JPH03181176A

JPH03181176A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH03181176A
Application number: JP1318791A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Nakayama; 諭中山; Tetsushi Sakai; 徹志酒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1989-12-11
Filing date: 1989-12-11
Publication date: 1991-08-07

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野コ本発明は、ＭＯ８構造の半導体装置、特にＭＯＳトラン
ジスタのｐ型環電性ゲート電極及びそのゲート電極の製
造方法に関する。

［従来の技術］従来は、半導体装置のｐ型環電性ゲート電極として、は
う素が添加された多結晶シリコン膜が用いられている。

しかし、ゲート用絶縁物として使用されるシリコン酸化
膜中のほう素の拡散が速いため、熱処理をするとほう素
がゲート電極から基板に拡散し、トランジスタのしきい
値を変動させるという欠点がある。特に、水蒸気を含ん
だ雰囲気中での熱処理ではほう素の拡散が促進され、比
較的低い温度の熱処理でもトランジスタのしきい値を変
動させる。このことを図を用いて以下に説明する。

第７図は、はう素添加多結晶シリコンをゲート電極とす
るＭＯＳダイオードの容量−ゲート電圧特性を示す図で
あり、縦軸が容量、横軸がゲート電圧である。熱処理中
の雰囲気は水蒸気を含む酸素雰囲気であり時間は３０分
間である。その他の条件としては、ゲート酸化膜厚が３
　ｎ　ｒｌｈ　　Ｎドープ層無しで、ダイオード面積が
１０−’ｃｍ２、　基板濃度が３　Ｘ　１０”ｃ　ｍ−
”　　であり、熱処理をした場合のほかに、リファレン
スとして熱処理無しの場合を図示している。

第７図において熱処理を行わない場合、ゲート電圧が正
のインバーシロン側の特性は理論と一致するが、８００
′Ｃ以上の熱処理を行った場合にはしきい値電圧が高電
圧側に変化しており、はう素が基板に拡散したことがわ
かる。この様なほう素の拡散の影響はゲート酸化膜が薄
い程大きい。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、上記のような従来技術において問題となって
いた、ゲート電極のほう素が基板に拡散することを抑制
し、安定な特性を示すｐ型環電性ゲート電極を有する半
導体装置を提供すること、及び、安定な特性を示すｐ型
環電性ゲート電極を有する半導体装置の製造方法を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］上記の課題を解決するため、本発明は、（１）窒素（Ｎ
）とほう素（Ｂ）を添加した多結晶シリコン層を含む少
なくとも２Ｊｌ構造のゲート電極を有することを特徴と
する半導体装置と、（２）シリコン水素化物（Ｓ　１　
ｎＨ２ｎ＊＊、ｎ　’？−１）とアンモニアガス（ＮＨ
ｓ）の少なくとも２種類のガスを含む混合ガスを原料と
し、堆積温度が４００〜６５０℃の範囲で、少なくとも
窒素（Ｎ）を添加したシリコン薄膜を堆積する工程を含
むことを特徴とする半導体装置の製造方法、という手段を採用している。

［作用コ本発明の半導体装置は、窒素とほう素を添加した多結晶
シリコン層を含む少なくとも２層構造のゲート電極を設
ける。窒素とほう素を添加した多結晶シリコン膜中では
、はう素の拡散が遅くなるため、従来のほう素のみを添
加した多結晶シリコン膜をゲート電極とした場合に比べ
、基板中に拡散するほう素置が少なく半導体装置の特性
変動を小さくするように作用する。

本発明の装置の製造方法においては、少なくともシリコ
ン水素化物（Ｓｉ１．ｌＨ２，２、ｎ≧１）とアンモニ
アガス（ＮＨａ）の２種類のガスを含む混合ガスを原料
とし、堆積温度が４００から６５０℃の範囲で基板上に
窒素添加のシリコン薄膜を堆積する工程を実施する。

［実施例コ本発明の実施例を図面を用いて具体的に説明する。

第１図は、本発明の装置の実施例であるＭＯＳダイオー
ドの概略構成を示す断面図であり、１はシリコン基板、
２はゲート酸化膜、３は窒素とほう素を添加した多結晶
シリコン層、４はほう素添加多結晶シリコン層、５は絶
縁膜、６はアルミニウム裏面電極である。シリコン基板
はほう素濃度３Ｘ１０”ｃｍ−”のｐ型基板であり、　
ゲート酸化膜厚は３　ｎ　ｒｒｈ　窒素とほう素添加多
結晶シリコン層厚さ５　ｎ　ｒｒｈ　　はう素添加多結
晶シリコン層厚さ３００ｎｍで、多結晶シリコン層のほ
う素濃度は２Ｘ１０”ｃｒｒｒ’である。

