JPH06188415A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents

Manufacture of semiconductor device

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JPH06188415A
JPH06188415A JP4341849A JP34184992A JPH06188415A JP H06188415 A JPH06188415 A JP H06188415A JP 4341849 A JP4341849 A JP 4341849A JP 34184992 A JP34184992 A JP 34184992A JP H06188415 A JPH06188415 A JP H06188415A
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JP
Japan
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impurity
impurity layer
layer
forming
oxide film
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Application number
JP4341849A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinichiro Kimura
紳一郎 木村
Hidekazu Murakami
英一 村上
Hiromasa Noda
浩正 野田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP4341849A priority Critical patent/JPH06188415A/en
Publication of JPH06188415A publication Critical patent/JPH06188415A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To provide an MOS-type semiconductor device on a semiconductor substrate with a sharp impurity profile and a manufacturing method for creating an element while maintaining the profile. CONSTITUTION:When forming an MOS transistor on a substrate 1 where an impurity region with a sharp profile called a delta dope layer 6 inside it, element isolation regions are formed in MOS structures 4, 9, and 10 or an impurity layer with a sharp profile is formed after an element isolation oxide film is formed to form an MOS transistor, thus forming an MOS element without collapsing the sharp concentration distribution of a punch-through stopper and hence extremely suppressing the punch-through phenomenon while reducing the impurity concentration near a channel. Namely, channel characteristics can be drastically improved while preventing reduction in threshold voltage.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、金属−酸化膜−半導体
から構成されるMOS(Metal-Oxide-Semiconductor)型
の電界効果半導体装置に関し、特に、素子寸法を微細化
した時に顕著になる、しきい電圧の低下やパンチスルー
といった性能劣化現象を効果的に抑制することが可能な
半導体装置とその製造方法を提供するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS (Metal-Oxide-Semiconductor) type field effect semiconductor device composed of a metal-oxide film-semiconductor, and particularly, it becomes remarkable when the element size is miniaturized. (EN) A semiconductor device capable of effectively suppressing a performance deterioration phenomenon such as a decrease in threshold voltage and punch through, and a manufacturing method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体素子の微細化は、単に寸法の縮小
だけで達成されてきたのではなく、寸法の縮小に伴って
顕著になる、短チャネル効果や、パンチスルー現象など
の望ましくない現象を効果的に抑制してきた結果でもあ
る。この際の指針となったのが、比例縮小則であり、こ
れに従って、寸法の縮小とともに、基板濃度を増加さ
せ、ゲート酸化膜を薄くし、かつ、ソース・ドレインを
形成する不純物層を浅くしてきた。今後も半導体素子、
特に、MOS型の電界効果素子を微細化して行くために
は、この指針に従うことになると、次のような微細化阻
害要因があることがわかっている。それは、基板濃度が
増加するとソース・ドレインの空乏層幅が低減し、パン
チスルーを抑制できる。そのため短チャネル特性が向上
する。しかし、その反面、基板濃度が増加するとしきい
電圧の上昇を招く。そこで、図4の不純物プロファイル
の模式図(図中の6”)に示したように、基板に不純物
をイオン打ち込みする際に、ピーク濃度位置が、表面で
はなく基板内部に存在するような条件を選択する。これ
はMOS型の電界効果素子のチャネルを形成する基板表
面近傍の濃度を小さくしてしきい電圧の上昇を防ぎ、基
板内部を高濃度にしてパンチスルーを抑制するためであ
る。そのような条件を有する基板を得るには、具体的に
は、基板がp型の場合にはボロンを20KeV程度で、
また、n型の場合には砒素を100KeV程度で、1x
1013/cm2程度を基板に打ち込む。この結果、ピー
ク濃度位置は50nm程度になり、ピーク濃度(1x1
18/cm3)に比べて、表面濃度を半分程度に小さく
することができる。表面濃度が小さいのでしきい値電圧
を上昇させずに、ピーク濃度の層によりパンチスルーを
抑制することができる。以下、ピーク濃度の層をパンチ
スルーストッパ層と呼ぶこととする。
2. Description of the Related Art Miniaturization of semiconductor devices has been achieved not only by simply reducing the size, but also by causing undesirable phenomena such as a short channel effect and a punch through phenomenon which become remarkable as the size is reduced. It is also the result of effective suppression. The guideline in this case was the proportional reduction rule, and accordingly, as the dimensions were reduced, the substrate concentration was increased, the gate oxide film was thinned, and the impurity layer forming the source / drain was made shallow. It was Semiconductor elements,
In particular, in order to miniaturize the MOS type field effect element, it is known that if this guideline is followed, there are the following factors for inhibiting miniaturization. This is because as the substrate concentration increases, the width of the source / drain depletion layer decreases, and punch through can be suppressed. Therefore, the short channel characteristics are improved. However, on the other hand, an increase in substrate concentration causes an increase in threshold voltage. Therefore, as shown in the schematic diagram of the impurity profile in FIG. 4 (6 ″ in the figure), when the impurities are ion-implanted into the substrate, a condition that the peak concentration position exists inside the substrate, not on the surface, is set. This is because the concentration in the vicinity of the surface of the substrate forming the channel of the MOS type field effect element is made small to prevent the rise of the threshold voltage, and the inside of the substrate is made to have a high concentration to suppress punch through. To obtain a substrate having such conditions, specifically, when the substrate is p-type, boron is about 20 KeV,
In the case of n-type, arsenic is about 100 KeV and 1x
About 10 13 / cm 2 is implanted into the substrate. As a result, the peak concentration position is about 50 nm, and the peak concentration (1x1
The surface concentration can be reduced to about half as compared with the case of 0 18 / cm 3 . Since the surface concentration is low, the punch-through can be suppressed by the layer having the peak concentration without increasing the threshold voltage. Hereinafter, the layer having the peak concentration will be referred to as a punch through stopper layer.

【0003】このようなパンチスルーストッパ層を形成
した半導体装置として、図3に示したものがある。この
例では、相補型のMOS(CMOS:Complimentary MO
S)半導体装置を示した。CMOSでは、同一の半導体基
板(1)表面に、p型のウェル(4)とn型のウェル
(5)を有し、それぞれの半導体領域に、n型チャネル
とp型チャネルのMOS素子を作製している。6”はp
型のパンチスルーストッパ層を示し、上記したように、
ボロンをイオン打ち込みして形成している。13はn型
のパンチスルーストッパであり、砒素をイオン打ち込み
したものである。
A semiconductor device having such a punch through stopper layer is shown in FIG. In this example, complementary MOS (CMOS: Complimentary MO)
S) A semiconductor device is shown. In a CMOS, a p-type well (4) and an n-type well (5) are provided on the same semiconductor substrate (1) surface, and an n-type channel and a p-type channel MOS element are produced in each semiconductor region. is doing. 6 "is p
Showing the punch through stopper layer of the mold, as described above,
It is formed by implanting boron ions. Reference numeral 13 is an n-type punch through stopper, which is ion-implanted with arsenic.

【0004】なお、図3において、1は半導体基板、4
はp型のウェル領域、5はn型ウェル領域、6”はp型
のパンチスルーストッパ層、11’は素子分離酸化膜、
13はn型のパンチスルーストッパ層、14はゲート酸
化膜、15はゲート電極、16はn型のソース・ドレイ
ン不純物層、17はp型のソース・ドレイン不純物層、
18は層間絶縁膜、19はコンタクトを埋める金属、2
0は配線金属である。
In FIG. 3, 1 is a semiconductor substrate and 4 is a semiconductor substrate.
Is a p-type well region, 5 is an n-type well region, 6 ″ is a p-type punch-through stopper layer, 11 ′ is an element isolation oxide film,
13 is an n-type punch-through stopper layer, 14 is a gate oxide film, 15 is a gate electrode, 16 is an n-type source / drain impurity layer, 17 is a p-type source / drain impurity layer,
18 is an interlayer insulating film, 19 is a metal for filling a contact, 2
0 is a wiring metal.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】図3に示す従来の半導
体装置では、p型のウェル(4)に形成するn型チャネ
ルのMOS素子のソース・ドレイン不純物層(16)
は、通常、砒素のイオン打ち込みで形成する。しかし、
パンチスルーストッパ層(6”)がボロン打ち込みで形
成され、基板深さ方向に広がりを持っているために、図
4中にも示したように、n型のソース・ドレインの不純
物層端でのp型のパンチスルーストッパ層(6”)の濃
度が1×1018/cm3程に大きくなってしまう。一般
に、n型不純物層とp型不純物層の接合部での濃度が大
きいほど接合容量は大きくなるので、この場合はソース
・ドレインの接合容量が増加し、CMOS素子の性能向
上を妨げる。
In the conventional semiconductor device shown in FIG. 3, the source / drain impurity layer (16) of the n-type channel MOS element formed in the p-type well (4) is formed.
Is usually formed by ion implantation of arsenic. But,
Since the punch-through stopper layer (6 ″) is formed by boron implantation and has a spread in the depth direction of the substrate, as shown in FIG. 4, the n-type source / drain impurity layer ends are formed. The concentration of the p-type punch-through stopper layer (6 ″) becomes as high as 1 × 10 18 / cm 3 . Generally, the larger the concentration at the junction between the n-type impurity layer and the p-type impurity layer, the larger the junction capacitance. In this case, the source-drain junction capacitance increases, which hinders the performance improvement of the CMOS device.

