JP5277719B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に係わり、特にＭＯＳトランジスタにおいて、長期使用によるゲート絶縁膜中又は、界面への電子捕獲を抑制することができる半導体装置及びその製造方法に関する。

図４（ａ）〜（ｃ）は従来の多結晶シリコン（ポリシリコン）膜の製造工程を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１１の表面上にゲート絶縁膜１２となるゲート酸化膜を熱酸化法にて形成する。次いで、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により、ゲート絶縁膜１２上にポリシリコン膜１３を形成する。この際に、ポリシリコン膜１３の形成は、例えば４００℃〜７５０℃の温度でモノシランの熱分解により行うことができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、不純物のイオン注入１５をポリシリコン膜１３に行う。この際に、イオン注入１５の不純物にはボロン又は、リンなどの比較的軽元素１４を用いている。その後、図４（ｃ）に示すように、イオン注入後のポリシリコン膜１３に熱処理を行うことによって、ポリシリコン膜１３内に不純物が熱拡散される。（例えば特許文献１参照）

その後、図４（ｄ）に示すように、ポリシリコン膜１３をフォトリソグラフィー法及びドライエッチング法を用いて加工し、ゲート電極１３ａを形成する。次いで、シリコン基板１１に低濃度不純物層によるＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域１７を形成する。次いで、ゲート電極１３ａの側壁にサイドウォール１５を形成し、その後、シリコン基板１１にソース・ドレイン領域の拡散層１６を形成する。

上記の結果、不純物イオンをイオン注入したポリシリコン膜１３によりゲート電極１３ａを形成することにより、ゲート電極１３ａを低抵抗化している。

特開２００４−５５７９３号公報（段落０００３〜０００５）

ＭＯＳトランジスタのゲート電極に電圧を印加して、高温で試験を行うと、Ｖｔｈシフト（閾値電圧）が観察される。つまり、ＭＯＳトランジスタを長期使用すると、ゲート電極及びソース・ドレインの電界の影響により、ゲート電極中のイオンがゲート絶縁膜中もしくはゲート絶縁膜界面に捕獲され、トランジスタ特性の劣化や変動の原因となる。その為、トランジスタの長期特性安定のため、この現象の抑制が課題となっている。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、長期使用によるゲート絶縁膜中又は、界面への不純物イオン捕獲を抑制することによって、トランジスタ特性を長期安定化して使用することができる半導体装置及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜の下層側に重元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記ポリシリコン膜の上層側に、前記重元素より質量の小さい軽元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。

上記半導体装置の製造方法によれば、ポリシリコン膜の下層側にゲート絶縁膜又はゲート絶縁膜の界面に捕獲されにくい重元素の不純物イオンをイオン注入し、上層側に軽元素の不純物イオンをイオン注入している。それにより、ゲート電極内を、上層側の軽元素イオンと下層側の重元素イオンからなる２層構造とすることができる。その結果、ゲート電極中の不純物イオンはゲート絶縁膜もしくは、ゲート絶縁膜界面に捕獲されにくくなり、その為、トランジスタ特性の長期安定化の効果が得られる。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜の上層側に軽元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記ポリシリコン膜の下層側に、前記軽元素より質量の大きい重元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
前記ポリシリコン膜に、重元素とそれより質量の小さい軽元素とを含む不純物イオンをイオン注入することにより、前記ポリシリコン膜の下層側に重元素を導入するとともに前記ポリシリコン膜の上層側に軽元素を導入する工程と、
前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
を具備することを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記イオン注入する際に、注入するイオン種を重元素から軽元素又は軽元素から重元素に切り替えることも可能である。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
前記ゲート絶縁膜上にＣＶＤ法によりポリシリコン膜を成膜する工程と、
前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
を具備し、
前記ポリシリコン膜を成膜する工程は、重元素及びそれより質量の小さい軽元素のイオン種のガスを原料ガスに含ませることにより、前記ゲート電極の下層側に前記重元素の不純物イオンを導入するとともに前記ゲート電極の上層側に前記軽元素の不純物イオンを導入する工程であることを特徴とする。

また、本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記ゲート電極の上層側は前記軽元素イオンの比率が高くなり、前記ゲート電極の下層側は前記重元素イオンの比率が高くなることが好ましい。

本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極と、
前記ゲート電極の下層側に導入された重元素の不純物イオンと、
前記ゲート電極の上層側に導入された、前記重元素より質量の小さい軽元素の不純物イオンと、
前記半導体基板に形成されたソース・ドレイン領域の拡散層と、
を具備することを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する為の断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面上にゲート絶縁膜２となるゲート酸化膜を熱酸化法にて形成する。次いで、ＣＶＤ法により、ゲート絶縁膜２上にポリシリコン膜３を形成する。この際に、ポリシリコン膜３の形成は、例えば４００℃〜７５０℃の温度でモノシランの熱分解により行うことができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜３の下部に重元素イオン４による不純物のイオン注入５を深く打ち込む。このようにして図１（ｃ）に示すように重元素イオン４がポリシリコン膜３の下層側に注入される。ここでいうポリシリコン膜３の下層側とは、ポリシリコン膜３の厚さの中間より下側であることが好ましい。なお、重元素イオン４には例えばインジウム又は、アンチモンを用いる。

