JPH0620131B2 - 電界効果トランジスタとその製造方法 - Google Patents

電界効果トランジスタとその製造方法

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JPH0620131B2
JPH0620131B2 JP61078414A JP7841486A JPH0620131B2 JP H0620131 B2 JPH0620131 B2 JP H0620131B2 JP 61078414 A JP61078414 A JP 61078414A JP 7841486 A JP7841486 A JP 7841486A JP H0620131 B2 JPH0620131 B2 JP H0620131B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、電界効果トランジスタ素子、詳しくは、ゲー
ト酸化物と半導体本体との間の界面境界における電界強
度レベルを低減する差別的にドープされた表面および表
面下方の構造を有する電界効果トランジスタ素子に関す
る。
最も有用で有益な電気素子の1つは電界効果トランジス
タ(FET)である。超大規模集積(VLSI)回路は
金属−酸化物−半導体(MOS)電界効果素子を使用し
て形成されている。これらの所謂MOSFET素子はゲ
ート近辺の素子の構造からこのような名称が付けられて
いる。ゲート電極は典型的にはシリコン酸化物層によっ
て酸化物の下方のドープされた半導体層から絶縁された
金属層で構成される。本発明において取り扱う問題は、
ゲート酸化物領域、特に素子のドレインに近接したゲー
ト酸化物領域におけるホット電子、即ちエネルギの高い
電子のトラップ(trapping)の問題である。
コストを低減し、性能を改良することは、金属−酸化物
−半導体素子を更に小型化するために有利である。リソ
グラフィおよびエッチング技術が更に発展することによ
り素子の大きさを更に小さくできよう。不幸にして、既
存の装置との適合性のような理由のために、このような
素子に使用される電源電圧は、通常、回路の密度が増大
するにつれて低減することはできない。このため、形状
寸法が小さくなるにつれて素子内の電界強度レベルが増
大する。MOS素子内の高い電界の効果はMOSFE
T、特に nチャンネルMOSFET(NMOSFET)
におけるキャリアの移動度を低減し、チャンネルのホッ
ト電子を不安定にする。 nチャンネルFETのソース領
域からドレイン領域に流れる電子は横方向の電界成分か
らエネルギを獲得する。この電界成分はシリコン半導体
とゲート電極の下方のシリコン酸化物絶縁層との間の界
面に平行である。エネルギの高い電子はシリコン−シリ
コン酸化物間エネルギ障壁を乗越える傾向があり、酸化
物ゲート絶縁層内にプラップされるかまたはまだ十分に
理解されていない機構によって好ましくない界面状態を
発生する。
チャンネル電流からのホット電子、即ちエネルギの高い
電子は半導体とゲート酸化物との間の障壁を乗越えるに
十分なエネルギを獲得する傾向にあり、その結果酸化物
内に注入される。この注入された電子がトラップされる
と、しきい値電圧のシフトおよび相互コンダクタンスの
低下というような素子の不安定性を引起す傾向がある。
従って、ホット電子に抵抗性のあるMOSFETを開発
して、このような不安定性を防止することが非常に望ま
しい。この不安定性はVLSI回路におけるMOSFE
T素子を更に小型化するのに望ましくない重大な制約と
なる。
ホット電子の効果の問題はゲート酸化物の厚さを増大す
ることによって部分的に改善することができるが、これ
はゲート制御効果を低下させ、素子の動作を遅くするこ
とになるので望ましくないことである。
ホット電子の問題は確かに望ましくないことであり、M
