JP3304803B2 - 多電源半導体装置の製造方法 - Google Patents
多電源半導体装置の製造方法Info
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Description
方法に関し、特に複数の電圧レベルを扱う多電源半導体
装置の製造方法に関する。
力化のためと微細化した素子内部の電界が過度に高くな
らないように設定する必要から低くなる傾向にある。た
とえば、TTL等のアナログ回路は5V電源で開発され
たが、その後開発されたデジタル回路は通常3.3V電
源で駆動される。デジタル回路の駆動電源は、さらに
2.5Vに低減される傾向にある。メモリ装置等におい
ては、さらなる低電圧化も行なわれている。
おいては、複数の電圧レベルを扱うことを要求されるこ
とがある。このような半導体装置を本明細書では多電源
半導体装置と呼ぶ。多電源半導体装置は、比較的高電圧
の電源で駆動される高電圧回路と比較的低電圧の電源で
駆動される低電圧回路とを含む。
S)トランジスタにおいては、ソース電極は接地され、
ドレイン電極とゲート電極には、接地電位と電源電圧と
が選択的に印加される。ゲート酸化膜は、電源電圧以上
の絶縁破壊耐圧を有し、かつ電圧の印加で絶縁性が経時
劣化を起こさない事が要求される。また、ドレイン電極
とソース電極間は、電源電圧以上の降伏耐圧を有するこ
とと、素子特性の経時変化が起こらない事が必要とな
る。多電源デバイスにおいては、低電圧回路と高電圧回
路とにおいて、トランジスタに印加される電圧レベルが
異なる。
電圧回路のMOSトランジスタと高電圧回路のMOSト
ランジスタとで、ドレイン領域とソース領域の間の距離
を異ならせている。一般にはトランジスタのドレイン領
域とソース領域間の距離はゲート電極の長さ(ゲート
長)で決定され、低電圧回路用のMOSトランジスタは
短いゲート長とし、高電圧回路用のMOSトランジスタ
は長いゲート長とする。このように、電源電圧に応じて
ゲート長を異ならせることにより、低電圧回路でも高電
圧回路でも高性能のMOSトランジスタを用いることが
できる。異なるゲート長のトランジスタを作成する事
は、平面パターンの問題であるので容易に実現できる。
は、低電圧回路のMOSトランジスタと高電圧回路のM
OSトランジスタとでゲート酸化膜の厚さを異ならせて
いる。低電圧回路用のMOSトランジスタは薄いゲート
酸化膜を有し、高電圧回路用のMOSトランジスタは厚
いゲート酸化膜を有する。このように、電源電圧に応じ
てゲート酸化膜の厚さを異ならせることにより、低電圧
回路でも高電圧回路でも高性能のMOSトランジスタを
用いることができる。しかしながら、ゲート酸化膜の厚
さを異ならせるためには、ゲート酸化膜形成工程を2段
階以上にする必要がある。
膜を有する多電源CMOS半導体装置の製造方法の例を
説明する。
半導体基板101の表面領域にp型ウェル102p、1
04pおよびn型ウェル102n、104nを形成し、
基板表面上に活性領域を画定するフィールド酸化膜10
5を形成する。p型ウェル102pとn型ウェル102
nは、たとえば3Vの低電圧回路用のCMOSトランジ
スタを形成するための領域であり、p型ウェル104
p、n型ウェル104nは、たとえば5Vの高電圧回路
用CMOSトランジスタを形成するための領域である。
た各活性領域表面上に、厚さ約12nmの第1ゲート酸
化膜106を形成する。
上に開口を有するレジストマスクR1を半導体基板上に
形成する。このレジストマスクR1を用い、開口内に露
出した活性領域表面上のゲート酸化膜106をエッチン
グして除去する。なお、開口内に露出されたフィールド
酸化膜105も同時にエッチングされるが、フィールド
酸化膜105はたとえば300nm以上と厚いため、そ
のほとんどは残る。低電圧回路領域のゲート酸化膜を除
去した後、レジストマスクR1を除去する。
をさらに熱酸化し、低電圧回路領域の活性領域上に厚さ
約9nmの第2のゲート酸化膜107を形成する。この
時、高電圧回路領域の回路領域においても、熱酸化が進
行し、厚さ12nmであった第1のゲート酸化膜106
は、厚さ約14nmの第3のゲート酸化膜108に変化
する。
全面上にボロン(B)イオンを加速エネルギ15keV
でドーズ量6.0×1011cm-2イオン注入する。この
イオン注入により、p型ウェル104pの閾値が調整さ
れる。
2p上に開口を有するレジストマスクR2を半導体基板
表面上に形成する。レジストマスクR2をマスクとし、
ボロンイオンを加速エネルギ15keV、ドーズ量6.
