JPH04348519A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、特にW膜をゲート電極として用いたMOSトラン
ジスタの製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a MOS transistor using a W film as a gate electrode.
【0002】0002
【従来の技術】図3に示す工程順の断面図を用いて、従
来のシリコンゲート型MOSトランジストタの製造方法
を説明する。2. Description of the Related Art A conventional method for manufacturing a silicon gate type MOS transistor will be described with reference to sectional views showing the steps shown in FIG.
【0003】まず、Si基板1表面に数十nmの厚さの
ゲート酸化膜2を熱酸化により形成する〔図3(A)〕
。次に、減圧気相成長法によりゲート酸化膜2表面にポ
リシリコン膜3を400〜600nm堆積し、ポリシリ
コン膜3に不純物を拡散してポリシリコン膜3のシート
抵抗を低減させる〔図3(B)〕。続いて、フォトリソ
グラフィ技術およびドライエッチング技術を用いてポリ
シリコン膜3のパターン加工を行ない、ゲート電極とな
るポリシリコン膜3aを形成する〔図3(C)〕。引き
続いて、ポリシリコン膜3aをマスクとしてSi基板1
に不純物のイオン注入を行ない、900〜1000℃の
不活性ガス雰囲気で熱処理を行ない、ソース・ドレイン
領域4を形成する〔図3(D)〕。First, a gate oxide film 2 with a thickness of several tens of nanometers is formed on the surface of the Si substrate 1 by thermal oxidation [FIG. 3(A)].
. Next, a polysilicon film 3 with a thickness of 400 to 600 nm is deposited on the surface of the gate oxide film 2 by low-pressure vapor deposition, and impurities are diffused into the polysilicon film 3 to reduce the sheet resistance of the polysilicon film 3 (see FIG. 3). B)]. Subsequently, the polysilicon film 3 is patterned using photolithography and dry etching techniques to form a polysilicon film 3a that will become a gate electrode [FIG. 3(C)]. Subsequently, the Si substrate 1 is deposited using the polysilicon film 3a as a mask.
Then, impurity ions are implanted, and heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at 900 to 1000° C. to form source/drain regions 4 [FIG. 3(D)].
【0004】しかしながら、半導体素子の微細化の進展
と共にゲート酸化膜2が薄膜化されてくると、ゲート電
極であるポリシリコン膜3a中の不純物によるゲート酸
化膜2の突き抜けが発生し、電気的特性への影響が無視
できなくなる。このため、ポリシリコン膜3への不純物
拡散を低濃度化する必要が生じる。このようにするとポ
リシリコン膜3aのシート抵抗は増大し、ひいては半導
体装置の動作速度の低下,および発熱量の増大をもたら
す。あるリン拡散条件におけるポリシリコン膜3のシー
ト抵抗のポリシリコン膜厚依存性を、図5に示す。同図
からも明かなように、微細化に伴ないポリシリコン膜3
の膜厚が薄くなると、シート抵抗はポリシリコン膜厚に
反比例して増大し、上述した問題点はさらに強調される
。However, as the gate oxide film 2 becomes thinner with the progress of miniaturization of semiconductor devices, penetration of the gate oxide film 2 by impurities in the polysilicon film 3a, which is the gate electrode, occurs, and the electrical characteristics deteriorate. The impact on this cannot be ignored. Therefore, it is necessary to reduce the concentration of impurity diffusion into the polysilicon film 3. In this case, the sheet resistance of the polysilicon film 3a increases, which in turn causes a decrease in the operating speed of the semiconductor device and an increase in the amount of heat generated. FIG. 5 shows the dependence of the sheet resistance of the polysilicon film 3 on the polysilicon film thickness under certain phosphorus diffusion conditions. As is clear from the figure, as the size of the polysilicon film 3 increases due to miniaturization,
As the thickness of the polysilicon film becomes thinner, the sheet resistance increases in inverse proportion to the thickness of the polysilicon film, further exacerbating the above-mentioned problems.
【0005】このため近年では、半導体素子の微細化,
高速化の要求に応える手段として、図4の工程順の断面
図に示すような製造方法により形成されたポリサイドゲ
ート型MOSトランジストタが採用されている。[0005] For this reason, in recent years, the miniaturization of semiconductor elements,
As a means to meet the demand for higher speeds, a polycide gate type MOS transistor formed by a manufacturing method as shown in the cross-sectional view of the process sequence in FIG. 4 has been adopted.