次いで、図２（ａ）に示すように、ポリシリコン膜３の上部に軽元素イオン６による不純物のイオン注入７を浅く打ち込む。このようにして図２（ｂ）に示すように軽元素イオン６がポリシリコン膜３の上層側に注入される。ここでいうポリシリコン膜３の上層側とは、ポリシリコン膜３の厚さの中間より上側であることが好ましい。なお、軽元素イオン６には例えばボロン又は、リンを用いる。

次いで、図２（ｃ）に示すように、ポリシリコン膜３をフォトリソグラフィー法及びドライエッチング法を用いて加工することにより、ゲート絶縁膜２上にはゲート電極３ａが形成される。次いで、シリコン基板１に低濃度不純物層によるＬＤＤ（Lightly Doped Drain）領域１０を形成する。次いで、ゲート電極３ａの側壁にサイドウォール８を形成し、その後、シリコン基板１に不純物層によるソース・ドレイン領域の拡散層９を形成する。

この後、シリコン基板１に熱処理を行うことによって、ソース・ドレイン内にイオン注入された不純物の活性化が行われる。この熱処理によって、ゲート電極３ａ内に注入された元素（軽元素６及び重元素４）も同時に拡散される。その為、軽元素６及び重元素４をポリシリコン膜３にイオン注入する際に、この拡散量を予め考慮し、拡散後、軽元素６がゲート電極底部に到達しないイオン注入エネルギーを設定することが好ましい。このイオン注入エネルギーの値はドーパント種、ゲート電極膜厚、ゲート電極膜質及び熱処理条件によって様々であるが、予めプロセスデバイスシミュレーションによって確認することが可能である。

上記の熱処理により、ゲート電極３ａ内の軽元素イオン６による不純物は上層側で主に熱拡散され、重元素イオン４による不純物は下層側で主に熱拡散される。その結果、ゲート電極３ａ内に拡散された不純物は、ゲート電極３ａの上層側は軽元素イオン６の比率が高くなり、ゲート電極３ａの下層側は重元素イオン４の比率が高くなり、軽元素イオン６と重元素イオン４からなる２層構造となる。

以上、本発明の第１の実施形態によれば、ゲート電極３ａを低抵抗化するために、ポリシリコン膜３に不純物をイオン注入する工程において、予め下層側にゲート絶縁膜２又はゲート絶縁膜２の界面に捕獲されにくい重元素イオン４のイオン注入５を行い、上層側に軽元素イオン６のイオン注入７を行っている。それにより、ゲート電極３ａ内は、上層側の軽元素イオン（例えばボロンやリン）と下層側の重元素イオン（例えばインジウムやアンチモン）からなる２層構造を有している。その結果、ゲート電極中の不純物イオンはゲート絶縁膜もしくは、ゲート絶縁膜界面に捕獲されにくくなる。その為、トランジスタ特性の劣化や変動の抑制が可能となり、トランジスタ特性の長期安定化の効果が得られる。

換言すれば、本実施形態では、軽元素イオン６がゲート絶縁膜又はゲート絶縁膜界面に捕獲されないようにするために軽元素イオン６をゲート電極３ａの上層側に導入するので、ゲート電極３ａの下層側の抵抗値を下げるためにその下層側に重元素イオン４を導入している。その結果、トランジスタ特性の劣化や変動の抑制が可能となり、トランジスタ特性の長期安定化の効果が得られる。

また、本実施形態のようなゲート電極３内の不純物を２層構造とする理由は次のとおりである。ゲート電極に注入する不純物イオンをすべて重元素イオンとすると、ゲート絶縁膜又はゲート絶縁膜の界面に不純物イオンは捕獲されにくくなるが、次のようなデメリットがあるからである。重元素イオンのみをイオン注入するのは軽元素イオンと重元素イオンの両方をイオン注入する場合に比べて時間がかかるので生産効率が悪くなる。重元素イオンのみが導入されたゲート電極は、重元素イオンと軽元素イオンの両方が導入されたゲート電極に比べて抵抗のばらつきが大きくなる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法について図３（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１の表面上にゲート絶縁膜２を形成し、ゲート絶縁膜２上にポリシリコン膜３を形成するまでの工程は第１の実施形態と同様である。

次いで、図３（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜３内に重元素イオン（例えばインジウム又は、アンチモンなど）４及び軽元素イオン（ボロン又は、リンなど）６による不純物イオンを同時に注入するイオン注入５を行う。イオン注入５を行う際に、導入イオンガスを複数のイオン種にし、重元素イオン４はポリシリコン膜３に深くイオン注入し、軽元素イオン６はポリシリコン膜３に浅くイオン注入する。このようにして図３（ｃ）に示すように重元素イオン４がポリシリコン膜３の下層側に注入され、軽元素イオン６がポリシリコン膜３の上層側に注入される。

