JP3231645B2 - 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

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置およびそ
の製造方法に関し、特に高抵抗層を有する半導体装置お
よびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体素子の微細化および高性能化は依
然として精力的に進められており、現在では0.15〜
0.25μmの寸法基準で設計されたメモリデバイスあ
るいはロジックデバイス等の超高集積の半導体デバイス
が開発試作されている。
【0003】そして、このような半導体素子の微細化お
よび高性能化に伴い、半導体装置の形成には微細多層配
線層の採用が必須になる。このために、配線層間の層間
絶縁膜を平坦化あるいは平滑化されることが強く要求さ
れ、層間絶縁膜として種々の絶縁材料が使用されてきて
いる。また、このような層間絶縁膜の成膜速度を向上さ
せることも、半導体装置の製造コスト低減のために重要
となってきている。
【0004】このような半導体装置の製造技術の進展の
中で、高抵抗層を有する半導体装置、例えば抵抗値の高
い制御性が必要とされるSRAMのような半導体装置に
おいて、抵抗値が変動しやすくなってきている。これ
は、上記の層間絶縁膜から高抵抗層に不要の不純物が混
入しやすくなるためである。
【0005】このような問題を解決するための従来の技
術には、特公平5−16186号公報に記載されている
技術(以下、第1の従来例と記す)、特公平6−911
89号公報に記載されている技術(以下、第2の従来例
と記す)がある。
【0006】そこで、上記公開公報に示されている技術
について図を参照して説明する。図5と図6は第1の従
来例に記載されている技術での半導体装置の製造工程順
の断面図である。
【0007】図5に示すように、P型Si単結晶基板1
01上の所定の領域にフィールドSiO2 膜102およ
びゲートSiO2 膜103が形成される。そして、その
上に多結晶Si層104および104aが形成される。
ここで、ゲートSiO2 膜103上の多結晶Si層10
4aはMOSトランジスタのゲート電極となる。
【0008】次に、多結晶Si層104および104a
の表面が熱酸化され熱酸化SiO2膜105が形成され
る。そして、この熱酸化SiO2 膜105上にSi3
4 膜106形成される。
【0009】次に、図5(b)に示すように化学気相成
長(CVD)法でSiO2 膜がSi3 4 膜106上全
面に堆積され、不要な部分がエッチング除去されてマス
ク絶縁層107が形成される。その後、リン不純物等の
イオン注入と熱処理が施され、N+ 拡散層108および
109が形成される。ここで、N+ 拡散層108はMO
Sトランジスタのソース・ドレイン領域である。この工
程で、多結晶Si層104に高抵抗部110が形成され
るようになる。また、ゲート電極である多結晶Si層1
04aにも高濃度不純物が導入されるようになる。
【0010】次に、図5(c)に示すようにマスク絶縁
層107下のSi3 4 膜106aを残して、Si3
4 膜106は除去される。
【0011】次に、図6(a)に示すように、熱酸化S
iO2 膜105あるいはマスク絶縁層107等の全面を
被覆するようにPSG膜111が堆積され平滑化され
る。そして、N+ 拡散層108,109上の積層した絶
縁膜上にコンタクト孔が形成され、N+ 拡散層108と
109とに接続するAl配線112、他方のN+ 拡散層
109に接続する別のAl配線113がそれぞれ形成さ
れる。
【0012】このようにして、P型Si単結晶基板10
1表面にMOSトランジスタが、フィールドSiO2
102上に、N+ 拡散層109で構成された電極部と高
抵抗部110を有する高抵抗層が形成される。ここで、
この高抵抗層は、SRAMの負荷抵抗素子として使用さ
れる。
【0013】次に、図6(b)に示すようにAl配線1
12,113等を被覆する層間絶縁膜114が形成され