【0006】一方、n型ウェル(5)に形成されるp型
チャネルのMOS素子では、パンチスルーストッパ層
(13)は砒素打ち込みで形成される。砒素はイオン打
ち込みによる分布の広がりがボロンに比べて小さく、ま
た、p型チャネルのMOS素子の場合、ソース・ドレイ
ンの不純物層(17)はボロンのイオン打ち込みで形成
するので濃度分布の広がりが大きくなり、p型の不純物
層(17)の端でのn型のパンチスルーストッパ層(1
3)の濃度はかなり小さくできる。 このように、p型
チャネルのMOS素子については、従来からのイオン打
ち込み法を用いて、ソース・ドレインの接合容量が小さ
く、かつ短チャネル特性に優れた微細MOS素子を作成
できる可能性がある。しかし、CMOSにおいては、n
型チャネルMOS素子の性能向上も達成しなければなら
ないので、p型のパンチスルーストッパの形成には、イ
オン打ち込みに比べて、より急峻なプロファイルを実現
できる方法が必要である。
On the other hand, in the p-type channel MOS element formed in the n-type well (5), the punch-through stopper layer (13) is formed by arsenic implantation. The spread of arsenic distribution due to ion implantation is smaller than that of boron, and in the case of a p-type channel MOS element, since the source / drain impurity layers (17) are formed by boron ion implantation, the concentration distribution is large. The n-type punch-through stopper layer (1) at the end of the p-type impurity layer (17).
The concentration of 3) can be made quite small. As described above, with respect to the p-type channel MOS element, it is possible to use the conventional ion implantation method to fabricate a fine MOS element having a small source / drain junction capacitance and excellent short channel characteristics. However, in CMOS, n
Since it is also necessary to improve the performance of the type channel MOS device, a method capable of realizing a steeper profile than that of ion implantation is necessary for forming the p-type punch through stopper.

【0007】このp型のパンチスルーストッパの形成に
関して、特開平4−28149号公報に開示されている
ように、分子線エピタキシャル法を用いて、原子層で不
純物を成長させ、かつ、不純物分布を数十ナノメータで
制御する技術が考案されている。
Regarding the formation of this p-type punch-through stopper, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 4-28149, the molecular beam epitaxial method is used to grow the impurities in the atomic layer and to make the impurity distribution uniform. A technology for controlling with several tens of nanometers has been devised.

【0008】分子線エピタキシャル法は急峻なプロファ
イルを形成できるという利点はあるが、半導体基板全面
に結晶を成長させる方式であるため、CMOS素子のよ
うに、同一の半導体基板に導電型の異なる領域を作るこ
とができないという欠点がある。さらに、急峻な不純物
プロファイルを形成しても、同公報に開示されているM
OS素子の製造方法では素子形成の際の熱処理の影響に
より急峻なプロファイルを保つことができない。
The molecular beam epitaxial method has an advantage that a steep profile can be formed, but since it is a method of growing a crystal on the entire surface of a semiconductor substrate, regions having different conductivity types are formed on the same semiconductor substrate like a CMOS device. It has the drawback that it cannot be made. Furthermore, even if a steep impurity profile is formed, M
In the OS element manufacturing method, a steep profile cannot be maintained due to the effect of heat treatment during element formation.

【0009】具体的に説明すると、分子線エピタキシャ
ル法では図4に示された線6’のように、半導体基板内
部に非常に急峻なプロファイルを有する不純物層を形成
するが、従来のMOS素子の製造プロセスでは、850
℃以上の熱処理を受けるために、不純物拡散が生じ、プ
ロファイルがなだらかになってしまう。また、熱処理前
のプロファイルが急峻であればあるほど、プロファイル
の広がりが大きいという問題がある。
More specifically, in the molecular beam epitaxial method, an impurity layer having a very steep profile is formed inside the semiconductor substrate as shown by line 6'shown in FIG. 850 in the manufacturing process
Since it is subjected to heat treatment at a temperature of ℃ or more, impurity diffusion occurs and the profile becomes gentle. There is also a problem that the steeper the profile before heat treatment, the larger the profile spread.

【0010】このプロファイルの広がりを大きくしてし
まう熱処理工程として最も影響の大きいのが、素子分離
酸化膜の成長工程である。素子分離酸化膜は、半導体基
板上で各素子を電気的に分離するのに必須であり、通常
では熱酸化法が用いられている。この素子分離酸化膜は
ゲート酸化膜と異なり、200nm以上の膜厚を必要と
するため、通常、熱酸化法には1000℃以上の高温酸
化が使用される。この素子分離酸化膜成長は上記のパン
チスルーストッパ形成後に行われるために、このような
高温度では濃度プロファイルをエピタキシャル成長直後
の数十nm以下に保つことは不可能である。
The element isolation oxide film growth step has the greatest effect as a heat treatment step for increasing the spread of the profile. The element isolation oxide film is essential for electrically isolating each element on the semiconductor substrate, and a thermal oxidation method is usually used. Unlike the gate oxide film, this element isolation oxide film requires a film thickness of 200 nm or more, and therefore high temperature oxidation of 1000 ° C. or more is usually used in the thermal oxidation method. Since the growth of the element isolation oxide film is performed after the punch-through stopper is formed, it is impossible to keep the concentration profile at several tens of nm or less immediately after the epitaxial growth at such a high temperature.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の製造方法
では、上述の急峻なプロファイルをもつ基板上に素子分
離方法として酸化膜を成長させる方法ではなく、金属−
酸化膜−半導体からなるMOS構造(10,9,4)の
素子分離領域を形成し、酸化膜(9)と半導体(4)の
界面の蓄積層を用いる方法により素子間の絶縁分離を行
うことを特徴とする。
According to the first manufacturing method of the present invention, a metal-based method is used instead of the method of growing an oxide film on the substrate having the steep profile as the element isolation method.
Forming an element isolation region of a MOS structure (10, 9, 4) composed of an oxide film-semiconductor, and performing insulation isolation between elements by a method using an accumulation layer at the interface between the oxide film (9) and the semiconductor (4). Is characterized by.

【0012】さらに本発明の第2の製造方法では、n型
チャネルMOSを形成する領域にp型のパンチスルース
トッパ層(6)を分子線エピタキシャル法で形成し、p
型チャネルMOSを形成する領域には砒素を打ち込むこ
とにより、n型のパンチスルーストッパ層(13)を形
成し、金属−酸化膜−半導体からなるMOS構造の素子
分離領域を形成することにより、CMOS素子の製造を
行うことを特徴とする。
Further, in the second manufacturing method of the present invention, a p-type punch-through stopper layer (6) is formed by a molecular beam epitaxial method in a region where an n-type channel MOS is formed, and p
By implanting arsenic in the region where the type channel MOS is formed, an n-type punch-through stopper layer (13) is formed, and an element isolation region having a MOS structure composed of metal-oxide film-semiconductor is formed. It is characterized in that the device is manufactured.

【0013】また、本発明の第3の製造方法では、素子
分離酸化膜を形成した後に急峻なプロファイルを有する
不純物層を形成したCMOS素子の製造を行う。
Further, according to the third manufacturing method of the present invention, a CMOS element in which an impurity layer having a steep profile is formed after forming an element isolation oxide film is manufactured.

