JP2841484B2 - Method for manufacturing MOS transistor - Google Patents

Method for manufacturing MOS transistor

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造方法に関し、特にMOS型ト
ランジスタの製造方法に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a MOS transistor.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、MOS型トランジスタの製造方法、特にそのゲー
ト電極の製造方法として、第3図(a)乃至(d)に示
す方法が用いられている。
Conventionally, a method shown in FIGS. 3A to 3D has been used as a method of manufacturing a MOS transistor, particularly as a method of manufacturing a gate electrode thereof.

即ち、第3図(a)のように、シリコン基板11の表面
に熱酸化膜12を形成し、この上にゲート電極材料である
多結晶シリコン膜13を形成する。そして、この上にポジ
型フォトレジスト14を形成する。
That is, as shown in FIG. 3A, a thermal oxide film 12 is formed on the surface of a silicon substrate 11, and a polycrystalline silicon film 13 as a gate electrode material is formed thereon. Then, a positive photoresist 14 is formed thereon.

次いで、第3図(b)のように、前記フォトレジスト
14をゲート電極形状にパターン形成する。そして、第3
図(c)のように、フォトレジスト14をマスクに多結晶
シリコン膜13をエッチング形成する。
Then, as shown in FIG.
14 is patterned into a gate electrode shape. And the third
As shown in FIG. 3C, the polycrystalline silicon film 13 is etched using the photoresist 14 as a mask.

その後、第3図(d)のように、フォトレジスト14を
除去することで、ゲート電極13Aが完成される。
Thereafter, as shown in FIG. 3D, the photoresist 14 is removed to complete the gate electrode 13A.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上述した従来のゲート電極の製造方法では、MOSトラ
ンジスタの特性に影響するゲート電極の長さ寸法はフォ
トレジスト14のマスク寸法によって決定される。このた
め、ゲート電極13Aの加工限界寸法はフォトレジスト14
や露光装置等のフォトリソグラフィ技術の解像力によっ
て決定されることになり、その微細化に限界が生じると
いう問題がある。
In the conventional method for manufacturing a gate electrode described above, the length dimension of the gate electrode that affects the characteristics of the MOS transistor is determined by the mask dimension of the photoresist. Therefore, the processing limit dimension of the gate electrode 13A is
Is determined by the resolving power of the photolithography technology such as the light source and the exposure apparatus, and there is a problem that the miniaturization is limited.

本発明はフォトリソグラフィ技術の加工限界以上に微
細化されたゲート電極を構成することを可能にした製造
方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a manufacturing method capable of forming a gate electrode that is finer than the processing limit of the photolithography technique.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明のMOS型トランジスタの製造方法は、半導体基
板にゲート絶縁膜を形成する工程と、この上に第1の多
結晶シリコン膜を形成する工程と、前記第1の多結晶シ
リコン膜上に多結晶シリコンとエッチング選択比のある
第1の絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜のゲ
ート電極形成箇所を異方性エッチングにより選択的にエ
ッチング除去し、前記第1の多結晶シリコン膜が露出し
た開口部を形成する工程と、全面に多結晶シリコンとエ
ッチング選択比のある第2の絶縁膜を形成する工程と、
前記第2の絶縁膜を異方性エッチングして前記開口部の
側面にのみ第2の絶縁膜を残す工程と、前記第1の多結
晶シリコン膜が露出し、側面にのみ前記第2の絶縁膜が
残った前記開口部を含む全面に第2の多結晶シリコン膜
を形成する工程と、前記第1及び第2の絶縁膜が露呈さ
れるまで前記第2の多結晶シリコン膜をエッチングする
工程と、その後前記第1及び第2の絶縁膜をエッチング
除去する工程と、前記第2の多結晶シリコン膜をマスク
にして前記第1の多結晶シリコン膜をエッチング除去す
る工程とを含んでいる。
According to the method of manufacturing a MOS transistor of the present invention, a step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a first polycrystalline silicon film thereon, and a step of forming a polycrystalline silicon film on the first polycrystalline silicon film are performed. Forming a first insulating film having an etching selectivity with respect to crystalline silicon; and selectively removing an area of the first insulating film where a gate electrode is to be formed by anisotropic etching. Forming an opening where the film is exposed, forming a second insulating film having an etching selectivity with polycrystalline silicon over the entire surface,
Anisotropically etching the second insulating film to leave the second insulating film only on the side surface of the opening, exposing the first polycrystalline silicon film, and leaving the second insulating film only on the side surface. Forming a second polycrystalline silicon film over the entire surface including the opening where the film remains, and etching the second polycrystalline silicon film until the first and second insulating films are exposed; And a step of etching and removing the first and second insulating films thereafter, and a step of etching and removing the first polycrystalline silicon film using the second polycrystalline silicon film as a mask.

