できるようにした半導
体素子の製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、半導体基板表面に低エネルギー不純物イ
オン注入を実施して、デルタドーピング層を形成する第
1ステップと、上記第1ステップによりデルタドーピン
グ層が形成された半導体基板の上面全体にレーザー熱処
理を実施して、上記デルタドーピング層にイオン注入さ
れた不純物を活性化させる第2ステップと、上記第2ス
テップにより不純物が活性化された半導体基板の上面全
体に、選択的エピタキシャル成長法を利用してエピタキ
シャルシリコン層を形成する第3ステップと、上記エピ
タキシャルシリコン層上に、ゲート酸化膜及びゲート電
極を形成する第4ステップと、上記ゲート電極の両側面
の半導体基板にソース/ドレイン領域を形成する第5ス
テップと、を含んでなることとする。また、上記第1ス
テップにおいて、上記デルタドーピング層は、0.1〜
5keVのイオン注入エネルギーで、1×1012〜5×
1013/cm2のドーズ量を有するホウ素イオンを注入
して形成されることとする。また、上記第1ステップに
おいて、上記デルタドーピング層は、0.5〜25ke
Vのイオン注入エネルギーで、1×1012〜5×1013
/cm2のドーズ量を有するBF2イオンを注入して形成
されることとする。また、上記第2ステップは、308
nm−XeClレーザーを用い、そのエネルギーは0.
1〜2J/cm2であることとする。そして、上記第2
ステップの上記レーザー熱処理前に、上記半導体基板の
表面にシリコンイオンを注入して非晶質化させるステッ
プをさらに含むこととする。また、上記第2ステップの
上記レーザー熱処理前に、上記レーザー熱処理のパワー
を調節して、上記半導体基板の表面を溶解させるステッ
プをさらに含むこととする。また、上記第3ステップに
おいて、上記エピタキシャルシリコン層は、低圧化学気
相蒸着法または高真空化学気相蒸着法を利用して、10
〜50nmの厚さに形成されることとする。また、上記
低圧化学気相蒸着法を利用する場合には、上記エピタキ
シャルシリコン層を形成する前に、in−situで、
1〜5分間、800〜900℃の温度で、上記半導体基
板の水素硬化を実施することとする。また、上記低圧化
学気相蒸着法を利用する場合には、上記エピタキシャル
シリコン層は、30〜300sccmのジクロロシラン
と30〜200sccmのHCLの混合ガスを用いた蒸
着ガスにより、3〜10分間、約1.33×103
1.33×104Paの圧力と750〜950℃の温度
で形成されることとする。また、上記高真空化学気相蒸
着法を利用する場合には、上記エピタキシャルシリコン
層は、シランまたはジシランを用いた蒸着ガスにより、
約1.33×10 0〜1.33×102Paの圧力と60
0〜700℃の温度で形成されることとする。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の最も好ましい実施
形態を、添付図面を参照して、本発明が属する技術分野
における通常の知識を有する者がその実施をすることが
できる程度に詳細に説明する。
【0009】図1〜図4は、本発明にかかる半導体素子
の製造方法の実施形態の各工程を示した断面図である。
【0010】まず、図1に示したように、半導体基板2
1に、素子隔離のためのフィールド酸化膜(図示せず)
を形成し、上記半導体基板21の上面全体にウェルイオ
ン注入を実施してウェル22を形成し、950℃で急速
熱処理(Rapid Thermal Processing;RTP)を数十秒
間実施して、ウェルイオンを活性化させる。
【0011】次いで、チャネルイオン注入時の半導体基
板21の損失を防止するためにスクリーン酸化膜(図示
せず)を形成し、上記半導体基板21の上面全体にしき