【0014】[0014]

【作用】第1の製造方法では酸化膜の膜厚は通常の素子
分離酸化膜よりかなり薄いので低温での酸化膜形成が可
能である。また、MOS構造の金属としては多結晶シリ
コンを採用することができるので、その場合の多結晶シ
リコンの堆積温度は600℃以下と低い。このような素
子分離構造を採用することで、MOS素子の製造工程で
最も高温かつ長時間の、素子分離酸化膜成長工程を避け
ることができる。従って、チャネルストッパ層のプロフ
ァイルを崩さずに素子分離領域を形成できる。
In the first manufacturing method, the thickness of the oxide film is considerably smaller than that of the normal element isolation oxide film, so that the oxide film can be formed at a low temperature. Further, since polycrystalline silicon can be adopted as the metal of the MOS structure, the deposition temperature of polycrystalline silicon in that case is as low as 600 ° C. or lower. By adopting such an element isolation structure, it is possible to avoid the element isolation oxide film growing step, which is the highest temperature and longest in the MOS element manufacturing process. Therefore, the element isolation region can be formed without breaking the profile of the channel stopper layer.

【0015】第2の製造方法では、n型チャネルMOS
素子とp型チャネルMOS素子の分離に金属−酸化膜−
半導体からなるMOS構造の素子分離領域を形成するこ
とにより、特にp型チャネルMOS素子の形成されるn
ウェルと素子分離領域の界面に反転層が形成されないの
で素子分離特性が優れたものとなる。
In the second manufacturing method, an n-type channel MOS is used.
Metal-oxide film-for separating element and p-channel MOS element
By forming an element isolation region of a MOS structure made of a semiconductor, a p-type channel MOS element is formed.
Since the inversion layer is not formed at the interface between the well and the element isolation region, the element isolation characteristic becomes excellent.

【0016】第3の製造方法では、素子分離酸化膜を形
成した後に急峻なプロファイルを有する不純物層を形成
するので、素子分離酸化膜形成時の高温によって急峻な
プロファイルが崩れることがない。
In the third manufacturing method, since the impurity layer having a steep profile is formed after the element isolation oxide film is formed, the steep profile is not destroyed by the high temperature at the time of forming the element isolation oxide film.

【0017】[0017]

【実施例】以下、本発明の第1の実施例について、図5
〜図7を用いて説明する。まず、n型チャネルのMOS
素子を作成した例について説明する。
EXAMPLE A first example of the present invention will be described below with reference to FIG.
~ It demonstrates using FIG. First, the n-type channel MOS
An example in which an element is created will be described.

【0018】図5(a)に示したように、第1導電型の
シリコン基板(具体的には、ボロンを1x1015/cm
3程度含む10Ωcmのシリコン基板)(1)の表面に
酸化膜(2)を20nm程度成長させ、ボロンを60K
eV、5x1012から1x1013/cm2のドーズ量で
イオン打ち込みした。以下、ボロンを用いた実施例を説
明するが、ボロンの代わりに3価の物質を用いても本発
明は有効である。
As shown in FIG. 5A, a silicon substrate of the first conductivity type (specifically, boron of 1 × 10 15 / cm 3 is used).
An oxide film (2) is grown to a thickness of about 20 nm on the surface of a silicon substrate (10 Ωcm including about 3 ) (1) and boron of 60K
Ion implantation was carried out at a dose of eV, 5 × 10 12 to 1 × 10 13 / cm 2 . Hereinafter, examples using boron will be described, but the present invention is effective even if a trivalent substance is used instead of boron.

【0019】次に、1000℃で熱処理を行い、イオン
打ち込みで導入した不純物を基板内部に拡散させ、深さ
が3ミクロン程度のp型ウェル(4)を形成した(図5
(b))。
Next, heat treatment was performed at 1000 ° C. to diffuse the impurities introduced by ion implantation into the substrate to form a p-type well (4) having a depth of about 3 μm (FIG. 5).
(B)).

【0020】次に、酸化膜(2)を除去して、清浄なシ
リコン表面を露出させた後に、もう一度、露出したシリ
コン表面に酸化膜を形成する。
Next, the oxide film (2) is removed to expose a clean silicon surface, and then an oxide film is formed again on the exposed silicon surface.

【0021】表面に酸化膜を成長させたシリコン基板
を、分子線エピタキシャル装置に装填し、超高真空中で
850℃、20分の加熱を行う。これによって、酸化膜
が昇華し、清浄なシリコン表面が露出する。この清浄な
シリコン表面にバッファ層と呼ばれるシリコン層(図に
は示していない)を10から20nm程度成長させる。
そして、K−セルと呼ばれる蒸発装置から、ボロンを蒸
発させる。この時の基板温度は500℃以下である。1
13/cm2の面密度でボロン(6)をバッファ層に吸
着させる。このバッファ層において、ボロン濃度が急峻
に高くなるのでデルタドーピングと呼ばれる。そして、
このバッファ層上にシリコン膜(7)を50nm程度エ
ピタキシャル成長させる。基板温度は、結晶性を良くす
るために700℃とした。(図5(c))分子線エピタ
キシャル装置からシリコン基板を取り出した後に、図5
(d)に示したように、酸化膜(9)を成長させる。そ
の後、素子分離能力を高めるため、すなわち、素子分離
領域のシリコン表面が反転して導電層が形成されるのを
防ぐために、表面にボロンをイオン打ち込みする。この
酸化膜(9)は素子分離領域を形成するMOS構造のゲ
ート酸化膜になるので、絶縁性や信頼性に優れたもので
なければならない。また、この際、基板には既にボロン
がデルタドーピングされているので、酸化温度はできる
だけ下げなければならない。そこで、本発明では、酸化
温度を低温化できる高圧酸化法を用いた。酸化雰囲気は
水蒸気で、圧力は9気圧、温度は800℃である。この
条件で、20から30nmの酸化膜を成長させる。
A silicon substrate having an oxide film grown on its surface is loaded into a molecular beam epitaxial apparatus and heated at 850 ° C. for 20 minutes in an ultrahigh vacuum. As a result, the oxide film is sublimated and the clean silicon surface is exposed. A silicon layer called a buffer layer (not shown) is grown on this clean silicon surface by about 10 to 20 nm.
Then, boron is evaporated from an evaporator called a K-cell. The substrate temperature at this time is 500 ° C. or lower. 1
Boron (6) is adsorbed on the buffer layer with an areal density of 0 13 / cm 2 . This buffer layer is called delta doping because the boron concentration sharply increases. And
A silicon film (7) is epitaxially grown to a thickness of about 50 nm on this buffer layer. The substrate temperature was 700 ° C. to improve crystallinity. (FIG. 5C) After taking out the silicon substrate from the molecular beam epitaxial device,
An oxide film (9) is grown as shown in (d). Then, in order to enhance the element isolation capability, that is, to prevent the silicon surface in the element isolation region from being inverted and forming a conductive layer, boron is ion-implanted into the surface. Since this oxide film (9) becomes a gate oxide film of a MOS structure that forms an element isolation region, it must have excellent insulation and reliability. Further, at this time, since the substrate is already delta-doped with boron, the oxidation temperature should be lowered as much as possible. Therefore, in the present invention, a high pressure oxidation method that can lower the oxidation temperature is used. The oxidizing atmosphere is water vapor, the pressure is 9 atm, and the temperature is 800 ° C. Under this condition, an oxide film of 20 to 30 nm is grown.

【0022】次に、図6(a)に示したように、この酸
化膜(9)の上に、素子分離領域を規定する多結晶シリ
コン(10)を公知の気層成長法で堆積する。使用する
ガスはジシラン(Si26)であり、これを520℃程
度で熱分解させる。この結果、基板上には非晶質のシリ
コン膜が堆積する。膜厚は100nmである。また、本
発明では、同時にフォスヒン(PH3)を混入させる方
法を採用した。これによって、イオン打ち込みで不純物
を導入する方法と比較して、工程の削減と熱サイクルの
低減される。ここではフォスヒンを使用して多結晶シリ
コン(10)をn型にしたが、ボロンを導入してp型に
することもできることは言うまでもない。p型にする
と、多結晶シリコン(10)と半導体基板の仕事関数差
が小さくなるために、酸化膜と半導体の界面は反転しに
くくなり、素子分離特性が向上する効果がある。さらに
この多結晶シリコンの上に、酸化膜(11)を堆積し
た。この酸化膜(11)は、多結晶シリコン(10)を
絶縁する膜であり、膜厚も100nmと比較的厚いため
に、本実施例では、プラズマ放電を用いた堆積法を採用
した。これは、真空容器内にシリコンを含むガスと酸素
を含むガスを混入し、これを放電させることで酸化膜を
堆積させるものである。酸化温度は450℃程度であ
る。
Next, as shown in FIG. 6 (a), polycrystalline silicon (10) defining the element isolation region is deposited on this oxide film (9) by a known vapor deposition method. The gas used is disilane (Si 2 H 6 ) and is thermally decomposed at about 520 ° C. As a result, an amorphous silicon film is deposited on the substrate. The film thickness is 100 nm. Further, in the present invention, a method of simultaneously mixing foshin (PH 3 ) is adopted. As a result, the number of steps and the number of thermal cycles are reduced as compared with the method of introducing impurities by ion implantation. Although the polycrystalline silicon (10) is made n-type using fossine here, it is needless to say that boron can be introduced to make it p-type. When the p-type is used, the work function difference between the polycrystalline silicon (10) and the semiconductor substrate becomes small, so that the interface between the oxide film and the semiconductor becomes difficult to invert, and the element isolation characteristic is improved. Further, an oxide film (11) was deposited on this polycrystalline silicon. Since this oxide film (11) is a film that insulates the polycrystalline silicon (10) and has a relatively large film thickness of 100 nm, in this embodiment, a deposition method using plasma discharge was adopted. In this method, a gas containing silicon and a gas containing oxygen are mixed in a vacuum container, and the gas is discharged to deposit an oxide film. The oxidation temperature is about 450 ° C.

