JP3438395B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP3438395B2
JP3438395B2 JP07670395A JP7670395A JP3438395B2 JP 3438395 B2 JP3438395 B2 JP 3438395B2 JP 07670395 A JP07670395 A JP 07670395A JP 7670395 A JP7670395 A JP 7670395A JP 3438395 B2 JP3438395 B2 JP 3438395B2
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  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は半導体装置に関し、特に
MOSFETのチャネル構造及びその形成方法に関す
る。 【0002】 【従来の技術】従来の埋め込みチャネル型トランジスタ
の形成方法を図5を用いて説明する。まず図5(a)に
示すように、シリコン半導体基板501表面に第1導電
型(以下、N型とする)の不純物を含むウェルを形成し
た後、20nm程度のシリコン酸化膜502を形成し、
第2導電型(以下、P型とする)の不純物として例えば
BF2をイオン注入法によりエネルギー40keVでド
ーズ量1E12程度注入しP型不純物拡散層503を形
成する。次に図5(b)に示すように前記シリコン酸化
膜502をウェットエッチ法により除去した後、改めて
熱酸化することにより10nm程度のゲート絶縁膜50
4を形成する。次に高濃度の燐を含む多結晶シリコンな
どをCVD法により厚さ300nm程度堆積し、パター
ニングした後、850度程度の熱酸化を行ってゲート電
極505を形成した後、BF2等のP型不純物をイオン
注入法によりエネルギー40keV、ドーズ量1E13
程度注入することによりP型不純物拡散層506を形成
する。 【0003】次にCVD法によりシリコン酸化膜を20
0nm程度堆積した後、ドライエッチング等により前記
シリコン酸化膜を200nm程度異方性のエッチングす
る事により、前記ゲート電極505の側壁に沿ってシリ
コン酸化膜による側壁スペーサ507を形成する。その
後、イオン注入法によりBF2等のP型不純物をエネル
ギー50keV、ドーズ量2E15程度注入した後、R
TA法等の高温熱処理を加えることによりソース・ドレ
イン508の不純物等を活性化する。この時、ゲート電
極505はあらかじめ高濃度の燐を含んでいるためN型
の導電型となっている。このようにして、図5(c)に
示すようにLDD構造の埋め込みチャネル型Pチャネル
MOSFETを形成する。 【0004】尚、従来の技術で表面チャネル型MOSF
ETを形成する場合には、まず図5(a)に示すよう
に、シリコン半導体基板501表面に第1導電型(以
下、N型とする)の不純物を含むウェルを形成した後、
20nm程度のシリコン酸化膜502を形成し、第2導
電型(以下、P型とする)の不純物として例えばBF2
をイオン注入法によりエネルギー40keVでドーズ量
1E12程度注入しP型不純物拡散層503を形成す
る。次に図5(b)に示すように前記シリコン酸化膜5
02をウェットエッチ法により除去した後、改めて熱酸
化することにより10nm程度のゲート絶縁膜504を
形成する。次に多結晶シリコンなどをCVD法により厚
さ300nm程度堆積し、パターニングした後、850
度程度の熱酸化を行ってゲート電極505を形成した
後、BF2等のP型不純物をイオン注入法によりエネル
ギー40keV、ドーズ量1E13程度注入することに
よりP型不純物拡散層506を形成する。 【0005】次にCVD法によりシリコン酸化膜を20
0nm程度堆積した後、ドライエッチング等により前記
シリコン酸化膜を200nm程度異方性のエッチングす
る事により、前記ゲート電極505の側壁に沿ってシリ
コン酸化膜による側壁スペーサ507を形成する。その
後、イオン注入法によりBF2等のP型不純物をエネル
ギー50keV、ドーズ量2E15程度注入した後、R
TA法等の高温熱処理を加えることによりソース・ドレ
イン508の不純物等を活性化する。この時、ゲート電
極505はP型の導電型となっている。このようにし
て、図5(c)に示すようにLDD構造の表面チャネル
型PチャネルMOSFETを形成する。 【0006】 【発明が解決しようとする課題】従来の技術によりLD
D構造の埋め込みチャネル型PチャネルMOSFETを
形成すると、チャネル部に導入したボロンがその後の熱
酸化により拡散して、チャネル部のP型埋め込み層の深
さが深くなってしまう。さらに言えば、イオン注入法に
よりチャネル部に不純物を導入した場合、イオン注入に
よって半導体基板に結晶欠陥が生じるため、その後の酸
化処理により不純物の拡散速度が通常よりも増速され、
チャネル部のP型埋め込み層の深さが余計に深くなって
しまう。この様にしてチャネル部のP形埋め込み層の深
さが深くなることにより、パンチスルー現象が起こりや
すくなるため素子の微細化が困難になると言う問題点が
あった。 【0007】また素子を導通状態にした場合には、埋め
込みチャネル型のMOSFETでも一部のキャリアはチ
ャネル表面を移動するため、表面散乱の影響により移動
度が低下し、電流駆動能力が低下してしまうという問題
点があった。 【0008】また、従来の技術により表面チャネル型の
MOSFETを形成した場合、チャネルへのイオン注入
後の酸化工程で不純物が深く拡散してしまうためサブス
レッショルド係数が悪化し、素子特性が悪化するという
問題点があった。 【0009】 【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体基板に第1導電型不純物を導入するこ
