JP2768202B2 - Mosfet及びその製造方法 - Google Patents

Mosfet及びその製造方法

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JP2768202B2 JP6353993A JP6353993A JP2768202B2 JP 2768202 B2 JP2768202 B2 JP 2768202B2 JP 6353993 A JP6353993 A JP 6353993A JP 6353993 A JP6353993 A JP 6353993A JP 2768202 B2 JP2768202 B2 JP 2768202B2
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正紀 舟木
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Victor Company of Japan Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ポリシリコンのゲート
電極を有するMOSFET(Metal Oxide Semiconducto
r Field Effect Transistor )に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、MOSFETのゲート電極と
して、ポリシリコンがよく用いられているが、ポリシリ
コン電極は、n+ 型とp+ 型の2種類しかなかったた
め、ゲート電極の仕事関数もこの2種類に対応するもの
しかなかった。
【0003】そこで本発明者は、平成3年9月24日出
願の特願平3−271983号にて、ゲート電極の仕事
関数を可変して、MOSFETのしきい値電圧を制御す
る技術の一例を開示した。この技術は、ポリシリコンゲ
ート電極に同量のドナーとアクセプタとを高濃度に注入
した後に熱処理を行うと、そのドナーとアクセプタの注
入量に応じて基板側のゲート酸化膜界面におけるポリシ
リコンゲート電極のドナーとアクセプタの濃度バランス
が可変するので、これを利用してゲート電極の仕事関数
を制御しようとするものであった。
【0004】そして、この技術を使用することにより、
図2のグラフに示すように、MOSFETのしきい値電
圧をゲート電極の仕事関数を用いて約1Vの幅で制御す
ることが可能となる。なお、図2は、ポリシリコンゲー
ト電極の厚さが0.590μmと0.380μmの2種
類のMOSFETのそれぞれのポリシリコンゲート電極
に注入する不純物の量を可変させて、しきい値電圧の変
化を測定した結果を示したグラフであり、同図中、横軸
は、単位面積あたりのリン(P)及びボロン(B)の注
入量を示し、縦軸は、しきい値電圧(Vth)を示してい
る。
【0005】また、この理由を図3に示す不純物濃度プ
ロファイルを用いて説明すると、同図は、ポリシリコン
にP,Bを共に4×1016cm-2注入したときの不純物
濃度プロファイルを示すグラフであり、ポリシリコン膜
表面から深さ約0.1μmのところでは、BよりもPの
濃度の方が濃く、この部分ではn+ 型となっている。そ
して、深さ約0.1〜0.3μmのところでは、Pより
もBの濃度の方が濃く、この部分ではp+ 型となってお
り、0.3μmからゲート酸化膜との境界面までの0.
38μmのところでは、再びBよりもPの濃度の方が濃
く、この部分ではn+ 型となっている。これは、不純物
であるPとBとが高濃度化では、同じ様に拡散せず、表
面付近と熱酸化膜との境界面付近ではPが多くなってn
+ 型となっており、不純物が均等に拡散していないの
で、抵抗値が低く(導電性がある)なっている。
【0006】そして、ゲート酸化膜近傍がn+ 型となっ
ているため、見掛上の仕事関数がn+ 型のものに近い値
となる。また、ポリシリコン膜表面付近は、仕事関数制
御に寄与していないので、このn+ 型部分を省略して模
式的に示すと、図4のように、ポリシリコン電極は、厚
みのあるp+ 層18と厚さが数百A(オングストロー
ム)しかない薄いn+ 層16とで構成されていることに
なる。そして、この薄いn+ 層16の膜厚を拡散で制御
することにより、仕事関数を制御していた。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のよう
に、ポリシリコン膜に不純物を拡散させてn+ 層の膜厚
を制御すると、同一ウエハ内に製造する各素子のn+
の膜厚のばらつきが大きくなってしまうという問題点が
あった。そして、このウエハ内の膜厚のばらつきを5%
とすると、4000Aの膜厚のポリシリコン膜をつけた
場合、200Aのばらつきが生じることになる。ところ
が、n+ 層の膜厚は、数百Aで制御したいので、このポ
