JP4146121B2 - 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MOS構造の電界効果型半導体装置とその製造方法に関し、特に携帯機器等の電源電圧管理用に用いられるボルテージレギュレータ、スィチングレギュレータ、ボルテージデテクター等の半導体集積回路を構成する半導体装置とその製造方法に関する。また、複数の電圧が入出力される半導体集積回路装置とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、ひとつの半導体装置に複数の電源電圧を印加したり、複数の出力電圧を出力させたりすることが行われてきている。これは、異なるプロセスを有する別の半導体装置を同一基板上に作成する際に必要となる。そのために半導体装置のデバイス構成、プロセスフローは複雑となり、管理要素数と工程数が増大し、生産TAT(Turn Around Time)の増大、生産コストの増大等の弊害が生じていた。
【0003】
こうした、弊害を解消するために、Dual Gate化、チャネルストッパーの高電圧素子への応用化等の製造方法を用いることが良く知られている。
【0004】
この製造方法を以下に図面にもとづいて説明する。
【0005】
図9から図11に従来の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図を記した。
【0006】
P型半導体基板1(以下Psub1と記す)表面付近にPwell2とNwell16をフォト工程、イオン注入工程、熱拡散工程を用いて形成した後、素子分離用厚い酸化膜19とN型チャネルストッパー15とP型チャネルストッパー14をLOCOS法、イオン注入工程、フォト工程等を用いて形成し、酸化膜20を熱酸化を用いて形成し、将来高電圧駆動素子となる領域のチャネル領域上にフォトレジスト5を形成し、ウエットエッチングでその他の領域の薄い酸化膜を除去する。こうして図9の構造を得る。 続いて、フォトレジスト5を除去した後、高電圧用厚いゲート酸化膜22と低電圧用薄いゲート酸化膜23を再度熱酸化を用いて形成する。こうして図10の構造を得る。
【0007】
ここで、ゲート酸化膜の膜厚は、ゲート酸化膜に印可される電界が4MV/cmを越えないように設定する。
【0008】
次に、Poly-Siゲート3をCVD工程、フォト工程、エッチング工程、等を用いて形成し、各要素にそれぞれ、N+ソース11、N+ドレイン10、P+ソース18、P+ドレイン17をフォト工程、イオン注入工程、等を用いて形成する。こうして、図11の構造を得る。
【0009】
その後は図示しないが、層間絶縁膜、コンタクトホール、メタル配線、外部接続用PAD、保護膜を通常の半導体製造工程を用いて形成する。こして従来の半導体装置が完成する。
【0010】
さらに、Dual Gateプロセスを用いる半導体装置として、シングルポリ構造の不揮発性メモリー素子がある。
【0011】
この製造方法を以下に説明する。
【0012】
図18に従来の半導体装置の概略断面図を記した。
【0013】
半導体基板201表面付近にPwell202をフォト工程、イオン注入工程、熱拡散工程を用いて形成した後、素子分離用酸化膜205とチャネルストッパー209をLOCOS法、イオン注入工程、フォト工程等を用いて形成し、トンネルドレイン領域204をフォト工程、イオン注入工程を用いて形成し、ゲート酸化膜206を熱酸化を用いて形成し、将来トンネル酸化膜207となる領域以外のチャネル領域上にフォトレジストを形成し、ウエットエッチングで将来トンネル酸化膜207となる領域のゲート酸化膜を除去する。続いて、フォトレジストを除去した後、トンネル酸化膜207を再度熱酸化を用いて形成する。次に、セレクトゲート電極213とフローティングゲート電極208をCVD工程、フォト工程、エッチング工程、等を用いて形成し、セレクトゲート電極213とフローティングゲート電極208にそれぞれ、N+領域203をセルフアライメント的にイオン注入工程、等を用いて形成する。こうして、図18の構造を得る。
【0014】
その後は図示しないが、層間絶縁膜、コンタクトホール、メタル配線、外部接続用PAD、保護膜を通常の半導体製造工程を用いて形成する。こして従来の半導体装置が完成する。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置では、小電圧用素子は、LOCOS法とイオン注入工程で形成したチャネルストッパーをソース、ドレインに用いているため、以下のような構造上の課題を有していた。
【0016】
高電圧用素子23、24は、図9から図11に記したように、LOCOS法とイオン注入工程で形成されたソース、ドレインを用いているため、構造上素子サイズが大きくなるという欠点を有していた。
【0017】
ここで、LOCOS法とイオン注入工程について説明する。一般的にLOCOS法とは、耐熱酸化マスク性の高い窒化膜を将来能動領域となる領域にフォト工程とエッチング工程を用いて形成し、将来N型チャネルストッパー、P型チャネルストッパーとなる領域にN型、P型それぞれの不純物領域をフォト工程とイオン注入工程を用いて形成した後、素子分離用厚い酸化膜とN型チャネルストッパー、P型チャネルストッパーを熱酸化と熱拡散(例えば、1100度、3時間程度の熱酸化拡散工程)を用いて形成し、素子分離領域と能動領域とを膣化膜と能動領域上の酸化膜を除去することにより形成する製造方法のことである。
【0018】
先に述べたように、こうしたLOCOS法等で形成されたN型チャネルストッパー、P型チャネルストッパーを高電圧用素子のソース、ドレインにも用いるとその素子構造上小型化が困難となる。図11に示したように、高電圧用厚いゲート酸化膜22の両側に素子分離領域を兼用した厚い酸化膜19が必要となり、チャネル領域とソース、ドレイン領域を含めた素子サイズが大型化することを抑制することが困難であった。
【0019】
また、従来の半導体装置および半導体装置の製造方法では、ゲート酸化膜が印可電圧に応じて、2種類必要となり、以下のような製造上の課題を有していた。
【0020】
高電圧用厚いゲート酸化膜22は、図9から図11に記したように、2回の熱酸化工程で形成されるため、その膜厚バラツキが大きくなる。これは、2回目の熱酸化工程の前洗浄工程でアンモニアを含む過酸化水素水が一般的には用いられ、この洗浄液は、酸化膜表面を洗浄する際、酸化膜表面を一部エッチング除去してしまうため、このエッチング量が洗浄液の状態によってエッチング量が異なり、2回目の熱酸化前の下地酸化膜厚がばらつき、結果として、高電圧用厚いゲート酸化膜22の膜厚バラツキが大きくなるということである。こうしたバラツキは、高電圧用素子のしきい値電圧、駆動電流値をばらつかせることとなり、半導体集積回路装置の特性を低下させるものであり、半導体集積回路装置の特性の高精度化を困難にさせるものであった。