とにより第1の第1導電型領域を形成する工程と、前記
半導体基板に第2導電型不純物を導入することにより、
前記第1の第1導電型領域の上部に第2導電型領域を形
成する工程と、前記半導体基板表面を熱酸化することに
よりゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜
上にゲート電極を形成する工程と、ソース・ドレイン部
分に第2導電型の不純物を導入する工程と、を含む半導
体装置の製造方法であって、前記ゲート絶縁膜を形成す
る前記熱酸化において、前記第1の第1導電型領域を構
成する前記第1導電型不純物を拡散させて、前記第2導
電型領域上部の前記半導体基板に第2の第1導電型領域
を形成することを特徴とする。 【0010】 【0011】 【0012】 【0013】 【0014】 【0015】 【作用】即ち本発明の埋め込みチャネル型PチャネルM
OSFETでは、P型の埋め込みチャネル層の下部に砒
素によるN型拡散層を形成した後、酸化処理を行うこと
により、一部の砒素が異常拡散してゲート絶縁膜直下の
半導体基板表面の砒素の濃度が高くなる。従ってチャネ
ル部の不純物分布は、表面に異常拡散した砒素によるN
型の第1の不純物拡散層が形成され、前記第1の不純物
拡散層の下部にP型の埋め込みチャネル層となる第2の
不純物拡散層が形成され、前記第2の不純物拡散層の下
部に砒素によるN型の第3の不純物拡散層が形成され
る。この様な構造にすることによりP型の埋め込みチャ
ネル層である第2の不純物拡散層は、第1の不純物拡散
層によりシリコンとシリコン酸化膜の界面から分離され
ると同時に、導電型の異なる第3の不純物拡散層により
不純物がキャンセルされて浅いP型埋め込みチャネル層
を形成することができる また本発明のMOSFETではチャネル部への不純物イ
オン注入を行った直後に、高温短時間の熱処理を行うこ
とにより半導体基板の結晶欠陥を回復してから酸化処理
を行うことにより、結晶欠陥に起因する不純物の増速拡
散を抑制して、P型の埋め込みチャネル層の深さを浅く
することができる。 【0016】 【実施例】以下、本発明を工程断面図を参考に、実施例
により具体的に説明する。まず、本発明の第1の実施例
を説明する。図1(a)に示すように、シリコンを主成
分とする半導体基板101の表面にN型のウェルを形成
した後、熱酸化することにより表面に厚さ約20nmの
シリコン酸化膜102を形成した後、イオン注入法によ
り砒素をエネルギー200keV、ドーズ量2E12程
度注入することによりN型の不純物拡散層103を形成
し、同様にイオン注入法によりBF2をエネルギー70
keV、ドーズ量3E12程度注入することによりP型
の不純物拡散層104を形成する。この時のシリコン基
板中の深さ方向の不純物分布を図2(a)に示すが、P
形不純物拡散層104の下部にN型不純物拡散層103
が形成されている。 【0017】次に図1(b)に示すように、前記シリコ
ン酸化膜102をウェットエッチング法により除去した
後、酸素雰囲気で温度が850度程度の酸化を行ったあ
と窒素雰囲気で温度が900度から1000度程度のポ
ストアニールを行うことにより、ゲート酸化膜106を
形成する。ゲート酸化膜を形成した後の不純物濃度分布
を図2(b)に示す。ゲート酸化を行ったことにより図
2(b)においてP型の不純物拡散層202はイオン注
入直後と比較してピーク濃度が低下してなだらかな濃度
分布となっているのに対し、N型の不純物拡散層201
は砒素が異常拡散する事により表面近傍及び深さ0.4
μm弱の部分に2つのピークを持つような濃度分布とな
る。図2(b)に示すような濃度分布をしている場合、
断面構造は図1(b)に示すように基板表面ではN型の
不純物拡散層105が形成され、前記N型の不純物拡散
層105の下部にはP型の不純物拡散層104が形成さ
れ、前記P型の不純物拡散層104の下部にはN型の不
純物拡散層103が形成されることになる。 【0018】次にゲート酸化膜106上にCVD法によ
り不純物として高濃度の燐を含む多結晶シリコンを厚さ
約300nm形成し、リソグラフィー工程とエッチング
工程を経た後、エッチングダメージを回復するための酸
化処理を行うことによりゲート電極107を形成した
後、P型不純物としてBF2をイオン注入法によりエネ
ルギー40keVドーズ量1E13程度注入することに
よりP型の不純物拡散層108を形成する。その後、C
VD法によりシリコン酸化膜を約200nm堆積した
後、ドライエッチング等の異方性エッチングによりシリ
コン酸化膜を200nm程度エッチングする事により、
ゲート電極107の側壁にシリコン酸化膜からなる側壁
スペーサー109を形成する。 【0019】次にイオン注入法によりBF2をエネルギ
ー50keVドーズ量2E15程度注入することにより
ソース・ドレイン部分にP型不純物拡散層110を形成
する。この時、ゲート電極ではあらかじめ高濃度の燐を
含んでいるので、N型の導電型となっている。次にRT
A法などのアニールにより不純物を活性化させることに
より、図1(c)に示すようにゲート酸化膜の下部にN
型の不純物拡散層105が形成され、N型の不純物拡散
層105の下部にP型の不純物拡散層104が形成さ
れ、P型の不純物拡散層104の下部にN型の不純物拡
散層103が形成された埋め込みチャネル型Pチャネル
MOSFETが形成される。 【0020】尚、前述の実施例は本発明の一例を示した
だけであり、本発明はこれに限られるものではない。例
えばゲート酸化条件は酸素雰囲気で温度が850度程度
の酸化を行ったあと窒素雰囲気で温度が900度から1
000度程度のポストアニールを行うと説明したが、こ
れに限られるものではなく酸化膜を形成すると同時に半
