JP2004039849A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】MISFETの各不純物領域の濃度プロファイルを制御し、MISFETの特性を向上させる。
【解決手段】半導体基板1上に、熱酸化でゲート酸化膜8を形成し、その上部の多結晶シリコン膜9をドライエッチングすることによりゲート電極Gを形成した後、基板1の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を注入し、チャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成する。このように、ゲート電極Gの段差を利用して、ゲート電極G下およびその両側に、それぞれチャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成することができ、また、これらの領域の濃度プロファイルを制御することができる。
【選択図】 図6
【解決手段】半導体基板1上に、熱酸化でゲート酸化膜8を形成し、その上部の多結晶シリコン膜9をドライエッチングすることによりゲート電極Gを形成した後、基板1の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を注入し、チャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成する。このように、ゲート電極Gの段差を利用して、ゲート電極G下およびその両側に、それぞれチャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成することができ、また、これらの領域の濃度プロファイルを制御することができる。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
MISFETの特性を向上させるため、ソース、ドレイン領域をLDD(Lightly doped Drain)構造としたMISFETが広く適用されている。
【0003】
一方、半導体集積回路装置の微細化に伴い、ゲート電極の幅が小さくなると、ソース、ドレイン領域からの空乏層がゲート電極の下部領域まで延びて、閾値電位が低下する、また、パンチスルー現象が起きる等の問題(短チャネル効果)が生じている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、半導体集積回路装置の研究・開発に従事しており、特にMISFETの特性を向上させるため、種々の検討を行っている。
【0005】
例えば、発明者の検討しているMISFETにおいては、MISFETのゲート電極下には、チャネルインプラにより半導体領域が形成され、また、ゲート電極の両端には、このチャネルインプラと逆導電型の不純物で構成されるエクステンションと呼ばれる不純物領域が形成される。また、このエクステンションのゲート電極側の端部下には、この領域を囲むように、ポケット領域(ハロー領域)が形成され、前述の短チャネル効果の低減を図っている。このポケット領域は、チェネルインプラと同じ導電型の不純物で構成される。
【0006】
このように、MISFETの微細なゲート電極の下部には、複雑に不純物領域が形成されており、また、不純物の導電型も様々である。
【0007】
従って、その形成方法によってはお互いに不純物がうち消し合い、所望の濃度の不純物領域が形成することができず、MISFETの特性を維持できないといった問題が生じる。
【0008】
本発明の目的は、MISFETの各不純物領域やその形成方法を工夫することによりMISFETの特性を向上させる技術を提供することにある。
【0009】
本発明の他の目的は、MISFETの各不純物領域の濃度プロファイルを制御することによりMISFETの特性を向上させる技術を提供することにある。
【0010】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0012】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、(c)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から第1導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に不純物領域を形成する工程と、(d)前記ゲート電極の両側に第2導電型の不純物を注入することによって、ソース、ドレイン領域を形成する工程と、を有するものである。
【0013】
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、(c)前記ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する工程と、を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、(d)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成し、前記第1の不純物領域の前記ゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成する工程、を有するものである。
【0014】
前記導電性膜は、例えば、多結晶シリコン膜である。また、前記(d)工程の第2導電型の不純物の注入を、斜めインプラで行うことが可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、原則として実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0016】
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法を図1〜図8を用いて工程順に説明する。なお、図1〜図8は、本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【0017】
まず、図1に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に「基板」という)1に素子分離2を形成する。
【0018】