【0021】
また、不揮発性メモリー素子においても、トンネル酸化膜とゲート酸化膜の異なる膜厚を有する構造のため、厚い膜厚のゲート酸化膜において、膜厚の制御性が悪いという問題点を有していた。
【0022】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を用いた。第1導電型の半導体基板表面付近にゲート絶縁膜を介して多結晶シリコンゲートを形成する第1の工程と、 前記ゲート電極が前記ゲート酸化膜と接する領域近傍の当該ゲート電極中の領域、および当該ゲート電極の両側端部の外側の前記半導体基板の内部領域とに、当該内部領域の前記半導体基板の前記表面からの深さが、後の工程で形成される第1の不純物領域の前記半導体基板の前記表面からの接合深さと同程度以下となるように酸素イオンをイオン注入して酸素イオン注入領域を形成する第2の工程と、 前記酸素イオン注入領域を高温アニールすることにより、前記半導体基板の内部領域に酸化膜を形成するとともに、前記ゲート電極中の領域と前記ゲート酸化膜とを同一の酸化膜とする第3の工程と、 前記ゲート電極に対してセルフアライメント的に第2導電型の不純物を導入し第2導電型の第1の不純物領域を、該第1の不純物領域の下側に前記半導体基板の内部領域に形成される前記酸化膜が埋め込まれるよう、前記半導体基板の内部領域に形成される前記酸化膜の深さよりも浅く形成する第4の工程と、 前記ゲート電極と間隔を空けて第2導電型の不純物を導入し高濃度で第2導電型の第2の不純物領域を形成する第5の工程と、を有する半導体装置の製造方法とした。
【0023】
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【0024】
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【0025】
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【0026】
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【0027】
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【0028】
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【0029】
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【0030】
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【0031】
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【0032】
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【0033】
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【0034】
【発明の実施するための最良の形態】
ここまでに説明してきたように、本発明では、酸素イオン注入工程とアニール工程を半導体装置の製造方法に応用したため、高電圧用素子の小型化、高精度化を促進させたものである。
【0035】
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0036】
この実施例では同一半導体基板上に形成した高電圧用N型MOSFET装置と低電圧用N型MOSFET装置に本発明を用いた場合を示す。本実施例の製造方法を図1に示す。まず、図1から図4に示すように、Psub1上に、従来の集積回路作製方法を使用して、Pwell2、素子分離用厚い酸化膜19、多結晶シリコンのゲート電極3が設けられている。
【0037】
その詳細な作製方法は以下の通りである。Psub1表面付近にボロンイオンを注入し、1000〜1175℃で3〜20時間アニールして、ボロンイオンを拡散、再分布させ、不純物濃度1x1016cm−3程度のPwell2を形成する。引き続き、窒化膜等でパターンニングされた領域にB+イオンを打ち込み、LOCOS法によって、P型チャネルストッパー14とフィールド絶縁膜26を形成する。
【0038】
その後、所望のチャネル領域へのしきい値電圧制御用のイオン注入と、熱酸化法による厚さ10〜30nmのゲート酸化膜4形成と、減圧CVD法等による厚さ100〜500nmのポリシリコン膜形成と、イオン打ち込みに等よるポリシリコン膜形成をおこなう。ここで、ポリシリコン膜上へのスパッタ法等による厚さ100〜200nm程度のタングステンシリサイド膜の形成と、タングステンシリサイド膜上への、減圧CVD法等による厚さ100〜300nm程度の酸化膜形成を行う場合もある。そして、ポリシリコン膜をパターニングしてPoly-Siゲート3の形成をおこなう。ここで、熱酸化法あるいは減圧CVD法等を用いてゲート電極3の上部、側壁部、半導体基板表面部等に酸化膜を10〜50nm程度形成する場合もある。ここまでの工程で図1の構造が得られる。
【0039】
この後、図2に記したように、酸素イオン注入を将来高電圧用素子となる領域内のPoly-Siゲート3のゲート酸化膜4近傍の領域とPoly-Siゲート3の両側端部の外側のPwell2中に、フォトレジスト5を用いて選択的に、酸素イオンをイオン注入してOイオン注入領域21を形成する。ここでの酸素イオン注入の加速エネルギーは、Poly-Siゲート3のゲート酸化膜4近傍の領域に酸素イオン濃度ピークが生じるように設定する。さらに、Poly-Siゲート3の膜厚は、Pwell2中のOイオン注入領域21のPwell2表面付近からの深さが、将来形成するN−領域6のPwell2表面付近からの接合深さと同程度以下に形成されるように設定されることが望ましい。
【0040】
この後、高温でのアニール工程を行う。この時、Poly-Siゲート3中のOイオン注入領域21とゲート酸化膜4とがアニール処理で同一の酸化膜となり厚い酸化膜20が形成され、Pwell2中のOイオン注入領域21が酸化膜となりPwell2に埋め込まれた酸化膜7が形成される。
【0041】
一方、酸素イオン注入されていない低電圧用素子領域には酸化膜は新たには形成されない。
【0042】
そして、N型不純物をPoly-Siゲート3に対してセルフアライメント的にイオン注入することによりN−領域6を酸化膜7の深さよりも浅く形成する。また、低電圧用素子領域にもN−領域6を同時に形成する。ただし、別マスクを用いてN−領域6濃度を高電圧用素子と低電圧用素子とで別にすることも可能である。こうして図3の構造が得られる。
【0043】
次に、N+領域8をN型不純物を高濃度にイオン注入することにより形成する。N+領域8は高電圧用素子と低電圧用素子との両方に同時に形成する。いずれの不純物領域も不純物濃度は1x1021cm−3程度とする。こうして、図4の構造が得られる。
