JPS6050070B2 - Manufacturing method of MOS type semiconductor device - Google Patents

Manufacturing method of MOS type semiconductor device

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JPS6050070B2
JPS6050070B2 JP5227277A JP5227277A JPS6050070B2 JP S6050070 B2 JPS6050070 B2 JP S6050070B2 JP 5227277 A JP5227277 A JP 5227277A JP 5227277 A JP5227277 A JP 5227277A JP S6050070 B2 JPS6050070 B2 JP S6050070B2
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JP
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polycrystalline silicon
silicon layer
region
forming
film
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道弘 井上
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は実効チャンネル長が極めて短かい、短チャンネ
ルのMOS形半導体装置の製造方法に関するものである
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method of manufacturing a short channel MOS type semiconductor device having an extremely short effective channel length.

MOS形電界効果トランジスタ(以下MOSFETと略
す)の高速動作化をはかるにはチャンネル長を短かくす
ることによつて相互コンダクタンス胛の増大化を行うこ
とが一つの有効な手段であるが、マスクパターン寸法に
よりチャンネル長を決める従来の方法ては限界があり、
1μm程度のチャンネル長を再現性よく実現することは
かなり困難であり、電子ビーム露光法等の新しいフォト
リソグラフィーの技術を必要とする。
One effective way to increase the speed of operation of a MOS field effect transistor (hereinafter abbreviated as MOSFET) is to increase the mutual conductance by shortening the channel length. The conventional method of determining channel length based on dimensions has its limitations.
It is quite difficult to realize a channel length of about 1 μm with good reproducibility, and new photolithography techniques such as electron beam exposure are required.

そこで本発明はチャンネル長がマスタパターン’寸法に
よらずにしかも再現性よく実現できる短チャンネルのM
OSFETの製造方法を提案しようとするものてある。
Therefore, the present invention has developed a short channel M whose channel length can be realized without depending on the master pattern's dimensions and with good reproducibility.
There are some attempts to propose a method for manufacturing OSFETs.

本発明の要旨とするところは、多結晶シリコンヘの不純
物の横方向拡散の寸法を利用してチヤン・ネル長を決定
しようとするもので、さらに具体的には多結晶シリコン
層の不純物が拡散された側面を選択的に除去した後、そ
の除去された寸法だけ不純物を添加してチャンネルの形
成を行うもので、チャンネル長は多結晶シリコンの横方
向からの拡散深さに依存することとなる。以下本発明の
実施例にかかるMOSFETの製造方法を図に従つて詳
細に説明する。
The gist of the present invention is to determine the channel length by using the dimensions of lateral diffusion of impurities into polycrystalline silicon, and more specifically, to determine the channel length by utilizing the dimensions of lateral diffusion of impurities into polycrystalline silicon. After selectively removing the removed side surfaces, impurities are added to the removed dimensions to form a channel, and the channel length depends on the lateral diffusion depth of the polycrystalline silicon. A method for manufacturing a MOSFET according to an embodiment of the present invention will be explained in detail below with reference to the drawings.

第1図〜第8図は本発明の実施例の製造工程の概略を示
す工程図であつて、ドレインの周囲にゲート、ソースが
リング状に形成されたMOSFETの作成方法を示す。
先ず第1図に示すようにP形半導体シリコン基板1表面
にイオン注入等の不純物添加手段を用いて、N形の薄い
拡散層2を形成する。
1 to 8 are process diagrams showing the outline of the manufacturing process of an embodiment of the present invention, and show a method of manufacturing a MOSFET in which a gate and a source are formed in a ring shape around a drain.
First, as shown in FIG. 1, a thin N-type diffusion layer 2 is formed on the surface of a P-type semiconductor silicon substrate 1 using impurity doping means such as ion implantation.

