JPH0376032B2 - - Google Patents

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JPH0376032B2
JPH0376032B2 JP17188686A JP17188686A JPH0376032B2 JP H0376032 B2 JPH0376032 B2 JP H0376032B2 JP 17188686 A JP17188686 A JP 17188686A JP 17188686 A JP17188686 A JP 17188686A JP H0376032 B2 JPH0376032 B2 JP H0376032B2
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Japan
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film
silicon film
polycrystalline silicon
manufacturing
insulating film
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JP17188686A
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Juichi Mikata
Katsunori Ishihara
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Device Solutions Corp
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Toshiba Corp
Toshiba Microelectronics Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、半導体装置の製造方法に関するもの
で、特に多結晶シリコン膜を主成分とする電極又
は電極配線とこれに積層される絶縁膜とを形成す
る半導体装置の製造方法に利用される。
(従来の技術) 半導体基板主面の絶縁膜上に、多結晶シリコン
膜を形成し、更にその上に絶縁膜を形成した積層
膜を電極又は電極配線として利用する半導体装置
は多い。この様な半導体装置の1例として、
EPROM(書き換え可能な読み出し専用メモリ)
をとりあげ、その製造方法について図面を参照し
て以下説明する。第2図は従来のEPROMの模式
的な断面図であり、第3図はその製造工程途中の
断面図である。まずP-型シリコン基板1のフイ
ールド酸化膜に囲まれた島状の素子領域表面に、
厚さ500Åの第1の熱酸化膜2を形成する。次に
その上の厚さ1000Åの第1の多結晶シリコン膜3
を低圧CVD法により形成する。次にこの多結晶
シリコン膜3にリンを熱拡散によりドープした
後、約1000℃において熱酸化を用い、厚さ500Å
の第2の熱酸化膜4を形成する。次に全面にコン
トロールゲートとなる第2の多結晶シリコン膜5
を堆積する(第3図参照)。次に写真蝕刻法によ
り第2の多結晶シリコン膜5、第2の熱酸化膜
4、第1の多結晶シリコン膜3及び第1の熱酸化
膜2を順次エツチングして第2図に示すようにコ
ントロールゲート15、第2ケート酸化膜14、
フローテイングゲート13及び第1ゲート酸化膜
12を形成す。次にこれら積層膜をマスクとして
N型不純物をイオン注入し、熱処理を行つてN+
型ドレイン領域16及びN+型ソース領域17を
形成すると共に、積層膜外面に後酸化膜18を形
成する。次に全面にパツシベーシヨン膜(例えば
PSG膜)19を堆積した後、選択的にエツチン
グしてコンタクトホールを開孔し、更に全面に
Al−Si膜を堆積した後、パターニングしてドレ
イン電極20及びソース電極21を形成して第2
図に示すEPROMセルを製造する。
前記EPROMは、セルトランジスタのN+型ド
レイン領域16とコントロールゲート15とに正
の高電圧を加えてフローテイングゲート13に電
子を注入し、書込みを行うデバイスである。この
注入電子は長期間にわたつてフローテイングゲー
トに蓄積される必要がある。しかしながら何らか
の偶発的な原因によつて正の高電圧がコントロー
ルゲートに印加されると、フローテイングゲート
に蓄積されていた注入電子は第2ゲート酸化膜1
4を経てコントロールゲートに吸収され、知らぬ
間に記憶が消去されてしまうことがある。これは
発生頻度がたとえ希れであつても、EPROMにと
つては致命的な欠陥である。
(発明が解決しようとする問題点) 一般にキヤパシタ用電極あるいは層間絶縁膜を
介して対向する電極配線は、対応する電極又は電
極配線等との間に一定の耐圧を要求される。半導
体装置の高集積化、高微細化に伴い前記耐圧要求
