JPH0130312B2 - - Google Patents

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JPH0130312B2
JPH0130312B2 JP53009201A JP920178A JPH0130312B2 JP H0130312 B2 JPH0130312 B2 JP H0130312B2 JP 53009201 A JP53009201 A JP 53009201A JP 920178 A JP920178 A JP 920178A JP H0130312 B2 JPH0130312 B2 JP H0130312B2
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JP
Japan
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field effect
effect transistor
doped
source region
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JP53009201A
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Chihanii Iene
Beru Guido
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Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Publication of JPH0130312B2 publication Critical patent/JPH0130312B2/ja
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    • H01L29/78624—Thin film transistors, i.e. transistors with a channel being at least partly a thin film with supplementary region or layer in the thin film or in the insulated bulk substrate supporting it for controlling or increasing the safety of the device characterised by the drain or the source properties, e.g. the doping structure, the composition, the sectional shape or the contact structure with LDD structure or an extension or an offset region or characterised by the doping profile the source and the drain regions being asymmetrical
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体基板中に弱くドープされた第
一導電形の第三ドープ領域および第三ドープ領域
中にまで達成する強くドープされたソース領域が
配置され、さらに第二導電形の第二ドープ領域
が、基板表面に境を接しているソース領域の下方
を走りかつソース領域を少なくともドレン領域に
向かう方向において包囲しかつソース領域の側方
において基板表面に接するように配置され、その
際少なくともソース領域および第二導電形の第二
ドープ領域はイオン注入されたドープ物質を包含
し、基板上にゲート絶縁層および第二導電形の第
二ドープ領域の上方に存在するゲート電極から成
るゲート構造が備えられ、その際該ゲート構造の
厚さはソース領域に向かう方向において減少して
いるようになつた電界効果トランジスタとその製
造方法に関するものである。
MIS電界効果トランジスタにおいて高いスイツ
チング速度を達成するためソース・ドレン間のチ
ヤネル長を短くすることが試みられている。その
成果は例えばVMOSトランジスタ（Electronic
Design、23、〔11〕、Circle No.307、p.103−104、
