(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板の表面にフィールド酸化膜形成用のマスクを形成する工程と、
前記マスクを用いてフィールド酸化膜を形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記フィールド酸化膜を前記Ｓｉ基板の表面からの高さが０．１μｍ以下となるようにエッチングする工程と、
前記エッチング後に、イオン源としてリンを用い、加速電圧を１００ＫＶから２００ＫＶの範囲、注入量が５×１０１２ｃｍ−２以上の条件下で、前記Ｓｉ基板に前記リンのイオン注入を行って、前記Ｓｉ基板の深さ方向に沿って、中央部が前記Ｓｉ基板の濃度よりも高い放物状のリン不純物濃度プロファイルを有するウエルを形成する工程と、
前記Ｓｉ基板にボロンを含む不純物のイオン注入を行って、前記Ｓｉ基板の表面近傍の深さ方向に沿って、前記Ｓｉ基板の濃度よりも高い前記ボロンを含む不純物の濃度プロファイルを有し、かつ前記放物状のリン不純物濃度プロファイルが前記Ｓｉ基板の濃度と同じになる第１、第２深さ位置間に前記ボロンを含む不純物のイオン注入深さが位置するようにした不純物領域を形成する工程と、
からなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レトログレードウエル方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置を製造するに際して、製造方法が簡単でラッチアップ耐性が高いという利点を有するレトログレードウエルという方法が盛んに用いられるようになってきた。このレトログレードウエルとはウエルの不純物の深さ方向プロファイルのピークが基板表面ではなく、基板の深いところにあるような形状をしている構造をいう。図８は基板の深さ方向における不純物濃度の関係を示しており、通常のウエルの不純物濃度は基板表面が一番高く、深くなるに従って次第に不純物濃度が減少しているのに対して、レトログレードウエルは基板の深い位置に濃度ピークＰ１がある。このようなレトログレードウエル構造をしていると、ウエルの抵抗を下げることができ、ウエルに流れる電流によってウエルの電位が変動することが小さくなり、ラッチアップが起きにくくなるという利点を有する。
【０００３】
通常のレトログレードウエルの製作工程は次のようである。まず、図９（Ａ）に示すように例えば所定の不純物を含むシリコン基板１上に１００〜５００Å程度の薄い酸化膜（ＳｉＯ2 ）２を形成し、ついでこの酸化膜２上にＳｉ3 Ｎ4 等の窒化膜３（０．１μｍ〜０．３μｍ程度）を堆積して形成する（図９（Ｂ））。その後、フィールド酸化膜を形成すべき部分の窒化膜３と酸化膜２を選択的に除去し、フィールド酸化膜用のマスクを形成する（図９（Ｃ））。次に、１０００℃程度の酸素雰囲気で熱処理することにより０．５μｍ程度の厚い酸化膜を形成することによりフィールド酸化膜４を形成し（図９（Ｄ））、更に、残りの窒化膜３及び酸化膜２も除去してデバイス部５を露出形成する（図９（Ｅ））。
【０００４】
その後、レジスト（図示せず）をマスクにして、高エネルギーで例えばＰウエルを形成すべき部分には不純物としてボロンを、Ｎウエルを生成すべき部分には不純物としてリンを注入してウエル６を形成する（図９（Ｆ））。このときの注入エネルギーは４００ＫｅＶ以上で、例えばボロンを４００ＫｅＶ、リンを８００ＫｅＶといったエネルギーである。このような高エネルギーで注入する結果、不純物が達する深さが１．５μｍ以上になり、この深さはフィールド酸化膜４の膜厚よりも大きいので、フィールド酸化膜４の膜厚がウエルの不純物注入に及ぼす影響は小さい。尚、以後は、このデバイス部５に成膜やエッチングやイオン注入を行なうことによって、トランジスタ等の所定の素子を作る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最も普及しているイオン注入装置の加速電圧は高々２００ＫＶまでであり、２価のイオンを使っても最大のエネルギーはせいぜい４００ＫｅＶ程度である。そして、上記の従来のような高エネルギーのイオン注入を行なう場合には、特殊なイオン注入装置が必要になり、製造コストが大幅に上昇してしまう。そこで、普及しているイオン注入装置のような２００ＫＶ以下の加速電圧で、従来の方法でレトログレードウエルを形成することが望まれるが、この普及型のイオン注入装置でレトログレードウエルを形成すると、深さが１μｍ弱までしか不純物が達しないために、図１０のようにフィールド酸化膜４の下のウエル部分がデバイス部のウエル部分に比べて浅くなり過ぎてフィールド酸化膜部とデバイス部のウエル底部の段差が大きくなるため、ウエル・コンタクトから離れた場所ではウエルの電位が安定しないという問題がある。図中、７はゲート酸化膜上に設けられたゲート電極である。