次に熱酸化法により厚さ5000〜10000A程度の
フールド酸化膜3を形成し、トランジスタを形成すべき
領域を開孔する。この状態が第2図である。次いで、前
記フィールド酸化膜3が開孔された領域に約1000A
程の薄い酸化膜4を熱酸化法により形成し、全面に第1
の多結晶シリコン層5を化学蒸着法により被着して、さ
らにその上にシリコン窒化膜あるいは酸化膜等の保護膜
6を被着する。
Next, a field oxide film 3 having a thickness of approximately 5,000 to 10,000 Å is formed by thermal oxidation, and holes are opened in areas where transistors are to be formed. This state is shown in FIG. Next, about 1000A is applied to the area where the field oxide film 3 is opened.
A thin oxide film 4 is formed by a thermal oxidation method, and the first
A polycrystalline silicon layer 5 is deposited by chemical vapor deposition, and a protective film 6 such as a silicon nitride film or an oxide film is further deposited thereon.

その後、第3図に示すようにソース領域を形成すべき部
分の保護膜を開孔し開孔部7を形成する。なおこの時、
フィールド酸化膜3も開孔してさしつかえないが、この
場合は保護膜6はシリコン窒化膜を用いる方が都合がよ
い。なんとなれは、酸化膜を用いると将来除去する際に
フィールド酸化膜3も同時にエッチングされ薄くなるか
らである。シリコン窒化膜ならば酸化膜とエッチング手
段を異にすることができるために都合がよいことになる
。保護膜6を開孔した後、この保護膜6を阻止膜として
前記第1の多結晶シリコン層5をエッチングにより選択
的に除去し、第3図に示.す状態を得る。次にイオンン
注入によりN形純物たとえばリンを注入し、ソース形成
用領域8を形成する不純物を添加した後、たとえばリン
を含んだ雰囲気中で熱拡散を行い、第1の多結晶シリコ
ン層5の側面.からリンを拡散させ領域9を巾約2〜3
μで形成するのと同時にソース形成用領域8のドライブ
インを行う(第4図)。
Thereafter, as shown in FIG. 3, a hole is formed in the protective film in a portion where a source region is to be formed to form an opening 7. Furthermore, at this time,
The field oxide film 3 may also be opened, but in this case it is more convenient to use a silicon nitride film as the protective film 6. This is because if an oxide film is used, when it is removed in the future, the field oxide film 3 will also be etched at the same time and become thinner. A silicon nitride film is advantageous because the etching means for the oxide film can be different from that for the oxide film. After opening the protective film 6, the first polycrystalline silicon layer 5 was selectively removed by etching using the protective film 6 as a blocking film, as shown in FIG. obtain the state. Next, an N-type pure substance such as phosphorus is implanted by ion implantation, and after adding an impurity to form the source formation region 8, thermal diffusion is performed in an atmosphere containing, for example, phosphorus to form the first polycrystalline silicon layer 5. Aspects of. Diffuse phosphorus from the
At the same time as forming the source formation region 8, drive-in is performed (FIG. 4).

なおイオン注入の時に不純物が第1の多結晶シリコン層
5内に注入されないよう保護膜6を注入イオンの平均飛
程Rpに比べ・て充分厚くしておく必要がある。たとえ
ばリンを加速電圧100Ke■(エレクトロンポルト)
で注入するとRpは約1200A程である。したがつて
保護膜6は少くとも3000A程の厚さにしておく必要
がある。次に第5図の如く保護膜6を除去し、第1の多
結晶シリコン層のうちリンを含んだ領域9をアミンカテ
コール水溶液(エチレンジアミン17m11ピロカテコ
ール3y1水8m1)等により選択的にエッチングし、
ボロンイオンをイオン注入法により打ち込み、熱処理を
行つて基板内にチャンネル用P形領域10を形成する。
Note that it is necessary to make the protective film 6 sufficiently thicker than the average range Rp of the implanted ions so that impurities are not implanted into the first polycrystalline silicon layer 5 during ion implantation. For example, phosphorus is accelerated at a voltage of 100Ke (electron port)
If it is injected at 1, the Rp will be about 1200A. Therefore, the protective film 6 needs to have a thickness of at least about 3000A. Next, as shown in FIG. 5, the protective film 6 is removed, and the region 9 containing phosphorus in the first polycrystalline silicon layer is selectively etched with an aminecatechol aqueous solution (ethylenediamine 17ml, pyrocatechol 3y1, water 8ml), etc.
Boron ions are implanted by ion implantation, and heat treatment is performed to form a channel P-type region 10 in the substrate.

