JPH07202192A - Manufacture of mos semiconductor device - Google Patents

Manufacture of mos semiconductor device

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JPH07202192A
JPH07202192A JP35239493A JP35239493A JPH07202192A JP H07202192 A JPH07202192 A JP H07202192A JP 35239493 A JP35239493 A JP 35239493A JP 35239493 A JP35239493 A JP 35239493A JP H07202192 A JPH07202192 A JP H07202192A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gate electrode
polysilicon film
semiconductor device
polysilicon
implanted
Prior art date
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Pending
Application number
JP35239493A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Tanaka
田中  誠
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to JP35239493A priority Critical patent/JPH07202192A/en
Publication of JPH07202192A publication Critical patent/JPH07202192A/en
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Abstract

PURPOSE:To form a BF2-implanted polysilicon gate electrode which is never depleted but protected against an impurity punch-through phenomenon. CONSTITUTION:Provided that a polysilicon film for a gate electrode is as thick as 200 to 350nm, BF2 are ion-implanted 2X10<15> to 3X10<15>/cm<2> in doses into the polysilicon film with an implantation energy of 20 to 50KeV, and the polysilicon film is thermally treated at temperature of 800 to 850 deg.C to serve as a gate electrode polysilicon film of a PMOS semiconductor device.

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MOS型半導体装置とそ
の製造方法に関し、特にサブミクロン以下もしくはハー
フミクロン以下と称される微細パターンを有するMOS
型半導体装置の製造方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS type semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a MOS having a fine pattern called submicron or less or half micron or less.
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、半導体集積回路装置プロセス
は、微細化が進むほどその工程数が増加する傾向にあ
る。また、MOS型半導体装置のプロセスでは、微細化
が進むほど短チャネル効果やホットキャリア効果など種
々の問題が生じる。
2. Description of the Related Art In general, the number of steps in a semiconductor integrated circuit device process tends to increase as miniaturization progresses. Further, in the process of the MOS type semiconductor device, various problems such as a short channel effect and a hot carrier effect occur as miniaturization progresses.

【0003】同一基板にNチャネルMOSトランジスタ
とPチャネルMOSトランジスタを形成したCMOSデ
バイスでは、ポリシリコンゲート電極としてはN+ポリ
シリコンゲート電極が広く用いられている。これは、ポ
リシリコン膜上にリンガラスを堆積し、熱処理によって
リンをポリシリコン膜に拡散させて低抵抗化を図ったシ
リコンゲート電極である。そのようなCMOSデバイス
では、Nチャネル側を表面チャネル型、Pチャネル側を
埋込みチャネル型にしている場合が多い。
In a CMOS device having an N-channel MOS transistor and a P-channel MOS transistor formed on the same substrate, an N + polysilicon gate electrode is widely used as a polysilicon gate electrode. This is a silicon gate electrode in which phosphorus glass is deposited on a polysilicon film and phosphorus is diffused into the polysilicon film by heat treatment to reduce the resistance. In such a CMOS device, the N channel side is often a surface channel type and the P channel side is a buried channel type in many cases.

【0004】しかし、微細化が進みサブミクロン以下や
ハーフミクロン以下のプロセスになると、埋込み型構造
では短チャネル効果を抑制することが困難になるため、
Pチャネル型も表面型に移行せざるを得ない状況になっ
ている。その場合、Pチャネル型用に新たにP+ポリシ
リコンゲート電極(アクセプタ注入によるポリシリコン
ゲート電極の低抵抗化)や、N+ポリシリコンゲート電
極とP+ポリシリコンゲート電極とを接続するためのサ
リサイド構造の採用が必要になるなど、工程数は増加す
る一方である。
However, when the miniaturization progresses and the process becomes submicron or less or half micron or less, it becomes difficult to suppress the short channel effect in the buried type structure.
The P-channel type is inevitably shifting to the surface type. In that case, a new P + polysilicon gate electrode for P channel type (reduction of resistance of the polysilicon gate electrode by acceptor injection) or a connection between the N + polysilicon gate electrode and the P + polysilicon gate electrode The number of processes is increasing due to the need to adopt a salicide structure.

