JP3185396B2 - 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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    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板上に多結晶
シリコン (Si) 層を積層してなる配線を有する半導体装
置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】多結晶シリコン層は高純度のものが得や
すく、半導体としての性質を利用するほかに、ステップ
カバレージ性がよいことを利用して半導体基板上のゲー
ト電極あるいは配線として用いられる。表面にゲート酸
化膜を有する半導体基板に多結晶シリコンからなる配線
を直接接触させるために埋込み接触 (Buried Contact)
と呼ばれる技術がある。これは、ゲート酸化膜にフォト
リソグラフィ技術により窓を開けるために、その上に直
接レジストを塗るとゲート酸化膜の汚染が避けられな
い。そこで薄い多結晶Si層をゲート酸化膜とレジストの
間のバッファに用いる方法である。図3(a) 〜(c) はそ
のような埋込み接触の形成工程を示す。例えばp形のシ
リコン基板1の上にLOCOS法で厚い酸化膜21を形成
し、それ以外の個所にゲート酸化膜2を形成したのち、
表面の汚染を避けて連続工程で表面上に約500 Åの厚さ
の多結晶Si層3を形成し〔同図(a) 〕、その上にレジス
ト4を塗り、フォトエッチングにより窓11を開け、多結
晶Si層3をマスクにしてりんイオン12を注入し、n領域
13を形成する〔同図(b) 〕。このあと、露出しているゲ
ート酸化膜2を除去し、約3000Åの厚さの多結晶Si層4
を積層する〔同図(c) 〕。これにより多結晶Si層4とシ
リコン基板1との直接コンタクトがとれる。そして、多
結晶Si層の導電性を向上させるためのドーパントをイオ
ン注入などの方法で供給する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、CVD法によ
って多結晶Si層をSi基板上に成膜する際、界面層への酸
素の巻込みが避けられず、薄い界面酸化膜が生ずること
が知られている。このような界面酸化膜は、高抵抗層と
して働き、導電性を高めるために導入するドーパントの
拡散障壁となり、積層多結晶Si層の抵抗を精密に制御す
る上での障害となる。
【0004】本発明の目的は、このような問題を解決
し、積層多結晶Si層の抵抗の精密な制御を可能にするこ
とにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、半導体基板上に2層の多結晶Si層を積
層したのち、表面から不純物を導入して低抵抗の配線層
を形成する工程を有する半導体装置の製造方法におい
て、両多結晶Si層の界面に生ずる酸化膜の厚さを1nm未
満とし、積層多結晶Si層を熱処理により再結晶化する
ともに、積層した両層にわたって、導入された不純物濃
度をほぼ一定にせしめるものとする。そして、多結晶Si
層の成膜を減圧CVD法で行い、界面に生ずる酸化膜の
厚さを半導体基板を挿入する際のCVD反応炉内の温度
を制御することにより1nm未満とすることが有効であ
る。尚、参考手段として、上記の製造方法において、両
多結晶Si層の界面に生じた酸化膜に損傷を与え、そのあ
との熱処理により積層多結晶Si層を再結晶化するものと
する。そして、界面酸化膜にイオン注入により損傷を与
えることが有効である。また、両多結晶Si層の結晶の連
続性を、イオンマイクロアナライザによるSi層の厚さ方
向の不純物濃度分布分析結果から判定することが、本発
明においても参考手段においても有効である。
【0006】
【作用】界面酸化膜の厚さが1nm以上であると、熱処理
の際、その酸化膜が障壁となって固相エピタキシャル再
結晶化が起きない。しかし、界面酸化膜の厚さが1nm未
満であれば、固相エピタキシャル再結晶化で連続的な多
結晶Si層が生ずる。界面酸化膜の厚さが1nm以上であっ
ても、積層した多結晶Si層の上からのイオン注入などに
よる原子混合 (atomic mixing)効果で酸化膜を不連続に
すると、熱処理の際に酸化膜をはさむ両多結晶Si層が固
相エピタキシャル再結晶化で連続的になる。このように
形成された連続的な多結晶Si層には、主として粒界拡散
による不純物の拡散により層厚方向に均一なドーピング
が行われる。
【0007】
【実施例】以下、図3と共通の部分に同一の符号を付し
た図を引用して本発明の実施例について述べる。図1、
図2に示すようにSi基板1上に20nmの厚さのゲート酸化
膜2を形成したのち、その上に縦型減圧CVD装置を用
いて一層目の多結晶Si層3を45nmの厚さに堆積し、次い
で二層目の多結晶Si層4を250nm の厚さに形成した。そ
の際、一層目の多結晶Si層3と二層目の多結晶Si層4の
間には界面酸化膜5が生ずる〔図1(a) 、図2(a) 〕。
図1の場合は基板を装置したカセットを挿入する前のC
VD装置の反応炉内の温度を300 ℃にすることにより、
界面酸化膜5の厚さを1nm未満、平均値で0.5nmとし、
図2の場合は同じく反応炉内温度を600 ℃にすることに
より、界面酸化膜5の厚さを1nm以上、平均値で2nmと
した。このあと、多結晶Si層へのドーピングのためにり
んイオンを加速電圧30kV、ドーズ量1.5×1016ions/cm
2 で注入した。図1(b) 、図2(b) は注入後の状態を模
式的に示し、いずれも表面層にりん(P) 原子6が注入さ
れている。拡散のための熱処理は、N2 雰囲気中で900
℃、10分間行った。図1(c) 、図2(c) は熱処理後の状
態を模式的に示し、界面酸化膜5が2nmの場合は、熱処
理後二層目の多結晶Si層4の粒径は増大しているが、一
層目の多結晶Si層3の粒径は比較的小さいままである
〔図2(c) 〕。それに対し、界面酸化膜0.5nmの場合
