JPS597229B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method of semiconductor device

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JPS597229B2
JPS597229B2 JP49143411A JP14341174A JPS597229B2 JP S597229 B2 JPS597229 B2 JP S597229B2 JP 49143411 A JP49143411 A JP 49143411A JP 14341174 A JP14341174 A JP 14341174A JP S597229 B2 JPS597229 B2 JP S597229B2
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drain
source
diffusion
diffusion layer
gate
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JP49143411A
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恭雄 和田
洪夫 薄井
哲一 橋本
幹雄 芦川
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規なMOS型電界効果トランジスタ(以下M
OSFETと略す)および複数個のMOSFETよりな
る集積回路(以下MOSICと略す)の製造方法に関す
るものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a novel MOS field effect transistor (hereinafter M
The present invention relates to a method of manufacturing an integrated circuit (hereinafter abbreviated as MOSIC) comprising a plurality of MOSFETs (hereinafter abbreviated as MOSFET) and a plurality of MOSFETs.

従来のシリコンゲートMOSFETの基本的な断面構造
は第1図に示したように、1導電型を有す′る基板たと
えばP型(100)IOQ−儂のSi単結晶1上のゲー
ト2石よびゲート酸化膜3、フィールド酸化膜4で囲ま
れた部分に、基板と反対導電型たとえばnfのソーース
5およびドレーン6を熱拡散法あるいはイオン打込法で
形成してある。
The basic cross-sectional structure of a conventional silicon gate MOSFET is as shown in FIG. In a portion surrounded by gate oxide film 3 and field oxide film 4, a source 5 and drain 6 of a conductivity type opposite to that of the substrate, for example, nf, are formed by thermal diffusion or ion implantation.

このためにFETの実効チャネル長Lは、実際のゲート
長さL’から横方向へのソース5およびドレーン6部分
を形成する不純物の拡散長lの2倍を引いたL■L’−
2、e という長さとなり、設訂値であるマスク上のあるいはゲ
ートの長さよりも小さくなる。
Therefore, the effective channel length L of the FET is calculated by subtracting twice the diffusion length l of impurities forming the source 5 and drain 6 portions in the lateral direction from the actual gate length L'L
The length is 2.e, which is smaller than the set value of the length on the mask or gate.

前記横方向拡散長lの大きさは、熱拡散法で形成した場
合は拡散深さXj(7)O、8倍、またイオン打込み法
で形成した場合は0.4倍であるが、拡散深さXJの大
きさは第1図に示したように、該MOSFETのソース
5およびドレーン6に対して金属としてアルミニウムを
用いた配線7を使う場合、アルミニウム−シリコンの共
晶が形成され、ソースあるいはドレーン部のシリコンが
アルミニウム中に固溶してしまい基板1とアルミニウム
配線Tが電気的に接触し、得られたMOSFETが動作
しなくなるためlItmあるいはそ打以上にする必要が
ある。このために実効チャネル長1、は、マスク上のチ
ャネル長L’に比して、少なくともソースおよびドレー
ンをイオン打込法で、形成した場合には0.8μm、ま
た熱拡散法で形成した場合には1.6μm程度短かくな
る。さらに素子面積を考えると、アルミニウムの配線7
は、フィールド酸化膜4上に被着したPSG膜8(フオ
スフオ・シリケーートガラスSiO2(P2O5))に
あけたコンタクト穴を通して行なうためアルミニウム配
線1が正しくソース5およびドレーン6部分に接触する
ためにはマスク合わせ余裕が必要で素子面積を縮小する
事が困難である。
The size of the lateral diffusion length l is 8 times the diffusion depth Xj(7)O when formed by thermal diffusion, and 0.4 times when formed by ion implantation; As shown in FIG. 1, when wiring 7 using aluminum as the metal is used for the source 5 and drain 6 of the MOSFET, an aluminum-silicon eutectic is formed, and the source or drain 6 is The silicon in the drain part dissolves into aluminum, causing electrical contact between the substrate 1 and the aluminum wiring T, and the resulting MOSFET becomes inoperable. For this reason, the effective channel length 1, compared to the channel length L' on the mask, is 0.8 μm when at least the source and drain are formed by ion implantation, and when formed by thermal diffusion. It becomes shorter by about 1.6 μm. Furthermore, considering the element area, aluminum wiring 7
This is done through a contact hole made in the PSG film 8 (phosphorus silicate glass SiO2 (P2O5)) deposited on the field oxide film 4, so that the aluminum wiring 1 can properly contact the source 5 and drain 6 parts. requires a margin for mask alignment, making it difficult to reduce the device area.

