JP2002324861A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Abstract
リコンとポリシリコン間のコンタクト抵抗のバラツキが
小さく、安定したデバイス特性を有する半導体装置およ
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 上層ポリシリコン膜11を形成する前の
洗浄工程において、H2O2 処理を行いシリコン表面に
0.5nm〜10nm厚程度(この膜を介して不純物拡
散が起こる程度)の薄くかつ均一な酸化膜20を形成
し、上層ポリシリコン膜11形成後、RTP法による短
時間高温アニール処理を施して薄くかつ均一な酸化膜2
0に均一に除去部分を形成する。
Description
その製造方法に関するものである。
て、集積度の向上および製造工程の簡略化のために、シ
リコンとポリシリコン、あるいはポリシリコンとポリシ
リコンの高融点材料同士を直接コンタクトして電極形成
を行う方法が多用されている。図5、図6、図7は従来
の高融点材料同士の直接コンタクト部を含むBiCMO
S半導体装置およびその製造方法の一例を説明するため
の図である。図において、1はp型シリコン基板、2は
n型埋込拡散層、3はn型エピタキシャル層、4はp型
分離層、5はp型ウエル層、6はLOCOS(Loca
l Oxidation of Silicon)酸化
膜、7はゲート絶縁酸化膜、8はp型ベース層、9はn
型エミッタ層、10は下層ポリシリコン電極膜、11は
上層ポリシリコン電極膜、12はWSi電極膜、13は
p型ソースドレイン拡散層、14はn型ソースドレイン
拡散層、15はBPSG(Boro−phospho
Silicate Glass)等からなる層間絶縁
膜、16はAlSiCu膜等からなる金属電極膜、17
はp−SiN膜等からなる最終保護膜、30は自然酸化
膜である。
造方法を図6および図7を用いて説明する。まず、図6
(a)に示すように、p型シリコン基板1中に選択的に
n型埋込拡散層2を形成した後、全面にn型エピタキシ
ャル層3を形成する。次に、p型分離層4およびp型ウ
エル層5を形成した後、LOCOS法によりLOCOS
酸化膜6を形成する。さらに、10〜100nm程度の
ゲート絶縁酸化膜7を形成する。次に、図6(b)に示
すように、p型ベース層8を写真製版法およびイオン注
入法により選択的に形成した後、全面に下層ポリシリコ
ン電極膜10を減圧CVD法により形成する。次に、下
層ポリシリコン電極膜10とゲート絶縁酸化膜7を写真
製版法により形成したレジストを用いて選択的にエッチ
ングし、さらに、イオン注入法により砒素を注入してn
型エミッタ層9を形成する。
する前に、写真製版法に用いたレジスト等の有機物残さ
の洗浄を行う。洗浄工程を図8に示す。洗浄工程の最終
工程である純水リンス工程(S9)および乾燥(IPA
蒸気乾燥、あるいはスピンドライ乾燥、あるいは温風乾
燥)工程(S10)において、局所的に膜厚のバラツキ
が大きい自然酸化膜30が成長する場合がある。自然酸
化膜30が成長する理由としては、薬液処理工程での表
面酸化反応や乾燥工程での乾燥不充分で残存した水との
反応による酸化反応によるものである。
シリコン電極膜11を減圧CVD法により形成した後、
上層ポリシリコン電極膜11の全面に砒素をイオン注入
し、800°C〜900°C程度の熱処理を施して上層
ポリシリコン電極膜11に注入した砒素イオンを活性化
させて下層ポリシリコン電極膜10に拡散させ、上層ポ
リシリコン電極膜11と下層ポリシリコン電極膜10を
低抵抗化する。次に、図7(a)に示すように、高融点
の低抵抗金属であるWSi電極膜12をスパッタ法によ
り形成した後、写真製版法およびエッチング技術により
WSi電極膜12および低抵抗化した上層ポリシリコン
電極膜11と下層ポリシリコン電極膜10を選択的にエ
