JPH05211333A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH05211333A
JPH05211333A JP4308203A JP30820392A JPH05211333A JP H05211333 A JPH05211333 A JP H05211333A JP 4308203 A JP4308203 A JP 4308203A JP 30820392 A JP30820392 A JP 30820392A JP H05211333 A JPH05211333 A JP H05211333A
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gate electrode
electrode layer
thickness
gate
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 半導体基板11の素子形成領域上に熱酸化に
よりゲート絶縁膜18を形成した後、ゲート電極層19
を薄く形成し、次いで、MOSトランジスタの閾値電圧
を調整するためのイオン21の注入を行ない、その後、
薄く形成したゲート電極層の上に、所定の厚さとなるよ
うゲート電極層19aを形成する。 【効果】 半導体基板の素子形成領域上に熱酸化による
ゲート絶縁膜の形成工程に続いて、ゲート電極層を形成
するために、レジストの形成のパーティクルの付着を防
ぎ、かつ、ゲート電極層をバッファ層として使用してM
OSトランジスタの閾値電圧調整用のイオン注入を行な
うことによって、イオン注入時に起こるゲート絶縁膜の
損傷を防ぐことができ、MOSトランジスタのゲート絶
縁膜の不良を低減でき、半導体装置として高信頼性のデ
バイスを供給することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方
法、特に、MOS型半導体装置のゲート絶縁膜の製造方
法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のMOS型半導体装置においては、
半導体基板の素子形成領域上に1回の熱酸化により所望
の膜厚のゲート絶縁膜を形成した後、写真食刻法により
Pチャンネル型、Nチャンネル型トランジスタの各々の
形成領域に閾値電圧調整用のイオン注入を行なってい
た。
【0003】図5は、従来のMOS型半導体装置の製造
方法を説明するための工程断面図である。図中、41は
半導体基板、42はNウェル、43はPウェル、44は
LOCOS酸化膜、45はゲート酸化膜、46,47は
レジスト膜、48はBF2 +イオン、49はゲート電極
層である。
【0004】半導体基板41は、この例では、(10
0)平面を表面にもつP型のSi基板であり、リンのイ
オン注入によりNウェル42、ボロンのイオン注入によ
りPウェル43を形成する。ついで、窒素:酸素が9:
1の混合ガスの雰囲気中で1200℃、4時間の熱処理
を行なって、Nウェル42とPウェル43のドライブイ
ンを行なった後、素子分離用のLOCOS酸化膜44
と、150Å程度のゲート酸化膜45を形成する(図5
(A))。
【0005】その上に、少なくともNチャンネルトラン
ジスタのチャンネル領域となる部分を開口したレジスト
膜46を形成し、BF2 + イオン48を、40KeV、
1.0×1012/cm2 の条件でチャンネルドープする
(図5(B))。このチャンネルドープは、MOSトラ
ンジスタの閾値電圧を上げるように調整するために行な
われるもので、BF2 + イオンや、B+ イオン等が用い
られる。
【0006】レジスト膜46の剥離は、加熱した硫酸と
過酸化水素水の混液に浸漬することにより行なわれる。
レジスト膜46を剥離した後、少なくともPチャンネル
トランジスタのチャンネル領域となる部分を開口したレ
ジスト膜47を形成し、BF2 + イオン48を、40K
eV、1.8×1012/cm2 の条件でチャンネルドー
プする(図5(C))。このチャンネルドープは、MO
Sトランジスタの閾値電圧を下げるように調整するため
に行なわれるものであるが、同様に、BF2 +イオン
や、B+ イオン等が用いられる。レジスト膜47も、加
熱した硫酸と過酸化水素水の混液に浸漬することによっ
て剥離される(図5(D))。
【0007】この剥離工程を行なっても、レジスト物質
の無機質の酸化物は、硫酸に溶けないために残ってしま
う。残留物は、5〜10Å程度の厚さでゲート酸化膜4
5の表面に偏在する。残留物の除去は、弗化水素水溶
液、例えば、 HF:H2 O=1:200 の液で、10秒間エッチングする。その上に、ゲート電