この素子分離2を形成するには、まず素子分離領域の基板1をエッチングして溝を形成した後、基板1を熱酸化することによって、溝の内壁に薄い酸化シリコン膜を形成する。次に、溝の内部を含む基板1上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化シリコン膜7を堆積し、溝の上部の酸化シリコン膜7をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨してその表面を平坦化する。
【0019】
なお、素子分離(酸化シリコン膜7)2の表面は、その後の表面酸化やエッチングにより除々に後退し、素子形成領域との間で段差が生じる(リセス現象)。
【0020】
次に、図2に示すように、基板1にp型不純物(例えばホウ素)を、200keVで、1.5×1013cm−2程度、120keVで、5×1012cm−2程度および50keVで、3×1012cm−2程度イオン打ち込みし、熱処理で不純物を拡散させることによって、基板1にp型ウエル(WELL)3を形成する。なお、ホウ素に加えフッ化ホウ素イオンを注入してもよい。また、同様に、n型不純物(例えばリン)を種々の濃度およびエネルギーでイオン打ち込みし、n型ウエル4を形成する。
【0021】
次に、図3に示すように、フッ酸系の洗浄液を用いて基板1(p型ウエル3およびn型ウエル4)の表面をウェット洗浄した後、熱酸化でp型ウエル3およびn型ウエル4のそれぞれの表面に薄いゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)8を形成する。
【0022】
次に、図4に示すように、ゲート酸化膜8の上部に膜厚200nm程度の低抵抗多結晶シリコン膜9をCVD法で堆積する。次いで、多結晶シリコン膜9の上部にCVD法で窒化シリコン膜10を堆積する。
【0023】
次に、レジスト膜(図示せず)をマスクにして窒化シリコン膜10をドライエッチングし、レジスト膜を除去した後、多結晶シリコン膜9をドライエッチングすることによりゲート電極Gを形成する。その後、ゲート電極G上の窒化シリコン膜10をエッチングにより除去する。
【0024】
次に、基板1(多結晶シリコン膜9)の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を、80keVで、3.6×1012cm−2程度で注入する。
【0025】
その結果、図5に示すように、チャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKが形成される。このチャネル不純物領域CHの不純物濃度によってMISFETの閾値を調整することができる。また、同様に、n型不純物を所定の濃度およびエネルギーで注入し、n型ウエル4にもn型のチャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成する。
【0026】
次いで、図6に示すように、p型ウエル3のゲート電極Gの両側にヒ素(As、n型不純物)を、20keV、3×1014程度、注入することによりn−型半導体領域(エクステンション)12を形成する。このn−型半導体領域(エクステンション)12はポケット領域PKによって囲まれる。このポケット領域PKによって、ソース、ドレイン領域からの空乏層の広がりを抑え、短チャネル効果を低減することができる。また、同様に、n型ウエル4のゲート電極Gの両側にp型不純物を注入し、p−型半導体領域(エクステンション)13を形成する。
【0027】
次に、図7に示すように、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜14を堆積した後、異方的にエッチングすることによって、ゲート電極Gの側壁にサイドウォールスペーサSWを形成する。
【0028】
次に、p型ウエル3上のゲート電極Gの両側にヒ素を注入し、熱拡散させることによってn+型半導体領域15(ソース、ドレイン)を形成する。また、n型ウエル4上のゲート電極Gの両側にフッ化ホウ素を注入し、熱拡散させることによってp+型半導体領域16(ソース、ドレイン)を形成する。前記熱拡散は、同時に行っても良い。
【0029】
ここまでの工程で、LDD(Lightly Doped Drain)構造のソース、ドレイン(n−型半導体領域、n+型半導体領域、p−型半導体領域およびp+型半導体領域)を備えたnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成される(図8)。
【0030】
ここで、n−型半導体領域(エクステンション)12やp−型半導体領域(エクステンション)13のゲート電極側の端部は、ポケット領域PKによって囲まれている。
【0031】
この後、これらのMISFET上に酸化シリコン膜等よりなる層間絶縁膜や配線が形成されるがこれらの図示およびその形成工程の詳細な説明については、省略する。
【0032】
このように、本実施の形態においては、ゲート電極下のチャネルインプラを、ゲート電極を介して行うことにより、ゲート電極下の不純物濃度を濃くでき、また、不純物濃度のばらつきを低減できる。
【0033】
また、本実施の形態によれば、前記チャネルインプラとポケット領域のインプラとを兼ねることができるので、製造工程の短縮化を図ることができる。
【0034】
また、例えば、熱酸化膜よりなるゲート絶縁膜の形成前に、チャネルインプラを行った場合には、熱酸化により不純物のプロファイルが変化し、所望の濃度となるよう制御することが困難である。
【0035】
図10〜図12に、チャネルインプラ→ゲート酸化膜形成→ゲート電極形成→ポケット領域形成の順でMISFETを製造した場合(a)と、本実施の形態(ゲート酸化膜形成→ゲート電極形成→チャネルインプラおよびポケット領域形成)の製造工程でMISFETを形成した場合(b)の不純物濃度のシュミレーション結果を示す。なお、図9は、図8のnチャネル型MISFETQn近傍の部分拡大図である。
【0036】
図10は、エクステンション領域のゲート電極側の端部、即ち、図9のA−A部(エクステンション領域およびその周囲のポケット領域)近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、グラフCおよびグラフC’は、エクステンション領域の不純物濃度を示す。また、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(depth)は、基板表面からの深さ(μm)を示す(図11についても同じ)。また、例えば、1E+17とは、1×1017を示す。