【0005】P+ポリシリコンゲート電極、N+ポリシリ
コンゲート電極の採用にあたり、ゲート電極の低抵抗化
は一般に不純物のイオン注入による手法を用いねばなら
ない。この場合、注入不純物の基板チャネル部分への突
抜け(以下、不純物突抜けと呼ぶ)によりしきい値電圧
やフラットバンド電圧が変動したり、耐圧が劣化する問
題が生じる。また、ゲート電極の低抵抗化が不十分でゲ
ート空乏化が起こる場合には、高速動作への障害を引き
起こす。不純物突抜けとゲート電極低抵抗化は相反する
関係にあり、不純物突抜けを抑えるようなイオン注入条
件に設定すればゲート電極の低抵抗化が不十分になりや
すく、逆にゲート電極を十分に低抵抗化するようなイオ
ン注入条件に設定すれば不純物突抜けが起こりやすくな
る。そのため、ゲート電極のポリシリコン膜厚、不純物
の注入エネルギー、ドーズ量、及び注入された不純物の
活性化と拡散のための熱処理などのゲート電極形成条件
の設定を詳細に検討することが必要になってくる。
In adopting the P + polysilicon gate electrode and the N + polysilicon gate electrode, the resistance of the gate electrode must generally be reduced by ion implantation of impurities. In this case, there is a problem that the threshold voltage or the flat band voltage is changed or the breakdown voltage is deteriorated due to the penetration of implanted impurities into the substrate channel portion (hereinafter referred to as impurity penetration). Further, when the resistance of the gate electrode is not sufficiently lowered and the gate is depleted, it causes an obstacle to high-speed operation. Impurity penetration and resistance reduction of the gate electrode are in a contradictory relationship.If the ion implantation conditions are set so as to suppress impurity penetration, resistance reduction of the gate electrode is apt to be insufficient, and conversely the gate electrode is sufficiently reduced. Impurity penetration is likely to occur if the ion implantation conditions are set so as to reduce the resistance. Therefore, it is necessary to study in detail the setting of the gate electrode formation conditions such as the polysilicon thickness of the gate electrode, the implantation energy of impurities, the dose amount, and the heat treatment for activation and diffusion of the implanted impurities. Come on.

【0006】PMOS半導体装置で注入イオンとしてB
2を用いる場合は、活性化時に酸化膜中に偏析したフ
ッ素が基板チャネル部分へのボロンの突抜けを促進する
こと(以下、Fによる増速拡散と呼ぶ)が報告されてい
る(Fluorine Effect on Boron Diffusion of P+Gate D
evices; IEDM89,pp.447〜450(1989IEEE)参照)。その
ため、P+ポリシリコンゲート電極をもつPMOSFE
Tの形成はN+ゲート電極をもつNMOSFETの形成
に比べてより難しいと考えられている。
In a PMOS semiconductor device, B is used as implanted ions.
When F 2 is used, it has been reported that the fluorine segregated in the oxide film at the time of activation promotes the penetration of boron into the channel portion of the substrate (hereinafter referred to as F enhanced diffusion) (Fluorine Effect). on Boron Diffusion of P + Gate D
evices; IEDM89, pp.447-450 (1989 IEEE)). Therefore, PMOS FE with P + polysilicon gate electrode
Forming T is believed to be more difficult than forming NMOSFETs with N + gate electrodes.

【0007】不純物突抜けを防止してプロセスマージン
を広くするために、ゲートにバリア層を設けたり、窒化
膜を用いてフッ素によるボロンの増速拡散を抑制するな
どの手法がいくつか提案されている(特開平1−173
713号公報、特開平1−187971号公報、特開平
1−220438号公報、特開平2−78229号公報
などを参照)。しかし、このような提案の手法では製造
工程の更なる増加や複雑化は避けられず、またこれによ
り新たな諸問題、例えば応力の影響などによる界面準位
密度の増加に基づくしきい値電圧の変動など、が生じる
ことも考えられる。
In order to prevent the penetration of impurities and widen the process margin, some methods have been proposed, such as providing a barrier layer on the gate and suppressing accelerated diffusion of boron by fluorine using a nitride film. (Japanese Patent Laid-Open No. 1-173
713, JP-A-1-187971, JP-A-1-220438, and JP-A-2-78229). However, such a proposed method cannot avoid further increase or complication of the manufacturing process, and this leads to new problems such as increase of threshold voltage due to increase of interface state density due to stress. Fluctuations may occur.

【0008】短チャネル効果を抑制するには素子構造を
埋込み型から表面型に移行するだけでは十分ではなく、
ソース/ドレイン領域の接合深さをより浅くして耐圧を
上げるといった検討も必要である。微細化にともなう工
程数の増加を抑えるため、ポリシリコンゲート電極への
イオン注入と、ソース/ドレイン領域の形成とをイオン
注入で同時に行ないたいという要請があるが、ソース/
ドレイン領域の浅い接合化とゲート電極空乏化の抑制と
は相反する要求である。ソース/ドレイン領域の接合を
浅くするようにイオン注入条件を設定すればゲート電極
の空乏化が起きやすくなり、逆にゲート電極の空乏化を
十分避けるようにイオン注入条件を設定すればソース/
ドレイン領域の接合が深くなるという関係にある。
In order to suppress the short channel effect, it is not enough to shift the device structure from the buried type to the surface type.
It is also necessary to consider making the junction depth of the source / drain regions shallower to increase the breakdown voltage. In order to suppress an increase in the number of steps associated with miniaturization, there is a demand to simultaneously perform ion implantation into a polysilicon gate electrode and formation of source / drain regions by ion implantation.
The shallow junction in the drain region and the suppression of depletion of the gate electrode are contradictory requirements. If the ion implantation conditions are set so as to make the junction of the source / drain regions shallow, depletion of the gate electrode is likely to occur, and conversely, if the ion implantation conditions are set so that depletion of the gate electrode is sufficiently avoided,
There is a relation that the junction of the drain region becomes deep.

