JPH0793282B2 - 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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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は半導体装置の製造に関し、特にCMOSのウエルな
どの形成を精度良く行なうのに好適な半導体装置の製造
方法に関する。
〔発明の背景〕
CMOS素子のウエルを高エネルギーイオン打込みで形成す
ることは、従来法に比し、熱処理に伴うコスト,ウエー
ハ変形の困難さを低減すると共に、深部に高濃度領域を
形成できるのでα線ソフトエラー防止に有効であるとの
指摘が、例えば、ソリツト・ステート・テクノロジ(So
lid State Technology)5月号(1984)における「シリ
コンデバイス製造におけるMeVイオン打込み」(Me V Im
planlation for Silicon Divice Fabrication)と題す
る論文に記載されている。しかし、高エネルギーイオン
打込みではイオンの飛程のばらつきが大きいため、ULSI
素子の形成に必要な微細な形状を有するマスクに忠実に
打込み領域を局在化させることが困難である。また、MO
SFETを形成すべき基板表面領域の活性不純物濃度の制御
性が低下するため表面領域の不純物濃度の所望の値にす
るのが困難であるなど、実用化への問題が多く残されて
いる。更に、高エネルギーイオン打込みの際におけるマ
スクとしては重い元素からなる厚い膜を用いる必要があ
り、p,n型ウエルを自己整合的に形成するためには、従
来用いられてきた選択酸化のような簡便な手法が使えな
いため、マスク形成のプロセスが複雑になつてしまう。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、隣接するp
形およびn形領域を高い精度で容易に形成でき、かつ、
能動素子が形成されるべき基板の表面領域における不純
物濃度を高い精度で制御することのできる、半導体装置
の製造方法を提供することである。
〔発明の概要〕
イオン打込み原子の横方向飛程分布形状はガウス分布で
近似できるので、マスク端近傍のイオン打込み原子の平
面内横方向濃度分布形状は補誤差関数で近似できる。す
なわち第2図に示すように、マスク10を介してイオン11
を打込む場合、マスク10の端部における不純物濃度は、
打込み量で設定される濃度の約1/2の濃度になる。従つ
て、マスク10の端部で精度良く導電型を反転させるに
は、既に全面にドープされている第1導電型の不純物濃
度の約2倍の濃度の第2導電型不純物をマスクを介して
打込めばよい。
このようにすれば、マスク端部における第1および第2
導電形不純物の濃度はほぼ等しくなつて互いに補償さ
れ、また、マスク下の部分における第1導電形不純物の
濃度と、マスクに覆われていない部分における第2導電
形不純物の濃度はほぼ等しくなり、通常のCMOSなどの場
合は、好都合であることが多い。
本発明によつてCMOSのウエルを形成するには下記のよう
にすればよい。すなわち、まず、第1導電型不純物を、
第1および第2導電型のウエルを形成せんとする領域の
全面にイオン打込みによつて所望の量だけ所望のイオン
飛程を得るエネルギーで導入する。次いで、第2導電型
ウエルを形成せんとする領域のみ開口したマスクを基板
表面に形成した後、第2導電形不純物を、第1導電形不
純物と同じイオン飛程となるようなエネルギーで、約2
倍の量だけイオン打込みによつて導入する。このようす
れば、上記のようにマスク端部における位置において両
導電形不純物の濃度が等しくなるため、この位置に忠実
に第1および第2導電型ウエルの境界が形成される。ま
た、第2導電型領域のキヤリア濃度は、先に打込まれて
ある第1導電型不純物量だけ補償されるために、第1導
電型ウエルのキヤリア濃度とほぼ等しくなる。このこと
は、第1および第2導電型ウエルを隣接して自己整合的
に形成しようとする場合には、1枚のマスクで代替でき
ることを意味している。
更に、ウエル形成で重要なことは、基板表面とくに、チ
ヤネル領域が形成される領域の不純物濃度を1016/cm3程
度の低濃度領域で制御することであるが、イオン打込み
飛程分布の主要部から遠い飛程分布の裾部でこの低濃度
領域を制御することは精度が悪い。従つて、ウエル表面
部分は深部とは別のイオン打込みによつて制御した方が
好ましい。また、ソース,ドレイン間のパンチスルーと
の兼合ではあるが、ドレイン接合底部のウエル不純物濃