極層49として、多結晶シリコン膜を、約4000Åの
厚さに形成し、P(リン)またはAs(砒素)等のN型
イオンの拡散処理を行なって、多結晶シリコン膜をNタ
イプ化する(図5(E))。その後は、所定の工程によ
り、CMOS−ICを形成する。
【0008】このような従来の製造方法では、半導体基
板の素子形成領域上に熱酸化によりゲート絶縁膜を形成
した後、閾値電圧調整用のイオン注入を行なっていたた
め、イオン注入時のゲート絶縁膜が損傷を受ける。ゲー
ト絶縁膜の損傷について、図6で説明する。図中、41
は半導体基板、45はゲート酸化膜、50は濃度プロフ
ァイル、51は欠陥層である。イオン注入の打ち込みの
ピークの深さRpは、40KeV程度の打ち込みエネル
ギーでは、370Å程度であり、その60〜70%の深
さは、欠陥が生じやすい層となる。図の欠陥層51は、
これを表している。この場合では、欠陥層の深さは、2
20Åに達し、ゲート絶縁膜45が150Å程度とする
と、ゲート絶縁膜45には、欠陥が多く発生する。
【0009】また、イオン注入の前後のレジストの塗布
および剥離工程の際にゲート絶縁膜に付着するパーティ
クル、例えば、AL2 3 やMgO等が、約5〜10Å
程度残留し、上述した弗化水素水溶液によるエッチング
工程において、ゲート酸化膜の表面が10Å程度エッチ
ングされ、全体に薄くなると同時に、部分的に深くエッ
チングされ、欠陥が生じるという問題もある。
【0010】ところで、サブミクロンプロセスと呼ばれ
る0.8μm以下のプロセスでは、ゲート酸化膜は、集
積度が向上するにつれて薄くなっている。例えば、0.
8μmプロセスでは、150〜180Å、0.5μmプ
ロセスでは、120〜150Å、0.3μmプロセスで
は、100〜120Å程度である。したがって、上述し
た欠陥は、薄いゲート絶縁膜の場合には、ゲート耐圧の
劣化を引き起こし、致命的なものとなる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した問
題点を解決するためになされたもので、MOSトランジ
スタの閾値電圧調整用のイオン注入時の損傷、レジスト
のパターニングの際のパーティクルなどに起因するゲー
ト絶縁膜中の欠陥を防ぐことによってゲート絶縁膜の不
良を低減し、信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供
することを目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体装置の
製造方法において、半導体基板の素子形成領域上に熱酸
化によりゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶
縁膜上にゲート電極層を所定の厚さよりも薄く形成する
工程と、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極層とを通し
てイオン注入を行なう工程と、前記ゲート電極となる層
の上に所定の厚さとなるようゲート電極層を形成する工
程を含むことを特徴とするものである。
【0013】
【作用】本発明によれば、半導体基板の素子形成領域上
に熱酸化によりゲート絶縁膜を形成し、その上にゲート
電極層を所定の厚さよりも薄く形成しておくために、パ
ターニングの際のパーティクルの付着を防ぎ、かつ、ゲ
ート電極層をバッファ層としてイオン注入を行なうこと
によって、ゲート絶縁膜の損傷を防ぎ、ゲート酸化膜の
膜減りを防ぐことができる。
【0014】図7は、本発明による閾値電圧調整用のイ
オン注入の説明図である。図中、41は半導体基板、4
5はゲート酸化膜、49aはゲート電極層、50は濃度
プロファイル、51は欠陥層である。図6との対比から
分かるように、閾値電圧調整用のイオン注入を行なう際
に、ゲート酸化膜45の上には、ゲート電極層49aが
形成されている。ゲート電極層49aは、要求されるゲ
ート電極層の厚さよりも薄く形成される。一例を説明す
ると、ゲート酸化膜45の厚さを150Åとし、ゲート
電極層49aは、300Åとする。なお、ゲート電極層
としては、4000Å程度の厚さが必要であるから、ゲ
ート電極層49aは、ゲート電極層の一部である。これ
に60keV程度の打ち込みエネルギーでイオン注入を
行なうと、打ち込みのピークの深さRpは、600Å程
度である。欠陥層51の深さは、360Å程度となるか
ら、ゲート絶縁膜45に欠陥が生じたとしても、その表
面の60Å程度の深さの部分に生じるだけであり、ゲー
ト絶縁膜45の損傷は問題とならない程度であり、欠陥
