JP3530357B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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に関し、
特にＬＤＤ構造などイオンの角度注入を行う半導体装置
とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＯＳＦＥＴのチャネル長の微細化に伴
って引き起こされる、ホットキャリヤによるしきい値電
圧の経時変化や相互コンダクタンスの劣化を防ぐために
ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構
造が採用されている。ＬＤＤ構造の形成法の一つとし
て、トランジスタのホットキャリヤの影響を防ぐため
に、軽くドープされた不純物領域がゲートの直下まで達
するようにドーパントイオンを角度注入する方法があ
る。図１はその方法を説明する図であり、ゲート１の下
部に向けて斜めに、角度θで、ドーパントイオンを注入
する。イオンはゲート酸化膜２を通ってゲート直下のチ
ャネル領域３に注入され、軽くドープされた領域４を形
成する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した角度注入法で
ＬＤＤを形成する場合、注入されるイオン量はトランジ
スタの実効ゲート長Ｌ_effect、しきい値電圧Ｖ_thによっ
てモニター可能であるが、イオン注入量そのものの測定
ではなく、間接的な測定であるため注入イオン量は明確
ではない。

【０００４】本発明は、イオンの角度注入によるＬＤＤ
構造の形成に代表されるイオン角度注入工程での不純物
の実注入量および実注入角度のモニターを可能にし、そ
れによって半導体装置の性能の向上および半導体装置の
不良解析技術の向上を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明による半導体装置は、イオン注入の角度
およびイオン照射線量をモニターするための、第１の導
電層からなる第１の抵抗要素と、前記第１の導電層と同
一材料からなり第１の導電層と同一形状の第２の導電層
と該第２の導電層上に形成されたイオン注入阻止層から
なる第２の抵抗要素とを有することを特徴とする。

【０００６】本発明による半導体装置の製造方法は、第
１の導電層からなる第１の抵抗要素と、前記第１の導電
層と同一材料からなり第１の導電層と同一形状の第２の
導電層と該第２の導電層上に形成されたイオン注入阻止
層からなる第２の抵抗要素のそれぞれに、同時に斜め方
向からイオンを注入し、前記第１の抵抗要素の抵抗変化
と前記第２の抵抗要素の抵抗変化を測定し、その測定結
果に基づいて半導体装置へのイオン注入の角度およびイ
オン照射線量を決定してイオン注入を行うことを特徴と
する。

【０００７】ここで、好ましくは、前記イオン注入によ
ってＭＯＳＦＥＴのＬＤＤ構造を形成することを特徴と
する。

【０００８】さらに、本発明による半導体装置の製造方
法は、半導体装置の製造過程において、第１の導電層か
らなる第１の抵抗要素と、前記第１の導電層と同一材料
からなり第１の導電層と同一形状の第２の導電層と該第
２の導電層上に形成されたイオン注入阻止層からなる第
２の抵抗要素のそれぞれに、同時に斜め方向からイオン
を注入し、前記第１の抵抗要素の抵抗変化と前記第２の
抵抗要素の抵抗変化を測定し、その測定結果に基づいて
イオン注入の角度変化およびイオン照射線量の変化をモ
ニターすることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明による半導体装置は、例え
ばＭＯＳトランジスタなどの素子とともにイオン注入の
角度およびイオン照射線量をモニタするための抵抗要素
を備えている。図２に本発明における抵抗要素の模式的
斜視図を示す。Ｓｉ基板１１に形成されたフィールド酸
化膜１２上に第１の抵抗要素ＲＥ１と第２の抵抗要素Ｒ
Ｅ２が形成されている。第１の抵抗要素ＲＥ１はポリシ
リコンからなる導電層１３からなり、第２の抵抗要素Ｒ
Ｅ２はポリシリコンからなる導電層１４とその上に形成
されたイオン注入阻止層１５からなっている。イオン注
入阻止層１５は、例えば酸化膜（ＳｉＯ₂ ）で形成され
る。導電層１３および１４の厚さは１００〜３００Åで
ある。ただし、厚さが薄すぎるとシート抵抗が大きくな
り、イオン注入によるシート抵抗変化の再現性が悪くな
る。導電層１３および１４の幅は１０μｍ程度、長さは
５０００μｍ程度である。イオン注入阻止層１５の厚さ
は、イオン角度注入工程における標準の注入角および加
速エネルギーの場合にイオンを完全に阻止できる厚さ
で、５００〜２０００Åである。