度は、容量の点で、あまり高くないことが望ましい。即
ち、一般に、ウエル領域の深さ方向の不純物濃度分布
は、第3図に示したように、基板表面ではキヤリア移動
度低下が問題とならぬ範囲で、闘値電圧制御,パンチス
ルー防止のために必要なある程度高い不純物濃度を有
し、ドレイン接合底部から少し下はもう少い低い不純濃
度、ウエル底部の深さ領域で再び、α線ソフトエラー及
びパンチスルーの防止のために、充分高い不純物濃度と
なつていることが望ましい。このような不純物濃度分布
を形成するためには上記のように、基板表面濃度設定の
ためのイオン打込みを別途行なうことが必要であるが、
本発明によればこの打込みのための自己整合マスク形成
を、ウエル深部形成のための打込み金属マスクを酸化せ
ず、Si基板のみを酸化する雰囲気処理を利用して行なう
ことができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図により説明する。第1
図は一連の素子製作工程のうち隣接するpおよびn型ウ
エル形成の部分のみを抽出して説明するためのものであ
り、他の前後工程は周知のプロセスで構成できるので省
いてある。p型Si基板1のウエル形成部分に、先ず、20
nm厚のSiO2膜2を通して、P型不純物としてのボロン
(B)イオンを1MeVのエネルギーで、1×1013/cm2の量
打込み、基板表面より約1.7μmの深さの平均飛程にB
原子を深く導入した(第1図(a))。この第1図
(a)の点で示したボロン(B)原子の分布から、高エ
ネルギーのイオン打込み後のB原子の不純物濃度分布の
最大値は半導体基板内部にあり、基板表面では不純物濃
度が低下していることが理解できる。次に、厚さ0.8μ
mのW金属膜3と膜厚0.2μm、p濃度1.5モル70のPSG
膜4を形成し、通常のリソグラフイー技術とドライエツ
チング技術によつて所望部分を除去して、マスクパター
ン形成を行なつた後、N型不純物としてのリン(P)イ
オンを50KeVのエネルギーで2×1011/cm2打込み、マス
ク開口部の基板表面にP原子を浅く導入した。その後、
N2とH2Oガス雰囲気中で熱処理を行ない、マスク開口部
の基板表面のみを酸化し、膜厚0.3μmのSiO2膜5を形
成し、引続き、Pイオンを3.5MeVのエネルギーで、2.5
×1013/cm2の量打込み、やはり、約1.7μmの深さにp
原子を深く導入した(第1図(b))。
この第1図(b)の×印で示したリン(P)原子の分布
から、高エネルギーと低エネルギーの2回のイオン打込
み後のP原子の不純物濃度分布の最大値はやはり半導体
基板内部にあり、基板表面では不純物濃度が低下してい
ることが理解できる。PSG膜4およびW膜3を除去した
後、Bイオンを20KeVのエネルギーで、3×1011/cm2打
込み、SiO2膜5が形成されていない領域の基板表面にB
イオンを浅く導入した。最後にN2ガス雰囲気中でアニー
ル処理を行ない、全ての打込みイオンを活性化させて、
nウエル領域6および、pウエル領域7を形成した(第
1図(c))。ウエル6,7の表面にMOSFETを作るには、S
iO2膜2,5を除去してから、ゲート酸化膜を形成し、以
下、周知のMOSプロセスに従えばよい。
本実施例では、Si酸化膜2上に直接W膜3を形成してい
るが、中間にSi窒化膜を形成しておき、B,Pの高エネル
ギーイオン打込みを施した後に、基板表面領域へのpイ
オン打込みを行ない、PSG膜4,W膜3を除去し、窒化膜を
利用した通常の選択酸化によつて、基板表面領域へのB
イオン打込み部分の限定を行なうことも可能である。ま
た、基板の導電型の選択,エピ基板の使用,p型,n型ウエ
ルの形成順序,打込み不純物の選定、更に多段打込み、
チヤネリング条件の使用などの打込み条件、マスク材の
選択、これらの組合わせは種々に変えることが可能であ
り、本実施例のみに限定されるものでないことはいうま
でもない。
本実施例によれば、高エネルギー打込みに伴う横方向の
飛程分布のバラツキによる局在化のボケを回避し、マス
クパターンに忠実に深い部分に高濃度不純物領域を有す
るp,n両導電型ウエルを隣接させ、表面不純物濃度の制
御が容易となる効果と同時に、表面不純物濃度制御のた
めの両導電型不純物のイオン打込みは二重に重なつてい
ないので、キヤリアのチヤネル移動度の不必要な低下が
避けられるという顕著な効果が認められた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、深部に高不純物濃度を有する、隣接す
るp,nウエルを、1枚の高エネルギーイオン打込み用マ
スクを用いるだけで、横方向イオン飛程分布の標準偏差
