JPH01147869A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は半導体装置の製造方法に関し、詳しくは、ｎ型
又はｐ型ＭｏＳトランジスタ製造時のチャンネルドープ
工程で塗布型熱拡散方式を用いて不純物の低濃度拡散を
行なうようにした半導体装置の製造方法に関する。

［従来技術］ シリコン薄膜をｍｍいたＭＯ８型半導体装置は、一般に
、絶縁基板を用いこの基板上に薄膜トランジスタを形成
したものからなり、液晶表示デバイスをはじめ各種のデ
バイスに応用されている。

ところで、従来のＭＯ８型トランジスタの製造では、チ
ャネルドープ工程で制御性にすぐれたイオン打込み法が
利用されている。第５図はそうした従来法によるＭＯ８
型トランジスタ製造の一例を示した工程図である。まず
、（ａ）絶縁基板１上にポリシリコン層をＬＰ−ＣＶＤ
法によって形成し、これにフォトリソグラフィー・エッ
チング工程を施してパターニングされたポリシリコン層
２を形成する。（ｂ）熱酸化工程（０□雰囲気で例えば
１０００℃以上の加熱温度）でポリシリコン層２表面を
酸化させ酸化膜＝ＳｉＯ□膜３を成長させた後、（ｃ）
イオン打込み１０１でチャンネルドープを行なう。例え
ば、ｎチャンネル型トランジスタの場合は、不純物であ
るＢ＋を３０ＫｅＶ　〜１５０ＫｅＶの注入エネルギー
で１×１ｏｏｔ〜Ｉ　Ｘｌ０１３／ｃＪのドーズ量で注
入を行なう。

不純物ドープ量の加減の目的は勿論しきい値電圧（ｖｔ
ｈ）の制御であるが、ウェハープロセスにおいては、そ
のｖｔｈのシフト量（ΔＶ　ｔｈ）はΔＶｔｈ＝ｑＮ、
／　Ｃｏｘ （但し、ｑは電子電荷量、Ｎ１はドープ量、Ｃｏｘは前
記酸化膜３の厚さである。）で表わされる。一方、ｐチ
ャンネル型トランジスタの場合は、不純物としてＡｓ”
又はＰｏが用いられる。第５図（Ｃ）で、ポリシリコン
層２中の多数の点は低濃度に注入された不純物を表わし
ている。これは第１図、第３図においても同様である。

次に、（ｄ）ポリシリコン層４を堆積し、（ｅ）さきの
酸化膜３とともにポリシリコン層４を同一マスクでエッ
チラングして、ゲート酸化膜（Ｓｉ０２）　３１及びゲ
ート電極となるべきところ４′を形成する。

（ｆ）ゲート電極４１の低抵抗化と拡散領域５（ソース
領域＝ソース電極、ドレイン領域＝ドレイン電極）との
形成は、セルフアライメント方式を採用しイオン打込み
１０２で同時に行なわれる。

この際、トランジスタがｎチャンネルのものでは例えば
Ａｓ”を５０ＫｅＶの注入エネルギーでＩＸ５”／ｃＪ
＜らいのドーズ量で注入を行なう。

（ｆ′）前記（ｆ）の工程ではイオン打込みの代わりに
塗布型拡散剤を用いることも可能である。

即ち、全面に拡散剤を塗布し９００℃、３０分間、Ｎ２
ガス雰囲気で拡散する。

最後に、（ｇ）層間絶縁膜６を形成し、メタル電極７を
配線してＭＯ８型トランジスタが完成する。

だが、こうしたイオン打込みを用いたＭＯ８型トランジ
スタのチャンネルドープ工程では、第５図（ｂ）にみら
れるように、（ｉ）シリコン酸化膜を通してイオン打込
みがなされることから絶縁膜もしくはポリシリコン膜へ
のダメージが無視できない、（ｉｔ）スループット（ｔ
ｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）に限界がある、また（正）装置が
大型で複雑である、等の欠点がある。

もっとも、イオン打込みに代わる製造法としてメルトス
ルー拡散（低濃度又は浅い接合形成のため薄い酸化膜を
介しての不純物拡散）があるが、酸化膜（Ｓ　ｉｏ、膜
）形成のための工程が不可欠となっており、これに付随
して再現性や均一性にいまだ問題が残されている。

［目　　　的コ 本発明は、ＭＯ８型トランジスタ製造時でのチャネルド
ープ工程で、従来行なわれてるイオン打込み方式を採用
することなく、塗布型熱拡散方式を用い制御性良く不純
物の低濃度拡散が行なわれるＭＯ８型半導体装置の製造
方法を提供するものである。