【0037】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、エクステンション領域(NM層)下における不純物濃度の変化が大きくまた、グラフbの場合より基板表面付近の濃度が大きくなっている。従って、その後に形成されるエクステンション領域の不純物濃度に影響を与える。また、グラフaの場合は、エクステンション領域下における不純物濃度が大きいため、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧が小さくなり、リーク電流が大きくなる。
【0038】
これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が図れ、また、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧を確保することができる。
【0039】
図11は、ゲート電極下、即ち、図9のB−B部近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。
【0040】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、ゲート電極下における不純物濃度の変化が大きい。なお、このデータは、チャネルインプラ直後のシュミレーション結果であり、前記(a)の場合は、インプラ後にゲート絶縁膜の熱酸化工程が存在するため、この濃度プロファイルはさらに熱酸化によって変動するものと考えられる。特に、不純物の熱拡散によって、基板表面の濃度が小さくなると考えられる(図中の矢印部)。また、前述したリセス現象が生じている場合、素子分離2との境界部分(SGI端)の素子形成領域には、不純物が注入され難い。従って、かかる部分の不純物濃度がさらに低下し、素子分離機能を確保できなくなる。その結果、リーク電流(スタンバイ電流)が増加する恐れがある。
【0041】
これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が図れ、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。その結果、リーク電流を低く抑えることができる。
【0042】
図12は、ゲート電極下の水平方向、即ち、図9のC−C部の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(side)は、ゲート電極端部からの距離(μm)を示す。
【0043】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、ゲート電極下における不純物濃度の変化が大きい。これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が確保されている。また、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。なお、グラフaは、ゲート絶縁膜の熱酸化工程により、濃度プロファイルがさらに低下するものと考えられる。
【0044】
ここで固体中に打ち込まれた不純物の深さ方向の分布は、LSS理論によって得られた投影飛程(Rp)と、分散(ΔRp)を使ったガウス分布で近似できる。
【0045】
従って、ゲート電極Gが形成されていないエクステンションの形成予定領域においては、比較的低濃度の不純物領域が形成される。従って、その後形成される逆導電型のエクステンションの濃度分布に影響を与えない。その結果、取得電流(MISFETのオン電流)を確保することができる。また、接合耐圧を確保することができる。従って、接合耐圧劣化によるリーク電流を低減することができる。
【0046】
一方、ゲート電極が形成されている領域においては、ゲート電極表面においては、その濃度は小さいが、その表面から深くなるにつれその濃度が大きくなり、基板表面においては、その濃度が最大となるよう制御可能である。
【0047】
このように、ゲート電極の段差を利用して、ゲート電極下およびその両側に、それぞれチャネル不純物領域およびポケット領域を形成することができ、また、これらの領域の濃度プロファイルを良くすることができる。
【0048】
また、本実施の形態においては、ゲート電極形成後に、チャネルインプラを行うため、閾値電位を制御しやすい。即ち、あらかじめゲート電極形成工程が完了した基板を準備しておけば、インプラ後、即座に閾値電位を測定することができる。従って、インプラ条件等を製品開発にフィードバックすることが容易になり、また、TAT(turn around time)を短縮することができる。
【0049】
また、リーク電流の低減により、低消費電力化が図れる等、製品特性を向上させることができ、また、製品歩留まりを向上させることができる。
【0050】
なお、本実施の形態においては、チャネル不純物領域およびポケット領域を形成する際の不純物を基板から垂直(0°)で打ち込んだが、10°以下の傾きを持たせて、イオン打ち込みしてもよい(斜めインプラ)。
【0051】
斜めインプラを用いることによって、素子が微細化し、ゲート電極の幅が小さくなった場合においても、ゲート電極の下部のエクステンション領域の端部で不純物の濃度(例えばn−型半導体領域12の場合は、p型不純物の濃度)を、高く設定して注入することができる。
【0052】
しかしながら、ゲート電極間の幅は、素子の微細化に伴い狭くなるため、インプラの角度は、10°以下に設定することが好ましい。
【0053】
なお、本実施の形態においては、ゲート電極を介して不純物を基板に注入するため、かかる不純物によりゲート酸化膜中にダメージが入る恐れがある。しかしながら、このダメージは、その後の熱処理(例えば、ソース、ドレイン領域を構成する不純物の熱拡散処理時等)によって回復可能と考えられる。
【0054】
(実施の形態2)
p型ウエル3やポケット領域等の不純物注入を以下のように変えても良い。
【0055】
例えば、実施の形態1においては、p型ウエル3の不純物注入を、200keVで、1.5×1013cm−2程度、120keVで、5×1012cm−2程度および50keVで、3×1012cm−2程度で行ったが、この条件を以下のように変えても良い。
【0056】
即ち、基板1にp型不純物(例えばホウ素)を、100keVで、1.5×1013cm−2程度、50keVで、1.5×1012cm−2程度でイオン打ち込みし、熱処理で不純物を拡散させることによって、基板1にp型ウエル3を形成する。
【0057】