ッチングし、バイポーラのエミッタ電極とMOSのゲー
ト電極を形成する。
法およびイオン注入法により選択的にp型ソースドレイ
ン拡散層13とn型ソースドレイン拡散層14を形成す
る。次に、図7(c)に示すように、全面にBPSG膜
等の層間絶縁膜15を形成し、写真製版法およびエッチ
ング技術によりコンタクト孔を形成する。次に、AlS
iCu等の金属電極膜16を形成し、最後にP−SiN
等の最終保護膜17を形成する。以上の工程により、従
来の半導体装置は製造されている。
シリコン、あるいはポリシリコンとポリシリコン等の高
融点材料同士の直接コンタクト部を含む半導体装置は以
上の方法により製造されており、以下に示すような問題
点を有している。上層ポリシリコン電極膜11形成前の
洗浄工程の最終純水リンス工程(S9)および乾燥工程
(S10)において、シリコンウェハ表面に乾燥中ある
いは乾燥後に付着している水滴が自然乾燥することによ
り、シミ(ウォーターマーク)と呼ばれる局所的に膜厚
のバラツキが大きい自然酸化膜30が形成される。しか
し、水滴の付着現象は確率的な現象であり、図9(a)
に示すようにn型エミッタ層9と上層ポリシリコン電極
膜11の界面に自然酸化膜30が形成される場合と、図
9(b)に示すように形成されない場合がある。n型エ
ミッタ層9と上層ポリシリコン電極膜11の接続におい
ては、図9(b)に示すように、自然酸化膜30が形成
されずコンタクト抵抗が低い状態が理想的であるが、実
際には、図9(a)に示すように、n型エミッタ層9と
上層ポリシリコン電極膜11の界面に局所的に膜厚のバ
ラツキが大きい自然酸化膜30が形成されてコンタクト
抵抗にばらつきが生じる。また、BiCMOS構造部で
は局所的に膜厚のバラツキの大きい自然酸化膜30を介
して上層ポリシリコン電極膜11に注入した砒素イオン
を下層ポリシリコン電極膜10に拡散させるため、下層
ポリシリコン電極膜10における砒素イオンの拡散状態
が異なり、デバイス特性に異常をもたらすという問題が
あった。
るためになされたもので、シリコンとポリシリコン間、
あるいはポリシリコンとポリシリコン間のコンタクト抵
抗のバラツキが小さく、安定したデバイス特性を有する
半導体装置を得ることを目的とする。さらにこの装置に
適した製造方法を提供することを目的とする。
装置は、第一導電型のシリコン半導体層と、上記第一導
電型のシリコン半導体層上に積層された開口部を有する
絶縁酸化膜と、上記絶縁酸化膜上に形成され、上記絶縁
酸化膜に形成された開口部と同じ位置に開口部を有する
第一のポリシリコン膜と、上記第一導電型のシリコン半
導体層の、上記絶縁酸化膜および上記第一のポリシリコ
ン膜の開口部を介して露出した部分に形成された第二導
電型の不純物拡散層と、上記第一のポリシリコン膜上お
よび上記開口部に形成された第二のポリシリコン膜と、
上記第二導電型の不純物拡散層と上記第二のポリシリコ
ン膜の間、および上記第一のポリシリコン膜と上記第二
のポリシリコン膜の間に形成された均一に除去部分を有
する薄くかつ均一なコンタクト用酸化膜とを備えたもの
である。
のシリコン半導体層上に絶縁酸化膜および第一のポリシ
リコン膜を順次積層する工程と、上記絶縁酸化膜と上記
第一のポリシリコン膜を選択的にエッチングして開口部
を形成し、上記開口部を介して上記第一導電型のシリコ
ン半導体層を露出させる工程と、上記第一導電型のシリ
コン半導体層の露出部に第二導電型の不純物を注入して
第二導電型の不純物拡散層を形成する工程と、HF処理
を施して上記第二導電型の不純物拡散層上および上記第
一のポリシリコン膜上の自然酸化膜を除去する工程と、
自然酸化膜が除去された上記第二導電型の不純物拡散層
表面および上記第一のポリシリコン膜表面に薄くかつ均
一な酸化膜を形成する工程と、全面に第二のポリシリコ
ン膜を形成した後、上記第二のポリシリコン膜に第二導