〔作用〕[Action]

この製造方法では、第1の多結晶シリコン膜を利用す
ることで、第1及び第2の絶縁膜をエッチングした場合
にも、半導体基板の表面へのダメージが防止でき、なお
かつ微細なゲート電極の形成を実現する。
In this manufacturing method, by using the first polycrystalline silicon film, even when the first and second insulating films are etched, damage to the surface of the semiconductor substrate can be prevented, and the fine gate electrode can be formed. Realize the formation.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明を図面を参照して説明する。 Next, the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図(a)乃至(i)は本発明の第1実施例を製造
工程順に示す縦断面図である。
1 (a) to 1 (i) are longitudinal sectional views showing a first embodiment of the present invention in the order of manufacturing steps.

先ず、第1図(a)のように、シリコン基板1の表面
にゲート絶縁膜として厚さ150Å程度の熱酸化膜(第1
の膜)2を形成する。また、この上に導電膜として気相
成長法により厚さ500Å程度の第1の多結晶シリコン膜
(第2の膜)3を形成する。更に、この上に多結晶シリ
コン膜とはエッチング速度の選択比が大きい膜として、
0.3μm程度の気相成長酸化膜(第3の膜)4を形成す
る。
First, as shown in FIG. 1A, a thermal oxide film having a thickness of about 150.degree.
Is formed. A first polycrystalline silicon film (second film) 3 having a thickness of about 500 ° is formed thereon as a conductive film by a vapor phase growth method. Furthermore, as a film having a high etching rate selectivity with a polycrystalline silicon film,
A vapor growth oxide film (third film) 4 of about 0.3 μm is formed.

次いで、第1図(b)のように、フォトレジスト5を
塗布し、かつ所要パターンの露光,現像を行ってゲート
電極を形成する箇所に幅1μmの開口部5aを形成する。
そして、このフォトレジスト5をマスクにして前記気相
成長酸化膜4を反応性イオンエッチング法によりエッチ
ングし、開口部4aを形成する。
Next, as shown in FIG. 1 (b), a photoresist 5 is applied, and a required pattern is exposed and developed to form an opening 5a having a width of 1 μm at a position where a gate electrode is to be formed.
Then, using the photoresist 5 as a mask, the vapor growth oxide film 4 is etched by a reactive ion etching method to form an opening 4a.

次に、第1図(c)のように、フォトレジスト5を除
去した後、気相成長法を用いて、多結晶シリコン膜とエ
ッチング速度の選択比が大きい膜として厚さ0.2μmの
シリコン窒化膜(第4の膜)6を全面に形成する。
Next, as shown in FIG. 1 (c), after removing the photoresist 5, a silicon nitride film having a thickness of 0.2 μm is formed as a film having a high etching rate selectivity by using a vapor phase growth method. A film (fourth film) 6 is formed on the entire surface.

そして、第1図(d)のように、前記気相成長酸化膜
4の表面が露呈されるまで、反応性イオンエッチング技
術を用いて前記シリコン窒化膜6をエッチングする。前
記シリコン窒化膜6は段差被覆性が優れているため、こ
のエッチングにより開口部4aの側面にのみシリコン窒化
膜6が残される。この結果、開口部4aの幅は1μmから
シリコン窒化膜6の厚さの2倍だけ低減された幅寸法の
0.6μmとされる。
Then, as shown in FIG. 1D, the silicon nitride film 6 is etched using a reactive ion etching technique until the surface of the vapor growth oxide film 4 is exposed. Since the silicon nitride film 6 has excellent step coverage, the etching leaves the silicon nitride film 6 only on the side surface of the opening 4a. As a result, the width of the opening 4a has a width reduced from 1 μm by twice the thickness of the silicon nitride film 6.
0.6 μm.

次いで、第1図(e)のように、気相成長法を用いて
厚さ0.5μm程度の第2の多結晶シリコン膜(第5の
膜)7を形成する。これにより、前記開口4aは第2の多
結晶シリコン膜7によって埋設され、かつ全面が第2の
多結晶シリコン膜7によって覆われる。
Next, as shown in FIG. 1E, a second polycrystalline silicon film (fifth film) 7 having a thickness of about 0.5 μm is formed using a vapor phase growth method. As a result, the opening 4a is buried with the second polycrystalline silicon film 7, and the entire surface is covered with the second polycrystalline silicon film 7.