このように、不純物の注入エネルギーを小さくする等によって、浅いウエルを形成することができる。このようにウエルの深さを浅くすると、ソフトエラー耐性が向上する。
【0058】
また、実施の形態1においては、チャネル不純物領域やポケット領域の不純物の注入を、80keVで、3.6×1012cm−2程度で行ったが、この条件を以下のように変えても良い。
【0059】
即ち、基板1の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を、ゲート電極下のチャネルインプラ用に、120keVで、7×1012cm−2程度のp型不純物(ホウ素)を注入する。これに加えて、後述するエクステンションのゲート側の端部を覆う、いわゆるポケット領域(ハロー領域)用に、40keVで、2×1012cm−2程度のp型不純物(ホウ素)を注入する。このように、2種のインプラ条件を組み合わせて注入してもよい。
【0060】
図13は、実施の形態1で説明した図10と対応するグラフであり、エクステンション領域のゲート電極側の端部、即ち、図9のA−A部(エクステンション領域およびその周囲のポケット領域)近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、グラフCおよびグラフC’は、エクステンション領域の不純物濃度を示す。また、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(depth)は、基板表面からの深さ(μm)を示す。
【0061】
実施の形態1で説明した場合(a)と比較して、本実施の形態のグラフb’の場合は、不純物濃度の均一性が図れ、また、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧を確保することができる。
【0062】
図14は、実施の形態1で説明した図11と対応するグラフであり、ゲート電極下、即ち、図9のB−B部近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。
【0063】
実施の形態1で説明した場合(a)と比較して、本実施の形態のグラフb’の場合は、不純物濃度の均一性が図れ、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。
【0064】
このように、本実施の形態においても実施の形態1で説明した効果を奏することができる。
【0065】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0066】
特に、実施の形態1および2においては、MISFETを例に説明したが、このようなMISFETを有するマイコン、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)およびSRAM(Static Random Access Memory)や不揮発性メモリ等、ゲート電極および不純物領域を有する半導体集積回路装置に適用可能である。
【0067】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0068】
半導体基板主表面にゲート絶縁膜を介しゲート電極を形成し、ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する半導体集積回路装置の製造方法の、ゲート電極形成後に、半導体基板上から第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入し、ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成するとともに第1の不純物領域のゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成したので、MISFETの特性を向上させることができる。また、TATの短縮を図ることができる。さらに、製品歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図9】図8のnチャネル型MISFETQn近傍の部分拡大図(基板の要部断面図)である。
【図10】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図11】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図12】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図13】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図14】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 半導体基板(基板)
2 素子分離
3 p型ウエル
4 n型ウエル
7 酸化シリコン膜
8 ゲート酸化膜
9 多結晶シリコン膜
10 窒化シリコン膜
12 n−型半導体領域(エクステンション)
13 p−型半導体領域(エクステンション)
14 窒化シリコン膜
15 n+型半導体領域
16 p+型半導体領域
CH チャネル不純物領域
G ゲート電極
PK ポケット領域
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
SW サイドウォールスペーサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造方法に関し、特に、MISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)を有する半導体集積回路装置に適用して有効な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
MISFETの特性を向上させるため、ソース、ドレイン領域をLDD(Lightly doped Drain)構造としたMISFETが広く適用されている。
【0003】
一方、半導体集積回路装置の微細化に伴い、ゲート電極の幅が小さくなると、ソース、ドレイン領域からの空乏層がゲート電極の下部領域まで延びて、閾値電位が低下する、また、パンチスルー現象が起きる等の問題(短チャネル効果)が生じている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、半導体集積回路装置の研究・開発に従事しており、特にMISFETの特性を向上させるため、種々の検討を行っている。