OSFETの最小のゲート長さを最終的に制限するもの
であると考えられる。ホット電子のトラップ効果に対し
て絶縁材の品質を改良することが可能であるが、チャン
ネルのホット電子の信頼性を改良する多くの努力はFE
Tチャンネル内の横方向の電界の強さを低減することに
向けられている。このような試みとしては、傾斜ソース
/ドレイン接合部を設けたり、二重拡散ソース/ドレイ
ン領域を設けたり、またゲート電極および酸化物に隣接
して酸化物の側壁スペーサを設けることがある。これら
の方法の全てはn+ドレイン−p チャンネル間の遷移を急
峻でないように形成することによって横方向の電界強度
を低減している。本発明者は酸化物側壁スペーサが最大
安全動作電圧を2ボルト増大することができることを見
出した。1000オングストロームのスペーサの長さ当
り1.5ボルトの最大利得が可能である。更に、ホット
電子の効果の問題を軽減するためのいづれの方法または
構造も現在のVLSI半導体処理工程と適合するもので
あることが好ましい。
発明の概要 本発明の好適実施例によれば、埋込みスペーサおよび表
面スペーサを共に使用して、電流−電圧特性に悪影響を
及ぼすことなくシリコン−シリコン酸化物間の界面境界
からの高密度の電流の流れを離れさせる。特に、高い電
界を用いてゲート電極の両側のソース領域またはドレイ
ン領域(好ましくは両方)にイオン注入法により低濃度
にドープされた n型埋込み領域を形成する。このドープ
された n型領域はシリコン−シリコン酸化物間の境界か
ら下方に離隔して設けられる。このドープされた n型領
域は高電圧での注入により形成される。また、ヒ素のよ
うな第2の低濃度のn-型ドーパントが素子の表面に注入
される。この追加の表面注入はゲート制御を良好にし、
素子の電流−電圧特性を改善する。次いで、ゲート電極
の両側にシリコン酸化物のスペーサが異方性を有する反
応性イオン・エッチングのような処理方法によって形成
される。次いで、第3のイオン注入操作がドーパント濃
度を高くして、低いイオン注入電界強度で行われる。し
かしながら、ドーパント濃度を一層高くすると、半導体
への浸透が一層深くなる。この処理の結果、一層低い濃
度にドープされた n型およびn-型領域が半導体の表面お
よびその下方でソースおよびドレイン領域から延在す
る。深い方のソースおよびドレイン延長部の間には高い
電流密度が生じる。この結果、ゲート電極の近傍に生じ
るホット電子が減少して、素子の電流−電圧特性に対す
る悪影響が減少する。更に、横方向の電界強度、特にゲ
ート酸化物の直下の電界強度は非常に減少する。
従って、本発明の目的は、ホット電子の効果を大幅に除
去したMOSFET素子を製造する方法を提供すること
にある。
また、本発明の目的は、改良されたNMOSFETの製
造方法を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、素子の電流−電圧特性に重要
な影響を与えることなくMOSFET素子のゲート酸化
物の下方の横方向の電界強度を低減する方法を提供する
ことにある。
本発明の更に別の目的は、ホット電子の効果を悪化させ
ることなくMOSFET回路の大きさを減少する方法を
提供することにある。
また、本発明の目的は、ホット電子の効果が十分に軽減
されているMOSFET、特にNMOSFET素子を提
供することにある。
本発明の主題は特許請求の範囲に記載されているが、本
発明の構成および動作の方法は他の目的および利点と共
に添付図面を参照した以下の説明からよりよく理解され
るであろう。
発明の詳しい説明 第1図は本発明にるNMOSFET素子を示しているも
のである。本発明の目的を達成するために使用される特
定の方法を除いて、通常の方法により素子の製造が行な
われる。第1図は特に下方に設けられた n型にドープさ
れた基板99を示している。通常の方法によると、フィ
