JPH1098187A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH1098187A
JPH1098187A JP24962996A JP24962996A JPH1098187A JP H1098187 A JPH1098187 A JP H1098187A JP 24962996 A JP24962996 A JP 24962996A JP 24962996 A JP24962996 A JP 24962996A JP H1098187 A JPH1098187 A JP H1098187A
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JP
Japan
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silicon film
polycrystalline silicon
gas
film
oxygen
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JP24962996A
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English (en)
Inventor
Atsuki Ono
篤樹 小野
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲート電極中のボロンがゲート酸化膜を突き抜
けMOSトランジスタの特性がばらつく。 【解決手段】ゲート電極10を形成する多結晶シリコン
膜のうち、下層の第1多結晶シリコン膜5をCVD法で
形成する場合、酸素ガスを混入した反応ガスを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特にゲート電極の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の大規模化に伴い、半導
体素子は逆に微細化されている。例えば、論理回路用の
トランジスタにおいて、ゲート長が0.35μmのもの
においては、ゲート酸化膜の厚さは8nmに更に、微細
な0.25μmのトランジスタでは6nmにまで薄膜化
されている。このように、薄膜化されたゲート酸化膜を
もつトランジスタにおいて、大きな問題となるのは、P
型MOSトランジスタにおいて、ゲート電極からの不純
物がゲート酸化膜を突き抜けやすくなるということであ
る。この突き抜け現象とは、ソース、ドレインの低抵抗
領域形成のための不純物であるボロンもしくはBF
2 が、イオン注入工程によってゲート電極にも導入さ
れ、その後の高温の活性化工程において、導入不純物で
あるボロンがゲート酸化膜中に拡散して、チャネル領域
へ達してしまう現象のことである。この不純物の突き抜
けによって、トランジスタのしきい値電圧がばらつき、
回路性能に大きな支障をきたす。又、浅い接合が得られ
るBF2 を用いた場合に顕著であるが、ボロンの酸化膜
中の拡散によって酸化膜中の酸素とシリコンのネットワ
ークが壊されることで、酸化膜の信頼性が劣化する等の
問題を生じる。従って、均一性がよく、信頼性のある回
路素子形成のためにはボロン突き抜けを制御する必要が
ある。
【0003】このボロン突き抜けを制御する技術とし
て、特開平6−296016号公報に示されるように、
ゲート電極を形成する多結晶シリコン層を、形成時の基
板温度または圧力等を変えることで複数の結晶粒径から
なる多層構造にすることで、ボロンが突き抜けしにくい
結晶粒径の小さい多結晶シリコン層をゲート界面に形成
する技術が報告されている。しかし、このような方法で
は、プロセス感度が鈍いため十分な結晶粒径の変化が得
られない。又、さらに、効率よく結晶粒径を制御するた
め、特開平1−261867号公報に示されるように、
ゲート電極を形成する多結晶シリコン膜の成長時に、成
膜ガス中にN2 OガスやNOガスを混入することで、多
結晶シリコンの粒径を小さく制御し、金属原子の実効拡
散距離を長くして金属原子の突き抜けを制御する方法
や、クロイ(Kuroi)らにより1994シンポジウ
ム オン VLSI テクノロジー,ダイジェスト オ
ブテクニカル ペーパーズ(1994 Symposi
um On VLSI Technology,Dig
est of technical papers)p
p107〜108、(1994)に報告されているよう
に、多結晶シリコン膜の成長後に窒素をイオン注入によ
って導入して、多結晶シリコン膜とゲート酸化膜との間
に、窒素のパイルアップした層を形成し、ボロンが突き
抜けにくい構造にする、等の方法が報告されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、N2 Oもしく
はNOガスを多結晶シリコン成膜中に導入する方法、又
は多結晶シリコン膜中に窒素を導入する方法では、窒素
の影響によって、ゲート酸化膜の初期耐圧が劣化するな
どの信頼性が低下するといった新たな問題が生じる。ゲ
ート電極を形成する多結晶シリコン膜の結晶の粒径を制