0×1011cm-2イオン注入し、p型ウェル102pの
閾値を調整する。このイオン注入後、レジストマスクR
2は除去する。
新たに、n型ウェル102n上に開口を有するレジスト
マスクR3を形成する。レジストマスクR3をマスクと
し、ボロンイオンを加速エネルギ15keV、ドーズ量
2.2×1012cm-2イオン注入する。このイオン注入
により、n型ウェル120nの閾値が調整される。イオ
ン注入後、レジストマスクR3は除去する。
4n上に開口を有するレジストマスクR4を基板表面上
に形成する。レジストマスクR4をマスクとし、ボロン
イオンを加速エネルギ15keV、ドーズ量2.5×1
012cm-2イオン注入する。このイオン注入により、n
型ウェル104nの閾値が調整される。
ル102pには1.2×1012cm -2、n型ウェル10
2nにはドーズ領域2.8×1012cm-2、p型ウェル
104pにはドーズ量6.0×1011cm-2、n型ウェ
ル104nにはドーズ量3.1×1012cm-2のボロン
がイオン注入される。このようにして、低電圧回路およ
び高電圧回路の各CMOSトランジスタのチャネルドー
ピングが行なわれ、各トランジスタの閾値が調整され
る。
チャネルドーピングに合わせ、基板全面上にイオン注入
を行なうことにより、図7(D)、(E)、(F)の3
工程において3枚のマスクを使うことのみで4種類のド
ーズ量を実現している。しかしながら、異なる厚さのゲ
ート酸化膜を形成するために、図7(B)において、レ
ジストマスクR1を用いているため、図7に示す工程全
体でのマスク数は4枚となる。
多電源CMOS半導体装置の製造においては、2種類の
厚さを有するゲート酸化膜の形成と、4種類のチャネル
ドーピングを実現するために4枚のマスクが必要であっ
た。半導体製造工程において、マスク数は生産コスト、
製造効率に大きな影響を及ぼす。生産コスト低減、製造
効率向上のためには、マスク数はできるだけ低減するこ
とが望まれる。
厚さのゲート酸化膜と異なる濃度のチャネルドーピング
を実現することのできる多電源半導体装置の製造方法を
提供することである。
ば、複数の第1導電型領域を複数の第1導電型とは逆の
第2導電型領域を含む複数の活性領域を画定した半導体
基板を準備する工程と、前記半導体基板の複数の活性領
域表面を熱酸化し、第1のゲート酸化膜を形成する第1
の酸化工程と、前記複数の活性領域のうち第1導電型領
域と第2導電型領域を含む第1の活性領域上に開口を有
する第1のマスクを前記半導体基板上に形成する工程
と、前記第1の活性領域表面に前記第1のマスクを介し
て閾値調整用の不純物をイオン注入する工程と、前記第
1のマスクの開口内に露出した前記第1の活性領域上の
前記第1のゲート酸化膜を除去する工程と、前記第1の
マスクを除去する工程と、前記複数の活性領域表面をさ
らに熱酸化して、前記第1の活性領域上に薄い第2のゲ
ート酸化膜、前記複数の活性領域のうち、第1導電型領
域と第2導電型領域を含む、前記第1の活性領域と異な
る第2の活性領域上に厚い第3のゲート酸化膜を形成す
る第2の酸化工程と、第2の酸化工程の後、前記第1の
活性領域のうち第1導電型領域または第2導電型領域上
に開口を有する第3のマスクを前記半導体基板上に形成
する工程と、前記第3のマスクを介して前記第1の活性
領域の第1導電型領域または第2導電型領域に閾値調整
用の不純物をイオン注入する工程と前記第2の活性領域
の第1導電型領域または第2導電型領域上に開口を有す
る第2のマスクを前記半導体基板上に形成する工程と、
前記第2の活性領域表面に前記第2のマスクを介して閾
値調整用の不純物をイオン注入する工程とを有する多電
源半導体装置の製造方法が提供される。
に、一部の活性領域上でゲート酸化膜を除去するために
用いるマスクをイオン注入用マスクに兼用することによ