【0006】この方法では、まず、Si基板1表面に2
0nm前後の厚さのゲート酸化膜2を熱酸化により形成
する〔図4(A)〕。次に、減圧気相成長法によりゲー
ト酸化膜2表面にポリシリコン膜3を150〜200n
m堆積し、ポリシリコン膜3に適度の不純物を拡散する
〔図4(B)〕。その後、スパッタリング法によりWS
i膜5を150〜200nm程度成膜する〔図4(C)
〕。続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術を用いてWSi膜5,ポリシリコン膜3のパ
ターン加工を行ない、ゲート電極となるWSi膜5a,
ポリシリコン膜3aを形成する〔図4(D)〕。
引き続いて、WSi膜5a,ポリシリコン膜3aをマス
クとしてSi基板1に不純物のイオン注入を行ない、9
00〜1000℃の不活性ガス雰囲気で熱処理を行ない
、ソース・ドレイン領域4を形成すると同時にWSi膜
5aのアニーリングを行なう〔図4(E)〕。In this method, first, 2
A gate oxide film 2 having a thickness of approximately 0 nm is formed by thermal oxidation [FIG. 4(A)]. Next, a polysilicon film 3 with a thickness of 150 to 200 nm is deposited on the surface of the gate oxide film 2 by low pressure vapor deposition.
m is deposited and an appropriate amount of impurity is diffused into the polysilicon film 3 [FIG. 4(B)]. After that, WS was formed by sputtering method.
The i film 5 is formed to a thickness of about 150 to 200 nm [FIG. 4(C)
]. Subsequently, the WSi film 5 and polysilicon film 3 are patterned using photolithography and dry etching to form the WSi film 5a, which will become the gate electrode.
A polysilicon film 3a is formed [FIG. 4(D)]. Subsequently, impurity ions are implanted into the Si substrate 1 using the WSi film 5a and the polysilicon film 3a as masks.
A heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at 00 to 1000° C. to form the source/drain regions 4, and at the same time, the WSi film 5a is annealed [FIG. 4(E)].
【0007】この方法により得られたWSi膜5a,お
よびポリシリコン膜3aからなるゲート電極のシート抵
抗は、5Ω/□程度である。The sheet resistance of the gate electrode made of the WSi film 5a and the polysilicon film 3a obtained by this method is about 5Ω/□.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の製造方
法によるポリサイドゲート型MOSトランジスタでは、
ゲート電極形成のためのドライエッチング時にWSi膜
5とポリシリコン膜3との異質な膜を同時にエッチング
しなければならず、エッチング形状が良好で,かつエッ
チング寸法精度の良いエッチング条件を設定するのが困
難である。また、ポリシリコン膜3は、WSi膜5に比
べて比抵抗がかなり高いため、電気伝導にはあまり寄与
せず、縦方向の微細化阻止要因として働くという問題が
あった。[Problems to be Solved by the Invention] However, in the polycide gate type MOS transistor manufactured by the above manufacturing method,
During the dry etching for forming the gate electrode, the WSi film 5 and the polysilicon film 3, which are dissimilar films, must be etched at the same time, so it is important to set etching conditions that provide a good etched shape and dimensional accuracy. Have difficulty. Further, since the polysilicon film 3 has a considerably higher resistivity than the WSi film 5, it does not contribute much to electrical conduction and acts as a factor for inhibiting vertical miniaturization.
【0009】[0009]
【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、半導体基板表面にゲート酸化膜を形成する工
程と、減圧気相成長法によりシリコン薄膜を堆積する工
程と、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング
技術によりシリコン薄膜を微細パターンに加工する工程
と、微細パターンに加工されたシリコン薄膜の表面を酸
化する工程と、WF6 ガスによるSi還元反応を用い
て表面が酸化されたシリコン薄膜をW薄膜に置換する工
程と、W薄膜をマスクとして不純物イオン注入を行なう
工程と、を具備している。[Means for Solving the Problems] A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a gate oxide film on the surface of a semiconductor substrate, a step of depositing a silicon thin film by a low pressure vapor phase epitaxy method, and a step of using a photolithography technique. A process of processing a silicon thin film into a fine pattern using dry etching technology, a process of oxidizing the surface of the silicon thin film processed into a fine pattern, and a process of converting the silicon thin film whose surface has been oxidized using a Si reduction reaction using WF6 gas into a W thin film. and a step of implanting impurity ions using the W thin film as a mask.
【0010】0010
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明する
。図1は本発明の第1の実施例を説明するための工程順
の断面図である。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be explained with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of the process order for explaining the first embodiment of the present invention.
