JPH04215441A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法

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JPH04215441A
JPH04215441A JP41070190A JP41070190A JPH04215441A JP H04215441 A JPH04215441 A JP H04215441A JP 41070190 A JP41070190 A JP 41070190A JP 41070190 A JP41070190 A JP 41070190A JP H04215441 A JPH04215441 A JP H04215441A
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JP
Japan
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gate
gate electrode
forming
film
oxide film
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JP41070190A
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Hiroshi Matsumoto
比呂志 松本
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NEC Corp
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、MOSFETおよびそ
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】シリコンMOSFETを主要な構成素子
とする高集積なシリコン集積回路においては、微細化と
ともに高速化の進展がなされてきているが、ゲート長が
0.5μm、あるいはそれ以下となると、電源耐圧や発
熱,長期信頼性の問題が次第に深刻化していき、それに
つれて素子本来ではなく素子の周辺に位置する材料の物
性から生じるさまざまな寄生素子の影響が次第に大きく
なりつつある。その一つとして、ソース・ドレイン領域
とSi基板との接合による接合容量がゲート遅延に効い
てくる重要な要素となっている。また、チャネル長の減
少に伴って、ゲート材料の電気抵抗(ゲート抵抗)もゲ
ート遅延に効いてくるもう一つの重要な要素となってい
る。従来のMOSFETにおける接合容量は、パンチス
ルーを防ぐことを目的の1つとして為されるチャネルド
ープ領域の形成がパンチスルー効果を十分に抑えるため
に、ソース・ドレインの接合深さより深く為されるため
に、ソース・ドレイン接合の空乏層幅が減少することに
よって増加するという欠点があった。また、従来のMO
SFETにおいては、ゲート抵抗を少しでも減少させる
ためにマッシュルーム構造を採用してきたが、断面形状
に凹凸が多く、応力の影響によって信頼性を低下させる
という欠点を有していた。
【0003】一方、MOSFETの長期信頼性を向上さ
せるための有効な手段として用いられてきたLDD構造
もLDD領域の比較的高い電気抵抗のためにソース・ド
レインの寄生抵抗が増大し、また、LDD固有の劣化モ
ードのために、さらにこの寄生抵抗の増加や、相互コン
ダクタンスの低下が助長され、不利な面が見えてきた。 これを解決するためにゲート・ドレインオーバーラップ
トLDD−MOSFETが提案された。これは、LDD
領域がゲートの直下に位置するためにゲートのコントロ
ールを受けるため、上述のような欠点が解消するもので
ある。ゲート・ドレインオーバーラップトLDD−MO
SFETには2つの形成方法がある。これを図2を用い
て説明する。図2の(a)に示すように、Si基板1の
LDD領域11をゲートの直下まで持ってこなければな
らないためにゲート・ドレインオーバーラップトLDD
−MOSFETではLDD領域11形成に斜めイオン注
入法を用いる。図中、5はゲート電極,6はゲート酸化
膜を示す。図2において、矢印はイオン注入におけるイ
オンの方向および注入位置を示している。LDD領域1
1を残すためにソース・ドレイン領域2の形成には、図