【0044】
最後に、図示しないが、従来の集積回路の作製の場合と同様に層間絶縁物として、リンガラス層を形成する。リンガラス層の形成には、例えば、減圧CVD法を用いればよい。材料ガスとしては、モノシランSiH4と酸素O2とホスフィンPH3を用い、450で反応させて得られる。
【0045】
その後、層間絶縁膜に電極形成用の穴を開け、アルミ電極を形成する。こうして、同一半導体基板上に高電圧用N型MOSFET装置と低電圧用N型MOSFET装置が完成する。
【0046】
こうして得られた半導体装置(図5)は、高電圧用素子のN−領域6の下側に酸化膜7が埋め込まれているため、ドレインとして用いられるN−領域6はドレインに高電圧が印可されても下方に空乏層が広がらないためトランジスタの短チャネル化や高電圧駆動化の妨げとなる短チャネル効果が抑制され、小型の高電圧駆動素子が実現できる。
【0047】
さらに、酸素イオン注入工程を高精度化するとDual Gateを用いた場合でも膜厚バラツキの少ない厚いゲート酸化膜が形成でき、半導体装置の高精度化が実現できる。
【0048】
また、図6から図8に酸素イオン注入位置をPwell2のゲート酸化膜4近傍に設定した場合の半導体装置の製造工程順断面図を記した。
【0049】
この場合は、図1から図4の説明で述べてきた工程と同様の工程を用いて本発明の半導体装置が形成できる。ただし、酸素イオン注入エネルギーの設定に関しては、酸素イオン濃度ピークをPwell2中のゲート酸化膜4近傍に設定する必要がある。
【0050】
ここまでは、N型MOSFET装置について記述したが、P型MOSFET装置についても導電型を反対にした同様な製造方法で形成できる。
【0051】
さらに、相補型MOSFET装置(CMOS装置)についても、N型MOSFET装置の製造方法とP型MOSFET装置の製造方法とを合わせることで形成できる。
【0052】
本発明では、酸素イオン注入工程とアニール工程を半導体装置の製造方法に応用したものであり、ここまでは、高電圧用素子の小型化、高精度化について説明してきた。この後は、素子分離に関して本発明を応用した実施例について説明する。
【0053】
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0054】
この実施例では同一半導体基板上に形成したN型MOSFET装置とP型MOSFET装置とそれぞれを分離する素子分離素子に本発明を用いた場合を示す。本実施例の製造方法を図12から14に示す。まず、図12に示すように、P型半導体基板100上に、従来の集積回路作製方法を使用して、Pwell101、Nwell 102、が設けられている。
【0055】
その詳細な作製方法は以下の通りである。P型半導体基板100表面付近に選択的にボロンイオンとリンイオンを注入し、1000〜1175℃で3〜20時間アニールして、ボロンイオン、リンイオンを拡散、再分布させ、不純物濃度1x1016cm−3程度のPwell101とNwell102を形成する。さらに、半導体基板100表面付近にインプラ酸化膜113を形成する。
【0056】
この後、酸素イオン注入を将来素子分離用酸化膜111となるPwell101中とNwell102中の表面付近に、フォトレジスト109を用いて選択的に、酸素イオンをイオン注入してOイオン注入領域110を形成する。ここでの酸素イオン注入の加速エネルギーは、Pwell101、Nwell102表面近傍の領域に酸素イオン濃度ピークが生じるように設定する。ここで、Oイオン注入領域110は、Pwell101、Nwell102中に大半(3シグマ程度)のOイオンが存在するように設定されることが望ましい。
【0057】
この後、図13に示したように、高温でのアニール工程を行う。この時、Pwell101、Nwell102中のOイオン注入領域110とインプラ酸化膜113とがアニール処理で同一の酸化膜となり、Pwell101、Nwell102中のOイオン注入領域110が酸化膜となりPwell101、Nwell102表面に埋め込まれた素子分離用酸化膜111が形成される。一方、酸素イオン注入されていないフォトレジスト109で覆われていた領域には酸化膜は新たには形成されない。
【0058】
その後、図14に示したように、所望のチャネル領域へのしきい値電圧制御用のイオン注入と、インプラ酸化膜113除去した後の熱酸化法による厚さ10〜30nmのゲート酸化膜112形成と、減圧CVD法等による厚さ100〜500nmのポリシリコン膜形成と、イオン打ち込み等よる高不純物濃度ポリシリコン膜形成をおこなう。ここで、高不純物濃度ポリシリコン膜上へのスパッタ法等による厚さ100〜200nm程度のタングステンシリサイド膜の形成と、タングステンシリサイド膜上への、減圧CVD法等による厚さ100〜300nm程度の酸化膜形成を行う場合もある。そして、ポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極106の形成をおこなう。ここで、熱酸化法あるいは減圧CVD法等を用いてゲート電極106の上部、側壁部、半導体基板表面部等に酸化膜を10〜50nm程度形成する場合もある。この後、ゲート電極106と素子分離用酸化膜111とフォトレジストに対して、セルフアライメント的にイオン注入をそれぞれ実施し、P+ソース領域105、P+ドレイン領域104、P+チャネルストッパー107及びN+ソース領域103,N+ドレイン領域114、N+チャネルストッパー108、を選択的に形成する。ここまでの工程で図14の構造が得られる。
【0059】
こうして、同一半導体基板上に形成されたN型MOSFET装置とP型MOSFET装置とそれぞれを分離する素子分離素子とで構成される半導体装置は、従来から一般的に用いられているLOCOS法による素子分離を行わないため、素子分離領域の小型化が容易に実現できる。
【0060】
LOCOS法は、下地酸化膜上に耐酸化性の優れたSi3N4等の膜を選択的に形成し、1000℃〜1100℃程度の高温で熱酸化した後、耐酸化膜を除去して、素子分離用酸化膜領域と能動領域を形成する製造方法であるが、この場合、素子分離用酸化膜端部が酸素の回り込みによりバーズビークと呼ばれる滑らかに膜厚が薄くなっている領域が形成されてしまい、素子分離領域の小型化への弊害となっていた。
【0061】
しかしながら、本発明は、イオン注入により将来素子分離用酸化膜となるための酸素を供給できるため、酸素の回り込みによる能動領域の酸化が生じない。このため、能動領域と素子分離領域が急峻に分割されており、素子分離領域の小型化が容易である。
【0062】
さらに、急峻な段差は、その後に形成される配線層や層間膜の平坦化に、本来不具合を生じさせるものであるが、本発明では、急峻な段差を半導体基板中に埋め込んでいるため、その後の工程に弊害となる段差が上部に生じない。このため、その後の工程で平坦化のための工程増をもたらさない。
