JP2003124457A - 半導体装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置および半導体装置の製造方法Info
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Abstract
深さを均一にすることにより、ゲート電極下の基板にイ
オンが注入されることによるトランジスタ特性の変動を
抑制し、安定した特性を有する半導体装置およびかかる
半導体装置の製造方法を提供すること。 【解決手段】 薄いシリコン酸化膜を介して第1のポリ
シリコン層と第2のポリシリコン層とを形成し、第2の
ポリシリコン層表面からイオン注入した後に熱処理を施
して、シリコン酸化膜を第1のポリシリコン層と第2の
ポリシリコン層との界面に局所的にシリコン酸化物とし
て凝集させるとともに、第1のポリシリコン層と第2の
ポリシリコン層とを接合させることとした。これによ
り、ゲート電極形成時のイオン注入後のドーパント注入
深さが均一となり、トランジスタ特性の変動を抑制する
ことが可能となる。
Description
半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、ゲート電
極として2層のポリシリコンを備える構造の半導体装置
および半導体装置の製造方法に関する。
OS構造トランジスタの製造にあたっては、例えば、シ
リコン基板上にLOCOS構造やシャロートレンチ構造
の素子分離領域およびウェルを形成した後に閾値電圧V
th調整のためのイオン注入を行ない、更に、成膜した
ゲート酸化膜上に、例えばポリシリコンからなるゲート
電極を形成することが必要である。
形成には、先ず、ノンドープのポリシリコン層を低圧C
VD法により形成し、その後、シリコン結晶中でアクセ
プタやドナーとして作用するボロンやリン等のドーパン
トをイオン注入してポリシリコン層の抵抗値制御を行な
った後、リソグラフィおよびエッチング技術によって所
望のゲート電極形状となるように加工する方法が採用さ
れている。
で形成されるポリシリコン層は、結晶方位が相互に異な
る比較的微細な結晶粒子で構成される多結晶膜であり、
このような結晶構造のポリシリコン層にイオン注入を行
なうと、いわゆるチャネリング効果によって、ポリシリ
コン層内でのイオン打ち込み深さが不均一になるという
問題が生じる。
ト電極の構造を説明するための図で、シリコン基板31
上のゲート酸化膜32上に低圧CVD法で成膜されたポ
リシリコン膜33が成膜されており、このポリシリコン
膜33に所望のドーパントをイオン注入することで抵抗
値の制御が行なわれる。
膜33を構成する結晶格子の結晶面が、例えば<110
>±20°といったチャネリングを生じやすい特定の結
晶面である場合には、その結晶粒子に打ち込まれたイオ
ンは結晶粒子内をチャネリングしてシリコン基板31に
まで到達してしまう。
3を構成する結晶格子の結晶面が、チャネリングを生じ
にくい結晶面である場合には、注入イオンはその結晶格
子内にのみ打ち込まれシリコン基板31にまで到達する
ことはない。
3を構成する結晶格子の結晶面がチャネリングを生じや
すい特定の結晶面であっても、その結晶粒子の直下に存
在する他の結晶粒子の結晶面がチャネリングを生じ難い
ものである場合には、注入されたイオンはそのようなチ
ャネリングを生じ難い結晶面を有する結晶粒子中でチャ
ネリングが阻止されてシリコン基板31にまで到達する
ことはない。
子の配向状態によって、チャネリングを生じやすい特定
の面指数を有する結晶粒子が存在する領域とチャネリン
グを生じ難い結晶粒子が存在する領域とで注入されたイ
オンの打ちこみ深さが異なり、その結果ポリシリコン層
33内での深さ方向のドーパント分布にばらつきを生
じ、トランジスタ特性のばらつきや再現性の低下を招い
て安定的なMOSトランジスタの製造が困難になるとい
う問題があった。
たもので、その目的とするところは、ポリシリコンゲー
ト電極形成時のイオン注入深さを均一にすることによ
り、トランジスタ特性の変動を抑制し、安定した特性の
半導体装置およびそのような半導体装置の製造を可能と
する方法を提供することにある。
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、第1の
ポリシリコン層と第2のポリシリコン層とを接合させて
