JP2004186667A - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】注入された不純物の均一な分布特性を確保し、低い動作電圧のトランジスタ又はフラッシュメモリセルを製造することが可能な半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体素子を形成するために所定の工程が行われた半導体基板101を提供する段階と、イオン注入工程でイオン注入層103を形成する段階と、洗浄工程でイオン注入層の不純物濃度を調節する段階とを含む。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、特に、トランジスタ又はメモリ素子のしきい値電圧を調節するためのイオン注入層の均一度を向上させ、素子の低い動作電圧を確保することが可能な半導体素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体素子を形成するためには、蒸着工程、エッチング工程及びイオン注入工程を必須的に行わなければならない。
【0003】
以下、フラッシュメモリ素子の製造工程を簡略に説明する。まず、イオン注入工程により活性領域にウェルとしきい値電圧調節用イオン注入層を順次形成し、トンネル酸化膜及び第1ポリシリコン層の積層構造をワードライン方向と垂直方向のパターンに形成した後、誘電体膜及び第2ポリシリコン層を順次形成する。次に、第2ポリシリコン層及び誘電体膜をパターニングしてコントロールゲートを形成し、第1ポリシリコン層をパターニングしてフローティングゲートを形成することにより、フラッシュメモリ素子が製造される。
【0004】
前記において、素子分離膜は、トンネル酸化膜及び第1ポリシリコン層を形成し、第1ポリシリコン層上にパッド窒化膜を形成した状態で、パターニング工程により第1ポリシリコン層及びトンネル酸化膜をパターニングしてトレンチを形成し、絶縁物質を埋め込んで形成する。このようにSA−STI(Self Aligned−Shallow Trench Isolation)構造を適用して素子分離膜を形成すると、トンネル酸化膜の損傷を最小化し、トンネル酸化膜があまり薄く形成されることを防止することができる。
【0005】
一方、前記工程を用いてNAND型フラッシュ素子においてXデコード用トランジスタとセルトランジスタとして用いる高電圧NMOSトランジスタを製造する場合には、pウェル領域と接合領域に高電圧が印加されるため、ソース/ドレイン接合領域を一般的なプラス接合で形成することができず、DDD(Double Doped Drain)接合工程とプラグイオン注入工程を用いてソース/ドレイン接合を形成する。ところが、このようなDDD接合も、高電圧の印加に対するブレークダウン電圧特性を向上させるために、不純物の注入量を減らさなければならない。これにより、トランジスタにおいて要求される1.0V以下の動作電圧が高くなるうえ、チャネル領域のしきい値電圧を調節するために注入される不純物の量でも、1.0V以下の動作電圧を確保することが難しい。また、一般に中間電流イオン注入機(Mediumcurrent ion implanter)を用いてしきい値電圧調節用イオン注入層を形成しているが、均一なイオン注入分布の確保に必要な最小限のイオン注入によってしきい値電圧を調節する際、1.0V以下の動作電圧を確保することが一層難しい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、トランジスタやフラッシュメモリセルなどの半導体素子のしきい値電圧を調節するためのイオン注入工程の際に均一度を確保することが可能な最少量の不純物を注入した後、洗浄工程で注入された不純物を外部拡散(out diffusion)させて不純物の残留量を調節することにより、注入された不純物の均一な分布特性を確保し、低い動作電圧のトランジスタ又はフラッシュメモリセルを製造することが可能な半導体素子の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体素子を形成するために所定の工程が行われた半導体基板を提供する段階と、イオン注入工程でイオン注入層を形成する段階と、洗浄工程でイオン注入層の不純物濃度を調節する段階とを含む半導体素子の製造方法を提供する。
【0008】
イオン注入層は5〜50keVのエネルギーで1E11〜1E13ion/cmの不純物を注入して形成することができる。この際、不純物は硼素を使用することができ、3〜13°の角度で注入することができる。