【0023】次に、図6(b)に示したように、公知の
光リソグラフィ法を用いて、所望の有機膜パターン
(8)を形成する。そして、この有機膜(レジスト)を
マスクとして、下地の酸化膜(11)、多結晶シリコン
膜(10)を加工する。そして、加工のマスクとなった
有機膜を除去して、基板表面の洗浄を行う。
Next, as shown in FIG. 6B, a desired organic film pattern (8) is formed by using a known photolithography method. Then, the underlying oxide film (11) and polycrystalline silicon film (10) are processed by using this organic film (resist) as a mask. Then, the organic film serving as a processing mask is removed, and the substrate surface is washed.

【0024】次に、この基板表面に再びプラズマ酸化膜
堆積法で酸化膜を堆積し、さらに、公知のドライエッチ
ング法で異方性エッチングを行うと、図6(c)に示し
たように、多結晶シリコン(10)と酸化膜(11)の
側壁にのみ、側壁酸化膜(12)が残り、多結晶シリコ
ン(10)が絶縁される。この際、多結晶シリコンで被
われていない表面の酸化膜(9)も除去されて、基板表
面が露出する。
Next, when an oxide film is again deposited on the surface of the substrate by the plasma oxide film deposition method and anisotropic etching is performed by the known dry etching method, as shown in FIG. 6 (c). The sidewall oxide film (12) remains only on the sidewalls of the polycrystalline silicon (10) and the oxide film (11), and the polycrystalline silicon (10) is insulated. At this time, the oxide film (9) on the surface not covered with polycrystalline silicon is also removed, and the substrate surface is exposed.

【0025】次に、図6(d)に示したように、MOS
素子のゲート酸化膜(14)を、公知の熱酸化法を用い
て形成した。ゲート酸化膜は5nmと非常に薄いので、
その形成の際に800℃の熱酸化法を用いてもデルタド
ーピングされたボロンはあまり拡散しない。この上に、
上記の不純物を含んだシリコン膜を堆積して、所望のゲ
ート電極形状(15)に加工した。
Next, as shown in FIG.
The gate oxide film (14) of the device was formed by using a known thermal oxidation method. Since the gate oxide film is as thin as 5 nm,
Delta-doped boron does not diffuse much even if a thermal oxidation method at 800 ° C. is used for its formation. On top of this,
A silicon film containing the above impurities was deposited and processed into a desired gate electrode shape (15).

【0026】次に、図7(a)に示したように、ゲート
電極(15)をマスクとして、MOS素子のソース・ド
レイン不純物層を形成する不純物をイオン打ち込みす
る。不純物は砒素であり、打ち込みエネルギーは10か
ら20KeVで、ドーズ量は5x1014から5x1015
/cm2である。この打ち込み条件で、同図中に示した
ように、デルタドープ層(6)よりも深い位置に先端が
存在する不純物層(16)を形成することができた。
Next, as shown in FIG. 7A, the gate electrode (15) is used as a mask to ion-implant the impurities forming the source / drain impurity layers of the MOS device. The impurity is arsenic, the implantation energy is 10 to 20 KeV, and the dose is 5 × 10 14 to 5 × 10 15.
/ Cm 2 . Under this implantation condition, as shown in the figure, it was possible to form the impurity layer (16) having the tip at a position deeper than the delta-doped layer (6).

【0027】最後に、図7(b)に示したように、層間
絶縁膜(18)を500nm程度堆積し、コンタクト孔
を開口し、これをタングステンなどの金属(19)で埋
め戻した後に、配線金属(20)を形成してMOS素子
が完成する。層間絶縁膜(18)には、燐を多量に含む
酸化膜を用いた。形成温度は450℃である。
Finally, as shown in FIG. 7B, an interlayer insulating film (18) is deposited to a thickness of about 500 nm, a contact hole is opened, and this is backfilled with a metal (19) such as tungsten. Wiring metal (20) is formed to complete the MOS device. An oxide film containing a large amount of phosphorus was used as the interlayer insulating film (18). The formation temperature is 450 ° C.

【0028】本実施例では、説明を簡単にするために、
MOS素子しては、いわゆるシングルドレイン構造を採
用したが、公知のエル・ディー・ディー構造(LDD:
Lightly Doped Drain)を採用できることは言うまでもな
い。また、n型チャネルのMOS素子について説明して
きたが、基板の導電型を逆にすればp型チャネルのMO
S素子も同様のプロセスで作成することができる。基板
の導電型を逆にした場合にはパンチスルーストッパ層を
形成するためにデルタドーピングする不純物にアンチモ
ン等の5価の物質を用いればよい。
In this embodiment, in order to simplify the explanation,
Although a so-called single drain structure was adopted as the MOS element, a known L-D-D structure (LDD:
It goes without saying that Lightly Doped Drain) can be adopted. Further, although the n-type channel MOS element has been described, if the conductivity type of the substrate is reversed, a p-type channel MO element is formed.
The S element can be produced by the same process. When the conductivity type of the substrate is reversed, a pentavalent substance such as antimony may be used as an impurity to be delta-doped to form the punch-through stopper layer.

【0029】第2の実施例では、本特許をCMOS素子
の作成に適用した例について説明する。CMOS素子で
は、同一基板の内部に導電型の異なる半導体領域が存在
するために、MOS素子のパンチスルーストッパ層も作
り分けなければならない。しかしながら、分子線エピタ
キシャル法に限らず、基板全面にシリコンを成長させる
方法では、作り分けることは、現実的には不可能であ
る。そこで、本実施例では、上述したように、p型チャ
ネルのMOS素子のパンチスルーストッパには、分布の
広がりの少ない砒素が使えることを利用して、n型チャ
ネルのMOS素子のパンチスルーストッパ形成にのみ分
子線エピタキシャル法を利用する、現実的なCMOS素
子プロセスを考案した。
In the second embodiment, an example in which the present patent application is applied to the fabrication of a CMOS device will be described. In a CMOS device, since semiconductor regions having different conductivity types exist inside the same substrate, a punch through stopper layer of a MOS device must be formed separately. However, it is practically impossible to make different layers not only by the molecular beam epitaxial method but also by the method of growing silicon on the entire surface of the substrate. Therefore, in this embodiment, as described above, the punch-through stopper for the p-type channel MOS element is formed by utilizing the fact that arsenic having a small distribution can be used, so that the punch-through stopper for the n-type channel MOS element is formed. We have devised a realistic CMOS device process that utilizes the molecular beam epitaxial method only in the above.

【0030】まず、半導体基板内部に導電型の異なる半
導体領域を形成する。これには、公知の2重ウェル構造
を作成するプロセスを採用した。始めに、図8(a)に
示したように、第1導電型のシリコン基板(具体的に
は、ボロンを1x1015/cm3程度含む、10Ωcm
のシリコン基板)に、酸化膜を10nm程度成長させ、
さらに、シリコンの窒化膜を200nm程度、公知の気
層成長法で堆積する。
First, semiconductor regions having different conductivity types are formed inside the semiconductor substrate. For this, a known process for forming a double well structure was adopted. First, as shown in FIG. 8A, a silicon substrate of the first conductivity type (specifically, 10 Ωcm containing boron of about 1 × 10 15 / cm 3).
On the silicon substrate), an oxide film is grown to about 10 nm,
Further, a silicon nitride film having a thickness of about 200 nm is deposited by a known vapor deposition method.