［構　　成コ 本発明の半導体装置の製造方法は、（１）絶縁基板上に
パターニングされたポリシリコン層を形成し、これに塗
布型拡散剤を塗布し、不活性ガス雰囲気中で熱処理を行
なってポリシリコン層に不純物を低濃度に拡散させ１次
いで、不活性ガス雰囲気から酸素ガス雰囲気にかえて熱
処理を続行し、前記ポリシリコン層表面に酸化シリコン
膜を形成せしめポリシリコン層への不純物拡散を終了さ
せた後、又は（２）絶縁基板上にパターニングされたポ
リシリコン層を形成し、これに塗布型拡散剤を塗布し、
酸素を含む不活性ガス雰囲気中で熱処理を行なってポリ
シリコン層に不純物を拡散させながらその層表面を酸化
させて酸化シリコン膜を成長せしめ、その酸化シリコン
膜の形成により不純物の低濃度拡散がなされなくなった
後、これら（１）又は（２）の状態のものから前記塗布
型拡散剤の残余を除去しポリシリコンの表面を再度熱酸
化した後、この上にポリシリコン層を堆積し、続いて、
フォトリソグラフィー・エッチング法により前記酸化シ
リコン膜をゲート酸化膜として及び表面ポリシリコン層
をゲート電極となるべくして残し、これにイオン打込み
又は塗布型拡散剤を用いた熱拡散で、表面ポリシリコン
層を低抵抗化させたゲート電極として形成するとともに
、ゲートのセルフアライメントを利用してドナー又はア
クセプターとなる不純物を拡散してソース領域（ソース
電極）及びドレイン領域（ドレイン電極）を形成し、こ
れらの上に層間絶縁膜を形成し、更にメタル配線を施こ
すことを特徴としている。

ちなみに、本発明者らはＭＯ５型トランジスタのチャン
ネルドープ工程でのイオン打込み方式に代わる手段を検
討した結果、ポリシリコン層に塗布型拡散剤を塗布した
状態で、不活性ガス雰囲気次いでこれを０２ガスに切り
かえることによって又は不活性ガスに０２ガスを混合し
たガス存在下におくことによって熱処理すれば、ポリシ
リコン層に低濃度の不純物拡散（チャンネルドープ）が
良好に行なえうろことを確めた。

本発明方法はそれに基づいてなされたものである。

以下に、本発明方法を添付の図面に従がいながらさらに
詳細に説明する。

第１図は本発明方法に係る一例の工程（工程Ａ）を途中
まで示したものである１便宜上、ここではｎチャンネル
ＭＯＳ型トランジスタを例にとって説叫を進めるが、ｐ
チャンネルＭＯ８型トランジスタについては不純物が異
なるだけの違いである。

絶縁基板（石英基板など）１上には、常法と同様に、パ
ターニングされた半導体層（ポリシリコン層）２が形成
される（第１図（ｈ））、これは前記第５図（ａ）と同
じである。

この上に塗布型拡散剤１１がスピンナー等で塗布される
。拡散剤１１に含まれる不純物（例えばｐ、ｏ、など）
の濃度は、例えばドーズ量約５×１０”／ａｄであれば
約０．００５モルＩＱ程度のものを使用する。

この工程Ａでは、塗布型拡散剤１１を塗布した後、不活
性ガス（ＮＳガスが好ましい）雰囲気２０１中で２８０
℃で２０分、５００℃で３０分の二段階プリベークを行
ない、更に同じく不活性ガス雰囲気２０１中で１０００
℃、３０分間の加熱処理（不純物の本拡散）を行なう（
第１図（ｉ））。

続いて、ドーズ量を制御性よくコントロールするために
、降温過程に入った時点で不活性ガスを０□ガス２０２
に切りかえる（第１図（ｊ））。例えば、前記の不純物
拡散中にＮ２ガスを約５Ｑ／ｗｉｎ流していた場合には
、このＮ２ガスの流量を零どし、ｏ２ガスを５　ｆｌ／
ｍｉｎとするのが望ましい。

０２ガス雰囲気は５分間の充分である。

次いで、０２ガスの流すのを止め、再び不活性ガス（こ
こでもＮ２ガスの使用が好ましい）の存在下に戻す。

塗布型拡散剤は、０．ガスを通しやすいため、５分間０
２ガス雰囲気にさらすことによりポリシリコン層表面に
薄い酸化膜が形成され拡散を阻止する効果が働らく。そ
れ故、低濃度拡散の制御性を高めることができるわけで
ある。

