JP2827905B2 - MISFET and manufacturing method thereof - Google Patents

MISFET and manufacturing method thereof

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JP2827905B2
JP2827905B2 JP6144278A JP14427894A JP2827905B2 JP 2827905 B2 JP2827905 B2 JP 2827905B2 JP 6144278 A JP6144278 A JP 6144278A JP 14427894 A JP14427894 A JP 14427894A JP 2827905 B2 JP2827905 B2 JP 2827905B2
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drain
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潔 竹内
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の構造なら
びに製造方法に関し、特にMISFETとその製造方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure and a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a MISFET and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】ごく一般的なMISFET製造方法をシ
リコン(Si)・nチャネル素子を例にとり、図8を参
照して説明する。Si基板上に各々の素子どうしを分離
するための分離絶縁膜をLOCOS法などで形成したの
ち、FETのしきい値電圧VTHを所望の値に設定し、か
つ短チャネル効果やパンチスルーを抑える働きをするp
型不純物のボロンをイオン注入により基板に導入する。
この工程は素子のチャネルの特性を決定するものなの
で、ここではチャネルイオン注入と呼ぶ。次に、基板表
面上にゲート酸化膜、ゲート電極を順次形成したのち、
フォトリソグラフィとエッチングにより所望の形状のゲ
ート電極を形成する。次に、このゲート電極をマスクと
してn型不純物のヒ素をイオン注入により基板に導入す
ることで、ゲート電極と自己整合的にソース・ドレイン
を形成する。この後、少なくとも1回、高温(Si基板
の場合800度以上)の熱処理を行うことが必要であ
る。これにより、イオン注入された不純物が結晶格子位
置に収まり、電気的に活性となる。
2. Description of the Related Art A very general method of manufacturing a MISFET will be described with reference to FIG. 8 taking a silicon (Si) n-channel device as an example. After forming an isolation insulating film for separating each element on a Si substrate by a LOCOS method or the like, the threshold voltage V TH of the FET is set to a desired value, and the short channel effect and punch-through are suppressed. Working p
Boron, a type impurity, is introduced into the substrate by ion implantation.
Since this step determines the characteristics of the channel of the device, it is referred to herein as channel ion implantation. Next, after sequentially forming a gate oxide film and a gate electrode on the substrate surface,
A gate electrode having a desired shape is formed by photolithography and etching. Next, arsenic of an n-type impurity is introduced into the substrate by ion implantation using the gate electrode as a mask, thereby forming a source / drain in a self-aligned manner with the gate electrode. Thereafter, it is necessary to perform heat treatment at a high temperature (at least 800 degrees in the case of a Si substrate) at least once. As a result, the ion-implanted impurity is settled at the crystal lattice position and becomes electrically active.

【0003】上記製造方法において、ソース・ドレイン
注入は大量のイオン(1015cm-2個以上)を導入するた
め、Si基板の結晶構造が破壊され、多量の点欠陥(本
来格子場所ではない場所に原子が存在する「格子間原子
(interstitial)」や格子位置の原子が欠
落している「空孔(vacancy)」(が生成され
る。このような点欠陥の存在は不純物原子の熱拡散に影
響する。特にボロン(B)と燐(P)は、格子間原子と
は対をなす事で著しく拡散しやすくなる(増速拡散)。
従って、上記例においては、ソース・ドレインの不純物
を活性化する熱処理工程において、予め基板に導入され
ていたボロンが、ソース・ドレイン注入時に生成された
点欠陥と対をなし、ごく短時間の間(1秒以下)で大き
く基板内を移動する。この増速拡散は、熱処理の温度と
時間を調整してもほとんど制御不可能であり、所望のデ
バイス特性を得るための基板不純物分布の設計を困難に
する。例えば、微細MISFETにおいては、短チャネ
ル効果を抑えつつ、VTHを下げたいという設計上の要求
がある。このためには、基板のやや深い部分にボロンの
ピークを配して短チャネル効果を抑え、一方基板表面付
近は低濃度としてVTHを下げれば良い。このような分布
は、ボロンのイオン注入のエネルギ、ドーズ量を調整す
ることで実現できる。ところが、デバイス設計者が意図
したこのような分布は、この後の熱処理時に、上述の制
御不能な増速拡散により崩れてしまい、完成した素子は
意図に反して、VTHは高く、短チャネル効果は大きくな
ってしまう。図9にこのような現象によりVTHが増大し
てしまった素子の特性例(VTHの長チャネル素子からの
ずれのチャネル長依存性)を示す。上記増速拡散はソー
ス・ドレイン領域で生じた点欠陥により発生するため、
ソースとドレインの距離が短く、両者の影響が足し合わ
さる短チャネル素子ほどVTHが大きく増大している(こ
の現象は逆短チャネル効果と呼ばれる)。実用上重要な
短チャネル素子において、VTHが所望の値(ほぼチャネ
ル長無限大でのVTHと等しい)より高くなってしまう。
しかも、この高くなり方は、増速拡散の制御性のなさを
反映し、わずかなプロセスの変化により変動する事も大
きな問題である。また、増速拡散は、基板の深い部分の
不純物濃度を低下させるため、短チャネル効果も劣化さ
せる。このため、実際に得られる素子の短チャネル効果
は、増速拡散がないとして行ったシミュレーション結果
より常に悪い。
In the above-mentioned manufacturing method, the source / drain implantation introduces a large amount of ions (10 15 cm −2 or more), so that the crystal structure of the Si substrate is destroyed and a large number of point defects (at locations that are not originally lattice sites) In addition, “interstitial atoms” in which atoms exist and “vacancies” in which atoms in lattice positions are missing are generated. The existence of such point defects causes thermal diffusion of impurity atoms. In particular, boron (B) and phosphorus (P) are extremely easy to diffuse when paired with interstitial atoms (enhanced diffusion).
Therefore, in the above example, in the heat treatment step for activating the impurities of the source and the drain, boron previously introduced into the substrate forms a pair with the point defect generated at the time of the source and the drain implantation, and for a very short time. (Less than 1 second), it moves largely within the substrate. This enhanced diffusion is hardly controllable even if the temperature and time of the heat treatment are adjusted, and makes it difficult to design a substrate impurity distribution for obtaining desired device characteristics. For example, in a fine MISFET, there is a design requirement to reduce V TH while suppressing the short channel effect. For this purpose, suppressing the short channel effect by disposing the peak of boron slightly deep portion of the substrate, whereas the vicinity of the substrate surface may be lowered to V TH as low concentrations. Such a distribution can be realized by adjusting the energy and dose of boron ion implantation. However, such a distribution device designer's intention, when the subsequent heat treatment, collapses by uncontrolled enhanced diffusion described above, the completed device is unintentionally, V TH is high, the short channel effect Will be larger. FIG. 9 shows an example of the characteristics of a device whose V TH has been increased by such a phenomenon (dependence of the deviation of a V TH from a long channel device on the channel length). Since the above-mentioned enhanced diffusion is caused by point defects generated in the source / drain regions,
Distance of the source and the drain is short, the more short-channel device mate adding the effects of both V TH is greatly increased (this phenomenon is called reverse short channel effect). In a practically important short channel device, V TH becomes higher than a desired value (approximately equal to V TH at an infinite channel length).
In addition, the degree of the increase reflects the lack of controllability of the accelerated diffusion, and it is a serious problem that the degree of the increase varies due to a slight change in the process. In addition, the enhanced diffusion lowers the impurity concentration in a deep portion of the substrate, so that the short channel effect is also deteriorated. For this reason, the short channel effect of the element actually obtained is always worse than the result of the simulation performed without the accelerated diffusion.