【０００７】
尚、従来のこのような高エネルギーで不純物を注入する場合、最適なウエルの形成を得るために、数回に分けて不純物注入を行なうことも多い。特にフィールド酸化膜下の不純物濃度は、反転して素子と素子が導通するのを防ぐために、濃度を高くしておく必要がある。このため、図１１のように、フィールド酸化膜４の下に不純物濃度ピーク領域８がくるような条件での不純物注入も合わせて行なうことが多い。この高濃度の不純物注入がデバイス特性に悪影響を与える可能性があるので、この場合には、フィールド酸化膜４を図１０に示す場合と比較して十分厚くしておき、デバイス部では不純物濃度ピーク領域８の位置が十分に深い部分に位置するようになるようにしてある場合が普通である。図中、９はソース、１０はドレインである。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものであり、その目的は２００ＫＶ以下の加速電圧でレトログレードウエルを形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するために、Ｓｉ基板の表面にフィールド酸化膜形成用のマスクを形成する工程と、前記マスクを用いてフィールド酸化膜を形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、前記フィールド酸化膜を前記Ｓｉ基板の表面からの高さが０．１μｍ以下となるようにエッチングする工程と、前記エッチング後に、イオン源としてリンを用い、加速電圧を１００ＫＶから２００ＫＶの範囲、注入量が５×１０１２ｃｍ−２以上の条件下で、前記Ｓｉ基板に前記リンのイオン注入を行って、前記Ｓｉ基板の深さ方向に沿って、中央部が前記Ｓｉ基板の濃度よりも高い放物状のリン不純物濃度プロファイルを有するウエルを形成する工程と、前記Ｓｉ基板にボロンを含む不純物のイオン注入を行って、前記Ｓｉ基板の表面近傍の深さ方向に沿って、前記Ｓｉ基板の濃度よりも高い前記ボロンを含む不純物の濃度プロファイルを有し、かつ前記放物状のリン不純物濃度プロファイルが前記Ｓｉ基板の濃度と同じになる第１、第２深さ位置間に前記ボロンを含む不純物のイオン注入深さが位置するようにした不純物領域を形成する工程と、からなるようにする。
【０００９】
これにより、フィールド酸化膜を所定の厚さまでエッチングして薄くした状態でウエル形成用の不純物注入を行なうようにしたので、２００ＫＶ以下の加速電圧でも特性の良好なウエルを形成することが可能となる。
この場合、フィールド酸化膜のエッチングは、フッ酸（ＨＦ）やバッファフッ酸（ＮＨ4 ＨＦ2 ）の水溶液等を用いることができる。不純物としては、Ｎ型のウエルを形成する場合には、例えばリンを用い、Ｐ型のウエルを形成する場合には、例えばボロンを用いる。特に、リンを用いる場合には、注入エネルギーを増すために２価イオンを用いるのがよい。
また、ウエルの不純物注入の基板表面の濃度を、基板の不純物濃度よりも低くしておくことにより、デバイス特性に悪影響を与えることもない。
【００１０】
更に、上記ウエル形成のための不純物注入を行なうと同時に、しきい値電圧の調整を行なう不純物注入を行なうようにすれば、プロセス数を削減することができる。
【００１１】
また、上記しきい値電圧の調整の不純物濃度プロファイルの深さは、前記基板表面のジャンクションの深さよりも大きくすることにより、デバイス特性に悪影響を与えることを防止することができる。
【００１２】