御することは、ボロン突き抜け制御に必要であるが、そ
の際には窒素などの不純物を導入しないことが必要な条
件である。
【0005】本発明の目的は、ゲート酸化膜を薄くして
も信頼性を低下させることなくボロンが突き抜けること
のないゲート電極を形成できる半導体装置の製造方法を
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、半導体基板上に形成されたゲート酸化膜上に
シリコン膜を形成したのちこのシリコン膜をパターニン
グしてゲート電極を形成する半導体装置の製造方法にお
いて、前記シリコン膜は堆積条件の異なる2層のシリコ
ン膜から構成され、下層のシリコン膜は酸素ガスを混入
した反応ガスを用いるCVD法により堆積されることを
特徴とするものであり、シリコン膜としては多結晶シリ
コン膜又は熱処理工程により多結晶シリコンに変化する
非晶質シリコン膜を用いることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】次に本発明について図面を参照し
て説明する。図1(a)〜(c)は本発明の第1の実施
の形態を説明する為の半導体チップの断面図である。
【0008】まず図1(a)に示すように、P型シリコ
ン基板1にトレンチを形成したのち選択的に酸化し深さ
約300nmのシリコン酸化膜からなる素子分離領域2
を形成する。次でリンを例えば700keVで2×10
13cm-2、250keVで3×1012cm-2及び70k
eVで7×1012cm-2の条件でイオン注入しNウエル
領域3を形成する。次で850℃の乾燥酸素雰囲気中で
酸化し厚さ6nmのゲート酸化膜4を形成する。次に化
学的気相成長(CVD)法により、ゲート電極形成用の
多結晶シリコン膜として結晶粒径が30nm以下の第1
多結晶シリコン膜5を約50nmの厚さに、次で結晶粒
径が150〜200nmの第2多結晶シリコン膜6を約
150nmの厚さに形成する。第1及び第2多結晶シリ
コン膜の全体の厚さを200nmとした場合、結晶粒径
の小さい第1多結晶シリコン膜の好ましい厚さは結晶粒
径や抵抗値を考慮すると全体の膜厚の1/3以下であ
る。
【0009】第1,第2多結晶シリコン膜厚の成長条件
は以下の設定で行われる。基板温度が650度で成長時
間の4分の1の間、まず、ヘリウムと酸素が混合比1:
1で混ざったガスをシランガスに混入させて第1多結晶
シリコン膜5を所定の膜厚分成長する。その後、ヘリウ
ムと酸素の混合ガスを止めて、通常の第2の多結晶シリ
コン膜6を成長する。この結果、ヘリウムと酸素ガスが
混入して成長した第1多結晶シリコン膜5の粒径は、通
常の成長方法で行った第2多結晶シリコン膜6よりも小
さくできる。第1多結晶シリコン膜5中に酸素が導入さ
れるが電気的特性に影響を与える程ではない。その後の
工程は通常のMOSトランジスタの製造工程と同じであ
る。
【0010】即ち、図1(b)に示すように、フォトレ
ジスト膜をマスクとして、酸化膜との選択比のあるエッ
チング装置によって第1及び第2多結晶シリコン膜5,
6をエッチングしゲート電極10を形成する。次に図1
(c)に示すように、シリコン酸化膜からなるサイドウ
ォール7を形成したのち、ソース及びドレイン領域8
A,8Bを30keVのBF2 もしくは5keVのボロ
ンのイオン注入によって、ドーズ量にして5×1015
-2の条件で形成して、900℃の窒素雰囲気中で活性
化し、MOSトランジスタ構造を形成する。
【0011】このように第1の実施の形態によれば、従
来の通常の多結晶シリコン膜では、多結晶シリコンの膜
厚とほぼ等しい粒径である150〜200nmの多結晶
であったものが、結晶を阻害する酸素の影響によって3
0nm以下と非常に小さくでき、実効拡散距離が長くな
る為ソース、ドレイン領域の形成にBF2 を用いてもボ
ロンの突き抜けを抑制できるようになる。
【0012】図2(a)〜(c)は本発明の第2の実施
の形態を説明する為の半導体チップの断面図である。
【0013】まず、図2(a)に示すように、第1の実
施の形態と同様に操作し、P型シリンコン基板1上に、
選択的にシリコン酸化膜による素子分離領域2と、N型
ウエル領域3及びトランジスタ形成領域に厚さ6nmの
ゲート酸化膜4を酸化によって形成する。次にゲート電
極となる非晶質シリコン膜を化学的気相成長法によって
形成する。非晶質シリコン膜厚は200nmであり、成
長条件は以下の設定で行われる。基板温度が500度で
成長時間の4分の1の間、まず、ヘリウムと酸素が混合
比1:1で混ざったガスをシランガスに混入させて、第
1非晶質シリコン膜11を約50nm(全膜厚の1/3
以下)成長する。その後、ヘリウムと酸素の混合ガスを
止めて、酸素の混入していない第2非晶質シリコン膜1
2を150nmの厚さに成長する。この結果、ヘリウム
と酸素ガスを混入させて成長した第1非晶質シリコンの
膜11は酸素が混入するこによって、シリコン−シリコ
ンのネットワークがごく短距離でしか秩序を持っておら
ず、後の熱処理工程での結晶化において、シリコン粒径
は小さくなる。一方、酸素ガスを導入せずに形成した非
