JPH04142079A

JPH04142079A - 半導体装置およびその製造方法

Info

Publication number: JPH04142079A
Application number: JP2263089A
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: 1990-10-02
Filing date: 1990-10-02
Publication date: 1992-05-15

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構造の半導体装置およびその製造方法
に係わり、特にＭＯＳ）ランジスタのｐ型導電性ゲート
電極およびそのゲート電極の製造方法に関するものであ
る。

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

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の半導体装置は、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、はう素がゲート電極から基板に
拡散し、トランジスタの閾値を変動させるという問題が
あった。特に水蒸気を含んだ雰囲気中での熱処理では、
はう素の拡散が促進され、比較的低い温度の熱処理でも
トランジスタの閾値を変動させる。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
である。その他の条件としては、ゲート酸化膜厚が３．
５ｎ＠、炭素ドープ層無しでダイオード面積が１０−’
ｃｍ２．基板濃度が３　Ｘ　１０１５ｃｍ−３であり、
熱処理をした場合の他にリファレンスとして活性化熱処
理（７００℃、３０分間、乾燥窒素雰囲気中）のみの場
合を図示している。同図において、活性化熱処理のみの
場合、ゲート電圧が正のインバージョン側の特性は理論
と一致するが、８００℃以上の熱処理を行った場合には
、閾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。

このようなほう素の拡散の影響はゲート酸化膜が薄いほ
ど大きい。

したがって本発明は、従来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型導電性ゲート電極を有する半導体装置
を提供することおよび安定な特性を示すｐ型導電性ゲー
ト電極が得られる半導体装置の製造方法を提供すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］このような課題を解決するために本発明による半導体装
置は、炭素とほう素と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している。

また、本発明による半導体装置の製造方法は、シリコン
水素化物（ＳｌｌＩＨ２１１＋２．　ｎ≧１）とアセチ
レンガスとの少なくとも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
とも炭素を添加したシリコン薄膜を堆積する工程を含む
ものである。

［作用］本発明においては、炭素とほう素と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ので、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。

［実施例］以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明による半導体装置の一実施例をＭＯＳ
ダイオードに適用した場合の構成を示す要部断面図であ
る。同図において、１はシリコン基板、２はゲート酸化
膜、３は炭素とほう素と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１はほう素濃
度３×１０１５ｃｍ−３のｐ型基板であり、ゲート酸化
膜２の膜厚は３．５ｔｖ、炭素とほう素とを添加した多
結晶シリコン層３の膜厚は５ｎｍ、はう素添加多結晶シ
リコン層４の膜厚は３００ｎｍで多結晶シリコン層のほ
う素濃度は２　Ｘ　１０２０ｃｍ−’である。

第２図は第１図で説明した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
を示している。この例では、ダイオード面積は１０−’
ｃｍ２であり、ゲート電極形成後の熱処理条件は、窒素
雰囲気中で９００℃、２０分間に加えて水蒸気を含む酸
素雰囲気で８５０℃、３０分間である。リファレンスは
、活性化熱処理（７００℃、３０分間、乾燥窒素雰囲気
中）のみの場合の特性曲線であり、ゲート電極が正のイ
ンバージョン側の特性は理論とほぼ一致する。

炭素添加多結晶シリコン層の炭素濃度がＯ’、９５ａｔ
ｍ％の場合には、閾値電圧が高電圧側に大きく変化して
いるが、炭素添加多結晶シリコン層の炭素濃度が高くな
るに伴い閾値電圧の変化は少なくなり、炭素濃度が３３
ａし箇％の場合にはリファレンスとほぼ同じ特性を示す
。

第３図は炭素とほう素とを添加した多結晶シリコン層３
の比抵抗の炭素濃度依存性を示したものである。なお、
はう素濃度は２　Ｘ　１０　”ｃ〔３である。同図に示
すように炭素濃度が高くなるほど比抵抗は急激に増加す
る。

以上の説明かられかるように本発明においては、炭素と
ほう素と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
ドを用いた場合について説明したが、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リ、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、炭素とほう素とを
添加した多結晶シリコン層と、はう素を添加した多結晶
シリコン層との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、炭素とほう素とを添加したシ
リコン層と、厚いほう素シリコン層との３層構造のゲー
ト電極でも良く、また、（ｂ）炭素とほう素とを添加し
たシリコン層と、はう素シリコン層と、金属シリサイド
膜との３層構造のゲート電極でも良く、さらに（Ｃ）炭
素とほう素とを添加したシリコン層と、金属シリサイド
層との２層構造のゲート電極でも良い。