【0005】
例えば、発明者の検討しているMISFETにおいては、MISFETのゲート電極下には、チャネルインプラにより半導体領域が形成され、また、ゲート電極の両端には、このチャネルインプラと逆導電型の不純物で構成されるエクステンションと呼ばれる不純物領域が形成される。また、このエクステンションのゲート電極側の端部下には、この領域を囲むように、ポケット領域(ハロー領域)が形成され、前述の短チャネル効果の低減を図っている。このポケット領域は、チェネルインプラと同じ導電型の不純物で構成される。
【0006】
このように、MISFETの微細なゲート電極の下部には、複雑に不純物領域が形成されており、また、不純物の導電型も様々である。
【0007】
従って、その形成方法によってはお互いに不純物がうち消し合い、所望の濃度の不純物領域が形成することができず、MISFETの特性を維持できないといった問題が生じる。
【0008】
本発明の目的は、MISFETの各不純物領域やその形成方法を工夫することによりMISFETの特性を向上させる技術を提供することにある。
【0009】
本発明の他の目的は、MISFETの各不純物領域の濃度プロファイルを制御することによりMISFETの特性を向上させる技術を提供することにある。
【0010】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【0012】
本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、(c)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から第1導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に不純物領域を形成する工程と、(d)前記ゲート電極の両側に第2導電型の不純物を注入することによって、ソース、ドレイン領域を形成する工程と、を有するものである。
【0013】
また、本発明の半導体集積回路装置の製造方法は、(a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、(c)前記ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する工程と、を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、(d)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成し、前記第1の不純物領域の前記ゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成する工程、を有するものである。
【0014】
前記導電性膜は、例えば、多結晶シリコン膜である。また、前記(d)工程の第2導電型の不純物の注入を、斜めインプラで行うことが可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、原則として実施の形態を説明するための全図において同一機能を有するものは同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0016】
(実施の形態1)
本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法を図1〜図8を用いて工程順に説明する。なお、図1〜図8は、本実施の形態の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【0017】
まず、図1に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる半導体基板(以下、単に「基板」という)1に素子分離2を形成する。
【0018】
この素子分離2を形成するには、まず素子分離領域の基板1をエッチングして溝を形成した後、基板1を熱酸化することによって、溝の内壁に薄い酸化シリコン膜を形成する。次に、溝の内部を含む基板1上に、例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法で酸化シリコン膜7を堆積し、溝の上部の酸化シリコン膜7をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法で研磨してその表面を平坦化する。
【0019】
なお、素子分離(酸化シリコン膜7)2の表面は、その後の表面酸化やエッチングにより除々に後退し、素子形成領域との間で段差が生じる(リセス現象)。
【0020】
次に、図2に示すように、基板1にp型不純物(例えばホウ素)を、200keVで、1.5×1013cm−2程度、120keVで、5×1012cm−2程度および50keVで、3×1012cm−2程度イオン打ち込みし、熱処理で不純物を拡散させることによって、基板1にp型ウエル(WELL)3を形成する。なお、ホウ素に加えフッ化ホウ素イオンを注入してもよい。また、同様に、n型不純物(例えばリン)を種々の濃度およびエネルギーでイオン打ち込みし、n型ウエル4を形成する。
【0021】
次に、図3に示すように、フッ酸系の洗浄液を用いて基板1(p型ウエル3およびn型ウエル4)の表面をウェット洗浄した後、熱酸化でp型ウエル3およびn型ウエル4のそれぞれの表面に薄いゲート酸化膜(ゲート絶縁膜)8を形成する。
【0022】
次に、図4に示すように、ゲート酸化膜8の上部に膜厚200nm程度の低抵抗多結晶シリコン膜9をCVD法で堆積する。次いで、多結晶シリコン膜9の上部にCVD法で窒化シリコン膜10を堆積する。
【0023】
次に、レジスト膜(図示せず)をマスクにして窒化シリコン膜10をドライエッチングし、レジスト膜を除去した後、多結晶シリコン膜9をドライエッチングすることによりゲート電極Gを形成する。その後、ゲート電極G上の窒化シリコン膜10をエッチングにより除去する。
【0024】
次に、基板1(多結晶シリコン膜9)の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を、80keVで、3.6×1012cm−2程度で注入する。
【0025】