晶質シリコン膜12は、後の熱処理で大きな結晶粒が成
長する。
【0014】次に、フォトレジスト膜をマスクとし酸化
膜との選択比のあるエッチング装置によって第1及び第
2非晶質シリコン膜11,12をエッチングしてゲート
電極を形成する。
【0015】次に図2(b)に示すように、全面にサイ
ドウォール形成のための酸化膜13を堆積する。この酸
化膜13はゲート電極に対して被覆性を良くするため
に、800℃程度の高温で堆積させられるため、先に形
成した酸素ガスを導入して堆積した第1非晶質シリコン
膜11は結晶粒の小さい第1多結晶シリコン膜11A
に、第2非晶質シリコン膜12は結晶粒径の大きな第2
多結晶シリコン膜12Aにそれぞれ再結晶化される。
【0016】次に図2(c)に示すように、全面に被覆
した酸化膜13をエッチバックしてサイドウォール13
Aを形成して、ソース領域8A、ドレイン領域8Bを、
30keVのBF2 または5keVのボロンのイオン注
入によって、ドーズ量5×1015cm-2の条件で形成し
て、900℃の窒素雰囲気中で活性化し、MOSトラン
ジスタ構造を形成する。
【0017】この第2の実施の形態によるゲート電極構
造の形成方法によっても、従来の通常の多結晶シリコン
膜では、多結晶シリコンの膜厚とほぼ等しい粒径である
150〜200nmの多結晶であったものが、結晶の阻
害する酸素の影響によって30nm程度と非常に小さく
でき、ソース、ドレイン領域の形成にBF2 を用いても
ボロンの突き抜けを抑制できるようになり、プロセスマ
ージンが大きくかつ、信頼性の高いトランジスタ素子が
得られる。特に、成長温度の低い非晶質シリコン膜を堆
積し多結晶シリコン膜にしてゲート電極を形成している
為、酸化膜に対するストレスが小さくなり、初期耐圧歩
留りが向上するという利点がある。
【0018】尚、上記実施の形態においては酸素の希釈
ガスとしてヘリウムを用いた場合について説明したが、
アルゴンを用いてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ゲ
ート電極形成用に2層のシリコン膜を用い、下層のシリ
コン膜形成時に希釈された酸素ガスのみを結晶粒径制御
に用いるので、窒素のもつ弊害を生じさせることなく、
薄いゲート酸化膜に対応した、ボロン突き抜けを抑制で
きる為、信頼性の高いゲート電極を形成することができ
るという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明する為の半導
体チップの断面図。
【図2】本発明の第2の実施の形態を説明する為の半導
体チップの断面図。
【符号の説明】
1 P型シリコン基板 2 素子分離領域 3 Nウエル領域 4 ゲート酸化膜 5,11A 第1多結晶シリコン膜 6,12A 第2多結晶シリコン膜 7,13A サイドウオール 8A ソース領域 8B ドレイン領域 10 ゲート電極 11 第1非晶質シリコン膜 12 第2非晶質シリコン膜 13 酸化膜

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に形成されたゲート酸化膜
    上にシリコン膜を形成したのちこのシリコン膜をパター
    ニングしてゲート電極を形成する半導体装置の製造方法
    において、前記シリコン膜は堆積条件の異なる2層のシ
    リコン膜から構成され、下層のシリコン膜は酸素ガスを
    混入した反応ガスを用いるCVD法により堆積されるこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 シリコン膜は多結晶シリコン膜又は非晶
    質シリコン膜である請求項1記載の半導体装置の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 酸素ガスは希ガスにより希釈されている
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
JP24962996A 1996-09-20 1996-09-20 半導体装置の製造方法 Pending JPH1098187A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000208642A (ja) * 1999-01-12 2000-07-28 Hyundai Electronics Ind Co Ltd デュアルゲ―トmosトランジスタの製造方法。
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WO2021149380A1 (ja) * 2020-01-24 2021-07-29 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 撮像装置及び撮像装置の製造方法、電子機器

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Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19990824