次に本発明による半導体装置の製造方法の実施例につい
て説明する。

第４図は炭素とほう素とを添加した多結晶シリコン層を
堆積した装置の概略構成図である。本実施例の反応装置
は、同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４４内に載置したシリコン基板である。また、４６
〜４９はバルブと導管とを通じて反応管４１に接続され
る複数のガスボンベであり、それぞれ４６はジシラン（
Ｓｉ２Ｈ６）ガスボンベ、４７はジボラン（Ｂ２Ｈ６）
ガスボンベ、４８はアセチレン（Ｃ２Ｈ２）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４００〜６５
０℃の反応管４１内に挿入する。反応管４１を排気し、
反応管４１の温度が安定したら、各種ガスボンベ４６〜
４８からそれぞれジシランガス、アセチレンガス、ジボ
ランガスを所望の量だけ所望の時間（ｔｌ）反応管４１
に導入し、シリコン基板４５上に炭素とほう素とを含む
シリコン層を堆積する。所望の時間（ｔｌ）経過後、反
応管４１へのアセチレンガスの導入を停止し、ジシラン
ガス、ジボランガスおよびキャリアガスのみを所望の時
間（ｔ２）反応管４１へ導入し、炭素とほう素とを含む
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４５を反応管４１から取り出し、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４５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電極および裏面電極を形
成する。

第５図は炭素添加シリコン層の炭素濃度とアセチレンガ
ス流量との関係を示したものである。同図に示すように
アセチレンガス流量が多いほど炭素濃度は高くなり、ア
セチレンガス流量１０１００５ｃで炭素濃度が約１３ａ
ｔｍ％になる。

第６図は炭素添加シリコン層の堆積速度とアセチレンガ
ス流量との関係を示したものである。同図に示すように
アセチレンガス流量が増加しても堆積速度は変化しない
。

なお、この実施例では、シリコン水素化物としてジシラ
ン（Ｓｉ２）［６）を用いたが、より一般的なシラン（
ＳｉＨ４）またはより低温での膜堆積が可能なトリシラ
ン（Ｓｉ３Ｈ８）を用いても良い。また、この実施例で
は、ジシランガスとアセチレンガスとジボランガスとで
炭素とほう素とを添加したシリコン層を形成したが、水
素化物とアセチレンガスのみとの混合ガスで炭素添加シ
リコン層を形成した後、イオン注入や他の物質からのほ
う素拡散により、炭素とほう素とを添加したシリコン層
を形成しても良い。

［発明の効果］以上、説明したように本発明による半導体装置によれば
、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、本発明によ
る半導体装置の製造方法によれば、ゲート電極から基板
へのほう素の拡散が抑制できる炭素添加シリコン層を実
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という極め
て優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体装置の一実施例による炭素
とほう素とを添加した多結晶シリコン層を含む多結晶シ
リコンをＭＯＳダイオードのゲート電極として適用した
デバイスの概略構成を示す要部断面図、第２図は第１図
のゲート電極を有するＭＯＳダイオードの容量−ゲート
電圧特性を示す図、第３図は第１図の炭素とほう素とを
添加した多結晶シリコン層のほう素濃度を２　Ｘ　１０
−２０ｃ、−３として１０００℃で３０分間の熱処理を
した場合の比抵抗と炭素濃度との関係を示す図、第４図
は本発明による半導体装置の製造方法の一実施例を説明
するための炭素とほう素とを添加した多結晶シリコン層
を堆積した装置の概略構成図、第５図は炭素添加シリコ
ン層の炭素濃度とアセチレンガス流量との関係を示す図
、第６図は炭素添加シリコン層の堆積速度とアセチレン
ガス流量との関係を示す図、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あ
る。１・・・・シリコン基板、２・・・・ゲート酸化膜、３
・・・・炭素とほう素と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・・・・電気炉、４３・・・・排気シ
ステム、４４・・・・石英ボート、４５・・・・シリコ
ン基板、４６・・・・ジシランガスボンベ、４７・・・
・ジボランガスボンベ、４８・・・・アセチレンガスボ
ンベ、４９・・・・キャリアガスボンベ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）炭素とほう素と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
とした半導体装置。
（２）シリコン水素化物（Ｓｉ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿２
、ｎ≧１）とアセチレンガスとの少なくとも２種類のガ
スを含む混合ガスを原料とし、堆積温度が４００〜６５
０℃の範囲で少なくとも炭素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した半導体装置の製造
方法。