JPH08264774A - 絶縁ゲート型電界効果トランジスタ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ｐ⁺ 型ポリシリコンゲート電極を有する電界
効果トランジスタにおいて、ゲート絶縁膜に依存せずに
Ｂの突き抜けを防止することを目的とする。 【構成】 図１（Ａ）の工程において、半導体基板１１
にフィールド絶縁膜１２を形成した後、全面的に酸化し
てゲート酸化膜１３を形成し、その上にノンドープのポ
リシリコン膜１４を堆積する。図１（Ｂ）の工程におい
て、ポリシリコン膜１４上から炭素をイオン注入する。
図１（Ｃ）の工程において、ポリシリコン膜１４上から
ボロンをイオン注入し、その後、このポリシリコン膜１
４を選択的にエッチングしてゲート電極１５を形成す
る。その後、図１（Ｄ）以降の工程において、ソース・
ドレイン領域１８の形成等により、ｐ⁺ ポリシリコンゲ
ート電極を有するｐチャネル絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタを完成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート型電界効果
トランジスタ及びその製造方法に関し、特にシリコン膜
中にほう素原子（ボロン、Ｂ）等のｐ型不純物を含むｐ
⁺ 型ポリシリコンゲート電極を有するものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ｎチャンネルのＭＯＳ型電界効果
トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）にｎ⁺型ポリシリコンを
ゲート電極として用い、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴにｐ⁺
型ポリシリコンをゲート電極として用いるデュアルゲー
ト構造の相補型ＭＯＳ（ＣＭＯＳ）がある。

【０００３】このような構造において、ｐ⁺ 型ポリシリ
コンは、ノンドープのポリシリコン膜にＢ原子などのｐ
型不純物をイオン注入法により導入して形成される。こ
の場合、導入されたＢがその後の熱処理時にゲート絶縁
膜を介してシリコン基板中に拡散する、いわゆる「Ｂの
突き抜け」が問題となっている。このＢの突き抜けが起
こると、シリコン基板表面の不純物濃度が変化し、ｐチ
ャネルＭＯＳＦＥＴのしきい値電圧（Ｖ_th）が変動す
る。さらに、Ｂの突き抜けが大きい場合にはパンチスル
ーが生じる。このようにＢの突き抜けはトランジスタ動
作に重大な悪影響を与える。

【０００４】このため、従来は、Ｂの突き抜けを防止す
るため、Ｂ原子のイオン注入時の注入エネルギーや注入
量を調節したり、ゲート絶縁膜の膜厚や膜質を調整した
りしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、微細化
に伴いゲート絶縁膜が薄膜化され、ゲート絶縁膜として
従来から用いられているシリコン熱酸化膜では、Ｂの突
き抜けを防止する能力が不十分となっている。そこで、
近年、シリコン窒化酸化膜という新しいゲート絶縁膜が
開発されている。シリコン窒化酸化膜の形成方法として
は、シリコン基板に酸素や水蒸気雰囲気で熱酸化膜を形
成し、その後ＮＨ₃ 雰囲気で上記酸化膜の一部分を熱窒
化する方法を用いることができる。また、亜酸化窒素
（Ｎ₂ Ｏ）を用いてシリコン基板上に直接シリコン窒化
膜を形成する方法や、熱酸化法による酸化膜形成後、亜
酸化窒素で当該膜を一部窒化する方法もある。しかし、
いずれの形成方法においてもシリコン窒化酸化膜はシリ
コン熱酸化膜に比べ、製造工程が複雑になるという問題
がある。

【０００６】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、ｐ⁺ 型シリコンゲート電極を有する電界効果トラン
ジスタにおいて、ゲート絶縁膜に依存せずにｐ型不純物
の突き抜けを防止することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明においては、半導体基板（１
１）表面に形成されたゲート絶縁膜（１３）を介し、ｐ
型不純物を含むｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極（１５）
が形成された絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおい
て、前記ｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極中に、前記ｐ型
不純物の前記ゲート絶縁膜への拡散抑制用の炭素が含ま
れていることを特徴としている。

【０００８】請求項２に記載の発明では、請求項１に記
載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタにおいて、前記
炭素は、前記ｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極中の平均濃
度として約１×１０²⁰／ｃｍ² 以上含まれていることを
特徴としている。請求項３に記載の発明においては、半
導体基板（１１）表面に形成されたゲート絶縁膜（１
３）上にシリコン膜（１４）を堆積する工程と、前記シ
リコン膜にｐ型不純物をイオン注入する工程と、前記シ
リコン膜を選択的に除去してゲート電極（１５）を形成
する工程とを備えてｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極を有
する絶縁ゲート型電界効果トランジスタを製造する方法
において、前記シリコン膜に注入されたｐ型不純物が熱
処理により拡散する前の段階で、前記シリコン膜に炭素
原子または炭素を含む化合物をイオン注入する工程を有
する絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法を特
徴としている。

