JP2743828B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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Description
特に、LDD(Lightly Doped Drain)構造を有するたと
えばCMOS半導体装置の製造方法に関する。
に伴ない、ホットキャリアによる素子の劣化が顕著とな
ってきた。このため、最近、LDD構造のMOSトラン
ジスタが開発されている。
造を有するCMOS製造方法を説明する。
ン単結晶基板1上にP型ウエル2及びN型ウエル3を形
成し、LOCOSを用いてフィールド酸化層4によって
Nチャネル型MOSトランジスタ形成領域(以下、NM
OS形成領域)とPチャネル型MOSトランジスタ形成
領域(以下、PMOS形成領域)とに区画する。次に、
図8の(B)を参照すると、後述のりん(P)含有のゲ
ート電極とP型ウエル2との仕事関数とりん含有のゲー
ト電極とN型ウエル3との仕事関数との差のためにNM
OSトランジスタのしきい値電圧はPMOSトランジス
タのしきい値電圧より小さくなる。このため、しきい値
電圧を調整するために、NMOS形成領域及びPMOS
形成領域に個々にあるいは別々にボロン(B)をイオン
注入する。たとえば、10〜30keVの低エネルギ
ー、2〜6×1012/cm2のボロンを注入する。これ
により、P型ウエル2及びN型ウエル3上に薄いP型不
純物層5、6が形成される。この結果、NMOS形成領
域にはPN接合は存在しないが、PMOS形成領域には
PN接合が存在する。次に、図8の(C)を参照する
と、熱酸化法によりゲート酸化層7を形成する。その上
に、N型不純物たとえばりんを含むポリシリコンをCV
D法により形成し、パターニングしてゲート電極8、9
を形成する。なお、以後、P型不純物層5、6は図示省
略する。
S形成領域にフォトレジスト層10を形成し、このフォ
トレジスト層10をマスクとしてPMOS形成領域にボ
ロンをイオン注入してPMOSのソース、ドレイン領域
のLDD構造の薄いP型不純物層11を形成する。そし
て、フォトレジスト層10を除去する。同様に、図9の
(B)を参照すると、PMOS形成領域にフォトレジス
ト層12を形成し、このフォトレジスト層12をマスク
としてNMOS形成領域にりん(P)をイオン注入して
NMOSのソース、ドレイン領域のLDD構造の薄いN
型不純物層13を形成する。そして、フォトレジスト層
12を除去する。
ート電極8、9の側壁に側壁絶縁層(サイドウォール
層)14、15を形成する。すなわち、全面にシリコン
酸化層をCVD法により形成し、これを異方性エッチン
グ法によりバックエッチすることにより側壁絶縁層1
4、15を形成する。次に、図10の(B)を参照する
と、NMOS形成領域にフォトレジスト層16を形成
し、このフォトレジスト層16をマスクとしてPMOS
形成領域に2フッ化ボロン(BF2)をイオン注入して
PMOSのソース、ドレイン領域のLDD構造の濃いP
型不純物層17を形成する。そして、フォトレジスト層
16を除去する。同様に、図10の(C)を参照する
と、PMOS形成領域にフォトレジスト層18を形成
し、このフォトレジスト層18をマスクとしてNMOS
形成領域にひ素(AS)をイオン注入してNMOSのソ
ース、ドレイン領域のLDD構造の薄いN型不純物層1
9を形成する。そして、フォトレジスト層18を除去す
る。その後、アニールして不純物を活性化させる。
絶縁層20を形成し、この層間絶縁層21の所定位置に
コンタクトホール22を形成する。次いで、アルミニウ
ム配線層22を形成してパターニングする。これによ
り、LDD構造を有するCMOS構造が完成する。
従来のCMOS製造方法においては、LDD構造を形成
するためのマスク工程が多く、たとえば、図9のフォト
レジスト層10、12及び図11のフォトレジスト層1
6、18の形成のために4回のマスク工程が必要であ
り、この結果、製造コストが高くなるという課題があっ
た。
用いているために、PMOSトランジスタは埋込みチャ