特に、上記ウエル形成のための不純物注入の注入量とこの不純物濃度プロファイルを最適化することにより、前記ウエルの不純物がチャネルストッパを兼ねることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の半導体装置の製造方法の一実施例を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明の半導体装置の製造方法の主要部分を説明するための工程図、図２は本発明方法を用いて製造した半導体装置の不純物濃度プロファイルを示す図である。尚、先に説明した図中と同一部分については同一符号を付して説明する。
図１（Ａ）は先の図９（Ｅ）に示した場合と同じ工程の状態を示しており、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のフィールド酸化膜を一部エッチングして不純物注入を行なった状態を示す。
図１において、１は所定の不純物を含むシリコン基板であり、４はデバイス部５を囲むようにして形成されたフィールド酸化膜である。
【００１４】
まず、加速電圧２００ＫＶで２価のイオンを４００ＫｅＶ以下の小さなエネルギーでフィールド酸化膜４を通してウエルの不純物を注入する場合に、まず問題になるのはデバイス部５と比べてフィールド酸化膜４（素子分離部）の下でウエルの深さが浅くなってしまうことである。これは先に説明した図１０のように、フィールド酸化膜４が基板表面よりも高く盛り上がっているために起こる。このためフィールド酸化膜４の厚さによっては、ウエル６が十分な幅にできず、特性に影響がでる可能性がある。
【００１５】
そこで、本発明では、この問題を解決するために図１（Ｂ）に示すようにフィールド酸化膜４の上部を適度にエッチングにより除去した後にウエルの不純物を注入するようにしている。図１（Ａ）では、一点鎖線により元のエッチング前のフィールド酸化膜４の形状を示している。例えば図１（Ａ）に示す工程の後に、フィールド酸化膜４をフッ酸（ＨＦ）の水溶液を使って除去する工程を加えればよい。このときのフッ酸の処理の時間、濃度を調整することによって、フィールド酸化膜４の厚さを問題のない薄さにすることが可能である。ここで、フッ酸の水溶液に代えてバッファフッ酸（ＮＨ4 ＨＦ2 ）の水溶液を用いてもよいし、更に他の薬剤の水溶液を用いてもよい。また、このようなウエットエッチングに代えてドライエッチングによってそれを行なうことも可能である。フィールド酸化膜４を除去するタイミングとしては、窒化膜（図９（Ｄ）参照）を除去する前に窒化膜３をマスクとして行なうようにしてもよいし、窒化膜除去後に窒化膜３の下の薄い酸化膜２（図９（Ｄ）参照）を除去するときに、一緒に行なってもよい。これにより、ウエル６の底部の段差がデバイス部と素子分離部との間で大幅に減ることになる。尚、本実施例において、加速電圧の下限値は、１００ＫＶ程度である。
【００１６】
本実施例では、例えばフィールド酸化膜４を厚みＬ１が０．４５μｍになるように行なった後、窒化膜３を除去し、更に酸化膜２、４を厚みＬ２が０．１３μｍだけフッ酸で除去してフィールド酸化膜４の厚みＬ３が０．３２μｍまで膜厚を減らす。この結果、フィールド酸化膜４の基板表面からの高さＨ１は約０．１μｍとなる。その後、４００ＫｅＶ（加速電圧２００ＫＶ）で２価のリンの注入を行なった。図２はこのようにして作った基板を用いて作った半導体装置の不純物濃度プロファイルである。図中、７はゲート電極、９はソース、１０はドレインである。デバイス部５とフィールド酸化膜４におけるウエル６の深さはフィールド酸化膜４の下において段差Ｈ２が０．１μｍ程度浅くなっているが、略問題のないレベルである。この段差をなくしてウエル６の深さをデバイス部５と同じ深さにしたい場合には、フィールド酸化膜４の除去する量をもっと増やし、基板１と略同じ水平レベル（面一）になるまでフィールド酸化膜４をエッチング除去すればよい。
【００１７】
このように製造することにより、フィールド酸化膜４の下におけるウエル６の厚さをデバイス部５のフィールド酸化膜４の厚さと同様にかなり厚くすることができ、かなりのデバイス特性の向上を図ることができる。