導体基板に導入された砒素が異常拡散を起こして、基板
表面の砒素濃度が高くなる条件であればよい。すなわち
前述の実施例では酸素雰囲気と説明したが、酸素だけで
なく水素及び塩素が含まれる雰囲気でもよく、温度は7
50度から950度の範囲、更に言うならば800度か
ら900度の温度範囲が望ましい。また、前述の実施例
では埋め込みチャネル型のPチャネルMOSFETを例
に挙げて説明したが、本発明はこれに限られるものでは
なく例えば埋め込みチャネル型のNチャネルMOSFE
Tにも適用可能である。 【0021】次に本発明の第2の実施例を説明する。図
3(a)に示すようにシリコンを主成分とする半導体基
板301の表面にN型のウェルを形成した後、熱酸化す
ることにより表面に厚さ約20nmのシリコン酸化膜3
02を形成した後、イオン注入法によりP型の不純物と
してBF2をエネルギー70keVドーズ量3E12程
度注入する。ここで注入されたイオンは半導体基板内部
で原子あるいは電子雲と衝突を繰り返しながらそのエネ
ルギーを失い、その大半が半導体基板301の表面から
深さ0.1um程度の部分に留まりP型の不純物拡散層
303を形成する。この時に注入されたイオンがシリコ
ン基板の原子核と衝突した場合、原子が移動することに
より半導体基板の結晶に損傷が生じる。 【0022】従来の場合、この様な注入損傷が生じたま
まシリコン酸化膜302を除去し、改めて酸化炉で酸化
処理する事によりゲート酸化膜304を形成していたの
であるが、注入損傷によりゲート酸化する際の不純物拡
散が増速されるため、P型の不純物拡散層303が深く
分布してしまう。この様な注入損傷による不純物の増速
拡散を抑えるため、本発明ではイオン注入によりP型の
不純物拡散層303を形成した後、RTA法等により高
温短時間のアニールを行うことにより注入損傷を取り除
いてからゲート酸化を行うことにより、図3(b)に示
すようにP型の不純物拡散層303を浅く分布する事が
できる。ここでRTA法によるアニール条件は温度が8
00度から1100度程度がよく、更に言うならば90
0度から1050度程度が適当であり、アニール時間は
温度により異なるのであるが、およそ10秒から数十秒
程度が適当である。 【0023】次にゲート酸化膜304上にCVD法によ
り不純物として高濃度の燐を含む多結晶シリコンを厚さ
約300nm形成する。この多結晶シリコンは不純物を
含まない状態で堆積した後に燐をプレデポジションして
も良いし、あるいは高濃度の燐を含む状態で堆積しても
よい。ここでは埋め込みチャネル型のPチャネルMOS
FETを例に挙げて説明しているので、高濃度の燐を含
んだ多結晶シリコンを用いているが、表面チャネル型な
どのMOSFETを形成する場合は燐が含まれていなく
てもよい。ここで形成した多結晶シリコンに対してリソ
グラフィー工程とエッチング工程を経た後、エッチング
ダメージを回復するための酸化処理を行うことによりゲ
ート電極305を形成した後、P型不純物としてBF2
をイオン注入法によりエネルギー40keVドーズ量1
E13程度注入することによりP型の不純物拡散層30
6を形成する。 【0024】その後、CVD法によりシリコン酸化膜を
約200nm堆積した後、ドライエッチング等の異方性
エッチングによりシリコン酸化膜を200nm程度エッ
チングする事により、ゲート電極305の側壁にシリコ
ン酸化膜からなる側壁スペーサー307を形成する。次
にイオン注入法によりBF2をエネルギー50keVド
ーズ量2E15程度注入することによりソース・ドレイ
ン部分にP型不純物拡散層308を形成する。この時、
ゲート電極ではあらかじめ高濃度の燐を含んでいるの
で、N型の導電型となっている。次にRTA法などのア
ニールにより不純物を活性化させることにより、図3
(c)に示すようにチャネル部分に形成されたP型の不
純物拡散層303の深さが浅い埋め込みチャネル型Pチ
ャネルMOSFETが形成される。 【0025】尚、前述の実施例は本発明の一例を示した
だけであり、本発明はこれに限られるものではない。例
えば前述の実施例では埋め込みチャネル型のPチャネル
MOSFETを例に挙げて説明したが、本発明はこれに
限られるものではなく、例えば埋め込みチャネル型のN
チャネルMOSFETや表面チャネル型のNチャネルM
OSFET、表面チャネル型のPチャネルMOSFET
への適用も可能である。ここで表面チャネル型のPチャ
ネルMOSFETへ適用した場合の実施例を説明する。 【0026】図4(a)に示すようにシリコンを主成分
とする半導体基板301の表面にN型のウェルを形成し
た後、熱酸化することにより表面に厚さ約20nmのシ
リコン酸化膜402を形成した後、イオン注入法により
N型の不純物として燐をエネルギー50keVドーズ量
3E12程度注入する。ここで注入されたイオンは半導
体基板内部で原子あるいは電子雲と衝突を繰り返しなが
らそのエネルギーを失い、その大半が半導体基板401
の表面から深さ0.1um程度の部分に留まりN型の不
純物拡散層403を形成する。この時に注入されたイオ
ンがシリコン基板の原子核と衝突した場合、原子が移動
することにより半導体基板の結晶に損傷が生じる。 【0027】従来の場合、この様な注入損傷が生じたま
まシリコン酸化膜402を除去し、改めて酸化炉で酸化
処理する事によりゲート酸化膜404を形成していたの
であるが、注入損傷によりゲート酸化する際の不純物拡
散が増速されるため、N型の不純物拡散層403が深く
分布してしまう。この様な注入損傷による不純物の増速
拡散を抑えるため、本発明ではイオン注入によりN型の
不純物拡散層403を形成した後、RTA法等により高
温短時間のアニールを行うことにより注入損傷を取り除
いてからゲート酸化を行うことにより、図4(b)に示