また前述のごとく、不純物の横方向拡散があるため、素
子面積および素子間の分離領域を小さくする事は困難で
ある。MOSFETおよびMOSICを高速化するため
には、一般的に実効チヤネル長Lを短かくし、また特に
ソースおよびドレーン部分の面積を縮小し、さらにドレ
ーンとゲートの重なり部分の面積を減少させる事が有効
である。
Further, as described above, since there is lateral diffusion of impurities, it is difficult to reduce the element area and the isolation region between elements. In order to increase the speed of MOSFETs and MOSICs, it is generally effective to shorten the effective channel length L, and particularly to reduce the area of the source and drain portions, and further reduce the area of the overlapped portion of the drain and gate. be.

このために、マスタ上のチヤネル長L7を減少させる事
が必要であるが、前述の理由で横方向の拡散長が大きく
、このためにLを必要な値にするためには、拡散長lを
精度よく制御する必要がある。さらに実効チヤネル長L
が短かくなつてくると、ソース5およびドレーン6間の
耐圧が、パンチ・スルー現象によつて低下し、MOSF
ETおよびMOSICの動作に必要な電圧を印カロする
事ができずさらにMOSFETのしきい電圧VTHが低
下するという副次的効果が生ずるため高速化を行なうた
めにチヤネルを短かくする事が不可能になる。以上従来
のMOSFETおよび〜10SICの問題点を列挙した
が、もう一度まとめると、1)アルミニウムとシリコン
の共晶が起こるためソースおよびドレーンの拡散深さを
少なくとも1μm程度以上と大きくする必要がある。
For this purpose, it is necessary to reduce the channel length L7 on the master, but for the reason mentioned above, the lateral diffusion length is large, so in order to make L the required value, the diffusion length l must be reduced. It is necessary to control accurately. Furthermore, the effective channel length L
As becomes shorter, the withstand voltage between the source 5 and drain 6 decreases due to the punch-through phenomenon, and the MOSF
It is not possible to apply the voltage necessary for ET and MOSIC operation, and the side effect of lowering the MOSFET threshold voltage VTH occurs, making it impossible to shorten the channel to increase speed. become. The problems of conventional MOSFETs and ~10SIC have been listed above, but to summarize again: 1) Because eutectic formation of aluminum and silicon occurs, the diffusion depth of the source and drain must be increased to at least about 1 μm or more.

2)このためにチヤネル長は、マス久上の設計値よりも
少なくとも0.8〜1.6μm程度以上短かくなり、設
計通りの特性を持たせて動作させる事が困難になる。
2) For this reason, the channel length becomes at least 0.8 to 1.6 μm shorter than the designed value of the mass, making it difficult to operate with the designed characteristics.

3)特にMOSFETおよびMOSICを高速化させる
時に重要なチヤネル長の短縮は、前述の効果によつて生
ずるソース・ドレーン耐圧の低下、しきい電圧の低下な
どにより不可能になる。
3) Shortening the channel length, which is particularly important when increasing the speed of MOSFETs and MOSICs, becomes impossible due to the reduction in source/drain breakdown voltage and threshold voltage caused by the aforementioned effects.