【0063】
図14以降の工程は図示しないが、表面部分に層間膜を形成し、コンタクト領域を形成し、メタル配線を形成した後、保護膜を形成し、電気的接続用の窓開けを行い、本発明の半導体装置は完成する。
【0064】
ここからの説明は、酸素イオン注入工程とアニール工程を不揮発性メモリー型半導体装置の製造方法に応用したため、不揮発性メモリー素子の小型化、高精度化を促進させたものである。
【0065】
以下に、この発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0066】
この実施例では同一半導体基板上に形成したアナログ、デジタル信号制御用MOSFET装置と不揮発性メモリー用MOSFET装置に本発明を用いた場合を示す。本実施例の製造方法を図15から図17に示す。まず、図15に示すように、半導体基板201上に、従来の集積回路作製方法を使用して、Pwell202、素子分離用酸化膜205、チャネルストッパー209、トンネル酸化膜207、セレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208、トンネルドレイン204、Oイオン注入用のフォトレジスト210、酸素イオン注入領域211が設けられている。
【0067】
その詳細な作製方法は以下の通りである。半導体基板201表面付近にボロンイオンを注入し、1000〜1175℃で3〜20時間アニールして、ボロンイオンを拡散、再分布させ、不純物濃度1x1016cm−3程度のPwell202を形成する。引き続き、窒化膜等でパターンニングされた領域にB+イオンを打ち込み、LOCOS法によって、チャネルストッパー209と素子分離用酸化膜205を形成する。
【0068】
その後、所望の領域へのトンネルドレイン形成用のリンまたは砒素イオン注入と、熱酸化法(希釈ウエット)による厚さ5〜12nmのトンネル酸化膜207形成と、減圧CVD法等による厚さ100〜500nmのポリシリコン膜形成と、イオン打ち込みに等よる導電性を有するポリシリコン膜形成をおこなう。ここで、ポリシリコン膜上へのスパッタ法等による厚さ100〜200nm程度のタングステンシリサイド膜の形成と、タングステンシリサイド膜上への、減圧CVD法等による厚さ100〜300nm程度の酸化膜形成を行う場合もある。そして、ポリシリコン膜をパターニングしてセレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208の形成をおこなう。ここで、熱酸化法あるいは減圧CVD法等を用いてセレクトゲート電極213およびフローティングゲート電極208の上部、側壁部、半導体基板表面部等に酸化膜を10〜50nm程度形成する場合もある。この後、酸素イオン注入を将来、トンネル酸化膜が不要となる領域(トンネル電流を流さない領域)のセレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208中のトンネル酸化膜207近傍の領域と、セレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208の両側端部の外側のPwell202中に、フォトレジスト210を用いて選択的に、酸素イオンをイオン注入してOイオン注入領域211を形成する。ここでの酸素イオン注入の加速エネルギーは、セレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208のトンネル酸化膜207近傍の領域に酸素イオン濃度ピークが生じるように設定する。さらに、セレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208の膜厚は、Pwell202中のOイオン注入領域211のPwell202表面付近からの深さが、将来形成するN+領域203のPwell202表面付近からの接合深さと同程度以下に形成されるように設定されることが望ましい。ここまでの工程で図1の構造が得られる。
【0069】
この後、図16に記したように、高温でのアニール工程を行う。この時、セレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208中のOイオン注入領域211とトンネル酸化膜207とがアニール処理で同一の酸化膜となり酸化膜212が形成され、またPwell202中のOイオン注入領域211が酸化膜となりPwell202に埋め込まれた酸化膜212が形成される。
【0070】
一方、酸素イオン注入されていないトンネル酸化膜207領域には酸化膜は新たには形成されない。そして、N型不純物をセレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208に対してセルフアライメント的にイオン注入することによりN+領域203を酸化膜212の深さよりも浅く形成する。ここで、N+領域203はアナログ、デジタル信号制御用MOSFET装置(ここでは図示していない)と不揮発性メモリー用MOSFET装置用素子との両方に同時に形成する。こうして図16の構造が得られる。
【0071】
次に、図17に記したように、N+領域203は高電圧用素子と低電圧用素子との両方に同時に形成する。いずれの不純物領域も不純物濃度は1x1021cm−3程度とする。こうして、図17の構造が得られる。
【0072】
最後に、図示しないが、従来の集積回路の作製の場合と同様に層間絶縁物として、リンガラス層を形成する。リンガラス層の形成には、例えば、減圧CVD法を用いればよい。材料ガスとしては、モノシランSiH4と酸素O2とホスフィンPH3を用い、450で反応させて得られる。
【0073】
その後、層間絶縁膜に電極形成用の穴を開け、アルミ電極を形成する。こうして、同一半導体基板上にアナログ、デジタル信号制御用MOSFET装置と不揮発性メモリー用MOSFET装置が完成する。
【0074】
こうして得られたメモリー素子(図17)は、従来の不揮発性メモリセル(図18)に比べ、トンネル電流を流す領域214とフローティングゲート電極208とトンネルドレイン204の間の領域(コントロールゲート用トンネル酸化膜216)以外のセレクトゲート電極213、フローティングゲート電極208下側に酸化膜212が埋め込まれているため、トンネルドレイン204に電圧が印可されても酸化膜212が十分に厚くトンネル電流が生じないため小型の不揮発性メモリー素子が実現できる。 さらに、酸素イオン注入工程を高精度化するとDual Gateプロセスをメモリー素子に用いた場合でも膜厚バラツキの少ない厚いゲート酸化膜が形成でき、また、酸素インプラされないトンネル酸化膜は高品質が維持されるため、半導体装置の高精度化が実現できる。
【0076】
【発明の効果】