すようにN型の不純物拡散層403を浅く分布する事が
できる。 【0028】ここでRTA法によるアニール条件は温度
が800度から1100度程度がよく、更に言うならば
900度から1050度程度が適当であり、アニール時
間は温度により異なるのであるが、およそ10秒から数
十秒程度が適当である。次にゲート酸化膜404上にC
VD法により多結晶シリコンを厚さ約300nm形成
し、リソグラフィー工程とエッチング工程を経た後、エ
ッチングダメージを回復するための酸化処理を行うこと
によりゲート電極405を形成した後、P型不純物とし
てBF2をイオン注入法によりエネルギー40keVド
ーズ量1E13程度注入することによりP型の不純物拡
散層406を形成する。 【0029】その後、CVD法によりシリコン酸化膜を
約200nm堆積した後、ドライエッチング等の異方性
エッチングによりシリコン酸化膜を200nm程度エッ
チングする事により、ゲート電極405の側壁にシリコ
ン酸化膜からなる側壁スペーサー407を形成する。次
にイオン注入法によりBF2をエネルギー50keVド
ーズ量2E15程度注入することによりソース・ドレイ
ン部分にP型不純物拡散層408を形成する。このと
き、ゲート電極はP型の導電型となっている。次にRT
A法などのアニールにより不純物を活性化させることに
より、図4(c)に示すようにチャネル部分に形成され
たN型の不純物拡散層303の深さが浅い埋め込みチャ
ネル型PチャネルMOSFETが形成される。 【0030】尚、前述の本発明の第1の実施例及び第2
の実施例では、あらかじめウェルを形成してあるものと
して説明してあるが、本発明はこれに限られるものでは
なく、チャネル部分への不純物導入の前後で高エネルギ
ーイオン注入法によりウェルを形成しても良いことは言
うまでもない。 【0031】 【発明の効果】本発明の第1の実施例で説明したMOS
FETでは埋め込みチャネル層となる第2の不純物拡散
層の下部に形成された第3の不純物拡散層がパンチスル
ー現象を抑制すると同時にサブスレッショルド特性を改
善するため、素子の微細化を実現することができる。素
子を微細化することにより、寄生容量を削減できるため
回路の動作速度を向上と消費電力の低減を実現できるだ
けでなく、チップサイズを縮小できることにより歩留り
の向上も期待できる。 【0032】また第2の不純物拡散層であるP型の埋め
込みチャネル層の上部にN型の第1の不純物拡散層が形
成されていることにより、素子が導通状態にある場合で
もキャリアは基板の内部を流れるため、表面散乱による
移動度の低下を抑制することができる。キャリアの移動
度が高くなると電流駆動能力の向上につながることによ
り回路の動作速度を高速化することができるため、高性
能の半導体装置を提供することができる。 【0033】また、本発明の第2の実施例で説明した埋
め込みチャネルのMOSFETでは埋め込みチャネル層
の深さを浅くすることによりパンチスルー現象を抑制す
ると同時にサブスレッショルド特性を改善し、素子の微
細化を実現することができる。素子を微細化することに
より、寄生容量を削減できるため回路の動作速度を向上
と消費電力の低減を実現できるだけでなく、チップサイ
ズを縮小できることにより歩留りの向上も期待できる。 【0034】また、本発明の第2の実施例で説明した表
面チャネル型のMOSFETではチャネル部の不純物の
深さを浅くすることによりサブスレッショルド特性を改
善すると同時に、チャネルの表面不純物濃度が従来と同
じでも、表面より少し深い部分の不純物濃度が低いため
に実効的な移動度が大きくなるため、電流駆動能力の向
上が期待できる。この様な理由で本発明によれば高性能
の半導体装置を提供することができる。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a MOSFET channel structure and a method of forming the same. 2. Description of the Related Art A conventional method for forming a buried channel transistor will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 5A, a well containing an impurity of a first conductivity type (hereinafter, referred to as N-type) is formed on the surface of a silicon semiconductor substrate 501, and then a silicon oxide film 502 of about 20 nm is formed.
For example, BF 2 is implanted as an impurity of the second conductivity type (hereinafter, referred to as P-type) by ion implantation at an energy of 40 keV and a dose of about 1E12 to form a P-type impurity diffusion layer 503. Next, as shown in FIG. 5B, the silicon oxide film 502 is removed by a wet etch method, and then thermally oxidized again to form a gate insulating film 50 of about 10 nm.