【0004】一方、図8に示した一般的な作成方法を変
更して、ソース・ドレインと基板との間の寄生容量を低
減する方法が特開平4−286364号公報に提案され
ている。この方法を図10を参照して説明する。この方
法の特徴は、通常ゲート電極形成前に行うチャネルイオ
ン注入をゲート電極形成後に行うことである。すなわ
ち、図10の例では、ゲート電極を形成後、ゲート電極
を貫通して基板に達するようにボロンをイオン注入す
る。このとき、ゲート電極が存在しないソース・ドレイ
ン領域では、チャネルが形成される領域より、ゲート電
極の高さの分だけ深くボロンが導入される。その後、通
常と同様にソース・ドレイン不純物の注入と活性化のた
めの熱処理を行う。この方法を用いると、チャネルイオ
ン注入したボロンをソース・ドレインより深くすること
ができる。このため、n型のソース・ドレインと接する
基板のp型部分の濃度は、通常の方法でチャネルイオン
注入をした場合より低くなる。この結果、pn接合の空
乏層が広くなり、ソース・ドレインと基板との間に生ず
る寄生容量が低減され、回路動作が高速化される。
On the other hand, a method of reducing the parasitic capacitance between the source / drain and the substrate by changing the general manufacturing method shown in FIG. 8 has been proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-286364. This method will be described with reference to FIG. A feature of this method is that channel ion implantation which is usually performed before forming a gate electrode is performed after forming a gate electrode. That is, in the example of FIG. 10, after forming the gate electrode, boron ions are implanted so as to penetrate the gate electrode and reach the substrate. At this time, in the source / drain region where the gate electrode does not exist, boron is introduced deeper than the region where the channel is formed by the height of the gate electrode. Thereafter, a heat treatment for implanting and activating the source / drain impurities is performed as usual. By using this method, boron implanted with channel ions can be made deeper than the source / drain. For this reason, the concentration of the p-type portion of the substrate in contact with the n-type source / drain is lower than in the case where channel ion implantation is performed by a normal method. As a result, the depletion layer of the pn junction is widened, the parasitic capacitance generated between the source / drain and the substrate is reduced, and the circuit operation is speeded up.