ネル型MOSトランジスタとなる。埋込みチャネル型ト
ランジスタはキャリアがシリコン基板とゲート酸化層と
の界面より深いところを流れるので、表面の散乱を受け
にくく表面チャネル型トランジスタよりも移動度が大き
いという長所がある反面、ドレイン領域、チャネル領域
及びソース領域が同じ型の不純物層でつながっているの
で、パンチスルーが起こり易い。つまり、このパンチス
ルーは、ドレイン電圧が直接ソース境界部のポテンシャ
ルエネルギーを押し下げてしまい、ソース領域とドレイ
ン領域と間に電流が流れてしまう状態のことである。こ
のように、埋込みチャネル型トランジスタでは基板より
深い所でパンチスルーが起こりやすい。なお、基板表面
付近で起こるパンチスルーは特に表面パンチスルーと呼
ばれ、それに対し、表面ではなく基板の深いところで起
こるパンチスルーは特に基板パンチスルーと呼ばれてい
る(参照:「サブミクロンデバイスI」、小柳光正、丸
善株式会社発行)。そのためパンチスルーを抑えながら
マスク工程数を増やすことなくLDD構造のMOSトラ
ンジスタを製造するための方法が知られている(参照:
特開平2−22862号公報)。すなわち、PMOSト
ランジスタのパンチスルーを抑えるためPMOSトラン
ジスタにN−ポケットを形成する。そしてこのN−ポケ
ット形成のためのイオン注入がNMOSトランジスタの
LDD層にもなるので、NMOSトランジスタのLDD
形成のためのマスク工程が不要になる。しかしながら、
この方法ではPMOSトランジスタにもLDD構造を適
用したときにはNMOSトランジスタのLDD層形成の
ためのマスク工程は削減できても、PMOSトランジス
タのLDD層形成のためのマスク工程は削減できない。
また、パンチスルーはPMOSトランジスタだけでなく
NMOSトランジスタでも問題となるがこの方法ではN
MOSトランジスタのパンチスルーを抑えることができ
ないという課題がある。
ための特別なマスク工程を追加することなくNMOSト
ランジスタ及びPMOSトランジスタ双方にLDD構造
を実現し、かつNMOSトランジスタ及びPMOSトラ
ンジスタの双方にパンチスルーを抑えることである。ま
た、他の目的は、PMOSトランジスタのパンチスルー
を抑えるポケット層の新規な形成を提供することにあ
る。
めに本発明は、ゲート電極形成後にNMOS形成領域及
びPMOS形成領域の双方に深いP型不純物層及び浅い
N型不純物層を注入し、これにより、NMOS形成領域
におけるLDD構造の薄いN型不純物層及びP型ポケッ
ト層を形成し、同時に、PMOS形成領域におけるLD
D構造の薄いP型不純物層及びN型ポケット層を形成す
る。次いで、ゲート電極に側壁絶縁層を形成した後にN
MOS形成領域にはN型不純物を注入し、NMOS形成
領域にはP型不純物を注入し、これにより、NMOS形
成領域及びPMOS形成領域の双方にLDD構造の濃い
不純物層を形成する。また、本発明は、PMOSトラン
ジスタにおけるLDD構造の薄いP型不純物層の直下に
N型ポケット層を設けた。
おけるLDD構造の薄い不純物層及びポケット層の形成
をマスク工程を用いずに行える。また、表面チャネル型
NMOSトランジスタにおいては、P型ポケットが基板
パンチスルーを効果的に抑え、埋込み型PMOSトラン
ジスタにおいては、N型ポケットが表面パンチスルーを
効果的に抑える。
の一実施例を説明する断面図である。
(A)と同様に、シリコン単結晶基板1上にP型ウエル
2及びN型ウエル3を形成し、LOCOSを用いてフィ
ールド酸化層4によってNMOS形成領域とPMOS形
成領域とに区画する。次に、図1の(B)を参照する
と、図8の(B)と同様に、しきい値電圧を調整するた
めに、NMOS形成領域及びPMOS形成領域に個々に
あるいは別々にボロンをイオン注入する。たとえば、1
0〜30keVの低エネルギー、2〜6×1012/cm
2のボロンを注入する。これにより、P型ウエル2及び
N型ウエル3上に薄いP型不純物層5、6が形成され
る。次に、図1の(C)を参照すると、図8の(C)と
同様に、熱酸化法によりゲート酸化層7を形成する。そ
