JP3244066B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電界効果トランジ
スタの製造方法に関し、さらに詳しくは、ソース−ドレ
インの接合深さを浅くした電界効果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 field-effect transistor, and more particularly, to a method for manufacturing a field-effect transistor having a reduced source-drain junction depth.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来の電界効果型トランジスタ(以下、
適宜「FET」と称す)の製造方法について、図4を参
照して説明する。2. Description of the Related Art A conventional field-effect transistor (hereinafter referred to as "the field effect transistor")
A manufacturing method of the “FET” as appropriate) will be described with reference to FIG.
【0003】まず図4(a)のように、半導体基板1上
に酸化シリコン膜2(膜厚4nm)を熱酸化法により形
成し、ついでこの上に多結晶シリコン3(膜厚200n
m)を形成する。First, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide film 2 (4 nm thick) is formed on a semiconductor substrate 1 by a thermal oxidation method, and then a polycrystalline silicon 3 (200 nm thick) is formed thereon.
m).
【0004】次に多結晶シリコン膜3上にフォトレジス
ト(不図示)を設け、これをマスクとして多結晶シリコ
ン膜3および酸化シリコン膜2をパターニングし、ゲー
ト電極の形状を形成する。つづいてサイドウォールとし
て酸化シリコン膜4を形成し、さらにスルー酸化膜(不
図示)を形成する(図4(b))。次にスルー酸化膜を
介して全面にボロンのイオン注入を行い(図4
(c))、ゲート電極への不純物導入およびソース・ド
レイン領域6の形成を行う(図4(d))。ボロンの打
ち込条件は、たとえば、4KeV、3×1015 atoms/c
m2程度とする。Next, a photoresist (not shown) is provided on the polycrystalline silicon film 3, and the polycrystalline silicon film 3 and the silicon oxide film 2 are patterned using the photoresist as a mask to form a gate electrode. Subsequently, a silicon oxide film 4 is formed as a sidewall, and a through oxide film (not shown) is further formed (FIG. 4B). Next, boron ions are implanted into the entire surface via the through oxide film (FIG. 4).
(C)), impurities are introduced into the gate electrode, and the source / drain regions 6 are formed (FIG. 4D). Boron implantation conditions are, for example, 4 KeV, 3 × 10 15 atoms / c
m 2 .
【0005】その後ランプアニールを行い、ゲート電極
およびソース・ドレイン領域6の活性化を行う。ランプ
アニールの条件は、通常、基板温度900〜1000℃
とし、アニール時間を5〜10秒とする。After that, lamp annealing is performed to activate the gate electrode and the source / drain regions 6. The conditions for lamp annealing are usually at a substrate temperature of 900 to 1000 ° C.
And the annealing time is 5 to 10 seconds.
【0006】以上のようにしてFETが完成する。[0006] As described above, the FET is completed.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
技術では、ソース−ドレインの接合深さを浅くしつつゲ
ート電極中に不純物を充分に拡散し活性化することが困
難であった。However, in the above prior art, it was difficult to sufficiently diffuse and activate impurities in the gate electrode while reducing the source-drain junction depth.
【0008】ソースドレインの接合深さを浅くするため
に、ドーパントのイオン注入エネルギーを低くすること
や、ランプアニールの熱履歴を低減すること(つまり加
熱温度を下げたり、加熱時間を短くしたりすること)は
極めて有効である。しかしこの方法では、ゲート電極の
下層までドーパントを拡散させることができず、電界効
果トランジスタ動作時にゲート電極の下層が空乏化しや
すくなってしまう。このゲート電極の空乏化は、ゲート
酸化膜の膜厚を厚くすることと等価であるため、電界効
果トランジスタの高速化と高集積化を妨げることになっ
てしまう。In order to reduce the junction depth of the source / drain, the ion implantation energy of the dopant is reduced, and the thermal history of lamp annealing is reduced (that is, the heating temperature is reduced or the heating time is shortened). Is very effective. However, according to this method, the dopant cannot be diffused to the lower layer of the gate electrode, and the lower layer of the gate electrode tends to be depleted during the operation of the field effect transistor. This depletion of the gate electrode is equivalent to increasing the thickness of the gate oxide film, and thus hinders the high speed and high integration of the field effect transistor.