リシリコン膜厚のばらつきは、大きな問題となる。ま
た、ポリシリコンのグレインの大きさはおおよそ数十か
ら数百Aであると考
【0008】えられているが、この大きさは、制御した
いn+ 層の膜厚と近い値である。したがって、このグレ
インの多い場所と少ない場所とで不純物の拡散現象が微
妙に異なって、膜厚のばらつきに影響を与えている可能
性がある。そこで、グレインによる拡散のばらつきを受
けないような構造にする必要がある。
【0009】そこで本発明は、n+ 層の膜厚をウエハ内
で均一にすることのできるMOSFETの製造方法及び
この製造方法によりn+ 層の膜厚を制御して、種々の仕
事関数及びしきい値電圧を有するMOSFETを提供す
ることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段として、ゲート酸化膜側に形成されている第1の
導電型を有するポリシリコン薄膜と、このポリシリコン
薄膜上に形成されている前記ゲート酸化膜よりも薄い絶
縁膜と、この絶縁膜上に形成されている前記第1の導電
型と異なる第2の導電型を有するポリシリコン膜とより
なるゲート電極を備えたことを特徴とするMOSFE
T、及び、基板にソース領域とドレイン領域を形成する
工程と、この基板上にゲート酸化膜を形成する工程と、
このゲート酸化膜上に第1の導電型を有するポリシリコ
ン薄膜を形成する工程と、前記ゲート酸化膜よりも薄い
絶縁膜をこのポリシリコン薄膜上に形成する工程と、こ
の絶縁膜上に前記第1の導電型と異なる第2の導電型を
有するポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリ
コン薄膜、前記絶縁膜及び前記ポリシリコン膜をエッチ
ングしてゲート電極を形成する工程とよりなることを特
徴とするMOSFETの製造方法を提供しようとするも
のである。
【0011】
【作用】従来は、ポリシリコンにn+ ,p+ の不純物を
同時に拡散させて、n+ 層の膜厚を制御していたので、
ウエハ内全ての部分でn+ 層の膜厚を均一に制御するの
が困難であった。本発明は、n+ 層とp+ 層とを別々の
工程で製造することにより、ウエハ内でのばらつきを小
さくしている。
【0012】
【実施例】本発明のMOSFET及びその製造方法の一
実施例を図1と共に説明する。まず、同図(A)に示す
ように、n- シリコン基板1にソース領域2、ドレイン
領域3を拡散などにより形成した後、このn- シリコン
基板1上に厚さ1500A(オングストローム)のゲー
ト酸化膜5を設け、その上に厚さ150Aのn+ ポリシ
リコン薄膜6を形成する。このとき、ウエハ内の膜厚の
ばらつきを5%とすると、n+ ポリシリコン薄膜6の膜
厚のばらつきは、10A以下に押さえることができ、数
十Aオーダーで均一な膜厚制御が可能となる。
【0013】また、このn+ ポリシリコン薄膜6の形成
方法としては、減圧CVDまたはプラズマCVDによっ
てポリシリコンを成長させた後、熱拡散法により、5×
1019cm-2程度のリン(P)をドープしても良いが、
この場合、熱処理を行う際に、ポリシリコンのグレイン
が成長して局所的な凹凸ができたり、酸素を流しながら
リンをドープする場合には、ポリシリコンの表面が酸化
されて膜厚が変わる恐れがある。そこで、減圧CVDま
たはプラズマCVDによるポリシリコンの成膜中にリン
をドープする方がばらつきを少なくすることができる。
【0014】次に、同図(B)に示すように、n+ 層と
+ 層との間で不純物の拡散を防止するために、このn
+ ポリシリコン薄膜6の上に10〜30Aの絶縁膜7を
設けるが、ゲート駆動能力が低下するのを防止するため
に、その厚さは、ゲート酸化膜5よりも十分に薄くする
必要がある。そこで、形成する方法としては、純水に浸
してn+ ポリシリコン薄膜6の上に10〜20Aの自然
酸化膜を形成させて絶縁膜7とするのが最も良いが、シ
リコン酸化膜やシリコン窒化膜をCVD装置によってつ
けても良い。
【0015】そして、同図(C)に示すように、数千A
の厚さのp+ ポリシリコン膜8をこの絶縁膜7上に形成
する。このp+ ポリシリコン膜8の形成方法は、上記し
たn+ ポリシリコン薄膜6の形成方法と同様にして5×
1019cm-2程度のボロン(B)をドープして形成して
も良いし、膜厚がかなりあるので、ポリシリコンの成膜
後、イオン注入法によってボロンをドープしても良い。
【0016】最後に、同図(D)に示すように、n+
リシリコン薄膜6、絶縁膜7及びp+ ポリシリコン膜8
をエッチングしてゲート電極とし、必要に応じて、タン
グステン・シリサイド等を形成して、MOSFETを製
造する。
【0017】以上説明した方法により製造されるMOS
FETは、n+ 層とp+ 層とを別々の工程で形成してい
