JP2002025931A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
の製造方法の実施形態の各工程を示した断面図である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
工程を示す断面図である。
おける工程を示す断面図である。
おける工程を示す断面図である。
おける工程を示す断面図である。
ン濃度のプロファイルとの関係を示すグラフである。
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。
子の断面図である。
Claims (10)
- 【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。 - 【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
とを特徴とする請求項1に記載の導体素子の製造方法。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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
00〜1.33×102Pa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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