【0031】次に、図8(b)に示したように、窒化膜
の一部を公知のリソグラフィ法およびドライエッチング
法を用いて除去する。この領域にn型ウェルを形成する
ために、燐を加速電圧125KeVで、約1x1013
cm2程度打ち込んだ。この際、残っている窒化膜
(3)がマスクとなるために、窒化膜が存在する領域に
は、燐イオンは打ち込まれない。
Next, as shown in FIG. 8B, a part of the nitride film is removed by the known lithography method and dry etching method. To form an n-type well in this region, phosphorus is added at an accelerating voltage of 125 KeV to about 1 × 10 13 /
I hit about cm 2 . At this time, since the remaining nitride film (3) serves as a mask, phosphorus ions are not implanted into the region where the nitride film exists.

【0032】次に、図8(c)に示したように、窒化膜
(3)をマスクにして基板を酸化すると、窒化膜は酸素
を通過させないので、窒化膜の無い領域にのみ酸化膜
(2’)が成長する。膜厚は100nmである。
Next, as shown in FIG. 8C, when the substrate is oxidized using the nitride film (3) as a mask, oxygen does not pass through the nitride film, so that the oxide film ( 2 ') grows. The film thickness is 100 nm.

【0033】次に、図8(d)のように、窒化膜を選択
的に除去した後に、p型ウェルを形成するために、ボロ
ンを加速電圧60KeVで、約7x1012/cm2程度
打ち込んだ。この際、n型ウェルになる領域は酸化膜
(2’)で被われているために、ボロンイオンは打ち込
まれない。
Next, as shown in FIG. 8D, after selectively removing the nitride film, boron was implanted at an acceleration voltage of 60 KeV to about 7 × 10 12 / cm 2 to form a p-type well. . At this time, since the region to be the n-type well is covered with the oxide film (2 ′), boron ions are not implanted.

【0034】次に、図9(a)に示したように、100
0℃で熱処理を行い、イオン打ち込みで導入した不純物
を基板内部に拡散させ、深さが3ミクロン程度のp型ウ
ェル(4)とn型ウェル(5)を形成した。
Next, as shown in FIG. 9A, 100
Heat treatment was performed at 0 ° C. to diffuse the impurities introduced by ion implantation into the inside of the substrate to form a p-type well (4) and an n-type well (5) having a depth of about 3 μm.

【0035】さらに、図9(b)に示したように、2’
の酸化膜を残すように2の酸化膜を除去する。酸化膜の
除去にはフッ酸溶液を用いたが、2’の膜厚は2の酸化
膜に比べて10倍以上厚いので、エッチング時間の制御
によって2’の酸化膜を残すことができる。
Further, as shown in FIG. 9B, 2 '
The second oxide film is removed so that the second oxide film is left. A hydrofluoric acid solution was used to remove the oxide film, but since the film thickness of 2'is 10 times or more thicker than the oxide film of 2, the 2'oxide film can be left by controlling the etching time.

【0036】次に、図9(c)に示したように、この半
導体基板表面に、第1の実施例で述べた手順により、ボ
ロンのデルタドープ層(6)と、シリコンエピタキシャ
ル層(7)を形成する。この際、酸化膜(2’)上に形
成されたシリコン膜は非晶質シリコン膜となる。
Next, as shown in FIG. 9C, a boron delta-doped layer (6) and a silicon epitaxial layer (7) are formed on the surface of this semiconductor substrate by the procedure described in the first embodiment. Form. At this time, the silicon film formed on the oxide film (2 ′) becomes an amorphous silicon film.

【0037】非晶質シリコン膜上に素子を作ることはで
きないので、この非晶質シリコン膜のみを除去する工程
を行う。そこで、図9(d)に示したように、p型ウェ
ル領域(4)を被う有機膜マスクを形成し、非晶質シリ
コン膜を除去する。非晶質シリコン膜の除去に際して
は、酸化膜(2’)が下地となるために、n型ウェル領
域(5)がエッチングの影響を受けることはない(図1
0(a))。次に、マスクとなった有機膜(8)を除去
した後に、酸化膜(2’)をフッ酸溶液で除去し、図1
0(b)に示したように、基板表面を露出させる。図中
に示したように、デルタドーピングされたp型ウェル領
域(4)は、n型ウェル領域(5)よりエピタキシャル
成長させたシリコン膜(7)だけ高くなっている。ただ
し、その高さはたかだか100nm程度である。
Since an element cannot be formed on the amorphous silicon film, a step of removing only this amorphous silicon film is performed. Therefore, as shown in FIG. 9D, an organic film mask covering the p-type well region (4) is formed and the amorphous silicon film is removed. When the amorphous silicon film is removed, the n-type well region (5) is not affected by etching because the oxide film (2 ′) serves as a base (FIG. 1).
0 (a)). Next, after removing the organic film (8) used as a mask, the oxide film (2 ′) is removed with a hydrofluoric acid solution,
As shown in 0 (b), the substrate surface is exposed. As shown in the figure, the delta-doped p-type well region (4) is higher than the n-type well region (5) by the epitaxially grown silicon film (7). However, the height is about 100 nm at most.

【0038】これからは、前述したように、MOS素子
の作成を行う。前述の実施例との違いは、n型およびp
型チャネルのMOS素子を作るために、マスクを用いた
イオン打ち込みなどが必要になる点である。まず、図1
0(c)に示したように、表面に20nmの酸化膜
(9)を成長させる。酸化膜の成長には、前述した高圧
酸化法を用いた。そして、p型ウェル領域(4)を被っ
て、n型ウェル領域の表面に不純物をイオン打ち込みす
る。目的は、前述したように、素子分離特性を改善する
ためである。ここでは、燐を20KeVで、5x1011
/cm2程度打ち込んだ。次に、図10(d)に示した
ように、n型ウェル領域を被って、ボロンをイオン打ち
込みする。加速電圧は20KeV、ドーズ量は5x10
11/cm2程度である。これらのイオン打ち込みによっ
て、MOS構造のしきい電圧が上昇し、MOS界面が反
転するのが防げる。
Now, as described above, the MOS element is prepared. The difference from the above-described embodiment is that the n-type and p
This is the point that ion implantation using a mask is necessary to form a MOS device of the mold channel. First, Fig. 1
As shown in 0 (c), a 20 nm oxide film (9) is grown on the surface. The high-pressure oxidation method described above was used to grow the oxide film. Then, the p-type well region (4) is covered, and impurities are ion-implanted into the surface of the n-type well region. The purpose is to improve the element isolation characteristics as described above. Here, phosphorus is 20 KeV and 5 × 10 11
I hit about / cm 2 . Next, as shown in FIG. 10D, boron is ion-implanted so as to cover the n-type well region. Accelerating voltage is 20 KeV and dose is 5x10.
It is about 11 / cm 2 . These ion implantations prevent the threshold voltage of the MOS structure from rising and prevent the MOS interface from being inverted.

【0039】次に、図11(a)に示したように、酸化
膜(9)上に不純物(具体的には燐を高濃度で含む)シ
リコン膜(10)を堆積して、さらに、酸化膜(11)
を形成する。
Next, as shown in FIG. 11A, an impurity (specifically, phosphorus is contained in a high concentration) silicon film (10) is deposited on the oxide film (9) and further oxidized. Membrane (11)
To form.

【0040】次に、図11(b)に示したように、公知
のリソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、酸化
膜(11)とシリコン膜(10)を、所望の形状に分離
して素子分離領域を決定する。
Next, as shown in FIG. 11B, the oxide film (11) and the silicon film (10) are separated into a desired shape by a known lithography method and a dry etching method, and the element is separated. Determine the separation area.

【0041】さらに、図11(c)に示したように、シ
リコン膜(10)の側壁に側壁絶縁膜(12)を形成し
て、シリコン膜(10)を絶縁する。電気的な素子分離
に際しては、多結晶シリコンの電位は0Vにする。前述
したイオン打ち込みによって、シリコン表面の濃度は高
くなっており、その結果MOS構造のしきい電圧も高く
なっているので、多結晶シリコン(10)の電位が0V
では反転層が形成されず、多結晶シリコンに被われた領
域には電流は流れない。特に、n型ウェル領域(5)で
は、多結晶シリコン(10)と基板とは導電型が同じで
あるために、本質的にしきい電圧が高い状態が実現でき
るので、素子分離特性に優れている。
Further, as shown in FIG. 11C, a side wall insulating film (12) is formed on the side wall of the silicon film (10) to insulate the silicon film (10). At the time of electrical element isolation, the potential of polycrystalline silicon is set to 0V. Due to the above-mentioned ion implantation, the concentration on the silicon surface is increased, and as a result, the threshold voltage of the MOS structure is also increased.
In this case, the inversion layer is not formed, and no current flows in the region covered with polycrystalline silicon. In particular, in the n-type well region (5), since the polycrystalline silicon (10) and the substrate have the same conductivity type, a state in which the threshold voltage is essentially high can be realized, so that the element isolation characteristics are excellent. .

