JP3307362B2 - 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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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特に、電界効果トランジスタ(FET)のゲート
電極を形成する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、電界効果トランジスタ(FET)
のゲート電極を形成するには図3に示すように、シリコ
ン基板1上に酸化シリコン膜2が形成され、その上に多
結晶シリコン膜3が形成され、パターニングされた多結
晶シリコン膜3の側部にパターニングされた酸化シリコ
ン膜4が形成された後に、多結晶シリコン膜3にイオン
注入5が行われている。
【0003】しかしながら、図3に示す方法では、単層
の多結晶シリコン膜3に対してイオン注入を行うため、
イオン種が多結晶シリコン膜3の特定の結晶面を貫通し
て、ゲート酸化膜としての下層の酸化シリコン膜2に突
入するチャネリングという現象が生じる。
【0004】上述したチャネリング現象では、高い運動
エネルギーをもつイオンが下層の酸化シリコン膜2に衝
突することにより、ゲート酸化膜2の膜質が劣化すると
いう問題がある。
【0005】そこで、図4に示すように、イオン注入時
のゲート電極材を非晶質シリコン膜6に変更したものが
存在する。
【0006】非晶質シリコン膜6の場合には、イオン種
が貫通する特定の結晶面がないため、チャネリングの問
題はなくなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら図4に示
すように、単層の非晶質シリコン膜6にイオン注入する
場合、後工程にて行われる活性化アニール時の不純物拡
散が抑制されるため、イオン注入された非晶質シリコン
膜6からなるゲート電極が空乏化してしまうという問題
が生じる。
【0008】ゲート電極が空乏化してしまうと、FET
のゲート容量が低下してしまうため、電界効果トランジ
スタの駆動能力が低下してしまうこととなる。
【0009】上述した非晶質シリコン膜6で不純物拡散
が抑制される理由は、ドーパントの拡散速度が大きい結
晶粒の境界(グレイン・バウンダリー)がないためであ
る。
【0010】本発明の目的は、ゲート電極下層までのド
ーパント導入と、チャネリング現象を防止するという相
反する要求を実現する半導体装置の製造方法を提供する
ことにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体電界
効果トランジスタのゲート電極を、ゲート酸化膜上に位
置する多結晶シリコン層と非晶質シリコン層からなるゲ
ート電極材を用い、前記非晶質シリコン膜が結晶化する
ような熱処理を受ける前にイオン種をイオン注入するこ
とにより形成する半導体装置の製造方法であって、前記
非晶質シリコン膜が多結晶化する温度の下でLPCVD
成長法を用いて、前記多結晶シリコン膜と前記非晶質シ
リコン膜の積層膜を前記ゲート酸化膜上に堆積し、か
つ、前記積層膜を堆積するに際し、前記積層膜の堆積速
度を高め、前記堆積速度が前記ゲート酸化膜の界面から
スタートする結晶化速度よりも大きくなるように設定
し、前記多結晶シリコン層の形成と前記非晶質シリコン
層の形成を同時に進行させるものである。
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】また、前記多結晶シリコン層と前記非晶質
シリコン層の成長直後に急冷することにより、前記非晶
質シリコン層が結晶化することを防止し、前記非晶質シ
リコン層の膜厚を確保するものである
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
より説明する。
【0017】(実施形態1)図1は、本発明の実施形態
1に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図で
ある。
【0018】多結晶シリコン膜3の単層へのイオン注入
では、イオン種が多結晶シリコン膜3の特定の結晶面を
貫通してゲート酸化膜2に突入するチャネリングという
現象が生じ、ゲート酸化膜2の膜質が劣化するという問
題が生じる。また、非晶質シリコン膜6の単層へのイオ
ン注入の場合、イオン種が貫通する特定の結晶面がない
ためにチャネリングの問題はなくなるが、活性化アニー
ル時の不純物拡散が抑制されるため、ゲート電極が空乏
化してしまうという問題が生じる。
【0019】そこで本発明は、半導体電界効果トランジ