る。そして、最終的にN+ 拡散層109は負荷抵抗素子
の電極部となり、高抵抗部110上は熱酸化SiO2
105とSi3 4 膜106aとで覆われるようにな
る。
【0014】このSi3 4 膜106aにより、PSG
膜111中のリン不純物が高抵抗部110に拡散し高抵
抗層の抵抗値の変動することが防止される。
【0015】次に、図7に基づいて第2の従来例の技術
を説明する。図7は第2の従来例に記載されている技術
での半導体装置の製造工程順の断面図である。
【0016】図7(a)に示すように、P型シリコン半
導体基板201の表面に素子分離酸化膜202が形成さ
れる。そして、ゲート酸化膜203が形成され、多結晶
シリコン等でゲート電極204が形成される。次に、リ
ン不純物等のN型の不純物イオンが注入され熱処理が施
されてソース・ドレイン拡散層205が形成される。そ
して、全面を被覆するシリコン酸化膜206が堆積され
る。
【0017】次に、図7(b)に示すように、シリコン
酸化膜206上にBPSG膜207が堆積され、熱処理
が施されてその表面が平坦化される。
【0018】次に、図7(c)に示すようにBPSG膜
207上に第1のシリコン窒化膜208が形成される。
この絶縁膜はCVD法で堆積される膜厚100nm〜2
00nmのシリコン窒化膜である。そして、第1のシリ
コン窒化膜208上に高抵抗層209が形成される。こ
れはシリコン等の半導体薄膜で構成される。
【0019】次に、第2のシリコン窒化膜210がCV
D法で全面に堆積される。そして、図7(d)に示すよ
うに層間絶縁膜211が形成される。次に、層間絶縁膜
211、第2のシリコン窒化膜210、第1のシリコン
窒化膜208、BPSG膜、シリコン酸化膜206およ
びゲート酸化膜203にコンタクト孔がフォトリソグラ
フィ技術とドライエッチング技術とで形成され、配線2
12がこのコンタクト孔に埋設されるようにして形成さ
れる。
【0020】最後に、全体を覆うようにしてパシベーシ
ョン膜213が形成される。このパシベーション膜21
3はプラズマCVD法等で堆積されるシリコン窒化膜等
の絶縁膜である。
【0021】この第2の従来例では、高抵抗層209は
SRAMの負荷抵抗素子となる。そして、この高抵抗層
209は第1のシリコン窒化膜208と第2のシリコン
窒化膜210で完全に遮蔽されるようになる。
【0022】この第1のシリコン窒化膜208と第2の
シリコン窒化膜210とにより、BPSG膜207等の
平坦化材料から不純物が高抵抗部110に拡散し高抵抗
層209の抵抗値の変動することが防止される。また、
このようなシリコン窒化膜は高抵抗層209への水素の
進入に対して障壁となり、高抵抗層の抵抗値変動を低減
するようになる。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】先述したように、半導
体装置の形成には微細多層配線層の採用が必須になる。
そして、配線層間の層間絶縁膜を平坦化あるいは平滑化
されることが強く要求され、層間絶縁膜として種々の絶
縁材料が使用されてきている。ここで、配線層上の層間
絶縁膜はプラズマCVD法で堆積されるが、工程短縮の
ために高密度プラズマによる成膜が必要になる。
【0024】このようななかで、第1の従来例で示され
ている技術では、高抵抗部110の表面が熱酸化SiO
2 膜で覆われ、その上部にSi3 4 膜106aが形成
されることになる。
【0025】このために、高密度プラズマのCVD法で
層間絶縁膜が堆積されるときに発生する水素あるいは水
素イオン(プロトン)により生じる高抵抗部110の抵
抗値変動は回避できない。これは、水素あるいは水素イ
オンが高抵抗部上の熱酸化SiO2 膜105を通って高
抵抗部110に進入するためである。
【0026】発明者の検討では、第1の従来例の場合に
高密度プラズマのCVD法で層間絶縁膜を堆積させる
と、高抵抗部110に含有される水素量は6×1018
子/ccから1×1019原子/ccへと増加することが
確認されている。
【0027】また、第2の従来例では、高抵抗層209