1975）および二重拡散MIS電界効果トランジスタ
である。後者においては短いチヤネルを作るため
まず第一種のドープ物質をマスクの孔を通して半
導体内に拡散させる。その際ドープ物質は側方拡
散によりマスク孔の境界を越えて外まで拡がる。
続いて第二種のドープ物質を同じマスク孔を通し
て拡散させる。この第二拡散工程では拡散の温度
と時間を適当に選んでマスク孔境界を越えての側
方拡散が第一種ドープ物質の拡散の場合よりも少
なくなるようにする。これにより二つのドープ領
域は異なつた個所で半導体基板表面に現れ、これ
らの個所の間の基板部分がチヤネルとなる。この
方法により約1.5μｍまでのチヤネル長が達成され
る。これよりも短いチヤネル長はこの二重拡散法
では充分な再現性をもつて作ることができない。
それはドープ物質を拡散によつて押し進めるとド
ーピングプロフアイルが次第に平坦になるからで
ある。更に拡散は温度依存性が大きいから僅かな
温度変化も再現性に大きな影響を及ぼす。
この発明の目的は冒頭に挙げた種類のMIS電界
効果トランジスタに対してチヤネル長を約0.1μｍ
まで短縮することができ、それによつてこの種の
トランジスタのスイツチング速度または高周波特
性を改良することができる構造を提供することで
ある。
この目的は第二導電形の第二ドープ領域内のド
ープ物質の最大濃度がソース領域の縁端から僅か
の間隔を保つて基板の表面を通過し、したがつて
第二導電形の第二ドープ領域は第一導電形の第三
ドープ領域内に存在することによつて達成され
る。
この発明によりチヤネル長を0.1乃至0.5μｍと
することができる。MIS構造の絶縁層はその厚さ
をチヤネル領域の上でソース領域に向かつて15°
乃至60°、例えば20°のくさび角でくさび形に低下
させると製作上有利である。またゲート電極層の
厚さをチヤネル領域の上でその周縁部に向かつて
くさび形に低下させ、特にドレン領域からソース
領域に向かつて連続的に低下させることも製作上
有利である。このくさび角も15°乃至60°例えば20°
とする。ドレン領域を埋込み層として第三ドープ
領域の下に置くか第三ドープ領域の横に置いて基
板表面に現れるようにすることも可能である。絶
縁層としては二酸化シリコン層の外SiO2層とそ
の上のリンケイ酸ガラス層から成る二重層が使用
される。ゲート電極層は多結晶シリコン層とする
ことができる。
この発明はイオン注入によつてドーピングを行
うと半導体基板内に作られるドープ領域の寸法を
イオン注入に際して使用されるマスク構造に対応
して一層精確に規定することができるという事実
に基づくものである。その上イオン注入時のイオ
ンエネルギーの選定によりイオンの進入深さを極
めて精確に規定することができるからドープ領域
は横方向においてもそれに垂直な基板深さ方向に
おいても極めて狭い間隔で並べて作ることができ
る。
ソース領域とそれを包囲する反対導電形の第二
ドープ領域の製作は基本的には二つのイオン注入
マスクを使用して実施され、第二ドープ領域に対
して使用される注入マスクはソース領域に対する
ものよりもいくらか大きな窓を持つ。二つの注入
マスクを充分な精度で位置合わせすることは一般
に困難であるからこの発明においてはチヤネル領
域上で絶縁層の厚さをソース領域に向かつてくさ
び形に低下させるかあるいはゲート電極層の厚さ
をチヤネル領域上でこの縁端に向かつてくさび形
に低下させる。この構造は製作に対して特に有利
である。即ちゲート絶縁層またはゲート電極層を
チヤネル領域上でくさび形とすることによりソー
ス領域とそれを包囲する第二ドープ領域の自己整
合製作が可能となる。この場合ゲート絶縁層また
はゲート電極層がイオン注入マスクとなる。第二
ドープ領域に対するイオン注入エネルギーはゲー
ト絶縁層またはゲート電極層の厚さの低下に伴つ
てイオンの進入深さが次第に低下し、第二ドープ
領域内に注入イオンの最大濃度部分がソース領域
の縁端から僅かの間隔を保つて基板表面を通過す
るように選ばれる。この進入線とソース領域縁端
との間隔はゲート絶縁層またはゲート電極層のく
さび角によつて定められる。この間隔がMISトラ
ンジスタの有効チヤネル長となる。ゲート絶縁層
の厚さがくさび形に変化する場合製作上有利とな
るばかりでなくこの絶縁層上に設けられた電極層
がチヤネルの周囲においてだけ基板表面近くにあ