【0005】上記方法では、増速拡散は通常の製造方法
と同様に問題となるが、それ以外に、しきい値電圧VTH
の制御性が乏しいという難点がある。この点について以
下に説明する。イオン注入の深さ方向分布は山型であ
り、上記チャネル注入においては、パンチスルーを防止
するため、山型分布のピークがゲート電極直下において
ソース・ドレインの深さと同等(通常100〜300nm
程度)となるよう設定する必要がある。チャネルイオン
注入においては、飛程が上記基板内深さとゲート電極の
高さの和になるように注入のエネルギが設定される。と
ころが、ゲート電極の高さ(典型的な値は100〜50
0nm)にはプロセス上10〜50nmのばらつきが生じる
ことは避けられない。特に、ポリシリコンゲートへの燐
拡散やゲート側壁を形成するエッチバック工程において
膜厚変動が生じやすい。このため、上記注入深さには±
10〜50nmの不確定さが生じる。上述のようにイオン
注入された不純物分布は山型であり、基板表面での深さ
方向の大きな濃度勾配を持つ。従ってこのような深さの
変動は、基板表面での不純物濃度の変動をもたらし、そ
の結果VTHがばらついてしまう。すなわち、不純物深さ
が浅くなるほど、濃度が高くなり、VTHは上がる。一例
として、ボロンを厚さ150nmのゲート電極を貫き、基
板内100nmにピークを持つように注入し、VTH=0.
4Vに設計した場合には、ゲート電極高さのずれ10nm
に対してVTHは約50mV変動してしまう。なお、図8
に示した通常の製造方法においても、基板汚染やチャネ
リングを防止するため、基板上に10〜30nmの酸化膜
(犠牲酸化膜)を設け、その上からチャネルイオン注入
を行うのが普通であるが、酸化膜がもともと薄いため、
その厚さのばらつきの絶対値はゲート電極より1桁小さ
く、問題にならない。
[0005] In the above method, enhanced diffusion is a conventional manufacturing method and problems in the same manner, otherwise, the threshold voltage V TH
Is difficult to control. This will be described below. The ion implantation has a mountain-shaped distribution in the depth direction. In the channel implantation, the peak of the mountain-shaped distribution is equal to the source / drain depth immediately below the gate electrode (usually 100 to 300 nm) in order to prevent punch-through.
Degree). In channel ion implantation, implantation energy is set so that the range is equal to the sum of the depth in the substrate and the height of the gate electrode. However, the height of the gate electrode (a typical value is 100 to 50)
0 nm), it is inevitable that a variation of 10 to 50 nm occurs in the process. In particular, the film thickness is likely to fluctuate in the etch-back step of diffusing phosphorus into the polysilicon gate and forming the gate side wall. For this reason, the above implantation depth is ±
An uncertainty of 10-50 nm results. As described above, the ion-implanted impurity distribution is mountain-shaped, and has a large concentration gradient in the depth direction on the substrate surface. Therefore, such a change in the depth causes a change in the impurity concentration on the substrate surface, and as a result, V TH varies. That is, as the impurity depth becomes shallower, the concentration becomes higher and V TH rises. As an example, boron is injected to penetrate a gate electrode having a thickness of 150 nm and has a peak at 100 nm in the substrate, and V TH = 0.
When designed to 4V, the gate electrode height deviation is 10nm
V TH fluctuates by about 50 mV. FIG.
In the normal manufacturing method described in (1), an oxide film (sacrificial oxide film) having a thickness of 10 to 30 nm is provided on the substrate to prevent substrate contamination and channeling. Because the oxide film is originally thin,
The absolute value of the thickness variation is one order of magnitude smaller than that of the gate electrode, which is not a problem.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】前述した通常のMIS
FETの製造方法では、ソース・ドレイン注入時に生じ
た点欠陥によりチャネル不純物が増速拡散を起こし、チ
ャネル不純物の分布の制御が困難であるという問題があ
った。
The above-mentioned ordinary MIS
In the method of manufacturing the FET, there is a problem that the channel impurity causes enhanced diffusion due to a point defect generated at the time of source / drain implantation, and it is difficult to control the distribution of the channel impurity.

【0007】また、ゲート電極を貫いてチャネルイオン
注入を行う場合、ゲート電極の高さの変動によって、素
子のしきい値電圧VTHが敏感に変動してしまうという問
題があった。
Further, when channel ion implantation is performed through the gate electrode, there has been a problem that the threshold voltage V TH of the device fluctuates sensitively due to a change in the height of the gate electrode.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】増速拡散という第1の課
題を解決するため、チャネルイオン注入を、ソース・ド
レイン不純物のイオン注入および活性化を行った後に行
う。より具体的には、ゲート電極に対して自己整合的に
ソース・ドレインのイオン注入を行ったのち、活性化の
ための熱処理をほどこし、その後でゲート電極を貫いて
チャネルイオン注入を行う。
In order to solve the first problem of enhanced diffusion, channel ion implantation is performed after ion implantation and activation of source / drain impurities. More specifically, after the source / drain ions are implanted into the gate electrode in a self-aligned manner, a heat treatment for activation is performed, and then channel ion implantation is performed through the gate electrode.

【0009】上記のようにゲート電極を貫いてチャネル
イオン注入を行った場合、しきい値VTHがばらつくとい
う第2の課題がある。また、単にソース・ドレインの寄
生容量を減らす目的で、ゲート電極を貫いてチャネルイ
オン注入を行った場合にも同様の課題がある。これを解
決するため、前記チャネルイオン注入により形成される
比較的高濃度の不純物領域が、少なくとも2つの極大点
を有するような素子構造とする。そのためにゲート電極
を貫いたチャネルイオン注入工程の少なくとも1つにお
いて、ゲート下における深さのピークが基板表面に位置
するように注入を行う。
When channel ion implantation is performed through the gate electrode as described above, there is a second problem that the threshold value V TH varies. A similar problem also occurs when channel ion implantation is performed through the gate electrode merely for the purpose of reducing the source / drain parasitic capacitance. In order to solve this, a relatively high concentration impurity region formed by the channel ion implantation has at least two local maximum points.
An element structure having the following . For this purpose, in at least one of the channel ion implantation steps penetrating the gate electrode, the implantation is performed such that the depth peak below the gate is located on the substrate surface.