の表面はCVD法で堆積されるシリコン窒化膜で被覆さ
れる。
【0028】このために、高抵抗層とシリコン窒化膜と
の界面には、制御不可能な多量の界面位が形成される
ようになる。このような界面位は、高抵抗層の表面の
導電性を変化させ、SRAMのような半導体装置に組み
込まれる高抵抗層の抵抗値バラツキを増大させる。そし
て、半導体装置の製造歩留まりが低下する。
【0029】上記のような問題は、半導体装置が高密度
化し高性能化するとより顕著になるものである。
【0030】本発明の目的は、半導体装置の形成される
高抵抗層の抵抗値変動を完全に防止し、高性能で信頼性
の高い半導体装置とその製造方法を提供することにあ
る。
【0031】
【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体装置では、半導体基板上の絶縁膜上にパターニングさ
れて形成された高抵抗層が設けられ、前記高抵抗層の表
面が直接熱窒化膜で被覆されている。
【0032】ここで、前記直接熱窒化膜の膜厚は1.5
nm以上になるように形成されている。
【0033】そして、このような高抵抗層がSRAMの
負荷抵抗素子を構成している。
【0034】さらには、前記高抵抗層を被覆するように
層間絶縁膜が高密度プラズマ中の化学気相成長法で堆積
されている。
【0035】ここで、前記層間絶縁膜はシリコン酸化
るいはシリコンオキシフッ化絶縁膜で構成されてい
る。
【0036】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体装置の高抵抗層の形成方法において、半導体基板
上に絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜上に半導体薄膜層
を所定のパターニング形状に形成する工程と、全面に保
護絶縁膜を堆積した後、前記半導体薄膜層上の所定の領
域の前記保護絶縁膜をエッチングし前記半導体薄膜層の
表面を露出する工程と、前記露出した半導体薄膜層表面
を直接熱窒化する工程とを含む。
【0037】ここで、窒素原子を含むガス中での前記半
導体薄膜層表面のランプアニール法で前記直接熱窒化は
なされる。
【0038】さらには、本発明の半導体装置の製造方法
では、前記直接熱窒化の工程後、前記半導体薄膜層を被
覆するように高密度プラズマ中での化学気相成長法で層
間絶縁膜が堆積される。
【0039】本発明で形成される高抵抗層表面の直接熱
窒化膜においては、CVD法で堆積されたシリコン窒化
膜に比べ膜の密度が増加しその緻密性は非常に高くな
る。そして、この直接熱窒化膜は、水素原子あるいは水
素イオンのような不純物を高抵抗層から完全に遮断す
る。また、この直接熱窒化膜と高抵抗層界面には界面順
位はほとんど形成されない。
【0040】このために、本発明では、半導体装置の高
抵抗層の抵抗値変動は無くなり、抵抗値バラツキも非常
に小さくなる。
【0041】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を図1
に基づいて説明する。図1は抵抗値変動の無い高抵抗層
が形成された半導体装置の断面図である。
【0042】図1に示すように、シリコン基板1上の所
定の領域にフィールド酸化膜2およびゲート酸化膜3が
形成されている。そして、ゲート酸化膜3上にはゲート
電極4が形成され、シリコン基板1表面の所定の領域に
ソース・ドレイン拡散層5が設けられている。
【0043】そして、フィールド酸化膜2上には高抵抗
層が形成されている。この高抵抗層は抵抗電極部6と高
抵抗部7とで構成されるものである。さらに、高抵抗部
7の表面には直接熱窒化膜8が形成されている。
【0044】そして、ゲート電極4および抵抗電極部6
等を被覆するように、膜厚の薄い保護絶縁膜9が形成さ
れている。さらに、この保護絶縁膜9および直接熱窒化
膜8を被覆するように、第1層間絶縁膜10が形成され
ている。
【0045】さらに、上記ソース・ドレイン拡散層5上
に積層して形成されたゲート酸化膜3、保護絶縁膜9お