ところで、上述した方法によりデバイス特性をある程度向上させることができるが、このようにフィールド酸化膜４の下の不純物濃度のピークがデバイス部５のピークと略同じ水平レベルであると、新たな問題が発生する。従来の通常のレトログレードウエルの場合、図１１のように不純物濃度ピーク領域８は、フィールド酸化膜とデバイス部とで高さが異なっているので、フィールド酸化膜４の下が濃くなるように不純物注入してもデバイス特性に影響を及ぼす可能性は低い。本発明の図１の場合、デバイス部５におけるウエル６の不純物濃度のピーク領域が従来よりも基板表面に近い。
従って、図３に示すようにデバイス部５におけるウエル６の不純物濃度ピーク領域８の水平レベルが基板表面に近くなり、フィールド酸化膜４の下のピーク領域８とのレベル差が非常に小さくなり、この結果、フィールド酸化膜下の反転防止用の不純物がデバイス特性に影響を与える可能性がある。このような問題は従来のレトログレードウエルになかった新たな問題であり、解決しなければならない。
【００１８】
以下に、この問題を解決できる条件について説明する。
まず、フィールド酸化膜下が反転しないような条件について検討する。この場合、反転電圧は電源電圧の２、３倍程度あれば十分である。近年、電源電圧は減少する傾向にあり、０．３５μｍルール以下の微細化されたルールでは、３．３Ｖ以下になっている。従って、反転電圧は７〜１０Ｖ程度あれば十分であると言える。除去されて残ったフィールド酸化膜４が１５００Å程度ならば、その下の不純物のピーク濃度が１×１０17／ｃｍ3 程度あればこの条件を満たせることが、簡単な計算やシミュレーションによって分かる。このような条件を満たす注入量はＰ（リン）で４００ＫｅＶのエネルギーの場合、５×１０12／ｃｍ2 程度の注入量で可能である。ところが、このような条件で作製すると、デバイス部分は５Ω・ｃｍのＰ型基板の場合、図４に示すように基板の表面側に基板の不純物濃度よりもウエハ中の不純物濃度が小さくなるジャンクション１１が発生し、このように基板の表面にジャンクション１１ができると完全にウエルができていないという問題が発生する。
【００１９】
ところで、デバイス部にＭＯＳＦＥＴを形成する時には、基板表面にしきい値電圧を調整する不純物注入やソース・ドレイン間のパンチスルーを阻止するチャネルストッパなど、１〜２種類の不純物を注入するのが普通である。これはこの時注入する不純物の濃度は一般的にはウエルの濃度よりも大きい。従って、このようなデバイス特性を決定するような不純物の深さよりも浅いところにジャンクションができているのであれば、基板表面のジャンクションは問題なくなり、デバイス特性に影響を与えることはない。
図５はそれを説明するための図である。図５に示すようにジャンクション１１の領域を、チャネルストッパの深さ領域よりも浅く設定すればよい。尚、この図５ではチャネルストッパの深さ領域よりもジャンクションが浅くなるように描かれているが、チャネルストッパがなくて、しきい値調整用の１種類の不純物しか注入されていない場合は、ジャンクション１１の領域をしきい値調整用の不純物注入よりも浅くすればよい。
【００２０】
更に、ウエル注入量を最適にすると、チャネルストッパの役割を兼ねるような条件にすることができる。すなわち、図６に示すようにウエルにおける不純物の注入量をより大きく設定し、基板表面側のジャンクションがより浅くなるように設定する。これによれば、図７に示すように、丁度ソース・ドレインが導通するパンチスルーの経路１２を切るように設定できる。この場合、チャネルストッパの不純物注入の工程を減らすことができて、コストを低減できる。
これまで述べてきた効果が現れるようなレトログレードウエルの製作条件を以下に示す。
【００２１】
フィールド酸化膜    ：  １０００℃  ７０分  ＷＥＴ酸化（膜厚０．４５μｍ）
フィールド酸化膜除去：  ０．１３μｍ
ウエル注入          ：  Ｐ（リン２価）、１．２×１０13／ｃｍ2 、４００ＫｅＶ、（Ｎウエル）
Ｂ（ボロン）、１．５×１０13／ｃｍ2 、２００ＫｅＶ、（Ｐウエル）
しきい値調整用注入  ：  ＢＦ2 、２５ＫｅＶ、５×１０12／ｃｍ2 （Ｎウエル）
Ｂ（ボロン）、２５ＫｅＶ、４×１０12／ｃｍ2 （Ｐウエル）
【００２２】
この条件では丁度ソース、ドレインと基板のジャンクションの深さの濃度がパンチスルーを防止するのに最適な濃度になっており、パンチスルー・ストッパの不純物注入を行なわなくてもよい。従って、その分プロセスを簡略化できる。ウエルの注入としきい値調整の注入は同じマスクを使って同時に行なっており、フォトプロセスの回数を減らすことができる。