4 is formed. Next, polycrystalline silicon or the like containing a high concentration of phosphorus is deposited by a CVD method to a thickness of about 300 nm, patterned, thermally oxidized at about 850 degrees to form a gate electrode 505, and then a P-type such as BF 2 is formed. Impurities are ion-implanted at an energy of 40 keV and a dose of 1E13.
The P-type impurity diffusion layer 506 is formed by the implantation to a certain degree. Then, a silicon oxide film is formed by CVD method.
After depositing about 0 nm, the silicon oxide film is anisotropically etched by about 200 nm by dry etching or the like to form a sidewall spacer 507 of the silicon oxide film along the sidewall of the gate electrode 505. After that, a P-type impurity such as BF 2 is implanted by an ion implantation method at an energy of 50 keV and a dose of about 2E15.
By applying a high-temperature heat treatment such as a TA method, impurities in the source / drain 508 are activated. At this time, the gate electrode 505 has an N-type conductivity because it contains a high concentration of phosphorus in advance. In this manner, a buried channel P-channel MOSFET having an LDD structure is formed as shown in FIG. [0004] It should be noted that the surface channel type MOSF is
When the ET is formed, first, as shown in FIG. 5A, a well containing an impurity of a first conductivity type (hereinafter, referred to as an N-type) is formed on the surface of the silicon semiconductor substrate 501,
A silicon oxide film 502 of about 20 nm is formed, and BF 2 is used as a second conductivity type (hereinafter referred to as P-type) impurity.
Is implanted by ion implantation at an energy of 40 keV and a dose of about 1E12 to form a P-type impurity diffusion layer 503. Next, as shown in FIG.
02 is removed by wet etching, and then thermally oxidized again to form a gate insulating film 504 of about 10 nm. Next, polycrystalline silicon or the like is deposited by a CVD method to a thickness of about 300 nm, and after patterning, 850 is deposited.
After forming the gate electrode 505 by performing thermal oxidation to a degree, a P-type impurity such as BF 2 is implanted by ion implantation at an energy of about 40 keV and a dose of about 1E13 to form a P-type impurity diffusion layer 506. Then, a silicon oxide film is formed by CVD method.
After depositing about 0 nm, the silicon oxide film is anisotropically etched by about 200 nm by dry etching or the like to form a sidewall spacer 507 of the silicon oxide film along the sidewall of the gate electrode 505. After that, a P-type impurity such as BF 2 is implanted by an ion implantation method at an energy of 50 keV and a dose of about 2E15.
By applying a high-temperature heat treatment such as a TA method, impurities in the source / drain 508 are activated. At this time, the gate electrode 505 has a P-type conductivity. In this way, a surface channel P-channel MOSFET having an LDD structure is formed as shown in FIG. [0006] The LD according to the prior art
When a buried channel P-channel MOSFET having a D structure is formed, boron introduced into the channel portion is diffused by subsequent thermal oxidation, and the depth of the P-type buried layer in the channel portion is increased. Furthermore, when impurities are introduced into the channel portion by the ion implantation method, crystal defects occur in the semiconductor substrate due to the ion implantation, so that the diffusion rate of the impurities is increased more than usual by the subsequent oxidation treatment,
The depth of the P-type buried layer in the channel portion becomes excessively large. As described above, when the depth of the P-type buried layer in the channel portion is increased, a punch-through phenomenon is likely to occur, so that there is a problem that miniaturization of the element becomes difficult. Further, when the element is made conductive, some carriers move on the channel surface even in the buried channel type MOSFET, so that the mobility is reduced due to the influence of surface scattering and the current driving capability is reduced. There was a problem that it would. Further, when a surface channel type MOSFET is formed by a conventional technique, impurities are diffused deeply in an oxidation step after ion implantation into a channel, so that a subthreshold coefficient is deteriorated and device characteristics are deteriorated. There was a problem. According to a method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a step of forming a first first conductivity type region by introducing a first conductivity type impurity into a semiconductor substrate; By introducing the second conductivity type impurity into the semiconductor substrate,
Forming a second conductivity type region above the first first conductivity type region, forming a gate insulating film by thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate, and forming a gate electrode on the gate insulating film Forming a semiconductor device, and introducing a second conductivity type impurity into the source / drain portions, wherein the thermal oxidation for forming the gate insulating film comprises the step of: The method is characterized in that the first conductivity type impurity forming the first conductivity type region is diffused to form a second first conductivity type region in the semiconductor substrate above the second conductivity type region. [0015] That is, the buried channel type P channel M of the present invention.
In an OSFET, after an N-type diffusion layer of arsenic is formed under a P-type buried channel layer, an oxidizing process is performed to partially diffuse arsenic and cause arsenic diffusion on the surface of the semiconductor substrate immediately below the gate insulating film. The concentration increases. Therefore, the impurity distribution in the channel portion is determined by N
A first impurity diffusion layer of a p-type, a second impurity diffusion layer serving as a P-type buried channel layer is formed below the first impurity diffusion layer, and a second impurity diffusion layer is formed below the second impurity diffusion layer. An N-type third impurity diffusion layer of arsenic is formed. With such a structure, the second impurity diffusion layer, which is a P-type buried channel layer, is separated from the interface between silicon and the silicon oxide film by the first impurity diffusion layer, and at the same time, has a different conductivity type. The impurity is canceled by the impurity diffusion layer of No. 3 so that a shallow P-type buried channel layer can be formed. In the MOSFET of the present invention, a high-temperature and short-time heat treatment is performed immediately after the impurity ions are implanted into the channel portion. By performing the oxidation treatment after recovering the crystal defect of the semiconductor substrate by the above, the accelerated diffusion of the impurity due to the crystal defect can be suppressed, and the depth of the P-type buried channel layer can be reduced. Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples with reference to sectional views of steps. First, a first embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1A, after forming an N-type well on the surface of a semiconductor substrate 101 containing silicon as a main component, a silicon oxide film 102 having a thickness of about 20 nm was formed on the surface by thermal oxidation. after the arsenic energy 200 keV, to form an N-type impurity diffusion layer 103 by injecting a dose of about 2E12 ion implantation method similarly energy 70 BF 2 by ion implantation
By implanting at about keV and at a dose of about 3E12, a P-type impurity diffusion layer 104 is formed. FIG. 2A shows the impurity distribution in the depth direction in the silicon substrate at this time.