その結果、図5に示すように、チャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKが形成される。このチャネル不純物領域CHの不純物濃度によってMISFETの閾値を調整することができる。また、同様に、n型不純物を所定の濃度およびエネルギーで注入し、n型ウエル4にもn型のチャネル不純物領域CHおよびポケット領域PKを形成する。
【0026】
次いで、図6に示すように、p型ウエル3のゲート電極Gの両側にヒ素(As、n型不純物)を、20keV、3×1014程度、注入することによりn−型半導体領域(エクステンション)12を形成する。このn−型半導体領域(エクステンション)12はポケット領域PKによって囲まれる。このポケット領域PKによって、ソース、ドレイン領域からの空乏層の広がりを抑え、短チャネル効果を低減することができる。また、同様に、n型ウエル4のゲート電極Gの両側にp型不純物を注入し、p−型半導体領域(エクステンション)13を形成する。
【0027】
次に、図7に示すように、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜14を堆積した後、異方的にエッチングすることによって、ゲート電極Gの側壁にサイドウォールスペーサSWを形成する。
【0028】
次に、p型ウエル3上のゲート電極Gの両側にヒ素を注入し、熱拡散させることによってn+型半導体領域15(ソース、ドレイン)を形成する。また、n型ウエル4上のゲート電極Gの両側にフッ化ホウ素を注入し、熱拡散させることによってp+型半導体領域16(ソース、ドレイン)を形成する。前記熱拡散は、同時に行っても良い。
【0029】
ここまでの工程で、LDD(Lightly Doped Drain)構造のソース、ドレイン(n−型半導体領域、n+型半導体領域、p−型半導体領域およびp+型半導体領域)を備えたnチャネル型MISFETQnおよびpチャネル型MISFETQpが形成される(図8)。
【0030】
ここで、n−型半導体領域(エクステンション)12やp−型半導体領域(エクステンション)13のゲート電極側の端部は、ポケット領域PKによって囲まれている。
【0031】
この後、これらのMISFET上に酸化シリコン膜等よりなる層間絶縁膜や配線が形成されるがこれらの図示およびその形成工程の詳細な説明については、省略する。
【0032】
このように、本実施の形態においては、ゲート電極下のチャネルインプラを、ゲート電極を介して行うことにより、ゲート電極下の不純物濃度を濃くでき、また、不純物濃度のばらつきを低減できる。
【0033】
また、本実施の形態によれば、前記チャネルインプラとポケット領域のインプラとを兼ねることができるので、製造工程の短縮化を図ることができる。
【0034】
また、例えば、熱酸化膜よりなるゲート絶縁膜の形成前に、チャネルインプラを行った場合には、熱酸化により不純物のプロファイルが変化し、所望の濃度となるよう制御することが困難である。
【0035】
図10〜図12に、チャネルインプラ→ゲート酸化膜形成→ゲート電極形成→ポケット領域形成の順でMISFETを製造した場合(a)と、本実施の形態(ゲート酸化膜形成→ゲート電極形成→チャネルインプラおよびポケット領域形成)の製造工程でMISFETを形成した場合(b)の不純物濃度のシュミレーション結果を示す。なお、図9は、図8のnチャネル型MISFETQn近傍の部分拡大図である。
【0036】
図10は、エクステンション領域のゲート電極側の端部、即ち、図9のA−A部(エクステンション領域およびその周囲のポケット領域)近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、グラフCおよびグラフC’は、エクステンション領域の不純物濃度を示す。また、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(depth)は、基板表面からの深さ(μm)を示す(図11についても同じ)。また、例えば、1E+17とは、1×1017を示す。
【0037】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、エクステンション領域(NM層)下における不純物濃度の変化が大きくまた、グラフbの場合より基板表面付近の濃度が大きくなっている。従って、その後に形成されるエクステンション領域の不純物濃度に影響を与える。また、グラフaの場合は、エクステンション領域下における不純物濃度が大きいため、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧が小さくなり、リーク電流が大きくなる。
【0038】
これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が図れ、また、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧を確保することができる。
【0039】
図11は、ゲート電極下、即ち、図9のB−B部近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。
【0040】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、ゲート電極下における不純物濃度の変化が大きい。なお、このデータは、チャネルインプラ直後のシュミレーション結果であり、前記(a)の場合は、インプラ後にゲート絶縁膜の熱酸化工程が存在するため、この濃度プロファイルはさらに熱酸化によって変動するものと考えられる。特に、不純物の熱拡散によって、基板表面の濃度が小さくなると考えられる(図中の矢印部)。また、前述したリセス現象が生じている場合、素子分離2との境界部分(SGI端)の素子形成領域には、不純物が注入され難い。従って、かかる部分の不純物濃度がさらに低下し、素子分離機能を確保できなくなる。その結果、リーク電流(スタンバイ電流)が増加する恐れがある。
【0041】
これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が図れ、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。その結果、リーク電流を低く抑えることができる。
【0042】
図12は、ゲート電極下の水平方向、即ち、図9のC−C部の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(side)は、ゲート電極端部からの距離(μm)を示す。
【0043】