の上に、N型不純物たとえばりんを含むポリシリコンを
CVD法により形成し、パターニングしてゲート電極
8、9を形成する。
不純物たとえば、ボロンを全面にイオン注入する。たと
えば、エネルギー20〜40keV、注入個数5×10
12〜3×1013/cm2 である。これにより、低濃度のP
型不純物層31、32が形成される。ここで、P型不純
物層31はNMOSトランジスタのP型ポケット層の作
用をし、P型不純物層32はPMOSトランジスタのL
DD構造の薄い不純物層の作用をする。次に、図2の
(B)を参照すると、N型不純物たとえばりんを全面に
イオン注入する。たとえば、エネルギー20〜40ke
V、注入個数1×1012〜1×1015/cm2 である。こ
れにより、低濃度のN型不純物層33、34が形成され
る。この場合、N型不純物層33、34の方がP型不純
物層31、32より浅くなるように、つまり、りんの投
影飛程(RP )の方がボロンの投影飛程より小さくなる
ように注入エネルギーが設定されている。ここで、N型
不純物層33はNMOSトランジスタのLDD構造の薄
い不純物層の作用をし、N型不純物層34はPMOSト
ランジスタのN型ポケット層の作用をする。
ート電極8、9の側壁にたとえば500〜1500Å厚
さの側壁絶縁層(サイドウォール層)14、15を形成
する。すなわち、全面にシリコン酸化層をCVDにより
形成し、これを異方性エッチング法によりバックエッチ
することにより側壁絶縁層14、15を形成する。次
に、図3の(B)を参照すると、NMOS形成領域にフ
ォトレジスト層16を形成し、このフォトレジスト層1
6をマスクとしてPMOS領域に2フッ化ボロン(BF
2)をイオン注入してPMOSのソース、ドレイン領域
のLDD構造の濃いP型不純物層17を形成する。そし
て、フォトレジスト層16を除去する。同様に、図3の
(C)を参照すると、PMOS形成領域にフォトレジス
ト層18を形成し、このフォトレジスト層18をマスク
としてNMOS形成領域にひ素(AS)をイオン注入し
てNMOSのソース、ドレイン領域のLDD構造の薄い
N型不純物層19を形成する。そして、フォトレジスト
層18を除去する。その後、アニールして不純物を活性
化させる。
層21を形成し、この層間絶縁層21の所定位置にコン
タクトホール22を形成する。次いで、アルミニウム配
線層22を形成してパターニングする。これにより、L
DD構造を有するCMOS構造が完成する。
は、P型不純物層31はN型不純物層33のポテンシャ
ルの拡がりを抑えるP型ポケットとして作用し、PMO
S形成領域においては、N型不純物層34はP型不純物
層32のポテンシャルの拡がりを抑えるN型ポケットと
して作用する。
MOSトランジスタのPN接合のシュミレーション結果
である。すなわち、ゲート電極端直下のシリコン基板
(Nウエル3)表面にはN型の不純物層(表面ポケッ
ト)ができている。この結果、基板表面でのポテンシャ
ルの広がりを効率的に抑える。なお、P型不純物拡散層
6、32、17は最終的に熱処理したことで拡散し表面
ポケットを覆うようにつながる。また、シュミレーショ
ンに用いた諸々の変数の値によっては表面ポケットはN
型不純物層にはならず、P型層のままとなることがある
が、それでもN型不純物拡散層34を形成しない場合に
比べて濃度の薄いP型不純物拡散層となり、ポテンシャ
ルの広がりを抑えるポケットとしての効果を保持する。
た基板中の1次元不純物濃度である。この図からもゲー
ト電極直下のシリコン基板の表面にはチャネル領域のP
型不純物拡散層よりも薄いP型不純物拡散層またはN型
不純物拡散層ができることがわかる。このシュミレーシ
ョンの例ではN型不純物拡散層ができている。
MOSトランジスタにおいて、ドレインに所定の電圧を
印加してもパンチスルーを起こさずに実現できた最小の
ゲート電極長とLDD形成のためのイオン注入の注入量
との関係を示す。図7の(A)はNMOSトランジスタ
のゲート電極長とP型不純物の注入量との関係を示す。
図7の(B)はPMOSトランジスタのゲート電極長と