【0042】次に、図11(d)に示したように、p型
ウェル領域(4)を有機膜マスク(8)で被って、n型
ウェル領域(5)の内部に砒素でパンチスルーストッパ
(13)を形成する。打ち込みエネルギーは100Ke
V、ドーズ量は1x1013/cm2程度である。
Next, as shown in FIG. 11 (d), the p-type well region (4) is covered with the organic film mask (8), and the n-type well region (5) is punched with arsenic as a punch-through stopper. (13) is formed. Implantation energy is 100 Ke
The V and dose amounts are about 1 × 10 13 / cm 2 .

【0043】次に、図12(a)に示したように、ゲー
ト酸化膜(14)、ゲート電極(15)の形成を行う。
ここでも、燐を高濃度で含む多結晶シリコンを用いた。
前述したように、ゲート電極構造として、LDD構造に
したり、また、多結晶シリコンとシリコンの化合物であ
るシリサイド膜の積層膜にすることも可能である。さら
には、p型チャネルのMOS素子のゲート電極を、p型
の多結晶シリコンにすることで、表面チャネル型の素子
にすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 12A, a gate oxide film (14) and a gate electrode (15) are formed.
Here again, polycrystalline silicon containing a high concentration of phosphorus was used.
As described above, the gate electrode structure may be an LDD structure, or may be a stacked film of a silicide film which is a compound of polycrystalline silicon and silicon. Furthermore, by forming the gate electrode of the p-type channel MOS element from p-type polycrystalline silicon, it is possible to form a surface channel type element.

【0044】次に、MOS素子のソース・ドレイン不純
物層を形成するために、図12(c)図12(d)に示
したように、一方の導電型の領域をマスクして、イオン
打ち込みを行う。n型チャネルのMOS素子の場合には
砒素を15KeV、2x1015/cm2の条件で打ち込
み、ソース・ドレインとなる不純物層(16)を形成
し、また、p型チャネルのMOS素子の場合にはBF2
を15KeV、2x1015/cm2の条件で打ち込み、
ソース・ドレインとなる不純物層(17)を形成した。
Next, in order to form the source / drain impurity layer of the MOS element, as shown in FIGS. 12C and 12D, one conductivity type region is masked and ion implantation is performed. To do. In the case of an n-type channel MOS element, arsenic is implanted under the conditions of 15 KeV and 2 × 10 15 / cm 2 to form an impurity layer (16) serving as a source / drain. In the case of a p-type channel MOS element, BF 2
Is applied under the conditions of 15 KeV, 2 × 10 15 / cm 2 ,
An impurity layer (17) to be a source / drain was formed.

【0045】最後に、層間絶縁膜(18)の形成、コン
タクト孔の開口、そして、コンタクト孔の金属(19)
による埋め戻しを行い、配線金属を形成して、デルタド
ープ層を有するCMOS素子を完成した。
Finally, the formation of the interlayer insulating film (18), the opening of the contact hole, and the metal (19) of the contact hole.
Backfilling was performed to form a wiring metal, thus completing a CMOS device having a delta-doped layer.

【0046】以上は素子間分離に多結晶シリコン(1
0)を使用する方法を述べたが、この方法では、多結晶
シリコン(10)下のゲート絶縁膜だけで素子分離領域
という広い領域を被っているために、どこか一部で絶縁
耐圧不良を起こす確率が高いという問題がある。このた
め、従来の素子分離酸化膜が使用できれば、その方が望
ましい。そこで、次の実施例では、公知の選択エピタキ
シャル成長方法を採用したCMOS素子の作成例につい
て記述する。選択エピタキシャル成長法は、シリコン基
板表面が露出している領域にのみシリコンの単結晶膜を
成長させ、酸化膜などの絶縁膜で被われた領域には成長
が起こらないようにする技術である。しかしながら、そ
の成長温度が800℃以上と、これまでの実施例で述べ
てきたエピタキシャル膜の成長温度に比べて高いため
に、急峻なドーピングプロファイルを維持するのが難し
いという欠点がある。この選択エピタキシャル成長法を
用いるMOSFETに関しては、特開昭63−2116
79、および、特開平4−179160で述べられてい
るが、それらの例では高濃度基板を用いており、本発明
のように急峻な不純物プロファイルを用いることには言
及されていない。以下、第3の実施例を図13〜図15
を使って説明する。
As described above, polycrystalline silicon (1
0) is used, but in this method, a wide area called an element isolation region is covered only by the gate insulating film under the polycrystalline silicon (10). There is a problem that the probability of causing it is high. Therefore, if the conventional element isolation oxide film can be used, it is preferable. Therefore, in the next embodiment, an example of forming a CMOS device adopting the known selective epitaxial growth method will be described. The selective epitaxial growth method is a technique in which a single crystal film of silicon is grown only in a region where the surface of a silicon substrate is exposed and growth is not caused in a region covered with an insulating film such as an oxide film. However, since the growth temperature is 800 ° C. or higher, which is higher than the growth temperatures of the epitaxial films described in the above examples, there is a drawback that it is difficult to maintain a steep doping profile. A MOSFET using this selective epitaxial growth method is disclosed in JP-A-63-2116.
79 and Japanese Patent Laid-Open No. 4-179160, the examples use a high-concentration substrate, and there is no mention of using a steep impurity profile as in the present invention. Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to FIGS.
Use to explain.

【0047】図13(a)は、実施例2の図9(a)ま
での行程と同様にして、第1導電型の半導体基板(1)
にウェル領域(4、5)を形成したところを示す図であ
る。
FIG. 13A shows the first conductivity type semiconductor substrate (1) in the same manner as the steps up to FIG. 9A of the second embodiment.
It is a figure which shows a place where well regions (4, 5) are formed.

【0048】ウェル領域を形成した基板表面に、図13
(b)に示したように、選択酸化の際のマスクとなる窒
化膜(3)を堆積して、所望の形状に加工する。
The surface of the substrate on which the well region is formed is shown in FIG.
As shown in (b), a nitride film (3) serving as a mask at the time of selective oxidation is deposited and processed into a desired shape.

【0049】この基板を高温の酸化雰囲気に置くと、窒
化膜で被われていない領域に酸化膜(2)が成長し、図
13(c)のような断面になる。具体的には、1100
℃の酸化雰囲気で、400nmの酸化膜を成長させた。
When this substrate is placed in a high temperature oxidizing atmosphere, an oxide film (2) grows in a region not covered with the nitride film, and the cross section becomes as shown in FIG. 13 (c). Specifically, 1100
An oxide film having a thickness of 400 nm was grown in an oxidizing atmosphere at 0 ° C.

【0050】次に、図13(d)に示したように、窒化
膜(3)を除去した後、n型ウェル領域(5)にマスク
をすることにより、p型ウェル領域(4)の表面のみを
露出させ、n型ウェル領域(5)は酸化膜で被われた状
態にする。
Next, as shown in FIG. 13D, the surface of the p-type well region (4) is removed by masking the n-type well region (5) after removing the nitride film (3). Only the n-type well region (5) is covered with the oxide film.

【0051】次に、この基板をエピタキシャル成長炉に
装填する。この実施例で使用したエピタキシャル装置
は、シリコンを含むガスを導入するようになっている。
これが、実施例2で述べた、蒸発源を用いる装置との違
いである。まず、図14(a)に示したように、ボロン
を含むガス、具体的にはジボランを導入して、基板全面
にボロン(6)を被着させる。さらに、シリコンを含む
ガス、具体的にはジシランを導入し、成長温度を800
℃程度に保持すると、酸化膜の無いシリコン基板表面に
のみ、シリコン単結晶膜(7)が成長する。基板全面に
はボロンが被着しているが、その面密度は小さいので、
シリコン単結晶膜の成長の妨げにはならない。
Next, this substrate is loaded into an epitaxial growth furnace. The epitaxial device used in this example is adapted to introduce a gas containing silicon.
This is the difference from the device using the evaporation source described in the second embodiment. First, as shown in FIG. 14A, a gas containing boron, specifically diborane, is introduced to deposit boron (6) on the entire surface of the substrate. Further, a gas containing silicon, specifically disilane, is introduced and the growth temperature is set to 800.
When the temperature is maintained at about ° C, the silicon single crystal film (7) grows only on the surface of the silicon substrate having no oxide film. Boron is deposited on the entire surface of the substrate, but its surface density is low, so
It does not hinder the growth of the silicon single crystal film.