は、上下の多結晶Si層3、4の結晶は連続的であり、界
面でも概ね結晶粒はエピタキシャル再結晶化しているこ
とがわかる。高分解能の透過型電子顕微鏡で観察する
と、界面酸化膜5が2nmの場合、上下の多結晶Si層3、
4は連続した界面酸化膜5により結晶的に分離している
が、界面酸化膜5が0.5nmの場合、熱処理によって上下
の多結晶Si層は結晶的に一体となっており、界面をはさ
んでSi(111) 面が連続している。図4に積層多結晶Si層
へドーピングしたPの深さ方向濃度分布をイオンマイク
ロアナライザ (IMA) で分析した結果を示す。線41で
示す界面酸化膜5が0.5nmの場合には、二層目の多結晶
Si層4および一層目の多結晶Si層3とも、P濃度はほぼ
一定である。これは、図1(c) に示すように粒界が上下
の多結晶Si層にわたって連続的であるため、P原子6の
粒界拡散が均一に行われたためである。一方、線42で示
す界面酸化膜5が2nmの場合には、0.5nmの場合に比べ
多結晶Si層4ではP濃度が低く、多結晶Si層3では逆に
P濃度は高い。これは、一層目の多結晶Si層3の結晶粒
が細かく、すなわち粒界7が多いため、図2(c) に示す
ようにより多くの粒界7にP6が拡散したためである。
多結晶Si層4の厚さは多結晶Si層3の厚さの5倍以上あ
るので、多結晶Si層3、4を1層としてみたときのシー
ト抵抗は界面酸化膜5が2nmのときは45Ω/□であった
のに対し、界面酸化膜5が0.5nmのときは34、5 Ω/□
で22%減少した配線が得られた。ここで重要なことは、
界面酸化膜5が1nm未満のときは再現性良くシート抵抗
値を得ることができるが、界面酸化膜5がそれより厚い
場合は厚さに応じて多結晶Si層3の結晶粒の細かさが変
化し、シート抵抗値の制御が極めて困難となることであ
る。
【0008】図5(a) 〜(c) は本発明の参考手段を示
す。この場合は、一層目の多結晶Si層3と二層目の多結
晶Si層4との間の界面に1nm以上の厚さのシリコン酸化
膜5が存在するが〔同図(a) 〕、Siを高エネルギーでイ
オン注入すると、表面からの深さdまでの領域が非晶質
化層81となり、さらに界面酸化膜5の存在した領域にat
omic mixing により不連続になった酸化膜51だけを残
す。従って、熱処理の際に上下の多結晶Si層3、4を固
相エピタキシャル再結晶化で連続的な粗大化した多結晶
Si層8とすることができ〔同図(c) 〕、導入したPの粒
界拡散を層厚方向に均一にする。この結果、図4の線41
のようなPの分布を得ることができる。この方法は、界
面酸化膜が10nm程度まで厚い場合にも有効である。 な
お、図4からわかるように、熱処理後に上下の多結晶Si
層が固相エピタキシャル再結晶化で連続的な多結晶Si層
となっているかを知るためには、積層多結晶Si層の表面
から深さ方向にイオンマイクロアナライザ (IMA) で
不純物元素の濃度分析をすることで簡易的に粒界の連続
性を判断することができる。
【0009】
【発明の効果】本発明によれば、積層多結晶Si層界面の
酸化膜を極く薄くすることにより、熱処理時の固相再結
晶化の過程で上下の多結晶Si層が連続的になり、粒界分
布が均一になり、導入したドーパント不純物の分布も均
一化できた。これを実現できる限界は界面の酸化膜が1
nm未満の場合である。また、参考手段によれば、界面の
酸化膜が厚い場合でも、Siイオン注入などの補助的手段
を併用して界面酸化膜に損傷を与えることで同様の効果
を得ることができた。また、本発明により、良好に拡散
処理が行われているかをIMA分析法により判定する基
準とその根拠を明確にし、実プロセスでの管理にも役立
たせることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の配線形成工程を(a) ないし
(c) の順に示す断面図
【図2】比較例の配線形成工程を(a) ないし(c) の順に
示す断面図
【図3】埋込み接触形成工程を(a) ないし(c) の順に示
す断面図
【図4】本発明の一実施例と比較例のIMAによるPの
深さ方向の濃度分布図
【図5】本発明の参考手段の配線形成工程を(a) ないし
(c) の順に示す断面図
【符号の説明】
1 Si基板 2 ゲート酸化膜 3 多結晶Si層第一層 4 多結晶Si層第二層 5 界面酸化膜 6 りん原子
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/20 H01L 21/3205 - 21/3213 H01L 21/768

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に2層の多結晶シリコン層を
    積層したのち、表面から不純物を導入して低抵抗の配線
    層を形成する工程を有する半導体装置の製造方法におい
    て、両多結晶シリコン層の界面に生ずる酸化膜の厚さを
    1nm未満とし、積層多結晶シリコン層を熱処理により再
    結晶化するとともに、積層した両層にわたって、導入さ
    れた不純物濃度をほぼ一定にせしめることを特徴とする
    半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】多結晶シリコン層の成膜を減圧CVD法で
    行い、界面に生ずる酸化膜の厚さを半導体基板を挿入す
    る際のCVD反応炉内の温度を制御することにより1nm
    未満とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】両多結晶シリコン層の結晶の連続性を、イ
    オンマイクロアナライザによるシリコン層の厚さ方向の
    不純物濃度分布分析結果から判定する請求項1あるいは
    2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
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