第２図は、本実施例のＭＯＳダイオードの容量−ゲート
電圧特性図である。縦軸は容量、横軸はゲート電圧を示
す。この例では、ダイオード面積が１０−’ｃｍ２であ
り、　ゲート電極形成後の熱処理条件は水蒸気を含む酸
素雰囲気で、８５０℃、３０分間である。リファレンス
は熱処理を行わない場合の特性曲線であり、ゲート電圧
が正のインバーシロン側の特性は理論とほぼ一致する。

窒素添加多結晶シリコン層の窒素濃度が０％、つまり従
来と同じ構成の場合には、しきい値電圧が高電圧側に変
化しているが、窒素添加多結晶シリコン層の窒素濃度が
高くなるにともないしきい値電圧は低電圧側に移動し、
窒素濃度約２．７％の場合にはリファレンスとほぼ同じ
特性を示す。

また、第３図に窒素およびほう素添加多結晶シリコン膜
の比抵抗の窒素濃度依存性を示す。なお、はう素濃度は
２Ｘ１０”ｃｍ−”である。　窒素濃度が高くなるほど
比抵抗は急激に増加するが、窒素濃度約３ａｔｍ％で比
抵抗が数Ωｃｍでありゲート電極として使用可能である
。

以上の説明かられかるように、本発明においては、窒素
とほう素を添加した多結晶シリコン層を含む少なくとも
２層構造のゲート電極を設けることにより、ゲート電極
からシリコン基板へのほう素の拡散を抑制でき、ゲート
電極形成後に熱処理を行っても半導体装置の特性変動を
生じない。

なお、本実施例では半導体装置としてＭＯＳダイオード
を取り上げたが、ＭＯＳトランジスタおよびそれらの集
積回路の半導体装置でも、本発明のゲート電極を有する
ことにより、特性変動を生じさせないようにできる。ま
た、本実施例では窒素・はう素添加シリコン層とほう素
添加シリコン層の２層構造のゲート電極としたが、（ａ
）薄いほう素シリコン層と窒素・はう素シリコン層と厚
いほう素シリコン層の３層構造のゲート電極、（ｂ）窒
素・はう素添加シリコン層とほう素シリコン層と金属シ
リサイド膜の３層構造、（Ｃ）窒素・はう素シリコン層
と金属シリサイド層の２層構造のゲート構造でもよい。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の実施例について
説明する。第４図は窒素とほう素を添加した多結晶シリ
コン層を堆積する装置の概略図である。

本実施例の反応装置は、第４図に示すように、一般に用
いられている拡散炉型の減圧ＣＶＤ装置であり、４１は
反応管、４２は電気炉、４３は排気システム、４４は石
英ボート、４５は石英ボート内に載置したシリコン基板
である。また、４６ないし４９は、バルブと導管を通じ
て反応管４１に接続される複数のガスボンベであって、
それぞれ４６はジシラン（ＳｉａＨｅ）ガスボンベ、４
７はジボラン（Ｂ　２　Ｈａ）ガスボンベ、４８はアン
モニア（ＮＨａ）ガスボンベ、　４９はキャリアガスボ
ンベ、である。

ゲート酸化膜形成工程までは、一般に用いられている方
法で半導体装置を製造する。次に製造途中のシリコン基
板４５を石英ボート４４に載置し、温度が４００〜８５
０℃の反応管４１に挿入する。

その後、反応管４１を排気し、反応管温度が安定したら
、各種ガスボンベからジシランガス、アンモニアガスお
よびジボランガスを所望の量だけ所望の時間（１＋）の
間、　反応管４１に導入しシリコン基板上に窒素及びほ
う素を含むシリコン膜を堆積する。

所望の時間（ｔ、）経過後、反応管４１へのアンモニア
ガスの導入を停止し、ジシランガスとジボランガスおよ
びキャリアガスのみを所望の時間（ｔ２）の間、反応管
４１へ導入し、　窒素とほう素を含むシリコン層上にほ
う素を含むシリコン層を堆積する。その後、シリコン基
板を反応管４１から取り出し、一般に用いられている方
法で加工してゲート電極を形成する。

次に、シリコン基板を適当な条件で熱処理した後、一般
に用いられている方法で上部電極および裏面電極を形成
する。第５図に窒素添加シリコン膜の窒素濃度とアンモ
ニア流量との関係を示す。