【0052】次に、図14(b)に示したように、nウ
ェル領域5上にある酸化膜上のボロン(6)を除去す
る。ボロン(6)の除去には、マスクを用いたり表面洗
浄をする方法がある。そして、さらに、n型ウェル領域
(5)上の酸化膜を除去して、シリコン基板表面を露出
させる。
Next, as shown in FIG. 14B, the boron (6) on the oxide film on the n-well region 5 is removed. For removing the boron (6), there is a method of using a mask or cleaning the surface. Then, the oxide film on the n-type well region (5) is further removed to expose the surface of the silicon substrate.

【0053】そして、図14(c)に示したように、p
型ウェル領域(4)のみをマスクで被い、n型ウェル領
域(5)に砒素でパンチスルーストッパ(13)を形成
する。打ち込みエネルギーは100KeV、ドーズ量は
1x1013/cm2程度である。
Then, as shown in FIG. 14C, p
Only the type well region (4) is covered with a mask, and a punch through stopper (13) is formed in the n type well region (5) with arsenic. The implantation energy is 100 KeV and the dose is about 1 × 10 13 / cm 2 .

【0054】次に、図14(d)に示したように、ゲー
ト酸化膜(14)、ゲート電極(15)の形成を行う。
ここでも、燐を高濃度で含む多結晶シリコンを用いた。
前述したように、ゲート電極構造として、LDD構造に
したり、また、多結晶シリコンとシリコンの化合物であ
るシリサイド膜の積層膜にすることも可能である。さら
には、p型チャネルのMOS素子のゲート電極を、p型
の多結晶シリコンにすることで、表面チャネル型の素子
にすることも可能である。
Next, as shown in FIG. 14D, a gate oxide film (14) and a gate electrode (15) are formed.
Here again, polycrystalline silicon containing a high concentration of phosphorus was used.
As described above, the gate electrode structure may be an LDD structure, or may be a stacked film of a silicide film which is a compound of polycrystalline silicon and silicon. Furthermore, by forming the gate electrode of the p-type channel MOS element from p-type polycrystalline silicon, it is possible to form a surface channel type element.

【0055】次に、図15(a)に示したように、p型
チャネル、n型チャネルのそれぞれのMOS素子のソー
ス・ドレイン不純物層(16,17)を形成する。n型
チャネルのMOS素子の場合には砒素を15KeV、2
x1015/cm2の条件で打ち込み、不純物層(16)
を形成し、また、p型チャネルのMOS素子の場合には
BF2を15KeV、2x1015/cm2の条件で打ち込
んみ、不純物層(17)を形成した。
Next, as shown in FIG. 15A, source / drain impurity layers (16, 17) of the p-type channel and n-type channel MOS devices are formed. In the case of n-type channel MOS element, arsenic is 15 KeV, 2
Implanted under the condition of x10 15 / cm 2 , impurity layer (16)
In the case of a p-type channel MOS element, BF 2 was implanted under the conditions of 15 KeV and 2 × 10 15 / cm 2 to form an impurity layer (17).

【0056】最後に、図15(b)に示したように、層
間絶縁膜(18)の形成、コンタクト孔の開口、そし
て、コンタクト孔の金属(19)による埋め戻しを行
い、配線金属を形成して、デルタドープ層を有するCM
OS素子を完成した。
Finally, as shown in FIG. 15B, an inter-layer insulating film (18) is formed, contact holes are opened, and the contact holes are backfilled with a metal (19) to form a wiring metal. And CM with delta-doped layer
The OS element was completed.

【0057】図16は、本発明の第2の実施例において
形成された半導体装置を用いたCMOS型インバータの
平面図である。従来型CMOSとほとんど同じである
が、図2における多結晶シリコン(10)からなる素子
分離用のパターンに給電するコンタクトが必要となる。
ここで、30はn型ウェルを形成するためのパターンで
あり、これで囲まれた領域がn型ウェルとなり、それ以
外の領域がp型ウェルとなる。31は素子分離用パター
ンを規定するものである。これで囲まれた領域が素子の
活性領域となり、不純物層やチャネルが形成される。3
2はゲート電極である。33は、p型チャネルMOS素
子とn型チャネルMOS素子を形成する際にそれぞれの
領域に不純物を打ち分けるためのパターンである。34
はコンタクト孔、35は配線金属パターンを示してい
る。
FIG. 16 is a plan view of a CMOS type inverter using the semiconductor device formed in the second embodiment of the present invention. Although it is almost the same as the conventional CMOS, a contact for supplying power to the element isolation pattern made of polycrystalline silicon (10) in FIG. 2 is required.
Here, 30 is a pattern for forming an n-type well, the region surrounded by this becomes an n-type well, and the other region becomes a p-type well. Reference numeral 31 defines an element isolation pattern. The region surrounded by this becomes an active region of the element, and an impurity layer and a channel are formed. Three
2 is a gate electrode. 33 is a pattern for implanting impurities into respective regions when forming a p-type channel MOS element and an n-type channel MOS element. 34
Indicates a contact hole, and 35 indicates a wiring metal pattern.

【0058】[0058]

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の半導体
装置の製造方法を用いれば、濃度分布が非常に急俊なパ
ンチスルーストッパが形成できるので、チャネル近傍で
の不純物濃度を低くしつつパンチスルー現象が顕著に抑
制できる。その結果、しきい電圧低下を伴わないで短チ
ャネル特性を大幅に改善できた。具体的には、チャネル
長にして0.1ミクロンのMOS素子まで、安定な動作
を得ることができた。また、これまでエピタキシャル法
はCMOS素子の作成には適していないと考えられてい
たが、本発明を用いれば、従来の半導体プロセスを使用
した現実的な方法でデルタドープ層を有するCMOS素
子が実現可能となった。このため、CMOS素子の性能
が大幅に向上した。デルタドープ技術を使用すること
で、また、パンチスルーストッパ層とMOS素子の不純
物層との深さを制御できるようになったために、それら
が作る接合の容量を低減することができた。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a punch-through stopper having a very rapid concentration distribution can be formed, so that the impurity concentration near the channel can be reduced. The punch-through phenomenon can be significantly suppressed. As a result, the short channel characteristics could be significantly improved without lowering the threshold voltage. Specifically, it was possible to obtain stable operation up to a MOS element having a channel length of 0.1 μm. Further, although it has been considered that the epitaxial method is not suitable for the fabrication of the CMOS device so far, according to the present invention, the CMOS device having the delta-doped layer can be realized by a practical method using the conventional semiconductor process. Became. Therefore, the performance of the CMOS device is significantly improved. By using the delta doping technique, the depth of the punch-through stopper layer and the impurity layer of the MOS element can be controlled, so that the capacitance of the junction formed by them can be reduced.

【0059】以上の結果、0.1ミクロンレベルのMO
S素子が実現できた。
As a result of the above, MO of 0.1 micron level
S element was realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例による半導体装置の断面
図である。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例による半導体装置の断面
図である。
FIG. 2 is a sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図3】従来の半導体装置の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional semiconductor device.

【図4】半導体基板内部の不純物分布を示す模式図であ
る。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an impurity distribution inside a semiconductor substrate.

【図5】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造
工程図(1)である。
FIG. 5 is a manufacturing process diagram (1) of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention.

【図6】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造
工程図(2)である。
FIG. 6 is a manufacturing process diagram (2) of the semiconductor device according to the first embodiment of the invention.