よび第1層間絶縁膜10にコンタクト孔が設けられてい
る。また、高抵抗層の抵抗電極部6上の保護絶縁膜9お
よび第1層間絶縁膜10にもコンタクト孔が設けられて
いる。そして、ソース・ドレイン拡散層5と高抵抗層の
一方の抵抗電極部6とが配線11で接続されている。ま
た、高抵抗層の他方の抵抗電極部6は別の配線12に接
続されている。
【0046】そして、上記第1層間絶縁膜10、配線1
1,12等全体を被覆するように第2層間絶縁膜13が
平坦化して形成されている。
【0047】このようにして、シリコン基板1表面にM
OSトランジスタが、フィールド酸化膜2上に、抵抗電
極部6と高抵抗部7を有する高抵抗層が形成される。こ
こで、この高抵抗層は、高性能SRAMの負荷抵抗素子
として使用できる。
【0048】次に、本発明の半導体装置の製造方法を図
2に基づいて説明する。図2は本発明の半導体装置の主
要な製造工程順の断面図である。
【0049】図2(a)に示すように、例えば導電型が
P型のシリコン基板1の表面に選択的にフィールド酸化
膜2が形成される。ここで、フィールド酸化膜2はLO
COS(Local Oxidation of Si
licon)法等で形成された膜厚400nm程度のシ
リコン酸化膜である。同様にシリコン基板1の表面が熱
酸化され膜厚が10nm程度のゲート酸化膜3が形成さ
れる。
【0050】そして、ゲート酸化膜3の所定の領域にゲ
ート電極4が形成される。ここで、ゲート電極4はタン
グステン・ポリサイド膜等の高融点金属で構成されるポ
リサイド膜で形成される。
【0051】次に、フィールド酸化膜2上に半導体薄膜
層14が所定の形状になるように形成される。ここで、
この半導体薄膜層14は、膜厚が100nm程度の多結
晶シリコンで構成される。そして、この多結晶シリコン
にはリン、ヒ素、ホウ素あるいは酸素等の不純物が混入
されている。
【0052】次に、ゲート電極4および半導体薄膜層1
4を被覆するように保護絶縁膜9が堆積される。ここ
で、保護絶縁膜9はCVD法で堆積される膜厚100n
m程度のシリコン酸化膜である。
【0053】次に、図2(b)に示すように、シリコン
基板1表面の所定の領域にソース・ドレイン拡散層5が
形成され、同時に半導体薄膜層14の端部に抵抗電極部
6が形成される。ここで、フォトリソグラフィ技術で形
成されたレジストマスクがイオン注入マスクに用いら
れ、所定の領域にイオン注入がなされ熱処理が施され
て、上記ソース・ドレイン拡散層5および抵抗電極部6
に高濃度のヒ素不純物が導入される。
【0054】このようにして、半導体薄膜層14に抵抗
電極部6と高抵抗部7とが形成されるようになる。
【0055】次に、フォトリソグラフィ技術とドライエ
ッチング技術とで保護絶縁膜9の所定の領域が除去され
る。そして、高抵抗部7表面が露出されて窓開け部15
が形成される。
【0056】次に、NH3 ガス雰囲気でのランプアニー
ルが施される。ここで、アニール温度は900℃程度で
ありこの処理時間は1分程度である。このようなランプ
アニール(以下、RTN処理という)により高抵抗部7
の表面に膜厚2nm程度の直接熱窒化膜8が形成され
る。ここで、NH3 の代わりにN2 2 のようなガスが
使用されてもよい。
【0057】次に、図2(c)に示すように保護絶縁膜
9および直接熱窒化膜8を被覆する第1層間絶縁膜10
が形成される。この第1層間絶縁膜10は膜厚が500
nm程度のBPSG膜(ボロンガラスおよびリンガラス
を含有するシリコン酸化膜)で構成される。
【0058】後は、図1で説明したように、公知の方法
でコンタクト孔および配線等が形成される。そして、第
2層間絶縁膜13が形成されるようになる。この第2層
間絶縁膜13は、バイアスECR−CVD法で堆積され
化学的機械研磨(CMP)で平坦化されたシリコン酸化
膜である。
【0059】ここで、バイアスECR−CVDとは電子
サイクロトロン共鳴を用いたマイクロ波プラズマで化学
気相成長する成膜法である。そして、このようなプラズ
マは通常の高周波プラズマに比べ非常に高いプラズマ密
度になる。