An N-type impurity diffusion layer 103 is provided below the N-type impurity diffusion layer 104.
Are formed. Next, as shown in FIG. 1B, after the silicon oxide film 102 is removed by wet etching, oxidation is performed at about 850 ° C. in an oxygen atmosphere, and then 900 ° C. in a nitrogen atmosphere. The gate oxide film 106 is formed by performing post-annealing from about 1000 degrees to about 1000 degrees. FIG. 2B shows the impurity concentration distribution after the gate oxide film is formed. Due to the gate oxidation, the peak concentration of the P-type impurity diffusion layer 202 in FIG. 2B is lower than that immediately after the ion implantation and has a gentle concentration distribution. Diffusion layer 201
Is near surface and depth 0.4 due to abnormal diffusion of arsenic
The concentration distribution is such that there are two peaks in a portion less than μm. When the density distribution is as shown in FIG.
As shown in FIG. 1B, an N-type impurity diffusion layer 105 is formed on the substrate surface, and a P-type impurity diffusion layer 104 is formed below the N-type impurity diffusion layer 105 as shown in FIG. The N-type impurity diffusion layer 103 is formed below the P-type impurity diffusion layer 104. Next, polycrystalline silicon containing a high concentration of phosphorus as an impurity is formed to a thickness of about 300 nm on the gate oxide film 106 by a CVD method. After a lithography step and an etching step, oxidation for recovering etching damage is performed. After performing the process to form the gate electrode 107, BF 2 is implanted as a P-type impurity by ion implantation at an energy of about 40 keV and a dose of about 1E13 to form a P-type impurity diffusion layer. Then, C
After depositing a silicon oxide film by about 200 nm by the VD method, by etching the silicon oxide film by about 200 nm by anisotropic etching such as dry etching,
A side wall spacer 109 made of a silicon oxide film is formed on the side wall of the gate electrode 107. Next, BF 2 is implanted by ion implantation at an energy of about 50 keV and a dose of about 2E15 to form a P-type impurity diffusion layer 110 in the source / drain portions. At this time, since the gate electrode contains a high concentration of phosphorus in advance, it has N-type conductivity. Then RT
By activating the impurities by annealing such as method A, N is formed below the gate oxide film as shown in FIG.
An N-type impurity diffusion layer 105 is formed, a P-type impurity diffusion layer 104 is formed below the N-type impurity diffusion layer 105, and an N-type impurity diffusion layer 103 is formed below the P-type impurity diffusion layer 104. The buried channel type P-channel MOSFET thus formed is formed. The above-described embodiment merely shows an example of the present invention, and the present invention is not limited to this. For example, the gate oxidation conditions are as follows: oxidation in an oxygen atmosphere at a temperature of about 850 ° C., and then in a nitrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C. to 1 ° C.
Although it has been described that the post-annealing at about 000 degrees is performed, the present invention is not limited to this. Under the condition that the arsenic introduced into the semiconductor substrate at the same time as forming the oxide film causes abnormal diffusion and the arsenic concentration on the substrate surface increases. I just need. That is, in the above-described embodiment, an oxygen atmosphere is described, but an atmosphere containing not only oxygen but also hydrogen and chlorine may be used.
A temperature range from 50 degrees to 950 degrees, and more specifically a temperature range from 800 degrees to 900 degrees, is desirable. In the above-described embodiment, the buried channel type P-channel MOSFET has been described as an example. However, the present invention is not limited to this. For example, the buried channel type N-channel MOSFET may be used.
It is also applicable to T. Next, a second embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 3A, an N-type well is formed on the surface of a semiconductor substrate 301 containing silicon as a main component, and then thermally oxidized to form a silicon oxide film 3 having a thickness of about 20 nm on the surface.
After forming 02, BF 2 is implanted as a P-type impurity by ion implantation at an energy of about 70 keV and a dose of about 3E12. The ions implanted here lose their energy while repeatedly colliding with atoms or electron clouds inside the semiconductor substrate, and most of the ions remain at a depth of about 0.1 μm from the surface of the semiconductor substrate 301, leaving a P-type impurity diffusion layer. Step 303 is formed. If the ions implanted at this time collide with the nuclei of the silicon substrate, the atoms move and damage the crystal of the semiconductor substrate. In the prior art, the gate oxide film 304 was formed by removing the silicon oxide film 302 with such implantation damage occurring and performing an oxidation process again in an oxidation furnace. Since the impurity diffusion at the time of oxidation is accelerated, the P-type impurity diffusion layer 303 is deeply distributed. In order to suppress the accelerated diffusion of impurities due to such implantation damage, in the present invention, after forming a P-type impurity diffusion layer 303 by ion implantation, the implantation damage is removed by performing high-temperature short-time annealing by RTA or the like. By performing the gate oxidation after that, the P-type impurity diffusion layer 303 can be distributed shallowly as shown in FIG. Here, the annealing conditions by the RTA method are as follows.