アンモニア流量が多い程窒素濃度は高くなり、アンモニ
ア流量１０１００５ｅで窒素濃度的３ａｔｍ％になる。

また、第６図に窒素添加シリコン膜の堆積速度とアンモ
ニア流量の関係を示す。アンモニア流量が増加すると堆
積速度は若干減少するが、堆積温度５２０℃、アンモニ
ア流量４００ｓｅｃｍでも堆積速度約６２Ａ／分と実用
的な速度が得られる。

なお、この実施例ではシリコンの水素化物としてジシラ
ン（ＳｉａＨｅ）を用いたが、より実用的なシラン（Ｓ
ｉＨ４）や、　より低温での膜堆積が可能なトリシラン
（Ｓ　１ｓＨｓ）を用いてもよい。

また、実施例ではジシランガスとアンモニアガスとジボ
ランガスで窒素とほう素添加シリコン層を形成したが、
水素化物とアンモニアのみの混合ガスで窒素添加シリコ
ン層を形成した後、イオン注入や他の物質からのほう素
の拡散により、窒素とほう素添加シリコン層を形成して
もよい。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明の装置によれば、ゲート電
極からシリコン基板へのほう素の拡散を抑制でき、ゲー
ト電極形成後に熱処理を行っても半導体装置の特性変動
が生じないようにできる。

また、本発明の製造方法により、ゲート電極から基板へ
のほう素の拡散が抑制できる窒素添加シリコン膜を実用
的速度で堆積でき、熱処理に対して安定なｐ型導電性ゲ
ート電極を有する半導体装置を製造できる効果を奏する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第■図は、本実施例の、窒素とほう素添加多結晶シリコ
ン層含む多結晶シリコンを、ＭＯＳダイオードのゲート
電極として適用したデバイスの概略の構成を示す図、第２図は、本実施例のゲート電極を有するＭＯＳダイオ
ードの容量−ゲート電圧特性図であって、ゲート酸化膜
厚が３ｎｍ１　Ｎドープ層厚さ５　ｎ　ｍｓダイオード
面積が１０−’ｃｍ”、基板濃度が３×１０”ａｍ−’
　　ウェット酸素雰囲気中で８５０℃において３０分加
熱するという条件のもとで、熱処理をした場合に窒素濃
度をパラメータとし、熱処理無しの場合とを比較した曲
線を示す図、第３図は、本実施例の、窒素とほう素添加
多結晶ンリコン層のほう素の濃度を２Ｘ１０”ｃｒｒｒ
’とした場合の比抵抗と窒素濃度の関係を示す図、第４
図は、窒素とほう素を添加した多結晶シリコン層を堆積
する装置の概略図、第５図は、窒素添加シリコン膜の窒素濃度とアンモニア
流量の関係を示す図、第６図は、窒素添加シリコン膜の堆積速度とアンモニア
流量の関係を示す図、第７図は、従来のほう素添加多結晶シリコンをゲート電
極とするＭＯＳダイオードの容量−ゲート電圧特性の熱
処理による変動を示す図で、ゲート酸化膜厚が３ｎｍｓ
Ｎドープ層無しで、ダイオード面積が１０−’ｃｍ２、
基板濃度が３Ｘ１０”Ｃｍ−”　　ウェット酸素雰囲気
中で３０分という条件のもとで、熱処理をした場合と、
熱処理無しの場合とを比較した曲線を示す図である。１・・・シリコン基板、２・・・ゲート酸化膜、３・・
・窒素とほう素を添加した多結晶シリコン層、４・・・はう素添加多結晶シリコン層、５・・・層間絶
縁膜、６・・・アルミニウム裏面電極、４１・・・反応管、４２　・　・４３　・　・４４　・　・４５　・　・４６　・　・４７　・　・４８　・　・４９　・　・・電気炉、・排気システム、・石英ボード、・シリコン基板、・ジシラン（Ｓｉ２Ｈｅ）ガスボンベ、・ジボラン（Ｂ
ＱＨｅ）ガスボンベ、・アンモニア（ＮＨｓ）ガスボンベ、・キャリアガスボンベ、

Claims

【特許請求の範囲】１、窒素（Ｎ）とほう素（Ｂ）を添加した多結晶シリコ
ン層を含む少なくとも２層構造のゲート電極を有するこ
とを特徴とする半導体装置。２、シリコン水素化物（Ｓｉ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿２、
ｎ≧１）とアンモニアガス（ＮＨ＿３）の少なくとも２
種類のガスを含む混合ガスを原料とし、堆積温度が４０
０〜６５０℃の範囲で、少なくとも窒素（Ｎ）を添加し
たシリコン薄膜を堆積する工程を含むことを特徴とする
請求項１記載の半導体装置の製造方法。