【0009】このように、ボロン突抜けを抑制し、かつ
空乏化のないゲート電極形成を可能にするゲート電極形
成条件を求めること、さらに空乏化のないゲート電極の
形成とソース/ドレイン領域の浅い接合化を同時に可能
にするプロセス条件を求めることが望まれている。
As described above, it is necessary to determine a gate electrode forming condition that suppresses boron penetration and enables formation of a gate electrode without depletion, and further, formation of a gate electrode without depletion and a shallow source / drain region. It is desired to find a process condition that enables bonding at the same time.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の第1の目的
は、BF2注入ポリシリコンゲート電極の形成条件を規
定することにより、ゲート電極の空乏化と不純物突抜け
の起こらないBF2注入ポリシリコンゲート電極の形成
を可能にして、ゲート電極品質を向上させ、歩留まりの
向上を図ることである。本発明の第2の目的は、BF2
注入ポリシリコンゲート電極の形成と深さが200nm
程度の浅い接合を有するソース/ドレイン領域の形成を
同じイオン注入工程により同時に行ないうるようにし
て、工程数を低減し、もって製造工程を簡略化すること
である。
First object of the present invention is to solve the above, by defining the conditions for forming the BF 2 implanted polysilicon gate electrode, does not occur with penetration depletion and impurity of the gate electrode BF 2 implanted poly It is possible to form a silicon gate electrode, improve the quality of the gate electrode, and improve the yield. A second object of the present invention is BF 2
Implanted polysilicon gate electrode formation and depth 200 nm
A source / drain region having a shallow junction can be formed at the same time by the same ion implantation process, so that the number of processes can be reduced and the manufacturing process can be simplified.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】ゲート電極の空乏化と不
純物突抜けの起こらないBF2注入ポリシリコンゲート
電極を形成するために、ゲート電極用のポリシリコン膜
の膜厚が200nm以下の場合には、ポリシリコン膜に
注入エネルギー20〜50KeV、ドーズ量1×1015
〜3×1015/cm2でBF2をイオン注入し、その後8
00〜850℃で熱処理を施してPMOS半導体装置の
ゲート電極用ポリシリコン膜とする。
In order to form a BF 2 -implanted polysilicon gate electrode in which depletion of the gate electrode and penetration of impurities do not occur, when the thickness of the polysilicon film for the gate electrode is 200 nm or less, Is an implantation energy of 20 to 50 KeV and a dose of 1 × 10 15 in the polysilicon film.
BF 2 is ion-implanted at ˜3 × 10 15 / cm 2 , and then 8
Heat treatment is performed at 00 to 850 ° C. to form a polysilicon film for a gate electrode of a PMOS semiconductor device.

【0012】ゲート電極用のポリシリコン膜の膜厚が2
00〜350nmの場合には、ポリシリコン膜に注入エ
ネルギー20〜50KeV、ドーズ量2×1015〜3×
1015/cm2でBF2をイオン注入し、その後800〜
950℃で熱処理を施してPMOS半導体装置のゲート
電極用ポリシリコン膜とする。
The thickness of the polysilicon film for the gate electrode is 2
In the case of 00 to 350 nm, the implantation energy into the polysilicon film is 20 to 50 KeV and the dose amount is 2 × 10 15 to 3 ×.
BF 2 is ion-implanted at 10 15 / cm 2 , and then 800-
Heat treatment is performed at 950 ° C. to form a polysilicon film for a gate electrode of the PMOS semiconductor device.

【0013】ゲート電極用のポリシリコン膜の膜厚が3
50nm以上の場合には、ポリシリコン膜に注入エネル
ギー30KeV以上、ドーズ量3×1015/cm2以上
でBF2をイオン注入し、その後850℃以上で熱処理
を施してPMOS半導体装置のゲート電極用ポリシリコ
ン膜とする。
The thickness of the polysilicon film for the gate electrode is 3
When the thickness is 50 nm or more, BF 2 is ion-implanted into the polysilicon film at an implantation energy of 30 KeV or more and a dose amount of 3 × 10 15 / cm 2 or more, and then heat-treated at 850 ° C. or more to be used for the gate electrode of the PMOS semiconductor device. It is a polysilicon film.

【0014】また、ゲート電極の低抵抗化とソース/ド
レイン領域の形成を同時に行なう場合には、シリコン基
板上にゲート酸化膜を介して膜厚が200〜350nm
のポリシリコン膜を堆積し、そのポリシリコン膜をゲー
ト電極形状にパターン化した後、注入エネルギー20〜
30KeV、ドーズ量2×1015〜3×1015/cm2
でポリシリコン膜とシリコン基板とにBF2を同時にイ
オン注入し、その後800〜850℃で熱処理を施す。
When lowering the resistance of the gate electrode and forming the source / drain regions at the same time, the film thickness is 200 to 350 nm on the silicon substrate via the gate oxide film.
After depositing the polysilicon film of, and patterning the polysilicon film into the shape of the gate electrode, the implantation energy of 20 to
30 KeV, dose 2 × 10 15 to 3 × 10 15 / cm 2
Then, BF 2 is simultaneously ion-implanted into the polysilicon film and the silicon substrate, and then heat treatment is performed at 800 to 850 ° C.

