JP3687776B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
【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に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積度化および高速動作化に伴って、MOSFET(metal-oxide semiconductor field effect transistor )の微細化が進み、ゲート長は短く(例えば500nm以下に)、ゲート酸化膜の厚さは薄く(例えば10nm以下に)形成される傾向にある。また、ソース・ドレイン領域のpn接合深さをより浅く(例えば100nm以下に)することが行われている。
【0003】
特開昭61−90431号公報には、シリコン基板上の所定領域(ゲート電極の両脇であって、ソース・ドレインを形成する領域)にフッ素原子を含むイオンをイオン注入した後、この領域にn型ドーパントまたはp型ドーパントをイオン注入してソース・ドレイン領域を形成し、その後にドーパントの活性化処理を行うことが記載されている。この方法によれば、フッ素原子を含むイオンのイオン注入により、シリコン結晶が非晶質化されて、デチャネリング現象(不純物原子が結晶格子との相互作用で散乱されて、チャネル方向に進入する現象)が防止されることにより、浅い接合を有するソース・ドレイン領域が形成できると記載されている。
【0004】
特開平4−287332号公報には、シリコン基板上の所定領域(ゲート電極の両脇であって、ソース・ドレインを形成する領域)にシリコン等をイオン注入して非晶質層を形成した後、この非晶質層形成によって生じる結晶欠陥層を低減する方法が記載されている。すなわち、結晶欠陥層を低減する方法として、n型ドーパント(P+ ,As+ )またはp型ドーパント(BF2 + )のイオン注入後に、結晶欠陥層に炭素、窒素、酸素、またはフッ素の1または2種以上からなる不純物をイオン注入し、その後に熱処理(例えば1000℃で15秒間)を行うことが記載されている。
【0005】
また、この結晶欠陥層は、非晶質層とシリコン基板との界面よりシリコン基板側に発生し、n型またはp型のドーパントは非晶質層に注入すると記載されている。すなわち、この方法において、炭素等のイオン注入は、ドーパントがイオン注入された領域よりも下側の領域に対して行われれている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術で得られるMOSFETは、特にnチャネル型MOSFETの場合、低電圧でのpn接合リーク(ソース・ドレイン領域とシリコン基板との間のpn接合不良に起因する漏れ電流)を低減するという点で改善の余地がある。
【0007】
本発明は、このような従来技術の問題点に着目してなされたものであり、ゲート長が短く、ゲート酸化膜の厚さが薄く、ソース・ドレイン領域のpn接合深さが浅いMOSFETにおいて、低電圧でのpn接合リークを低減することを課題とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、第1導電型にドーピングされた単結晶シリコン上にゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成するゲート電極形成工程と、前記単結晶シリコンのゲート電極の両脇の領域に第2導電型のドーパントをイオン注入する第1ドーピング工程と、ゲート電極の両側面にサイドウォールスペーサを形成する工程と、第1ドーピング工程でドーピングされた領域であってサイドウォールスペーサの外側となる領域に、第2導電型の不純物をさらにイオン注入する第2ドーピング工程と、を有する半導体装置の製造方法において、第1ドーピング工程のドーパントのイオン注入後であって、サイドウォールスペーサ形成工程の前に、このドーパントがイオン注入された領域と同じ領域内にフッ素イオンをイオン注入した後、不活性ガス雰囲気下で700〜720℃に保持する熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に相当する半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。ここでは、nチャネル型MOSFET(以下、「NMOS」と略称する。)とpチャネル型MOSFET(以下、「PMOS」と略称する。)とからなるC(complementary )MOSFETを、例にとって説明する。
【0011】
先ず、図1(a)に示すように、p型のシリコン基板1上に、nウエル2とpウエル3を形成する。次に、これらのnウエル2とpウエル3の上に、それぞれゲート酸化膜4を介してゲート電極5を形成する。このゲート電極5は、n型ドーパントがドーピングされているポリシリコン層51と、WSi層52とからなる2層構造のゲート電極5である。ゲート酸化膜4の膜厚は8nm(80Å)、ポリシリコン層51の膜厚は2000Å、WSi層52は1500Å、ゲート長0.5μmとする。
【0012】
このゲート電極形成工程は、従来より公知の方法で行う。なお、符号11は素子分離のために設けたLOCOS(Local Oxidation Of Silicon)膜である。
次に、図1(b)に示すように、nウエル2のゲート電極5の両脇であってソース・ドレインを形成する領域6に、p型ドーパントとしてBF2 + をイオン注入する。次に、pウエル3のゲート電極5の両脇であってソース・ドレインを形成する領域7に、n型ドーパントとしてP+ またはAs+ をイオン注入する。
【0013】
これらのイオン注入は、本発明の第1ドーピング工程に相当する。この第1ドーピング工程は、LDD(Lightly Doped Drain )レベルの濃度で単結晶シリコンの所定領域6,7に、n型ドーパントまたはp型ドーパントを添加する工程である。nウエル2側の領域6に対するイオン注入条件は、例えば、注入エネルギー40keV、注入量1×1014ions/cm2 とする。pウエル3側の領域7に対するイオン注入条件は、例えば、注入エネルギー40keV、注入量5×1014ions/cm2 とする。各領域6,7の深さは例えば約500Åとする。
【0014】
次に、pウエル3側の領域7内に、F+ をイオン注入する。このイオン注入は、例えば、注入エネルギー15keV、注入量2×1014ions/cm2 の条件で行う。次に、この状態でウエハを通常の熱拡散炉内に入れ、窒素ガス100%の雰囲気下で、700〜720℃に20分間保持する。
次に、図1(c)に示すように、ゲート電極5の両側面にサイドウォールスペーサ8を形成する。このサイドウォールスペーサ形成工程は、従来より公知の方法で行う。例えば、膜厚2500ÅでTEOS(テトラエチルオルソシリケート)膜を形成した後、異方性ドライエッチングを行うことにより、サイドウォールスペーサ8を形成する。また、サイドウォールスペーサ8の領域6,7の位置での幅は例えば0.2μmとする。
【0015】
次に、nウエル2側の領域6のサイドウォールスペーサ8の外側となる領域61に、p型ドーパントとしてBF2 + をさらにイオン注入する。次に、pウエル3側の領域7のサイドウォールスペーサ8の外側となる領域71に、n型ドーパントとしてAs+ をイオン注入する。