【0010】[0010]

【作用】ソース・ドレインのイオン注入により生じた結
晶欠陥は、その後の活性化の熱処理によりほとんど消滅
する。従って、チャネルの不純物をその後で導入すれ
ば、その拡散は点欠陥の影響を受けない。このため、チ
ャネル不純物分布はイオン注入のエネルギやドーズ量に
より制御可能となり、デバイス設計者が意図したとおり
の不純物分布を実現することが可能となる。
The crystal defects caused by the source / drain ion implantation almost disappear by the subsequent heat treatment for activation. Thus, if channel impurities are subsequently introduced, their diffusion is not affected by point defects. For this reason, the channel impurity distribution can be controlled by the energy or dose of ion implantation, and the impurity distribution as intended by the device designer can be realized.

【0011】ゲート電極厚さによるしきい値VTHの変動
に関する作用は以下のとおりである。まず素子構造の観
点からは、不純物分布が基板のある程度深い部分から表
面に至るまでほぼ平坦であるようにする。これにより、
この不純物領域全体の深さが変動しても表面の濃度が変
化せず、VTHの変動が抑えられる。また製造方法の観点
からは、チャネルイオン注入工程において、少なくとも
1回、ゲート下における深さのピークが基板表面に位置
するように注入を行う。これにより、イオン注入直後の
基板表面での不純物濃度の深さ方向の勾配がほぼゼロに
なる。このため、注入のピークの深さが多少変動しても
表面の濃度の変化は小さく、VTHの変動が抑えられる。
The operation relating to the variation of the threshold value V TH due to the thickness of the gate electrode is as follows. First, from the viewpoint of the element structure, the impurity distribution is set to be substantially flat from a partly deep part of the substrate to the surface. This allows
The depth of the overall impurity region does not change the concentration of the surface also varies, variations in the V TH is suppressed. Further, from the viewpoint of the manufacturing method, in the channel ion implantation step, the implantation is performed at least once so that the peak of the depth below the gate is located on the substrate surface. Thus, the gradient in the depth direction of the impurity concentration on the substrate surface immediately after the ion implantation becomes substantially zero. For this reason, even if the depth of the implantation peak varies somewhat, the change in the surface concentration is small, and the variation in VTH is suppressed.

【0012】[0012]

【実施例】図1は、イオン注入を1回のみ行った場合の
である。ここではnチャネル素子を例にとった。シリ
コン基板1(着目する領域はウェル形成などによりp型
にドープされているものとする)上に素子分離絶縁膜
6、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5を形成した後、ヒ素
(As)をゲート電極5をマスクとして5×1015cm-2
程度イオン注入し、ソース・ドレイン領域3Aを形成す
る。この段階では、ソース・ドレイン領域3Aは電気的
に不活性であり、その周辺では結晶構造が崩れ、多量の
点欠陥が存在している(図1a)。
FIG. 1 shows a case where ion implantation is performed only once.
It is an example . Here, an n-channel element is taken as an example. After forming an element isolation insulating film 6, a gate insulating film 4, and a gate electrode 5 on a silicon substrate 1 (a region of interest is p-type doped by well formation or the like), arsenic (As) is gated. 5 × 10 15 cm -2 using electrode 5 as a mask
The source / drain regions 3A are formed by ion implantation to a certain degree. At this stage, the source / drain region 3A is electrically inactive, the crystal structure is broken around the source / drain region 3A, and a large number of point defects are present (FIG. 1A).

【0013】次に高温の熱処理(例えば1000℃で1
0秒、あるいは850℃で10分)を施す。これにより
注入されたAsは格子位置に収まり、不活性なソース・
ドレイン領域3Aは、電気的に活性なソース・ドレイン
領域3Bに転換される。一方このとき、点欠陥は拡散に
より基板外に流出したり、格子間原子と空孔が再結合し
てほとんど消滅する(図1b)。
Next, a high-temperature heat treatment (for example,
0 seconds or 850 ° C. for 10 minutes). As a result, the implanted As falls within the lattice position, and the inactive source
The drain region 3A is converted to an electrically active source / drain region 3B. On the other hand, at this time, the point defects flow out of the substrate due to diffusion, and the interstitial atoms and vacancies recombine and almost disappear (FIG. 1B).

【0014】次にボロン(B)を1012〜1013cm-2
度イオン注入し、高濃度チャネル領域2Aを形成する
(図1c)。このとき、その濃度のピークの深さは、短
チャネル効果を抑えるためにソース・ドレイン領域3B
の下端(接合の深さ)と同等の深さに設定する。次に、
再び高温の熱処理を施し、電気的に不活性な領域2Aの
ボロンを活性化する。これにより電気的に活性なp型高
濃度チャネル領域2Bを形成する。このとき、ソース・
ドレイン注入により生じた欠陥はすでに存在しないた
め、ボロンの増速拡散が防止される。
Next, boron (B) is ion-implanted at about 10 12 to 10 13 cm −2 to form a high-concentration channel region 2A (FIG. 1C). At this time, the depth of the peak of the concentration depends on the source / drain region 3B in order to suppress the short channel effect.
Is set to the same depth as the lower end (joining depth). next,
A high-temperature heat treatment is performed again to activate boron in the electrically inactive region 2A. Thus, an electrically active p-type high concentration channel region 2B is formed. At this time, the source
Since the defects caused by the drain implantation no longer exist, the enhanced diffusion of boron is prevented.