【0015】[0015]

【実施例】図1から図6によりPMOS半導体装置にお
ける注入ポリシリコンゲート電極の形成方法を説明す
る。試料作成条件は以下の通りである。 基板:P型20Ωcm−シリコンウエハ 不純物密度6×1015/cm3 酸化膜の膜厚:120Å(ウェット酸化膜) ポリシリコン膜の膜厚:2000Å, 3500Å その他のパラメータは図中に記入してある。図中で、B
F2はBF2のことであり、3E15というような表示
は3×1015の意味である。Tactは活性化温度、Tpol
yはポリシリコン膜の膜厚、Toxはゲート酸化膜の膜厚
である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A method of forming an implanted polysilicon gate electrode in a PMOS semiconductor device will be described with reference to FIGS. The sample preparation conditions are as follows. Substrate: P type 20 Ωcm-silicon wafer Impurity density 6 × 10 15 / cm 3 Oxide film thickness: 120Å (wet oxide film) Polysilicon film thickness: 2000Å, 3500Å Other parameters are shown in the figure . In the figure, B
F2 refers to BF 2 , and a display such as 3E15 means 3 × 10 15 . Tact is the activation temperature, Tpol
y is the thickness of the polysilicon film, and Tox is the thickness of the gate oxide film.

【0016】図1と図2は膜厚2000Åと3500Å
のポリシリコン膜について、ドーズ量を3×1015/c
2、活性化のための熱処理を850℃で30分間とし
た場合の、MOSキャパシタ諸量の注入エネルギー依存
性を示したものである。図1(A)は蓄積容量、図1
(B)は基板不純物濃度(ボロン)、図2(A)はフラ
ットバンド電圧、図2(B)はしきい値電圧を、それぞ
れ注入エネルギーに対して測定した結果である。図中の
破線はゲート空乏化及び不純物突抜けがともに起こらな
い場合の理論値である。一般に、この破線より高い場合
は不純物B(ボロン)突抜けがあることを示し、破線よ
り低い場合はゲート空乏化が起こっていることを示す。
ただし、図1(A)の蓄積容量の測定ではゲート空乏化
の有無のみが評価でき、図1(B)の基板不純物濃度の
測定では突抜けの評価のみができる。
1 and 2 show film thicknesses of 2000Å and 3500Å
For the polysilicon film of, the dose amount is 3 × 10 15 / c
m 2 shows the dependence of various amounts of MOS capacitors on the implantation energy when the heat treatment for activation is performed at 850 ° C. for 30 minutes. FIG. 1A shows the storage capacity, FIG.
2B is the result of measuring the substrate impurity concentration (boron), FIG. 2A is the flat band voltage, and FIG. 2B is the threshold voltage with respect to the implantation energy. The broken line in the figure is a theoretical value when neither gate depletion nor impurity penetration occurs. In general, if higher than this broken line, it indicates that there is an impurity B (boron) penetration, and if lower than this broken line, it indicates that gate depletion has occurred.
However, only the presence or absence of gate depletion can be evaluated in the measurement of the storage capacity in FIG. 1A, and only the punch-through can be evaluated in the measurement of the substrate impurity concentration in FIG. 1B.

【0017】図1と図2の結果から、注入エネルギーが
50KeV以下ではボロン突抜けが起こっていないこと
が分かる。詳しく述べれば、膜厚が2000Åのポリシ
リコン膜でも注入エネルギーが50KeV以下であれば
チャネリング等による注入時のボロン突抜けはなく、さ
らに適度な活性化条件下であれば活性化後の突抜けもな
い。また、注入エネルギー20KeV以上ではゲート空
乏化がないことも分かる。すなわち、適度な不純物ボロ
ン濃度、適度な活性化条件下では、注入不純物ボロンが
ポリシリコン膜内にほぼ均一に拡散するため、ゲート空
乏化を防ぐことができる。図3は注入エネルギー30K
eVと50KeVについて、ポリシリコン膜と基板にお
ける深さ方向のボロン濃度プロファイルを示したもので
ある。図1及び図2から得られる上記の結果は図3によ
って確認することができる。
From the results shown in FIGS. 1 and 2, it can be seen that no boron penetration occurs when the implantation energy is 50 KeV or less. More specifically, even with a polysilicon film having a film thickness of 2000 Å, if the implantation energy is 50 KeV or less, there is no boron penetration during implantation due to channeling or the like, and under moderate activation conditions, there is also no penetration after activation. Absent. It is also found that the gate depletion does not occur when the implantation energy is 20 KeV or more. That is, under an appropriate impurity boron concentration and an appropriate activation condition, the implanted impurity boron diffuses into the polysilicon film almost uniformly, so that gate depletion can be prevented. Figure 3 shows an injection energy of 30K.
3 shows the boron concentration profile in the depth direction in the polysilicon film and the substrate for eV and 50 KeV. The above results obtained from FIGS. 1 and 2 can be confirmed by FIG.