なお、前記の不純物拡散工程（１）では、Ｎ２ガス雰囲
気で高濃度の不純物（０，０１モル／Ｑ以上）を含む塗
布型拡散剤を使用することも可能である。

残余の塗布型拡散剤１１をエツチング除去した後、ポリ
シリコン表面を再度熱酸化し、この上にポリシリコン層
４を堆積させれば第５図（ｄ）で示した状態のものが得
られ、以降、従来と同様の工程により拡散領域（ソース
領域＝ソース電極、ドレイン領域＝ドレイン電極）及び
低抵抗化したゲート電極４１を形成し、更にこの上に層
間絶縁膜６を形成し、メタル配線（メタル電極）７を設
けるようにすればよい。

第２図は１０００℃、３０分のＮ２ガス雰囲気での不純
物ドーズ量と塗布型拡散剤中の含有不純物量との相対的
な関係を表わしたグラフである。

前述の例では、不純物の半導体層（ポリシリコン層）２
への低濃度拡散を不活性ガス（Ｎ　２ガス）雰囲気→０
２ガス雰囲気→不活性ガス雰囲気のステップ（工程Ａ）
によっているが、他の工程Ｂで行なうことも可能である
。

工程Ｂは、第３図（ｈ）　（ｋ）に示したように、不活
性ガス（好ましくはＮ２ガス）中に適当量の範囲で０２
ガスを含有（流量比で１　／１０００〜１　／１０）さ
せておき、この０２ガス含有不活性ガス雰囲気２０３で
塗布型拡散剤１１の熱処理を行なうとするものである。

この工程Ｂ　（ｋ）の場合には、不純物が半導体層（ポ
リシリコン層）２中に拡散されていくのと並行して塗布
型拡散剤１１は０．ガスをとおしてポリシリコン層２表
面を容易に酸化してＳｉＯ□膜３が成長してゆき、Ｓｉ
Ｏ□を通して不純物が拡散される。遂には、ある程度の
厚さに成長した５１０２膜３によってもはや必要以上の
不純物が半導体層２に拡散されることがなくなる。なお
、ここでの塗布型拡散剤の不純物濃度は比較的高い方が
望ましい。

工８Ｂにおいて、０２ガス含有不活性ガス雰囲気でのＳ
ｉＯ□膜の成長とＳｉＯ膜を通しての不純物拡散とは、
結果的にはメルトスルー拡散の応用になっているが、こ
の手段は５ｉｎｔ膜の形成工程と拡散工程という二つの
工程からなるのと異なり、拡散の一工程がメルトスルー
拡散を行なっていることが特徴である。

なお、０２ガス／Ｎ２ガスの流量比と不純物ドープ量と
の相対的な関係は第４図のように表わされる。

次に実施例を示す。

実施例１ 石英基板上にバターニングされた厚さ約２０００人のポ
リシリコン層（半導体層）を形成し、この上に塗布型拡
散剤（東京応化社製ＯＣＤ　　Ｐ−５９２３０、不純物
：Ｐ２Ｏ，）をスピンナーテ約２０００人厚に塗布した
。

これをＮ２ガス雰囲気中２８０℃で２０分、５００℃で
３０分維持した後、同じ＜Ｎ２ガス雰囲気中で１０００
℃３０分維持した。次いで、降温過程に入った時点でＮ
２ガス雰囲気から０２ガス雰囲気にかえ、再びＮ２ガス
雰囲気に戻した。これらＮ２ガス及び０□ガスの流量は
ともに約５０／ｍｉｎとし、降温過程に入ってからの０
２ガス雰囲気の時間は５分とした。その後、塗布型拡散
剤を除去した。

この結果、石英基板上のポリシリコン層中には約５　Ｘ
　１０１Ｇ／ａｎ？のＰが含まれている。

次いで、０．ガス雰囲気中で１０００℃、３時間の条件
で熱酸化膜（約１３００人）を形成し、この上に約１０
０人厚のポリシリコン層を設け、エツチングしてゲート
酸化膜及びゲート電極となるべきところを形成した後、
塗布拡散（９００”Ｃ１３０分）で拡散領域（ソース電
極及びドレイン電極）及び低抵抗化したゲート電極を形
成した。続いて、層間絶縁膜及びメタル配線を施してＭ
Ｏ３型トランジスタを製造した。

このＭＯ５型トランジスタの品質は良好なものであった
。

実施例２ 石英基板上にパターニングされた厚さ約２０００人のポ
リシリコン層を形成し、この上に塗布型拡散剤（東京応
化社製ＯＣＤ　Ｐ−５９２１０、不純物：Ｐ２Ｏ５）を
スピンナーで約２０００入庫に塗布した。

これをＮ２ガス雰囲気中で２８０℃で２０分、５００℃
で３０分維持（プリベーク）した後、０□ガス／Ｎ２ガ
ス＝　１　／１００の流量比からなる雰囲気中で１００
０℃で３０分維持して不純物のポリシリコン層への拡散
を行なった。