【0009】逆に、ゲート電極下層までドーパントを深
く導入するために、ドーパントのイオン注入エネルギー
を高くすることや、ランプアニールの熱履歴を増大させ
ること(つまり加熱温度を上げたり、加熱時間を長くし
たりすること)は極めて有効である。しかしこの方法で
は、ソース−ドレインの接合深さが深くなってしまい、
電界効果トランジスタの高集積化を妨げることになって
しまう。On the contrary, in order to introduce the dopant deeply into the lower layer of the gate electrode, it is necessary to increase the ion implantation energy of the dopant or to increase the heat history of lamp annealing (that is, increase the heating temperature or increase the heating time). Is very effective. However, in this method, the source-drain junction depth becomes deep,
This will hinder high integration of the field effect transistor.
【0010】この問題を解決するために、ゲート電極へ
のイオン注入とソース−ドレインへのイオン注入を別々
に行い、さらに熱処理も別々に行うことも考えられる
が、この方法では製造工程の増加によるコストアップが
生じてしまうという問題がある。In order to solve this problem, it is conceivable that ion implantation into the gate electrode and ion implantation into the source-drain are performed separately, and heat treatment is also performed separately. However, in this method, the number of manufacturing steps is increased. There is a problem that the cost is increased.
【0011】本発明は、上記の点を踏まえ、ゲート電極
下層までのドーパント導入とソース−ドレインの接合深
さを浅くするという両立しがたい要求を、コスト増を抑
えつつ実現することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and has as its object to realize an incompatible requirement of introducing a dopant to a layer below a gate electrode and reducing a junction depth between a source and a drain while suppressing an increase in cost. I do.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、半導体
基板上にゲート酸化膜、多結晶シリコン膜をこの順で形
成する第一の工程と、該多結晶シリコン膜にシリコン原
子注入量1×10 12 〜1×10 15 atoms/cm 2 でシリコン
原子をイオン注入して格子間シリコンを導入する第二の
工程と、該多結晶シリコン膜をゲート電極形状にパター
ニングする第三の工程と、全面に不純物をイオン注入し
た後、熱処理を行う第四の工程とを有することを特徴と
する半導体装置の製造方法が提供される。According to the present invention, a first step of forming a gate oxide film and a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate in this order, and a step of forming a silicon source on the polycrystalline silicon film.
Silicon at a dose of 1 × 10 12 to 1 × 10 15 atoms / cm 2
A second step of implanting atoms to introduce interstitial silicon, a third step of patterning the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape, and a fourth step of performing heat treatment after ion implantation of impurities over the entire surface. And a method for manufacturing a semiconductor device.
【0013】[0013]
【0014】また本発明の参考例によれば、半導体基板
上にゲート酸化膜、多結晶シリコン膜をこの順で形成す
る第一の工程と、該多結晶シリコン膜の表面に熱酸化法
によりシリコン酸化膜を形成する第二の工程と、該多結
晶シリコン膜をゲート電極形状にパターニングする第三
の工程と、全面に不純物をイオン注入した後、熱処理を
行う第四の工程とを有することを特徴とする半導体装置
の製造方法が提供される。According to a reference example of the present invention , a first step of forming a gate oxide film and a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate in this order, and forming a silicon oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film by a thermal oxidation method. A second step of forming an oxide film, a third step of patterning the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape, and a fourth step of performing a heat treatment after ion-implanting impurities over the entire surface. A method for manufacturing a semiconductor device is provided.
【0015】上述した半導体装置の製造方法ではいずれ
も、第二の工程にて多結晶シリコン膜に格子間シリコン
が導入された後、第四の工程で、シリコン基板表面とと
もに上記多結晶シリコン膜へ不純物(ドーパント)がイ
オン注入され、熱処理により不純物の拡散および活性化
が行われる。ここで、ゲート電極を構成する多結晶シリ
コン膜でのドーパントの熱拡散は、イオン注入により格
子間に導入されたシリコン原子により促進される。これ
に対してシリコン基板には格子間シリコンが導入されて
いないので、ドーパントの熱拡散は促進されることがな
い。したがって、ソース−ドレイン領域における熱拡散
の増大を抑えつつゲート電極でのドーパントの熱拡散お
よび活性化を充分に行うことができる。このため、ソー
ス−ドレインの浅い接合を実現して短チャネル効果を抑
制するとともに、電界効果トランジスタ動作時にゲート
電極で空乏化が生じて駆動能力が低下するという問題を
解決することができる。In any of the above-described semiconductor device manufacturing methods, after the interstitial silicon is introduced into the polycrystalline silicon film in the second step, in the fourth step, the polycrystalline silicon film is transferred to the polycrystalline silicon film together with the silicon substrate surface. Impurities (dopants) are ion-implanted, and the impurities are diffused and activated by heat treatment. Here, thermal diffusion of the dopant in the polycrystalline silicon film forming the gate electrode is promoted by silicon atoms introduced between lattices by ion implantation. On the other hand, since interstitial silicon is not introduced into the silicon substrate, thermal diffusion of the dopant is not promoted. Therefore, thermal diffusion and activation of the dopant in the gate electrode can be sufficiently performed while suppressing an increase in thermal diffusion in the source-drain regions. Therefore, it is possible to realize a shallow source-drain junction to suppress the short channel effect, and to solve the problem that the gate electrode is depleted during the operation of the field effect transistor and the driving capability is reduced.
