JP3068270B2 - Mos型電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Mos型電界効果トランジスタ及びその製造方法

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JP3068270B2 JP3243359A JP24335991A JP3068270B2 JP 3068270 B2 JP3068270 B2 JP 3068270B2 JP 3243359 A JP3243359 A JP 3243359A JP 24335991 A JP24335991 A JP 24335991A JP 3068270 B2 JP3068270 B2 JP 3068270B2
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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MOS型電界効果トラン
ジスタの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】シリコンMOS型電界効果トランジスタ
のゲート電極としては、従来、N型ドープポリシリコン
が用いられている。しかし、ゲート長の微細化に伴い、
しきい値電圧のゲート長依存性(短チャネル効果)が深
刻な問題となってきている。
【0003】特にPチャネルMOS型電界効果トランジ
スタでは、従来ゲート電極としてN型ドープポリシリコ
ンを用いているために、埋め込みチャネル構造となり、
短チャネル効果が問題となり易い。
【0004】この問題解決のために、PチャネルMOS
型電界効果トランジスタでは、P型ドープポリシリコン
を、NチャネルMOS型電界効果トランジスタでは、N
型ドープポリシリコンを用いたデバイス構造が提案され
ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Pチャ
ネルMOS型電界効果トランジスタでP型ドープポリシ
リコンをゲート電極として用いた場合、900℃程度の
熱処理により、ゲート電極中のボロンがゲート酸化膜中
を通り抜け、基板シリコンに到達し、トランジスタのし
きい値電圧を大幅に変化させるという問題があった。
【0006】また、ゲート絶縁膜として、窒化酸化膜を
用いることにより、ボロンの突き抜けを抑制できること
が森本らにより、インターナショナル エレクトロン
デバイスイズ ミィーティング(Internatio
nal ElectronDevices Meeti
ng) 1990のTechnical Digest
pp.429〜432に報告されている。
【0007】しかしながら、従来報告されている窒化酸
化膜は、ゲート絶縁膜中における窒素の位置がシリコン
酸化膜とシリコン基板との界面に存在するために、デバ
イスの電気特性への影響がある。
【0008】たとえば、岩井らにより、1990 シン
ポジウム オン ブイエルエスアイテクノロジー(Sy
mposium on VLSI Technolog
y)pp.131〜132に報告されているように、M
OS型電界効果トランジスタの移動度がシリコン酸化膜
と窒化酸化膜とでは異なり、PMOSFETでは移動度
が減少する。また、シリコン酸化膜に比べて、窒化酸化
膜では界面準位が多いことも報告されている。
【0009】本発明の目的は、これらの問題点を解消し
うるMOS型電界効果トランジスタの新規な製造方法
提供することにある。
【0010】
【0011】
【0012】
【課題を解決するための手段】 本発明のMOS型電界
効果トランジスタの製造方法は、半導体基板上の活性領
域にゲート絶縁膜として、シリコン酸化膜を形成する工
程と、該シリコン酸化膜上に分子ビーム膜堆積法により
シリコン膜を堆積する工程と、該シリコン膜を窒化し、
シリコン窒化膜を形成する工程とを含むものである。
【0013】また、半導体基板上の活性領域にゲート絶
縁膜として、シリコン酸化膜を形成する工程と、該シリ
コン酸化膜上に分子ビーム膜堆積法によりシリコン膜を
堆積する工程と、該シリコン膜を窒化し、シリコン窒化
膜を形成する工程と、該シリコン窒化膜の表面部分を酸
化する工程とを含むものである。
【0014】
【作用】本発明のMOS型電界効果トランジスタについ
て説明する。本発明により製造されるゲート絶縁膜構造
を有するp+ ポリシリコンゲートPチャネルMOS型電
界効果トランジスタでは、ゲート絶縁膜中にシリコン窒