2の(b)に示すようにサイドウォールスペーサ12を
用いた斜めイオン注入法を用いるか、又は図2の(c)
に示すようにサイドウォールスペーサなしの垂直イオン
注入を用いる。前者の場合、ソース・ドレイン領域2の
形成時の斜めイオン注入工程において膜厚の薄いサイド
ウォールスペーサ12の底部をイオンの一部が貫通し、
これによって欠陥が生じ(図2の(b)に示す欠陥の生
じた酸化膜13)、LDD固有の劣化モードを助長して
しまうという欠点がある。また、後者の場合は、この欠
点はないが、前者の場合も含めて、LDD領域11の形
成時にイオンがゲート酸化膜6の端部を貫通するため、
やはり欠陥が生じ(図2の(c)に示す欠陥の生じた酸
化膜13)、ホットキャリア耐性を悪化させるという欠
点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このようにMOSFE
Tでは高速化を推進するために、ゲート抵抗の低減,接
合容量の低減,ゲート・ドレインオーバーラップトLD
D−MOSFETの採用を推し進める必要があるが、従
来の構造、および製造方法には上述したように、根源的
な欠点があった。
【0005】本発明の目的は、このような欠点を解消、
もしくは軽減し、MOSFETの一層の高速化に寄与す
る構造および製造方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
、本発明に係るMOSFETは、Si基板上に形成され
るMOSFETにおいて、ゲート電極のチャネルの長さ
方向の垂直断面形状が逆台形をなしているものである。 また、本発明に係るゲート・ドレインオーバーラップト
LDD−MOSFETの製造方法は、Si基板上にゲー
ト酸化膜を形成し、前記ゲート酸化膜上にゲート電極膜
を形成し、前記ゲート電極膜をパターニングし、これを
マスクとして、セルファラインに斜めイオン注入法でL
DD領域を形成し、引き続きイオン注入法でソース・ド
レイン領域を形成し、コンタクト窓を形成し、配線金属
膜を形成し、前記配線金属膜をパターニングする一連の
ゲート・ドレインオーバーラップトLDD−MOSFE
T形成工程において、前記ゲート電極膜を逆台形に形成
し、前記LDD領域の形成方法である斜めイオン注入の
際に注入方向の鉛直方向からの偏角を前記ゲート電極の
逆台形の側辺の鉛直方向からの偏角に一致させるもので
ある。また、本発明に係るMOSFETは、Si基板上
に形成されるMOSFETにおいて、チャネル領域の直
下にのみチャネルドープ領域を有するものである。 また、本発明に係るMOSFETの製造方法は、Si基
板上にゲート酸化膜を形成し、前記ゲート酸化膜上にゲ
ート電極パターンを形成し、これをマスクとして、セル
フアラインにイオン注入法でソース・ドレイン領域を形
成し、コンタクト窓を形成し、配線金属膜を形成し、前
記配線金属膜をパターニングする一連のMOSFET形
成工程において、まず、Si基板上に全面に窒化膜を堆
積し、これを、前記ゲート電極パターンに反転したパタ
ーン形状を有するマスクを用いたリソグラフィー工程に
よってパターニングし、これをマスクとして、チャネル
ドープ領域をイオン注入法によりセルフアラインにより
形成し、前記熱酸化法によりゲート酸化膜を形成し、ゲ
ート電極材を全面に堆積し、前記窒化膜の上面で止まる
ように平坦化エッチバック法によりエッチバックし、窒
化膜を除去することによって前記ゲート酸化膜およびゲ
ート電極パターンの形成を行うものである。
【0007】
【作用】次に、本発明の作用,原理を説明する。まず、
請求項1に係る発明の構造を図1を用いて説明する。図
1において、1はSi基板,2はソース・ドレイン領域
,3はCVD酸化膜,4は金属配線,5はゲート電極,
6はゲート酸化膜である。本発明において、ゲート電極
5は、逆台形をなしており、上底の長さは、下底の長さ
より長い。チャネル長は、下底の長さにより決まるから
、当然短チャネルデバイスとなる。また、逆台形をなし
ているため、同一チャネル長かつ同一膜厚ならば、従来
の矩形ゲートより断面積は大きく、ゲート抵抗は低い。 これは、マッシュルームゲートと共通する特徴であるが
、マッシュルームゲートは、T字型をしており、断面に
おいて屈曲点が8箇所もある。これに比べ本発明では、
断面積はより大きく、かつ屈曲点は従来の矩形ゲートと
同じ4箇所であり、応力による断線に強い。