これらのイオン注入は、本発明の第2ドーピング工程に相当する。この第2ドーピング工程は、領域61,71のドーパント濃度をソース・ドレインレベルに高くするために、n型ドーパントまたはp型ドーパントをさらに添加する工程である。nウエル2側の領域61に対するイオン注入条件は、例えば、注入エネルギー35keV、注入量2.0×1015ions/cm2 とする。pウエル3側の領域71に対するイオン注入条件は、例えば、注入エネルギー35keV、注入量2.0×1015ions/cm2 とする。各領域61,71の深さは例えば約300Åとする。
【0016】
これにより、図1(d)に示すように、nウエル2に、ソース・ドレイン領域61の内側にLDD領域62を有する構造のPMOSが形成され、pウエル3には、ソース・ドレイン領域71の内側にLDD領域72を有する構造のNMOSが形成される。
次に、このウエハの表面にBPSG膜(Boro-phospho silicate glass film:B2 O3 とP2 O5 が添加されたSiO2 膜)を形成した後、850℃で20分間、窒素雰囲気下で熱処理を行う。その後、金属配線形成等の各工程を従来より公知の方法で行うことにより、CMOSFETが得られる。
【0017】
上述のF+ のイオン注入工程と、窒素ガス100%の雰囲気下で700〜720℃に20分間保持する熱処理工程を行わず、これ以外の点は全て同様にして作製したCMOSFETでは、NMOSに数%の確率で低電圧(ドレイン電圧0.1V以下)でのpn接合リークが生じていた。これに対して、上述の方法で得られたCMOSFETのNMOSには、低電圧でのpn接合リークは生じていなかった。すなわち、この実施形態の方法により、低電圧でのpn接合リークが低減されたCMOSFETを得ることができる。
【0018】
その理由について、図2を用いて説明する。
pn接合リークはシリコンの結晶欠陥に起因する。すなわち、結晶の転位等によって生じたダングリングボンド(dangling bond ,結合していない結合の手:Si−)が線状に並んでいると、ホッピング機構によりこの線に沿ってキャリアの伝導が生じて、漏れ電流が発生する。
【0019】
例えば、pウエル3に対するn型ドーパントのイオン注入により、pウエル3のpn接合位置にシリコンのダングリングボンド31が生じる。このダングリングボンド31は、F+ のイオン注入工程と、窒素ガス100%の雰囲気下で700〜720℃に保持する熱処理工程とによって、フッ素原子9と反応して結合する。その結果、結晶欠陥が修復されて、pn接合リークが低減される。
【0020】
この熱処理工程の熱処理温度が700℃未満では、ダングリングボンド31とフッ素原子9との反応が生じ難い。熱処理温度が720℃を超えると、イオン注入されたF+ が、ダングリングボンド31と結合する前に蒸発して外部に放出され易くなる。
なお、PMOS側では、nウエル2にp型ドーパントとしてBF2 + をイオン注入しているため、このドーピングによって、フッ素原子が領域6内に導入される。そのため、後からF+ のイオン注入工程と熱処理工程を行わなくても、結晶欠陥の修復作用が得られている。従来よりpn接合リークが特にNMOS側で問題となっていて、PMOS側では特に問題になっていなかった理由はこのためであると推測される。
【0021】
したがって、この実施形態では、ドーパントのイオン注入後のF+ のイオン注入工程と熱処理工程を、NMOS側のみで行っている。しかしながら、本発明はこれに限定されず、PMOSでp型ドーパントとしてフッ素原子を含まないイオンをイオン注入する場合には、このドーパントのイオン注入後にF+ のイオン注入工程を行い、その後に上述の熱処理工程を行うことが好ましい。
【0022】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によれば、ゲート長が短く、ゲート酸化膜の厚さが薄く、ソース・ドレイン領域のpn接合深さが浅い場合でも、MOSFETの低電圧でのpn接合リークを低減することができる。その結果、より微細化されたMOSFETが高い歩留りで得られるようになるとともに、信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に相当する半導体装置の製造方法を示す概略断面図である。
【図2】本発明の作用を説明するための図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 nウエル
3 pウエル
4 ゲート酸化膜
5 ゲート電極
6 ソース・ドレインを形成する領域(単結晶シリコンの所定領域)
7 ソース・ドレインを形成する領域(単結晶シリコンの所定領域)
8 サイドウォールスペーサ
9 フッ素原子
11 LOCOS膜
31 ダングリングボンド
51 ポリシリコン層
52 WSi層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with higher integration and higher speed operation of semiconductor integrated circuits, MOSFETs (metal-oxide semiconductor field effect transistors) have been miniaturized, gate lengths have become shorter (for example, less than 500 nm), and gate oxide film thickness has increased. The thickness tends to be thin (for example, 10 nm or less). Further, the pn junction depth of the source / drain regions is made shallower (for example, 100 nm or less).
[0003]
In JP-A-61-90431, ions containing fluorine atoms are ion-implanted in a predetermined region (a region on both sides of a gate electrode and forming a source / drain) on a silicon substrate. It is described that an n-type dopant or a p-type dopant is ion-implanted to form a source / drain region, and then an activation treatment of the dopant is performed. According to this method, the silicon crystal is made amorphous by ion implantation of ions containing fluorine atoms, and dechanneling phenomenon (a phenomenon in which impurity atoms are scattered by interaction with the crystal lattice and enter the channel direction). ) Is prevented, a source / drain region having a shallow junction can be formed.