による耐圧の低下はなくなる。
【0015】また、レジストの残渣の除去のためのエッ
チング工程において、ゲート酸化膜がエッチング液にさ
らされることがなく、膜減りが生じることがなく、膜減
りによる耐圧低下も防止できる。
【0016】なお、ゲート電極層49aを、最終的なゲ
ート電極層の厚さとしない理由は、イオン注入の際の打
ち込みエネルギーを大きくしないためであり、図7で説
明したように、欠陥が生じやすい深さとの関連におい
て、適宜の厚さに設定できる。
【0017】
【実施例】図1乃至図3は、本発明の半導体装置の製造
方法の一実施例を工程順に沿って見たMOSトランジス
タ領域のウェハの断面図である。図中、11はN型シリ
コン基板、12は二酸化シリコン膜、13はシリコン窒
化膜、14はボロンイオン、15はストッパ領域、16
はLOCOS酸化膜、17,18は二酸化シリコン膜、
19,19aは多結晶シリコン膜、20はレジスト、2
1はBF2 + イオン、22はリンイオン、23は低濃度
不純物拡散層、24は酸化膜、25は二酸化シリコン
膜、26は側壁、27はリンイオン、28は高濃度不純
物拡散層、29は二酸化シリコン膜、30は層間絶縁
膜、31はアルミニウム、32はパッシベーション膜で
ある。
【0018】まず、写真食刻法によりN型シリコン基板
11中にボロンイオン14の注入を行ない、Nチャンネ
ル素子の形成領域にPウェルを形成し、同様にリンのイ
オン注入を行ない、Pチャンネル素子の形成領域にNウ
ェルを形成する。その後、窒素:酸素が9:1の混合ガ
スの雰囲気中で1200℃、4時間の熱処理を行なっ
て、NウェルとPウェルのドライブインを行なう。次
に、前記N型シリコン基板11上に、950℃の条件下
で水蒸気酸化を行ない、1000Åの膜厚の二酸化シリ
コン膜12を形成し、さらに、二酸化シリコン12膜上
にCVD法によりシリコン窒化膜13を1600Å程度
堆積した後、写真食刻法により素子形成領域にのみ前記
シリコン窒化膜を残す。そして、レジストを塗布し、写
真食刻法によりP型ストッパ形成部分のレジストの開孔
を行なった後、エネルギー40keV、ドーズ量1×1
12/cm2 の条件でボロン14のイオン注入を行な
い、次いで、レジストを除去してから、熱処理を行なっ
て、Nチャンネルストッパ領域15を形成する(図1
(A))。熱処理の条件は、例えば、100%の窒素、
または、窒素:酸素が9:1の混合ガス等の雰囲気中で
1000℃、30分程度であり、この熱処理によって、
Nチャンネルストッパ領域15の形成のためのイオン注
入によりシリコン基板に生じた欠陥を回復させることが
できる。なお、図1(A)では、ウェル領域は図示して
いない。また、ここまでの工程において、PウェルとN
ウェルの両方が形成される必要はなく、一方のチャンネ
ル素子のためのウェル領域が形成され、他方のチャンネ
ル素子は、ウェルとしてでなく、基板そのものに形成さ
れてもよい。
【0019】それから、前記シリコン窒化膜13をマス
クとして、950℃の水蒸気酸化により選択酸化を行な
って、二酸化シリコン膜を厚さ7000Å程度に形成す
ることにより、LOCOS酸化膜16を形成する。その
後、シリコン窒化膜13を除去する(図1(B))。
【0020】次に、犠牲酸化として、850℃の水蒸気
酸化を18分間行ない、素子形成領域に膜厚が約250
Åの二酸化シリコン膜17を形成する(図1(C))。
そして、弗酸を含む溶液中で二酸化シリコン膜17をエ
ッチングする(図1(D))。この二酸化シリコン膜1
7の形成と除去によりフィールド酸化膜の形成時に、フ
ィールド酸化膜の端部に形成されたSiONまたはSi
3 4 等のシリコンの窒化物を除去することができる。
【0021】次いで、850℃の水蒸気酸化を9分間行
ない、素子形成領域上にMOSトランジスタのゲート絶
縁膜となる膜厚150Åの二酸化シリコン膜18を形成
した後、多結晶シリコン膜19をCVD法によって、ウ
ェハ全面に約200Å堆積させる(図2(E))。多結
晶シリコン膜19は、ゲート電極層として形成されるも
のであるが、この工程では、ゲート電極層は、必要な厚
さに形成せず、それよりも薄い厚さに形成しておく。後
述するイオンの注入の妨げとならないためである。
【0022】次に、写真食刻法により、Nチャンネル領
域の少なくともチャンネル部分を開口したレジスト20
を着膜し、MOSトランジスタの閾値電圧を調整するた
めに、B(ボロン)またはBF2 + のイオン21の注入
を行なう(図2(F))。
【0023】レジスト20を除去した後、窒素ガス雰囲
気中で、1000℃の熱処理を20分間行なった後、多