【0015】上記例では、チャネル注入を1回のみ行っ
た。その場合、チャネルに注入するボロンのピーク位置
を、短チャネル効果を抑えるため、ゲート下においてソ
ース・ドレインの深さとほぼ同等となるように選択する
のが普通である。しかし、そうすると、基板表面での不
純物分布に勾配が生じ、しきい値VTHの制御性が乏しく
なる。図2は、この点について対策した、本発明による
第1の実施例である。ソース・ドレインの注入と活性化
までは図1a、bと同様に行う。その後、ゲート電極5
直下において、濃度のピークが基板1の表面付近になる
ようにボロンを注入する(図2a)。この注入によりV
THのばらつきが防止される。次に、ゲート電極5直下に
おいて、濃度のピークがソース・ドレイン3の深さ近傍
になるように再びボロンを注入する(図2b)。最後に
高温の熱処理を施して、注入したボロンを活性化する。
これにより深さ方向に概ね一様な濃度分布を有する帯状
のp型高濃度チャネル領域2Bが形成される(図2
c)。本実施例によれば、チャネルの不純物の増速拡散
を防止し、かつVTHのばらつきの増加を抑えることがで
きる。なお、上記第1および第2のボロン注入の順番は
入れ換えてもよい。
In the above example , channel injection was performed only once. In that case, the peak position of boron implanted into the channel is usually selected so as to be substantially equal to the depth of the source and drain below the gate in order to suppress the short channel effect. However, this causes a gradient in the impurity distribution on the substrate surface, and the controllability of the threshold value VTH becomes poor. FIG. 2 shows a method according to the present invention which addresses this point.
This is a first embodiment. 1A and 1B are performed up to the implantation and activation of the source / drain. Then, the gate electrode 5
Immediately below, boron is implanted so that the concentration peak is near the surface of the substrate 1 (FIG. 2A). This injection allows V
TH variation is prevented. Next, boron is implanted again just below the gate electrode 5 so that the concentration peak is near the depth of the source / drain 3 (FIG. 2B). Finally, a high-temperature heat treatment is performed to activate the implanted boron.
As a result, a p-type high-concentration channel region 2B having a substantially uniform concentration distribution in the depth direction is formed.
c). According to the present embodiment, it is possible to prevent accelerated diffusion of impurities in the channel and suppress an increase in variation in VTH . The order of the first and second boron implantations may be interchanged.

【0016】図3と図4は、上記のイオン注入を1回の
み行った例と第1の実施例における、ゲート電極部分の
ボロンの深さ方向分布の典型的な例を示したものであ
る。前者はボロン注入直後、後者はボロンの活性化熱処
理後のシミュレーション結果である。縦軸は左側が対
数、右側が線形目盛である。ソース・ドレインの深さと
しては100nmを想定している。図で「1段注入」と
は、イオン注入を1回のみ行った例のようにボロン注入
を1段階で行う場合であり、その分布のピーク位置はソ
ース・ドレインと同じ100nm付近に設定される。これ
は短チャネル効果を抑えるためである。ここではBを7
0keVで1.3×1013cm-2打ち込んでいる。する
と、注入直後の図3において、基板表面で濃度勾配が大
きい。このため、ゲート電極の厚さ(設計値150nm)
がわずかにゆらいでも、基板表面でのボロン濃度が大き
く変動する。
FIGS. 3 and 4 show that the above-described ion implantation is performed once.
FIG. 9 shows typical examples of the distribution of boron in the depth direction of the gate electrode portion in the example of the present invention and the first embodiment . The former is a simulation result immediately after boron implantation, and the latter is a simulation result after boron activation heat treatment. The vertical axis is logarithmic on the left and linear scale on the right. It is assumed that the depth of the source / drain is 100 nm. In the figure, “single-stage implantation” is a case where boron implantation is performed in one stage as in an example in which ion implantation is performed only once , and the peak position of the distribution is set to around 100 nm, which is the same as the source and drain. . This is to suppress the short channel effect. Here B is 7
1.3 × 10 13 cm -2 is implanted at 0 keV. Then, in FIG. 3 immediately after the implantation, the concentration gradient is large on the substrate surface. Therefore, the thickness of the gate electrode (design value: 150 nm)
Slightly fluctuates the boron concentration on the substrate surface.