この結果、石英基板上のポリシリコン層中には約５Ｘ１
０”／ｃａｒのＰが含まれている。

次いで、実施例１と同様にしてゲート酸化膜、低抵抗化
したゲート電極、拡散領域（ドレイン領域＝トレイン電
極、ソース領域＝ソース電極）、層間絶縁膜、メタル配
線を形成してＭＯ８型トランジスタを製造した。

このＭＯ８型トランジスタの品質は実施例１と同様良好
なものであった。

［効　　果］ 本発明方法によれば、チャンネルドープするのに際しシ
リコン酸化膜を通して半導体層（ポリシリコン層）にイ
オンを打込むといった手段は採用されないためＭＯ８型
トランジスタ製造での大型装置は不要であり、また、メ
ルトスルー拡散による酸化膜形成と拡散という二つの工
程を採ることなく、拡散の一工程で不純物の低濃度拡散
が行える。こうしたことはまたコスト低減にも継がるこ
とでもある。

なお、本発明方式は絶縁基板上にＭＯ８型トランジスタ
を形成するだけのものに止まらず。

Ｓｉウェハーを基板とするＭＯ３型トランジスタの製造
にも応用しうるちのである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第３図は本発明方法を説明するための二側の
図である。第２図は拡散温度を一定にした場合の塗布型
拡散剤中の含有不純物と不純物ドープ量との相対的な関
係を表わしたグラフ、第４図は拡散温度を一定にした場
合の０２ガス／Ｎ、ガス流量比と不純物ドープ量との相
対的な関係を表わしたグラフである。第５図は従来のＭ
Ｏ８型トランジスタの一般的な製造法を説明するための
図である。 １・・・絶縁基板 ２・・・ポリシリコン層（半導体層） ３・・・シリコン酸化膜　　４・・・ポリシリコン層５
・・・拡散領域（ソース電極、ドレイン電極）６・・・
活性ＭＩ　　　　　　７・・・層間絶縁膜８・・・メタ
ル配線　　　　１１・・・塗布型拡散剤３１・・・ゲー
ト配化膜　　　４１・・・ゲート電極１０１．１０２・
・・イオン打込み ２０１・・・不活性ガス　　　２０２・・・０２ガス２
０３・・・０２ガスとＮ２ガスとの混合ガス第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、絶縁基板上にパターニングされたポリシリコン層を
   形成し、これに塗布型拡散剤を塗布し、不活性ガス雰囲
   気中で熱処理を行なってポリシリコン層に不純物を低濃
   度に拡散させ、次いで、不活性ガス雰囲気から酸素ガス
   雰囲気にかえて熱処理を続行し、前記ポリシリコン層表
   面に酸化シリコン膜を形成せしめポリシリコン層への不
   純物拡散を終了させた後、前記塗布型拡散剤の残余を除
   去しポリシリコンの表面を再度熱酸化した後、この上に
   ポリシリコン層を堆積し、続いて、フォトリソグラフィ
   ー・エッチング法により前記酸化シリコン膜をゲート酸
   化膜として及び表面ポリシリコン層をゲート電極となる
   べくして残し、これにイオン打込み又は塗布型拡散剤を
   用いた熱拡散で、表面ポリシリコン層を低抵抗化させた
   ゲート電極として形成するとともに、ゲートのセルフア
   ライメントを利用してドナー又はアクセプターとなる不
   純物を拡散してソース領域及びドレイン領域を形成し、
   これらの上に層間絶縁膜を形成し、更に、メタル電極を
   配線することを特徴とする半導体装置の製造方法。 ２、絶縁基板上にパターニングされたポリシリコン層を
   形成し、これに塗布型拡散剤を塗布し、酸素を含む不活
   性ガス雰囲気中で熱処理を行なってポリシリコン層に不
   純物を拡散させながらその層表面を酸化させて酸化シリ
   コン膜を成長せしめ、その酸化シリコン膜の形成により
   不純物の低濃度拡散がなされなくなった後、前記塗布型
   拡散剤の残余を除去しポリシリコンの表面を再度熱酸化
   した後、この上にポリシリコン層を堆積し、続いて、フ
   ォトリソグラフィー・エッチング法により前記酸化シリ
   コン膜をゲート酸化膜として及び表面ポリシリコン層を
   ゲート電極となるべくして残し、これにイオン打込み又
   は塗布型拡散剤を用いた熱拡散で、表面ポリシリコン層
   を低抵抗化させたゲート電極として形成するとともに、
   ゲートのセルフアライメントを利用してドナー又はアク
   セプターとなる不純物を拡散してソース領域及びドレイ
   ン領域を形成し、これらの上に層間絶縁膜を形成し、更
   に、メタル電極を配線することを特徴とする半導体装置
   の製造方法。