JP2978870B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2978870B2 JP10018355A JP1835598A JP2978870B2 JP 2978870 B2 JP2978870 B2 JP 2978870B2 JP 10018355 A JP10018355 A JP 10018355A JP 1835598 A JP1835598 A JP 1835598A JP 2978870 B2 JP2978870 B2 JP 2978870B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMOSトランジスタ
(絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)を含む半導体装
置の製造方法に関し、特にチャネル領域への不純物注入
によってMOSトランジスタのしきい値(スレショルド
電圧)を所望の値に設定することを可能にした半導体装
置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】MOSトランジスタを含む半導体装置の
製造工程では、製造するMOSトランジスタのしきい値
を設計通りの値に設定するために、ゲート電極の形成前
にチャネル領域に不純物を注入することが行われてい
る。例えば、特開平3−44037号公報に記載の技術
では、図4(a)に示すように、シリコン基板21にゲ
ート絶縁膜22と、ゲート電極形成用のポリシリコン2
3を形成した後、図4(b)のように、シリコン基板2
1の表面に対してP型不純物を高いドーズ量、低エネル
ギでイオン注入し、さらに図4(c)のように、P型不
純物を低ドーズ量、高エネルギでイオン注入し、所要の
濃度プロファイルのチャネル領域24を得て、MOSト
ランジスタのしきい値調整を行っている。
【0003】また、特開平4−24963号公報に記載
の技術では、MOSトランジスタで構成されるROMの
製造技術であり、図5(a)のように、半導体基板31
にフィールド酸化膜32,ゲート酸化膜33を形成した
のち、形成するMOSトランジスタをディプレションと
するために、燐をイオン注入して燐拡散領域34を形成
する。次いで、図5(b)のように、ポリシリコンでゲ
ート電極35を形成し、かつ図5(c)のように、レジ
スト37をマスクにして燐を高濃度にイオン注入してソ
ース・ドレイン領域36を形成する。しかる後、図5
(d)のように、別のレジスト38を選択的に設け、レ
ジストで覆われていないMOSトランジスタに対してホ
ウ素をイオン注入して拡散領域39を形成し、エンハン
スメント化し、ROMを形成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来から
MOSトランジスタのしきい値を調整するために、チャ
ネル領域に不純物を注入する技術は広く行われている
が、従来の技術では形成するMOSトランジスタのしき
い値を所望の値に高精度に設定することが難しいという
問題がある。すなわち、MOSトランジスタの特性を示
す式として、次式が知られており、この式からMOSト
ランジスタのしきい値Vthはゲート電極のチャネル長方
向に沿う電極長Lに依存されることが判る。 Id=W/L・μn ・Co{(VgーVth)VdーVd
2 /2} なお、Wはゲート幅、μn は電子移動度、Coはゲート
酸化膜容量、Vgはゲート電圧、Idはドレイン電流、
Vdはドレイン電圧である。
【0005】したがって、図4に示した技術では、予め
設計した値の不純物濃度となるように不純物を注入して
いるが、その後に形成されたゲート電極の電極長が設計
値に対して誤差が生じた場合には、設計通りのしきい値
を得ることができなくなる。このため、後工程の熱処理
工程によりゲートチャネル実効長の制御を実施すること
が行われているが、パターンの縮小化が進む近年ではこ
の方法でしきい値を制御することは非常に困難である。
一方、図5に示した技術では、ゲート電極を形成した後
にチャネル領域に不純物を注入しているが、この技術は
MOSトランジスタをディプレションあるいはエンハン
スメントに設定するという、おおまかなしきい値調整に
は適用できるが、この場合でも形成したゲート電極の電
極長については考慮されていないため、しきい値を高精
度に設定することは困難である。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、ゲート電極下
のチャネル領域に不純物を注入してMOSトランジスタ
のしきい値を設定する半導体装置の製造方法において、
配線工程より前に、チャネル長方向に沿う前記ゲート電
極の電極長を測定し、測定された電極長に対応した注入
量で前記チャネル領域に前記不純物の注入を行うことを
特徴とする。すなわち、半導体基体の表面にゲート絶縁
膜、ゲート電極を形成する工程と、前記ゲート電極のチ
ャネル長方向に沿う電極長を測定する工程と、測定され
た電極長に対応して、MOSトランジスタのしきい値と
の相関から前記ゲート電極下のチャネル領域に注入する
不純物の注入量を求める工程と、求められた注入量で前
記ゲート電極を通して前記チャネル領域に不純物を注入