次いで、第1図(f)のように、前記気相成長酸化膜
4の表面が露呈されるまで、反応性イオンエッチング法
により第2の多結晶シリコン膜7をエッチングする。こ
の結果、第2の多結晶シリコン膜7は開口部4a内にのみ
埋設された状態で残される。
Next, as shown in FIG. 1 (f), the second polycrystalline silicon film 7 is etched by the reactive ion etching method until the surface of the vapor growth oxide film 4 is exposed. As a result, the second polycrystalline silicon film 7 is left buried only in the opening 4a.

次いで、第1図(g)のように、希釈したHF液を用い
て気相成長酸化膜4を完全に除去し、更に第1図(h)
のように適温に過熱したリン酸を用いてシリコン窒化膜
6を完全に除去する。なお、第1の多結晶シリコン膜3
は、これらのエッチングに際してのマスクとなる。
Next, as shown in FIG. 1 (g), the vapor-grown oxide film 4 is completely removed by using a diluted HF solution.
The silicon nitride film 6 is completely removed using phosphoric acid heated to an appropriate temperature as described above. The first polycrystalline silicon film 3
Serves as a mask for these etchings.

しかる後、反応性イオンエッチングにより第1の多結
晶シリコン膜3をエッチング除去することにより、第1
図(i)のように、ゲート長が0.6μmのゲート電極7A
が完成される。なお、このときゲート電極7Aの厚さは若
干第2多結晶シリコン膜7よりも若干低減される。
Thereafter, the first polycrystalline silicon film 3 is removed by etching by reactive ion etching, whereby the first polycrystalline silicon film 3 is removed.
As shown in FIG. (I), the gate electrode 7A having a gate length of 0.6 μm
Is completed. At this time, the thickness of gate electrode 7A is slightly smaller than that of second polycrystalline silicon film 7.

したがって、このゲート電極7Aは、フォトリソグラフ
ィ技術の解像力の限界寸法よりもシリコン窒化膜6の厚
さの2倍だけ小さいゲート長に形成でき、その微細化を
進めることが可能となる。
Therefore, the gate electrode 7A can be formed to have a gate length smaller than the critical dimension of the resolving power of the photolithography technique by twice the thickness of the silicon nitride film 6, and the miniaturization can be promoted.

第2図(a)乃至(c)は本発明の第2実施例を工程
順に示す図である。
2 (a) to 2 (c) are views showing a second embodiment of the present invention in the order of steps.

第2図(a)は第1実施例における第1図(d)の工
程までを行った状態を示している。
FIG. 2A shows a state in which the steps up to the step of FIG. 1D in the first embodiment have been performed.

次いで、第2図(b)のように、選択タングステン成
長技術を用いて、開口部4a内にタングステン(第5の
膜)8を選択的に成長する。
Next, as shown in FIG. 2B, a tungsten (fifth film) 8 is selectively grown in the opening 4a by using a selective tungsten growth technique.

しかる後、第1図(g)及び(h)の工程を行うこと
により、第2図(c)のようにゲート電極8Aが形成され
る。
Thereafter, by performing the steps of FIGS. 1 (g) and (h), a gate electrode 8A is formed as shown in FIG. 2 (c).

この実施例においても、第1実施例と同様の微細寸法
のゲート電極が形成される。
Also in this embodiment, a gate electrode having the same fine dimensions as in the first embodiment is formed.

この製造方法では、ゲート電極を構成するタングステ
ンの電気抵抗が多結晶シリコンよりも低いため、高速動
作のMOS型トランジスタに適用する場合に有利となる。
In this manufacturing method, the electrical resistance of tungsten constituting the gate electrode is lower than that of polycrystalline silicon, which is advantageous when applied to a high-speed MOS transistor.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように本発明は、フォトリソグラフィ技
術で形成した第1の絶縁膜の開口部の側面に第2の絶縁
膜を残して該開口部の幅をフォトリソグラフィ記述の加
工限界以下に低減し、この開口部内に第2の多結晶シリ
コン膜を選択的に形成し、その直下の第1の多結晶シリ
コン膜とでゲート電極を形成しているので、フォトリソ
グラフィ技術の加工限界よりも微細なゲート長のゲート
電極を製造することができる。また、第1の多結晶シリ
コン膜上に第1及び第2の絶縁膜を形成し、かつ第1の
多結晶シリコン膜上に第2の多結晶シリコン膜を形成し
てゲート電極を形成するので、第1及び第2の絶縁膜を
エッチングする場合に、そのエッチング選択比によって
第1の多結晶シリコン膜のエッチングが抑制され、これ
により半導体基板の表面へのダメージが防止でき、微細
なゲート電極の形成を実現する。
As described above, according to the present invention, the width of the opening is reduced to the processing limit described in the photolithography by leaving the second insulating film on the side surface of the opening of the first insulating film formed by the photolithography technique. Since the second polycrystalline silicon film is selectively formed in the opening and the gate electrode is formed by the first polycrystalline silicon film immediately below the second polycrystalline silicon film, the finer than the processing limit of the photolithography technique. A gate electrode having a gate length can be manufactured. Further, the first and second insulating films are formed on the first polycrystalline silicon film, and the second polycrystalline silicon film is formed on the first polycrystalline silicon film to form the gate electrode. When etching the first and second insulating films, the etching of the first polycrystalline silicon film is suppressed by the etching selectivity, whereby damage to the surface of the semiconductor substrate can be prevented, and the fine gate electrode can be prevented. To realize the formation of