なおこの時、イオン注入量は領域10がN形のドリフト
領域2よりも高ノ濃度に、ソース領域8よりも低濃度に
なるように決定する。次に第1の多結晶シリコン層5を
除去し、薄い酸化膜4をエッチングし除去した後、再び
基板表面を酸化してゲート酸化膜7を形成し、全面に第
2の多結晶シリコン層12を被着して、前記保護膜6を
開孔したパターンと同一パターンで開孔部7″に形成す
る。
At this time, the amount of ion implantation is determined so that the region 10 has a higher concentration than the N-type drift region 2 and a lower concentration than the source region 8. Next, after removing the first polycrystalline silicon layer 5 and etching and removing the thin oxide film 4, the substrate surface is oxidized again to form a gate oxide film 7, and a second polycrystalline silicon layer 12 is formed on the entire surface. The apertures 7'' are formed in the same pattern as the apertures of the protective film 6.

その状態を第6図に示す。すなわち、開孔部7″の形成
に際し、シリコン窒化膜6のパターン形成と同一のマス
クを用いることが″てき、精度良く開孔部7″を形成す
ることがてきる。次に第7図に示すように第2の多結晶
シリコン層12の開孔を再び行い、ドレイン拡散窓とな
る開孔部13を形成し、残された第2の多結晶シリコン
層12を阻止膜としてゲート酸化膜11のエッチングを
行い、N形不純物たとえばリンの拡散を行つてドレイン
領域14を形成する。この時ソース形成用領域8は規定
通りのソース領域となる。なお領域8には既に不純物が
添加されており再び不純物が拡散され高濃度になるが、
なんらさしつかえない。またソース、ドレイン拡散時の
熱処理によりP形チャンネル領域10およびドリフト領
域2もいくらか拡散深さが深くなる。その結果ドレイン
領域14とソース領域8との間にドリフト領域2および
チャンネル領域10が存在し、しかもチャンネル領域の
長さは前記第1の多結晶シリコン層の横方向拡散領域9
の巾て決定され、さらにソース領域8の横方向への拡散
拡がりの結果チャンネル領域10は1〜2μm程度とな
る。このように容易に1〜2μmの短チャンネルMOS
FETが構成される。最後に第8図に示す如く化学蒸着
法により酸化膜を被着し、電極取り出し用のコンタクト
窓を開孔し、金属配線15,16,17を行つて完成す
る。
The state is shown in FIG. That is, when forming the openings 7'', it is possible to use the same mask used for patterning the silicon nitride film 6, and the openings 7'' can be formed with high precision.Next, as shown in FIG. As shown, the second polycrystalline silicon layer 12 is opened again to form the opening 13 that will become the drain diffusion window, and the remaining second polycrystalline silicon layer 12 is used as a blocking film to form the gate oxide film 11. The drain region 14 is formed by etching and diffusing an N-type impurity such as phosphorus.At this time, the source forming region 8 becomes a source region as specified.Note that the region 8 has already been doped with an impurity. The impurities are diffused again and become highly concentrated, but
I have no reservations. Further, due to the heat treatment during source and drain diffusion, the diffusion depths of the P-type channel region 10 and the drift region 2 become somewhat deeper. As a result, a drift region 2 and a channel region 10 are present between the drain region 14 and the source region 8, and the length of the channel region is the same as that of the lateral diffusion region 9 of the first polycrystalline silicon layer.
Further, as a result of the diffusion and expansion of the source region 8 in the lateral direction, the width of the channel region 10 becomes approximately 1 to 2 μm. In this way, short channel MOS of 1 to 2 μm can be easily
FET is configured. Finally, as shown in FIG. 8, an oxide film is deposited by chemical vapor deposition, a contact window is opened for taking out the electrodes, and metal wirings 15, 16, 17 are formed to complete the structure.