[0004]
In Japanese Patent Laid-Open No. 4-287332, after an amorphous layer is formed by ion implantation of silicon or the like into a predetermined region on the silicon substrate (on both sides of the gate electrode and forming the source / drain). Describes a method for reducing a crystal defect layer caused by the formation of the amorphous layer. That is, as a method for reducing the crystal defect layer, after ion implantation of an n-type dopant (P + , As + ) or a p-type dopant (BF 2 + ), one of carbon, nitrogen, oxygen, or fluorine is added to the crystal defect layer. It is described that two or more kinds of impurities are ion-implanted and then heat treatment (for example, at 1000 ° C. for 15 seconds) is performed.
[0005]
Further, it is described that this crystal defect layer is generated on the silicon substrate side from the interface between the amorphous layer and the silicon substrate, and n-type or p-type dopant is implanted into the amorphous layer. That is, in this method, ion implantation of carbon or the like is performed on a region below the region where the dopant is ion-implanted.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the MOSFET obtained by the above-described conventional technique particularly reduces the pn junction leakage at low voltage (leakage current due to a pn junction defect between the source / drain region and the silicon substrate) in the case of an n-channel MOSFET. There is room for improvement.
[0007]
The present invention has been made paying attention to such problems of the prior art, and in a MOSFET having a short gate length, a thin gate oxide film, and a shallow pn junction depth in the source / drain region, It is an object to reduce pn junction leakage at a low voltage.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a gate electrode forming step of forming a gate electrode on a single crystal silicon doped to a first conductivity type via a gate insulating film, and a gate electrode of the single crystal silicon. A first doping step of ion-implanting a dopant of the second conductivity type into the regions on both sides, a step of forming sidewall spacers on both sides of the gate electrode, and a region doped in the first doping step, which is a sidewall And a second doping step of further ion-implanting a second conductivity type impurity in a region outside the spacer, wherein the sidewall is after ion implantation of the dopant in the first doping step. Before the spacer formation process, fluorine ions are implanted in the same region where the dopant is ion-implanted. After, to provide a method of manufacturing a semiconductor device characterized by performing heat treatment to hold the seven hundred to seven hundred twenty ° C. under an inert gas atmosphere.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device corresponding to one embodiment of the present invention. Here, a C (complementary) MOSFET composed of an n-channel MOSFET (hereinafter abbreviated as “NMOS”) and a p-channel MOSFET (hereinafter abbreviated as “PMOS”) will be described as an example.