【0017】一方「2段注入」とは、第1の実施例のよ
うにボロン注入を2段階で行い、その一方を基板表面に
ピークを持つように設定するものである。浅い方の注入
によりしきい値が設定され、深い方の注入により短チャ
ネル効果が防止される。この例では、ボロンを45ke
Vで4×1012cm-2および80keVで9×1012cm-2
打ち込んでいる。この場合、基板表面での不純物濃度の
勾配はゼロに近い。このため、ゲート電極の厚さが多少
ゆらいでもしきい値はあまり変動しない。熱処理を行う
と(図4)、ボロンが基板外へ拡散する結果、1段注入
と2段注入での表面濃度がほぼ一致する。このため、両
者のしきい値は等しくなる。2段注入を行った場合、そ
の深さ方向分布は概ね平坦となり、濃度分布には2つの
ピークが残る。図5は、ゲート電極厚さが変化したとき
の、上記1段注入と2段注入におけるしきい値の変動の
シミュレーション結果である。すでに述べた理由によ
り、前者ではしきい値の変動が大きいが、後者ではほと
んど抑えられる。
On the other hand, "two-stage implantation" means that boron implantation is performed in two stages as in the first embodiment, and one of them is set so as to have a peak on the substrate surface. The shallower implant sets the threshold, and the deeper implant prevents short channel effects. In this example, boron is 45 ke
4 × 10 12 cm −2 at V and 9 × 10 12 cm −2 at 80 keV
I'm driving. In this case, the gradient of the impurity concentration on the substrate surface is close to zero. Therefore, even if the thickness of the gate electrode is slightly fluctuated, the threshold value does not change much. When the heat treatment is performed (FIG. 4), boron diffuses out of the substrate, so that the surface concentration in the one-step implantation and the surface concentration in the two-step implantation substantially match. For this reason, both thresholds become equal. When two-stage implantation is performed, the distribution in the depth direction becomes substantially flat, and two peaks remain in the concentration distribution. FIG. 5 is a simulation result of a change in threshold value in the single-stage implantation and the two-stage implantation when the gate electrode thickness changes. For the reasons described above, the threshold value largely fluctuates in the former, but is almost suppressed in the latter.

【0018】以上では、ソース・ドレインの深さが10
0nm程度以上の深さであることを仮定していたが、より
浅いソース・ドレインを用いる場合には、第1の実施例
において、第2のボロン注入を省略しても、ソース・ド
レイン深さよりやや深い位置まで基板濃度が十分高くで
きる場合が考えられる。この場合、ゲート電極下で基板
表面にピークを持つボロン注入を1回行うだけで、十分
な短チャネル効果の抑圧が可能であると同時に、しきい
値VTHのばらつきも抑えられる。すなわち、第1の実施
例において、第2のボロン注入を省略することができ
る。これを図6に示した。ソース・ドレイン3Bの形成
までは図1a、bと同様に行う。次に図2cと同様にボ
ロンをゲート電極5を貫いて注入する。ただし、その注
入後のピーク位置がゲート電極5直下において基板1の
表面に位置するようにする(図6a)。次に高温の熱処
理により注入したボロンを活性化する(図6b)。この
方法では、ソース・ドレイン3Bが十分浅く(概ね10
0nm以下)抑えられないと、短チャネル効果が劣化する
恐れがある。
In the above description, the source / drain depth is 10
It is assumed that the depth is about 0 nm or more. However, when a shallower source / drain is used, even if the second boron implantation is omitted in the first embodiment, the depth is larger than the source / drain depth. It is conceivable that the substrate concentration can be sufficiently increased to a slightly deep position. In this case, by performing only one implantation of boron having a peak on the substrate surface under the gate electrode, it is possible to sufficiently suppress the short channel effect and also suppress the variation of the threshold value VTH. That is, in the first embodiment, the second boron implantation can be omitted. This is shown in FIG. The steps up to the formation of the source / drain 3B are performed in the same manner as in FIGS. Next, boron is implanted through the gate electrode 5 as in FIG. However, the peak position after the implantation is located on the surface of the substrate 1 immediately below the gate electrode 5 (FIG. 6A). Next, the implanted boron is activated by a high-temperature heat treatment (FIG. 6B). In this method, the source / drain 3B is sufficiently shallow (approximately 10
If it is not suppressed, the short channel effect may be deteriorated.

【0019】以上2つの例及び第1の実施例において、
ソース・ドレイン領域3と高濃度チャネル領域2とがチ
ャネル近傍の一部領域を除いて重なり合わない場合を図
示している。この状況はソース・ドレインの寄生容量を
低く抑えるうえで望ましい。しかし、これらの例及び
施例における本発明の本質は、増速拡散を抑えること、
およびそれをしきい値のばらつきなく実現することにあ
る。よってこれら実施例において2つの領域が重なり合
わないことは必ずしも本発明の本質ではなく、重なり合
っていても構わない。
In the above two examples and the first embodiment ,
The figure shows a case where the source / drain region 3 and the high-concentration channel region 2 do not overlap except for a partial region near the channel. This situation is desirable to keep the source / drain parasitic capacitance low. However, the essence of the present invention in these examples and examples is to suppress enhanced diffusion,
And realizing it without variation in threshold value. Therefore, the fact that the two regions do not overlap in these embodiments is not necessarily the essence of the present invention, and they may overlap.