【0016】[0016]
【発明の実施の形態】本発明は、多結晶シリコン膜に格
子間シリコンを導入した後、この多結晶シリコン膜に不
純物のイオン注入および熱処理を行う。格子間シリコン
の導入方法は特に制限が無いが、シリコン原子のイオン
注入の方法が好ましい。この点については実施例を挙げ
て後述する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the present invention, after interstitial silicon is introduced into a polycrystalline silicon film, ion implantation of impurities and heat treatment are performed on the polycrystalline silicon film. The method of introducing interstitial silicon is not particularly limited, but a method of ion implantation of silicon atoms is preferable. This will be described later with reference to examples.
【0017】本発明において、格子間シリコンの導入を
シリコン原子のイオン注入により行う場合、すなわち第
二の工程で多結晶シリコン膜にシリコン原子をイオン注
入する場合、シリコン原子注入量は、後の工程でイオン
注入される不純物量に応じて適宜設定されるが、好まし
くは1×1012〜1×1015atoms/cm2、さらに好まし
くは5×1012〜1×1014atoms/cm2とする。このよ
うな打ち込み量とすれば、後の熱処理によりゲート電極
中のドーパント不純物の拡散および活性化を充分に行う
ことができる。シリコン原子のイオン注入の際、直接多
結晶シリコン膜にイオン打ち込みを行っても良いし、ス
ルー酸化膜を介してイオン打ち込みを行っても良い。ま
たイオン打ち込みの際のエネルギーは特に限定されない
が、好ましくは10〜30keV、さらに好ましくは1
5〜25keVとする。なお打ち込み後のアニールは特
に必要ない。In the present invention, when the interstitial silicon is introduced by ion implantation of silicon atoms, that is, when silicon atoms are implanted into the polycrystalline silicon film in the second step, the amount of silicon atoms implanted is determined in a later step. Although in Ru is appropriately set according to the amount of impurity to be ion-implanted, preferably 1 × 10 12 ~1 × 10 15 atoms / cm 2, more preferably to 5 × 10 12 ~1 × 10 14 atoms / cm 2 . With such an implantation amount, diffusion and activation of the dopant impurity in the gate electrode can be sufficiently performed by the subsequent heat treatment. At the time of ion implantation of silicon atoms, ion implantation may be directly performed on the polycrystalline silicon film, or ion implantation may be performed via a through oxide film. The energy at the time of ion implantation is not particularly limited, but is preferably 10 to 30 keV, more preferably 1 to 30 keV.
5 to 25 keV. Annealing after implantation is not particularly necessary.
【0018】本発明の参考例において格子間シリコンの
導入を酸化シリコン膜の形成により行う場合、すなわち
第二の工程でシリコン酸化膜を熱酸化法により形成する
場合、熱酸化の加熱温度を750〜1000℃とするこ
とが好ましく、800〜900℃とすることがさらに好
ましい。加熱時間は通常、20〜90分、好ましくは3
0〜60分とする。このような形成条件とすることによ
り多結晶シリコン膜に格子間シリコンを効率良く導入す
ることができる。In the reference example of the present invention, when the interstitial silicon is introduced by forming a silicon oxide film, that is, when a silicon oxide film is formed by a thermal oxidation method in the second step, the heating temperature of the thermal oxidation is set to 750 to 750. The temperature is preferably set to 1000 ° C, more preferably 800 to 900 ° C. The heating time is usually 20 to 90 minutes, preferably 3 minutes.
0 to 60 minutes. With such formation conditions, interstitial silicon can be efficiently introduced into the polycrystalline silicon film.