本発明によって、コストパフォーマンスに優れたMOSFETを作製することが可能となった。特に本発明は、今後進展すると考えられる使用電圧の多様化、高電圧駆動化、素子分離領域の小型化、平坦化、不揮発性メモリー素子の高精度化等に対して有効な方法である。
【0077】
本発明は主としてシリコン系の半導体装置について述べたが、ゲルマニウムや炭化珪素、砒化ガリウム等の他の材料を使用する半導体装置にも本発明が適用されうることは明白である。さらに、本発明では、ゲート電極の低抵抗化も重要な役割を果たすが、本発明で主として記述したシリコンゲート以外にも、酸素イオン注入とアニールによって酸化膜化できる物質等をゲート電極として用いてもよい。また、実施例ではP型半導体基板上のNMOSFETの作製工程について記述したが、石英やサファイヤ等の絶縁性基板上に形成された多結晶あるいは単結晶半導体被膜を利用した薄膜トランジスタ(TFT)の作製にも本発明が適用されうることも明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図2】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図3】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図4】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図5】 本発明の半導体装置の断面概略図である。
【図6】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図7】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図8】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図9】 従来の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図10】 従来の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図11】 従来の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図12】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図13】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図14】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図15】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図16】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図17】 本発明の半導体装置の製造方法の製造工程順概略断面図である。
【図18】 従来の半導体装置の概略断面図である。
【符号の説明】
1 Psub
2 Pwell
3 Poly-Siゲート
4 ゲート酸化膜
5 フォトレジスト
6 N-領域
7 酸化膜
8 N+領域
9 空乏層
10 N+ドレイン
11 N+ソース
12 N−ドレイン
13 N−ソース
14 P型チャネルストッパー
15 N型チャネルストッパー
16 Nwell
17 P+ドレイン
18 P+ソース
19 厚い酸化膜
20 酸化膜
21 Oイオン注入領域
22 高電圧用厚いゲート酸化膜
23 低電圧用薄いゲート酸化膜
24 高電圧用素子
25 低電圧用素子
26 フィールド絶縁膜
27 ゲート酸化膜(酸化珪素)
100 P型半導体基板
101 Pwell
102 Nwell
103 N+ソース領域
104 P+ドレイン領域
105 P+ソース領域
106 ゲート電極
107 P+チャネルストッパー
108 N+チャネルストッパー
109 フォトレジスト
110 0イオン注入領域
111 素子分離用酸化膜
112 ゲート酸化膜
113 インプラ酸化膜
114 N+ドレイン領域
201 半導体基板
202 Pwell
203 N+領域
204 トンネルドレイン
205 素子分離用酸化膜
206 ゲート酸化膜
207 トンネル酸化膜
208 フローティングゲート
209 チャネルストッパー
210 フォトレジスト
211 酸素イオン注入領域
212 酸化膜
213 セレクトゲート
214 トンネル電流を流す領域
215 コントロールゲート用トンネル酸化膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a MOS structure field effect semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device constituting a semiconductor integrated circuit such as a voltage regulator, a switching regulator, a voltage detector, etc. It relates to a manufacturing method. In addition, the present invention relates to a semiconductor integrated circuit device through which a plurality of voltages are input and output and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, multiple power supply voltages are applied to a single semiconductor device.AdditionOr multiple output voltageOutputThings have been done. This creates another semiconductor device with different processes on the same substrateWhenNecessary. This complicates the device configuration and process flow of the semiconductor device, increases the number of management elements and the number of processes, and causes adverse effects such as an increase in production TAT (Turn Around Time) and an increase in production cost.