【0018】したがって、活性化温度850℃で30分
間程度の適度な活性化条件下では、MOS特性は注入エ
ネルギーに対して顕著な依存性を示さず、20KeV以
上でゲート空乏化を防止でき、50KeV以下で基板へ
のボロン突抜けを抑えることができる。
Therefore, under an appropriate activation condition of an activation temperature of 850 ° C. for about 30 minutes, the MOS characteristics do not show a significant dependence on the implantation energy, and gate depletion can be prevented at 20 KeV or more, and 50 KeV or more. The penetration of boron into the substrate can be suppressed below.

【0019】図4と図5は膜厚2000Åと3500Å
のポリシリコン膜に、注入エネルギー30KeV、ドー
ズ量1×1015/cm2及び3×1015/cm2でそれぞ
れBF2イオンを注入した場合のMOSキャパシタ諸量
の活性化温度依存性を示したものである。活性化時間は
30分間で一定とした。図4(A)は蓄積容量、図4
(B)は基板不純物(ボロン)濃度、図5(A)はフラ
ットバンド電圧、図5(B)はしきい値電圧について、
それぞれ活性化温度との関係を測定した結果である。
4 and 5 show film thicknesses of 2000Å and 3500Å
The activation temperature dependence of various MOS capacitor amounts was shown when BF 2 ions were implanted into the polysilicon film of No. 1 with implantation energy of 30 KeV and doses of 1 × 10 15 / cm 2 and 3 × 10 15 / cm 2 . It is a thing. The activation time was fixed at 30 minutes. FIG. 4A shows the storage capacity, and FIG.
5B is a substrate impurity (boron) concentration, FIG. 5A is a flat band voltage, and FIG. 5B is a threshold voltage.
The results are obtained by measuring the relationship with the activation temperature.

【0020】図4と図5の結果から、ポリシリコン膜厚
2000Åでドーズ量3×1015/cm2では、活性化
温度が900℃になると僅かにボロン突抜けが起こるこ
とが分かる。また、活性化温度800℃の場合、ポリシ
リコン膜厚3500Åではドーズ量の大小によらずゲー
ト空乏化が起きるが、ポリシリコン膜厚2000Åでは
ドーズ量が1×1015/cm2で僅かな空乏化が起こる
程度である。800℃でこのように急激に変化する理由
は、この温度が不純物ボロンの急激な拡散が起こる臨界
点であることを示している。したがって、800℃以上
の温度であれば注入不純物はポリシリコン膜中にほぼ均
一に拡散し、注入エネルギー依存性を示さない、すなわ
ち注入エネルギーはゲート形成条件に殆んど影響を与え
ないといえる。したがって、活性化温度850℃の場
合、ドーズ量が3×1015/cm2以上であればポリシ
リコン膜厚3500Åでも空乏化は起こらない。さら
に、この場合、不純物ボロンはほぼ均一に拡散している
と考えられるから、ポリシリコン膜厚2000Åでは2
×1015/cm2(≒3×1015/cm2×2000/3
500)以上であればゲート電極の空乏化は起こらない
と推定することができる。
From the results shown in FIGS. 4 and 5, it is understood that when the polysilicon film thickness is 2000 liters and the dose amount is 3 × 10 15 / cm 2 , a slight boron penetration occurs when the activation temperature reaches 900 ° C. Further, when the activation temperature is 800 ° C., the gate depletion occurs at the polysilicon film thickness of 3500Å regardless of the dose amount, but at the polysilicon film thickness of 2000Å, the dose amount is 1 × 10 15 / cm 2 and a slight depletion occurs. It is the extent to which the change occurs. The reason for such a rapid change at 800 ° C. indicates that this temperature is the critical point at which the abrupt diffusion of the impurity boron occurs. Therefore, at a temperature of 800 ° C. or higher, it can be said that the implanted impurities diffuse almost uniformly into the polysilicon film and show no dependency on the implantation energy, that is, the implantation energy has almost no influence on the gate formation conditions. Therefore, when the activation temperature is 850 ° C., if the dose amount is 3 × 10 15 / cm 2 or more, depletion does not occur even if the polysilicon film thickness is 3500Å. Further, in this case, it is considered that the impurity boron is diffused almost uniformly, so that it is 2 when the polysilicon film thickness is 2000 Å.
× 10 15 / cm 2 (≈3 × 10 15 / cm 2 × 2000/3
It can be estimated that the depletion of the gate electrode does not occur if it is 500) or more.