Good about 00 to 1100 degrees, more specifically 90
The temperature is suitably about 0 ° to 1050 °, and the annealing time varies depending on the temperature, but about 10 seconds to several tens seconds is appropriate. Next, polycrystalline silicon containing a high concentration of phosphorus as an impurity is formed to a thickness of about 300 nm on the gate oxide film 304 by a CVD method. This polycrystalline silicon may be deposited in a state containing no impurities and then pre-deposited with phosphorus, or may be deposited in a state containing a high concentration of phosphorus. Here, a buried channel type P channel MOS
Since the FET is described as an example, polycrystalline silicon containing high concentration of phosphorus is used. However, when a MOSFET of a surface channel type or the like is formed, phosphorus may not be contained. After passing through the lithography process and the etching process for the polycrystalline silicon formed here, an oxidation process for recovering the etching damage is performed to form the gate electrode 305, and then BF 2 is used as a P-type impurity.
Energy 40 keV dose 1 by ion implantation
By implanting about E13, the P-type impurity diffusion layer 30 is formed.
6 is formed. Then, after depositing a silicon oxide film of about 200 nm by the CVD method, the silicon oxide film is etched by about 200 nm by anisotropic etching such as dry etching, so that the side wall of the gate electrode 305 is formed of the silicon oxide film. The spacer 307 is formed. Next, P-type impurity diffusion layers 308 are formed in the source / drain portions by implanting BF 2 with an energy of about 50 keV and a dose of about 2E15 by ion implantation. At this time,
Since the gate electrode contains a high concentration of phosphorus in advance, it has N-type conductivity. Next, by activating the impurities by annealing such as the RTA method, FIG.
As shown in (c), a buried channel P-channel MOSFET in which the depth of the P-type impurity diffusion layer 303 formed in the channel portion is small is formed. The above-described embodiment is merely an example of the present invention, and the present invention is not limited to this. For example, in the above-described embodiment, a buried channel type P-channel MOSFET has been described as an example. However, the present invention is not limited to this.
Channel MOSFET or surface channel type N-channel M
OSFET, surface channel type P-channel MOSFET
Application to is also possible. Here, an embodiment in the case where the present invention is applied to a surface channel type P-channel MOSFET will be described. As shown in FIG. 4A, an N-type well is formed on the surface of a semiconductor substrate 301 containing silicon as a main component, and then a silicon oxide film 402 having a thickness of about 20 nm is formed on the surface by thermal oxidation. After formation, phosphorus is implanted as an N-type impurity by ion implantation at an energy of about 50 keV and a dose of about 3E12. The ions implanted here lose their energy while repeatedly colliding with atoms or electron clouds inside the semiconductor substrate, and most of the ions are lost.
And the n-type impurity diffusion layer 403 is formed at a depth of about 0.1 μm from the surface of the substrate. If the ions implanted at this time collide with the nuclei of the silicon substrate, the atoms move and damage the crystal of the semiconductor substrate. In the prior art, the gate oxide film 404 was formed by removing the silicon oxide film 402 with such implantation damage occurring and performing a new oxidation treatment in an oxidation furnace. Since the speed of impurity diffusion during oxidation is increased, the N-type impurity diffusion layer 403 is deeply distributed. In order to suppress the accelerated diffusion of the impurity due to such implantation damage, in the present invention, after forming the N-type impurity diffusion layer 403 by ion implantation, the implantation damage is removed by performing high-temperature short-time annealing by RTA or the like. By performing gate oxidation after that, the N-type impurity diffusion layer 403 can be distributed shallowly as shown in FIG. Here, the annealing condition by the RTA method is preferably a temperature of about 800 ° C. to 1100 ° C., more preferably about 900 ° C. to 1050 ° C., and the annealing time varies depending on the temperature. To several tens of seconds is appropriate. Next, C is formed on the gate oxide film 404.