【０００９】請求項４に記載の発明では、請求項３に記
載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法にお
いて、前記ｐ型不純物をイオン注入する工程の前に、前
記シリコン膜に炭素原子または炭素を含む化合物をイオ
ン注入する工程を行うことを特徴としている。請求項５
に記載の発明では、請求項３または４に記載の絶縁ゲー
ト型電界効果トランジスタの製造方法において、前記炭
素原子または炭素を含む化合物をイオン注入する工程
は、前記炭素原子または炭素を含む化合物を４×１０¹⁵
／ｃｍ²以上の注入量でイオン注入する工程であること
を特徴としている。

【００１０】請求項６に記載の発明では、請求項３乃至
５のいずれか１つに記載の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタの製造方法において、前記シリコン膜に炭素原子
または炭素を含む化合物をイオン注入する工程は、炭素
または炭素を含む化合物を前記ｐ型不純物より前記シリ
コン膜中に深く注入する工程であることを特徴としてい
る。

【００１１】請求項７に記載の発明では、請求項６に記
載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法にお
いて、前記炭素原子または炭素を含む化合物の注入エネ
ルギーの方が前記ｐ型不純物の注入エネルギーより大き
いことを特徴としている。なお、上記各手段のカッコ内
の符号は、後述する実施例記載の具体的手段との対応関
係を示すものである。

【００１２】

【発明の作用効果】請求項１、２に記載の発明によれ
ば、ｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極中に炭素を含ませる
ことにより、ｐ型不純物がゲート絶縁膜へ拡散する、ｐ
型不純物の突き抜けを防止することができ、しきい値電
圧の変動等をなくしてトランジスタを所望の状態にて正
常に動作させることができる。

【００１３】請求項３乃至７に記載の発明によれば、シ
リコン膜に注入されたｐ型不純物が熱処理により拡散す
る前の段階で、シリコン膜に炭素原子または炭素を含む
化合物をイオン注入するようにしている。従って、ｐ型
不純物の拡散時にゲート絶縁膜へ拡散するのを抑制する
ことができ、これによりしきい値電圧の変動等がないト
ランジスタを製造することができる。

【００１４】特に、請求項４に記載の発明によれば、ｐ
型不純物をイオン注入する工程の前に、シリコン膜に炭
素原子または炭素を含む化合物をイオン注入するように
しているから、その炭素原子または炭素を含む化合物に
てシリコン膜をアモルファス化し、これにより後に注入
されたｐ型不純物のチャネリングが防止でき、ｐ型不純
物をシリコン膜中に浅く導入することができ、従ってｐ
型不純物のゲート絶縁膜への拡散抑制効果を高めること
ができる。

【００１５】また、請求項６、７に記載の発明によれ
ば、炭素または炭素を含む化合物をｐ型不純物よりシリ
コン膜中に深く注入するようにしている。従って、この
ことによってもｐ型不純物のゲート絶縁膜への拡散抑制
効果を高めることができる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図に示す実施例について説明
する。図１（Ａ）乃至（Ｄ）に、本実施例に係るｐ⁺ 型
ポリシリコンゲート電極を有する電界効果トランジスタ
の製造工程を示す。まず、図１（Ａ）の工程において、
半導体基板１１の表面部を選択的に酸化してフィールド
絶縁膜（ＬＯＣＯＳ酸化膜）１２を形成し、半導体基板
１１の表面を全面的に酸化してゲート酸化膜（シリコン
熱酸化膜）１３を１００Å形成し、その後、ＣＶＤ（化
学気相成長）法によりノンドープのポリシリコン膜１４
を３７００Å堆積する。

【００１７】次に、図１（Ｂ）の工程において、ポリシ
リコン膜１４上から炭素Ｃ⁺ を注入エネルギー８５Ｋｅ
Ｖ、総注入量４×１０¹⁵／ｃｍ² でイオン注入する。引
き続き、図１（Ｃ）の工程において、ポリシリコン膜１
４上からボロンイオンＢ⁺ を注入エネルギー２０Ｋｅ
Ｖ、総注入量１×１０¹⁶／ｃｍ² 、注入角（ＴＩＬＴ）
６０°でイオン注入し、その後、このポリシリコン膜１
４を選択的にエッチング（パターニング）してゲート電
極１５を形成する。