この後の図３（ｄ）に示す工程は、図２（ｃ）に示す工程と同様であるので説明を省略する。

以上、本発明の第２の実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ポリシリコン膜３に重元素イオン及び軽元素イオンを同時にイオン注入しているため、工程を分ける必要がない。

次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。本実施形態は、第２の実施形態におけるポリシリコン膜内に重元素イオン及び軽元素イオンを同時にイオン注入する工程において、イオン種を切り替えてイオン注入する点以外は第２の実施形態と同様である。つまり、始めに重元素イオンをポリシリコン膜内の下層側に深くイオン注入し、その後、導入イオンガスを切り替えて、軽元素イオンをポリシリコン膜の上層側に浅くイオン注入する。

以上、本発明の第３の実施形態においても第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、同じイオン注入工程内において、途中で導入イオンガスを切り替えて連続的にイオン注入しているため、効率的にイオン注入することが可能となり、またより重元素イオン及び軽元素イオンのそれぞれの深さ方向を制御することが可能となる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。
本実施形態は、第１の実施形態においてゲート電極を低抵抗化するためにポリシリコン膜に不純物をイオン注入する工程を、ポリシリコン膜を成膜しながらそのポリシリコン膜に不純物を導入する工程に変更した点以外は第１の実施形態と同様である。

詳細には、ＣＶＤ法にて、ゲート絶縁膜上にゲート電極となるポリシリコン膜を成膜する際に、ポリシリコン形成ガスと、重元素イオン及び軽元素イオンの導入したいイオン種のガスを同時にＣＶＤ装置内で反応させる。これによって、ポリシリコン膜形成と同時に、ポリシリコン膜内には不純物イオンが導入された状態となる。

また、ポリシリコン膜の下層側を成膜する際と上層側を成膜する際とで原料ガスを切り替えることにより、ポリシリコン膜の下層側には重元素イオンを導入し、ポリシリコン膜の上層側には軽元素イオンを導入しても良い。

以上、本発明の第４の実施形態においても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、ポリシリコン膜形成と同時に、重元素イオン及び軽元素イオンの不純物のイオン注入が終了する。そのため、イオン注入する工程を省略できる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施形態では、ポリシリコン膜内の底部に重元素イオンを深くイオン注入後、ポリシリコン膜内の上部に軽元素イオンを浅くイオン注入を行っているが、イオン注入する順番は逆でも良い。

（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する為の断面図。 （ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する為の断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する為の断面図。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）は従来の半導体装置の製造方法を説明する為の断面図。

符号の説明

１，１１・・・シリコン基板、２，１２・・・ゲート絶縁膜、３，１３・・・ポリシリコン膜、３ａ，１３ａ・・・ゲート電極、６，１４・・・軽元素イオン、４・・・重元素イオン、５，１５，７・・・イオン注入、８，１５・・・サイドウォール、９，１６・・・ソース・ドレイン領域、１０，１７・・・ＬＤＤ領域

Claims (4)

1. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
   前記ポリシリコン膜の下層側に重元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
   前記ポリシリコン膜の上層側に、前記重元素より質量の小さい軽元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
   前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
   前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
   を具備し、
   前記ポリシリコン膜の下層側は、前記ポリシリコン膜の厚さの中間より下側であり、
   前記ゲート電極の上層側は前記軽元素イオンの比率が高くなり、前記ゲート電極の下層側は前記重元素イオンの比率が高くなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
   前記ポリシリコン膜の上層側に軽元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
   前記ポリシリコン膜の下層側に、前記軽元素より質量の大きい重元素の不純物イオンをイオン注入する工程と、
   前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
   前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
   を具備し、
   前記ポリシリコン膜の下層側は、前記ポリシリコン膜の厚さの中間より下側であり、
   前記ゲート電極の上層側は前記軽元素イオンの比率が高くなり、前記ゲート電極の下層側は前記重元素イオンの比率が高くなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. 半導体基板上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
   前記ゲート絶縁膜上にポリシリコン膜を形成する工程と、
   前記ポリシリコン膜に、重元素とそれより質量の小さい軽元素とを含む不純物イオンをイオン注入することにより、前記ポリシリコン膜の下層側に重元素を導入するとともに前記ポリシリコン膜の上層側に軽元素を導入する工程と、
   前記ポリシリコン膜を加工することにより、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、
   前記半導体基板に不純物イオンをイオン注入し、熱処理を施すことによりソース・ドレイン領域の拡散層を形成する工程と、
   を具備し、
   前記ポリシリコン膜の下層側は、前記ポリシリコン膜の厚さの中間より下側であり、
   前記ゲート電極の上層側は前記軽元素イオンの比率が高くなり、前記ゲート電極の下層側は前記重元素イオンの比率が高くなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３において、前記イオン注入する際に、注入するイオン種を重元素から軽元素又は軽元素から重元素に切り替えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images