【0060】なお、第2層間絶縁膜13の形成におい
て、ヘリコン波プラズマ、あるいは誘導結合型プラズマ
等により発生された高密度プラズマの反応ガスが使用さ
れてもよい。また、この第2層間絶縁膜13としては、
シリコン酸化膜以外にシリコンオキシナイトライド膜、
シリコン窒化膜あるいはシリコンオキシフッ化絶縁膜が
形成されてもよい。
【0061】このような本発明の方法では、半導体装置
の製造工程後の高抵抗部7に含まれる水素の量は全く変
化しない。この水素量の実測では6〜7×1018原子/
ccで全く変わっていなかった。
【0062】次に、本発明の効果について図3と図4と
で説明する。図3は、図1に示された縦断面の高抵抗部
7を横断面にし模式化した断面図である。ここで、下部
絶縁膜16上に高抵抗層の高抵抗部17が形成されてい
る。そして、この高抵抗部17の表面が直接熱窒化され
て膜厚の薄いシリコン窒化膜に改質されている。すなわ
ち直接熱窒化膜18でその周囲が完全に覆われている。
【0063】そして、本発明ではこのような直接熱窒化
膜で被覆された高抵抗部17上に上部絶縁膜19が形成
されるようになる。ここで、この上部絶縁膜19は高密
度プラズマを用いたCVD法で堆積されるために、多量
の水素原子あるいは水素イオンが形成されるようにな
る。
【0064】しかし、本発明の直接熱窒化膜において
は、CVD法で堆積されたシリコン窒化膜に比べ膜の密
度が増加しその緻密性は非常に高くなる。このために、
上記のような水素原子あるいは水素イオンは、高抵抗部
17から完全に遮断される。
【0065】また、この直接熱窒化膜18と高抵抗層1
7界面には界面位はほとんど形成されない。このため
に、第2の従来例で説明したような界面位による抵抗
値変動も皆無になる。
【0066】図4は、このような直接熱窒化膜の膜厚と
高抵抗層の抵抗値との関係を示すグラフである。ここ
で、抵抗値は任意単位で示されており、高密度プラズマ
で上部絶縁膜が形成された後の値である。
【0067】図4に示すように、高抵抗部表面の直接熱
窒化膜の膜厚が1.5nm以上であれば、抵抗値変動は
無くその値は2100程度である。しかし、この膜厚が
1nm程度になると、抵抗値は大幅に低下しその値は1
50程度になってしまう。すなわち、本発明の高抵抗部
表面に形成される直接熱窒化膜の膜厚は1.5nm以上
で非常に有効になることが判る。
【0068】以上の実施の形態では、高抵抗層がSRA
Mの負荷抵抗素子として使用される場合について説明さ
れた。本発明はこのような高抵抗層に適用される場合に
限定されない。この他、保護抵抗素子あるいはロジック
デバイスに用いられる抵抗素子に適用されても同様の効
果が生じる。但し、これらの場合には、抵抗素子の抵抗
値は比較的に低くなる。例えば、抵抗素子に含有される
リン、ヒ素あるいはボウ素等の不純物濃度は1016〜1
17原子/ccとなる。
【0069】
【発明の効果】以上に説明したように本発明では、高抵
抗層の高抵抗部の表面に直接熱窒化膜が形成されてい
る。
【0070】このために、高抵抗層の上部に形成される
層間絶縁膜が高密度プラズマ中でのCVD法で堆積され
ても、水素原子あるいは水素イオンによる高抵抗部の抵
抗値変動は皆無になる。
【0071】また、直接熱窒化膜と高抵抗層との界面
は界面位はほとんど形成されない。このために、従来
の技術でみられたような高抵抗層の抵抗値バラツキが増
大したり信頼性が低下することも皆無になる。そして、
半導体装置の製造歩留まりが大幅に向上する。
【0072】このようにして、高抵抗層を有する本発明
の半導体装置の高密度化および高性能化が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を説明する半導体装置の断
面図である。
【図2】上記半導体装置の製造工程順の断面図である。
【図3】本発明の効果を説明するための高抵抗層の模式
化した断面図である。
【図4】本発明の効果を説明するための高抵抗層の抵抗
値と直接熱窒化膜の膜厚との関係を示すグラフである。
【図5】第1の従来例を説明するための製造工程順の断
面図である。