りゲート・ドレン間容量が低下するという利点が
ある。このことは更にトランジスタの耐電圧性に
対しても有利に作用する。短いチヤネル長を作る
ためにはゲート絶縁層をくさび形とする代わりに
ゲート電極層を例えば多結晶シリコン層としてく
さび形に作りこれを注入マスクとして使用しても
よい。この多結晶シリコンゲート電極を使用する
場合にもその厚さをソース接続電極とドレン接続
電極の間の部分で変えることにより耐電圧性を高
めることができる。
この発明によるMIS電界効果トランジスタはｎ
チヤネル形とするのが有利である。この場合チヤ
ネル内のキヤリヤの移動度がｐチヤネルの場合よ
りも大きく、約３倍の急峻度が得られる。またシ
リコンに対してはイオン注入技術によりｐドープ
物質例えばホウ素をｎドープ物質例えばリンより
も半導体内により深く注入することが容易であ
る。
この発明によるMIS電界効果トランジスタはサ
フアイア結晶上に薄いｎシリコン膜を設ける
ESFI技術によつて製作することも可能である。
この場合トランジスタの能動区域はシリコン膜中
に置かれる。
この発明によるMIS電界効果トランジスタとそ
の製作方法を図面に示した実施例について説明す
る。第１図乃至第４図にくさび形のゲート絶縁層
を持つMIS電界効果トランジスタの製作過程を示
す。半導体例えばシリコンの基板１の表面に厚さ
が0.05乃至0.2μｍのゲート絶縁層２を作る。この
層は例えば第二酸化シリコンまたは窒化ケイ素と
する。第三ドープ領域５となる基板部分の上にあ
る絶縁層部分に写真蝕刻法により窓を作り、この
窓を通して第一種のドーピング４例えばリンイオ
ンを基板内に注入する。注入エネルギーはたとえ
ば100Kevとする。注入量は第三ドープ領域５の
ドーピング濃度がほぼ1016cm-3となるように選
ぶ。その際注入マスクとしては絶縁層に窓を作つ
たときの感光樹脂層３を使用する。続いて感光樹
脂層３を除去し半導体基板上に絶縁層を少数μｍ
の厚さに析出させる。そのためには例えば二酸化
シリコン絶縁層の場合酸素の存在の下に基板を酸
化する。続いて写真蝕刻法によりソース領域６、
ドレン領域７およびチヤネル領域１２に予定され
ている基板部分上の絶縁層を厚さが約0.05乃至
0.2μｍとなるまでエツチする。その際作られる薄
膜部分２１の縁端で絶縁層の厚さが外に向かつて
くさビ形に増大するように大きくならなければな
らない。上昇傾斜面３１の傾斜角の良好な再現性
は種々の方法で達成することができる。まず絶縁
層の除去にイオンエツチング法を利用し、マスク
を使用してイオン照射して絶縁層をスパツタさせ
る。その際薄膜部分２１を除いて絶縁層を覆うエ
ツチングマスクをとりつける。マスク材料として
はそれ自体もイオン照射によりスパツタするもの
を使用する。スパツタリングによりマスクの断面
形状が絶縁層に移される。またエツチングマスク
自体も蝕刻作用を受けるためその孔の周縁部分が
斜めに削られ、絶縁層に作られた凹みの側面は基
板表面に垂直ではなく約60°までの傾斜角を持つ
傾斜面となる。この場合のマスク材料としては感
光樹脂が適している。
くさび状に厚さが変化する絶縁層は次のように
しても作ることができる。まず半導体上にSiO2
層とリンケイ酸ガラス層を重ねて析出させる。こ
の二重層にフツ化水素酸によつて孔または凹みを
エツチするとリンケイ酸ガラス層の方がSiO2層
より早く侵蝕されるため孔または凹みの縁端は傾
斜面となる。エツチング終了後、リンケイ酸ガラ
スは溶融処理により丸味づけることができる。
くさび形絶縁層の別の製法としては絶縁層２を
全面的にイオン照射した後マスクを使用して湿式
化学エツチングまたはプラズマエツチングを施
す。イオン照射された絶縁層薄膜部分は湿式化学
エツチングまたはプラズマエツチングに際して除
去速度が非照射部分より大きくなるから絶縁層の
縁端部はくさび状の傾斜面となる。
くさび形に厚さが変化する絶縁層を作るための
上記の各種の方法は総て良好な再現法を持つてい
る。
このようなプロフアイルを持つ絶縁層を設けた
後第一種のドーピングイオン８例えばリンイオン
を絶縁層薄膜２１を通して半導体内に注入する。
このイオンの加速電圧はイオンが薄膜部分２１だ
けを貫通してその下の半導体部分にドープされた
ソース領域６またはドレン領域７を作ることがで
きるように選ぶ。イオン注入量はこれら領域のド
ーピング濃度がcm3当たり1019乃至1020となるよう