【００１８】さらに、ｐ型不純物（例えばＢ）を半導体
基板１１の表面部にゲート電極１５をマスクとしてイオ
ン注入し、低濃度ソース・ドレイン領域１６を形成す
る。次に、図１（Ｄ）の工程において、ゲート電極１５
の側面に周知の方法によりサイドウォール１７を形成
し、その後、ゲート電極１５及びサイドウォール１７を
マスクとしてｐ型不純物（例えばＢ）をイオン注入する
ことによりソース・ドレイン領域１８を形成する。

【００１９】その後は通常のＭＯＳＦＥＴの製造工程に
より、全面に層間絶縁膜が形成されるとともに、コンタ
クトホールを形成して、ソース・ドレイン、ゲート用の
電極配線が形成され、ｐ⁺ ポリシリコンゲート電極を有
するｐチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタが完
成される。なお、これらの工程、すなわち図１（Ｄ）よ
り後の工程において、ソース・ドレインの活性化、層間
絶縁膜のリフロー時に行われる熱処理によってイオン注
入により導入された不純物は電気的に活性化される。

【００２０】ここで、ｐ⁺ 型ポリシリコン膜のゲート電
極中に含まれる炭素によりＢの突き抜けが防止されるこ
との実験結果について説明する。実験試料は以下の手順
に従って作製した。 比抵抗約７Ωｃｍのｐ型Ｓｉ基板上にゲート酸化膜を
約１１０Å形成する。 ゲート酸化膜上にノンドープのポリシリコン膜を約３
７００Å堆積する。

【００２１】ポリシリコン膜上から炭素Ｃ⁺ を注入エ
ネルギー８５ＫｅＶ、総注入量４×１０¹⁵／ｃｍ² でイ
オン注入する。 引き続き、ポリシリコン膜上からボロンイオンＢ⁺ を
注入エネルギー２０ＫｅＶ、総注入量１×１０¹⁶／ｃｍ
² 、注入角６０°でイオン注入する。 ８７５℃、１４分のＷｅｔ酸化でポリシリコン膜上に
酸化膜を５００Å形成する。

【００２２】９３０℃、２０分と９００℃、２０分の
窒素雰囲気での熱処理を行う。 ポリシリコン膜をエッチングし、ゲート電極を作製す
る。 この試料ａの容量ー電圧（ＣＶ）特性を測定した結果を
図２に示す。なお、この図２中における試料ｂは上記製
作手順において炭素をイオン注入しなかったものを示
し、試料ｃはリンをドープしたｎ⁺ 型ポリシリコンゲー
ト電極を持った試料を示す。

【００２３】試料ｃは、ポリシリコン膜からの不純物の
突き抜けが全くないので、試料ｃと同一の形のＣＶカー
ブになれば、ｐ⁺ 型ポリシリコンゲート電極を持つ試料
でＢが突き抜けていないといえる。但し、ｎ⁺ 型ポリシ
リコンゲート電極とｐ⁺ 型ポリシリコンではｐ型Ｓｉ基
板に対する仕事関数差が違うので、ＣＶカーブ自体はｘ
軸（ゲート電圧軸）方向にずれる。

【００２４】図２に示す実験結果において、それぞれの
試料を比較すると、試料ｂでは試料ｃに対してＣＶカー
ブが緩やかになっている。これは、ｐ⁺ 型ポリシリコン
ゲート電極からのＢの突き抜けがあることを示してい
る。しかし、試料ａのＣＶカーブの形は、ほぼ試料ｃと
同一であり、Ｂの突き抜けがないことを示している。す
なわち、ｐ⁺ 型ポリシリコンゲート電極中に導入された
炭素により、Ｂの突き抜けが防止されていることが分か
る。

【００２５】なお、炭素のイオン注入時のエネルギーや
総注入量は、ゲート絶縁膜の膜厚やＢのイオン注入条件
（注入エネルギー、総注入量、注入角など）、さらには
ポリシリコン膜堆積後の種々の熱履歴により変化する
が、炭素のイオン注入量が多いはど上記のＢの突き抜け
防止効果は大きいので、炭素のイオン注入量は４×１０
¹⁵／ｃｍ² 以上、好ましくは４×１０¹⁵／ｃｍ² 〜１０
×１０¹⁵／ｃｍ² の範囲がよい。なお、炭素のイオン注
入量を４×１０¹⁵／ｃｍ² とした場合には、ｐ⁺型ポリ
シリコンゲート電極中にある炭素の平均濃度は約１×１
０²⁰／ｃｍ² となる。従って、それ以上の濃度とするこ
とによりＢの突き抜け防止効果を得ることができる。