はより厳しいものとなる。
従来例のEPROMにおいて、電荷蓄積キヤパシ
タの一方の電極であるフローテイングゲート13
に注入した電子の前記漏洩について、本発明者ら
は調査研究し、その原因について以下の知見を得
た。即ちフローテイングゲートとなる第1の多結
晶シリコン膜は、様々な面方位を持つ結晶粒から
構成され、その粒径も数百Åと大きい。従つて
1000℃以下の低温酸化により第2ゲート酸化膜と
なる第2の熱酸化膜を形成すると、フローテイン
グゲートと第2ゲート酸化膜との界面に凹凸
(Surface asperity)が生じ、あるいは結晶粒界
面に不純物原子のトラツプが発生する。フローテ
イングゲートとコントロールゲートとの間に電圧
が印加されると、前記結晶粒の凸部あるいは粒界
面のトラツプ等に電界が集中し耐圧劣化を起こ
し、蓄積されていた電子が消失するものと推論さ
れた。
この問題点を解決するためには、多結晶シリコ
ン膜の結晶粒の粒径を小さくすること、例えば
100Å以下とすることである。一般に多結晶シリ
コンの結晶粒径は反応温度、膜厚に依存してお
り、反応温度が高いほど結晶粒径は大きくなる。
膜厚が一定で結晶粒径100Å以下の多結晶シリコ
ン膜を従来法で形成するには反応温度を下げる必
要がある。しかしながら反応温度を下げると、所
定の膜厚を形成するのに極めて長時間を要し生産
上実用に適さない。
本発明の目的は、半導体基板の絶縁膜上に多結
晶シリコン膜を形成し、更にその上に絶縁膜を積
層する場合、多結晶シリコン膜の結晶粒径を出来
るだけ小さく例えば100Å以下とすると共にその
ための工程の所要時間は生産上許容できるものと
し、これにより絶縁膜を積層した時の耐圧を向上
できる半導体装置の製造方法を提供するものであ
る。
[発明の構成] (問題を解決するための手段) 本発明は、半導体基板主面の絶縁膜上の反応温
度400℃ないし600℃でアモルフアスシリコン膜
(非晶質シリコン膜)を形成する工程と、この工
程に連続して、反応温度を600℃ないし800℃に上
げ、アモルフアスシリコン膜上に多結晶シリコン
膜を形成する第1の積層工程と、前記多結晶シリ
コン膜上に更に絶縁膜を形成する第2の積層工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
である。
(作用) まず半導体基板の絶縁膜上に反応温度400℃な
いし600℃でシリコンを付着させると、結晶化は
殆ど進まずアモルフアス状のシリコン膜が形成さ
れる。アモルフアスシリコン膜の膜厚は少なくと
も30Åとする。引続き反応温度を従来技術の場合
と同程度の600℃ないし800℃に上げ、多結晶シリ
コン膜を形成すると、粒径が例えば100Å以下の
小さい緻密な多結晶シリコン膜が形成される。即
ちアモルフアスシリコン膜形成後引続いてその上
にシリコン原子を堆積すると、反応温度が従来技
術と同程度であつても粒径が100Å以下の多結晶
シリコンが従来と同程度の所要時間で形成され
る。これは、アモルフアスシリコン表面における
Si原子の吸着点密度(核濃度)が従来の絶縁物面
に比べ非常に高いためと推論される。
粒径の小さい緻密な多結晶シリコン膜を電極又
は電極配線とし更に絶縁物層を積層した場合の界
面は凹凸も不純物トラツプも減少し高耐圧が得ら
れる。
実施例 本発明の実施例として第1図に示すキヤパシタ
の製造方法について述べる。
まずシリコン基板51の表面に厚さ500Åの第
1の絶縁膜(熱酸化膜)52を形成する。
次に減圧CVD装置を用い、反応温度(堆積温
度とも呼ばれる)400℃〜600℃でシランガス
(SiH4)を熱分解し、アモルフアス(非晶質)状
のシリコンを絶縁膜52上に少なくとも30Å厚堆
積する。反応温度600℃以下では絶縁膜52に吸
着されたSi原子の結晶化は殆ど進行せずアモルフ
アスシリコン膜53が形成される。絶縁膜52の
表面は一様な面密度のアモルフアスシリコンで被
覆される必要があり、他方堆積速度が小さいので
必要以上に厚い膜を形成すると時間がかかりすげ
るので少なくとも30Å厚程度とすることが望まし
い。
次に前記アモルフアスシリコン膜形成工程に連
続して、即ち基板を外気にさらすことなく、減圧
CVD法で反応温度を600℃〜800℃に上げ、アモ
ルフアスシリコン膜53の上に多結晶シリコン膜
54を厚さ約1000Å積層する(便宜上この工程を
第1の積層工程という)。反応温度600℃以上では
吸着されたシリコン原子は結晶化が行われ結晶粒
を形成する。アモルフアスシリコン膜表面には従
来の絶縁膜表面に比し、シリコン原子の吸着点が
一様且つ高密度に存在すると推論されるので、ア
モルフアスシリコン面に吸着されたシリコンは粒
径が小さい多数の結晶粒となり、凹凸の少ない緻
密な多結晶シリコン膜が形成される。多結晶シリ
コン膜の結晶粒の大きさは試行結果によれば粒径