【図6】第1の従来例を説明するための製造工程順の断
面図である。
【図7】第2の従来例を説明するための製造工程順の断
面図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2,202 フィールド酸化膜 3,203 ゲート酸化膜 4,204 ゲート電極 5,205 ソース・ドレイン拡散層 6 抵抗電極部 7,17,110 高抵抗部 8,18 直接熱窒化膜 9 保護絶縁膜 11,12,112,113,212 配線 13 第2層間絶縁膜 14 半導体薄膜層 15 窓開け部 16 下部絶縁膜 19 上部絶縁膜 101 P型Si半導体基板 102 フィールドSiO2 膜 103 ゲートSiO2 膜 104,104a 多結晶Si層 105 熱酸化SiO2 膜 106,106a Si3 4 膜 107 マスク絶縁層 108,109 N+ 拡散層 111,211 PSG膜 114 層間絶縁膜 201 P型シリコン半導体基板 202 素子分離酸化膜 206 シリコン酸化膜 207 BPSG膜 208 第1のシリコン窒化膜 209 高抵抗層 210 第2のシリコン窒化膜 213 パシベーション膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 27/11 (56)参考文献 特開 平9−162307(JP,A) 特開 昭61−22861(JP,A) 特開 平1−152733(JP,A) 特開 昭54−23379(JP,A) 特開 昭58−194719(JP,A) 特開 平7−307293(JP,A) 特開 平7−316823(JP,A) 特開 昭58−14560(JP,A) 特開 平1−160024(JP,A) 特開 平5−198744(JP,A) 特開 平1−169932(JP,A)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上の絶縁膜上にパターニング
    されて形成された高抵抗層が設けられ、前記高抵抗層の
    表面が直接熱窒化膜で被覆され前記直接熱窒化膜を被覆
    してシリコン酸化膜あるいはシリコンオキシフッ化絶縁
    膜が高密度プラズマ中の化学気相成長法で層間絶縁膜と
    して堆積されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記高抵抗層がSRAMの負荷抵抗素子
    を構成していることを特徴とする請求項1記載の半導体
    装置。
  3. 【請求項3】 前記直接熱窒化膜の膜厚が1.5nm以
    上になるように形成されていることを特徴とする請求項
    1または請求項2記載の半導体装置。
  4. 【請求項4】 半導体装置の高抵抗層の形成方法におい
    て、半導体基板上に絶縁膜を形成した後、前記絶縁膜上
    に半導体薄膜層を所定のパターニング形状に形成する工
    程と、全面に保護絶縁膜を堆積した後、前記半導体薄膜
    層上の所定の領域の前記保護絶縁膜をエッチングし前記
    半導体薄膜層の表面を露出する工程と、前記露出した半
    導体薄膜層表面を直接熱窒化する工程と、前記半導体薄
    膜層を被覆するように高密度プラズマ中での化学気相成
    長法でシリコン酸化膜あるいはシリコンオキシフッ化絶
    縁膜を堆積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。
  5. 【請求項5】 前記直接熱窒化により膜厚が1.5nm
    以上の直接熱窒化膜を形成することを特徴とする請求項
    4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 窒素原子を含むガス中での前記半導体薄
    膜層表面のランプアニール法で前記直接熱窒化がなされ
    ることを特徴とする請求項4または請求項5記載の半導
    体装置の製造方法。
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