電型の不純物を注入する工程と、上記第二のポリシリコ
ン膜に注入された上記第二導電型の不純物を活性化し、
上記薄くかつ均一な酸化膜を介して上記第一のポリシリ
コン膜中に上記第二導電型の不純物を拡散させる工程
と、短時間の高温アニール処理を施して上記薄くかつ均
一な酸化膜に除去部分を均一に形成し、均一に形成され
た除去部分を有する薄くかつ均一なコンタクト用酸化膜
を形成する工程を含むものである。また、薄くかつ均一
な酸化膜はH2 O2 処理により形成されるものである。
また、薄くかつ均一な酸化膜の膜厚は0.5nm〜10
nmである。さらに、短時間の高温アニール処理におけ
る処理温度は950°C〜1150°Cで、処理時間は
10秒〜3分の間である。
一実施の形態であるBiCMOS半導体装置およびその
製造方法を図について説明する。図1はこの発明の実施
の形態1による半導体装置を示す断面図、図2、図3は
図1に示す半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図において、1はp型シリコン基板、2はn型埋込拡散
層、3はn型エピタキシャル層、4はp型分離層、5は
p型ウエル層、6はLOCOS酸化膜、7は絶縁酸化膜
(本実施の形態ではゲート絶縁酸化膜)、8は第一導電
型のシリコン半導体(本実施の形態ではp型ベース
層)、9は第二導電型の不純物拡散層(本実施の形態で
はn型エミッタ層)、10は第一のポリシリコン膜(本
実施の形態では下層ポリシリコン電極膜)、11は第二
のポリシリコン膜(本実施の形態では上層ポリシリコン
電極膜)、12はWSi電極膜、13はp型ソースドレ
イン拡散層、14はn型ソースドレイン拡散層、15は
BPSG等からなる層間絶縁膜、16はAlSiCu膜
等からなる金属電極膜、17はp−SiN膜等からなる
最終保護膜、20は薄くかつ均一な酸化膜、20aは均
一に除去部分を有する酸化膜である。
装置の製造方法について説明する。まず、図2(a)に
示すように、p型シリコン基板1中に選択的にn型埋込
拡散層2を形成した後、全面にn型エピタキシャル層3
を形成する。次に、p型分離層4およびp型ウエル層5
を形成した後、LOCOS法によりLOCOS酸化膜6
を形成する。さらに、10〜100nm程度のゲート絶
縁酸化膜7を形成する。次に、図2(b)に示すよう
に、p型ベース層8を写真製版法およびイオン注入法に
より選択的に形成した後、全面に下層ポリシリコン電極
膜10を減圧CVD法により形成する。次に、下層ポリ
シリコン電極膜10とゲート絶縁酸化膜7を写真製版法
により形成したレジストを用いて選択的にエッチングし
て開口部Aを形成し、さらに、この開口部からイオン注
入法によりn型不純物、例えば砒素を注入してn型エミ
ッタ層9を形成する。
する前に、図4に示すフロー図に従い洗浄処理を施す。
洗浄処理工程は、SPM(H2 SO4 +H2 O2 )洗浄
(T1)、純水洗浄(T2)、APM(NH4 OH+H
2 O2 +H2 O)洗浄(T3)、純水リンス(T4)、
HPM(HCl+H2 O2 )洗浄(T5)、純水リンス
(T6)、HF処理(T7)、純水リンス(T8)、H
2 O2 処理(T9)、純水リンス(T10)、最終純水
リンス(T11)、および最終乾燥(T12)からな
る。最終純水リンス工程(T11)前にH2 O2 処理工
程(T9)を行い、n型エミッタ層9および下層ポリシ
リコン電極膜10表面に0.5nm〜10nm厚程度の
薄くかつ均一な酸化膜20を形成して全面を親水性にし
た後、最終純水リンス工程(T11)で薬液を除去し、
最終乾燥工程(T12)でIPA蒸気、あるいはスピン
ドライ、あるいは温風等により乾燥を行う。なお、最終
乾燥工程(T12)時には、表面には親水性の薄くかつ
均一な酸化膜20が存在するため、乾燥中あるいは乾燥
後に付着している水滴は、比較的拡がりを持って自然乾
燥する。