が100Åを越えないことが望ましい。粒径が大き
くなると耐圧劣化のおそれが生ずる。又反応温度
は従来技術の場合とほぼ等しく、この多結晶シリ
コン膜を形成するための所要時間も従来技術のそ
れと大差なく、生産上許容できるものとなる。な
お前記アモルフアスシリコン膜53(この一部は
結晶化が進み多結晶シリコン膜に含まれると思わ
れる)と第1の多結晶シリコン膜54から成る第
1の積層膜はキヤパシタの一方の電極を形成す
る。
次に第1の多結晶シリコン膜54にリンを熱拡
散によりドープしその抵抗を下げる。結晶粒径も
小さくリンは均一に拡散され粒界面でのトラツプ
も殆どない。
次に約1000℃において第1の多結晶シリコン膜
54を熱酸化し、厚さ500Åの第2の熱酸化膜5
5を形成する(便宜上第2の積層工程という)。
熱酸化膜55はこのキヤパシタの誘電体層とな
る。
次に熱酸化膜55の上の厚さ3500Å、面抵抗
20Ωの他の一方のキヤパシタ電極となる第2の多
結晶シリコン膜56を堆積する。次に写真蝕刻法
により積層膜をエツチングして第1図に示すキヤ
パシタを製作する。
本発明による前記製造方法により製造したキヤ
パシタと従来の製造方法により製作したキヤパシ
タとの保持耐圧を比較測定した。第4図にその結
果を示す。縦軸は第1の多結晶シリコン膜と第2
の多結晶シリコン膜との間に電圧を印加したとき
の熱酸化膜55の耐圧を電界強度で表した値、横
軸はリンの熱拡散時間を表したものである。○印
は本発明、●印は従来のそれぞれの製造方法によ
る値で、交叉する垂直線分はそのバラツキを示
す。この図より明らかなように本発明の製造方法
により耐圧は向上する。
前記実施例の第2の積層工程においては、第1
の多結晶シリコン膜54を熱酸化して絶縁膜(シ
リコン酸化膜55)を積層したが、他の絶縁物を
堆積しても本発明の効果は得られる。又本実施例
はEPROMのキヤパシタについて述べたが、多結
晶シリコンを主成分とする電極又は電極配線と絶
縁膜を介して他の導電層と対向する構成要素を有
するその他の半導体装置の製造方法に対しても本
発明は勿論適用できる。
[発明の効果] 本発明の製造方法においては、シリコン原子の
吸着点が高濃度に分布すると推定されるアモルフ
アスシリコン膜を下地として多結晶シリコン膜を
堆積するため、反応温度を600℃以上としても多
結晶シリコン膜は、その粒径は小さく例えば100
Å以下となると共に緻密な膜となり、そのための
工程の所要時間も生産上許容できる時間となる。
この多結晶シリコン膜にリンの熱拡散を行う
と、粒界面でのトラツプがなくなり均一に拡散さ
れ、更に絶縁膜を積層してもその界面においては
結晶の凹凸(Surface asperity)等電界集中を生
ずる局所も大幅に減少し、耐圧を向上できる。特
にこの多結晶シリコン膜を熱酸化したシリコン酸
化膜を前記絶縁膜とすれば耐圧の強い絶縁膜とな
り本発明の効果も大きくなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の製造方法により製作した平板
電極を有するキヤパシタの断面図、第2図は従来
の製造方法を説明するためのEPROMの断面図、
第3図はこのEPROMの製造工程における断面
図、第4図は本発明及び従来のそれぞれの製造方
法によるキヤパシタの耐圧比較結果を示す図であ
る。 51……半導体基板、52……半導体基板主面
の絶縁膜(第1熱酸化膜)、53……アモルフア
スシリコン膜、54……第1多結晶シリコン膜、
55……多結晶シリコン膜上の絶縁膜(第2熱酸
化膜)。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半導体基板主面の絶縁膜上に反応温度400℃
    ないし600℃でアモルフアスシリコン膜を形成す
    る工程と、このアモルフアスシリコン膜形成工程
    に連続してアモルフアスシリコン膜上に反応温度
    600℃ないし800℃で多結晶シリコン膜を形成する
    第1の積層工程と、前記多結晶シリコン膜上に絶
    縁膜を形成する第2の積層工程とを含むことを特
    徴とする半導体装置の製造方法。 2 アモルフアスシリコン膜形成工程における該
    膜厚が少なくとも30Åである特許請求の範囲第1
    項記載の半導体装置の製造方法。 3 第1の積層工程における多結晶シリコン膜の
    粒径が100Åを越えない特許請求の範囲第1項又
    は第2項記載の半導体装置の製造方法。 4 第2の積層工程における絶縁膜が前記多結晶
    シリコン膜を熱酸化して形成するシリコン酸化膜
    である特許請求の範囲第1項ないし第3項いずれ
    か記載の半導体装置の製造方法。
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