前記(a)の場合は、グラフaに示すように、ゲート電極下における不純物濃度の変化が大きい。これに対し、グラフbの場合は、不純物濃度の均一性が確保されている。また、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。なお、グラフaは、ゲート絶縁膜の熱酸化工程により、濃度プロファイルがさらに低下するものと考えられる。
【0044】
ここで固体中に打ち込まれた不純物の深さ方向の分布は、LSS理論によって得られた投影飛程(Rp)と、分散(ΔRp)を使ったガウス分布で近似できる。
【0045】
従って、ゲート電極Gが形成されていないエクステンションの形成予定領域においては、比較的低濃度の不純物領域が形成される。従って、その後形成される逆導電型のエクステンションの濃度分布に影響を与えない。その結果、取得電流(MISFETのオン電流)を確保することができる。また、接合耐圧を確保することができる。従って、接合耐圧劣化によるリーク電流を低減することができる。
【0046】
一方、ゲート電極が形成されている領域においては、ゲート電極表面においては、その濃度は小さいが、その表面から深くなるにつれその濃度が大きくなり、基板表面においては、その濃度が最大となるよう制御可能である。
【0047】
このように、ゲート電極の段差を利用して、ゲート電極下およびその両側に、それぞれチャネル不純物領域およびポケット領域を形成することができ、また、これらの領域の濃度プロファイルを良くすることができる。
【0048】
また、本実施の形態においては、ゲート電極形成後に、チャネルインプラを行うため、閾値電位を制御しやすい。即ち、あらかじめゲート電極形成工程が完了した基板を準備しておけば、インプラ後、即座に閾値電位を測定することができる。従って、インプラ条件等を製品開発にフィードバックすることが容易になり、また、TAT(turn around time)を短縮することができる。
【0049】
また、リーク電流の低減により、低消費電力化が図れる等、製品特性を向上させることができ、また、製品歩留まりを向上させることができる。
【0050】
なお、本実施の形態においては、チャネル不純物領域およびポケット領域を形成する際の不純物を基板から垂直(0°)で打ち込んだが、10°以下の傾きを持たせて、イオン打ち込みしてもよい(斜めインプラ)。
【0051】
斜めインプラを用いることによって、素子が微細化し、ゲート電極の幅が小さくなった場合においても、ゲート電極の下部のエクステンション領域の端部で不純物の濃度(例えばn−型半導体領域12の場合は、p型不純物の濃度)を、高く設定して注入することができる。
【0052】
しかしながら、ゲート電極間の幅は、素子の微細化に伴い狭くなるため、インプラの角度は、10°以下に設定することが好ましい。
【0053】
なお、本実施の形態においては、ゲート電極を介して不純物を基板に注入するため、かかる不純物によりゲート酸化膜中にダメージが入る恐れがある。しかしながら、このダメージは、その後の熱処理(例えば、ソース、ドレイン領域を構成する不純物の熱拡散処理時等)によって回復可能と考えられる。
【0054】
(実施の形態2)
p型ウエル3やポケット領域等の不純物注入を以下のように変えても良い。
【0055】
例えば、実施の形態1においては、p型ウエル3の不純物注入を、200keVで、1.5×1013cm−2程度、120keVで、5×1012cm−2程度および50keVで、3×1012cm−2程度で行ったが、この条件を以下のように変えても良い。
【0056】
即ち、基板1にp型不純物(例えばホウ素)を、100keVで、1.5×1013cm−2程度、50keVで、1.5×1012cm−2程度でイオン打ち込みし、熱処理で不純物を拡散させることによって、基板1にp型ウエル3を形成する。
【0057】
このように、不純物の注入エネルギーを小さくする等によって、浅いウエルを形成することができる。このようにウエルの深さを浅くすると、ソフトエラー耐性が向上する。
【0058】
また、実施の形態1においては、チャネル不純物領域やポケット領域の不純物の注入を、80keVで、3.6×1012cm−2程度で行ったが、この条件を以下のように変えても良い。
【0059】
即ち、基板1の上部から基板1のp型ウエル3にホウ素(B、p型不純物)を、ゲート電極下のチャネルインプラ用に、120keVで、7×1012cm−2程度のp型不純物(ホウ素)を注入する。これに加えて、後述するエクステンションのゲート側の端部を覆う、いわゆるポケット領域(ハロー領域)用に、40keVで、2×1012cm−2程度のp型不純物(ホウ素)を注入する。このように、2種のインプラ条件を組み合わせて注入してもよい。
【0060】
図13は、実施の形態1で説明した図10と対応するグラフであり、エクステンション領域のゲート電極側の端部、即ち、図9のA−A部(エクステンション領域およびその周囲のポケット領域)近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。なお、グラフCおよびグラフC’は、エクステンション領域の不純物濃度を示す。また、縦軸(Concentration)は、不純物濃度(atoms/cm2)、横軸(depth)は、基板表面からの深さ(μm)を示す。
【0061】
実施の形態1で説明した場合(a)と比較して、本実施の形態のグラフb’の場合は、不純物濃度の均一性が図れ、また、エクステンション領域とポケット領域との接合耐圧を確保することができる。
【0062】
図14は、実施の形態1で説明した図11と対応するグラフであり、ゲート電極下、即ち、図9のB−B部近傍の不純物濃度と基板表面からの深さとの関係を示したものである。
【0063】
実施の形態1で説明した場合(a)と比較して、本実施の形態のグラフb’の場合は、不純物濃度の均一性が図れ、その後に、ゲート酸化膜の熱処理工程がないため、かかる処理による不純物濃度の変化を防止することができる。
【0064】
このように、本実施の形態においても実施の形態1で説明した効果を奏することができる。
【0065】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0066】
特に、実施の形態1および2においては、MISFETを例に説明したが、このようなMISFETを有するマイコン、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、DRAM(Dynamic Random Access Memory)およびSRAM(Static Random Access Memory)や不揮発性メモリ等、ゲート電極および不純物領域を有する半導体集積回路装置に適用可能である。