N型不純物の注入量との関係を示す。このように、NM
OSトランジスタにP型不純物を、PMOSトランジス
タにN型不純物を注入することにより、両トランジスタ
にポケットが形成されるので、両トランジスタともゲー
ト長の微細化が図れ、半導体装置の集積度を向上でき
る。
(B)において、P型不純物層17を形成後にN型不純
物層19を形成しているが、N型不純物層19を形成後
にP型不純物層17を形成してもよい。
LDD構造のCMOS装置において、NMOSの基板パ
ンチスルーを効果的に抑えるP型ポケット及びPMOS
の表面パンチスルーを効果的に抑えるN型ポケットを特
別のマスク工程を付加せずに製造できるだけでなく、従
来必要であったLDD層形成のためのマスク工程を削減
できるので製造コストを低減できる。また、特に、埋込
み型PMOSにおいて、表面パンチスルーを抑えること
により高集積化に寄与できる。
明する断面図である。
明する断面図である。
明する断面図である。
明する断面図である。
る。
起こさない最小ゲート長とポケットへのイオン注入量と
の関係を示すグラフである。
る。
る。
ある。
ある。
Claims (6)
- 【請求項1】 LDD構造の埋込みチャネル型の第1の
導電型MOSトランジスタ及び表面チャネル型の第2の
導電型MOSトランジスタをそれぞれ同一基板上の第1
の半導体領域及び第2の半導体領域に製造する半導体装
置の製造方法において、 前記第1の半導体領域及び第2の半導体領域上にゲート
酸化層を形成する工程と、 該ゲート酸化層上に前記第1の導電型MOSトランジス
タのゲート電極及び前記第2の導電型MOSトランジス
タのゲート電極を形成する工程と、 前記各ゲート電極をマスクとして第1の導電型不純物を
イオン注入して前記第1の導電型MOSトランジスタの
LDD構造の薄い不純物層及び前記第2の導電型MOS
トランジスタのポケット層を同時に形成する工程と、 前記各ゲート電極をマスクとして前記第1の導電型不純
物のイオン注入の投影飛程より小さい投影飛程で第2の
導電型不純物をイオン注入して前記第1の導電型MOS
トランジスタのポケット層及び前記第2の導電型MOS
トランジスタの薄い不純物層を同時に形成する工程と、 前記各ゲート電極の側壁絶縁層を形成する工程と、 前記第2の半導体領域をマスクし前記第1の導電型MO
Sトランジスタの前記ゲート電極及び前記側壁絶縁層を
マスクとして前記第1の半導体領域に第1の導電型不純
物を前記第1の導電型MOSトランジスタのLDD構造
の薄い不純物層より深くイオン注入する工程と、 前記第1の半導体領域をマスクし前記第2の導電型MO
Sトランジスタの前記ゲート電極及び前記側壁絶縁層を
マスクとして前記第2の半導体領域に第2の導電型不純
物を前記第2の導電型MOSトランジスタのLDD構造
の薄い不純物層より深くイオン注入する工程と、 前記イオン注入された不純物を活性化させるためにアニ
ールする工程とを具備することを特徴とする半導体装置
の製造方法。 - 【請求項2】 前記第1の導電型MOSトランジスタは
PチャネルMOSトランジスタであり、前記第2の導電
型MOSトランジスタはNチャネルMOSトランジスタ
であり、前記各第1の導電型不純物はP型不純物であ
り、前記各第2の導電型不純物はN型不純物である請求
項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】 LDD構造の埋込みチャネル型の第1の
導電型MOSトランジスタ及び表面チャネル型の第2の
導電型MOSトランジスタをそれぞれ同一基板上の第1
の半導体領域及び第2の半導体領域に製造する半導体装
置の製造方法において、 前記第1の半導体領域及び第2の半導体領域上にゲート
酸化層を形成する工程と、 該ゲート酸化層上に前記第1の導電型MOSトランジス
タのゲート電極及び前記第2の導電型MOSトランジス
タのゲート電極を形成する工程と、 前記各ゲート電極をマスクとして第1の導電型不純物を
イオン注入して前記第1の導電型MOSトランジスタの
LDD構造の薄い不純物層及び前記第2の導電型MOS