【0019】本発明における半導体基板とは、シリコン
基板やSOI基板等をいう。The semiconductor substrate in the present invention refers to a silicon substrate, an SOI substrate or the like.
【0020】本発明は、浅い拡散層を実現しつつゲート
電極の空乏化を防止するものである。ここで、ゲート空
乏化の問題は、素子が微細化されゲート酸化膜が薄くな
るほど顕著となる。したがって本発明の効果はゲート酸
化膜が薄いほどより顕著となる。かかる観点から、発明
におけるゲート酸化膜の膜厚は、平均膜厚で、好ましく
は7nm以下、さらに好ましくは4nm以下、特に好ま
しくは3nm以下とする。The present invention is intended to prevent a gate electrode from being depleted while realizing a shallow diffusion layer. Here, the problem of gate depletion becomes more remarkable as the element becomes finer and the gate oxide film becomes thinner. Therefore, the effect of the present invention becomes more remarkable as the gate oxide film becomes thinner. From this viewpoint, the average thickness of the gate oxide film in the invention is preferably 7 nm or less, more preferably 4 nm or less, and particularly preferably 3 nm or less.
【0021】本発明におけるゲート電極は、ゲート酸化
膜上に多結晶シリコン膜が形成されてなるものや、ある
いは、ゲート酸化膜上に多結晶シリコン膜および高融点
金属膜がこの順で形成されてなるものとすることができ
る。ここで、高融点金属とは、コバルト、タングステ
ン、コバルトシリサイド、およびタングステンシリサイ
ドからなる群から選ばれる一または二以上の金属である
ことが好ましい。このような金属材料であれば、ゲート
電極や拡散層の接触抵抗を効果的に低減できるととも
に、高温での熱処理に対する耐久性に優れるからであ
る。The gate electrode in the present invention is formed by forming a polycrystalline silicon film on a gate oxide film, or by forming a polycrystalline silicon film and a high melting point metal film on a gate oxide film in this order. It can be. Here, the high melting point metal is preferably one or more metals selected from the group consisting of cobalt, tungsten, cobalt silicide, and tungsten silicide. This is because such a metal material can effectively reduce the contact resistance of the gate electrode and the diffusion layer, and is excellent in durability against heat treatment at a high temperature.
【0022】このようなゲート電極は、たとえば以下の
ような工程を経ることにより形成することができる。す
なわち、まず半導体基板上にゲート酸化膜を形成し、そ
の上に多結晶シリコン膜を形成した後、多結晶シリコン
膜をパターニングすることにより、上記構造のゲート電
極を形成することができる。また、半導体基板上にゲー
ト酸化膜を形成し、その上に多結晶シリコン膜および高
融点金属膜を形成した後、多結晶シリコン膜および高融
点金属膜をパターニングすることにより、上記構造のゲ
ート電極を形成することができる。Such a gate electrode can be formed, for example, through the following steps. That is, first, a gate oxide film is formed on a semiconductor substrate, a polycrystalline silicon film is formed thereon, and then the polycrystalline silicon film is patterned, whereby a gate electrode having the above structure can be formed. Further, after forming a gate oxide film on a semiconductor substrate, forming a polycrystalline silicon film and a high melting point metal film thereon, and patterning the polycrystalline silicon film and the high melting point metal film, the gate electrode having the above structure is formed. Can be formed.
【0023】本発明において、ゲート電極を形成した
後、全面に不純物注入を行うが、これによりゲート電極
内への不純物が導入されるとともに、ゲート電極周囲部
に不純物拡散層が形成される。本発明における不純物と
しては、半導体材料に導電性を付与するために一般的に
用いられる元素が用いられる。基板材料にIV族元素を使
用した場合、不純物としてIII族やV族の元素が用いら
れる。たとえば、砒素、リン、ボロン、あるいはフッ化
ボロンが挙げられる。このうち本発明の効果がより顕著
に発揮されるのは、ボロン、フッ化ボロンである。熱処
理によるいわゆる増速拡散が起こりやすいからである。In the present invention, impurities are implanted into the entire surface after the gate electrode is formed. This introduces impurities into the gate electrode and forms an impurity diffusion layer around the gate electrode. As the impurity in the present invention, an element generally used for imparting conductivity to a semiconductor material is used. When a group IV element is used for the substrate material, a group III or group V element is used as an impurity. For example, arsenic, phosphorus, boron, or boron fluoride can be given. Among them, boron and boron fluoride exert the effects of the present invention more remarkably. This is because so-called accelerated diffusion due to heat treatment easily occurs.