ールド酸化物層115が基板99を高温で酸素にさらす
ことによって基板99上に成長したシリコンの酸化物の
絶縁層で構成される。この層はパターンを形成するよう
にエッチングされて、チップまたはウェーハ上に能動領
域を限定する。その後、典型的には p型にドープされた
ウエル(井戸形の領域)100がフィールド酸化物中の
能動領域の開口部を介してイオン注入法により形成され
る。それから、薄いシリコンの酸化物層が全基板上に成
長させられる。この酸化物層は最終的にはゲート酸化物
116を形成し、このゲート酸化物は上述したホット電
子のトラップ効果を受けやすい構造を有する。この薄い
酸化物層の上に、多結晶シリコンの層を堆積し、 n型ド
ーパントで高濃度にドープして、高い導電性を示す部分
を形成する。この層は最終的にはゲート電極130を形
成する。ドープされた多結晶シリコンの代りに金属をゲ
ート電極材として使用してもよい。いづれにしても、こ
の段階の工程においては、一般的にマスクを使用してゲ
ート電極および所望の電極相互接続パターンを形成す
る。このパターンは多結晶シリコンまたは金属のゲート
電極材を選択的に取り除くことによって形成され、典型
的にな能動領域に薄い酸化物層を残す。
半導体製造方法におけるこの段階においては、特別な処
理工程を使用して第1図に示す構造の形成を行なう。具
体的にいうと、製造工程のこの点において、ヒ素のよう
な低濃度の n型ドーパントが埋込み層中に沈積される。
この沈積は約200kkeVの電圧でイオン注入法により
行なわれる。この結果、シリコン−酸化物間界面から下
方に約1000オングストロームの深さの所に低濃度に
ドープされた n型領域103および104(点線の間)
が形成される。ドープされた n型領域103および10
4はゲート領域に向って内向きに延在し、図示の延長部
を形成する。これらの延長部は埋込みチャンネル素子に
おけるホット電子のトラップ効果を低減するためのもの
である。本発明によれば、第2のドーピングを低くした
電位で行なわれる。従って、領域105および106は
ヒ素のような低濃度のドーパントをドープすることによ
り形成される。領域103,104,105および10
6はフィールド酸化物115から内向きにゲート電極1
30の左および右端部に向って延在することに注意され
たい。このドーピングはソースまたはドレイン領域の1
平方センチメートルあたり約1012乃至1014のドーパ
ント原子の注入量で行なわれる。対照的に、従来のドー
ピングは更に低い注入電圧で実施され、第1図に示すよ
うな傾斜した埋込みスペーサ構造を形成しない。領域1
03および104の形成は領域105および106を形
成する前または形成した後に行うことができるが、最初
に深い注入を行うことも可能であることに注意された
い。
この段階の処理において、別のシリコン酸化物層がウェ
ーハまたはチップの表面上に堆積させられる。しかしな
がら、酸化物層を堆積させる他の方法と対照的に、この
処理工程においては、典型的には化学蒸着法が使用され
る。これは素子の全表面を覆うのに好ましいからであ
る。次いで、反応性イオン・エッチングを典型的にはト
リフルオロメタン(CHF)の雰囲気内で実行し、ゲ
ート電極130の両側におけるような急峻な垂直変移を
示す領域を除いて、このシリコン層のほとんどを異方性
エッチングして取り除く。この異方性エッチングは、ゲ
ート電極130の両側に酸化物スイペーサ117′を残
すという点において有利である。このスペーサは、ゲー
トの下方の酸化物−半導体間界面の近傍、特にゲートと
素子のドレインとの間の近傍において発生するホット電
子の効果を軽減する重要な機能を有している。更に、ス
ペーサ117′はまた次の処理工程用の自合整合マスク
を提供し、この次の処理工程はソースおよびドレイン領