する工程とを含んでいる。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、ゲート電極下
のチャネル領域に不純物を注入してMOSトランジスタ
のしきい値を設定する半導体装置の製造方法において、
前記ゲート電極を形成した後、チャネル長方向に沿う前
記ゲート電極の電極長を測定し、測定された電極長に相
関のある注入量で前記不純物の注入を行うことを特徴と
する。すなわち、半導体基体の表面にゲート絶縁膜、ゲ
ート電極を形成する工程と、前記ゲート電極のチャネル
長方向に沿う電極長を測定する工程と、測定された電極
長とMOSトランジスタのしきい値との相関から前記ゲ
ート電極下のチャネル領域に注入する不純物の注入量を
求める工程と、求められた注入量で前記ゲート電極を通
して前記チャネル領域に不純物を注入する工程とを含ん
でいる。
【0008】図1は本発明の製造方法を工程順に示すフ
ローチャートである。まず、半導体基体の表面にゲート
絶縁膜を形成し(S11)、さらにその上にポリシリコ
ン膜を成長する(S12)。ついで、前記ポリシリコン
膜上にフォトレジスト膜を形成し、かつゲート電極を形
成する領域を開口するパターン形成を行う(S13)。
そして、前記フォトレジスト膜をマスクにして前記ポリ
シリコン膜をエッチングしゲート電極を形成し(S1
4)、その後前記フォトレジスト膜を剥離する(S1
5)。しかる上で、形成されたゲート電極のチャネル長
方向の電極長を測定し(S16)、測定された電極長及
び形成するMOSトランジスタのしきい値との相関から
チャネル領域に注入する不純物の注入量を設定する(S
17)。そして、前記ゲート電極の上から前記半導体基
体の表面に設定された注入量で不純物を注入する(S1
8)。しかる後は、これまでのMOSトランジスタの製
造工程と同じ工程でMOSトランジスタを製造する。
【0009】本発明では、先にゲート電極を形成し、形
成されたゲート電極の電極長に対応した注入量でのイオ
ン注入を行うため、ゲート電極の電極長に誤差が生じて
いる場合でも、設計通りのしきい値のMOSトランジス
タの製造が可能となる。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図2は本発明の実施形態を工程順に
示す断面図である。先ず、図2(a)のように、P型シ
リコン基板あるいはP型ウェル等の半導体基体11の表
面に素子分離となるフィールド酸化膜12を形成して素
子形成領域を画成し、さらにこの素子形成領域の前記P
型半導体基体11の表面にゲート酸化膜13を形成す
る。次いで、図2(b)のように、前記半導体基体11
の表面上にゲート電極となるポリシリコン膜を堆積し、
かつ写真食刻法とゲートポリシリエッチングによって前
記ポリシリコン膜を選択的に除去し、ゲート電極14を
形成する。そして、この形成されたゲート電極14のチ
ャネル長方向の電極長Lを測定する。この測定に際して
は、例えばITV等の撮像装置を用いてゲート電極14
を半導体基体11の上面方向から撮像し、得られたモニ
タ映像を表示装置に表示させるとともに、この表示画面
に同時に表示されるサイズ目盛りを利用して測定する方
法が採用できる。もちろん、他の方法での測定も可能で
ある。また、この測定に際しては、前記半導体基体11
上に形成される多数個のゲート電極14は同一プロセス
によって形成されているため、同一サイズに形成しよう
とする多数個のゲート電極のうち、1つあるいは数個の
ゲート電極の電極長Lを測定すれば、他のゲート電極は
ほぼ同じ寸法であるとみなすことができる。
【0011】次いで、図2(c)のように、前記ゲート
電極14を形成する際に用いたフォトレジストとは反対
特性、例えば、前記ゲート電極14を形成する際にポジ
型フォトレジストを用いたときにはネガ型のフォトレジ
ストを全面に塗布形成し、前記ゲート電極14を形成す
る際のフォトマスクを再度利用してフォトレジストを露
光、現像することによりフォトレジストのマスク15を
形成する。これにより、前記ゲート電極14のみがフォ
トレジストマスク15から露呈されることになる。しか
る上で、前記半導体基体11の表面側から燐をイオン注
入する。これにより、前記ゲート電極14を通してのみ
前記半導体基体11の表面、換言すればチャネル領域1
6に燐がイオン注入される。このとき、前工程で測定し
たゲート電極14の電極長Lを参照して燐の注入量を調
整することにより、所望のしきい値を得ることが可能と
なる。
【0012】すなわち、図3は、MOSトランジスタに
おけるしきい値を、ゲート電極14の電極長Lをパラメ
ータとして、チャネル領域16への不純物の注入量に対
応して示す特性図である。この特性図から、不純物の注
入量としきい値には相関があること、及びこの相関はゲ
ート電極の電極長によって変化されることが判る。した
がって、今、所望のしきい値Vth1のMOSトランジス
タを製造しようとする場合、前記工程で形成したゲート
電極14の電極長Lを測定し、測定された電極長の特性
から対応する不純物の注入量を求めることができる。こ
れにより、前記したゲート電極14の形成工程におい
て、実際に形成されたゲート電極14の電極長Lが設計
値に対して誤差が生じている場合でも、ゲート電極下の
チャネル領域に前記した注入量で不純物を注入すること