り、マスク数を1枚低減することが可能となる。
説明する。なお、多電源CMOS半導体装置の製造方法
を例にとって説明するが、本発明はこれに制限されるも
のではない。
板1の表面領域にp型ウェル2p、n型ウェル2n、p
型ウェル4p、n型ウェル4nを形成する。p型ウェル
2pとn型ウェル2nは、低電圧回路用のCMOSトラ
ンジスタを形成するための領域であり、p型ウェル4p
とn型ウェル4nは、高電圧回路用のCMOSトランジ
スタを形成するための領域である。各ウェルの活性領域
を取り囲むように、周知のLOCOS技術によって十分
な厚さ(たとえば300nm以上)のフィールド酸化膜
5を形成する。なお、フィールド酸化膜を形成した後、
各ウェルを作成してもよい。
活性領域表面に、熱酸化によりたとえば厚さ約12nm
の第1のゲート酸化膜6を成長する。次に、高電圧回路
領域4p、4nのゲート酸化膜を低電圧回路領域2p、
2nのゲート酸化膜よりも厚くするため、一旦低電圧回
路領域のゲート酸化膜を除去する。
4p、4nを覆うレジストマスクM1を半導体基板表面
上に形成する。この段階で、レジストマスクM1をマス
クとし、ボロンイオン(B+ )を加速エネルギ15ke
V、ドーズ領域1.2×10 12cm-2でイオン注入す
る。この時のドーズ量は、後に行なわれる第2のゲート
酸化工程において新しく成長する酸化膜の中に取り込ま
れる量を考慮して決める。
イオン注入に続き、同じマスクM1を用い、低電圧回路
領域のp型ウェル2p、n型ウェル2n表面上のゲート
酸化膜6を希弗酸によるウェットエッチングにより除去
する。なお、フィールド酸化膜5は、たとえば300n
m以上とゲート酸化膜に比べ著しく厚いため、そのほと
んど大部分は残る。ウェットエッチング後、レジストマ
スクM1を除去する。
に第2のゲート酸化を行なう。たとえば、熱酸化により
ゲート酸化膜6を除去したp型ウェル2p、n型ウェル
2n表面上に厚さ約9nmのゲート酸化膜7を成長させ
る。この時、ゲート酸化膜6が残されたp型ウェル4
p、n型ウェル4n上においてもゲート酸化が進行し、
厚さ約14nmのゲート酸化膜8が形成される。
(B+ )を加速エネルギ15keV、ドーズ量6.0×
1011cm-2で基板全面にイオン注入する。このイオン
注入と図1(B)におけるボロンイオン注入により、p
型ウェル2p、4pの閾値調整が完了する。
のn型ウェル2n上に開口を有するレジストマスクM2
を半導体基板表面上に形成する。このレジストマスクM
2をマスクとし、ボロンイオンを加速エネルギ15ke
V、ドーズ量1.6×1012cm-2でイオン注入する。
このイオン注入と図1(B)及び図2(E)のボロンイ
オン注入により、n型ウェル2nの閾値調整が完了す
る。イオン注入後、レジストマスクM2は除去する。
のn型ウェル4n上に開口を有するレジストマスクM3
を半導体基板表面上に形成する。このレジストマスクM
3をマスクとし、ボロンイオンを加速エネルギ15ke
V、ドーズ量2.5×1012cm-2でイオン注入する。
このイオン注入と図2(E)のボロンイオン注入によ
り、n型ウェル4nの閾値調整が完了する。イオン注入
後、レジストマスクM3は除去する。
までに4回のイオン注入が行なわれ、4種類のウェル2
p、2n、4p、4nの中に形成されるMOSトランジ
スタの閾値がそれぞれ所望の値に調整される。また、低
電圧回路領域のゲート酸化膜が除去され、第2のゲート
酸化が行なわれるため、2種類の厚さを有するゲート酸
化膜が形成される。図7を参照して説明した従来技術と
比較すると、1枚少ないマスク数により同等のデバイス
構造が実現できることになる。
回路領域のp型ウェル2p、n型ウェル2nに低電圧回
路用のCMOSトランジスタを形成し、高電圧回路領域
