JPH06204154A

JPH06204154A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH06204154A
Application number: JP126193A
Authority: JP
Inventors: Junichi Shiozawa; 順一塩澤; Yoshitaka Tsunashima; 祥隆綱島; Masahiro Kashiwagi; 正弘柏木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-01-07
Filing date: 1993-01-07
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、拡散層抵抗が低くかつ浅い拡散層
を制御性よく形成する方法を提供することを目的とす
る。【構成】本発明では、シリコン表面を有する半導体基
板１に対し、シリコン表面のシリコン原子を水素原子に
結合させた状態にし、シリコン表面にのみ選択的にボロ
ン原子を含む分子層７を１層だけ吸着させ、吸着分子中
のボロン原子をシリコン中に取り込むようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に係り、特に拡散層の濃度制御に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化に伴い、回
路の微細化は進む一方であり、ＭＯＳトランジスタのチ
ャンネル長を短くした場合、しきい値電圧が低下するな
どのいわゆる短チャネル効果の問題が深刻化している。
この短チャネル効果の問題は、拡散層を十分に浅くした
場合、緩和されるため、浅くてかつ高濃度の拡散層を形
成することのできる方法が要求されている。

【０００３】従来、不純物拡散層はイオン注入法により
形成されてきたが、浅い接合の形成には原理的に限界で
あった。すなわち、注入された不純物イオン分布はイオ
ン注入時の加速エネルギーに大きく依存し、浅い接合を
得るためには浅いイオン注入分布を得ることが肝要であ
る。注入深さはイオンの質量にほぼ反比例するため、硼
素以外に適当な不純物のないｐ+ 層形成においてより問
題となる。従来、実効的に加速エネルギーを下げる方法
として、ＢＦ₂+ イオンを用いていた。

【０００４】この方法の一例を図３に示す。この方法で
はまず、図３(a) に示すように、シリコン基板１に形成
された素子分離絶縁膜２で分離された素子領域に酸化シ
リコン膜および多結晶シリコン膜を形成し、レジストパ
ターンをマスクとしてパターニングし、ゲート絶縁膜３
およびゲート電極４を形成する。

【０００５】そして、このゲート電極４をマスクとして
ＢＦ₂+ イオン６を打ち込み（図３(b) に示すよう
に）、窒素雰囲気中で８５０℃３０分間の熱処理を行
い、ボロンをシリコン中に拡散し活性化させ、図３(c)
に示すように、ソース・ドレインとなる拡散層５を形成
する。

【０００６】しかしこの方法でも、０．１μm 以下の深
さの拡散層を形成することは困難であった。例えばＢＦ
₂+ を加速電圧２０ｋｅＶでドーズ量５×１０¹⁵（c
m^-3）にてイオン注入した場合、拡散層幅ｘj （１×１
０¹⁷cm^-3以上のボロン濃度を有する領域の幅）は、イオ
ン注入直後で０．１２５μm 、８５０℃３０分の窒素雰
囲気中での熱処理後では０．１７５μm となる。このよ
うに従来の方法では、１Ｇビット（ＲＡＭ）などのチャ
ンネル幅０．１μm の微細な素子を作成する場合、拡散
層幅０．１μm 以下の浅い拡散層が必要となるが、従来
の方法では極めて困難であった。

【０００７】この方法を解決すべく、不純物を含むガス
からシリコン基板に不純物を拡散する気相拡散法が提案
されている。この気相拡散法は図４に示すようにジボラ
ンの熱分解からボロンをシリコン表面に添加し、シリコ
ン基板内に拡散せしめる方法であるが、ボロンをシリコ
ン表面に添加する場合、ボロンを含む分子はシリコン表
面に何層でも堆積するため、不純物量を制御することは
困難であるという問題がある。

【０００８】また、この方法ではシリコン表面以外の領
域にも添加されてしまい、シリコン表面にのみ選択的に
不純物を添加することは困難であるという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の方法
では、拡散層抵抗が低くかつ浅い拡散層を選択的に形成
するのは困難であるという問題があった。

【００１０】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、拡散層抵抗が低くかつ浅い拡散層を制御性よく形成
する方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、シリ
コン表面を有する半導体基板に対し、シリコン表面のシ
リコン原子を水素原子に結合させた状態にし、シリコン
表面にのみ選択的にボロン原子を含む分子を１層だけ吸
着させ、吸着分子中のボロン原子をシリコン中に取り込
むようにしている。