【0011】まず、図1(A)に示すように、Si基板
1表面に20nm前後の厚さのゲート酸化膜2を熱酸化
により形成する。次に、図1(B)に示すように、減圧
気相成長法によりゲート酸化膜2表面にポリシリコン膜
3を150〜200nm堆積する。次に、図1(C)に
示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術を用いてポリシリコン膜3のパターン加工を
行ない、ポリシリコン膜3aを形成する。その後、熱H
NO3 液に沈潜し、ポリシリコン膜3aの表面を11
〜15オングストローム程度酸化する。続いて、図1(
D)に示すように、WF6 ガスによるSi還元反応を
用いて、ポリシリコン膜3aの殆どをW膜6に置換する
。W膜6はゲート電極となる。引き続いて、図1(E)
に示すように、置換されたW膜6をマスクにしてSi基
板1に不純物のイオン注入を行ない、900〜1000
℃の不活性ガス雰囲気で熱処理を行ない、ソース・ドレ
イン領域4を形成する。First, as shown in FIG. 1A, a gate oxide film 2 having a thickness of approximately 20 nm is formed on the surface of a Si substrate 1 by thermal oxidation. Next, as shown in FIG. 1B, a polysilicon film 3 is deposited to a thickness of 150 to 200 nm on the surface of the gate oxide film 2 by low pressure vapor phase epitaxy. Next, as shown in FIG. 1C, the polysilicon film 3 is patterned using photolithography and dry etching techniques to form a polysilicon film 3a. After that, heat H
The surface of the polysilicon film 3a is coated with 11
~15 angstroms are oxidized. Next, Figure 1 (
As shown in D), most of the polysilicon film 3a is replaced with a W film 6 using a Si reduction reaction using WF6 gas. The W film 6 becomes a gate electrode. Subsequently, Figure 1(E)
As shown in FIG. 2, impurity ions are implanted into the Si substrate 1 using the substituted W film 6 as a mask.
Heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at .degree. C. to form source/drain regions 4.
【0012】上述のWF6 ガスによるSi還元反応を
用いたポリシリコン膜3aのW膜6への置換は、1To
rr前後の減圧雰囲気で、不活性ガスにより希釈された
WF6 ガスの分圧を数〜数mTorrに制御し、Si
基板1を約30分,300℃に加熱することで行なわれ
る。The above-mentioned replacement of the polysilicon film 3a with the W film 6 using the Si reduction reaction using the WF6 gas is performed at 1To
In a reduced pressure atmosphere around rr, the partial pressure of WF6 gas diluted with an inert gas is controlled to several to several mTorr, and Si
This is done by heating the substrate 1 to 300° C. for about 30 minutes.
【0013】また、WF6 ガスによるSi還元反応に
先立つポリシリコン膜3aの11〜15オングストロー
ム程度の表面酸化は、熱HNO3 液への沈潜の他に、
別の薬品処理,例えばNH4 OH+H2O2 +H2
O溶液への沈潜等によっても達成できる。より高精度
な酸化膜厚コントロールのために、ポリシリコン膜3a
の表面酸化の直前に、希釈HF液によりポリシリコン膜
3a表面の自然酸化膜の除去を実施することも有効であ
る。但しこの場合、Si基板1を覆っているゲート酸化
膜2を除去し過ぎないように、自然酸化膜のエッチング
量は50オングシトローム以下に抑えることが望ましい
。ポリシリコン膜3aの表面酸化は、ドライO2 ガス
による熱酸化法によっても可能である。但しこの場合、
WF6 ガスによるSi還元反応を用いたポリシリコン
膜3aのW膜6への置換は、Si基板1を450℃以上
に加熱して行なわなければならない。[0013] Furthermore, the surface oxidation of about 11 to 15 angstroms of the polysilicon film 3a prior to the Si reduction reaction by WF6 gas is caused by submergence into the hot HNO3 solution.
Another chemical treatment, e.g. NH4 OH + H2O2 + H2
This can also be achieved by submersion in an O solution. For more precise oxide film thickness control, polysilicon film 3a
It is also effective to remove the natural oxide film on the surface of the polysilicon film 3a using a diluted HF solution immediately before the surface oxidation of the polysilicon film 3a. However, in this case, it is desirable to suppress the etching amount of the natural oxide film to 50 angstroms or less so as not to remove too much of the gate oxide film 2 covering the Si substrate 1. The surface oxidation of the polysilicon film 3a can also be performed by thermal oxidation using dry O2 gas. However, in this case,
Replacement of polysilicon film 3a with W film 6 using Si reduction reaction using WF6 gas must be performed by heating Si substrate 1 to 450° C. or higher.