スタ(FET)のゲート電極形成において、ゲート酸化
膜2上に多結晶シリコン膜3を形成し、その上に非晶質
シリコン膜を形成し、非晶質シリコン膜6が結晶化する
ような熱処理を受ける前にドーパント原子(あるいは分
子)をイオン種を注入することを特徴とするものであ
る。
【0020】本発明によれば、ゲート電極(3,6)下
層までのドーパント導入と、チャネリング現象を防止す
るという相反する要求を実現して、イオン注入時のチャ
ネリング現象によるゲート酸化膜2の劣化を防止するこ
とができ、さらには活性化アニール時の不純物拡散を促
進することができる。
【0021】次に本発明の具体例を実施形態1として説
明する。
【0022】まず図1(a)に示すように、シリコン基
板1上に膜厚40Åの酸化シリコン膜2を熱酸化法によ
り形成し、その上に膜厚約1000Åの多結晶シリコン
膜3を約650℃の減圧気相成長(LPCVD)法によ
り形成する。
【0023】次に図1(b)に示すように、多結晶シリ
コン膜3上に膜厚約1000Åの非晶質シリコン膜6を
約550℃のLPCVD法により形成する。
【0024】なお、酸化シリコン膜2は電界効果トラン
ジスタ(FET)のゲート酸化膜として用いられ、多結
晶シリコン膜3及び非晶質シリコン膜6は電界効果トラ
ンジスタ(FET)のゲート電極として用いられること
となる。
【0025】引続いて図1(c)に示すように、多結晶
シリコン膜3及び非晶質シリコン膜6の二層からなるゲ
ート電極材を、フォトレジストをマスクとしてプラズマ
エッチング法によりゲート電極の形状にパターニングす
る。
【0026】このとき、多結晶シリコン膜3の加工線
幅、つまり電界効果トランジスタ(FET)のゲート長
は0.1μに設定している。
【0027】その後、基板全面に図示しない酸化シリコ
ン膜をCVD法により約500Åの膜厚に堆積し、異方
性の高いドライエッチング法を用いて前記CVD酸化シ
リコン膜をエッチングし、図1(c)に示すように多結
晶シリコン膜3及び非晶質シリコン膜6の上面、並びに
電界効果トランジスタ(FET)のソース/ドレイン領
域となるシリコン基板1の表面を露出する。
【0028】前記図示しないCVD法による酸化シリコ
ン膜の形成処理は、非晶質シリコン膜6が結晶化するこ
とがないように550℃以下の低温で行う。なお、図示
しない前記酸化シリコン膜の形成処理には、一般的な常
圧CVD法(約400℃程度)を用いてもよい。
【0029】次に図1(d)に示すように、パターニン
グされた非晶質シリコン膜6と、露出したシリコン基板
1に対して、ボロン,フッ化ボロン,ヒ素,リンなどの
ドーパント原子(あるいは分子)をイオン注入5する。
【0030】このとき、イオン注入種の飛程距離(通称
Rp)が、非晶質シリコン膜6の膜厚の範囲内に規制さ
れることが好ましい。例えば、非晶質シリコン膜6の膜
厚が1000Åのとき、注入エネルギーは、イオン種が
Asの場合は80keV(キロ・エレクトロン・ボル
ト)以下、イオン種がPやBF2の場合は50keV以
下、イオン種がBの場合は20keVにそれぞれ設定す
ることが望ましい。
【0031】その後、図1(e)に示すようにランプア
ニール法により半導体装置を1000℃,10秒間加熱
し、ドーパント原子の拡散と活性化を行う。
【0032】図1(e)に示す熱処理時において、非晶
質シリコン膜6は多結晶シリコン膜に変質する。
【0033】以上の工程で実現される本発明の実施形態
1においては、下層の多結晶シリコン膜3と上層の非晶
質シリコン膜6から構成されるゲート電極材にドーパン
トをイオン注入することになる。
【0034】本発明の実施形態1によれば、上層の非晶
質シリコン膜6により、イオン種が特定のシリコン結晶
面を貫通してゲート酸化膜2に突入するチャネリング現
象が生じることがなく、チャネリング現象によるゲート
酸化膜の膜質劣化を防止することができる。
【0035】また、下層の多結晶シリコン膜3により、
ランプアニール熱処理時に、ドーパント原子の酸化膜界
面への拡散を促進することができる。これは、結晶粒の
境界(グレイン・バウンダリー)でのドーパントの拡散
速度が大きいためである。
【0036】本発明の実施形態1において、多結晶シリ
コン膜3と非晶質シリコン膜6の積層構造で、かつ多結
晶シリコン膜3が下層に位置し、非晶質シリコン膜6が
上層に位置する構造であれば、上述した効果を発揮する
ものであり、特別な多結晶シリコン膜厚,特別な非晶質
シリコン膜厚,特別なドーパント原子のイオン注入条
件,特別な活性化熱処理条件に限定されるものではな
い。
【0037】(実施形態2)図2は、本発明の実施形態
2に係る半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図で