【００１２】また本発明の第２では、シリコン表面を有
する半導体基板に対し、シリコン表面のシリコン原子を
水素原子に結合させた状態にし、III 族またはＶ族原子
に有機基が配位した分子を含むガスにさらし、シリコン
表面にのみ選択的にIII 族またはＶ族原子を含む分子を
１層だけ吸着させ、吸着分子中のIII 族またはＶ族原子
をシリコン中に取り込むようにしている。

【００１３】ここで前述した有機基が配位した分子は、
III 族元素例えばボロンの場合は３配位のもの、Ｖ族元
素例えば燐や砒素の場合は３配位または５配位のものが
ある。特に望ましくは、シリコン表面を有する半導体
基板に対し、シリコン表面のシリコン原子を水素原子に
結合させた状態にし、トリメチルボランまたはトリエチ
ルボランにさらし、シリコン表面にのみ選択的にボロン
原子を含む分子を１層だけ吸着させ、さらに水素置換を
行うことにより前記トリメチルボランまたはトリエチル
ボラン中のメチル基またはエチル基を離脱せしめ、熱処
理を行うことにより、吸着分子中のボロン原子をシリコ
ン中に取り込むようにしている。

【００１４】

【作用】本発明によれば、図２にこの原理の一例を示す
ように、例えばまず弗酸処理などにより、シリコン表面
全面を水素原子で覆われた状態（図２(a) ）にする。次
いで、トリメチルボランガス雰囲気中に試料を晒す。こ
のとき図２(b) に示すように、シリコン表面の水素原子
と、トリメチルボラン分子のメチル基が反応して、トリ
メチルボラン分子の１つのメチル基が分離して、図２
(c) に示すようにトリメチルボラン分子がシリコン表面
に吸着する。このときシリコン表面にはシリコン表面の
水素原子と反応したメチル基以外のメチル基が存在する
ため、トリメチルボランは一層以上吸着することができ
ない。従って自動的に吸着するトリメチルボランの分子
量はシリコン表面上で一層のみに制御することができ
る。このとき反応により生じたメタン（ＣＨ₄）は蒸気
圧が高いため、シリコン表面より離脱する。

【００１５】続いて図２(d) に示すように、水素ガスを
供給すると、吸着したトリメチル分子のメチル基と水素
原子が反応して、メチル基が水素原子と置換される（図
２(e) ）。そしてこのとき生成されたメタン分子もシリ
コン表面より離脱する。ここでは水素ガスを用いたが要
は安定な分子を生成せしめこの分子をシリコン表面から
離脱せしめる方法であれば他の方法を用いても良い。

【００１６】さらに熱処理などを施すことにより吸着し
たボロン原子をシリコン結晶中に取り込ませ、ボロン拡
散層を形成する（図２(f) ）。

【００１７】このように、この方法ではシリコン表面が
水素原子により覆われ、この部分だけトリメチルボラン
が吸着可能なため、シリコン表面にのみ選択的に不純物
を添加させることができる。さらにトリメチルボランは
シリコン表面に一層のみ吸着することが可能なことか
ら、不純物量を高精度に制御することができる。

【００１８】この方法はトリメチルボラン、トリエチル
ボランの他、他の有機ボランの場合にも適用可能であ
る。

【００１９】さらに、この方法は、吸着、置換、熱処理
を繰り返すことにより、所望の濃度および拡散深さの拡
散層を極めて制御性よく形成することができる。

【００２０】なお、ジボランを用いた場合は、１層づつ
吸着を制御することができないだけでなく、シリコン表
面への選択性もなく、選択拡散は不可能であったが、こ
の方法によれば、極めて選択性よくかつ高精度に拡散長
および濃度を制御した拡散を行うことが可能である。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００２２】図１(a) 乃至図１(c) は本発明実施例の半
導体装置の製造工程を示す断面図である。