構成したポリシリコンゲート電極を備える半導体装置で
あって、前記第1のポリシリコン層と前記第2のポリシ
リコン層とは、略同一平均結晶粒径を有し、かつ、隣接
する結晶格子同士の結晶方位が無頓着であり、前記ポリ
シリコンゲート電極中に注入されたイオンの打ち込み深
さが、その面内で略均一であることを特徴とする。
コンゲート電極を備える半導体装置の製造方法であっ
て、ゲート酸化膜上に第1のポリシリコン層を形成する
第1のステップと、前記第1のポリシリコン層上の全面
にシリコン酸化膜を形成する第2のステップと、前記シ
リコン酸化膜上に第2のポリシリコン層を形成する第3
のステップと、前記第2のポリシリコン層表面からイオ
ン注入する第4のステップと、前記第1のポリシリコン
層と前記シリコン酸化膜と前記第2のポリシリコン層と
を同時に熱処理して、前記シリコン酸化膜を前記第1の
ポリシリコン層と前記第2のポリシリコン層との界面の
一部領域にシリコン酸化物として局所的に凝集させると
ともに、前記一部領域を除く界面を接合させる第5のス
テップと、該第5のステップ終了後に前記第1のポリシ
リコン層および前記第2のポリシリコン層を所望の形状
に加工することによりポリシリコンゲート電極を形成す
る第6のステップとを含むことを特徴とする。
に記載の半導体装置の製造方法において、前記第2のス
テップで形成されるシリコン酸化膜厚が0.1〜6nm
であることを特徴とする。
施例について説明する。
ンジスタのポリシリコンゲート電極部の構成を説明する
ための図で、シリコン基板11上に形成したゲート酸化
膜12の上に低圧CVD法で成膜された第1のポリシリ
コン層13が成膜されており、第1のポリシリコン層1
3上に薄く成膜されたシリコン酸化膜14を挟んで、低
圧CVD法で成膜された第2のポリシリコン層15を備
える構造を有し、この第2のポリシリコン層15の表面
から所望のドーパントをイオン注入することで、第1お
よび第2のポリシリコン層13、15の抵抗値が制御さ
れる。
薄い酸化膜14は特定の結晶構造を有しないアモルファ
スであるため、第2のポリシリコン層15を成長させる
際、第1のポリシリコン層13中に既に存在している結
晶粒子を核として同一の面方位に成長しようとする作用
が遮断される。従って、第1のポリシリコン層13を構
成する結晶格子の結晶方位と、その上に形成されている
第2のポリシリコン層15を構成する結晶格子の結晶方
位とは全く無関係となり、第1のポリシリコン層13と
第2のポリシリコン層15との間には結晶方位の連続性
がないこととなる。
の、例えば<110>±20°といったチャネリングを
生じやすい特定の結晶面を有する結晶格子にイオンが注
入されて、注入イオンがその結晶格子内をチャネリング
し、第1のポリシリコン層13にまで突き抜けてきたイ
オンがあった場合でも、そのイオンが注入されることと
なる第1のポリシリコン層13を構成する結晶格子もま
たチャネリングを生じやすい結晶面を有することは極め
て稀であるため、殆どの場合には第1のポリシリコン層
13内で減速を受け、ゲート酸化膜12直下のシリコン
基板11内に形成されたチャネル領域にまでドーパント
が注入されることを回避できる。
ンジスタの製造工程を説明するための図で、図2(a)
はゲート酸化膜形成工程、図2(b)は第1のポリシリ
コン層形成工程、図2(c)は第2のポリシリコン層形
成工程、図2(d)はゲート電極形成用イオン注入工
程、図2(e)はゲート電極成型工程、図2(f)はL
DD(Lightly Doped Drain)形成用イオン注入工
程、図2(g)はサイドウォールおよびソース・ドレイ
ン形成用イオン注入工程、そして、図2(h)は熱処理
工程を示している。
して、LOCOS22、および、ゲート酸化膜23の形
成を行なう(図2(a))。
ランガスを原料とした低圧CVD法により、厚さ150
nmの第1のポリシリコン層24を堆積させる(図2
(b))。このとき、形成される第1のポリシリコン層
24はドーピングを行なっていないために電気的にはイ
ントリンシックな状態であり、その平均結晶粒径は50
〜200nm程度の多結晶である。
シリコン基板21を低圧CVD装置から大気中に取り出
し、第1のポリシリコン層24の表面を、室温で1分以
上大気中の酸素と接触させる。この大気中酸素との接触
により、第1のポリシリコン層24の表面には膜厚0.