【００１０】本発明においては、上述した第１、第２の
抵抗要素を１対として用いる。第１、第２の抵抗要素Ｒ
Ｅ１、ＲＥ２にイオンを注入すると、第２の抵抗要素Ｒ
Ｅ２にはイオン注入阻止層１５があるので、イオン注入
による導電層のシート抵抗の変化の様子が第１の抵抗要
素ＲＥ１と第２の抵抗要素ＲＥ２とで異なる。例えば、
イオン注入角が標準の注入角より抵抗要素の表面に対し
て直角方向に近づけば、第１の抵抗要素の導電層のシー
ト抵抗は標準の注入角の場合より減少し、第２の抵抗要
素の導電層のシート抵抗も減少する。一方、標準の注入
角より抵抗要素の表面に対して浅い角度でイオン注入が
行われれば、第１の抵抗要素の導電層のシート抵抗は標
準の注入角の場合より増加するが、第２の抵抗要素の導
電層のシート抵抗は変化しない。注入角度を固定して、
イオン注入のための不純物イオン照射線量）を変化させ
ると、第１の抵抗要素ではシート抵抗はイオン照射線量
が多ければ減少し、イオン照射線量が多ければ増加す
る。一方、第２の抵抗要素では照射されたイオンはイオ
ン阻止層に阻止されるので、シート抵抗は変化しない。
従って、イオン注入後に、第１および第２の抵抗要素の
導電層のシート抵抗を測定することによって、イオン角
度注入の注入角および不純物イオン照射線量をモニター
することができる。

【００１１】

【実施例】Ｓｉ基板１１の表面に形成されたフィールド
酸化膜１２上に、図２に示した第１の抵抗要素ＲＥ１お
よび第２の抵抗要素ＲＥ２を形成した。各抵抗要素の導
電層１３、１４は例えばＭＯＳトランジスタのゲート電
極をポリシリコンで形成するときに同時に形成すること
ができる。その後、第２の抵抗要素の導電層１４の上に
熱酸化膜（ＳｉＯ₂ 膜）１５を形成して本発明の１対の
抵抗要素が形成される。本実施例では、各抵抗要素ＲＥ
１、ＲＥ２の導電層１３、１４の寸法は、それぞれ、厚
さ１０００Å、幅１０μｍ、長さ５０００μｍとした。
第２の抵抗要素ＲＥ２のイオン注入阻止層１５の厚さは
１０５０Åとした。イオン注入での深さ方向の注入不純
物イオンの分布はガウス分布で近似される。注入イオン
が３１Ｐ＋、注入エネルギーが７０ｋｅＶ、注入角を３
０度とすると、イオンのＳｉＯ₂ 膜中の投影飛程Ｒｐは
５９０Å、偏差ΔＲｐは１５０Åなので、Ｒｐ＋３ΔＲ
ｐ＝１０４０Åとなる。従って、イオン注入阻止層の厚
さ１０５０Åは、注入イオンが³¹Ｐ⁺ 、注入エネルギー
が７０ｋｅＶ、注入角度がイオン注入阻止層の表面に対
する垂線から３０度以上傾いているときに照射されたイ
オンが完全に阻止される厚さである。

【００１２】第１の抵抗素子、第２の抵抗要素に斜め方
向からイオン注入を行った後、半導体装置の配線形成工
程において、抵抗素子のシート抵抗の測定を行うための
Ａｌパッドと、このＡｌパッドと導電層１３、１４を結
ぶ配線を形成する。定電圧電源からＡｌパッド、配線を
通して導電層１３、１４に長さ方向に沿って電流を流
し、一定電流値での抵抗を測定し、この抵抗値を導電層
の厚さで割った値を抵抗要素の導電層のシート抵抗値と
する。標準条件でのイオン注入時のシート抵抗の値は、
予め測定しておく。

【００１３】標準条件（例えば注入角３０度、イオン照
射線量１０¹³／ｃｍ² ）からイオン注入の角度およびイ
オン照射線量を変えて、第１、第２の抵抗要素のシート
抵抗値を測定し、標準条件のイオン注入時のシート抵抗
値と比較した。イオン注入角度を例えば４０度と大きく
し、すなわち、抵抗要素の表面に対してより浅い角度で
イオンを注入すると、第１の抵抗要素では単位面積当た
りのイオン照射線量が小さくなるので、実際に注入され
るイオン量は減少し、従って、シート抵抗は増加した。
第２の抵抗要素では照射方向に沿ったイオン注入阻止層
の厚さは大きくなるのでイオンは完全に阻止され、従っ
て、シート抵抗は標準条件の場合と変わらなかった。一
方、イオン注入の角度を例えば２０度と小さくし、すな
わち、抵抗要素の表面に対する垂線と注入方向のなす角
を小さくすると、第１の抵抗要素ＲＥ１では単位面積当
たりのイオン照射線量が増えるので導電層１３中に注入
されるイオン量は増加し、シート抵抗は減少した。第２
の抵抗要素ＲＥ２においても、イオン注入阻止層の厚さ
が標準注入角度以上の場合にイオンを阻止する厚さなの
で、照射イオンの一部は導電層１４内に注入され、従っ
て、シート抵抗は減少した。

【００１４】イオン照射線量を、例えば１０¹⁴／ｃｍ²
と標準の照射線量より増加させると、第１の抵抗要素で
は導電層１３内に注入されるイオン量が増加するのでシ
ート抵抗は減少した。また、イオン照射線量を、例えば
１０¹²／ｃｍ² と標準の照射線量より減少させると、第
１の抵抗要素では導電層１３内に注入されるイオン量が
減少するのでシート抵抗は増加した。しかし、第２の抵
抗要素では、イオン照射線量の変化に関わらずイオンは
イオン注入阻止層１５によって阻止され、導電層１４内
に注入されるイオン量に変化なく、従って、シート抵抗
に変化はなかった。結果をまとめて表１に示す。