に選ぶ。絶縁層のくさび形傾斜面３１の位置によ
りソース領域６またはドレン領域７は同じ導電形
の第三ドープ領域５にまで達する。イオン注入工
程後ドレン領域７を感光樹脂層１０で覆う。この
樹脂層は続く第二種ドープ物質９例えばホウ素の
イオン注入に際してマスクとして使用される。こ
の場合の注入エネルギーはホウ素イオンの平均侵
入深さが約0.4μｍとなりこのイオンによつてドー
プされた第二領域１３がソース領域６の下に形成
されるように選ぶ。この程度の侵入深さとするた
めの加速エネルギーはホウ素イオンの場合約
100kevとなる。半導体に達するまでに絶縁層２
のくさび形傾斜部分３１を貫通しなければならな
いホウ素イオンはそこで阻止されるからくさび形
傾斜部分３１の下で第二ドープ領域１３は上に向
かつて曲がり半導体表面に達する。このイオン注
入ドーピングが終わるとフオトマスク１０を除去
し、電極接触部を作るためソース領域とドレン領
域の上で絶縁層２に接触孔を設ける。その後接触
導体路１６，１７をソース領域６、ドレン領域７
にとりつけ、ゲート電極１５をチヤネル領域１２
の上の絶縁層２の部分に析出させる。このチヤネ
ル領域１２はソース領域６の外縁と第二ドープ領
域１３の外縁の間に形成される。MIS電界効果ト
ランジスタの完成した構造は第４図に示されてい
る。小さいドレン電流の場合の有効チヤネル領域
は第二ドープ領域１３が半導体基板表面に現れる
部分１２１で与えられる。ドレン電流が大きくな
ると第二ドープ領域１３の外縁とソース領域６の
外縁との間の半導体部分１２２も電流チヤネルと
して作用するからMIS電界効果トランジスタのチ
ヤネル長はいくらか大きくなる。従つてチヤネル
長はドレン電流の大きさに応じて約0.1μｍから約
0.5μｍの間にある。チヤネル領域１２からの距離
が長くなると絶縁層の厚さは再び増大する。ソー
ス領域６とドレン領域７の間の間隔は1μｍと10μ
ｍの間にある。この間隔がこれより大きくなると
MIS電界効果トランジスタの直列抵抗が増大す
る。
第５図にドレン電極が埋込みドレンと呼ばれて
いるものになつている実施例を示す。この場合基
板１は第一導電形のドープ物質例えばリンを高濃
度にドープされたシリコン層５２から成り、この
埋込みドレン中のドーピング濃度は例えば1019乃
至1020cm-3である。この第一導電形の高濃度ドー
プ層の上には埋込みドレンと同じ導電形ではある
がドーピング濃度が低く1017cm3である第二の層５
１が設けられ、この層のソース領域６の横に第二
導電形の高濃度ドープ領域１４があり、第二ドー
プ領域１３がこの領域に接し場合によつてはそれ
に移行している。接触導体路１６はこの実施例の
場合、高濃度ドープ領域１４とソース領域６の双
方に接触する。
第二の高濃度ドープ領域１４の形成は製造工程
の始めにイオン注入または拡散によつて行うのが
有効である。その他の製造工程は前に述べた実施
例の場合と同様であるがソース領域６に対する接
触孔を作る際同時に高ドープ領域１４の表面も露
出させてそこに接触を作る必要がある。
第５図の実施例の場合、電流はソース領域６か
らチヤネル領域１２（１２２，１２１）と層５１
を通つてドレン電極５２に流れる。同種の電界効
果トランジスタを対称面（または対称軸）２０に
対して対照にまたは回転対称に配置することがで
きる。
絶縁基板上のエピタキシヤルシリコン膜技術に
適した実施例を第６図に示す。絶縁板例えばサフ
アイア板５０の上にエピタキシヤルシリコン層５
３がありこの層は例えばドーピング濃度1016cm-3
のｎ形である。このシリコン層５３にはイオン注
入または拡散によつて第二導電形の高濃度ドープ
領域１４０が作られ、これにイオン注入によつて
高濃度にドープされた領域１３が接している。導
体路１６は高ドープ領域１４０とソース領域６に
接触する。ソース領域６、ドレン領域７および第
二ドープ領域１３の外絶縁層２および２１の製作
は前に述べた工程によつて実施することができ
る。
ゲート電極層として多結晶シリコン層を使用す
るこの発明の実施例の製作工程を第７図乃至第１
０図に示す。先ず1014乃至1015cm-3の濃度に低ド
ープされたｐ形のシリコン基板１の表面に絶縁層
２を析出させ、この絶縁層の一部を写真蝕刻法に
より厚さ約0.05乃至0.1μｍの薄膜２１とする。こ
の薄層を通して第一導電形を与えるイオン４例え
ばリンイオンを注入した後薄層２１の上に多結晶