【0024】本発明においては、第四の工程で全面に不
純物をイオン注入した後、熱処理を行う。この熱処理
は、基板温度を900〜1100℃とした状態で行うこ
とが好ましく、処理時間は5〜30secとすることが
好ましい。このような温度でアニール処理することによ
り、不純物を充分に拡散・活性化することができる。こ
の熱処理は、RTA(Rapid Thermal Annealing)によ
る熱処理とすることが好ましく、特にランプアニール処
理とすることが好ましい。特に浅い拡散層を形成した場
合、RTAやランプアニールによる処理が有効である。
短時間で不純物の活性化を行うことができ、不純物拡散
層の分布や基板上の素子への悪影響を抑えることができ
るからである。In the present invention, after the impurities are ion-implanted on the entire surface in the fourth step, heat treatment is performed. This heat treatment is preferably performed at a substrate temperature of 900 to 1100 ° C., and the processing time is preferably 5 to 30 seconds. By annealing at such a temperature, impurities can be sufficiently diffused and activated. This heat treatment is preferably heat treatment by RTA (Rapid Thermal Annealing), and particularly preferably lamp annealing. In particular, when a shallow diffusion layer is formed, treatment by RTA or lamp annealing is effective.
This is because the activation of the impurity can be performed in a short time, and the distribution of the impurity diffusion layer and the adverse effect on the element on the substrate can be suppressed.
【0025】[0025]
【実施例】(実施例1)本実施例について図1を参照し
て説明する。まず、シリコン基板1上に厚さ4nmの酸
化シリコン膜2を熱酸化法で形成し、その上に厚さ20
0nmの多結晶シリコン膜3を気相成長(CVD)法で形成
した。酸化シリコン膜2はFETのゲート酸化膜とし
て、多結晶シリコン膜3はFETのゲート電極として使
われることになる。(Embodiment 1) This embodiment will be described with reference to FIG. First, a silicon oxide film 2 having a thickness of 4 nm is formed on a silicon substrate 1 by a thermal oxidation method.
A 0 nm polycrystalline silicon film 3 was formed by a vapor phase growth (CVD) method. The silicon oxide film 2 is used as a gate oxide film of the FET, and the polycrystalline silicon film 3 is used as a gate electrode of the FET.
【0026】この後、基板全面を覆う多結晶シリコン膜
へ、イオン注入法でシリコン原子を打ち込んだ(図1
(a))。注入エネルギーは20keV、ドーズ量は1×1013a
toms/cm2とした。Thereafter, silicon atoms were implanted into the polycrystalline silicon film covering the entire surface of the substrate by ion implantation (FIG. 1).
(a)). The implantation energy is 20 keV and the dose is 1 × 10 13 a
toms / cm 2 .
【0027】次に、フォトレジスト(不図示)をマスク
として、プラズマエッチング法で多結晶シリコン膜をパ
ターニングした。このとき多結晶シリコン膜の加工線
幅、つまりFETのゲート長は0.1μmとした。その
後、全面に酸化シリコン膜をCVD法で約50nm堆積
させ、異方性の高いドライエッチング法で多結晶シリコ
ン膜上面およびFETのソース−ドレイン領域となるシ
リコン基板表面が露出するように、このCVD酸化シリコ
ン膜をエッチングした(図1(b))。Next, using a photoresist (not shown) as a mask, the polycrystalline silicon film was patterned by a plasma etching method. At this time, the processing line width of the polycrystalline silicon film, that is, the gate length of the FET was 0.1 μm. Thereafter, a silicon oxide film is deposited on the entire surface by a CVD method to a thickness of about 50 nm, and the CVD method is performed so that the upper surface of the polycrystalline silicon film and the silicon substrate surface serving as the source-drain region of the FET are exposed by a highly anisotropic dry etching method. The silicon oxide film was etched (FIG. 1 (b)).
【0028】次に、パターニングされた多結晶シリコン
膜と、露出されているシリコン基板に対して、ボロンを
イオン注入法により導入した(図1(c))。ボロンの打ち
込条件は、4KeV、3×1015 atoms/cm2とした。
つづいてランプアニール法により半導体装置を1000℃10
秒間加熱し、ドーパントの拡散と活性化を行い、ソース
・ドレイン領域6を形成した(図1(d))。Next, boron was introduced by ion implantation into the patterned polycrystalline silicon film and the exposed silicon substrate (FIG. 1 (c)). Boron implantation conditions were 4 KeV and 3 × 10 15 atoms / cm 2 .