【0008】次に、請求項2の発明の製造方法を図2A
,図2Bを用いて説明する。図2Aの(a)〜(c)に
ついては上述したので省略する。図2Bの(d)〜(e
)は、本発明の第2の製造方法の原理を示すものである
。本発明では、ゲート電極5の断面形状が逆台形である
ことを用いている。まず、LDD領域11の形成の斜め
イオン注入において、傾き角をゲート電極5の断面逆台
形の側辺と平行になるようにする。これにより、図2B
の(d)に示すようにゲート電極5にマスクされなかっ
たイオンは、直ちにLDD領域11に注入されLDD領
域11を形成する。一方、ゲート電極5にマスクされた
イオンは、ゲート酸化膜6までの深さが深いために、ゲ
ート酸化膜6までは届かず、したがって、ゲート酸化膜
6内にイオン注入による損傷は入らない。また、ソース
・ドレイン領域2は様々な作り方が考えられるが、一例
として、図2Bの(e)に示すように新たなサイドウォ
ールスペーサ12は形成させず、LDD領域11を形成
したときに用いたのと同じゲート側辺形状を用い、傾き
角を、LDD領域11を形成したときに用いた傾き角よ
り(0を含めた)小さい角度として形成する。 一般にソース・ドレイン領域2は、その形成方法によら
ずLDD領域11より外側に位置するので、LDD領域
11を本発明の方法で形成する限り、ゲート酸化膜6内
のイオン注入による損傷の形成を防止することができる
【0009】次に、図3を用いて、請求項3に係る発明
の構造を示す。特徴は、ゲート電極5の直下にのみチャ
ネルドープされた領域7があり、ソース・ドレイン領域
2の直下には存在しないことである。このため、接合容
量を大幅に低減でき、高速化に寄与することができる。
【0010】次に、図4を用いて、請求項4に係る発明
のMOSFET製造方法を説明する。本発明では、図4
の(a)に示すように、まず、Si基板上に窒化膜8の
パターンを形成し、将来のゲートとなるべきところのみ
を逆に開口する。次に、図4の(b)に示すように熱酸
化法により全面酸化を行って、犠牲酸化膜10を開口部
のみに形成する。このとき、窒化膜8上にも僅かに酸化
膜が形成される。次に、この形状を利用して、イオン注
入法によりチャネルドープイオンを注入する。これによ
り、開口部、即ち、将来のゲートとなるべき部分のみチ
ャネルドープ領域7を形成することができる。次に、ゲ
ート電極5のブランケット成長およびこれにつづく平坦
化エッチバック工程などにより、ゲート電極5を開口部
にのみ形成する。これは、通常のLSIプロセスを利用
すれば可能である。この時点で、上面は平坦となってお
り、ゲート電極5の部分以外は、窒化膜8が露出してい
るので、ホットリン酸でウェットエッチすることにより
、図4の(c)に示すように、容易に反転パターンをゲ
ートパターンとして形成することができる。あとは、通
常のLSIプロセスを用いて、MOSFET集積回路を
形成することができる。このとき、図4の(d)に示す
ようにソース・ドレイン領域2の直下にはチャネルドー
プされた領域7は伸びておらず、請求項2に係る発明の
MOSFETを形成する工程となっている。
【0011】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。本実
施例は、請求項2,3の発明に係る製造方法を用い、請
求項1,3の発明の構造を兼ね備え、かつホットキャリ
ア耐性が向上しているMOSFETの典型的な例に関す
るものである。図において、p形(100)Si基板1
を用いる。尚、素子分離領域形成、およびウェル形成は
、本発明にとっては本質的ではないので省略する。Si
基板1上にCVD法により窒化膜8を200nm形成す
る。次に、リソグラフィー工程を用いて、ゲート反転パ
ターンをレジスト9上に形成し、図5Aの(a)に示す
構造を得る。次にCF4(20%)+CHF3(20%
)+O2(60%)よりなるエッチングガスを用い、流
量40〜50sccm、rfパワー500Wで平行平板
型RIE装置を用いて、窒化膜8をエッチングし、終点
間隔でO2供給を停止して窒化膜8を抜ききり、下地の
Si基板1との選択性、および底部のパターン転写精度
のいずれも良好に窒化膜8をテーパーエッチして図5A
の(b)に示す形状を得る。
【0012】次に、ゲート酸化工程を900℃で行い、
底部において10nmの膜厚の、犠牲酸化膜10を窒化