結晶シリコン膜19の上に、多結晶シリコン膜をCVD
法によって、ウェハ全面に約4300Åの厚さに堆積さ
せる。これにより、ゲート絶縁膜18上に形成された多
結晶シリコン膜19aの合計の厚さは、約4500Åと
なる。この多結晶シリコン膜19aに、エネルギー80
keV、ドーズ量4×1015/cm2 の条件下で、リン
イオンの注入を行なって、多結晶シリコン膜19aをN
型の高濃度不純物拡散層とする(図2(G))。
【0024】次に、写真食刻法によりトランジスタのゲ
ート電極19bとなる部分を残して、多結晶シリコン膜
19aをエッチングする。その後、Nチャンネルトラン
ジスタ形成領域では、写真食刻法により、素子形成領域
の開孔を行ない、リンイオン22の注入により、高耐圧
トランジスタのオフセット領域に低濃度不純物拡散層2
3を形成する。リンイオン22の注入の前に、ゲート電
極19bの表面を酸化して、酸化膜24を形成しておく
のがよい(図2(H))。
【0025】次に、ウェハ全面にCVD法により、二酸
化シリコン膜25を1μm程度堆積した後(図3
(I))、二酸化シリコン膜25を異方性エッチングに
よりエッチングして、ゲート電極19bに側壁26を設
ける(図3(J))。再度、ウェハ全面にCVD法によ
り、二酸化シリコン膜29を200Å程度堆積した後、
Nチャンネルトランジスタ形成領域では、写真食刻法に
より、素子形成領域の開孔を行ない、リンイオン27の
注入により、トランジスタのソース領域とドレイン領域
に高濃度不純物拡散層28を形成する(図3(K))。
【0026】以後の工程は、通常の方法にしたがって、
ウェハ全面に層間絶縁膜30としてNSG膜を約100
0Å程度とBPSG膜を5000Å程度との積層膜を堆
積し、写真食刻法によりソースおよびドレインの引き出
し用のコンタクトホールを形成した後、電極配線用のア
ルミニウム31をスパッタして、写真食刻法によりパタ
ーニングを行ない、アルミニウム配線を形成する。そし
て、パッシベーション膜32として、二酸化シリコン膜
をCVD法を用いて堆積し(図3(L))、写真食刻法
により、パッドを開孔した後、弗酸を含む溶液により、
パッシベーション膜のパッド部上に位置する部分を除去
し、電極引き出し口を形成する。
【0027】上述した実施例では、一方のチャンネル素
子の領域についてのみ説明し、他方のチャンネル領域の
形成工程の説明は省略した。
【0028】図4は、図1乃至図3で説明した半導体装
置の製造方法の実施例と同様の実施例を、N型およびP
型のチャンネル素子の両方の領域を形成する工程を主に
説明するための工程断面図である。この実施例では、具
体的な数値例は、図5で説明した従来例に本発明を適用
した場合について説明する。図中、41は半導体基板、
42はNウェル、43はPウェル、44はLOCOS酸
化膜、45はゲート酸化膜、46,47はレジスト膜、
48はBF2 + イオン、49a,49bはゲート電極層
である。
【0029】半導体基板41は、(100)平面を表面
にもつP型のSi基板であり、リンのイオン注入により
Nウェル42、ボロンのイオン注入によりPウェル43
を形成する。ついで、窒素:酸素が9:1の混合ガスの
雰囲気中で1200℃、4時間の熱処理を行なって、N
ウェル42とPウェル43のドライブインを行なった
後、素子分離用のLOCOS酸化膜44と、150Å程
度のゲート酸化膜45を形成する(図4(A))。
【0030】その上に、多結晶シリコン膜をCVD法に
よりウェハ全面に約300Å堆積させる(図4
(B))。多結晶シリコン膜は、ゲート電極層49aと
して形成されるものであるが、上述したように、この工
程では、ゲート電極層は、必要な厚さに形成せず、それ
よりも薄い厚さに形成しておく。
【0031】その上に、少なくともNチャンネルトラン
ジスタのチャンネル領域となる部分を開口したレジスト
膜46を形成し、BF2 + イオン48を、60KeV、
1.0×1012/cm2 の条件でチャンネルドープする
(図4(C))。このチャンネルドープは、MOSトラ
ンジスタの閾値電圧を上げるように調整するために行な
われるもので、BF2 + イオンや、B+ イオン等が用い
られる。
【0032】レジスト膜46の剥離は、加熱した硫酸と
過酸化水素水の混液に浸漬することにより行なわれる。
レジスト膜46を剥離した後、少なくともPチャンネル
トランジスタのチャンネル領域となる部分を開口したレ
ジスト膜7を形成し、BF2 + イオン48を、60Ke
V、1.8×1012/cm2 の条件でチャンネルドープ
する(図4(D))。このチャンネルドープは、MOS
トランジスタの閾値電圧を下げるように調整するために