Subsequently, the semiconductor device is heated to 1000 ° C.10 by the lamp annealing method.
Heating was performed for 2 seconds to diffuse and activate the dopant, thereby forming source / drain regions 6 (FIG. 1 (d)).
【0029】以上の工程により電界効果型トランジスタ
を完成した。本実施例の方法によれば、ランプアニール
による熱処理を行う段階において、ゲート電極中には格
子間シリコン原子とボロンが導入され、ソース・ドレイ
ン領域6にはボロンのみが導入された状態となってい
る。格子間シリコン原子は、ボロンなどのドーパントの
熱拡散を増速させる効果があるため、ランプアニール工
程で、このドーパントがゲート電極下層まで比較的速や
かに拡散する。一方、ソース・ドレイン領域6にはこの
格子間シリコン原子が存在しないため、ドーパントの増
速拡散は生じない。このため、ソース−ドレインの浅い
接合を実現して短チャネル効果を抑制するとともに、電
界効果トランジスタ動作時にゲート電極で空乏化が生じ
て駆動能力が低下するという問題を解決することができ
る。Through the above steps, a field effect transistor was completed. According to the method of this embodiment, at the stage of performing the heat treatment by lamp annealing, the interstitial silicon atoms and boron are introduced into the gate electrode, and only boron is introduced into the source / drain region 6. I have. Since the interstitial silicon atoms have the effect of accelerating the thermal diffusion of a dopant such as boron, the dopant diffuses relatively quickly to the lower layer of the gate electrode in the lamp annealing step. On the other hand, since the interstitial silicon atoms do not exist in the source / drain regions 6, the enhanced diffusion of the dopant does not occur. Therefore, it is possible to realize a shallow source-drain junction to suppress the short channel effect, and to solve the problem that the gate electrode is depleted during the operation of the field effect transistor and the driving capability is reduced.
【0030】このことを図2を用いてさらに説明する。
図2は、本実施例の方法により作製されたFETと、シ
リコンのイオン注入を行わないで作製された従来技術に
よるFETの、PMOSキャパシタのquasi static CV曲線
である。図中、白丸が本実施例のFET、黒丸が従来技
術によるFETの測定結果である。MOSのインヴァー
ジョン側、つまり図2中でゲートバイアスが負電圧の領
域で、P型電極の空乏化により容量が低下しているが、
この低下の程度は、本発明であるシリコンのイオン注入
で格段に改善されている。この例では、ゲート電極にボ
ロンがドーパントとしてイオン注入されており、1000℃
10秒のランプアニール工程で拡散と活性化が行われてい
る。本発明では、ボロンの熱拡散が増速されたためにゲ
ート電極下層での空乏化が低減されたのである。This will be further described with reference to FIG.
FIG. 2 is a quasi static CV curve of a PMOS capacitor of an FET manufactured by the method of the present embodiment and a conventional FET manufactured without performing ion implantation of silicon. In the figure, white circles indicate the measurement results of the FET of the present embodiment, and black circles indicate the measurement results of the FET according to the conventional technique. On the inversion side of the MOS, that is, in the region where the gate bias is a negative voltage in FIG. 2, the capacitance is reduced due to the depletion of the P-type electrode.
The degree of this reduction is remarkably improved by the ion implantation of silicon according to the present invention. In this example, boron is ion-implanted into the gate electrode as a dopant,
Diffusion and activation are performed in a 10-second lamp annealing process. In the present invention, depletion in the lower layer of the gate electrode is reduced because the thermal diffusion of boron is accelerated.
【0031】(参考例)実施例1では格子間シリコン原
子の導入としてイオン注入法を用いていたが、多結晶シ
リコン膜表面に熱酸化法によって酸化シリコン膜を形成
する方法を用いることもできる。その製造工程フローを
図3に示す。 REFERENCE EXAMPLE In the first embodiment, an ion implantation method was used to introduce interstitial silicon atoms. However, a method of forming a silicon oxide film on the surface of a polycrystalline silicon film by a thermal oxidation method may be used. FIG. 3 shows the manufacturing process flow.