なお本実施例てはドレイン領域14への不純物拡散を熱
拡散て行つたがイオン注入法を用いても同様の結果が得
られる。
In this embodiment, the impurity was diffused into the drain region 14 by thermal diffusion, but similar results can be obtained by using ion implantation.

またソース領域8および第1の多結晶シリコン層5内横
方向からの不純物拡散領域9を形成する他の実施例を述
べる。
Another embodiment in which a source region 8 and an impurity diffusion region 9 from the lateral direction within the first polycrystalline silicon layer 5 are formed will be described.

第3図の状態から保護膜および第1の多結晶シリコン層
5を阻止膜として前記第1の薄い酸化膜4をエッチング
し、ソース領域の半導体表面を露出する。その後リンを
熱拡散により半導体基板内1と第1の多結晶シリコン層
5の側面に拡散し、酸化性雰囲気中て熱処理を行い、表
面を約1000A程酸化する。この時第1の多結晶シリ
コン層5の側面も酸化膜が形成されるが、その巾は10
00A程度であり、チャンネル領域10の形成にはチャ
ンネル領域自体のドライブインによる横方向拡散がある
ために問題とならない。この方法によれば、ソース形成
用領域8と不純物拡散領域9を同時に形成することがで
きる。なお、本実施例の説明ではNチャンネルFETの
形成についてのみ述べたが、P形をN形にN形をP形の
不純物にすることにより、PチャンネルFETの形成も
同様に可能である。また、第7図の左側と右側のソース
領域を別のMOSFETのそれぞれのソースとし、ドレ
イン14を共通とした2個のトランジスタとすることも
できる。この場合は、ソース領域はリング状ではない。
すなわちたとえば、論理回路の一部である2個のMOS
FETの接続された部分の作成方法も添付図面の工程で
あられすことができる。さらに、本発明において多結晶
シリコン側面への不純物拡散を一方の側面のみとするこ
とも当然可能であり、この場合は一方の側面を保護膜で
覆つておけは良い。以上のように、本発明の製造方法に
よれば、マスクパターン寸法に依存しないチャンネル長
を有する短チャンネルのMOSFETを実現することが
てき、MOSFETの高Gm化、高速化に大きく寄与す
ることができる。
From the state shown in FIG. 3, the first thin oxide film 4 is etched using the protective film and the first polycrystalline silicon layer 5 as a blocking film to expose the semiconductor surface of the source region. Thereafter, phosphorus is diffused into the semiconductor substrate 1 and the side surfaces of the first polycrystalline silicon layer 5 by thermal diffusion, and heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere to oxidize the surface by about 1000A. At this time, an oxide film is also formed on the side surface of the first polycrystalline silicon layer 5, but its width is 10
00A, which does not pose a problem since the formation of the channel region 10 involves lateral diffusion due to drive-in of the channel region itself. According to this method, the source formation region 8 and the impurity diffusion region 9 can be formed at the same time. In the description of this embodiment, only the formation of an N-channel FET has been described, but it is also possible to form a P-channel FET by changing the P type to N type and the N type to P type impurity. Furthermore, the source regions on the left and right sides of FIG. 7 can be used as the respective sources of separate MOSFETs, and two transistors with a common drain 14 can be formed. In this case, the source region is not ring-shaped.
That is, for example, two MOSs that are part of a logic circuit
The method for creating the connected portion of the FET can also be performed using the steps shown in the attached drawings. Furthermore, in the present invention, it is naturally possible to diffuse impurities to only one side surface of the polycrystalline silicon, and in this case, it is preferable to cover one side surface with a protective film. As described above, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to realize a short channel MOSFET having a channel length that does not depend on mask pattern dimensions, and it can greatly contribute to increasing the Gm and speed of MOSFETs. .