膜8開口部および窒化膜8上に形成する。次に、ボロン
をドーズ量1×1012cm−2、加速電圧30keV
、および、ドーズ量1×1012cm−2、加速電圧8
0keVの条件で2度イオン注入し、チャネルドープさ
れた領域7を形成し、図5Aの(c)に示す構造を得る
。次に、ウェットエッチングによって犠牲酸化膜10を
除去し、再びゲート酸化工程を900℃で行い、底部に
おいて10nmの膜厚の、ゲート酸化膜6を形成する。 次に、全面にタングステンをスパッタ法により膜厚30
0nmだけ、ブランケット堆積し、これによってゲート
電極5をなし、図5Bの(d)に示す構造を得る。
【0013】次に、平坦化エッチバック法により、窒化
膜8の上面までエッチバックし、ホットリン酸を用いて
、窒化膜8を全面除去し、図5Bの(e)に示す構造を
得る。窒化膜8をイオン注入のマスクとして用いること
により、チャネルドープされた領域7を従来と異なり、
チャネル領域の下部に限定することができる。ここに、
請求項4の発明に係る方法を実施している。
【0014】次に、ゲート電極5の側辺の一方に平行に
ドーズ量1×1013cm−2、加速電圧50keVで
リンを斜めイオン注入法によりイオン注入し、引き続き
、ゲート電極5の他方の側辺に平行に、同じ条件で斜め
イオン注入法によってリンをイオン注入し、これによっ
てLDD領域11を形成し、図5Bの(f)に示す構造
を得る。このとき、ゲート電極5の直下のゲート酸化膜
6には側辺とイオン注入方向の平行性の効果により、注
入イオンは到達できず、ホットキャリア効果を助長する
ゲート酸化膜6の膜室の低下を防止している。ここに、
請求項2の発明に係る方法を実施している。
【0015】次に、ゲート電極5の一方の側辺の下点か
ら水平にチャネルの外側に向かった方向、50nmのと
ころの位置する点と同側辺の上点を結んだ直線に平行な
方向にドーズ量2×1015cm−2、加速電圧90k
eVで砒素を斜めイオン注入法によってイオン注入し、
さらにゲート電極5の他方の側辺に対しても同一条件で
斜めイオン注入法によって砒素をイオン注入し、これに
よってソース・ドレイン領域2を形成し、図5Cの(g
)に示す構造を得る。次に、コンフォーマルなCVD法
により、CVD酸化膜3を約200nmの膜厚だけ堆積
し、リソグラフィー法によってコンタクトホールを形成
後、金属配線4を全面堆積し、再び、リソグラフィー法
によって、金属配線4をパターニングし、図5Cの(h
)に示す素子構造を最終的に得る。この構造においては
、請求項3の発明に係る構造を有しており、チャネルド
ープされた領域7は、ゲート酸化膜6の直下に限定され
ており、本来不必要であったソース・ドレイン領域2の
直下には形成されていないのが特徴である。また、同構
造においては、請求項1の発明に係る構造をも有してお
り、ゲート電極5は、従来の矩形断面をもつゲート電極
を用いた場合はもとより、マッシュルームゲートに比べ
ても、より大きい断面積を有しており、低ゲート抵抗化
に有利であり、かつ、マッシュルームゲートより大きく
、矩形ゲートと同等の耐応力耐性がある。なお、本実施
例では、ソース・ドレイン領域2の形成に角度の異なる
斜めイオン注入を用いているが、これは本質的なことで
はなく、垂直イオン注入で形成した場合や、その他の形
成方法を用いた場合でも、LDD領域11形成に側辺が
逆テーパーであることと、イオン注入方向と側辺の向き
を平行にする方法を用いる限り、当然本発明に含まれる
。 また、本実施例では、nMOSのみを例としたが、当然
pMOS,CMOS,BiCMOSなど本発明の原理を
一部に用いる限り、当然本発明に含まれる。また、本実
施例においては、2回に分けた斜めイオン注入を用いた
が、傾けた回転イオン注入の技術の応用も当然本発明に
含まれる。
【0016】
【発明の効果】本発明のチャネルドープされた領域7の
構造は、接合容量の低減により、また、本発明のゲート
電極5の構造は、ゲート抵抗の低減により、何れも、M
OSFET集積回路の高速化に卓絶した効果を発揮する
ものである。また、本発明のチャネルドープされた領域
7の形成方法は、本発明のチャネルドープされた領域7
の構造を容易に形成するのに効果があることに加え、実
施例にも示したように、本発明のゲート構造を形成する
のにも有効に機能し、かつ、同ゲート電極5の形状を製