【0021】図6はBF2注入直後のもの、及び750
℃、800℃、850℃、900℃でそれぞれ30分間
熱処理を施した後での、深さ方向のボロン濃度のプロフ
ァイルを示したものである。図4と図5から得られる結
果は図6のボロン濃度プロファイルによっても確認する
ことができる。
FIG. 6 shows the sample immediately after BF 2 injection, and 750
It shows the profile of the boron concentration in the depth direction after the heat treatment at 30 ° C., 800 ° C., 850 ° C., and 900 ° C. for 30 minutes. The results obtained from FIGS. 4 and 5 can also be confirmed by the boron concentration profile of FIG.

【0022】以上の結果から次のように結論を導き出す
ことができる。BF2イオン注入によりポリシリコン膜
厚200nm以下で、基板へのボロン突抜けのないゲー
ト電極の作成を可能とするには、注入エネルギーを50
KeV以下、ドーズ量を3×1015/cm2以下、及び
その後の熱処理(活性化)を850℃以下で行なえばよ
い。
From the above results, the following conclusions can be drawn. In order to make it possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 200 nm or less and having no boron penetration through the substrate by BF 2 ion implantation, the implantation energy is 50
KeV or less, a dose amount of 3 × 10 15 / cm 2 or less, and subsequent heat treatment (activation) may be performed at 850 ° C. or less.

【0023】BF2イオン注入によりポリシリコン膜厚
200nm以下で、ゲート空乏化が起こらないように十
分低抵抗化され、かつ基板へのボロン突抜けのないゲー
ト電極の作成を可能とするには、注入エネルギーを20
〜50KeV、ドーズ量を1×1015〜3×1015/c
2、及びその後の熱処理(活性化)を800〜850
℃で行なえばよい。
In order to make it possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 200 nm or less by BF 2 ion implantation, which has a sufficiently low resistance so that gate depletion does not occur, and which is free from boron penetration into the substrate. 20 injection energy
˜50 KeV, dose amount 1 × 10 15 ˜3 × 10 15 / c
m 2 and subsequent heat treatment (activation) 800 to 850
It may be performed at ℃.

【0024】BF2イオン注入によりポリシリコン膜厚
200nm以上で、ゲート空乏化が起こらないように十
分低抵抗化されたゲート電極の作成を可能とするには、
注入エネルギーを20KeV以上、ドーズ量を2×10
15/cm2以上、及びその後の熱処理(活性化)を80
0℃以上で行なえばよい。
In order to make it possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 200 nm or more and having a sufficiently low resistance so that gate depletion does not occur by BF 2 ion implantation,
Implant energy is 20 KeV or more, Dose is 2 × 10
15 / cm 2 or more, and subsequent heat treatment (activation) of 80
It may be performed at 0 ° C or higher.

【0025】BF2イオン注入によりポリシリコン膜厚
350nm以上で、基板へのボロン突抜けのないゲート
電極の作成を可能とするには、注入エネルギーを50K
eV以下、ドーズ量を3×1015/cm2、及びその後
の熱処理(活性化)を900℃以下で行なえばよい。
In order to make it possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 350 nm or more and no boron penetration through the substrate by BF 2 ion implantation, the implantation energy is 50 K.
eV or less, a dose amount of 3 × 10 15 / cm 2 , and subsequent heat treatment (activation) may be performed at 900 ° C. or less.

【0026】BF2イオン注入によりポリシリコン膜厚
250〜350nmの範囲で、ゲート空乏化が起こらな
いように十分低抵抗化され、かつ基板へのB突抜けのな
いゲート電極の作成を可能とするには、注入エネルギー
を20〜50KeV、ドーズ量を2〜3×1015/cm
2、及びその後の熱処理(活性化)を800〜900℃
で行なえばよい。
By implanting BF 2 ions, it is possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 250 to 350 nm, a sufficiently low resistance so as not to cause gate depletion, and having no B penetration into the substrate. The implantation energy is 20 to 50 KeV and the dose is 2 to 3 × 10 15 / cm 2.
2 and subsequent heat treatment (activation) at 800-900 ° C
You can do it in.

【0027】BF2イオン注入によりポリシリコン膜厚
350nm以上で、ゲート空乏化が起こらないように十
分低抵抗化されたゲート電極の作成を可能とするには、
注入エネルギーを30KeV以上、ドーズ量を3×10
15/cm2以上、及びその後の熱処理(活性化)を85
0℃以上で行なえばよい。
In order to make it possible to form a gate electrode having a polysilicon film thickness of 350 nm or more and a sufficiently low resistance so that gate depletion does not occur by BF 2 ion implantation,
Implant energy is 30 KeV or more, Dose is 3 × 10
15 / cm 2 or more, and the subsequent heat treatment (activation) to 85
It may be performed at 0 ° C or higher.