【0020】一方、本発明によるしきい値ばらつきの低
減は、ソース・ドレイン容量の低減のみを意図し、増速
拡散防止を考慮しない場合においても有効である。図7
はこのような場合の、本発明による第2の実施例を示す
ものである。シリコン基板1上に素子分離絶縁膜6、ゲ
ート絶縁膜4、ゲート電極5を形成した後、ゲート電極
を貫通してボロンを、その飛程のピークがゲート電極5
直下において基板1の表面となるよう注入する(図7
a)。このとき、ソース・ドレイン領域3よりも高濃度
チャネル領域2が深くなるように、ソース・ドレイン深
さ、ゲート電極高さを設定する。次に、ゲート電極5直
下において、飛程のピークがソース・ドレインの深さ近
傍になるように再びボロンを注入する(図7b)。次
に、ヒ素(As)をゲート電極をマスクとして5×10
15cm-2程度イオン注入し、ソース・ドレイン領域3Aを
形成する(図7c)。最後に高温の熱処理によりソース
・ドレイン3と高濃度チャネル領域2を活性化する(図
7d)。
On the other hand, the reduction of the threshold variation according to the present invention is effective only when the purpose is only to reduce the source / drain capacitance and the prevention of the accelerated diffusion is not considered. FIG.
Shows a second embodiment of the present invention in such a case. After forming an element isolation insulating film 6, a gate insulating film 4, and a gate electrode 5 on a silicon substrate 1, boron penetrates the gate electrode, and the peak of the range is
Implantation is performed immediately below the surface of the substrate 1 (FIG. 7).
a). At this time, the source / drain depth and the gate electrode height are set so that the high-concentration channel region 2 is deeper than the source / drain region 3. Next, boron is implanted again just below the gate electrode 5 so that the peak of the range is near the depth of the source / drain (FIG. 7B). Next, arsenic (As) is used as a mask with a gate electrode serving as a mask.
A source / drain region 3A is formed by ion implantation of about 15 cm -2 (FIG. 7C). Finally, the source / drain 3 and the high-concentration channel region 2 are activated by a high-temperature heat treatment (FIG. 7D).

【0021】増速拡散について考慮せず、単に寄生容量
を減らすことだけが目的であるなら、上記イオン注入の
順序は任意である。また、ソース・ドレインが十分浅い
場合は上記第2のボロン注入を省略できることは、第1
実施例と同様である。
If the purpose is merely to reduce the parasitic capacitance without considering the enhanced diffusion, the order of the ion implantation is arbitrary. If the source and drain are sufficiently shallow, the second boron implantation can be omitted .
This is the same as the embodiment.

【0022】以上の説明ではnチャネル素子を例に用い
たが、これは本発明の範囲を限定するものではない。p
チャネル素子においては、チャネル不純物のボロンを燐
(P)、ソース・ドレイン不純物のヒ素をボロンあるい
はフッ化ボロン(BF2 )に置き換え、p型とn型を入
れ換えれば、今までの説明がそのまま適用できる。ま
た、ソース・ドレインの構造は最も単純なシングル・ド
レイン構造を示したが、ソース・ドレインの注入を2段
階で行うLDD構造など、さまざまな変形に対しても本
発明は容易に適用可能であることは明らかである。
In the above description, an n-channel element is used as an example, but this does not limit the scope of the present invention. p
In the channel element, if the channel impurity boron is replaced by phosphorus (P) and the source / drain impurity arsenic is replaced by boron or boron fluoride (BF 2 ), and the p-type and the n-type are replaced, the description so far is the same. Applicable. The source / drain structure has the simplest single-drain structure. However, the present invention can be easily applied to various modifications such as an LDD structure in which source / drain implantation is performed in two stages. It is clear.

【0023】[0023]

【発明の効果】ソース・ドレイン不純物の活性化熱処理
をした後にチャネル不純物をゲート電極を貫いてイオン
注入することにより、チャネル不純物の増速拡散を防止
し、異常なしきい値VTHの増大、VTHの不安定性、基部
深部の濃度低下による短チャネル効果増大が防止され
る。予測困難な増速拡散がなくなるため、設計どおりの
素子特性を容易に実現することができる。
The channel impurity after the activation heat treatment of the source and drain impurity according to the present invention through the gate electrode by ion implantation, to prevent the enhanced diffusion of channel impurities, an increase in abnormal threshold V TH, V The instability of TH and the increase in the short channel effect due to the decrease in the concentration at the deep part of the base are prevented. Since the unpredictable accelerated diffusion is eliminated, the element characteristics as designed can be easily realized.

【0024】ゲート電極を貫いてチャネル不純物を注入
する場合、ゲート下の基板表面にピークを持つようにチ
ャネル不純物を注入することにより、ゲート電極厚さの
変動による素子のしきい値VTHのばらつきを抑えること
ができる。これによりソース・ドレインの容量の低減
を、VTHばらつきを増加させることなく実現できる。
The variation in the case, by implanting channel impurity so as to have a peak at the substrate surface under the gate, the threshold V TH of the device due to variations in the gate electrode thickness through the gate electrode for injecting channel impurity Can be suppressed. As a result, the capacity of the source / drain can be reduced without increasing the V TH variation.

【0025】深さ方向の濃度分布が概ね平坦かつ深さ方
向の幅がほぼ一定の帯状の高濃度チャネル不純物領域を
有し、この高濃度領域の上端がゲート電極直下において
基板表面に接し、かつこの高濃度領域がソース・ドレイ
ン領域において基板の表面に接しない素子構造とするこ
とで、増速拡散の防止、あるいはソース・ドレイン容量
の低減を、VTHばらつきを増加させることなく実現でき
る。
A band-shaped high-concentration channel impurity region having a substantially flat concentration distribution in the depth direction and a substantially constant width in the depth direction has an upper end in contact with the substrate surface immediately below the gate electrode, and By adopting an element structure in which the high-concentration region does not contact the surface of the substrate in the source / drain region, it is possible to prevent accelerated diffusion or reduce the source / drain capacitance without increasing VTH variation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】イオン注入を1回のみ行った例を示す断面図で
ある。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example in which ion implantation is performed only once .

【図2】本発明による第1の実施例を示す断面図であ
る。
FIG. 2 is a sectional view showing a first embodiment according to the present invention.