[0003]
In order to eliminate such harmful effects, it is well known to use a manufacturing method such as dual gate and application of a channel stopper to a high voltage element.
[0004]
This manufacturing method is based on the drawings below.ZAnd explain.
[0005]
9 to 11 are schematic sectional views in order of manufacturing steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[0006]
Pwell 2 and Nwell 16 are formed in the vicinity of the surface of the P-type semiconductor substrate 1 (hereinafter referred to as Psub1) using a photo process, an ion implantation process, and a thermal diffusion process, and then a
[0007]
Here, the thickness of the gate oxide film is set so that the electric field applied to the gate oxide film does not exceed 4 MV / cm.
[0008]
Next, a Poly-
[0009]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, a contact hole, a metal wiring, an external connection PAD, and a protective film are formed using a normal semiconductor manufacturing process. Thus, the conventional semiconductor device is completed.
[0010]
Furthermore, as a semiconductor device using the Dual Gate process, there is a single poly structure nonvolatile memory element.
[0011]
This manufacturing method will be described below.
[0012]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor device.
[0013]
After the Pwell 202 is formed near the surface of the semiconductor substrate 201 using a photo process, an ion implantation process, and a thermal diffusion process, an element
[0014]
Thereafter, although not shown, an interlayer insulating film, a contact hole, a metal wiring, an external connection PAD, and a protective film are formed using a normal semiconductor manufacturing process. Thus, the conventional semiconductor device is completed.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional semiconductor device, the low voltage element has the following structural problems because the channel stopper formed by the LOCOS method and the ion implantation process is used for the source and drain.
[0016]
As shown in FIGS. 9 to 11, the high-
[0017]
Here, the LOCOS method and the ion implantation process will be described. In general, in the LOCOS method, a nitride film having a high heat-resistant oxidation masking property is formed in a region that will become an active region in the future by using a photo process and an etching process, and an N-type channel stopper and a P-type channel stopper in the future. After forming the impurity regions of the p-type and p-type using the photo process and the ion implantation process, the element isolation thick oxide film and the n-type channel stopper and the p-type channel stopper are thermally oxidized and thermally diffused (for example, 1100 degrees, This is a manufacturing method in which the element isolation region and the active region are formed by removing the vaginalized film and the oxide film on the active region.
[0018]
As described above, when the N-type channel stopper and the P-type channel stopper formed by such a LOCOS method or the like are also used for the source and drain of a high-voltage element, it is difficult to reduce the size of the element structure. As shown in FIG. 11, a
[0019]
Further, in the conventional semiconductor device and the manufacturing method of the semiconductor device, two types of gate oxide films are required according to the applied voltage, and the following manufacturing problems are involved.
[0020]
Since the high-voltage thick gate oxide film 22 is formed by two thermal oxidation processes, as shown in FIGS. 9 to 11, the variation in film thickness increases. This is because hydrogen peroxide containing ammonia is generally used in the pre-cleaning step of the second thermal oxidation step, and this cleaning solution partially etches and removes the oxide film surface when cleaning the oxide film surface. Therefore, the etching amount varies depending on the state of the cleaning solution, and the underlying oxide film thickness before the second thermal oxidation varies. As a result, the film thickness variation of the high-voltage thick gate oxide film 22 increases. That is. Such a variation causes the threshold voltage and drive current value of the high-voltage element to vary, degrading the characteristics of the semiconductor integrated circuit device, making it difficult to improve the accuracy of the characteristics of the semiconductor integrated circuit device. It was something to be made.
[0021]
In addition, the nonvolatile memory element has a problem that the controllability of the film thickness is poor in the thick gate oxide film because of the structure in which the tunnel oxide film and the gate oxide film have different thicknesses. .
[0022]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, the present invention uses the following means in order to solve the above problems.Of the first conductivity typeA first step of forming a polycrystalline silicon gate in the vicinity of the semiconductor substrate surface via a gate insulating film;The surface of the semiconductor substrate in the internal region in the region in the gate electrode in the vicinity of the region where the gate electrode is in contact with the gate oxide film, and in the internal region of the semiconductor substrate outside the both ends of the gate electrode From the surface of the semiconductor substrate in the first impurity region formed in a later step so that the depth is less than or equal to the junction depth from the surface of the semiconductor substrate.A second step of implanting oxygen ions to form an oxygen ion implanted region; and annealing the oxygen ion implanted region at a high temperatureForming an oxide film in an internal region of the semiconductor substrate, and making the region in the gate electrode and the gate oxide film the same oxide filmIn a third step and in self-alignment with the gate electrodeThe second conductivity type impurity is introduced, the second conductivity type first impurity region is embedded, and the oxide film formed in the inner region of the semiconductor substrate is buried below the first impurity region. Shallow than the depth of the oxide film formed in the internal region of the semiconductor substrateA fourth step of forming and spaced from the gate electrodeSecond conductivity typeImpurities are introduced and high concentrationOf the second conductivity typeA fifth step of forming a second impurity region;The manufacturing method of the semiconductor device which has this.
[0023]
(Delete)
[0024]
(Delete)
[0025]
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[0026]
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[0032]
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[0033]
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[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
As described so far, in the present invention, the oxygen ion implantation process and the annealing process are applied to the method of manufacturing a semiconductor device, and therefore, the miniaturization and high accuracy of the high voltage element are promoted.