【００２６】また、炭素Ｃ⁺ の注入エネルギーをボロン
イオンＢ⁺ の注入エネルギーより大きくしているから、
ポリシリコン膜中に炭素をＢより深く形成できる。従っ
て、その後の熱処理時にＢが拡散する場合、炭素により
その拡散が抑制されるため、従来問題となっていたＢの
突き抜けを防止することができる。さらに、ポリシリコ
ン膜中に先に炭素Ｃ⁺ をイオン注入することにより、ポ
リシリコン膜をアモルファス化する。従って、この後に
ボロンイオンＢ⁺ をイオン注入すると注入原子のチャネ
リングが防止でき、ポリシリコン膜中へのＢの導入を浅
くする。このことと上記炭素による拡散抑制によりＢの
突き抜けをより効果的に防止することができる。

【００２７】なお、ポリシリコン膜にイオン注入するｐ
型不純物としては、Ｂ以外にＢＦ₂を用いることができ
る。また、Ｂの突き抜け抑制のために、炭素原子以外
に、炭素を含む化合物をポリシリコン膜にイオン注入す
るようにしてもよい。さらに、ポリシリコン膜に炭素原
子または炭素を含む化合物をイオン注入する工程と、ｐ
型不純物をイオン注入する工程とは、上記実施例に示し
たように、前者の方を先にするのが好ましいが、逆の順
序としても、炭素または炭素を含む化合物をｐ型不純物
よりシリコン膜中に深く注入することにより、ｐ型不純
物のゲート絶縁膜への拡散抑制効果を生じることができ
る。

【００２８】なお、特許請求の範囲に記載されているシ
リコン膜とは、上記実施例で示したポリシリコン膜以外
に、アモルファスシリコン膜、ポリシリコンとアモルフ
ァスシリコンが混在する膜、あるいは単結晶シリコン膜
を示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す工程図である。

【図２】Ｂの突き抜け効果を確認するための実験結果を
示すグラフである。

【符号の説明】

１１…半導体基板、１２…フィールド絶縁膜、１３…ゲ
ート酸化膜、１４…ポリシリコン膜、１５…ゲート電
極、１７…サイドウォール、１８…ソース・ドレイン領
域。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板表面に形成されたゲート絶縁
   膜を介し、ｐ型不純物を含むｐ⁺ 型シリコン膜のゲート
   電極が形成された絶縁ゲート型電界効果トランジスタに
   おいて、 前記ｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極中に、前記ｐ型不純
   物の前記ゲート絶縁膜への拡散抑制用の炭素が含まれて
   いることを特徴とする絶縁ゲート型電界効果トランジス
   タ。
2. 【請求項２】 前記炭素は、前記ｐ⁺ 型シリコン膜のゲ
   ート電極中の平均濃度として約１×１０²⁰／ｃｍ² 以上
   含まれていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁ゲ
   ート型電界効果トランジスタ。
3. 【請求項３】 半導体基板表面に形成されたゲート絶縁
   膜上にシリコン膜を堆積する工程と、 前記シリコン膜にｐ型不純物をイオン注入する工程と、 前記シリコン膜を選択的に除去してゲート電極を形成す
   る工程とを備えてｐ⁺ 型シリコン膜のゲート電極を有す
   る絶縁ゲート型電界効果トランジスタを製造する方法に
   おいて、 前記シリコン膜に注入されたｐ型不純物が熱処理により
   拡散する前の段階で、前記シリコン膜に炭素原子または
   炭素を含む化合物をイオン注入する工程を有することを
   特徴とする絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記ｐ型不純物をイオン注入する工程の
   前に、前記シリコン膜に炭素原子または炭素を含む化合
   物をイオン注入する工程を行うことを特徴とする請求項
   ３に記載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方
   法。
5. 【請求項５】 前記炭素原子または炭素を含む化合物を
   イオン注入する工程は、前記炭素原子または炭素を含む
   化合物を４×１０¹⁵／ｃｍ² 以上の注入量でイオン注入
   する工程であることを特徴とする請求項３または４に記
   載の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法。
6. 【請求項６】 前記シリコン膜に炭素原子または炭素を
   含む化合物をイオン注入する工程は、炭素または炭素を
   含む化合物を前記ｐ型不純物より前記シリコン膜中に深
   く注入する工程であることを特徴とする請求項３乃至５
   のいずれか１つに記載の絶縁ゲート型電界効果トランジ
   スタの製造方法。
7. 【請求項７】 前記炭素原子または炭素を含む化合物の
   注入エネルギーの方が前記ｐ型不純物の注入エネルギー
   より大きいことを特徴とする請求項６に記載の絶縁ゲー
   ト型電界効果トランジスタの製造方法。