[0011]
First, as shown in FIG. 1A, an n-
[0012]
This gate electrode formation step is performed by a conventionally known method.
Next, as shown in FIG. 1B, BF 2 + is ion-implanted as a p-type dopant into the
[0013]
These ion implantations correspond to the first doping step of the present invention. This first doping step is a step of adding an n-type dopant or a p-type dopant to the predetermined
[0014]
Next, F + ions are implanted into the
Next, as shown in FIG. 1C, sidewall spacers 8 are formed on both side surfaces of the
[0015]
Next, BF 2 + is further ion-implanted as a p-type dopant into the
These ion implantations correspond to the second doping step of the present invention. This second doping step is a step of further adding an n-type dopant or a p-type dopant in order to increase the dopant concentration of the
[0016]
As a result, as shown in FIG. 1D, a PMOS having a structure having an
Next, after forming a BPSG film (Boro-phospho silicate glass film: SiO 2 film added with B 2 O 3 and P 2 O 5 ) on the surface of the wafer, the wafer is heated at 850 ° C. for 20 minutes in a nitrogen atmosphere. Heat treatment is performed. Then, CMOSFET is obtained by performing each process, such as metal wiring formation, by a conventionally well-known method.
[0017]
The above-described F + ion implantation process and the heat treatment process held at 700 to 720 ° C. for 20 minutes in an atmosphere of 100% nitrogen gas are not performed. %, A pn junction leak occurred at a low voltage (drain voltage of 0.1 V or less). On the other hand, the pn junction leakage at a low voltage did not occur in the NMOS of the CMOSFET obtained by the above method. That is, by the method of this embodiment, a CMOSFET in which pn junction leakage at a low voltage is reduced can be obtained.
[0018]
The reason will be described with reference to FIG.
The pn junction leakage is caused by silicon crystal defects. That is, when dangling bonds (bonds of unbonded bonds: Si-) generated by crystal dislocations and the like are arranged in a line, carrier conduction occurs along this line by the hopping mechanism. Leakage current is generated.
[0019]
For example, ion implantation of an n-type dopant into the p-well 3 generates a
[0020]
When the heat treatment temperature in this heat treatment step is less than 700 ° C., the reaction between the dangling
On the PMOS side, BF 2 + is ion-implanted as a p-type dopant into the n-well 2, so that fluorine atoms are introduced into the
[0021]
Therefore, in this embodiment, the F + ion implantation step and the heat treatment step after dopant ion implantation are performed only on the NMOS side. However, the present invention is not limited to this, and in the case of implanting ions not containing fluorine atoms as a p-type dopant in a PMOS, an F + ion implantation step is performed after the ion implantation of the dopant, and then the above-described process is performed. It is preferable to perform a heat treatment step.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the method of the present invention, even when the gate length is short, the thickness of the gate oxide film is thin, and the pn junction depth of the source / drain region is shallow, the pn junction at a low voltage of the MOSFET. Leakage can be reduced. As a result, a miniaturized MOSFET can be obtained with a high yield, and the reliability is improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device corresponding to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
7 Region for forming source / drain (predetermined region of single crystal silicon)
8 Sidewall spacer 9
Claims (1)
第1ドーピング工程のドーパントのイオン注入後であって、サイドウォールスペーサ形成工程の前に、このドーパントがイオン注入された領域と同じ領域内にフッ素イオンをイオン注入した後、不活性ガス雰囲気下で700〜720℃に保持する熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。A gate electrode forming step of forming a gate electrode on the single-crystal silicon doped with the first conductivity type via a gate insulating film; and a second-conductivity-type dopant in regions on both sides of the gate electrode of the single-crystal silicon. A first doping step of ion implantation, a step of forming sidewall spacers on both side surfaces of the gate electrode, and a region doped in the first doping step and outside the sidewall spacer; And a second doping step of further ion-implanting the impurities of the semiconductor device,
After ion implantation of the dopant in the first doping step and before the sidewall spacer formation step, fluorine ions are implanted in the same region as the region where the dopant is ion-implanted, and then in an inert gas atmosphere. A method for manufacturing a semiconductor device, wherein heat treatment is performed at 700 to 720 ° C.
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