域のイオン注入または拡散である。本発明によれば、よ
り高い濃度のn+ 型ドーピングが能動領域のソースおよ
びドレイン領域に行なわれている。典型的には、この第
2のドーピングは1平方センチメートルあたり約8×1
15個のドーパント原子の注入量で行なわれる。この結
果、第1図において領域101および102が形成さ
れ、これらの領域は典型的には約15004乃至400
0オングストロームの深さまで延在する。スペーサ11
7′によって与えられるマスク効果のために、ソースお
よびドレインに小さな n型およびn-型にドープされた領
域が残り、これらは領域101および102から内向き
に伸びている。これらは図示のように層103,10
4,105および106の一部を形成する延長部を構成
する。典型的には、各々のゲート側部のスペーサ11
7′は約0.1乃至0.2ミクロンの幅を有する。従っ
て、低濃度にドープされたソースおよびドレイン延長部
はほぼ0.1乃至0.2ミクロンの対応する距離だけゲ
ートに向って内向きに延在する。
本発明によれば、ポリシリコン材からなるスペーサ11
7′を使用することも可能である。この実施例において
は、低濃度にドープされた領域103,104,105
および106は通常の電圧レベル、例えば90keVで
注入することができる。この実施例においては、埋込み
チャンネルは、ドープされたポリシリコンまたは金属の
スペーサがドープされたポリシリコンのゲートを介して
正の電圧にバイアスされたとき形成される。ドープされ
た多結晶シリコンのスペーサを使用したい場合には、反
応性イオン・エッチングを使用してゲート・マスク工程
において多結晶シリコン材を取り除く。
本発明においては、領域105および106は、1平方
センチメートル当り約1012乃至1014個のドーパント
原子の注入量で、好ましくはヒ素のようなドーパントに
より低濃度にドープされている。領域103および10
4のドーパント注入量は1平方センチメートル当り約1
13乃至1014個のドーパント原子のように僅かに高く
する。しかしながら、これらの注入量はソース領域10
1およびドレイン領域102の高濃度(n+)のドーパン
ト注入の前における領域103および104のドーパン
ト濃度を定めていることに注意されたい。この高濃度の
ドーパント注入を行ったとき、低いドーパント濃度のソ
ースおよびドレイン部分が、スペーサ117′によるマ
スク作用の結果として残り、これらの部分は互いに向い
合う方向に伸びて延在する。典型的には、高濃度のn+
のドーパントの注入量は1平方センチメートル当り約8
×1015個のドーパント原子である。
第2図は、種々の表面下方のスペーサ構造によって達成
されるゲート領域における横方向電界の相対的な改良を
示している。特に第2図はチャンネル位置の関数として
電界強度をコンピュータでシミュレートしたグラフで示
しているものである。電界強度は1セチメートル当りの
メガボルトで測定され、チャンネル位置はミクロンの単
位で与えられている。また、第2図はMOSFET素子
内の半導体材料から成るゲート領域を横切る種々の素子
領域を示している。具体的にいうと、第2図はゲート領
域およびゲート領域の両側のスペーサを含めたソース領
域からドレイン領域への変化を示している。図示の全て
の場合において、ソース対ドレイン電圧およびソース対
ゲート電圧は5.5ボルトに固定されている。従来のヒ
素をドープしたスペーサが半導体基板の表面に使用され
た場合には、横方向の電界はゲート−ドレイン間の近傍
において約0.21メガボルト/センチメートル(MV
/cm)のピーク値に達することが解る。本発明のハイブ
リッドのスペーサ構造を使用した場合には、シミュレー
トされた電界強度のピーク値は約0.15メガボルト/
センチメートルに低減していることがわかる。しかしな
がら、埋込みスペーサのみが存在する構造では、約0.