シリコンのゲート電極層２２を、例えばマスクを
使用する蒸着または全面蒸着と写真蝕刻によつて
作る。スパツタリングによるかイオン照射に続く
湿式化学エツチングまたはプラズマエツチングに
よゲート電極層２２に傾斜面３２を作る。このゲ
ート電極層２２は続く第一導電形ドープ物質のイ
オン８の注入に際して注入マスクとなる。第一導
電形ドープ物質イオン８の二回目の注入に際して
加速電圧と注入量は半導体表面から約0.1μｍの深
さに高濃度ドープのソース領域６とドレン領域７
が形成されるような値を選ぶ。このイオン注入後
ドレン領域７を感光樹脂マスク１０で覆い、第二
導電形ドープ物質、例えばホウ素イオン９を使用
する三回目のイオン注入を実施する。その際加速
電圧と注入量は第二ドープ領域１３がソース領域
６の下に形成され、この領域がポリシリコン電極
２２のくさび形斜面３２の下で半導体表面に現れ
るように選ぶ。これが終わつた後感光樹脂マスク
１０を除去し、ソースとドレンに対する接触孔を
エツチングによつて作つた後ソース電極に対する
接続１６、ドレン電極に対する接続１７およびポ
リシリコン電極２２に対する金属接続１５を作
る。ゲート電極２２の導電抵抗を低下させるため
にはゲート電極の全面に金属接続１５を設けるこ
とが有効である。ポリシリコンゲート電極にはｎ
チヤネルMISトランジスタの場合、高濃度ｎドー
ピングを追加し、ｐチヤネルの場合高濃度ｐドー
ピングを追加することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図乃至第４図はこの発明の一つの実施例の
製作工程の四段階においての素子の断面を示し、
第５図と第６図はそれぞれこの発明の異なる実施
例の断面図であり、第７図乃至第１０図はゲート
電極として多結晶シリコン層を使用するこの発明
の実施例の製作工程の四段階においての素子の断
面を示す。 各図において１は半導体基板、２はゲート絶縁
層、５は第三ドープ領域、６はソース領域、７は
ドレン領域、１２はチヤネル領域である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板１中に弱くドープされた第一導電
    形の第三ドープ領域５および第三ドープ領域５中
    にまで達する強くドープされたソース領域６が配
    置され、さらに第二導電形の第二ドープ領域１３
    が、基板表面に境を接しているソース領域６の下
    方を走りかつソース領域６を少なくともドレン領
    域７，５１，５２に向かう方向において包囲しか
    つソース領域６の側方において基板表面に接する
    ように配置され、その際少なくともソース領域６
    および第二導電形の第二ドープ領域１３はイオン
    注入されたドープ物質を包含し、基板１上にゲー
    ト絶縁層２１および第二導電形の第二ドープ領域
    １３の上方に存在するゲート電極１５から成るゲ
    ート構造が備えられ、その際該ゲート構造の厚さ
    はソース領域６に向かう方向において減少してい
    るようになつた電界効果トランジスタにおいて、
    第二導電形の第二ドープ領域１３内のドープ物質
    の最大濃度がソース領域６の縁端から僅かの間隔
    を保つて基板１の表面を通過し、したがつて第二
    導電形の第二ドープ領域１３は第一導電形の第三
    ドープ領域５内に存在することを特徴とするチヤ
    ネル長の短いMIS電界効果トランジスタ。 ２ チヤネル領域１２の長さが0.1μｍから0.5μｍ
    の間であることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項記載のMIS電界効果トランジスタ。 ３ チヤネル領域上の絶縁層２の厚さがソース領
    域６に向かつてくさび形に減小していることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項記載のMIS電界効
    果トランジスタ。 ４ くさび角が約15°と約60°の間であることを特
    徴とする特許請求の範囲第３項記載のMIS電界効
    果トランジスタ。 ５ ゲート電極層２２の厚さがチヤネル領域１２
    上でその縁端に向かつて減小していることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