い値電圧の調節のためのチャネルイオンをイオン注入し
て、デルタドーピング層23を形成する。この後、上記
スクリーン酸化膜を除去する。この場合、上記しきい値
電圧調節のためのチャネルイオン注入は、半導体基板2
1の活性領域の表面に浅くイオン注入するため、低エネ
ルギー不純物イオン注入工程で実施する。また、上記チ
ャネルイオンとして、ホウ素(B)またはBF 2を利用
する。上記ホウ素を利用する場合には、0.1〜5ke
Vのイオン注入エネルギー及び1×1012〜5×1013
/cm2のドーズ量で実施し、上記BF2を利用する場合
には、0.5〜25keVのイオン注入エネルギー及び
1×10 12〜5×1013/cm2のドーズ量で実施す
る。
【0012】次いで、図2に示したように、上記チャネ
ルイオン注入の実施後、半導体基板21の表面に対し
て、レーザー熱処理(Laser Thermal Processing;LT
P)24を実施する。上記レーザー熱処理24は、半導
体基板21の表面を熔かしてから再結晶化させる熱処理
方法である。レーザー熱処理24が実施された半導体基
板21の表面内のしきい値電圧調節イオンは、後続する
熱処理でも拡散されず、均質化される。すなわち、上記
しきい値電圧調節イオンがほとんど拡散されないため、
さらに活性化されたしきい値電圧のプロファイルを得る
ことができ、かつ、レーザー熱処理24が実施されたデ
ルタドーピング層23は、後続する熱処理工程でも拡散
速度が大きく抑制されて、後述するように、後続する工
程により形成されるエピタキシャルシリコン層25やソ
ース/ドレイン領域29の拡散のための急速熱処理後に
も、ホウ素またはBF2の好ましいドーピングプロファ
イルを維持することができる。
【0013】この場合、上記レーザー熱処理24の実施
時には、308nm−XeClレーザーを用い、そのエ
ネルギーは0.1〜2J/cm2とする。このようなレ
ーザー熱処理24の実施時には、上記半導体基板21の
表面が瞬間的に熔けて再結晶するため、半導体基板21
に含まれていた酸素などの不純物は全て除去される。従
って、上記のような不純物が除去された半導体基板21
上に、後続する工程により形成されるエピタキシャルシ
リコン層25は、不純物の濃度が大きく減少した高品質
のエピタキシャル層として得ることができる。
【0014】このとき、レーザー熱処理24の効果を最
大化するため、レーザー熱処理24の前に、半導体基板
21の表面をシリコンイオン注入により非晶質化させ
て、レーザー熱処理24の実施時にシリコン溶解現象が
最大化されるように誘導する。また、レーザー熱処理2
4の効果を最大化するため他の方法として、レーザー熱
処理のパワーを調節して、非晶質層の厚さとは関係なく
シリコンを溶解させることもできる。
【0015】次いで、図3に示したように、選択的エピ
タキシャルシリコン成長法を利用して、レーザー熱処理
24が実施された半導体基板21の上面全体に、チャネ
ル用のエピタキシャルシリコン層25を形成する。この
場合、上記エピタキシャルシリコン層25は、低圧化学
気相蒸着(Low Pressure Chemical Vapor Deposition;
LPCVD)法または高真空化学気相蒸着(Ultra High
Vacuum Chemical Vapor Deposition;UHVCVD)
法を利用して、ドーピングされないエピタキシャルシリ
コン層25を10〜50nmの厚さに形成する。上記低
圧化学気相蒸着法を利用する場合には、上記エピタキシ
ャルシリコン層25を形成する前に、in−situ
で、1〜5分間、800〜900℃の温度で水素硬化を
実施した後、30〜300sccmのジクロロシランと
30〜200sccmのHCLの混合ガスを用いた蒸着
ガスにより、3〜10分間、約1.33×103〜1.