【0009】
一方、洗浄工程は、フッ酸系列の溶液を用いて行い、不純物をアウトガス(ガス抜け)させて不純物の濃度を減少させる。この際、フッ酸系列の溶液は原液をそのまま使用するか、或いはHOとHFが1:1〜50:1の割合で混合されて希釈されたフッ化水素酸を使用することができる。このような洗浄工程は溶液の濃度又は進行時間を調節して残留不純物の濃度を調節することができる。洗浄工程の際、SC−1(NHOH/H/HO)溶液を共に添加して半導体基板表面の自然酸化膜を取り除くことにより、不純物のアウトガス(ガス抜け)を活性化することができる。
【0010】
不純物濃度の調節後には、半導体基板上にトンネル酸化膜及び第1ポリシリコン層を順次形成した後、パターニングを行う段階と、半導体基板の素子分離領域に素子分離膜を形成する段階と、半導体基板の全体上部に誘電体膜、第2ポリシリコン層及びシリサイド層を順次形成する段階と、コントロールゲートマスクを用いたエッチング工程によりシリサイド層、第2ポリシリコン層及び誘電体膜を順次パターニングする段階と、自己整合エッチング工程により第1ポリシリコン層をパターニングする段階と、第1ポリシリコン層の周辺の半導体基板にソース/ドレインを形成する段階とをさらに含むことができる。この際、ソース/ドレインはDDDジャンクション構造で形成することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例をより詳細に説明する。ところが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形実現が可能である。これらの実施例は本発明の開示を完全にし、当技術分野で通常の知識を有する者に本発明の範疇を知らせるために提供されるものである。一方、図面上において、同一の符号は同一の要素を示す。
【0012】
図1および図2は、本発明の実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するための素子の断面図である。
【0013】
図1(a)を参照すると、イオン注入工程で半導体基板101にウェル102を形成する。次に、トランジスタやフラッシュメモリセルなどの半導体素子のしきい値電圧を調節するために、イオン注入工程によりウェル102の所定の深さにイオン注入層103を形成する。ここで、ウェル102は後続工程で形成される半導体素子の動作電圧に応じてトリプルウェル構造又は単一ウェル構造とすることができる。高電圧NMOSトランジスタが形成される領域にはイオン注入を行わず、p型基板自体をウェルのように使用することができる。
【0014】
一方、しきい値電圧を調節するためのイオン注入層103は、5〜50keVのエネルギーで1E11〜1E13ion/cmの不純物を注入して形成することができる。この際、不純物として硼素を使用することができる。また、不純物の注入からチャネリングが発生することを防止するために、不純物を3〜13°の角度で注入することをできる。
【0015】
図1(b)を参照すると、後続工程で形成されるトランジスタ又はフラッシュメモリセルのしきい値電圧を調節するために、イオン注入層103の不純物濃度を減少させる。ここで、イオン注入層103の不純物濃度は洗浄工程で硼素をアウトガスさせて減少させることができるが、洗浄工程は、フッ酸系列の溶液として原液を用いるか、或いはHOとHFが1:1〜50:1の割合で混合されて希釈されたフッ化水素酸を用いて行うことができる。このような洗浄工程は、溶液の濃度又は進行時間を調節して残留不純物の濃度を調節することもできる。一方、SC−1(NHOH/H/HO)溶液を共に添加して半導体基板表面の自然酸化膜を取り除くことにより、不純物のアウトガスを活性化することができる。
【0016】
このようにしきい値電圧調節用イオン注入層103の不純物濃度を洗浄工程で減少させる場合、不純物分布特性は次の通りである。図3は図1(b)で不純物の濃度を調節した後、深さによる不純物分布特性を示す特性グラフである。
【0017】
図3を参照すると、正常的に不純物注入工程が行われた後には、第1曲線201のような不純物の分布特性を示す。その後、不純物の活性化のために急速熱処理を行う場合には、第2曲線202のような不純物の分布特性を示す。一方、上述したように、洗浄工程でイオン注入層103の不純物濃度を調節した場合には、第3曲線203のような不純物の分布特性を示す。第2曲線202の特性と第3曲線203の特性とを比較すると、洗浄工程で不純物の濃度を低めた場合と急速熱処理を行った場合は、不純物の濃度に差異があるだけで、ほぼ類似の分布特性を有するパターンであることが分かる。このように同一の分布パターンで均一な分布特性を確保しながら不純物の濃度のみを低めることにより、素子の動作電圧を1.0V以下に低めることが可能になる。