    MIS電界効果トランジスタ。 ６ ゲート電極層２２の厚さがソース領域６とド
    レン領域７の間でドレン領域に向かつて連続的に
    増大していることを特徴とする特許請求の範囲第
    ５項記載のMIS電界効果トランジスタ。 ７ くさび角が約15°と約60°の間であることを特
    徴とする特許請求の範囲第５項記載のMISの電界
    効果トランジスタ。 ８ ドレン領域が半導体基板内で第三ドープ領域
    ５１の下に作られた埋込み層５２であることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項の一つ
    に記載のMIS電界効果トランジスタ。 ９ ドレン領域７が第三ドープ領域５の横にあり
    半導体基板表面に境を接することを特徴とする特
    許請求の範囲第１項乃至第７項の一つに記載の
    MIS電界効果トランジスタ。 １０ 半導体基板１がシリコンであることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項乃至第９項の一つに
    記載のMIS電界効果トランジスタ。 １１ 第一の導電形の領域がｎ形ドープ物質をド
    ープされ、第二の導電形の領域がｐ形ドープ物質
    をドープされていることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項乃至第１０項の一つに記載のMIS電界
    効果トランジスタ。 １２ ｎ形ドープ物質がリンでありｐ形ドープ物
    質がホウ素であることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項乃至第１１項の一つに記載のMIS電界効
    果トランジスタ。 １３ 絶縁層２が二酸化シリコンであることを特
    徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１２項の一
    つに記載のMIS電界効果トランジスタ。 １４ 絶縁層がSiO2層とその上のリンケイ酸ガ
    ラス層から成る二重層であることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項乃至第１２項の一つに記載の
    MIS電界効果トランジスタ。 １５ ゲート電極層２２が多結晶シリコンである
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第１
    ３項の一つに記載のMIS電界効果トランジスタ。 １６ ソース領域６と第二ドープ領域をイオン注
    入によつてドープし、その際注入マスクとしてソ
    ース領域に予定されている基板領域上では比較的
    薄くそれからくさび状に厚さが増大する層を使用
    すること、ソース領域に対する第一導電形のドー
    プイオンの注入エネルギーは最大ドープ濃度が基
    板表面から0.2μｍ以下の距離にあるように選ぶこ
    と、第二ドープ領域に対する第一導電形に対して
    反対の導電形の第二の導電形のドープイオンの注
    入エネルギーは、最大ドープ濃度がソース領域の
    下にあり注入マスクのくさび状の厚さの増大によ
    りドープイオンの最大濃度が基板表面においてソ
    ース領域６から間隔をおいて存在するようにして
    基板表面に近づくように選ぶことを特徴とするチ
    ヤネル長の短いMIS電界効果トランジスタの製造
    方法。 １７ イオン注入マスクとして半導体基板上にあ
    る絶縁層２を使用することを特徴とする特許請求
    の範囲第１６項記載の方法。 １８ イオン注入マスクとしてSiO2層とリンケ
    イ酸ガラス層から成る二重層を使用することを特
    徴とする特許請求の範囲第１７項記載の方法。 １９ イオン注入マスクとして絶縁層２とその上
    にある多結晶シリコン層から成る二重層を使用
    し、絶縁層２はソース領域の近くで0.2μｍよりも
    薄くし、多結晶シリコン層はその縁端に向かつて
    くさび状に厚さを減小させることを特徴とする特
    許請求の範囲第１６項記載の方法。
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