1〜6nmの薄い自然酸化膜25が形成される。
い酸化膜25を形成する工程は、上述した方法に限定さ
れるものではなく、例えば、シリコン基板21ごと超純
水中で水洗し、その後にスピンドライヤ等の乾燥装置を
用いて乾燥させることによって形成することとしても良
く、或いは、過酸化水素を含有させた水溶液(例えばア
ンモニア:過酸化水素水:水の混合水溶液)中にシリコ
ン基板21ごと浸漬させることによって、第1のポリシ
リコン層24表面を酸化させ、その後水洗して乾燥させ
ることによって形成することとしても良く、更には、熱
酸化やプラズマ酸化等の手法により積極的に酸化膜を形
成することとしても良い。
ランガスを原料とした低圧CVD法により、温度600
〜680℃の範囲で、厚さ150nm、平均結晶粒径が
50〜200nm程度の多結晶からなる第2のポリシリ
コン層26を堆積させる(図2(c))。なお、この6
00〜680℃の温度領域では、シランガスによって低
圧CVD工程中に酸化膜25が還元されることはなく、
第2のポリシリコン層26は薄い酸化膜25の上に形成
されることとなる。
リシリコンゲート電極として利用するため、ドーパント
であるリンを、加速電圧50keV、ドーズ量5E15
cm −2の条件でイオン注入する(図2(d))。
ングの手法を用いて、第1および第2のポリシリコン層
24、26と酸化膜25を所望の形状に加工してゲート
電極を成型(図2(e))した後、LDD形成のための
イオン注入を行ない(図2(f))、更に、サイドウォ
ール27およびソース・ドレイン形成のためのイオン注
入を行なう(図2(g))。
ート電極内部にも打ち込まれることとなるが、既に説明
したように、第1のポリシリコン層24と第2のポリシ
リコン層26との間に設けられた酸化膜25によってこ
れらのポリシリコン結晶格子同士の結晶面方位の連続性
が分断されているため、第1のポリシリコン層24直下
のシリコン基板21表面領域に形成したチャネル部への
イオンの突き抜けは回避される。
0℃で2分間の熱処理を行なう(図2(h))。このと
き、第1のポリシリコン層24と第2のポリシリコン層
26との間にある薄い酸化膜25の一部が第1および第
2のポリシリコン層の界面に沿って局所的にボール状に
凝集28する。このため、第1のポリシリコン層24と
第2のポリシリコン層26との界面の殆どの領域におい
て両ポリシリコン層が直接接合することなり、ゲート電
極として作用するに必要な電気伝導性が担保される。
8させるための熱処理条件は、温度950〜1200
℃、熱処理時間0.5〜30分であればよく、その処理
雰囲気は、不活性ガス雰囲気であっても酸化性雰囲気で
あっても良い。
置によれば、ポリシリコンゲート電極を、相互に結晶面
方位が異なるポリシリコンの2層構造としたので、ゲー
ト電極形成時のイオン注入後のドーパント注入深さが均
一となり、トランジスタ特性の変動が抑制され、特性が
安定したトランジスタを得ることが可能となる。
2つのポリシリコン層の間に一旦形成した薄い酸化膜を
製造工程中に消滅させ、これらのポリシリコン層同士を
直接接合させることとしたので、ポリシリコンゲート電
極内部での導電性が担保でき、かつ、寄生容量成分の発
生等を抑制することが可能となる。
ート電極部の構成を説明するための図である。
するための図で、(a)はゲート酸化膜形成工程、
(b)は第1のポリシリコン層形成工程、(c)は第2
のポリシリコン層形成工程、(d)はゲート電極形成用
イオン注入工程、(e)はゲート電極成型工程、(f)
はLDD形成用イオン注入工程、(g)はサイドウォー
ルおよびソース・ドレイン形成用イオン注入工程、
(h)は熱処理工程を示している。
ゲート電極部の構成を説明するための図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 第1のポリシリコン層と第2のポリシリ
コン層とを接合させて構成したポリシリコンゲート電極
を備える半導体装置であって、 前記第1のポリシリコン層と前記第2のポリシリコン層
とは、略同一平均結晶粒径を有し、かつ、隣接する結晶
格子同士の結晶方位が無頓着であり、 前記ポリシリコンゲート電極中に注入されたイオンの打
ち込み深さが、その面内で略均一であることを特徴とす
る半導体装置。 - 【請求項2】 ポリシリコンゲート電極を備える半導体
装置の製造方法であって、 ゲート酸化膜上に第1のポリシリコン層を形成する第1
のステップと、 前記第1のポリシリコン層上の全面にシリコン酸化膜を
形成する第2のステップと、 前記シリコン酸化膜上に第2のポリシリコン層を形成す
る第3のステップと、 前記第2のポリシリコン層表面からイオン注入する第4
のステップと、 前記第1のポリシリコン層と前記シリコン酸化膜と前記
第2のポリシリコン層とを同時に熱処理して、前記シリ
コン酸化膜を前記第1のポリシリコン層と前記第2のポ
リシリコン層との界面の一部領域にシリコン酸化物とし
て局所的に凝集させるとともに、前記一部領域を除く界
面を接合させる第5のステップと、 該第5のステップ終了後に前記第1のポリシリコン層お
よび前記第2のポリシリコン層を所望の形状に加工する
ことによりポリシリコンゲート電極を形成する第6のス
テップとを含むことを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項3】 前記第2のステップで形成されるシリコ
ン酸化膜厚が0.1〜6nmであることを特徴とする請
求項2に記載の半導体装置の製造方法。
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JP2001312654A JP3628291B2 (ja) | 2001-10-10 | 2001-10-10 | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
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JP3628291B2 JP3628291B2 (ja) | 2005-03-09 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7592667B2 (en) | 2003-06-30 | 2009-09-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Semiconductor device including nonvolatile memory and method for fabricating the same |
-
2001
- 2001-10-10 JP JP2001312654A patent/JP3628291B2/ja not_active Expired - Fee Related
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