4)アルミニウムとソース・ドレーンの電気的接合を行
なわせるために、コンタクトの穴明けをする必要がゐる
が、基板と配線およびソースあるいはドレーンの3者が
電気的に接触するために該MOSFETおよびMOSI
Cが動作しなくなる事を防ぐために、接合部のソースあ
るいはドレーンの面積を大きくしておく事が不可欠であ
る。
4) It is necessary to drill contact holes in order to make electrical connections between the aluminum and the source/drain.
In order to prevent C from becoming inoperable, it is essential to increase the area of the source or drain of the junction.

このために素子而積を減少させる事が非常に困難である
。したがつて拡散層容量が減少できず素子の高速化がむ
つかしくなる。本発明は以止述べた現在のMOSFET
およびMOSICの製造方法の欠点を除くためになされ
たもので、アルミニウム・シリコンの共晶による不良が
起こる原因を除き、かつ実効的なチヤネル部の拡散深さ
を小さくして、チヤネル長を設計値にほぼ等しくし、こ
の結果短かいチヤネル長を持つMOSFETおよびMO
SICにおけるソース・ドレーン耐圧の低下、しきい電
圧の低下を防ぎ、さらに素子の面積を減少させる事を可
能にする半導体装置の製造方法を提供するものである。
For this reason, it is very difficult to reduce the element volume. Therefore, the capacitance of the diffusion layer cannot be reduced, making it difficult to increase the speed of the device. The present invention is applicable to the current MOSFET described below.
This was done in order to eliminate the drawbacks of the MOSIC manufacturing method, and eliminates the cause of defects due to the eutectic of aluminum and silicon, and also reduces the effective diffusion depth of the channel part to reduce the channel length to the design value. approximately equal to , which results in MOSFETs and MOs with short channel lengths.
The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device that prevents a decrease in source/drain breakdown voltage and a decrease in threshold voltage in an SIC, and further reduces the area of the element.