Polycrystalline silicon is formed to a thickness of about 300 nm by a VD method, and after a lithography process and an etching process, an oxidation process for recovering etching damage is performed to form a gate electrode 405. Then, BF 2 is used as a P-type impurity. Is implanted by ion implantation at an energy of about 40 keV and a dose of about 1E13 to form a P-type impurity diffusion layer 406. Then, after depositing a silicon oxide film of about 200 nm by a CVD method, the silicon oxide film is etched by about 200 nm by anisotropic etching such as dry etching, so that the side wall of the silicon oxide film is formed on the side wall of the gate electrode 405. A spacer 407 is formed. Next, P-type impurity diffusion layers 408 are formed in the source / drain portions by implanting BF 2 with an energy of about 50 keV and a dose of about 2E15 by ion implantation. At this time, the gate electrode has a P-type conductivity. Then RT
By activating the impurities by annealing such as method A, a buried channel P-channel MOSFET having a shallow N-type impurity diffusion layer 303 formed in the channel portion is formed as shown in FIG. You. The first embodiment of the present invention and the second embodiment
In the embodiment, it is described that the well is formed in advance, but the present invention is not limited to this, and the well is formed by the high energy ion implantation method before and after the impurity is introduced into the channel portion. Needless to say, this is acceptable. The MOS described in the first embodiment of the present invention
In the FET, the third impurity diffusion layer formed below the second impurity diffusion layer serving as a buried channel layer suppresses the punch-through phenomenon and at the same time improves the sub-threshold characteristic. it can. By miniaturizing the elements, the parasitic capacitance can be reduced, so that not only the operation speed of the circuit can be improved and the power consumption can be reduced, but also the yield can be expected to be improved by reducing the chip size. Further, since the N-type first impurity diffusion layer is formed above the P-type buried channel layer, which is the second impurity diffusion layer, carriers can be kept on the substrate even when the element is in a conductive state. Since the gas flows through the inside, a decrease in mobility due to surface scattering can be suppressed. When the mobility of carriers is increased, the current driving capability is improved, so that the operation speed of the circuit can be increased. Therefore, a high-performance semiconductor device can be provided. In the buried channel MOSFET described in the second embodiment of the present invention, the punch-through phenomenon is suppressed by reducing the depth of the buried channel layer, and at the same time, the subthreshold characteristic is improved and the element is miniaturized. Can be realized. By miniaturizing the elements, the parasitic capacitance can be reduced, so that not only the operation speed of the circuit can be improved and the power consumption can be reduced, but also the yield can be expected to be improved by reducing the chip size. Further, in the surface channel type MOSFET described in the second embodiment of the present invention, the sub-threshold characteristic is improved by reducing the depth of the impurity in the channel portion, and the surface impurity concentration of the channel is lower than that of the conventional one. Even in the same case, the effective mobility is increased due to the low impurity concentration in a portion slightly deeper than the surface, so that an improvement in current driving capability can be expected. For these reasons, according to the present invention, a high-performance semiconductor device can be provided.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例を示す、主要工程における断
面図である。 【図2】本発明の一実施例による、主要工程における不
純物濃度の深さ方向分布である。 【図3】本発明の一実施例を示す、主要工程における断
面図である。 【図4】本発明の一実施例を示す、主要工程における断
面図である。 【図5】従来の実施例を示す主要工程における断面図で
ある。 【符号の説明】 101、301、401、501は半導体基板である。 102、302、402、502は酸化膜である。 103、105はN型不純物拡散層である。 104、108、110、303、306、308、4
06、408、503、506、508はP型の不純物
拡散層である。 106、304、404、504はゲート絶縁膜であ
る。 107、305、405、505はゲート電極である。 109、307、407、507は側壁スペーサであ
る。 201は砒素の不純物濃度分布である。 202はボロンの不純物濃度分布である。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main step of an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a depth distribution of an impurity concentration in a main process according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main step of one embodiment of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main step of the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view in a main step showing a conventional example. [Description of Reference Numerals] 101, 301, 401, and 501 are semiconductor substrates. 102, 302, 402, and 502 are oxide films. 103 and 105 are N-type impurity diffusion layers. 104, 108, 110, 303, 306, 308, 4
Reference numerals 06, 408, 503, 506, and 508 denote P-type impurity diffusion layers. Reference numerals 106, 304, 404, and 504 are gate insulating films. 107, 305, 405, and 505 are gate electrodes. 109, 307, 407, and 507 are side wall spacers. Reference numeral 201 denotes an arsenic impurity concentration distribution. Reference numeral 202 denotes a boron impurity concentration distribution.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−236967(JP,A) 特開 平6−132524(JP,A) 特開 平3−203243(JP,A) 特開 平5−55232(JP,A) 特開 昭59−193066(JP,A) 特開 昭60−50960(JP,A) 特開 昭56−142671(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-6-236967 (JP, A) JP-A-6-132524 (JP, A) JP-A-3-203243 (JP, A) JP-A-5-205 55232 (JP, A) JP-A-59-193066 (JP, A) JP-A-60-50960 (JP, A) JP-A-56-142671 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 21/336

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 半導体基板に第1導電型不純物を導入す
ることにより第1の第1導電型領域を形成する工程と、 前記半導体基板に第2導電型不純物を導入することによ
り、前記第1の第1導電型領域の上部に第2導電型領域
を形成する工程と、 前記半導体基板表面を熱酸化することによりゲート絶縁
膜を形成する工程と、 前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、 ソース・ドレイン部分に第2導電型の不純物を導入する
工程と、を含む半導体装置の製造方法であって、 前記ゲート絶縁膜を形成する前記熱酸化において、前記
第1の第1導電型領域を構成する前記第1導電型不純物
を拡散させて、前記第2導電型領域上部の前記半導体基
板に第2の第1導電型領域を形成することを特徴とする
半導体装置の製造方法。
(57) Claims 1. A step of forming a first first conductivity type region by introducing a first conductivity type impurity into a semiconductor substrate; and forming a second conductivity type impurity in the semiconductor substrate. Forming a second conductivity type region above the first first conductivity type region, forming a gate insulating film by thermally oxidizing the surface of the semiconductor substrate, A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of forming a gate electrode on an insulating film; and a step of introducing a second conductivity type impurity into a source / drain portion, wherein the thermal oxidation forming the gate insulating film Forming a second first conductivity type region in the semiconductor substrate above the second conductivity type region by diffusing the first conductivity type impurity constituting the first first conductivity type region. Features of semiconductor device Production method.
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