【0018】
ウェル102が形成された半導体基板101にトランジスタ又はフラッシュメモリセルを形成することができる。次に、フラッシュメモリセルを形成する場合を説明する。
【0019】
図1(c)を参照すると、半導体基板101上にトンネル酸化膜104及びフローティングゲートを形成するための第1ポリシリコン層105を順次形成する。ここで、トンネル酸化膜104は750〜800℃の温度でウェット酸化工程により形成した後、900〜910℃の温度と窒素雰囲気中で20〜30分間アニーリングを行い、半導体基板101とトンネル酸化膜104との界面の欠陥密度を最小化する。一方、第1ポリシリコン層105は、SiH又はSiとPHガスとを用いて580〜620℃の温度と0.1〜3Torrの低圧条件でLPCVD法によって、グレーンサイズが最小化されたドープトポリシリコン層に形成する。この際、ドープトポリシリコン層は、不純物Pの濃度を1.5E20〜3.0E20atoms/ccのレベルに調節し、250〜500Åの厚さに形成する。
【0020】
図2(a)を参照すると、第1ポリシリコン層105上に、素子分離領域が定義されたパッド窒化膜(図示せず)を形成した後、第1ポリシリコン層105及びトンネル酸化膜104を順次パターニングする。この際、パッド窒化膜はLPCVD法を用いて900〜2000Åの厚さに形成することができる。次に、素子分離領域の基板101をエッチングしてトレンチを形成した後、絶縁物質を埋め込んでSTI(Shallow Trench Isolation)構造の素子分離膜106を形成する。
【0021】
図2(b)を参照すると、パッド窒化膜を除去した後、誘電体膜107、コントロールゲートを形成するための第2ポリシリコン層108及びシリサイド層109を順次形成する。この際、誘電体膜107を形成する前に、フローティングゲートのカップリング比を増加させるために、第1ポリシリコン層105上にポリシリコン層をさらに形成することもできる。次に、コントロールゲートマスクを用いたエッチング工程によりシリサイド層109、第2ポリシリコン層108及び誘電体膜107を順次パターニングした後、自己整合エッチング工程で第1ポリシリコン層105をパターニングする。
【0022】
前記において、第1ポリシリコン層105上に追加形成されるポリシリコン層は、400〜1000Åの厚さに形成することができる。一方、誘電体膜107はSiO/Si/SiOが順次積層されたONO構造にすることができる。この際、SiO膜は耐圧特性とTDDB特性に優れたDCS(SiHCl)とNOガスをソースガスとして用いて形成したHTO膜を35〜60Åの厚さに形成し、600〜700℃のローディング温度で半導体基板をチャンバに装着した後、0.1〜3Torrの低圧と810〜850℃の温度でLPCVD法によって形成する。一方、Si膜は50〜65Åの厚さに形成し、NH及びDCSガスを用いて1〜3Torrの圧力と650〜800℃の温度でLPCVD法によって形成する。
【0023】
図2(c)を参照すると、第1ポリシリコン層105の周辺の基板101にソース/ドレイン110を形成する。この際、ソース/ドレイン110は、DDDジャンクション構造で形成し、高電圧に対するブレークダウン電圧を増加させることができる。このように高電圧半導体素子を製造するために、ソース/ドレイン110をDDDジャンクション構造とする場合、一般電圧で動作する半導体素子のチャネルジャンクション内にはさらに低いポジティブ型のドーピングが要求される。
【0024】
これにより、動作電圧の低いフラッシュメモリセルが製造される。
【0025】
上述したしきい値電圧調節用イオン注入層の不純物濃度を調節する工程は、しきい値電圧調節用イオン注入層にのみ限定されて適用されるのではなく、イオン注入工程を行った後不純物の濃度を調節しようとするいずれの工程にも適用することができる。
【0026】
【発明の効果】
本発明は、上述した方法によって次のような効果を得ることができる。
【0027】
第一に、洗浄工程でしきい値電圧調節用イオン注入層の濃度を低めることにより、優れた分布特性を維持しながらイオン注入層を最少の注入量で形成することができる。
【0028】