【0067】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0068】
半導体基板主表面にゲート絶縁膜を介しゲート電極を形成し、ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する半導体集積回路装置の製造方法の、ゲート電極形成後に、半導体基板上から第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入し、ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成するとともに第1の不純物領域のゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成したので、MISFETの特性を向上させることができる。また、TATの短縮を図ることができる。さらに、製品歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図3】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図6】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図7】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図8】本発明の実施の形態1の半導体集積回路装置の製造方法を示す基板の要部断面図である。
【図9】図8のnチャネル型MISFETQn近傍の部分拡大図(基板の要部断面図)である。
【図10】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図11】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図12】本発明の実施の形態1である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図13】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【図14】本発明の実施の形態2である半導体集積回路装置の不純物濃度のシュミレーション結果を示すグラフである。
【符号の説明】
1 半導体基板(基板)
2 素子分離
3 p型ウエル
4 n型ウエル
7 酸化シリコン膜
8 ゲート酸化膜
9 多結晶シリコン膜
10 窒化シリコン膜
12 n−型半導体領域(エクステンション)
13 p−型半導体領域(エクステンション)
14 窒化シリコン膜
15 n+型半導体領域
16 p+型半導体領域
CH チャネル不純物領域
G ゲート電極
PK ポケット領域
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
SW サイドウォールスペーサ
Claims (5)
- (a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、
(c)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から第1導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に不純物領域を形成する工程と、
(d)前記ゲート電極の両側に第2導電型の不純物を注入することによって、ソース、ドレイン領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 - (a)半導体基板主表面に、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に導電性膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、
(c)前記ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する工程と、
を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、
(d)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成し、前記第1の不純物領域の前記ゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 - (a)半導体基板主表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記ゲート絶縁膜上に多結晶シリコン膜を形成し、パターニングすることによりゲート電極を形成する工程と、
(c)前記ゲート電極の両側に第1導電型の不純物を注入することによって、第1の不純物領域を形成する工程と、
を有する半導体集積回路装置の製造方法であって、
(d)前記(b)工程の後、前記半導体基板上から前記第1導電型と逆導電型である第2導電型の不純物を注入することにより、前記ゲート電極の下部に第2の不純物領域を形成し、前記第1の不純物領域の前記ゲート電極側の端部を覆う第3の不純物領域を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 - 請求項2または3記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記(d)工程の前記第2導電型の不純物の注入は、斜めインプラであることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。 - 請求項2または3記載の半導体集積回路装置の製造方法において、
前記(d)工程の後、前記ゲート電極の側壁に側壁膜を形成し、さらに、前記ゲート電極の両側に前記第1導電型の不純物を注入することによって、前記第1の不純物領域より高濃度の第4の不純物領域を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
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-
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