【0032】まずシリコン基板上に厚さ4nmの酸化シ
リコン膜1を熱酸化法で形成し、その上に厚さ200n
mの多結晶シリコン膜2を気相成長(CVD)法で形成し
た。酸化シリコン膜1はFETのゲート酸化膜として、
多結晶シリコン膜2はFETのゲート電極として使われ
ることになる。First, a silicon oxide film 1 having a thickness of 4 nm is formed on a silicon substrate by a thermal oxidation method, and a silicon oxide film 1 having a thickness of 200 nm is formed thereon.
m polycrystalline silicon film 2 was formed by a vapor phase growth (CVD) method. The silicon oxide film 1 serves as a gate oxide film of the FET.
The polycrystalline silicon film 2 is used as a gate electrode of the FET.
【0033】この後、熱酸化法により多結晶シリコン膜
表面に酸化シリコン膜を形成した(図3(a))。酸化条件
は、800〜900℃、30分で酸化膜厚は10nm程
度とした。この酸化反応では、酸素と結合することのな
かったシリコン原子が多数、多結晶シリコン膜中に放出
され、格子間シリコン原子となる。Thereafter, a silicon oxide film was formed on the surface of the polycrystalline silicon film by a thermal oxidation method (FIG. 3A). The oxidation conditions were 800-900 ° C. for 30 minutes, and the oxide film thickness was about 10 nm. In this oxidation reaction, many silicon atoms that have not been bonded to oxygen are released into the polycrystalline silicon film and become interstitial silicon atoms.
【0034】次に、フォトレジストをマスクとしてプラ
ズマエッチング法で、多結晶シリコン膜2をパターニン
グした。このとき多結晶シリコン膜2の加工線幅、つま
りFETのゲート長は0.1μmである。その後、全面に
酸化シリコン膜5をCVD法で約50nm堆積させ、異方性の
高いドライエッチング法で多結晶シリコン膜上面および
FETのソース−ドレイン領域となるシリコン基板表面
が露出するように、このCVD酸化シリコン膜をエッチン
グした(図3(b))。Next, the polycrystalline silicon film 2 was patterned by a plasma etching method using a photoresist as a mask. At this time, the processing line width of the polycrystalline silicon film 2, that is, the gate length of the FET is 0.1 μm. Thereafter, a silicon oxide film 5 is deposited on the entire surface by a CVD method to a thickness of about 50 nm, and the upper surface of the polycrystalline silicon film and the silicon substrate surface serving as a source-drain region of the FET are exposed by a highly anisotropic dry etching method. The CVD silicon oxide film was etched (FIG. 3 (b)).
【0035】次にパターニングされた多結晶シリコン膜
と、露出されているシリコン基板に対して、ボロンをイ
オン注入法により導入した(図3(c))。ボロンの打ち込
条件は、4KeV、3×1015cm2とした。つづいて
ランプアニール法により半導体装置を1000℃10秒間加熱
し、ドーパントの拡散と活性化を行った(図3(d))。Next, boron was introduced by ion implantation into the patterned polycrystalline silicon film and the exposed silicon substrate (FIG. 3C). The boron implantation conditions were 4 KeV and 3 × 10 15 cm 2 . Subsequently, the semiconductor device was heated by a lamp annealing method at 1000 ° C. for 10 seconds to diffuse and activate the dopant (FIG. 3 (d)).
【0036】以上の工程により電界効果型トランジスタ
を完成した。本参考例の方法によれば、ランプアニール
による熱処理を行う段階において、ゲート電極中には格
子間シリコン原子とボロンが導入され、ソース・ドレイ
ン領域6にはボロンのみが導入された状態となってい
る。格子間シリコン原子は、ボロンなどのドーパントの
熱拡散を増速させる効果があるため、ランプアニール工
程で、このドーパントがゲート電極下層まで比較的速や
かに拡散する。一方、ソース・ドレイン領域6にはこの
格子間シリコン原子が存在しないため、ドーパントの増
速拡散は生じない。このため、ソース−ドレインの浅い
接合を実現して短チャネル効果を抑制するとともに、電
界効果トランジスタ動作時にゲート電極で空乏化が生じ
て駆動能力が低下するという問題を解決することができ
る。Through the above steps, a field effect transistor was completed. According to the method of the present embodiment, at the stage of performing the heat treatment by lamp annealing, interstitial silicon atoms and boron are introduced into the gate electrode, and only boron is introduced into the source / drain region 6. I have. Since the interstitial silicon atoms have the effect of accelerating the thermal diffusion of a dopant such as boron, the dopant diffuses relatively quickly to the lower layer of the gate electrode in the lamp annealing step. On the other hand, since the interstitial silicon atoms do not exist in the source / drain regions 6, the enhanced diffusion of the dopant does not occur. Therefore, it is possible to realize a shallow source-drain junction to suppress the short channel effect, and to solve the problem that the gate electrode is depleted during the operation of the field effect transistor and the driving capability is reduced.