このようにして実際に作製したデバイスの特性は以下のようであった。
0003921762.tif 000002
【００２３】
このように、非常に良好なデバイス特性を示しており、プロセスに問題のないことが分かる。このデバイスを使ったＬＳＩの動作等も良好で、設計方法に問題のないことが確かめられた。
また、レトログレードウエルの本来の目的であるラッチアップ耐性は従来のウエルに比べて約３倍向上しており、有効性を示した。更に本発明により、プロセス時間が３３％短縮した。このようにして、２００ＫＶ以下の加速電圧をもつ汎用のイオン注入装置でも十分な特性を持つレトログレードウエルの作製方法を得ることができた。
尚、本実施例において、加速電圧２００ＫＶを除く各数値は単に一例を示したに過ぎず、プロセス条件が変わればそれに対応させて適宜変更させるのは勿論である。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の半導体装置の製造方法によれば、次のように優れた作用効果を発揮することができる。
ウエル形成の不純物注入を行なう前に、フィールド酸化膜の上部を削って所定の厚さまでエッチングするようにしたので、フィールド酸化膜下のウエルの厚みを大きくでき、加速電圧２００ＫＶ以下のイオン注入操作でデバイス特性の良好なレトログレードウエル構造の半導体装置を提供することができる。
また、ウエルの不純物注入の基板表面の濃度を、基板の不純物濃度よりも低くすることにより、デバイス特性を更に向上させることができる。
【００２５】
更に、ウエル形成の不純物注入を行なうと同時に、しきい値電圧調整用の不純物注入を行なうことにより、不純物注入プロセスを簡略化することができる。
また、しきい値電圧調整の不純物濃度プロファイルの深さを、ジャンクションの深さよりも大きくすることにより、デバイス特性を一層向上させることができる。
更には、ウエル形成のための不純物注入の注入量とこの不純物濃度プロファイルを最適化することにより、ウエルの不純物にチャネルストッパを兼ねさせることができる。
また、ウエルコンタクトから離れた場所でも安定したウエル電位が得られるのみならず、フィールド酸化膜部における反転電圧を３．３Ｖ以下の電源電圧に比べ十分大きくでき、しかもソース・ドレイン間のパンチスルーを防止できる。
またウエル中にデバイスを作製した場合にはボロンを含む不純物のイオン注入深さで決まるデバイス特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置の製造方法の主要部分を説明するための工程図である。
【図２】本発明方法を用いて製造した半導体装置の不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図３】本発明方法により不純物を注入した時の不純物濃度ピーク領域を示す図である。
【図４】基板の表面にジャンクションができた時の不純物濃度の状態を示す図である。
【図５】チャネルストッパの深さ領域とジャンクションとの関係を示す図である。
【図６】ウエルへのイオン注入量を調整してチャネルストッパを兼用させた時の不純物濃度の状態を示す図である。
【図７】不純物濃度ピーク領域がパンチスルーの経路を切る時の状態を示す図である。
【図８】基板の深さ方向における不純物濃度の関係を示す図である。
【図９】レトログレードウエル構造を持つ半導体装置の従来の製造方法を示す図である。
【図１０】２００ＫＶ以下の加速電圧でレトログレードウエルを作る場合の問題を説明するための図である。
【図１１】従来のレトログレードウエル構造を説明するための図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板（基板）、３…窒化膜（フィールド酸化膜用のマスク）、４…フィールド酸化膜、５…デバイス部、６…ウエル、７…ゲート電極、８…不純物濃度ピーク領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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