により、設計値通りのしきい値のMOSトランジスタを
製造することが可能となる。
【0013】なお、実際の製造工程においては、図3の
特性をテーブルデータとしてメモリに記憶するととも
に、前記したゲート電極の電極長の測定を自動化するこ
とにより、測定されたゲート電極の電極長と、しきい値
の設計データとに基づいてメモリから対応する注入量を
読み出し、この注入量によりイオン注入装置を制御する
ことによって適切な注入量での不純物のイオン注入を自
動化することが可能となる。
【0014】その後、図2(d)のように、前記フォト
レジストマスク15を除去し、前記ゲート電極14を利
用した自己整合法により前記半導体基体11の表面に砒
素を高濃度でイオン注入し、N型ソース、ドレイン領域
17を形成し、MOSトランジスタが形成される。さら
に、図示は省略するが、層間絶縁膜の形成、コンタクト
ホールの開口、コンタクト配線の形成等の常法によって
半導体装置を製造する。
【0015】
【効果の説明】以上説明したように本発明は、配線工程
より前に、チャネル長方向に沿う前記ゲート電極の電極
長を測定し、測定された電極長に対応してMOSトラン
ジスタのしきい値との相関から設定される注入量でゲー
ト電極を通してチャネル領域に不純物を注入しているの
で、ゲート電極長が設計値に対して誤差が生じた場合で
も、このゲート電極長の誤差に対応して不純物の注入量
を調整することで、常に設計値通りのしきい値のMOS
トランジスタを製造することができる。これにより、所
望の特性及び品質のMOSトランジスタを安定して製造
することが可能となる。
【0016】
【効果の説明】以上説明したように本発明は、ゲート電
極を形成した後に、チャネル長方向に沿う前記ゲート電
極の電極長を測定し、測定された電極長に対応して設定
される注入量でゲート電極の直下に不純物を注入してい
るので、ゲート電極長が設計値に対して誤差が生じた場
合でも、このゲート電極長の誤差に対応して不純物の注
入量を調整することで、常に設計値通りのしきい値のM
OSトランジスタを製造することができる。これによ
り、所望の特性及び品質のMOSトランジスタを安定し
て製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造工程を示すフローチャートであ
る。
【図2】本発明の実施形態を工程順に示す断面図であ
る。
【図3】しきい値と不純物の注入量との相関をゲート電
極の電極長をパラメータとして示す特性図である。
【図4】従来のしきい値調整技術を説明するための工程
断面図である。
【図5】従来のチャネル領域へのイオン注入技術の一例
を説明するための工程断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基体 12 フィールド酸化膜 13 ゲート酸化膜 14 ゲート電極 15 フォトレジストマスク 16 チャネル領域 17 ソース・ドレイン領域 L ゲート電極の電極長
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/8234 - 21/8238 H01L 27/088 - 27/092 H01L 29/78

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゲート電極下のチャネル領域に不純物を
    注入してMOSトランジスタのしきい値を設定する半導
    体装置の製造方法において、配線工程より前に、チャネ
    ル長方向に沿う前記ゲート電極の電極長を測定し、測定
    された電極長に対応した注入量で前記チャネル領域に
    純物の注入を行うことを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
  2. 【請求項2】 半導体装置の製造方法において、半導体
    基体の表面にゲート絶縁膜、ゲート電極を形成する工程
    と、前記ゲート電極のチャネル長方向に沿う電極長を測
    定する工程と、測定された電極長に対応して、MOSト
    ランジスタのしきい値との相関から前記ゲート電極下の
    チャネル領域に注入する不純物の注入量を求める工程
    と、求められた注入量で前記ゲート電極を通して前記チ
    ャネル領域に不純物を注入する工程と、その後の配線工
    程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記不純物を注入する工程で、前記ゲー
    ト電極以外の前記半導体基体の表面をマスクすることを
    特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記不純物を注入する工程の後に、前記
    ゲート電極を利用した自己整合法によって前記半導体基
    体の表面に第2の不純物を注入してMOSトランジスタ
    のソース・ドレイン領域を形成する工程を含むことを特
    徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の半導体装
    置の製造方法。
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