以下本発明を実施例に基づき詳細に説明する。第2図乃
至第5図は本発明の一実施例を示す程図であり、まず、
第2図に示すように、P形(100)抵抗率10Ω・?
のシリコン単結晶基板11を、1100℃ウエツト酸化
し、1μmの厚さに酸化シリコン膜12を成長させ、ホ
トエツチング技術によりMOSFETを形成する領域の
酸化膜を除き、さらに1050℃乾燥酸素中で再酸化し
て、ゲート酸化膜13を1200への厚さに成長させ、
厚さ5000XのポリシリコンをCVD法により堆積し
、ホトエツチング法によりゲー口4を形成した。ゲート
巾は8μmでマスク上のチヤネル長L/は8μmとなる
。つぎに第3図に示すように、ワンをイオン打込み、ソ
ース15およびドレーンとなるべきn+拡散層15,1
6を形成し、同時にポリシリコン層よりなるゲート14
をn型にドープし、さらにPSG層17をCVD法によ
つて堆積した。リンイオンの打込み条件は加速電圧15
0kV1打込み量1×1015/〜で、n+拡散層15
の表面抵抗値は150Ω/口拡散深さは0.15μmで
ある。SC(ト)旧6の堆積条件は窒素求釈4%モノシ
ランと1%フオスフインを流量比で20:1とし堆積時
の基板温度は400℃で、厚さは8000Aである。第
4図に示すようにホトエッチング法によりコンタクト穴
18をソース15およびドレーン16となるべき部分に
形成し、さらに、該コンタクト穴18を通してPOCI
、を拡散源とする熱拡散法によつて深い拡散層19,2
0をソース領域およびドレーン領域におのおの形成した
。コンタクト穴の大きさは8μMX8μm1拡散層の深
さ×jは10μm、表面抵抗値は20Ω/口である。該
拡散層19および20は、イオン打込み法によつても形
成できる。つぎに第5図に示すように拡散に用いたコン
タクト穴18を通してソースおよびトレーン中に形成し
た深い拡散層19および20を半導体装置の外部に電気
的に接続させるため、アルミニウム21を真空蒸着法に
より1μmの厚さに堆積し、必要部分を残してホトエツ
チング法で取り除いた状態である。第5図に示した構造
のMOSFETは、アルミニウム−シリコン共晶の問題
あるいはソース・ドレーン耐圧の低下、しきい電圧の低
下、といつた従来技術の欠点を全て除き、かつ素子面積
の減少を行なう事が可能になる。
The present invention will be described in detail below based on examples. FIG. 2 to FIG. 5 are diagrams showing one embodiment of the present invention.
As shown in Figure 2, P type (100) resistivity 10Ω・?
A silicon single crystal substrate 11 is wet-oxidized at 1100°C to grow a silicon oxide film 12 to a thickness of 1 μm, the oxide film in the area where the MOSFET is to be formed is removed by photoetching, and then re-oxidized at 1050°C in dry oxygen. Then, the gate oxide film 13 is grown to a thickness of 1200 nm.
Polysilicon with a thickness of 5000× was deposited by the CVD method, and the gate 4 was formed by the photoetching method. The gate width is 8 μm and the channel length L/ on the mask is 8 μm. Next, as shown in FIG.
6 and at the same time a gate 14 made of a polysilicon layer.
was doped to be n-type, and a PSG layer 17 was further deposited by CVD. The conditions for implanting phosphorus ions are an acceleration voltage of 15
At 0kV1 implantation amount 1×1015/~, n+ diffusion layer 15
The surface resistance value is 150Ω/the diffusion depth is 0.15 μm. The deposition conditions for SC(G) Old 6 were as follows: 4% monosilane supplemented with nitrogen and 1% phosphine at a flow rate ratio of 20:1, the substrate temperature during deposition was 400°C, and the thickness was 8000A. As shown in FIG. 4, contact holes 18 are formed in the portions that are to become the source 15 and drain 16 by photoetching, and then POCI is inserted through the contact holes 18.
Deep diffusion layers 19, 2 are formed by a thermal diffusion method using , as a diffusion source.
0 was formed in the source region and drain region, respectively. The size of the contact hole is 8 μm×8 μm, the depth of the diffusion layer×j is 10 μm, and the surface resistance value is 20 Ω/hole. The diffusion layers 19 and 20 can also be formed by ion implantation. Next, as shown in FIG. 5, in order to electrically connect the deep diffusion layers 19 and 20 formed in the source and train to the outside of the semiconductor device through the contact hole 18 used for diffusion, aluminum 21 is deposited by vacuum evaporation. It was deposited to a thickness of 1 μm and removed by photoetching, leaving only the necessary portions. The MOSFET with the structure shown in FIG. 5 eliminates all the drawbacks of the conventional technology such as the aluminum-silicon eutectic problem, lower source/drain breakdown voltage, and lower threshold voltage, and reduces the device area. things become possible.

本実施例では、マスク上のチヤネル長3μmの素子にお
いて、従来構造の素子に比して、ソース・ドレーン耐圧
で50%、しきい電圧で30%、素子面積で30%おの
おの改善する事ができた。本発明によれば、前記実施例
に示したMOSFETのみならず、複数個の前記MOS
FETよりなるMOSICをも製造可能で、全く同様な
効果を得られる事は明白である。本発明は、特に5μm
程度以下の短かいチヤネルを持つMOSFETおよびM
OSICに適用した場合特に有効である。
In this example, in a device with a channel length of 3 μm on the mask, it is possible to improve the source/drain breakdown voltage by 50%, the threshold voltage by 30%, and the device area by 30% compared to the device with the conventional structure. Ta. According to the present invention, not only the MOSFET shown in the embodiment but also a plurality of the MOS
It is clear that MOSICs made of FETs can also be manufactured and the same effect can be obtained. The present invention is particularly suitable for 5 μm
MOSFETs with short channels of less than
This is particularly effective when applied to OSIC.