【0014】以上述べたポリシリコン膜3aのWF6
ガスによるSi還元反応を用いたW膜6への置換は、小
林らによって月刊セミコンダクター・ワールド(月刊S
emiconductor World)1989年
,4月号,37〜42ページに紹介されているもので、
通常10nm程度のW膜への置換で抑制されてしまうW
F6 ガスによるSi還元反応を、ポリシリコン膜の表
面に薄い酸化膜を形成することにより、W膜への置換を
μm単位まで可能にした手法によっている。WF6 of the polysilicon film 3a described above
The replacement with W film 6 using Si reduction reaction with gas was reported by Kobayashi et al. in Monthly Semiconductor World (Monthly Semiconductor World).
emiconductor World) April issue, 1989, pages 37-42.
W is usually suppressed by replacing it with a W film of about 10 nm.
The Si reduction reaction using F6 gas is performed by forming a thin oxide film on the surface of the polysilicon film, thereby making it possible to replace the polysilicon film with a W film down to the micrometer level.
【0015】本実施例において形成されるW膜6は若干
ポーラスであり、比抵抗は70〜120μΩcmであり
、200nmの膜厚のW膜6のシート抵抗は3.6〜6
Ω/□となり、従来のポリサイドゲートのシート抵抗と
同程度となる。ポリシリコン膜3aをW膜6に置換した
場合、パターン寸法に若干の変動が生じるが、微細パタ
ーンにおいては問題無いレベルである。The W film 6 formed in this example is slightly porous and has a specific resistance of 70 to 120 μΩcm, and the sheet resistance of the W film 6 with a thickness of 200 nm is 3.6 to 6.
Ω/□, which is comparable to the sheet resistance of a conventional polycide gate. When the polysilicon film 3a is replaced with the W film 6, some variation occurs in pattern dimensions, but this is at a level that poses no problem in fine patterns.
【0016】本実施例においては、ポリシリコン膜を例
にして説明してきたが、ポリシリコン膜の代りにアモル
ファスシリコン膜を用いても良い。また、ポリシリコン
膜3aのW膜6への置換終了後、WF6 ガスの希釈用
としての不活性ガスの代りにH2 ガスを短時間導入し
、H2 還元反応を用いたWの選択気相成長法を行ない
、W膜6の表面を10nm程度被覆すれば、ソース・ド
レイン領域4形成のための不純物イオン注入時のW膜6
のマスク性はさらに向上する。Although this embodiment has been described using a polysilicon film as an example, an amorphous silicon film may be used instead of the polysilicon film. In addition, after the replacement of the polysilicon film 3a with the W film 6, H2 gas is introduced for a short time instead of the inert gas for diluting the WF6 gas, and a selective vapor phase growth method of W using the H2 reduction reaction is performed. If the surface of the W film 6 is covered with a thickness of about 10 nm, the W film 6 will be covered during the impurity ion implantation to form the source/drain regions 4.
This further improves maskability.
【0017】図2は本発明の第2の実施例を説明するた
めの主要工程順の断面図である。本実施例は、第1の実
施例における図1(D)に示した工程までは、第1の実
施例と同じである。FIG. 2 is a sectional view showing the order of main steps for explaining a second embodiment of the present invention. This example is the same as the first example up to the step shown in FIG. 1(D) in the first example.
【0018】WF6 ガスによるSi還元反応によりポ
リシリコン膜をW膜6へ置換した後、図2(A)に示す
ように、W膜6をマスクにしてSi基板1に低濃度不純
物のイオン注入を行ない、900〜1000℃の不活性
ガス雰囲気で熱処理を行ない、低濃度接合領域7を形成
する。次に、図2(B)に示すように、WF6 +H2
ガスによるWF6 のH2 還元反応,あるいはWF
6 +SiH4 ガスによるWF6 のSiH4 還元
反応を用いたWの選択気相成長法により、W膜6の表面
に150〜200nm程度のW膜8を追加成長する。続
いて、図2(C)に示すように、Si基板1に不純物の
イオン注入を行ない、900〜1000℃の不活性ガス
雰囲気で熱処理を行ない、ソース・ドレイン領域4を形
成する。After replacing the polysilicon film with the W film 6 by the Si reduction reaction using the WF6 gas, ions of low concentration impurities are implanted into the Si substrate 1 using the W film 6 as a mask, as shown in FIG. 2(A). Then, a heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at 900 to 1000° C. to form a low concentration junction region 7. Next, as shown in FIG. 2(B), WF6 +H2
H2 reduction reaction of WF6 by gas, or WF
A W film 8 with a thickness of about 150 to 200 nm is additionally grown on the surface of the W film 6 by a W selective vapor phase growth method using a SiH4 reduction reaction of WF6 with 6 +SiH4 gas. Subsequently, as shown in FIG. 2C, impurity ions are implanted into the Si substrate 1, and heat treatment is performed in an inert gas atmosphere at 900 to 1000° C. to form source/drain regions 4.