[0035]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0036]
This embodiment shows a case where the present invention is applied to a high-voltage N-type MOSFET device and a low-voltage N-type MOSFET device formed on the same semiconductor substrate. The manufacturing method of this example is shown in FIG. First, as shown in FIGS. 1 to 4,
[0037]
The detailed manufacturing method is as follows. Boron ions are implanted in the vicinity of the surface of Psub1 and annealed at 1000 to 1175 ° C. for 3 to 20 hours to diffuse and redistribute boron ions, and an impurity concentration of 1 × 1016cm-3About Pwell2 is formed. Subsequently, B + ions are implanted into a region patterned with a nitride film or the like, and a P-type channel stopper 14 and a field insulating film 26 are formed by a LOCOS method.
[0038]
Thereafter, ion implantation for controlling the threshold voltage into a desired channel region, formation of a gate oxide film 4 having a thickness of 10 to 30 nm by a thermal oxidation method, and a polysilicon film having a thickness of 100 to 500 nm by a low pressure CVD method or the like. A polysilicon film is formed by forming and ion implantation. Here, a tungsten silicide film having a thickness of about 100 to 200 nm is formed on the polysilicon film by sputtering or the like, and an oxide film having a thickness of about 100 to 300 nm is formed on the tungsten silicide film by low pressure CVD or the like. Sometimes it is done. Then, the poly-
[0039]
Thereafter, as shown in FIG. 2, oxygen ion implantation is performed in the region near the gate oxide film 4 of the Poly-
[0040]
Thereafter, an annealing process at a high temperature is performed. At this time, the O
[0041]
On the other hand, an oxide film is not newly formed in the low voltage element region where oxygen ions are not implanted.
[0042]
Then, N-
[0043]
Next, the N +
[0044]
Finally, although not shown, a phosphorus glass layer is formed as an interlayer insulator as in the case of manufacturing a conventional integrated circuit. For example, a low pressure CVD method may be used to form the phosphorus glass layer. As a material gas, monosilane SiH4And oxygen O2And phosphine PH3Obtained by reacting at 450.
[0045]
Thereafter, a hole for forming an electrode is formed in the interlayer insulating film to form an aluminum electrode. Thus, a high-voltage N-type MOSFET device and a low-voltage N-type MOSFET device are completed on the same semiconductor substrate.
[0046]
The semiconductor device thus obtained (Fig.5) Has an
[0047]
Furthermore, if the oxygen ion implantation process is made highly precise, a thick gate oxide film with little variation in film thickness can be formed even when a dual gate is used, and high precision of the semiconductor device can be realized.
[0048]
Further, FIGS. 6 to 8 show sectional views in order of manufacturing steps of the semiconductor device when the oxygen ion implantation position is set in the vicinity of the gate oxide film 4 of
[0049]
In this case, the semiconductor device of the present invention can be formed using a process similar to the process described in the description of FIGS. However, regarding the setting of the oxygen ion implantation energy, it is necessary to set the oxygen ion concentration peak in the vicinity of the gate oxide film 4 in the
[0050]
Up to this point, an N-type MOSFET device has been described, but a P-type MOSFET device can also be formed by a similar manufacturing method with the conductivity type reversed.
[0051]
Further, a complementary MOSFET device (CMOS device) can also be formed by combining an N-type MOSFET device manufacturing method and a P-type MOSFET device manufacturing method.
[0052]
In the present invention, the oxygen ion implantation process and the annealing process are applied to a method of manufacturing a semiconductor device. So far, the downsizing and high accuracy of the high voltage element have been described. After that, an embodiment in which the present invention is applied to element isolation will be described.
[0053]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0054]
In this embodiment, a case is shown in which the present invention is used for an element isolation element that separates an N-type MOSFET device and a P-type MOSFET device formed on the same semiconductor substrate. The manufacturing method of this example is shown in FIGS. First, as shown in FIG. 12,
[0055]
The detailed manufacturing method is as follows. Boron ions and phosphorus ions are selectively implanted in the vicinity of the surface of the P-type semiconductor substrate 100 and annealed at 1000 to 1175 ° C. for 3 to 20 hours to diffuse and redistribute boron ions and phosphorus ions.16cm-3About
[0056]
Thereafter, oxygen ions are selectively implanted into the
[0057]
Thereafter, an annealing process at a high temperature is performed as shown in FIG. At this time, the O
[0058]
After that, as shown in FIG. 14, gate oxide film 112 having a thickness of 10 to 30 nm is formed by ion implantation for controlling the threshold voltage into a desired channel region and thermal oxidation after removing implant oxide film 113. Then, a polysilicon film having a thickness of 100 to 500 nm is formed by a low pressure CVD method or the like, and a high impurity concentration polysilicon film is formed by ion implantation or the like. Here, the formation of a tungsten silicide film having a thickness of about 100 to 200 nm by sputtering or the like on the high impurity concentration polysilicon film, and the oxidation of about 100 to 300 nm by the reduced pressure CVD method or the like on the tungsten silicide film. In some cases, a film is formed. Then, the
[0059]
In this way, a semiconductor device composed of an N-type MOSFET device and a P-type MOSFET device formed on the same semiconductor substrate and an element isolation element that separates each of them is an element isolation by a LOCOS method that has been generally used conventionally. Therefore, the element isolation region can be easily reduced in size.
[0060]
In the LOCOS method, a film such as Si3N4 having excellent oxidation resistance is selectively formed on a base oxide film, thermally oxidized at a high temperature of about 1000 ° C. to 1100 ° C., and then the oxide resistance film is removed to separate elements. This is a manufacturing method for forming an oxide region for an active region and an active region, but in this case, an end portion of the oxide film for element isolation is formed as a smoothly thinned region called a bird's beak due to oxygen wraparound, This has been an adverse effect on the miniaturization of the element isolation region.