化膜を含むために、ボロン突き抜けがほとんど生じな
い。
【0015】また、本発明に係る構造のトランジスタ
は窒化膜がシリコン基板とゲート絶縁膜界面に存在しな
いために、移動度が従来のシリコン酸化膜をゲート絶縁
膜とするトランジスタの移動度とほぼ同じであった。
【0016】さらに、本発明のMOS型電界効果トラン
ジスタの製造方法について説明する。従来、窒化酸化膜
のゲート絶縁膜は、シリコン基板の活性領域を所定の厚
さだけ酸化した後、窒素化合物ガスを用いて、窒化を行
っていた。この方法では窒化膜は酸化膜とシリコン基板
との界面に形成されていた。
【0017】そこで、まず、シリコン基板の活性領域を
所定の厚さだけ酸化した後、オングストロームオーダー
の堆積膜を均一性良く堆積することのできる分子ビーム
膜堆積法により、シリコン膜を均一に所定の厚さだけ堆
積する。
【0018】その後、窒化化合物ガスを用いて、当該シ
リコン膜を窒化し、酸化膜と窒化膜の2層構造を形成す
る。あるいはさらに、前記窒化膜を酸化することによ
り、酸化膜/窒化膜/酸化膜の3層構造を形成すること
ができる。
【0019】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【0020】図1と図2とは、本発明の請求項1と請求
項2に述べた本発明の方法により製造されるトランジス
タ構造のそれぞれの実施例を示した模式的断面図であ
る。図1のトランジスタ構造では、ゲート絶縁膜が酸化
膜4と窒化膜5の2層構造、図2のトランジスタ構造で
は、ゲート絶縁膜は、酸化膜4/窒化膜5/酸化膜4の
3層構造となっている。図1,図2のトランジスタで
は、デバイスの電気特性を従来構造と同様に保ったま
ま、ボロン突き抜けを抑制することができた。
【0021】図3と図4とは、本発明の請求項1と請求
項2に述べた本発明によるトランジスタ構造の製造方法
の実施例を示した模式的断面図である。図3(a)は、
シリコン基板1上で、素子分離領域2を形成した後、活
性領域を5nm酸化してシリコン酸化膜4を形成し、さ
らに分子ビーム膜堆積法によりシリコン薄膜7を1nm
堆積した状態を示す。
【0022】次に図3(b)に示すように、アンモニア
ガスを用いた1000℃の熱窒化法により、前記シリコ
ン薄膜7をシリコン窒化膜5にした後、ゲートポリシリ
コン膜6を堆積する。
【0023】次いで図3(c)に示すように、通常のホ
トレジスト工程とドライエッチング工程によりゲート電
極を形成した後、ボロンをイオン注入法により、ゲート
電極とソース、ドレイン領域3に注入する。さらに層間
絶縁膜8を堆積した後、900℃の熱処理を実施し、図
1に示すトランジスタを完成する。
【0024】図1のトランジスタでは、ゲート絶縁膜
が、ゲート電極側にシリコン窒化膜が位置してシリコン
窒化膜5とシリコン酸化膜4とが上下に積層された2層
構造となる。
【0025】図4(a)は、シリコン基板1上で、素子
分離領域2を形成した後、活性領域を5nm酸化してシ
リコン酸化膜4を形成し、さらに分子ビーム膜堆積法に
よりシリコン薄膜7を1nm堆積した状態を示す。
【0026】次に図4(b)に示すように、アンモニア
ガスを用いた1000℃の熱窒化法により、前記シリコ
ン薄膜7をシリコン窒化膜5にした後、さらに酸素雰囲
気中において熱処理を実施し、前記シリコン窒化膜5の
表面部分を再酸化してシリコン酸化膜4とする。
【0027】次いでゲートポリシリコン膜6を堆積し、
通常のホトレジスト工程とドライエッチング工程により
ゲート電極を形成した後、ボロンをイオン注入法によ
り、図4(c)のようにゲート電極とソース、ドレイン
領域3に注入する。さらに層間絶縁膜8を堆積した後、
900℃の熱処理を実施し、図2に示すトランジスタを
完成する。
【0028】図2に示すトランジスタでは、ゲート絶縁
膜が、シリコン酸化膜4,4間にシリコン窒化膜5が位
置した3層構造となる。
【0029】前記実施例においては、熱窒化のためにア
ンモニアガスを用いたが、酸化窒素ガス(N2 O)も用
いることができる。また、前記実施例ではポリシリコン
をゲート材料としたが、シリサイドとポリシリコンの2
層構造であるポリサイド構造、あるいはソース、ドレイ
ンと同時にゲート電極をシリサイド/ポリシリコン2層
構造とするポリサイド構造もゲート材料として用いるこ
とができる。
【0030】図5は、本発明によるゲート絶縁膜構造を
有するp+ ポリシリコンゲートPチャネルMOS型電界
効果トランジスタと、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜と