のp型ウェル4p、n型ウェル4nに高電圧回路用のC
MOSトランジスタを形成する。
結晶シリコン層11を減圧気相成長(LPCVD)によ
り厚さ約300nm成長する。なお、多結晶シリコン膜
11には燐を約1×1021cm-3ドープする。
えば以下の通りである。 成長方法:LPCVD 原料ガス:SiH4 +PH3 流 量:SiH4 =0.4slm、PH3 =0.03
slm 圧 力:40Pa 温 度:600℃
層11表面上にレジストマスクM4を形成する。レジス
トマスクM4は、各トランジスタのゲート電極(配線)
の形状に形成する。レジストマスクM4をマスクとし、
多結晶シリコン層11を異方性ドライエッチングにより
エッチングし、多結晶シリコン電極11を形成する。異
方性ドライエッチングは、たとえばエッチングガスとし
てSF6 を用いたECRプラズマエッチングにより行な
う。多結晶シリコン層11のエッチング後、マスクM4
は除去する。
n、4nを覆い、p型ウェル2p、4pを露出するマス
クM5を半導体基板表面上に形成する。このレジストマ
スクM5をマスクとし、LDD(Lightly Do
ped Drain)構造用のn型不純物のイオン注入
を行なう。たとえば、燐イオン(P+ )を不純物濃度約
1.0×1017cm-3となるようにイオン注入する。イ
オン注入後、レジストマスクM5は除去する。
n、4nを露出し、p型ウェル2p、4pを覆うレジス
トマスクM6を半導体基板表面上に形成する。このレジ
ストマスクM6をマスクとし、pチャネルMOSトラン
ジスタのLDD構造を形成するためのp型不純物のイオ
ン注入を行なう。たとえば、BF2 イオンを不純物濃度
約2.0×1017cm-3となるようにイオン注入する。
イオン注入後、レジストマスクM6は除去する。このよ
うにして、各nチャネルMOSトランジスタ及び各pチ
ャネルMOSトランジスタのLDD構造用のイオン注入
が行なわれる。
上に低圧気相成長(LPCVD)によりシリコン酸化膜
13を厚さ約150nm成長する。このシリコン酸化膜
堆積条件は、たとえば以下の通りである。
13を異方性エッチングし、ゲート電極121側壁にの
みサイドスペーサ14として残す。この異方性エッチン
グは、たとえばエッチャントガスとしてCHF3 を用い
た反応性イオンエッチング(RIE)により行なう。
p、4pを覆い、n型ウェル2n、4nを露出するレジ
ストマスクM7を基板表面上に形成する。このレジスト
マスクM7をマスクとし、p型不純物の高濃度イオン注
入を行なう。たとえば、BF2イオンを加速エネルギ4
0keV、ドーズ量3.0×1015cm-2でイオン注入
する。このイオン注入により、pチャネルMOSトラン
ジスタの高濃度ソース/ドレイン領域の不純物がドープ
される。イオン注入後、レジストマスクM7は除去す
る。
n、4nを覆い、p型ウェル2p、4pを露出するレジ
ストマスクM8を半導体基板表面上に形成する。このレ
ジストマスクM8をマスクとし、nチャネルMOSトラ
ンジスタの高濃度ソース/ドレイン領域を形成するため
のn型不純物のイオン注入を行なう。たとえば、砒素
(As)イオンを加速エネルギ40keV、ドーズ量
5.0×1015cm-2でイオン注入する。なお、砒素に
代え、燐をイオン注入してもよい。イオン注入後、レジ
ストマスクM8を除去する。
1000℃、10秒間程度の短時間アニールをたとえば
ラピッドサーマルアニーリング(RTA)により行な
う。
チャネルMOSトランジスタのソース/ドレイン領域1
5、pチャネルMOSトランジスタのソース/ドレイン
領域16が形成される。その後、半導体基板表面上に層
間絶縁膜18を堆積する。たとえば、CVDにより作成
した酸化シリコン膜とBPSG膜との積層で層間絶縁膜
18を形成する。その後、表面平坦化のために熱処理を
行い、BPSG膜をリフローさせる。