行なわれるものであるが、同様に、BF2 + イオンや、
+ イオン等が用いられる。レジスト膜47も、加熱し
た硫酸と過酸化水素水の混液に浸漬することによって剥
離される(図4(D))。
【0033】この剥離工程を行なっても、レジスト物質
の無機質の酸化物は、硫酸に溶けないために残ってしま
うが、この残留物の除去は、弗化水素水溶液、例えば、 HF:H2 O=1:200 の液で、10秒間エッチングすることにより行なう(図
4(E))。その上に、ゲート電極層49bとして、多
結晶シリコン膜を、約3700Åの厚さに形成し、P
(リン)またはAs(砒素)等のN型イオンの拡散処理
を行なって、多結晶シリコン膜で形成されたゲート電極
層49a,49bをNタイプ化する(図4(F))。そ
の後は、所定の工程により、CMOS−ICを形成す
る。
【0034】上述した実施例では、ゲート電極層とし
て、多結晶シリコン膜を用いたが、ゲート電極層として
用いることができる層であればよく、多結晶シリコン膜
に限られるものではない。アモルファスシリコン膜を用
いることもできる。また、最初に薄く形成されるゲート
電極層と、その上に形成されるゲート電極層とが同じで
ある必要もない。最初に、多結晶シリコン膜を薄く形成
し、イオン注入後に、その上に、アモルファスシリコン
膜を形成して所定のゲート電極層となるようにしてもよ
い。もちろん、最初に、アモルファスシリコン膜を形成
し、イオン注入後に、その上に、多結晶シリコン膜を形
成してもよい。また、最初に、多結晶シリコン膜、また
は、アモルファスシリコン膜を薄く、例えば、1500
Å〜2000Åの厚さに形成し、イオン注入後に、その
上に、メタルシリコン、つまりシリサイド層として例え
ば、WSi2 ,MoSi2 ,TiSi2 を2500Å厚
に形成し、ポリサイド構造のゲート電極層を形成しても
よい。
【0035】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、半導体基板の素子形成領域上に熱酸化による
ゲート絶縁膜の形成工程に続いて、ゲート電極層を形成
するために、レジストの形成のパーティクルの付着を防
ぎ、かつ、ゲート電極層をバッファ層として使用してM
OSトランジスタの閾値電圧調整用のイオン注入を行な
うことによって、イオン注入時に起こるゲート絶縁膜の
損傷を防ぐことができ、MOSトランジスタのゲート絶
縁膜の不良を低減でき、半導体装置として高信頼性のデ
バイスを供給することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】〜
【図3】 本発明の半導体装置の製造方法の一実施例の
工程断面図である。
【図4】 図1乃至図3と同様の実施例を、N型および
P型のチャンネル素子の両方の領域を形成する工程を主
に説明するための工程断面図である。
【図5】 従来のMOS型半導体装置の製造方法を説明
するための工程断面図である。
【図6】 従来の製造方法によるゲート絶縁膜の損傷の
説明図である。
【図7】 本発明の作用の説明図である。
【符号の説明】
11 N型シリコン基板 12 二酸化シリコン膜 13 シリコン窒化膜 14 ボロンイオン 15 ストッパ領域 16 LOCOS酸化膜 17,18 二酸化シリコン膜 19 多結晶シリコン膜 20 レジスト 21 BF2 + イオン 22 リンイオン 23 低濃度不純物拡散層 24,25 二酸化シリコン膜 26 側壁 27 リンイオン 28 高濃度不純物拡散層 29 二酸化シリコン膜 30 層間絶縁膜 31 アルミニウム 32 パッシベーション膜 41 半導体基板 42 Nウェル 43 Pウェル 44 LOCOS酸化膜 45 ゲート酸化膜 46,47 レジスト膜 48 BF2 + イオン 49,49a,49b ゲート電極層

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の素子形成領域上に熱酸化に
    よりゲート絶縁膜を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜
    上にゲート電極層を所定の厚さよりも薄く形成する工程
    と、前記ゲート絶縁膜と前記ゲート電極層とを通してイ
    オン注入を行なう工程と、前記ゲート電極となる層の上
    に所定の厚さとなるようゲート電極層を形成する工程を
    含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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