12メガボルト/センチメートルの横方向の最大電界強
度が生じることが解る。しかしながら、この素子はゲー
ト制御能力が少し悪くなる。この制御能力は本発明の構
造によって回復される。いづれにしても、横方向の電界
強度の低下はホット電子の効果を制御するのに非常に望
ましいものである。
従って、本発明の方法および構造はMOSFET素子の
酸化物層におけるホット電子のトラップの問題に対する
有利な解決法を提供していることが上述のことから理解
されよう。また、本発明は従来の処理方法から逸脱する
ことなく注入による所望の構造を形成する簡略化された
方法を提供していることも理解されるであろう。また、
本発明は電源電圧を低減する必要もなく現在達成し得る
ものよりもより大きな密度にできるようにMOSFET
回路の縮小を可能にしていることも理解されるであろ
う。従って、本発明により製造される素子は既存の装置
に非常に容易に組み込むことができる。また、本発明の
素子は重要な素子特性を損うことなく電圧ストレスに一
層良好に耐えることができることがわかるであろう。更
に、一般にはソースおよびドレイン領域の両方が本発明
の埋込みチャンネル構造を有することが好ましいもので
あるが、これらの領域の一方にのみこの構造を使用する
ことも可能であることに注意されたい。しかしながら電
流の流れが一方向であるトランジスタにおいてはドレイ
ン領域にのみこのような構造を使用することが一般に好
ましいものである。
本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本技
術分野に専門知識を有するものにとっては多くの変形お
よび変更を行うことができよう。従って、本発明の真の
精神および範囲内に入るこのような全ての変形および変
更は特許請求の範囲に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明により製造されたMOSFET素子の断
面図であり、 第2図はいくつかのMOSFET構造の横方向電界強度
をチャンネル位置に対して示すグラフである。 (主な符号の説明) 99……基板、100ウエル、103,104,10
5,106……低濃度にドープされた領域、105,1
06……延長部、115……フィールド酸化物層、11
6……ゲート酸化物、117′……スペーサ、130…
…ゲート電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ・シャッピアー イスラエル共和国 エルサレム、シャハ ー・ストリート 24番 (56)参考文献 特開 昭58−131773(JP,A) 実開 昭56−49163(JP,U)

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】金属−酸化物−半導体型の電界効果トラン
    ジスタにおいて、 第1の極性のドーパントでドープされた半導体本体と、 該半導体本体の一部の上に配置された絶縁層と、 前記半導体本体から電気的に絶縁されるように前記絶縁
    層の上に配置された導電性ゲート電極とを有し、 前記半導体本体は第2の極性のドーパントで高濃度にド
    ープされたソース領域と、前記第2の極性のドーパント
    で高濃度にドープされたドレイン領域とを有し、該ソー
    スおよびドレイン領域は前記ゲート電極の両側に所定の
    深さまで前記半導体本体内に配置されており、 前記半導体本体はまた前記ソースおよびドレイン領域の
    少なくとも一方から延在する低濃度にドープされた第1
    の延長部を有し、該第1の延長部のドーパントは第2の
    極性のドーパントであり、前記第1の延長部の各々は前
    記半導体本体の表面より下方に配置されて前記ゲート電
    極の下方の領域に向って延在し、前記第1の延長部の各
    々は前記半導体本体と前記絶縁層との間の境界から離隔
    しており、 前記半導体本体はまた前記ソースおよびドレイン領域の
    少なくとも一方から延在する低濃度にドープされた第2
    の延長部を有し、該第2の延長部のドーパントは第2の
    極性のドーパントであり、前記第2の延長部の各々は前
    記半導体本体の表面に隣接して配置されて、前記ゲート
    電極の下方の領域に向って延在すると共に前記第1の延
    長部から離隔している電界効果トランジスタ。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記ゲート電極の両側には側部スペ
    ーサが設けられている電界効果トランジスタ。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第2項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記スペーサの幅が約0.1乃至
    0.2ミクロンである電界効果トランジスタ。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記低濃度にドープされた延長部が
    隣接の高濃度にドープされた領域から約0.1乃至0.