るので、n+ 層の膜厚のばらつきを抑えることができ
る。また、n+ 層形成時にイオン注入を行っていないの
で、不純物を注入する際のばらつきも抑えることができ
る。さらに、リンとボロンとを同時に拡散していないの
で、ポリシリコン特有の拡散現象に左右されることもな
く、ウエハ内で均一な厚さのn+ 層を形成することがで
きる。そして、n+ 層の厚さを制御することにより、M
OSFETの仕事関数及びしきい値電圧を可変させるこ
とができる。
【0018】なお、本実施例では、ゲート電極としてゲ
ート酸化膜5上にn+ ポリシリコン薄膜6を形成した、
+ ポリシリコン薄膜6−絶縁膜7−p+ ポリシリコン
膜8という構造にしたが、p+ ポリシリコン薄膜−絶縁
膜−n+ ポリシリコン膜という構造にしてもよい。
【0019】また、本発明のMOSFETの他の実施例
を図5に示す。フィールド酸化膜9によって電気的に分
離された2つのMOSFETのそれぞれのゲート電極
は、n+ ポリシリコン薄膜6上に絶縁膜7を形成し、さ
らに、ポリシリコンを成膜した後、不純物ドープ時にレ
ジストマスクを使用して、一方のMOSFET側にはp
+ ポリシリコン膜8aとし、他方のMOSFET側には
+ ポリシリコン膜8bをそれぞれ絶縁膜7として、こ
れらをエッチングにより分離したものである。
【0020】このような構造のMOSFETでは、n+
ポリシリコン膜8bを形成したMOSFET側のしきい
値電圧を変えることはできないが、p+ ポリシリコン膜
8aを設けたMOSFET側のしきい値電圧は、n+
リシリコン薄膜6の厚さを変えることにより制御でき、
MOSFETを複数使用し、一部のMOSFETのしき
い値電圧だけを変えたい場合に非常に有効である。ま
た、この場合もn+ ポリシリコン薄膜6をp+ ポリシリ
コン薄膜としても良く、この場合は、n+ ポリシリコン
膜8bを形成したMOSFET側のしきい値電圧を制御
することができる。
【0021】
【発明の効果】本発明のMOSFETは、ゲート酸化膜
側に形成されている第1の導電型を有するポリシリコン
薄膜と、このポリシリコン薄膜上に形成されているゲー
ト酸化膜よりも薄い絶縁膜と、この絶縁膜上に形成され
ている第1の導電型と異なる第2の導電型を有するポリ
シリコン膜とよりなるゲート電極を備えているので、ポ
リシリコン薄膜の厚さを変えてしきい値電圧を制御する
ことができる。
【0022】また、本発明のMOSFETの製造方法
は、第1の導電型を有するポリシリコン薄膜と第2の導
電型を有するポリシリコン膜とを別々の工程で形成して
いるので、ウエハ内で均一なポリシリコン薄膜を形成す
ることができ、所望のしきい値電圧を有するMOSFE
Tを歩留まり良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)〜(D)はそれぞれ本発明のMOSFE
Tの製造方法の一実施例を示す工程図である。
【図2】ポリシリコンへの不純物の注入量としきい値電
圧の関係を示すグラフである。
【図3】ポリシリコンゲート電極の不純物濃度プロファ
イルを示すグラフである。
【図4】従来のMOSFETを示す構成図である。
【図5】本発明のMOSFETの他の実施例を示す構成
図である。
【符号の説明】
1,11 シリコン基板 2,12 ソース領域 3,13 ドレイン領域 4,14 ゲート領域 5,15 ゲート酸化膜 6,16 n+ ポリシリコン薄膜(n+ 層) 7 絶縁膜 8,8a,8b,18 p+ ポリシリコン膜(p+ 層) 9 フィールド酸化膜

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ゲート酸化膜側に形成されている第1の導
    電型を有するポリシリコン薄膜と、このポリシリコン薄
    膜上に形成されている前記ゲート酸化膜よりも薄い絶縁
    膜と、この絶縁膜上に形成されている前記第1の導電型
    と異なる第2の導電型を有するポリシリコン膜とよりな
    るゲート電極を備えたことを特徴とするMOSFET。
  2. 【請求項2】基板にソース領域とドレイン領域を形成す
    る工程と、 この基板上にゲート酸化膜を形成する工程と、 このゲート酸化膜上に第1の導電型を有するポリシリコ
    ン薄膜を形成する工程と、 前記ゲート酸化膜よりも薄い絶縁膜をこのポリシリコン
    薄膜上に形成する工程と、 この絶縁膜上に前記第1の導電型と異なる第2の導電型
    を有するポリシリコン膜を形成する工程と、 前記ポリシリコン薄膜、前記絶縁膜及び前記ポリシリコ
    ン膜をエッチングしてゲート電極を形成する工程とより
    なることを特徴とするMOSFETの製造方法。
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