する従来構造のp+ ポリシリコンゲートPチャネルMO
S型電界効果トランジスタと、窒化酸化膜(窒化膜がシ
リコン基板とシリコン酸化膜界面に存在するゲート絶縁
膜)をゲート絶縁膜とする構造のp+ ポリシリコンゲー
トPチャネルMOS型電界効果トランジスタのしきい値
電圧の熱処理温度依存性の比較である。
【0031】本発明の構造のトランジスタと窒化酸化膜
をゲート絶縁膜とするトランジスタとではゲート絶縁膜
中の窒化膜がボロン突き抜けを抑制するためにしきい値
電圧の変動は生じないが、酸化膜をゲート絶縁膜とする
従来構造のトランジスタではボロン突き抜けが生じ、し
きい値電圧の変動が起こる。さらに、図6は、本発明の
構造のトランジスタと、酸化膜をゲート絶縁膜とする従
来構造のトランジスタと、窒化酸化膜をゲート絶縁膜と
するトランジスタの移動度の比較である。
【0032】本発明の構造によるトランジスタの移動度
は、従来構造トランジスタとほぼ同じであったが、窒化
酸化膜をゲート絶縁膜とするトランジスタの移動度は他
の構造のトランジスタの移動度よりも減少していた。こ
の結果は、本発明のトランジスタでは、ゲート絶縁膜と
シリコン基板の界面がシリコン酸化膜となっているため
である。
【0033】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、M
OS型電界効果トランジスタのゲート絶縁膜として、酸
化膜と窒化膜の2層構造あるいは酸化膜と窒化膜の3層
構造を用いることにより、デバイスの電気特性を従来構
造のトランジスタと同じままで、ボロン突き抜けを抑制
することができる。
【0034】また、前記トランジスタ構造を分子ビーム
膜堆積法を用いて形成することにより、前記ゲート絶縁
膜を制御性良く形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のMOS型電界効果トランジスタの構造
の第1の実施例を示す図である。
【図2】本発明のMOS型電界効果トランジスタの構造
の第2の実施例を示す図である。
【図3】(a)〜(c)は、MOS型電界効果トランジ
スタの製造方法の第1の実施例を工程順に示す図であ
る。
【図4】(a)〜(c)は、MOS型電界効果トランジ
スタの製造方法の第2の実施例を工程順に示す図であ
る。
【図5】本発明によるゲート絶縁膜構造を有するp+
リシリコンゲートPチャネルMOS型電界効果トランジ
スタと、シリコン酸化膜をゲート絶縁膜とする従来構造
のp+ ポリシリコンゲートPチャネルMOS型電界効果
トランジスタと、窒化酸化膜をゲート絶縁膜とする構造
のp+ ポリシリコンゲートPチャネルMOS型電界効果
トランジスタのしきい値電圧変動量の熱処理温度依存性
を示す図である。
【図6】本発明の構造のトランジスタと、酸化膜をゲー
ト絶縁膜とする従来構造トランジスタと、窒化酸化膜を
ゲート絶縁膜とするトランジスタの移動度を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 素子分離領域 3 ソースまたはドレイン領域 4 シリコン酸化膜 5 シリコン窒化膜 6 ゲートポリシリコン膜 7 シリコン薄膜 8 層間絶縁膜
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−22587(JP,A) 特開 昭61−154170(JP,A) 特開 昭62−28270(JP,A) 特開 平1−272147(JP,A) 特開 昭63−41076(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上の活性領域にゲート絶縁膜
    として、シリコン酸化膜を形成する工程と、 該シリコン酸化膜上に分子ビーム膜堆積法によりシリコ
    ン膜を堆積する工程と、該シリコン膜を窒化し、シリコ
    ン窒化膜を形成する工程とを含むことを特徴とするMO
    S型電界効果トランジスタの製造方法。
  2. 【請求項2】 半導体基板上の活性領域にゲート絶縁膜
    として、シリコン酸化膜を形成する工程と、 該シリコン酸化膜上に分子ビーム膜堆積法によりシリコ
    ン膜を堆積する工程と、該シリコン膜を窒化し、シリコ
    ン窒化膜を形成する工程と、 該シリコン窒化膜の表面部分を酸化する工程とを含むこ
    とを特徴とするMOS型電界効果トランジスタの製造方
    法。
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