【0037】[0037]
【発明の効果】本発明によれば、ゲート電極および半導
体基板に対するイオン注入を行う前の工程で、ゲート電
極を構成する多結晶シリコン膜中に格子間シリコンを導
入している。このため、ソース−ドレインの浅い接合を
実現して短チャネル効果を抑制するとともに、電界効果
トランジスタ動作時にゲート電極で空乏化が生じて駆動
能力が低下するという問題を解決することができる。According to the present invention, interstitial silicon is introduced into a polycrystalline silicon film constituting a gate electrode in a step before ion implantation into a gate electrode and a semiconductor substrate. Therefore, it is possible to realize a shallow source-drain junction to suppress the short channel effect, and to solve the problem that the gate electrode is depleted during the operation of the field effect transistor and the driving capability is reduced.
【図1】本発明の半導体装置の製造方法の工程断面図で
ある。FIG. 1 is a process sectional view of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention.
【図2】本発明および従来技術の方法により得られたF
ETのゲート空乏化の程度の差を説明するための図であ
る。FIG. 2 shows the F obtained by the method of the present invention and the prior art.
FIG. 9 is a diagram for explaining a difference in the degree of gate depletion of ET.
【図3】本発明の参考例の半導体装置の製造方法の工程
断面図である。FIG. 3 is a process sectional view of a method for manufacturing a semiconductor device according to a reference example of the present invention;
【図4】従来の半導体装置の製造方法の工程断面図であ
る。FIG. 4 is a process sectional view of a conventional semiconductor device manufacturing method.
1 シリコン基板 2 酸化シリコン膜 3 多結晶シリコン膜 4 酸化シリコン膜 5 酸化シリコン膜 6 ソース・ドレイン領域 Reference Signs List 1 silicon substrate 2 silicon oxide film 3 polycrystalline silicon film 4 silicon oxide film 5 silicon oxide film 6 source / drain region
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−191070(JP,A) 特開 平4−42919(JP,A) 特開 平6−244421(JP,A) 特開 平3−34533(JP,A) 特開 昭62−293727(JP,A) 特開 平10−189973(JP,A) 特開 平7−249763(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 21/265 H01L 21/28 301 Continuation of the front page (56) References JP-A-61-191070 (JP, A) JP-A-4-42919 (JP, A) JP-A-6-244421 (JP, A) JP-A-3-34533 (JP) , A) JP-A-62-293727 (JP, A) JP-A-10-189973 (JP, A) JP-A-7-249763 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB Name) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 21/265 H01L 21/28 301
Claims (4)
リコン膜をこの順で形成する第一の工程と、該多結晶シ
リコン膜にシリコン原子注入量1×1012〜1×1015
atoms/cm2でシリコン原子をイオン注入して格子間シリ
コンを導入する第二の工程と、該多結晶シリコン膜をゲ
ート電極形状にパターニングする第三の工程と、全面に
不純物をイオン注入した後、熱処理を行う第四の工程と
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。1. A first step of forming a gate oxide film and a polycrystalline silicon film on a semiconductor substrate in this order, and implanting 1 × 10 12 to 1 × 10 15 silicon atoms into the polycrystalline silicon film.
a second step of ion-implanting silicon atoms at atoms / cm 2 to introduce interstitial silicon, a third step of patterning the polycrystalline silicon film into a gate electrode shape, and ion-implanting impurities on the entire surface. And a fourth step of performing a heat treatment.
入量が5×1012〜1×1014atoms/cm2である請求項
1に記載の半導体装置の製造方法。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the amount of implanted silicon atoms in the second step is 5 × 10 12 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 .
ボロンまたはフッ化ボロンである請求項1又は請求項2
のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。3. The impurity to be ion-implanted in the fourth step,
3. The method according to claim 1, which is boron or boron fluoride.
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of the above.
である請求項1乃至3いずれかに記載の半導体装置の製
造方法。4. The method according to claim 1, wherein the thickness of the gate oxide film is 7 nm or less.
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