また高い集積度を有するMOSICを作製する場合にも
有効である事はiうまでもなく、同一の回路を集積する
面積は、従来技術によるMOSICに比して約30%減
少する事が可能である。また同一回路の動作時間を従来
技術によるMOSICと比較すると約25%短縮する事
ができ、チヤネル長を短かくできる効果と共に用いれば
、動作時間を1/2に短縮する事ができる。本発明の効
果は前述の如き素子面積の大巾な減少および動作時間の
大巾な短縮のみならず、MOSFETの耐圧およびしき
い電圧の制御が可能であるために、歩留りを上げ、信頼
性を向上させる事ができる。以上実施例により述べた如
く、本発明によれば従来技術ではなし得なかつた高い特
性を持つMOSFETおよびMOSICを、ゲート酸化
膜を通してイオン打込みを行なつて浅い拡散層を形成す
る工程と、コンタクト穴を通して深い拡散層を形成し、
自己整合的に金属一拡散層のコンタクトを得る工程によ
つて、作製する事が可能になる。
It goes without saying that this method is also effective when manufacturing MOSICs with a high degree of integration, and the area for integrating the same circuit can be reduced by approximately 30% compared to MOSICs using conventional technology. . Furthermore, the operating time of the same circuit can be reduced by about 25% when compared with MOSIC using the prior art, and when used together with the effect of shortening the channel length, the operating time can be reduced to 1/2. The effects of the present invention are not only the significant reduction in device area and operation time as described above, but also the ability to control the withstand voltage and threshold voltage of MOSFETs, thereby increasing yield and reliability. It can be improved. As described above with reference to the embodiments, according to the present invention, MOSFETs and MOSICs with high characteristics that could not be achieved using conventional techniques can be manufactured by forming a shallow diffusion layer by implanting ions through a gate oxide film, and by forming a contact hole. forming a deep diffusion layer through
It can be manufactured by a process of obtaining a metal-diffusion layer contact in a self-aligned manner.

なお本発明における材料は本実施例に記載したものに限
る事はなくたとえばn型あるいは(111)方位を持つ
シリコン単結晶でも適用可能である事は言うまでもない
。また各々の熱工程における温度、雰囲気等は、熟練し
た技術者であれば適切な値に設定できる事は言うまでも
ない。
It goes without saying that the materials used in the present invention are not limited to those described in this embodiment, and may be, for example, n-type or (111) oriented silicon single crystals. It goes without saying that the temperature, atmosphere, etc. in each thermal process can be set to appropriate values by a skilled engineer.

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

第1図は従来構造のMOSFET断面図、第2図から第
5図は本発明の実施例を示す図である。 11:基板、12:フイールド酸化膜、13:ゲート酸
化膜、14:ゲート導電体、15:ソース、16:ドレ
ーン、17:PSG、18:コンタクト穴、19:ソー
スコンタクト、20:ドレーンコンタクト、21:金属
配線。
FIG. 1 is a sectional view of a MOSFET having a conventional structure, and FIGS. 2 to 5 are views showing embodiments of the present invention. 11: Substrate, 12: Field oxide film, 13: Gate oxide film, 14: Gate conductor, 15: Source, 16: Drain, 17: PSG, 18: Contact hole, 19: Source contact, 20: Drain contact, 21 : Metal wiring.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 下記工程を含む半導体装置の製造方法(1)半導体
基板表面のソースおよびドレインを形成すべき領域にゲ
ートをマスクにして浅い拡散層を形成する工程。 (2)絶縁膜を全面に被着する工程。 (3)上記絶縁膜にコンタクト穴を形成し、上記浅い拡
散層の表面の一部を露出させる工程。 (4)上記コンタクト穴を介して、上記浅い拡散層より
深い拡散層を形成する工程。
[Scope of Claims] 1. A method for manufacturing a semiconductor device including the following steps: (1) A step of forming a shallow diffusion layer using a gate as a mask in a region on the surface of a semiconductor substrate where a source and a drain are to be formed. (2) Process of depositing an insulating film over the entire surface. (3) forming a contact hole in the insulating film to expose a part of the surface of the shallow diffusion layer; (4) Forming a deeper diffusion layer than the shallow diffusion layer through the contact hole.
JP49143411A 1974-12-16 1974-12-16 Manufacturing method of semiconductor device Expired JPS597229B2 (en)

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