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

第1図〜第8図は本発明の一実施例にかかるMOSFE
Tの製造方法の工程を示す断面図である。 1・・・・・P形シリコン基板、2・・・・・・薄い拡
散層、4・・・・・・薄い酸化膜、5,12・・・・・
・多結晶シリコン層、6・・・・・・保護膜、7,13
・・・・・・開孔部、8・・・ソース形成用領域、9・
・・・・・不純物拡散領域、10・・チャンネル用領域
、11・・・・・・ゲート酸化膜、14・・・・・・ド
レイン領域。
FIGS. 1 to 8 show a MOSFE according to an embodiment of the present invention.
It is a sectional view showing the process of the manufacturing method of T. 1...P-type silicon substrate, 2...Thin diffusion layer, 4...Thin oxide film, 5, 12...
・Polycrystalline silicon layer, 6... Protective film, 7, 13
. . . Opening portion, 8 . . . Source formation region, 9.
... Impurity diffusion region, 10 ... Channel region, 11 ... Gate oxide film, 14 ... Drain region.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 第1導電形の半導体基板の一主面に第2導電形の浅
い拡散層を形成し、この拡散層上に絶縁膜を形成する工
程と、この絶縁膜上に第1に多結晶シリコン層および保
護膜を選択的に積層形成する工程と、前記第1の多結晶
シリコン層および保護膜をマスクとして前記半導体基板
表面にソース領域形成用の第2導電形の不純物領域を形
成する工程と、前記第1の多結晶シリコン層の露出した
側面から不純物を拡散し、この不純物の拡散された第1
の多結晶シリコンを選択的に除去する工程と、前記保護
膜を除去し、残された第1の多結晶シリコン層をマスク
として前記半導体基板表面に第1導電形の不純物を導入
してソース領域と隣接したチャンネル領域を形成する工
程と、前記第1の多結晶シリコン層および第1の絶縁膜
を除去し、前記半導体表面にゲート酸化膜および第2の
多結晶シリコン層を形成する工程と、前記多結晶シリコ
ン層およびゲート酸化膜を選択的に除去し、第2導電形
の不純物を拡散してドレイン領域を形成する工程とを備
えたことを特徴とするMOS形半導体装置の製造方法。 2 ソース領域を形成するに当り、第2導電形の不純物
をイオン注入により添加し、前記第1の多結晶シリコン
層への側面への不純物拡散を熱拡散により行うことを特
徴とする特許請求の範囲第1項に記載のMOS形半導体
装置の製造方法。3 保護膜と第1の多結晶シリコン層
の2層膜の残された領域を阻止膜として絶縁膜をエッチ
ングし、熱拡散によりソース領域を形成すると同時に第
1の多結晶シリコン層への露出された側面からの不純物
拡散を行うことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記
載のMOS形半導体装置の製造方法。
[Claims] 1. A step of forming a shallow diffusion layer of a second conductivity type on one main surface of a semiconductor substrate of a first conductivity type, and forming an insulating film on this diffusion layer; 1, a step of selectively laminating a polycrystalline silicon layer and a protective film; and a second conductivity type impurity region for forming a source region on the surface of the semiconductor substrate using the first polycrystalline silicon layer and the protective film as a mask. and diffusing impurities from the exposed side surfaces of the first polycrystalline silicon layer, and
selectively removing the polycrystalline silicon layer, and removing the protective film and introducing impurities of a first conductivity type into the surface of the semiconductor substrate using the remaining first polycrystalline silicon layer as a mask to form a source region. forming a channel region adjacent to the first polycrystalline silicon layer; removing the first polycrystalline silicon layer and the first insulating film, and forming a gate oxide film and a second polycrystalline silicon layer on the semiconductor surface; A method for manufacturing a MOS type semiconductor device, comprising the steps of selectively removing the polycrystalline silicon layer and the gate oxide film, and diffusing impurities of a second conductivity type to form a drain region. 2. In forming the source region, impurities of a second conductivity type are added by ion implantation, and the impurity is diffused into the side surfaces of the first polycrystalline silicon layer by thermal diffusion. A method for manufacturing a MOS semiconductor device according to scope 1. 3. Etching the insulating film using the remaining region of the two-layer film of the protective film and the first polycrystalline silicon layer as a blocking film, forming a source region by thermal diffusion and at the same time exposing the exposed region to the first polycrystalline silicon layer. A method of manufacturing a MOS type semiconductor device according to claim 1, characterized in that impurity diffusion is performed from the side surface.
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