33×104Paの圧力と750〜950℃の温度とで
上記エピタキシャルシリコン層25を形成する。また、
上記高真空化学気相蒸着法を利用する場合には、上記エ
ピタキシャルシリコン層25は、シランまたはジシラン
を用いた蒸着ガスにより、約1.33×100〜1.3
3×102Paの圧力と600〜700℃の温度とで形
成する。
【0016】上記のように、レーザー熱処理された半導
体基板21上にエピタキシャルシリコン層25を形成し
て、チャネルとして作用するようにすれば、レーザーシ
ョックを避けることができて、接合漏洩電流の増加を防
止できる。次いで、図4に示したように、上記エピタキ
シャルシリコン層25上にゲート酸化膜26とポリシリ
コンとを蒸着した後、上記ポリシリコンを選択的にパタ
ーンニングしてゲート電極27を形成し、上記ゲート電
極27の両側壁に接する側壁スペーサ28を形成する。
次いで、上記ゲート電極27及び側壁スペーサ28をマ
スクとして利用した高濃度不純物イオン注入によって、
上記半導体基板21にソース/ドレイン領域29を形成
する。
【0017】上記ゲート酸化膜26として熱酸化膜を適
用する場合には、極微細な半導体素子では、4nm以下
の厚さが要求されるが、この場合には、トンネリング漏
洩電流が極めて大きく増加して、実際には、適用が不可
能となる。しかし、上記酸素などの不純物濃度が減少さ
れた半導体基板21上にエピタキシャルシリコン層25
を形成した後、ゲート酸化膜26としての熱酸化膜を形
成するため、トンネリング漏洩電流は1/2程度減少す
る。
【0018】上記のように、エピタキシャルシリコン層
25の形成前にレーザー熱処理を実施することにより、
半導体基板21の上面に存在する酸素などの不純物をほ
とんど除去することができるため、ゲート酸化膜26で
ある熱酸化膜の形成時の漏洩電流を最大限に低減させる
ことができる。
【0019】図5は、本発明にかかる半導体素子の製造
方法における、半導体基板のイオン注入深さによるホウ
素イオンのドーピングプロファイルを示したグラフであ
り、後続して形成されるエピタキシャルシリコン層25
の成長時やソース/ドレイン領域29の拡散のための熱
処理時に、鋭いドーピングプロファイルを維持すること
を示す。すなわち、レーザー熱処理24を実施すること
によって、上記エピタキシャルシリコン層25のホウ素
イオン濃度Xは、上記ホウ素イオンが注入されたデルタ
ドーピング層23の鋭いしきい値電圧のプロファイルを
そのまま維持する(ホウ素イオン濃度Z)。
【0020】図6は、本発明の実施形態にかかる半導体
素子の製造方法により製造される0.70μmのNMO
Sのゲート長としきい値電圧の変動値との関係を示した
グラフである。
【0021】通常、レーザー熱処理を実施しないエピタ
キシャル層によるチャネルの場合には、ホウ素の大部分
が損失されて、非常に低いしきい値電圧を示すが、レー
ザー熱処理を適用することにより、しきい値電圧が増加
することとなる。但し、低いエネルギー、具体的には、
0.38J/cm2ではレーザー熱処理による効果が不
十分であるため、後続する急速熱処理などでホウ素が大
きく損失されて、しきい値電圧の絶対値は増加し、半導
体基板内で半導体素子間にしきい値電圧の変動が大きく
増加する劣化現象が発生する。
【0022】しかし、レーザー熱処理のエネルギーを十
分に上げれば(0.42J/cm2)、エピタキシャル
層チャネル形成工程及び後続する熱工程でもホウ素の損
失が大きく抑制されて、相対的に高いしきい値電圧を有
し、該しきい値電圧は安定した変動値を有する優れた半
導体素子を得ることとなる。
【0023】本発明の技術的思想は、上記好ましい実施
形態によって具体的に記述したが、上記実施形態はその
説明のためのものであって、その制限のためのものでは
ない。また、本発明の技術分野における通常の専門家で
あるならば、本発明の技術的思想の範囲内で種々の実施
形態が実施可能である。
【0024】
【発明の効果】上述した本発明によれば、低エネルギー
によるイオン注入によりデルタドーピング効果を最大化
させ、レーザー熱処理を実施してしきい値電圧調節する
ためのイオンの活性化を増加させると同時に半導体基板
表面の不純物を除去するため、高品質のエピタキシャル
シリコン層を形成させることができる。そして、このエ
ピタキシャルシリコン層をチャネルとして利用すること
で、半導体素子の電流駆動力を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体素子の製造方法における
工程を示す断面図である。
【図2】同じく本発明にかかる半導体素子の製造方法に
おける工程を示す断面図である。
【図3】同じく本発明にかかる半導体素子の製造方法に
おける工程を示す断面図である。
【図4】同じく本発明にかかる半導体素子の製造方法に
おける工程を示す断面図である。
【図5】半導体基板のイオン注入深さによるホウ素イオ
ン濃度のプロファイルとの関係を示すグラフである。
【図6】本発明にかかる半導体素子の製造方法により製
造される半導体素子のゲート長としきい値電圧の変動値
を示すグラフである。