温かつO2 の存在しない雰囲気、例えばN2 雰囲気に置
換したCVD成膜装置を用いて上層ポリシリコン電極膜
11を減圧CVD法により形成する。その後、上層ポリ
シリコン電極膜11の全面にn型不純物、例えば砒素を
イオン注入し、800°C〜900°C程度の熱処理を
施して上層ポリシリコン電極膜11に注入した砒素イオ
ンを活性化させる。これにより、薄くかつ均一な酸化膜
20を介して下層ポリシリコン電極膜10中に砒素イオ
ンを均一に拡散させ、上層ポリシリコン電極膜11と下
層ポリシリコン電極膜10を低抵抗化する。次に、RT
P(Rapid Thermal Process)法
によって、950°C〜1150°Cで10秒から3分
程度の短時間高温アニール処理を施す。このとき、薄く
かつ均一な酸化膜20は粘性流動により均一に破壊除去
されて薄くかつ均一なコンタクト用酸化膜20aとな
り、上層ポリシリコン電極膜11とn型エミッタ層9を
コンタクトさせる。また、同時に上層ポリシリコン電極
膜11と下層ポリシリコン電極膜10をコンタクトさせ
る。
低抵抗金属であるWSi電極膜12をスパッタ法により
形成した後、写真製版法およびエッチング技術によりW
Si電極膜12および低抵抗化した上層ポリシリコン電
極膜11と下層ポリシリコン電極膜10およびコンタク
ト用酸化膜20aを選択的にエッチングし、バイポーラ
のエミッタ電極とMOSのゲート電極を形成する。次
に、図3(b)に示すように、写真製版法およびイオン
注入法により選択的にp型ソースドレイン拡散層13と
n型ソースドレイン拡散層14を形成する。次に、図3
(c)に示すように、全面にBPSG膜等の層間絶縁膜
15を形成し、写真製版法およびエッチング技術により
コンタクト孔を形成する。次に、AlSiCu等の金属
電極膜16を形成し、最後にP−SiN等の最終保護膜
17を形成する。以上の工程により半導体装置が製造さ
れる。
処理は必ずしも上記に示した工程の順序どおり行う必要
はなく、上層ポリシリコン電極膜11形成後であれば、
どの工程で処理を行ってもよい。
板1上のp型ベース層8に選択的にn型不純物を注入す
ることによりn型エミッタ層9を形成している半導体装
置について述べたが、p型シリコン基板に直接n型不純
物を選択的に注入してn型エミッタ層)を形成している
構成の半導体装置においても同様の効果が得られる。
電極膜11形成前に施す洗浄処理工程において、最終純
水リンス工程前にH2 O2 処理を行い、n型エミッタ層
9表面および下層ポリシリコン電極膜10表面に0.5
nm〜10nm厚程度の薄くかつ均一な酸化膜20を形
成し、上層ポリシリコン電極膜11形成後、RTP法に
よる短時間高温アニール処理を施すことにより薄くかつ
均一な酸化膜20に均一に除去部分を形成することがで
き、上層ポリシリコン電極膜11とn型エミッタ層9間
のコンタクト抵抗、および上層ポリシリコン電極膜11
と下層ポリシリコン電極膜10間のコンタクト抵抗のバ
ラツキを小さくして安定化させることができる。また、
下層ポリシリコン電極膜10表面に形成する酸化膜20
の厚みを、上層ポリシリコン電極膜11に注入された不
純物を酸化膜20を介して下層ポリシリコン電極膜10
に拡散できる程度の厚みとすることにより、下層ポリシ
リコン電極膜10の不純物の拡散状態を均一にすること
ができる。
ポリシリコン膜を形成する前の洗浄工程において、H2
O2 処理を行い下層のシリコン膜表面もしくはポリシリ
コン膜表面に0.5nm〜10nm厚程度(この膜を介
して不純物拡散が起こる程度)の薄くかつ均一な酸化膜
を形成し、上層ポリシリコン膜形成後、RTP法による
短時間高温アニール処理を施して薄くかつ均一な酸化膜
に均一に除去部分を形成することにより、上層ポリシリ
コン膜と下層のシリコン膜もしくはポリシリコン膜間の
コンタクト抵抗のバラツキが小さく、また、BiCMO
S構造部では薄くかつ均一な酸化膜を介して下層ポリシ