【0019】本実施例では、第1の実施例にH2 還元
反応,あるいはSiH4 還元反応を用いたWの選択気
相成長工程を追加するだけで、容易にLDD構造のMO
Sトランジスタを形成できるのいう利点がある。In this embodiment, an MO of an LDD structure can be easily formed by simply adding a W selective vapor phase growth process using an H2 reduction reaction or a SiH4 reduction reaction to the first embodiment.
It has the advantage that an S transistor can be formed.
【0020】[0020]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、半導体装
置の製造方法において、ゲート酸化膜表面に形成された
シリコン薄膜をパターンに加工し、このシリコン薄膜の
表面を酸化した後、WF6 ガスによるSi還元反応を
用いてシリコン薄膜をW薄膜に置換してWゲート電極を
有するMOSトランジスタを形成することにより、ゲー
ト電極のシート抵抗を5Ω/□程度の低抵抗値に維持し
ながら半導体装置の縦方向の微細化を可能にするという
効果がある。また、単層で,かつ薄いシリコン薄膜を加
工するだけなので、微小寸法の高集積化の実現が可能で
あるという効果もある。As explained above, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device in which a silicon thin film formed on the surface of a gate oxide film is processed into a pattern, the surface of the silicon thin film is oxidized, and then WF6 gas is applied. By replacing the silicon thin film with a W thin film using a Si reduction reaction and forming a MOS transistor with a W gate electrode, the sheet resistance of the gate electrode can be maintained at a low resistance value of about 5Ω/□ while the vertical direction of the semiconductor device can be improved. This has the effect of enabling direction miniaturization. Furthermore, because only a single layer and a thin silicon thin film is processed, it is possible to achieve high integration in minute dimensions.
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための断面図
である。FIG. 1 is a sectional view for explaining a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための断面図
である。FIG. 2 is a sectional view for explaining a second embodiment of the present invention.
【図3】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
【図4】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
【図5】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
グラフである。FIG. 5 is a graph for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor device.
1 Si基板 2 ゲート酸化膜 3,3a ポリシリコン膜 4 ソース・ドレイン領域 5,5a WSi膜 6,8 W膜 7 低濃度接合領域 1 Si substrate 2 Gate oxide film 3, 3a Polysilicon film 4 Source/drain region 5,5a WSi film 6,8 W film 7 Low concentration junction area
Claims (1)
する工程と、減圧気相成長法によりシリコン薄膜を堆積
する工程と、フォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術により、前記シリコン薄膜を微細パターンに
加工する工程と、微細パターンに加工された前記シリコ
ン薄膜の表面を酸化する工程と、WF6ガスによるSi
還元反応を用いて、表面が酸化された前記シリコン薄膜
をW薄膜に置換する工程と、前記W薄膜をマスクとして
、不純物イオン注入を行なう工程と、を具備することを
特徴とする半導体装置の製造方法。1. A step of forming a gate oxide film on the surface of a semiconductor substrate, a step of depositing a silicon thin film by low pressure vapor phase epitaxy, and processing the silicon thin film into a fine pattern by photolithography technology and dry etching technology. a step of oxidizing the surface of the silicon thin film processed into a fine pattern, and a step of oxidizing the surface of the silicon thin film processed into a fine pattern;
Manufacturing a semiconductor device comprising the steps of replacing the silicon thin film whose surface has been oxidized with a W thin film using a reduction reaction, and implanting impurity ions using the W thin film as a mask. Method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12062191A JPH04348519A (en) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | Manufacture of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12062191A JPH04348519A (en) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | Manufacture of semiconductor device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04348519A true JPH04348519A (en) | 1992-12-03 |
Family
ID=14790769
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12062191A Pending JPH04348519A (en) | 1991-05-27 | 1991-05-27 | Manufacture of semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04348519A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06326052A (en) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Nec Corp | Thin film formation |
| WO2017000670A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | 无锡华润上华科技有限公司 | Tungsten film deposition method |
-
1991
- 1991-05-27 JP JP12062191A patent/JPH04348519A/en active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06326052A (en) * | 1993-05-14 | 1994-11-25 | Nec Corp | Thin film formation |
| WO2017000670A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | 无锡华润上华科技有限公司 | Tungsten film deposition method |
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