(通常0.2μm程度以下)以下の精度でマスクに忠実
に、自己整合的に形成することができ、かつ、ウエル表
面の不純物濃度制御も、キヤリア移動度の低下を最小限
に留めた条件下で行なえるなど、ウエル内の深さ方向不
純物濃度分布の最適化が容易にできるので、高性能CMOS
ULSI用ウエル形成プロセス工程数を、リフトオフ法など
を用いる従来プロセス工程に比し、少なくとも2工程簡
略化することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す工程図、第2図は本発
明の原理を説明するための模式図、第3図は本発明によ
つて得られた不純物の深さ方向の分布の一例を示す図で
ある。 1……Si基板、2……酸化膜、3……W膜、4……PSG
膜、5……酸化膜、6……nウエル領域、7……pウエ
ル領域。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/265 W (72)発明者 大湯 静憲 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 鈴木 匡 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 奥平 秀和 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 新谷 昭 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 宿利 章二 東京都国分寺市東恋ヶ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭51−66782(JP,A) 特開 昭51−34664(JP,A) 特開 昭50−1642(JP,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】イオン打ち込み法を用いて、第1導電型を
    示す第1の不純物を、ピーク濃度が第1の平均飛程とな
    るエネルギーで半導体基体内に導入する工程と、 該第1の不純物が導入された領域の一部を覆うマスクを
    用い、該マスクで覆われていない領域の上記半導体基体
    内に、上記第1導電型とは逆の第2導電型を示す第2の
    不純物をピーク濃度が上記第1の平均飛程と実質的に同
    一となるエネルギーで、かつ該マスク端部での第1と第
    2の不純物濃度が実質的に等しくなるような量を導入す
    る工程と、 導入された第1及び第2の不純物を、上記半導体基体内
    に不純物濃度のピークを有する状態のまま活性化させる
    工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】上記マスクを用い、上記第2の導電型を示
    す第3の不純物を、該マスクで覆われていない領域の上
    記半導体基体内に、ピーク濃度が上記第1の平均飛程未
    満で、かつ上記第2の不純物のピーク濃度未満となるよ
    うに導入する工程を更に有することを特徴とする特許請
    求の範囲第1項記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】上記第2の不純物の導入量は、上記第1の
    不純物の導入量の約2倍であることを特徴とする特許請
    求の範囲第1項又は第2項記載の半導体装置の製造方
    法。
  4. 【請求項4】上記第2の不純物が導入された領域と、上
    記第1の不純物が導入され、かつ上記第2の不純物が導
    入されていない領域とをCMOSの互いに反対の導電型の二
    つのウェルとすることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項乃至第3項の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】上記マスクは、金属膜を含むことを特徴と
    する特許請求の範囲第1項乃至第4項の何れかに記載の
    半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】上記マスクを有する上記半導体基体を、H2
    とH2Oとの混合ガス雰囲気中で熱処理を行い、上記マス
    クで覆われていない領域に酸化膜を形成する工程を更に
    有することを特徴とする特許請求の範囲第5項に記載の
    半導体装置の製造方法。
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