【図7】従来の半導体素子の製造方法における半導体素
子の断面図である。
【符号の説明】
21 半導体基板 22 ウェル 23 デルタドーピング層 24 レーザー熱処理 25 エピタキシャルシリコン層 26 ゲート酸化膜 27 ゲート電極 28 側壁スペーサ 29 ソース/ドレイン領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/20 H01L 21/20 21/205 21/205 29/78 29/78 301H 21/336 301Y

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板表面に低エネルギー不純物イ
    オン注入を実施して、デルタドーピング層を形成する第
    1ステップと、 上記第1ステップによりデルタドーピング層が形成され
    た半導体基板の上面全体にレーザー熱処理を実施して、
    上記デルタドーピング層にイオン注入された不純物を活
    性化させる第2ステップと、 上記第2ステップにより不純物が活性化された半導体基
    板の上面全体に、選択的エピタキシャル成長法を利用し
    てエピタキシャルシリコン層を形成する第3ステップ
    と、 上記エピタキシャルシリコン層上に、ゲート酸化膜及び
    ゲート電極を形成する第4ステップと、 上記ゲート電極の両側面の半導体基板にソース/ドレイ
    ン領域を形成する第5ステップと、を含んでなることを
    特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 上記第1ステップにおいて、 上記デルタドーピング層は、0.1〜5keVのイオン
    注入エネルギーで、1×1012〜5×1013/cm2
    ドーズ量を有するホウ素イオンを注入して形成されるこ
    とを特徴とする請求項1に記載の導体素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 上記第1ステップにおいて、 上記デルタドーピング層は、0.5〜25keVのイオ
    ン注入エネルギーで、1×1012〜5×1013/cm2
    のドーズ量を有するBF2イオンを注入して形成される
    ことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子の製造方
    法。
  4. 【請求項4】 上記第2ステップは、 308nm−XeClレーザーを用い、そのエネルギー
    は0.1〜2J/cm 2であることを特徴とする請求項
    1〜3のいずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
  5. 【請求項5】 上記第2ステップの上記レーザー熱処理
    前に、上記半導体基板の表面にシリコンイオンを注入し
    て非晶質化させるステップをさらに含むことを特徴とす
    る請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導体素子の製
    造方法。
  6. 【請求項6】 上記第2ステップの上記レーザー熱処理
    前に、上記レーザー熱処理のパワーを調節して、上記半
    導体基板の表面を溶解させるステップをさらに含むこと
    を特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の半導
    体素子の製造方法。
  7. 【請求項7】 上記第3ステップにおいて、 上記エピタキシャルシリコン層は、低圧化学気相蒸着法
    または高真空化学気相蒸着法を利用して、10〜50n
    mの厚さに形成されることを特徴とする請求項1〜6の
    いずれか1つに記載の半導体素子の製造方法。
  8. 【請求項8】 上記低圧化学気相蒸着法を利用する場合
    には、上記エピタキシャルシリコン層を形成する前に、
    in−situで、1〜5分間、800〜900℃の温
    度で、上記半導体基板の水素硬化を実施することを特徴
    とする請求項7に記載の半導体素子の製造方法。
  9. 【請求項9】 上記低圧化学気相蒸着法を利用する場合
    には、上記エピタキシャルシリコン層は、30〜300
    sccmのジクロロシランと30〜200sccmのH
    CLの混合ガスを用いた蒸着ガスにより、3〜10分
    間、約1.33×103〜1.33×104Paの圧力と
    750〜950℃の温度で形成されることを特徴とする
    請求項7又は8に記載の半導体素子の製造方法。
  10. 【請求項10】 上記高真空化学気相蒸着法を利用する
    場合には、上記エピタキシャルシリコン層は、シランま
    たはジシランを用いた蒸着ガスにより、約1.33×1
    0〜1.33×102Paの圧力と600〜700℃の
    温度で形成されることを特徴とする請求項7に記載の半
    導体素子の製造方法。
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