【0028】PMOSFETにおいて、深さ200nm
以下の浅い接合を有するソース/ドレイン領域の形成
と、膜厚200〜350nmのポリシリコンゲート電極
の形成をBF2の同時イオン注入で行なうことを目的と
して、条件設定を行なった。表1に、SIMS分析(二
次イオン質量分析)により求めたソース/ドレイン領域
の接合深さと注入条件の関係を示す。ソース/ドレイン
領域の接合深さはボロン濃度が1×1017/cm9とな
る位置の深さである。
In the PMOSFET, the depth is 200 nm
Conditions were set for the purpose of forming source / drain regions having a shallow junction and forming a polysilicon gate electrode having a film thickness of 200 to 350 nm by simultaneous ion implantation of BF 2 below. Table 1 shows the relationship between the junction depth of the source / drain regions and the implantation conditions obtained by SIMS analysis (secondary ion mass spectrometry). The junction depth of the source / drain region is the depth at which the boron concentration is 1 × 10 17 / cm 9 .

【0029】[0029]

【表1】 [Table 1]

【0030】このときの熱処理条件は850℃で30分
間である。200nm以下の接合深さを得るためには注
入エネルギーを20〜30KeV、かつドーズ量を1×
1015/cm2〜3×1015/cm2にする必要がある。
また熱処理条件を850℃(30分間)以下にしてもよ
い。
The heat treatment condition at this time is 850 ° C. for 30 minutes. In order to obtain a junction depth of 200 nm or less, the implantation energy is 20 to 30 KeV and the dose is 1 ×.
It should be 10 15 / cm 2 to 3 × 10 15 / cm 2 .
The heat treatment conditions may be set to 850 ° C. (30 minutes) or less.

【0031】この結果、注入エネルギーを20〜30K
eV、ドーズ量を2×1015/cm2〜3×1015/c
2の範囲で調整し、熱処理(活性化)を800〜85
0℃で行なうことにより、深さが200nm以下の浅い
接合を有するソース/ドレイン領域の形成と、ポリシリ
コン膜厚200〜350nmでゲート空乏化及びボロン
突抜けのないゲート電極の形成を、同時イオン注入によ
り実現することが可能になる。
As a result, the implantation energy is 20 to 30K.
eV, dose amount 2 × 10 15 / cm 2 to 3 × 10 15 / c
Adjust the heat treatment (activation) within the range of m 2 to 800 to 85
By carrying out at 0 ° C., formation of source / drain regions having a shallow junction with a depth of 200 nm or less and formation of a gate electrode free of gate depletion and boron penetration at a polysilicon film thickness of 200 to 350 nm are performed simultaneously. It becomes possible by injection.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明の方法により製造されたP+ポリ
シリコンゲート電極をもつPMOS半導体装置は、ゲー
ト空乏化及び基板へのボロン突抜けが抑制されるため、
しきい値電圧やフラットバンド電圧の変動やばらつきが
少なく、高速動作への障害もなく、また耐圧などの信頼
性も良好である。また、ソース/ドレイン領域の接合深
さも浅く作成できるため、パンチスルー(短チャネル効
果)耐性にも優れている。ソース/ドレイン領域の形成
とポリシリコンゲートの低抵抗化を同時イオン注入によ
り行なうことができるため、製造工程の簡略化を図るこ
とができ、歩留まりの向上を図ることができる。
In the PMOS semiconductor device having the P + polysilicon gate electrode manufactured by the method of the present invention, gate depletion and boron penetration into the substrate are suppressed.
There are few fluctuations and variations in threshold voltage and flat band voltage, there is no obstacle to high-speed operation, and reliability such as breakdown voltage is good. In addition, since the junction depth of the source / drain regions can be made shallow, punch-through (short channel effect) resistance is also excellent. Since the source / drain regions can be formed and the resistance of the polysilicon gate can be lowered by simultaneous ion implantation, the manufacturing process can be simplified and the yield can be improved.

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

【図1】(A)はMOSキャパシタの蓄積容量と注入エ
ネルギーの関係を示す図、(B)は基板不純物濃度(ボ
ロン)と注入エネルギーの関係を示す図である。
FIG. 1A is a diagram showing a relationship between a storage capacity of a MOS capacitor and implantation energy, and FIG. 1B is a diagram showing a relation between a substrate impurity concentration (boron) and implantation energy.

【図2】(A)はMOSキャパシタのフラットバンド電
圧と注入エネルギーの関係を示す図、(B)はしきい値
電圧と注入エネルギーの関係を示す図である。
FIG. 2A is a diagram showing a relation between a flat band voltage of a MOS capacitor and implantation energy, and FIG. 2B is a diagram showing a relation between threshold voltage and implantation energy.

【図3】ポリシリコン膜と基板における深さ方向のボロ
ン濃度プロファイルを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a boron concentration profile in a depth direction in a polysilicon film and a substrate.

【図4】(A)はMOSキャパシタの蓄積容量と活性化
温度の関係を示す図、(B)は基板不純物濃度(ボロ
ン)と活性化温度の関係を示す図である。
FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the storage capacitance of a MOS capacitor and the activation temperature, and FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the substrate impurity concentration (boron) and the activation temperature.