に所望のコンタクト孔を形成し、たとえばアルミニウム
の配線層を堆積した後、パターニングをして電極20を
作成する。このようにして、多電源CMOS半導体装置
が形成される。なお、図6(Q)の配線上に上層層間絶
縁膜を形成し、接続孔を形成した後、上層配線を形成し
て配線間の接続等を行なう。なお、配線材料はAlに限
定されない。ゲート電極としてポリサイド構造等を用い
てもよい。
法を例にとって説明したが、他の半導体装置を製造して
もよい。たとえば、CMOSトランジスタの代わりにn
チャネルMOSトランジスタまたはpチャネルMOSト
ランジスタのみを有する多電源半導体装置を作成しても
よい。この場合、高濃度ソース/ドレインやLDD層の
形成のためにドープする不純物の導電型が1種類となる
ため、工程数はその分減少する。低電圧回路用および高
電圧回路用に厚さの異なるゲート酸化膜を形成するた
め、一旦一部のゲート酸化膜を除去し、その後第2のゲ
ート酸化を行なうが、一部のゲート酸化膜を除去するマ
スクを用いて低電圧回路用のイオン注入を行なうことは
上述の実施例同様である。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
異なるMOSトランジスタ用の複数の領域を形成するた
めのマスク数が減少する。このため、製造効率を向上
し、生産コストを低減することが可能となる。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
製造方法を説明するための半導体基板の断面図である。
ルド酸化膜、 6、7、8 ゲート酸化膜、 11
多結晶シリコン層、 14 サイドスペーサ、
15、16 ソース/ドレイン領域、 18 層間絶
縁膜、 20配線、 M レジストマスク
Claims (2)
- 【請求項1】 複数の第1導電型領域を複数の第1導電
型とは逆の第2導電型領域を含む複数の活性領域を画定
した半導体基板を準備する工程と、 前記半導体基板の複数の活性領域表面を熱酸化し、第1
のゲート酸化膜を形成する第1の酸化工程と、 前記複数の活性領域のうち第1導電型領域と第2導電型
領域を含む第1の活性領域上に開口を有する第1のマス
クを前記半導体基板上に形成する工程と、 前記第1の活性領域表面に前記第1のマスクを介して閾
値調整用の不純物をイオン注入する工程と、 前記第1のマスクの開口内に露出した前記第1の活性領
域上の前記第1のゲート酸化膜を除去する工程と、 前記第1のマスクを除去する工程と、 前記複数の活性領域表面をさらに熱酸化して、前記第1
の活性領域上に薄い第2のゲート酸化膜、前記複数の活
性領域のうち、第1導電型領域と第2導電型領域を含
む、前記第1の活性領域と異なる第2の活性領域上に厚
い第3のゲート酸化膜を形成する第2の酸化工程と、 第2の酸化工程の後、前記第1の活性領域のうち第1導
電型領域または第2導電型領域上に開口を有する第3の
マスクを前記半導体基板上に形成する工程と、 前記第3のマスクを介して前記第1の活性領域の第1導
電型領域または第2導電型領域に閾値調整用の不純物を
イオン注入する工程と前記第2の活性領域の第1導電型
領域または第2導電型領域上に開口を有する第2のマス
クを前記半導体基板上に形成する工程と、 前記第2の活性領域表面に前記第2のマスクを介して閾
値調整用の不純物をイオン注入する工程とを有する多電
源半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 さらに前記第2の酸化工程の後、前記複
数の活性領域表面に閾値調整用の不純物をイオン注入す
る工程を有する請求項1記載の多電源半導体装置の製造
方法。
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