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

第1図(a)乃至(i)は本発明の第1実施例を製造工
程順に示す縦断面図、第2図(a)乃至(c)は本発明
の第2実施例の主要工程を示す縦断面図、第3図(a)
乃至(d)は従来のゲート電極の製造方法を工程順に示
す縦断面図である。 1……シリコン基板、2……熱酸化膜(第1の膜)、3
……第1の多結晶シリコン膜(第2の膜)、4……気相
成長酸化膜(第3の膜)、5……フォトレジスト、6…
…シリコン窒化膜(第4の膜)、7……第2の多結晶シ
リコン膜(第5の膜)、7A……ゲート電極、11……シリ
コン基板、12……熱酸化膜、13……多結晶シリコン膜、
13A……ゲート電極、14……フォトレジスト。
FIGS. 1A to 1I are longitudinal sectional views showing a first embodiment of the present invention in the order of manufacturing steps, and FIGS. 2A to 2C show main steps of a second embodiment of the present invention. Longitudinal sectional view, FIG. 3 (a)
(D) are longitudinal sectional views showing a conventional method for manufacturing a gate electrode in the order of steps. 1 ... silicon substrate, 2 ... thermal oxide film (first film), 3
... first polycrystalline silicon film (second film), 4 ... vapor-grown oxide film (third film), 5 ... photoresist, 6 ...
... Silicon nitride film (fourth film), 7 ... second polycrystalline silicon film (fifth film), 7A ... gate electrode, 11 ... silicon substrate, 12 ... thermal oxide film, 13 ... Polycrystalline silicon film,
13A ... gate electrode, 14 ... photoresist.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/28 - 21/288 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/44 - 21/445 H01L 29/40 - 29/51──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/28-21/288 H01L 21/3205 H01L 21/3213 H01L 21/44-21/445 H01L 29 / 40-29/51

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板にゲート絶縁膜を形成する工程
と、この上に第1の多結晶シリコン膜を形成する工程
と、前記第1の多結晶シリコン膜上に多結晶シリコンと
エッチング選択比のある第1の絶縁膜を形成する工程
と、前記第1の絶縁膜のゲート電極形成箇所を異方性エ
ッチングにより選択的にエッチング除去し、前記第1の
多結晶シリコン膜が露出した開口部を形成する工程と、
全面に多結晶シリコンとエッチング選択比のある第2の
絶縁膜を形成する工程と、前記第2の絶縁膜を異方性エ
ッチングして前記開口部の側面にのみ第2の絶縁膜を残
す工程と、前記第1の多結晶シリコン膜が露出し、側面
にのみ前記第2の絶縁膜が残った前記開口部を含む全面
に第2の多結晶シリコン膜を形成する工程と、前記第1
及び第2の絶縁膜が露呈されるまで前記第2の多結晶シ
リコン膜をエッチングする工程と、その後前記第1及び
第2の絶縁膜をエッチング除去する工程と、前記第2の
多結晶シリコン膜をマスクにして前記第1の多結晶シリ
コン膜をエッチング除去する工程とを含むことを特徴と
するMOS型トランジスタの製造方法。
A step of forming a gate insulating film on a semiconductor substrate, a step of forming a first polycrystalline silicon film thereon, and an etching selectivity of polycrystalline silicon on the first polycrystalline silicon film. Forming a first insulating film having an opening, and selectively removing an area of the first insulating film on which a gate electrode is to be formed by anisotropic etching to expose the first polycrystalline silicon film. Forming a;
Forming a second insulating film having an etching selectivity with polycrystalline silicon over the entire surface, and anisotropically etching the second insulating film to leave the second insulating film only on the side surface of the opening; Forming a second polycrystalline silicon film on the entire surface including the opening in which the first polycrystalline silicon film is exposed and the second insulating film remains only on the side surface;
Etching the second polycrystalline silicon film until the second insulating film is exposed, and then etching and removing the first and second insulating films; and etching the second polycrystalline silicon film. Etching the first polycrystalline silicon film using a mask as a mask.
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