【図5】(A)はMOSキャパシタのフラットバンド電
圧と活性化温度の関係を示す図、(B)はしきい値電圧
と活性化温度の関係を示す図である。
5A is a diagram showing a relationship between a flat band voltage and an activation temperature of a MOS capacitor, and FIG. 5B is a diagram showing a relationship between a threshold voltage and an activation temperature.

【図6】深さ方向のボロン濃度のプロファイルの活性化
温度依存性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing activation temperature dependence of a profile of boron concentration in the depth direction.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 シリコン基板上にゲート酸化膜を介して
膜厚が200nm以下のポリシリコン膜を堆積し、ゲー
ト電極形状にパターン化する前又は後に、前記ポリシリ
コン膜に注入エネルギー20〜50KeV、ドーズ量1
×1015〜3×1015/cm2でBF2をイオン注入し、
その後800〜850℃で熱処理を施してPMOS半導
体装置のゲート電極用ポリシリコン膜とする工程を含む
ことを特徴とするMOS型半導体装置の製造方法。
1. A polysilicon film having a thickness of 200 nm or less is deposited on a silicon substrate through a gate oxide film, and before or after patterning into a gate electrode shape, an implantation energy of 20 to 50 KeV, Dose 1
BF 2 is ion-implanted at × 10 15 to 3 × 10 15 / cm 2 ,
A method of manufacturing a MOS type semiconductor device, comprising a step of performing a heat treatment at 800 to 850 ° C. thereafter to form a polysilicon film for a gate electrode of a PMOS semiconductor device.
【請求項2】 シリコン基板上にゲート酸化膜を介して
膜厚が200〜350nmのポリシリコン膜を堆積し、
ゲート電極形状にパターン化する前又は後に、前記ポリ
シリコン膜に注入エネルギー20〜50KeV、ドーズ
量2×1015〜3×1015/cm2でBF2をイオン注入
し、その後800〜950℃で熱処理を施してPMOS
半導体装置のゲート電極用ポリシリコン膜とする工程を
含むことを特徴とするMOS型半導体装置の製造方法。
2. A polysilicon film having a thickness of 200 to 350 nm is deposited on a silicon substrate via a gate oxide film,
Before or after patterning into a gate electrode shape, BF 2 is ion-implanted into the polysilicon film at an implantation energy of 20 to 50 KeV and a dose of 2 × 10 15 to 3 × 10 15 / cm 2 , and then at 800 to 950 ° C. Heat treated and PMOS
A method of manufacturing a MOS type semiconductor device, comprising a step of forming a polysilicon film for a gate electrode of a semiconductor device.
【請求項3】 シリコン基板上にゲート酸化膜を介して
膜厚が350nm以上のポリシリコン膜を堆積し、ゲー
ト電極形状にパターン化する前又は後に、前記ポリシリ
コン膜に注入エネルギー30KeV以上、ドーズ量3×
1015/cm2以上でBF2をイオン注入し、その後85
0℃以上で熱処理を施してPMOS半導体装置のゲート
電極用ポリシリコン膜とする工程を含むことを特徴とす
るMOS型半導体装置の製造方法。
3. A polysilicon film having a film thickness of 350 nm or more is deposited on a silicon substrate through a gate oxide film, and before or after patterning into a gate electrode shape, an implantation energy of 30 KeV or more and a dose are applied to the polysilicon film. Quantity 3 x
BF 2 is ion-implanted at 10 15 / cm 2 or more, and then 85
A method of manufacturing a MOS semiconductor device, comprising the step of performing a heat treatment at 0 ° C. or higher to form a polysilicon film for a gate electrode of a PMOS semiconductor device.
【請求項4】 シリコン基板上にゲート酸化膜を介して
膜厚が200〜350nmのポリシリコン膜を堆積し、
そのポリシリコン膜をゲート電極形状にパターン化した
後、注入エネルギー20〜30KeV、ドーズ量2×1
15〜3×1015/cm2で前記ポリシリコン膜とシリ
コン基板とにBF2を同時にイオン注入し、その後80
0〜850℃で熱処理を施すことにより、ゲート電極の
低抵抗化とソース/ドレイン領域の形成を同時に行なう
工程を含むことを特徴とするMOS型半導体装置の製造
方法。
4. A polysilicon film having a thickness of 200 to 350 nm is deposited on a silicon substrate via a gate oxide film,
After patterning the polysilicon film into a gate electrode shape, implantation energy is 20 to 30 KeV and a dose is 2 × 1.
BF 2 is simultaneously ion-implanted into the polysilicon film and the silicon substrate at 0 15 to 3 × 10 15 / cm 2 , and then 80
A method for manufacturing a MOS type semiconductor device, which comprises the step of simultaneously reducing the resistance of a gate electrode and forming a source / drain region by performing heat treatment at 0 to 850 ° C.
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