ある。
【0038】図1に示す実施形態1では、多結晶シリコ
ン膜3と非晶質シリコン膜6の積層膜を実現するため
に、それぞれ異なる温度でのLPCVD法で形成した
が、本発明の実施形態2は、下記の方法を用いて一度の
成膜手法により、多結晶シリコン膜3と非晶質シリコン
膜6の積層膜を形成することを特徴とするものである。
【0039】具体的に説明すると、一般的な多結晶シリ
コン膜3のLPCVD成長法では、非晶質シリコン膜6
の堆積過程と下層界面からの結晶化層が上方に成長する
過程が生じている。
【0040】堆積速度と結晶化速度がほぼ同等か、或い
は堆積終了後にLPCVD炉内でしばらく高温下で保持
されている間に、結晶化面がシリコン膜の表面に達する
場合には、多結晶シリコン層のみの膜が形成されること
になる。
【0041】そこで本発明の実施形態2では図2(a)
に示すように、多結晶化する温度(600℃以上)の下
でLPCVD成長法を用いて、多結晶シリコン膜3と非
晶質シリコン膜6の積層膜を酸化シリコン膜2上に堆積
する。
【0042】その処理を行う場合、成長圧力を高くする
等して、膜3,6の堆積速度を高め、その膜3,6の堆
積速度が下層の酸化シリコン膜2の界面からスタートす
る結晶化速度よりも大きく設定する。
【0043】こうすることにより図2(b)に示すよう
に、下層の多結晶シリコン層3の形成と上層の非晶質シ
リコン層6の形成が同時に進行することになる。
【0044】そして図2(c)に示すように、成長直後
に急冷(クエンチ)することにより、上層の非晶質シリ
コン層6が結晶化することを防止し、非晶質シリコン層
6の膜厚を確保する。
【0045】その後の工程は実施形態1と同様に、図1
(c)、図1(e)に示すように、ゲート酸化膜2上に
位置する多結晶シリコン層3と非晶質シリコン層6から
なるゲート電極材に、非晶質シリコン膜6が結晶化する
ような熱処理を受ける前にドーパント原子(或いは分
子)をイオン注入する。
【0046】本発明の実施形態2によれば、一度の成膜
手法により、多結晶シリコン膜3と非晶質シリコン膜6
の積層膜を形成することができ、製造工程を簡略化する
ことができる。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート電極下層までのドーパント導入と、チャネリング現
象を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態1に係る半導体装置の製造方
法を製造工程順に示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態2に係る半導体装置の製造方
法を製造工程順に示す断面図である。
【図3】従来例に係る半導体装置の製造方法を示す断面
図である。
【図4】従来例に係る半導体装置の製造方法を示す断面
図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 酸化シリコン膜(ゲート酸化膜) 3 多結晶シリコン膜 9 非晶質シリコン膜
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/265

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体電界効果トランジスタのゲート電
    極を、ゲート酸化膜上に位置する多結晶シリコン層と非
    晶質シリコン層からなるゲート電極材を用い、前記非晶
    質シリコン膜が結晶化するような熱処理を受ける前にイ
    オン種をイオン注入することにより形成する半導体装置
    の製造方法であって、前記非晶質シリコン膜が多結晶化する温度の下でLPC
    VD成長法を用いて、前記多結晶シリコン膜と前記非晶
    質シリコン膜の積層膜を前記ゲート酸化膜上に堆積し、
    かつ、前記積層膜を堆積するに際し、前記積層膜の堆積
    速度を高め、前記堆積速度が前記ゲート酸化膜の界面か
    らスタートする結晶化の速度よりも大きくなるように設
    定し、前記多結晶シリコン層の形成と前記非晶質シリコ
    ン層の形成を同時に進行させる ことを特徴とする半導体
    装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記多結晶シリコン層と前記非晶質シリ
    コン層の成長直後に急冷することにより、前記非晶質シ
    リコン層が結晶化することを防止し、前記非晶質シリコ
    ン層の膜厚を確保することを特徴とする請求項1に記載
    の半導体装置の製造方法。
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