[0061]
However, according to the present invention, oxygen for supplying an oxide film for element isolation in the future can be supplied by ion implantation, so that the active region is not oxidized by the oxygen wraparound. For this reason, the active region and the element isolation region are steeply divided, and the element isolation region can be easily downsized.
[0062]
Furthermore, the steep step originally causes a problem in the flattening of the wiring layer and interlayer film to be formed thereafter, but in the present invention, since the steep step is embedded in the semiconductor substrate, There is no step at the top that would be harmful to this process. For this reason, the process increase for planarization is not brought about in the subsequent process.
[0063]
Although the steps after FIG. 14 are not shown, an interlayer film is formed on the surface portion, a contact region is formed, a metal wiring is formed, a protective film is then formed, and a window for electrical connection is opened. The semiconductor device is completed.
[0064]
In the following description, since the oxygen ion implantation process and the annealing process are applied to the method for manufacturing a nonvolatile memory type semiconductor device, the nonvolatile memory element is promoted to be downsized and highly accurate.
[0065]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0066]
This embodiment shows a case where the present invention is applied to an analog / digital signal control MOSFET device and a nonvolatile memory MOSFET device formed on the same semiconductor substrate. The manufacturing method of the present embodiment is shown in FIGS. First, as shown in FIG. 15, a Pwell 202, an element
[0067]
The detailed manufacturing method is as follows. Boron ions are implanted in the vicinity of the surface of the semiconductor substrate 201 and annealed at 1000 to 1175 ° C. for 3 to 20 hours to diffuse and redistribute boron ions.16cm-3About Pwell 202 is formed. Subsequently, B + ions are implanted into a region patterned with a nitride film or the like, and a
[0068]
Thereafter, phosphorus or arsenic ions for forming a tunnel drain into a desired region, formation of a
[0069]
Thereafter, as shown in FIG. 16, an annealing process at a high temperature is performed. At this time, the O ion implantation region 211 and the
[0070]
On the other hand, no new oxide film is formed in the
[0071]
Next, as described in FIG. 17, the N +
[0072]
Finally, although not shown, a phosphorus glass layer is formed as an interlayer insulator as in the case of manufacturing a conventional integrated circuit. For example, a low pressure CVD method may be used to form the phosphorus glass layer. As a material gas, monosilane SiH4And oxygen O2And phosphine PH3Obtained by reacting at 450.
[0073]
Thereafter, a hole for forming an electrode is formed in the interlayer insulating film to form an aluminum electrode. Thus, analog and digital signal control MOSFET devices and nonvolatile memory MOSFET devices are completed on the same semiconductor substrate.
[0074]
The memory element (FIG. 17) thus obtained is compared with the conventional nonvolatile memory cell (FIG. 18) in the region 214 through which the tunnel current flows, the region between the floating gate electrode 208 and the tunnel drain 204 (tunnel oxidation for the control gate). Since the
[0076]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to fabricate a MOSFET with excellent cost performance. In particular, the present invention is an effective method for diversifying operating voltages, driving higher voltages, miniaturizing and flattening element isolation regions, and increasing the accuracy of nonvolatile memory elements, which are expected to develop in the future.
[0077]
Although the present invention has been described mainly with respect to silicon-based semiconductor devices, it is obvious that the present invention can also be applied to semiconductor devices using other materials such as germanium, silicon carbide, and gallium arsenide. Furthermore, in the present invention, reducing the resistance of the gate electrode also plays an important role. In addition to the silicon gate mainly described in the present invention, a material that can be oxidized by oxygen ion implantation and annealing is used as the gate electrode. Also good. In the embodiment, the manufacturing process of an NMOSFET on a P-type semiconductor substrate has been described. However, for manufacturing a thin film transistor (TFT) using a polycrystalline or single crystal semiconductor film formed on an insulating substrate such as quartz or sapphire. It will also be apparent that the present invention can be applied.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view in order of manufacturing steps of a method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a semiconductor device of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
8 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the conventional method for manufacturing a semiconductor device.
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
15 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention. FIG.
FIG. 16 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 17 is a schematic cross-sectional view in order of the manufacturing process of the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view of a conventional semiconductor device.
[Explanation of symbols]
1 Psub
2 Pwell
3 Poly-Si gate
4 Gate oxide film
5 photoresist
6 N-region
7 Oxide film
8 N + region
9 Depletion layer
10 N + drain
11 N + source
12 N-drain
13 N-source
14 P-type channel stopper
15 N-type channel stopper
16 Nwell
17 P + drain
18 P + source
19 Thick oxide film
20 Oxide film
21 O ion implantation region
22 Thick gate oxide film for high voltage
23 Thin gate oxide film for low voltage
24 High voltage element
25 Low voltage device
26 Field insulating film
27 Gate oxide film (silicon oxide)
100 P-type semiconductor substrate
101 Pwell
102 Nwell
103 N + source region
104 P + drain region
105 P + source region
106 Gate electrode
107 P + channel stopper
108 N + channel stopper
109 photoresist
1100 ion implantation region
111 Oxide film for element isolation
112 Gate oxide film
113 Implant oxide film
114 N + drain region
201 Semiconductor substrate
202 Pwell
203 N + region
204 Tunnel drain
205 Oxide film for element isolation
206 Gate oxide film
207 Tunnel oxide film
208 floating gate
209 Channel stopper
210 photoresist
211 Oxygen ion implantation region
212 Oxide film
213 Select gate
214 Area where tunnel current flows
215 Tunnel oxide film for control gate
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