    2ミクロンの距離だけ伸びている電界効果トランジス
    タ。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記低濃度にドープされた第1の延
    長部の各々が前記絶縁層と前記半導体本体との間の界面
    から下方に約1000オングストロームの所に配置され
    ている電界効果トランジスタ。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記高濃度にドープされた領域が前
    記半導体本体の表面からほぼ1500乃至4000オン
    グストロームの深さまで延在している電界効果トランジ
    スタ。
  7. 【請求項7】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記第1の極性のドーパントがp型
    ドーパントであり、前記第2の極性のドーパントがn型
    ドーパントである電界効果トランジスタ。
  8. 【請求項8】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記トランジスタが n型チャンネル
    素子である電界効果トランジスタ。
  9. 【請求項9】特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラ
    ンジスタにおいて、前記低濃度のドーパントの1つがヒ
    素である電界効果トランジスタ。
  10. 【請求項10】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記低濃度のドーパントの1つが
    リンである電界効果トランジスタ。
  11. 【請求項11】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記半導体本体がシリコンからな
    る電界効果トランジスタ。
  12. 【請求項12】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記半導体本体がp型にドープさ
    れたウエルを有するn型にドープされた半導体基板で構
    成されている電界効果トランジスタ。
  13. 【請求項13】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記絶縁層がシリコン酸化物より
    なる電界効果トランジスタ。
  14. 【請求項14】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記導電性ゲート電極が金属およ
    びドープされた多結晶シリコンからなるグループから選
    択された材料で形成されている電界効果トランジスタ。
  15. 【請求項15】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記高濃度にドープされた領域が
    1平方センチメートル当り約8×1015個のドーパント
    原子の注入量で形成されている電界効果トランジスタ。
  16. 【請求項16】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記低濃度にドープされた第1の
    延長部の各々が1平方センチメートル当り約1012乃至
    1014個のドーパント原子の注入量で形成されている電
    界効果トランジスタ。
  17. 【請求項17】特許請求の範囲第1項記載の電界効果ト
    ランジスタにおいて、前記低濃度にドープされた第2の
    延長部の各々が1平方センチメートル当り約1012乃至
    1014個のドーパント原子の注入量で形成されている電
    界効果トランジスタ。
  18. 【請求項18】金属−酸化物−半導体型の電界効果トラ
    ンジスタを製造する方法において、ソースおよびドレイ
    ン領域構造を形成するために、 (a)半導体本体の表面から下方に一定の距離の所に低
    濃度の第1の極性のドーパントを注入し、 (b)前記半導体本体の表面に隣接し、且つ前記半導体
    表面から下方に前記一定の距離の所に注入されたドーパ
    ントの領域から離隔するように前記第1の極性の低濃度
    の第2のドーパントを注入し、 (c)前記半導体本体にソースおよびドレイン領域を形
    成し、該ソースおよびドレイン領域は高濃度の前記第1
    の極性のドーパントを有していて、前記低濃度にドープ
    された領域を含むように前記半導体本体の表面から下向
    きに延在すると共に、水平方向に延在して、この高濃度
    にドープ処理されたソースおよびドレイン領域から互い
    に向い合う方向に延在する低濃度にドープされた延長部
    を形成する工程を含むことを特徴とする方法。
  19. 【請求項19】特許請求の範囲第18項記載の方法にお
    いて、前記ドーパントがヒ素である方法。
  20. 【請求項20】特許請求の範囲第18項記載の方法にお
    いて、前記工程(a)が工程(b)の前に行なわれる方
    法。
  21. 【請求項21】特許請求の範囲第18項記載の方法にお
    いて、前記工程(a)が前記工程(b)の前に行なわれ
    る方法。
  22. 【請求項22】特許請求の範囲第18項記載の方法にお
    いて、前記工程(a)が1平方センチメートル当り約1
    12乃至1014個のドーパント原子の注入量で行われる
    方法。
  23. 【請求項23】特許請求の範囲第22項記載の方法にお
    いて、前記工程(b)が1平方センチメートル当り約1
    12乃至1014個のドーパント原子の注入量で行われる
    方法。
  24. 【請求項24】特許請求の範囲第22項記載の方法にお
    いて、前記工程(c)が前記ソースおよびドレイン領域
    を1平方センチメートル当り約8×1015個のドーパン
    ト原子の濃度で形成する方法。
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