第二に、従来ではしきい値電圧を調節するために注入された不純物のTED(Transient EnhancedDiffusion)現象を抑制することができず、チャネルジャンクション内にシャローチャネルを形成するためにBFを注入すると、Fのアウトガスによってトンネル酸化膜又はゲート酸化膜の膜質が低下することを防止することが難しかったが、本発明は、表面を基準としたアウトガス(Surfacefocus out gassing)によって硼素の注入のみによってもTED現象又は酸化膜の膜質低下を防止することができる。
【0029】
第三に、有効チャネル長さ(Effective channel length)内に険しいしきい値電圧調節用不純物分布特性(Vtadjust profile)により、向後のFNトンネリングを用いるNANDフラッシュ素子のホールエフェクトによる酸化膜の膜質低下を予防することにより、優れたデータ保存(retention)特性を確保することができる。
【0030】
第四に、しきい値電圧調節用不純物の残留量(Retained dose)を増加させる原因を提供することにより、現在の純粋熱酸化膜(Purethermal oxide)だけでなく、今後NOゲートのような酸化膜にも弾力的な代替が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するための素子の断面図である。
【図2】本実施例に係る半導体素子の製造方法を説明するための素子の断面図である。
【図3】図1(b)で不純物の濃度を調節した後、深さによる不純物分布特性を示す特性グラフである。
【符号の説明】
101 …半導体基板
102 …ウェル
103 …イオン注入層
104 …トンネル酸化膜
105 …第1ポリシリコン層
106 …素子分離膜
107 …誘電体膜
108 …第2ポリシリコン層
109 …シリサイド層
110 …ソース/ドレイン
201 …第1曲線
202 …第2曲線
203 …第3曲線

Claims (10)

  1. 半導体素子を形成するために所定の工程が行われた半導体基板を提供する段階と、
    イオン注入工程でイオン注入層を形成する段階と、
    洗浄工程でイオン注入層の不純物濃度を調節する段階とを含む半導体素子の製造方法。
  2. 前記イオン注入層は5〜50keVのエネルギーで1E11〜1E13ion/cmの不純物を注入して形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。
  3. 前記不純物が硼素であることを特徴とする請求項2記載の半導体素子の製造方法。
  4. 前記不純物が3〜13°の角度で注入されることを特徴とする請求項2又は3記載の半導体素子の製造方法。
  5. 洗浄工程は、フッ酸系列の溶液を用いて行い、前記不純物をアウトガスさせて不純物の濃度を減少させることを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。
  6. 前記フッ酸系列の溶液は、原液をそのまま使用するか、或いはHOとHFが1:1〜50:1の割合で混合されて希釈されたフッ化水素酸(DilutedHF)を使用することを特徴とする請求項5記載の半導体素子の製造方法。
  7. 前記洗浄工程は溶液の濃度又は進行時間を調節して残留不純物の濃度を調節することを特徴とする請求項1又は5記載の半導体素子の製造方法。
  8. 前記洗浄工程の際、SC−1(NHOH/H/HO)溶液を共に添加して半導体基板表面の自然酸化膜を取り除くことにより、前記不純物のアウトガスを活性化することを特徴とする請求項1又は5記載の半導体素子の製造方法。
  9. 前記不純物の濃度を調節した後には、
    前記半導体基板上にトンネル酸化膜及び第1ポリシリコン層を順次形成した後、パターニングを行う段階と、
    前記半導体基板の素子分離領域に素子分離膜を形成する段階と、
    前記半導体基板の全体上部に誘電体膜、第2ポリシリコン層及びシリサイド層を順次形成する段階と、
    コントロールゲートマスクを用いたエッチング工程により前記シリサイド層、前記第2ポリシリコン層及び前記誘電体膜を順次パターニングする段階と、
    自己整合エッチング工程により前記第1ポリシリコン層をパターニングする段階と、
    前記第1ポリシリコン層の周辺の前記半導体基板にソース/ドレインを形成する段階とをさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の製造方法。
  10. 前記ソース/ドレインはDDD(Double Doped Drain)ジャンクション構造で形成することを特徴とする請求項9記載の半導体素子の製造方法。
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