造工程の途中で用いて、本発明のLDD領域11形成工
程と複合化でき、ゲート・ドレインオーバーラップトL
DD−MOSFETとすることができるので、さらに駆
動能力を向上でき、できあがったMOSFET集積回路
の長期信頼性の向上にも卓絶した効果を発揮するもので
あり、高速性,高信頼性のMOSFET集積回路の形成
を容易とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一のゲート電極構造を示す図である
【図2A】従来のゲート・ドレインオーバーラップトL
DD−MOSFETの形成方法の原理を示す図である。
【図2B】本発明のゲート・ドレインオーバーラップト
LDD−MOSFETの形成方法の原理を示す図である
【図3】本発明のチャネルドープされた領域の構造を示
す図である。
【図4】本発明のチャネルドープされた領域を形成する
ための製造方法の原理を示す図である。
【図5A】本発明の製造方法によりゲート・ドレインオ
ーバーラップトLDD−MOSFET集積回路の形成を
行った典型的な一実施例を示す図である。
【図5B】本発明の製造方法によりゲート・ドレインオ
ーバーラップトLDD−MOSFET集積回路の形成を
行った典型的な一実施例を示す図である。
【図5C】本発明の製造方法によりゲート・ドレインオ
ーバーラップトLDD−MOSFET集積回路の形成を
行った典型的な一実施例を示す図である。
【符号の説明】
1  Si基板 2  ソース・ドレイン領域 3  CVD酸化膜 4  金属配線 5  ゲート電極 6  ゲート酸化膜 7  チャネルドープされた領域 8  窒化膜 9  レジスト 10  犠牲酸化膜 11  LDD領域 12  サイドウォールスペーサ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  Si基板上に形成されるMOSFET
    において、ゲート電極のチャネルの長さ方向の垂直断面
    形状が逆台形をなしていることを特徴とするMOSFE
    T。
  2. 【請求項2】  Si基板上にゲート酸化膜を形成し、
    前記ゲート酸化膜上にゲート電極膜を形成し、前記ゲー
    ト電極膜をパターニングし、これをマスクとして、セル
    ファラインに斜めイオン注入法でLDD領域を形成し、
    引き続きイオン注入法でソース・ドレイン領域を形成し
    、コンタクト窓を形成し、配線金属膜を形成し、前記配
    線金属膜をパターニングする一連のゲート・ドレインオ
    ーバーラップトLDD−MOSFET形成工程において
    、前記ゲート電極膜を逆台形に形成し、前記LDD領域
    の形成方法である斜めイオン注入の際に注入方向の鉛直
    方向からの偏角を前記ゲート電極の逆台形の側辺の鉛直
    方向からの偏角に一致させることを特徴とするゲート・
    ドレインオーバーラップトLDD−MOSFETの製造
    方法。
  3. 【請求項3】  Si基板上に形成されるMOSFET
    において、チャネル領域の直下にのみチャネルドープ領
    域を有することを特徴とするMOSFET。
  4. 【請求項4】  Si基板上にゲート酸化膜を形成し、
    前記ゲート酸化膜上にゲート電極パターンを形成し、こ
    れをマスクとして、セルフアラインにイオン注入法でソ
    ース・ドレイン領域を形成し、コンタクト窓を形成し、
    配線金属膜を形成し、前記配線金属膜をパターニングす
    る一連のMOSFET形成工程において、まず、Si基
    板上に全面に窒化膜を堆積し、これを、前記ゲート電極
    パターンに反転したパターン形状を有するマスクを用い
    たリソグラフィー工程によってパターニングし、これを
    マスクとして、チャネルドープ領域をイオン注入法によ
    りセルフアラインにより形成し、前記熱酸化法によりゲ
    ート酸化膜を形成し、ゲート電極材を全面に堆積し、前
    記窒化膜の上面で止まるように平坦化エッチバック法に
    よりエッチバックし、窒化膜を除去することによって前
    記ゲート酸化膜およびゲート電極パターンの形成を行う
    ことを特徴とするMOSFETの製造方法。
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