【００２３】まず、従来例と同様にして比抵抗４〜５Ω
cmのｎ型シリコン基板１表面に素子分離絶縁膜２を形成
して分割された素子領域内に、ゲート絶縁膜３となる酸
化シリコン膜を介して多結晶シリコン膜４を形成し、続
いてこの多結晶シリコン膜４に熱拡散法等により不純物
を添加する。そして、酸化シリコン膜８を全面堆積し、
チャネル領域のみを残して酸化シリコン膜８および多結
晶シリコン膜４をＲＩＥ法によりパターニングし、ゲー
ト電極４を形成する。この後さらにこの上層に酸化シリ
コン膜８を堆積し、ＲＩＥ法によりエッチバックしゲー
ト電極側壁にのみ酸化シリコン膜８Ｓを残置せしめる。
続いてソースドレインとなる拡散層領域のゲート絶縁膜
２を除去する。その後ＨＦ溶液中で試料をディップさ
せ、続いて溶存酸素の少ない純水中で試料をリンスする
ことにより、シリコン表面を水素により覆われた状態に
する（図１(a) ）。

【００２４】そしてシリコン基板１の温度を６００℃に
昇温し、圧力０．５Torrとなるように制御し、トリメチ
ルボランガス中に１０分間さらす。このとき図１(b) に
示すようにシリコン表面上で水素原子で覆われた部分に
トリメチル分子が１層のみ吸着してボロン吸着層７が形
成される。

【００２５】続いてこの反応性水素原子をシリコン基板
温度を室温にし、水素ガスを１１３．５ＭＨｚのマイク
ロ波により励起して生成した反応性水素原子を、試料に
さらす。それにより吸着したトリメチルボラン分子のメ
チル基と反応性水素原子とが反応して、メチル基が水素
原子に置換される。この工程を所定の量のボロンがシリ
コン基板上に吸着するまで繰り返す。

【００２６】その後、８５０℃３０分間の窒素雰囲気中
で熱処理を行うことにより吸着したボロン原子をシリコ
ン結晶中に取り込ませ、図１(c) に示すように拡散層５
を形成する。

【００２７】このようにして浅い拡散層を極めて制御性
よくかつ選択性よく形成することが可能となる。

【００２８】なお、前記実施例ではトリメチルボランガ
スを用いたが、トリエチルボランガス、あるいは他の３
配位有機ボランガスを用いるようにしてもよい。

【００２９】さらに、ボロンに限らず燐や砒素などの他
の不純物元素に勇気貴我３または５つ配位したもの例え
ばトリメチルホスフィンやトリエチルアルシンなどを用
いても良い。

【００３０】また吸着したボロン原子を結晶中に取り込
む方法として、熱エネルギーを加えるようにしたが、表
面からＵＶ光を照射したりするなど、光、イオンあるい
は電子線によるエネルギーを用いてボロン原子をシリコ
ン中に取り込ませるようにしてもよい。

【００３１】これらの方法のうち、表面からＵＶ光を照
射する方法は、シリコン表面にのみエネルギーを付与す
ることができるため、シリコン基板中の表面以外の不純
物状態を変えることがなく表面付近にボロンをとりこま
せることができる。

【００３２】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施可能である。

【００３３】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、シリコン表面にのみ選択性よくかつ濃度および拡散
深さが制御された拡散層を形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の半導体装置の製造工程図。

【図２】本発明実施例の原理説明図。

【図３】従来例の半導体装置の製造工程図。

【図４】従来例の原理説明図。

【符号の説明】

１シリコン基板２素子分離絶縁膜３ゲート絶縁膜４ゲート電極５拡散層６イオン７吸着層８酸化シリコン膜８Ｓ酸化シリコン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン表面を有する半導体基板に対
し、シリコン表面のシリコン原子を水素原子に結合させ
た状態にする工程と、シリコン表面にのみ選択的にボロン原子を含む分子を吸
着させ１層の分子層を形成する工程と、前記分子層中のボロン原子をシリコン中に取り込む工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】シリコン表面を有する半導体基板に対
し、シリコン表面のシリコン原子を水素原子に結合させ
た状態にする工程と、 III 族またはＶ族原子に有機基が配位した分子を含むガ
スにさらし、シリコン表面にのみ選択的にIII 族または
Ｖ族原子を含む分子を吸着させ１層の分子層を形成する
工程と、前記分子層中のIII 族またはＶ族原子をシリコン中に取
り込む工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造
方法。