リコン膜に不純物を均一に拡散させることにより安定し
たデバイス特性を有する半導体装置を得ることができ
る。
示す断面図である。
製造工程を示す断面図である。
製造工程を示す断面図である。
製造工程における洗浄工程を示すフロー図である。
る。
ある。
ある
程を示すフロー図である。
図である
エピタキシャル層、4 p型分離層、5 p型ウエル
層、6 LOCOS酸化膜、7 ゲート絶縁酸化膜、8
p型ベース層、9 n型エミッタ層、10 下層ポリ
シリコン電極膜、11 上層ポリシリコン電極膜、12
WSi電極膜、13 p型ソースドレイン拡散層、1
4 n型ソースドレイン拡散層、15 層間絶縁膜、1
6 金属電極膜、17 最終保護膜、20 薄くかつ均
一な酸化膜、20a 均一に除去部分を有するコンタク
ト用酸化膜。
Claims (5)
- 【請求項1】 第一導電型のシリコン半導体層と、 上記第一導電型のシリコン半導体層上に積層された開口
部を有する絶縁酸化膜と、 上記絶縁酸化膜上に形成され、上記絶縁酸化膜に形成さ
れた開口部と同じ位置に開口部を有する第一のポリシリ
コン膜と、 上記第一導電型のシリコン半導体層の、上記絶縁酸化膜
および上記第一のポリシリコン膜の開口部を介して露出
した部分に形成された第二導電型の不純物拡散層と、 上記第一のポリシリコン膜上および上記開口部に形成さ
れた第二のポリシリコン膜と、 上記第二導電型の不純物拡散層と上記第二のポリシリコ
ン膜の間、および上記第一のポリシリコン膜と上記第二
のポリシリコン膜の間に形成された均一に除去部分を有
する薄くかつ均一なコンタクト用酸化膜とを備えたこと
を特徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 第一導電型のシリコン半導体層上に絶縁
酸化膜および第一のポリシリコン膜を順次積層する工程
と、 上記絶縁酸化膜と上記第一のポリシリコン膜を選択的に
エッチングして開口部を形成し、上記開口部を介して上
記第一導電型のシリコン半導体層を露出させる工程と、 上記第一導電型のシリコン半導体層の露出部に第二導電
型の不純物を注入して第二導電型の不純物拡散層を形成
する工程と、 HF処理を施して上記第二導電型の不純物拡散層上およ
び上記第一のポリシリコン膜上の自然酸化膜を除去する
工程と、 自然酸化膜が除去された上記第二導電型の不純物拡散層
表面および上記第一のポリシリコン膜表面に薄くかつ均
一な酸化膜を形成する工程と、 全面に第二のポリシリコン膜を形成した後、上記第二の
ポリシリコン膜に第二導電型の不純物を注入する工程
と、 上記第二のポリシリコン膜に注入された上記第二導電型
の不純物を活性化し、上記薄くかつ均一な酸化膜を介し
て上記第一のポリシリコン膜中に上記第二導電型の不純
物を拡散させる工程と、 短時間の高温アニール処理を施して上記薄くかつ均一な
酸化膜に除去部分を均一に形成し、均一に形成された除
去部分を有する薄くかつ均一なコンタクト用酸化膜を形
成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項3】 上記薄くかつ均一な酸化膜はH2 O2 処
理により形成されることを特徴とする請求項2記載の半
導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 上記薄くかつ均一な酸化膜の膜厚は0.
5nm〜10nmであることを特徴とする請求項2また
は3記載の半導体装置。 - 【請求項5】 上記短時間かつ高温アニール処理におけ
る処理温度は950°C〜1150°Cで、処理時間は
10秒〜3分の間であることを特徴とする請求項2ない
し4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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