【図7】本発明の第1の実施例による半導体装置の製造
工程図(3)である。
FIG. 7 is a manufacturing process diagram (3) of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造
工程図(1)である。
FIG. 8 is a manufacturing process diagram (1) of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第2の実施例による半導体装置の製造
工程図(2)である。
FIG. 9 is a manufacturing process diagram (2) of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第2の実施例による半導体装置の製
造工程図(3)である。
FIG. 10 is a manufacturing process diagram (3) of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第2の実施例による半導体装置の製
造工程図(4)である。
FIG. 11 is a manufacturing process diagram (4) of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第2の実施例による半導体装置の製
造工程図(5)である。
FIG. 12 is a manufacturing process diagram (5) of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図13】本発明の第3の実施例による半導体装置の製
造工程図(1)である。
FIG. 13 is a manufacturing process diagram (1) of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第3の実施例による半導体装置の製
造工程図(2)である。
FIG. 14 is a manufacturing process diagram (2) of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第3の実施例による半導体装置の製
造工程図(3)である。
FIG. 15 is a manufacturing process diagram (3) of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図16】本発明の半導体装置を用いたCMOS型イン
バータの平面図である。
FIG. 16 is a plan view of a CMOS inverter using the semiconductor device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1−半導体基板、2、2’−酸化膜、3−窒化膜、4−
p型ウェル領域、5−n型ウェル領域、6−デルタドー
プ層、7−シリコンエピタキシャル膜、8−有機膜マス
ク、9−酸化膜、10−シリコン膜、11−酸化膜、1
2−側壁酸化膜、13−砒素打ち込みによるパンチスル
ーストッパ層、14−ゲート酸化膜、15−ゲート電
極、16−n型不純物層、17−p型不純物層、18−
層間絶縁膜、19−金属、20−金属配線、30−n型
ウェル領域形成パターン、31−素子分離膜形成パター
ン、32−ゲート電極形成パターン、33−不純物イオ
ン打ち込み用パターン、34−コンタクトパターン、3
5−配線パターン。
1-semiconductor substrate, 2, 2'-oxide film, 3-nitride film, 4-
p-type well region, 5-n-type well region, 6-delta doped layer, 7-silicon epitaxial film, 8-organic film mask, 9-oxide film, 10-silicon film, 11-oxide film, 1
2-side wall oxide film, 13-punch through stopper layer by arsenic implantation, 14-gate oxide film, 15-gate electrode, 16-n type impurity layer, 17-p type impurity layer, 18-
Interlayer insulating film, 19-metal, 20-metal wiring, 30-n type well region forming pattern, 31-element isolation film forming pattern, 32-gate electrode forming pattern, 33-impurity ion implantation pattern, 34-contact pattern, Three
5-Wiring pattern.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/092 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 5 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 27/092

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板の主表面に第1の導電型の第1
の不純物濃度を有する第1の不純物層を形成し、該第1
の不純物層上に形成された該第1の不純物濃度より10
倍以上高い第2の濃度を有する上記第1の導電型の第2
の不純物層を形成し、該第2の不純物層上に形成された
該第2の不純物濃度より10倍以上低い第3の濃度を有
する上記第1の導電型の第3の不純物層を形成する第1
の工程と、該第3の不純物層上に第1の絶縁膜を形成
し、該第1の絶縁膜上に第1の導電膜を形成し、該第1
の導電膜上に第2の絶縁膜を形成し、該第2の絶縁膜及
び上記第1の導電膜を所望のパターンに形成し、露出し
た上記第1の導電膜の側壁に側壁絶縁膜を形成すること
により、上記第1の導電膜を主体とした素子分離領域を
形成する第2の工程と、該素子分離領域に囲まれた活性
領域にゲート電極、ソース不純物領域及びドレイン不純
物領域を形成する第3の工程とを具備し、該ソース不純
物領域及びドレイン不純物領域は上記第3の不純物層か
ら上記第1の不純物層内にかけて形成されることを特徴
とする半導体装置の製造方法。
1. A first surface of a first conductivity type is formed on a main surface of a semiconductor substrate.
Forming a first impurity layer having an impurity concentration of
Of the first impurity concentration formed on the impurity layer of
A second of the first conductivity type having a second concentration more than twice as high
And forming a third impurity layer of the first conductivity type having a third concentration 10 times or more lower than the second impurity concentration formed on the second impurity layer. First
And the step of forming a first insulating film on the third impurity layer, forming a first conductive film on the first insulating film,
A second insulating film is formed on the conductive film, and the second insulating film and the first conductive film are formed into a desired pattern, and a sidewall insulating film is formed on the exposed side wall of the first conductive film. By forming, a second step of forming the element isolation region mainly composed of the first conductive film, and forming a gate electrode, a source impurity region and a drain impurity region in the active region surrounded by the element isolation region And a third step of: forming the source impurity region and the drain impurity region from the third impurity layer to the inside of the first impurity layer.
【請求項2】上記第1の導電型はp型に形成され、上記
第2の不純物層はボロンを含み、その厚さが1ナノメー
タ以上20ナノメータ以下に形成され、かつ、上記第3
の不純物層の厚さが30ナノメータ以上50ナノメータ
以下に形成されることを特徴とする請求項1記載の半導
体装置の製造方法。
2. The first conductivity type is formed as a p-type, the second impurity layer contains boron, and the thickness thereof is formed between 1 nanometer and 20 nanometers inclusive, and the third impurity layer is formed.
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the impurity layer is formed to have a thickness of 30 nanometers or more and 50 nanometers or less.
【請求項3】上記第1の導電型はn型に形成され、上記
第2の不純物層はアンチモンを含み、その厚さが1ナノ
メータ以上20ナノメータ以下に形成され、かつ、上記
第3の不純物層の厚さが30ナノメータ以上50ナノメ
ータ以下に形成されることを特徴とする請求項1記載の
半導体装置の製造方法。
3. The first conductivity type is formed as an n-type, the second impurity layer contains antimony, and the thickness thereof is formed between 1 nanometer and 20 nanometers inclusive, and the third impurity is formed. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the layer is formed to have a thickness of 30 nanometers or more and 50 nanometers or less.
【請求項4】上記第1の導電膜は多結晶シリコンからな
ることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記
載の半導体装置の製造方法。
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductive film is made of polycrystalline silicon.
【請求項5】半導体基板の主表面に酸化により素子分離
酸化膜を形成し、該素子分離酸化膜に囲まれた第1の活
性領域上に第1の導電型の第1の不純物濃度を有する第
1の不純物層を形成し、該第1の不純物層上に形成され
た該第1の不純物濃度より10倍以上高い第2の濃度を
有する上記第1の導電型の第2の不純物層を形成し、該
第2の不純物層上に形成された該第2の不純物濃度より
10倍以上低い第3の濃度を有する上記第1の導電型の
第3の不純物層を形成する第1の工程と、上記第1の活
性領域にゲート電極、ソース不純物領域及びドレイン不
純物領域を形成する第2の工程とを具備し、該ソース不
純物領域及びドレイン不純物領域は上記第3の不純物層
から上記第1の不純物層内にかけて形成されることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
5. A device isolation oxide film is formed on the main surface of a semiconductor substrate by oxidation, and a first conductivity type first impurity concentration is provided on a first active region surrounded by the device isolation oxide film. Forming a first impurity layer and forming a second impurity layer of the first conductivity type having a second concentration 10 times or more higher than the first impurity concentration formed on the first impurity layer; A first step of forming a third impurity layer of the first conductivity type having a third concentration 10 times or more lower than the concentration of the second impurity formed on the second impurity layer. And a second step of forming a gate electrode, a source impurity region and a drain impurity region in the first active region, wherein the source impurity region and the drain impurity region are formed from the third impurity layer to the first impurity region. Semiconductor device characterized by being formed in the impurity layer of The method of production.
【請求項6】上記第1の導電型はp型に形成され、上記
第2の不純物層はボロンを含み、その厚さが1ナノメー
タ以上20ナノメータ以下に形成され、かつ、上記第3
の不純物層の厚さが30ナノメータ以上50ナノメータ
以下に形成されることを特徴とする請求項5記載の半導
体装置の製造方法。
6. The first conductivity type is formed as a p-type, the second impurity layer contains boron, and the thickness thereof is formed between 1 nanometer and 20 nanometers inclusive, and the third impurity layer is formed.
6. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the impurity layer is formed to have a thickness of 30 nanometers or more and 50 nanometers or less.
【請求項7】上記第1の導電型はn型に形成され、上記
第2の不純物層はアンチモンを含み、その厚さが1ナノ
メータ以上20ナノメータ以下に形成され、かつ、上記
第3の不純物層の厚さが30ナノメータ以上50ナノメ
ータ以下に形成されることを特徴とする請求項5記載の
半導体装置の製造方法。
7. The first conductivity type is formed as an n-type, the second impurity layer contains antimony, and the thickness thereof is formed between 1 nanometer and 20 nanometers inclusive, and the third impurity is formed. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the layer is formed to have a thickness of 30 nanometers or more and 50 nanometers or less.
【請求項8】上記第1の導電膜は多結晶シリコンからな
ることを特徴とする請求項5乃至請求項7の何れかに記
載の半導体装置の製造方法。
8. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein the first conductive film is made of polycrystalline silicon.
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