トランジスタの第1の導電型ポケット層を同時に形成す
る工程と、 前記各ゲート電極をマスクとして前記第1の導電型不純
物のイオン注入の投影飛程より小さい投影飛程で第2の
導電型不純物をイオン注入して前記第1の導電型MOS
トランジスタの第2の導電型ポケット層及び前記第2の
導電型MOSトランジスタの薄い不純物層を同時に形成
する工程と、前記各ゲート電極の側壁絶縁層を形成する工程と 、 前記第2の半導体領域を第1のフォトレジスト層を用い
て覆い前記第1の導電型MOSトランジスタの前記ゲー
ト電極及び前記側壁絶縁層をマスクとして前記第1の半
導体領域に第1の導電型不純物を前記第1の導電型MO
SトランジスタのLDD構造の薄い不純物層より深くイ
オン注入した後に前記第1のフォトレジスト層を除去す
る工程と、前記第1の半導体領域を第2のフォトレジスト層を用い
て覆い前記第2の導電型MOSトランジスタの前記ゲー
ト電極及び前記側壁絶縁層をマスクとして前記第2の半
導体領域に第2の導電型不純物を前記第2の導電型MO
SトランジスタのLDD構造の薄い不純物層より深く イ
オン注入した後に前記第1のフォトレジスト層を除去す
る工程と、 前記イオン注入された不純物を活性化させるためにアニ
ールする工程とを具備することを特徴とする半導体装置
の製造方法。 - 【請求項4】 LDD構造の埋込みチャネル型の第1の
導電型MOSトランジスタ及び表面チャネル型の第2の
導電型MOSトランジスタをそれぞれ同一基板上の第1
の半導体領域及び第2の半導体領域に具備する半導体装
置において、 前記第1の半導体領域及び第2の半導体領域上に形成さ
れたゲート酸化層と 、該ゲート酸化層上に形成された前記第1の導電型MOS
トランジスタのゲート電極及び前記第2の導電型MOS
トランジスタのゲート電極と、 前記各ゲート電極に形成された側壁絶縁層と 、前記第1の導電型MOSトランジスタの側壁絶縁層直下
の前記第1の半導体領域に形成された第1のポケット層
及び該第1のポケット層下に形成されたLDD構造の薄
い第1の導電型不純物層と、 前記第1の半導体領域に形成され、前記第1のポケット
層及び前記LDD構造の薄い第1の導電型不純物層に接
触したLDD構造の濃い第1の導電型不純物層と、 前記第2の導電型MOSトランジスタの側壁絶縁層直下
の前記第2の半導体領域に形成されたLDD構造の薄い
第2の導電型不純物層及び該LDD構造の薄い第2の導
電型不純物層下に形成された第2のポケット層と、 前記第2の半導体領域に形成され、前記第2のポケット
層及び前記LDD構造の薄い第2の導電型不純物層に接
触したLDD構造の濃い第2の導電型不純物層と、 を具備する半導体装置 。 - 【請求項5】N型半導体領域(3)と、 該N型半導体領域上に形成されたゲート酸化層(7)
と、 該ゲート酸化層上に形成されたゲート電極(9)と、 該ゲート電極中央直下の前記N型半導体領域表面に設け
られた第1のP型不純物拡散層(6)と、 前記ゲート電極端直下の前記N型半導体領域表面に設け
られたポケット層としてのN型不純物拡散層(34)と
該N型不純物拡散層の直下に設けられた第2のP型不純
物拡散層(32)と、 該第2のP型不純物拡散層の両端に該第2のP型不純物
拡散層より濃い第3のP型不純物拡散層(17)と、 を具備するLDD構造PMOSトランジスタ。 - 【請求項6】N型半導体領域(3)と、 該N型半導体領域上に形成されたゲート酸化層(7)
と、 該ゲート酸化層上に形成されたゲート電極(9)と、 該ゲート電極中央直下の前記N型半導体領域表面に設け
られた第1のP型不純物拡散層(6)と、 前記ゲート電極端直下の前記N型半導体領域表面に設け
られた前記第1のP型不純物拡散層より薄いポケット層
としてのN型不純物拡散層(34)と該N型不純物拡散
層の直下に設けられた第2のP型不純物拡散層(32)
と、 該第2のP型不純物拡散層の両端に該第2のP型不純物
拡散層より濃い第3のP型不純物拡散層(17)と、 を具備するLDD構造PMOSトランジスタ。
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