【００１５】

【表１】

【００１６】表１から明らかなように、第１の抵抗要素
ＲＥ１と第２の抵抗要素ＲＥ２のシート抵抗がともに減
少するのはイオン注入角が小さい、すなわち抵抗要素の
表面に垂直に近い方向からイオンが注入された場合であ
り、第１の抵抗要素のシート抵抗が減少し、第２の抵抗
要素のシート抵抗に変化がない場合はイオン照射線量が
標準の線量より大きかった場合である。しかし、第１の
抵抗要素のシート抵抗が増加し、第２の抵抗要素のシー
ト抵抗が変化しない場合は、注入角度が大きかったため
と、イオン照射線量が小さかったためと、２とおりの原
因が考えられる。それを判定するには、半導体装置に同
時に配備されている他のトランジスタの実効ゲート長
（実効チャネル長）Ｌ_effectの変化を利用する。すなわ
ち、実効ゲート長Ｌ_effectが標準条件の時より短くなれ
ば、イオン注入角が大きいということであり、実効ゲー
ト長Ｌ_effectに変化がなければイオン照射線量小さいと
いうことである。なお、実効ゲート長は、公知のように
設計上のゲート長と相互コンダクタンスｇ_m との関係か
ら算出することができる。

【００１７】第２の抵抗要素のイオン注入阻止層５を形
成するには、第１、第２の抵抗要素の導電層１３、１４
を形成し、全面に酸化膜を形成した後、導電層１４の上
にのみマスクを設けて酸化膜をエッチングする。以上の
実施例では酸化膜として熱酸化膜を用いた例を説明した
が、十分に緻密な膜であればＣＶＤ膜でもよい。また、
イオン注入阻止層として、フォトレジストを用いること
もできる。その場合、酸化膜を用いるのに比べ、リソグ
ラフィーの工程を短縮することができる。

【００１８】さらに、上述した第１および第２の抵抗要
素をウエハーのスクライプ部に設け、半導体装置の製造
過程のモニタリングを行うこともできる。このようにす
ることによって、半導体装置の素子密度の減少を防ぐこ
とができる。

【００１９】あるプロセスを立ち上げる時に、上述した
抵抗要素のモニター結果によってイオン注入条件を決定
することができる。さらに、常時、本発明の抵抗要素を
モニターすることにより、これまでわからなかった製造
時のイオン注入角とイオン注入量とがわかるので、不良
解析技術の向上に資することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＬＤＤ構造の形成に代表されるイオンの角度注入におい
て、イオン注入角およびイオン照射線量の条件を決定す
ることができ、また、イオン中に際しての不良解析技術
の向上に資することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオンの角度注入を説明する図である。

【図２】本発明による第１および第２の抵抗要素を説明
する模式的斜視図である。

【符号の説明】

１ ゲート ２ ゲート酸化膜 ３ チャネル領域 ４ 軽くドープされた領域 １１ Ｓｉ基板 １２ フィールド酸化膜 １３ 導電層 １４ 導電層 １５ イオン注入阻止層 ＲＥ１ 第１の抵抗要素 ＲＥ２ 第２の抵抗要素

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−275780（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−273450（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−128541（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−261845（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 37/30 H01L 21/265 H01L 21/336 H01L 21/66 H01L 29/78

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 イオン注入の角度およびイオン照射線量
   をモニターするための、第１の導電層からなる第１の抵
   抗要素と、前記第１の導電層と同一材料からなり第１の
   導電層と同一形状の第２の導電層と該第２の導電層上に
   形成されたイオン注入阻止層からなる第２の抵抗要素と
   を有することを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 第１の導電層からなる第１の抵抗要素
   と、前記第１の導電層と同一材料からなり第１の導電層
   と同一形状の第２の導電層と該第２の導電層上に形成さ
   れたイオン注入阻止層からなる第２の抵抗要素のそれぞ
   れに、同時に斜め方向からイオンを注入し、前記第１の
   抵抗要素の抵抗変化と前記第２の抵抗要素の抵抗変化を
   測定し、その測定結果に基づいて半導体装置へのイオン
   注入の角度およびイオン照射線量を決定してイオン注入
   を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記イオン注入によってＭＯＳＦＥＴの
   ＬＤＤ構造を形成することを特徴とする請求項２に記載
   の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体装置の製造過程において、第１の
   導電層からなる第１の抵抗要素と、前記第１の導電層と
   同一材料からなり第１の導電層同一形状のと第２の導電
   層と該第２の導電層上に形成されたイオン注入阻止層か
   らなる第２の抵抗要素のそれぞれに、同時に斜め方向か
   らイオンを注入し、前記第１の抵抗要素の抵抗変化と前
   記第２の抵抗要素の抵抗変化を測定し、その測定結果に
   基づいてイオン注入の角度変化およびイオン照射線量の
   変化をモニターすることを特徴とする半導体装置の製造
   方法。