【図3】イオン注入直後の基板不純物分布の1例を示す
図である。
FIG. 3 shows an example of a substrate impurity distribution immediately after ion implantation .
FIG.

【図4】素子完成時の基板不純物分布の1例を示す図で
ある
FIG. 4 is a diagram showing an example of a substrate impurity distribution at the time of device completion.
There is .

【図5】2段注入法の効果を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the effect of the two-stage injection method.

【図6】イオン注入を1回のみ行った例を示す断面図で
ある。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example in which ion implantation is performed only once .

【図7】本発明による第2の実施例を示す断面図であ
る。
FIG. 7 is a sectional view showing a second embodiment according to the present invention.

【図8】一般的な従来のMISFETの製造方法を示す
断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a general method of manufacturing a conventional MISFET.

【図9】増速拡散の影響を受けたnMISFETの特性
例を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of characteristics of an nMISFET affected by enhanced diffusion.

【図10】ソース・ドレイン容量を低減した従来のMI
SFETの製造方法を示す断面図である。
FIG. 10 shows a conventional MI having reduced source / drain capacitance.
It is sectional drawing which shows the manufacturing method of SFET.

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1の導電型の不純物をドープした半導体
基板上に形成されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜
上に形成されたゲート電極と、前記半導体基板内の前記
ゲート電極の両側に形成された第2導電型のソース・ド
レイン領域と、を備えたMISトランジスタにおいて、
前記第1の導電型の不純物の分布が深さ方向の幅がほぼ
一定でかつ少なくとも2つの極大点を有する帯状の高濃
度領域を有し、前記高濃度領域の上端が前記ゲート電極
直下(チャネル領域)において前記基板の表面に接し、
かつ前記高濃度領域が前記ソース・ドレイン領域におい
て前記基板の表面に接しないことを特徴とするMISト
ランジスタ。
A gate insulating film formed on a semiconductor substrate doped with an impurity of a first conductivity type; a gate electrode formed on the gate insulating film; and both sides of the gate electrode in the semiconductor substrate. A second conductivity type source / drain region formed at
The distribution of the impurity of the first conductivity type includes a band-shaped high concentration region having a substantially constant width in the depth direction and having at least two maximum points, and an upper end of the high concentration region is located immediately below the gate electrode (channel). (Area) in contact with the surface of the substrate,
An MIS transistor, wherein the high-concentration region does not contact the surface of the substrate in the source / drain region.
【請求項2】前記帯状の高濃度領域の上端が、前記ソー
ス・ドレイン領域において、ソース・ドレインよりも深
いことを特徴とする請求項1に記載のMISトランジス
タ。
2. The MIS transistor according to claim 1 , wherein the upper end of the band-shaped high-concentration region is deeper than the source / drain in the source / drain region.
【請求項3】表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極が
形成された第1導電型の半導体基板に対して、前記ゲー
ト電極を貫いて、第1の導電型の不純物を前記ゲート電
極直下において前記半導体基板の表面とイオン注入後の
不純物分布のピークとが一致するようにイオン注入する
第1の注入工程と、前記ゲート電極を貫いて、ピークが
前記第1の注入工程よりも深くなるように第1の導電型
の不純物をイオン注入する第2の注入工程と、を有する
ことを特徴とするMISトランジスタの製造方法。
3. A semiconductor substrate of a first conductivity type having a gate electrode formed on a surface thereof with a gate insulating film interposed therebetween, and an impurity of the first conductivity type penetrates the gate electrode immediately below the gate electrode. A first implantation step in which ion implantation is performed so that the surface of the semiconductor substrate coincides with a peak of the impurity distribution after the ion implantation, and a peak penetrating through the gate electrode is deeper than the first implantation step. And a second implantation step of ion-implanting a first conductivity type impurity into the MIS transistor.
【請求項4】表面にゲート絶縁膜を介してゲート電極が
形成された半導体基板に対して、前記ゲート電極をマス
クとして第2の導電型の不純物をイオン注入してソース
・ドレイン領域を形成する工程と、前記ゲート電極を貫
いて、第1の導電型の不純物を前記ゲート電極直下にお
いて前記半導体基板の表面とイオン注入後の不純物分布
のピークとが一致するようにイオン注入する第1の注入
工程と、前記ゲート電極を貫いて、ピークが前記第1の
注入工程よりも深くなるように第1の導電型の不純物を
イオン注入する第2の注入工程と、を有することを特徴
とするMISトランジスタの製造方法。
4. A source / drain region is formed by ion-implanting a second conductivity type impurity into a semiconductor substrate having a gate electrode formed on a surface thereof via a gate insulating film, using the gate electrode as a mask. And a first implantation in which an impurity of a first conductivity type is ion-implanted through the gate electrode so that a surface of the semiconductor substrate and a peak of the impurity distribution after the ion implantation coincide with each other immediately below the gate electrode. And a second implantation step of ion-implanting impurities of a first conductivity type through the gate electrode so that a peak is deeper than in the first implantation step. A method for manufacturing a transistor.
【請求項5】ソース・ドレイン領域を形成する工程の後
に、前記ソース・ドレイン領域の不純物を活性化するた
めの加熱工程を有することを特徴とする請求項4記載の
MISトランジスタの製造方法。
5. The method according to claim 4, further comprising, after the step of forming the source / drain regions, a heating step for activating impurities in the source / drain regions.
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