JPH05206473A - 堆積させた半導体上に形成した改善された誘電体 - Google Patents
堆積させた半導体上に形成した改善された誘電体Info
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- JPH05206473A JPH05206473A JP4224489A JP22448992A JPH05206473A JP H05206473 A JPH05206473 A JP H05206473A JP 4224489 A JP4224489 A JP 4224489A JP 22448992 A JP22448992 A JP 22448992A JP H05206473 A JPH05206473 A JP H05206473A
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- H01L29/40—Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/401—Multistep manufacturing processes
- H01L29/4011—Multistep manufacturing processes for data storage electrodes
- H01L29/40114—Multistep manufacturing processes for data storage electrodes the electrodes comprising a conductor-insulator-conductor-insulator-semiconductor structure
Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体層上への誘電体の形成を含む半導体デ
バイスの製造法を提供する。 【構成】 典型的な場合二酸化シリコンである高品質誘
電体層（３５）が、典型的な場合ポリシリコン又はアモ
ルファスシリコンである多層堆積半導体構造（３１、３
２、３３、３４）上に形成される。多層構造は低応力堆
積シリコン構造を得るように、シリコン堆積速度を変え
ることにより形成される。低応力のため、露出した最上
部表面上に、より高品質の誘電体の形成が可能になる。
１つの用途は、薄膜トランジスタゲート酸化物である。
他の用途には、容量誘電体及びＥＥＰＲＯＭのフローテ
ィングゲート上のトンネル酸化物が含まれる。
バイスの製造法を提供する。 【構成】 典型的な場合二酸化シリコンである高品質誘
電体層（３５）が、典型的な場合ポリシリコン又はアモ
ルファスシリコンである多層堆積半導体構造（３１、３
２、３３、３４）上に形成される。多層構造は低応力堆
積シリコン構造を得るように、シリコン堆積速度を変え
ることにより形成される。低応力のため、露出した最上
部表面上に、より高品質の誘電体の形成が可能になる。
１つの用途は、薄膜トランジスタゲート酸化物である。
他の用途には、容量誘電体及びＥＥＰＲＯＭのフローテ
ィングゲート上のトンネル酸化物が含まれる。
Description
【０００１】
【本発明の分野】本発明は堆積させた半導体層の上への
改善された品質をもつ誘電体の形成を含む半導体デバイ
スの作製技術に係る。
改善された品質をもつ誘電体の形成を含む半導体デバイ
スの作製技術に係る。
【０００２】
【発明の背景】半導体デバイスの生産において、誘電体
材料の層は、しばしば堆積したシリコン層の上に形成さ
れる。たとえば、図１に示されるように、第１の容量板
は上に誘電体層（１０２）を有する基板（１０１）上
に、ドープしたポリシリコン（１０３）の第１の導電層
を堆積させることにより、形成してもよい。次に、第１
のポリシリコン層の最上表面を酸化し、容量誘電体（１
０４）を形成する。次に、金属又はドープされたポリシ
リコンでよい第２の導電体層（１０５）を堆積させるこ
とにより、第２の容量板を形成する。高品質の容量誘電
体（１０４）は、高降伏電圧及び低漏れ電流によって示
される。別のデバイス応用において、堆積させたポリシ
リコン層の表面は酸化され、電気的に消去できるプログ
ラム可能なリードオンリーメモリー（ＥＥＰＲＯＭ）の
フローティングゲート上の薄い“トンネル”酸化物とし
て働く。その場合、誘電体の品質はメモリを消去しなが
ら、また他の時刻には蓄積された電荷の損失を防止しな
がら、フローティングゲートから電子をトンネルさせら
れる能力によって測られる。更に別のデバイス用途にお
いて、堆積させたシリコン層中に、電解効果トランジス
タを形成してもよい。次に、堆積させたシリコン層の最
上表面を酸化することにより、ゲート誘電体を形成す
る。ゲート誘電体の品質は、良好なデバイス用の薄い誘
電体を保ったまま、低漏れ電流及び低電荷捕獲によって
測られる。誘電体の品質は、ポリシリコンの最上表面の
部分的構造（応力の状態、グレイン構造及び欠陥状態）
に依存する。
材料の層は、しばしば堆積したシリコン層の上に形成さ
れる。たとえば、図１に示されるように、第１の容量板
は上に誘電体層（１０２）を有する基板（１０１）上
に、ドープしたポリシリコン（１０３）の第１の導電層
を堆積させることにより、形成してもよい。次に、第１
のポリシリコン層の最上表面を酸化し、容量誘電体（１
０４）を形成する。次に、金属又はドープされたポリシ
リコンでよい第２の導電体層（１０５）を堆積させるこ
とにより、第２の容量板を形成する。高品質の容量誘電
体（１０４）は、高降伏電圧及び低漏れ電流によって示
される。別のデバイス応用において、堆積させたポリシ
リコン層の表面は酸化され、電気的に消去できるプログ
ラム可能なリードオンリーメモリー（ＥＥＰＲＯＭ）の
フローティングゲート上の薄い“トンネル”酸化物とし
て働く。その場合、誘電体の品質はメモリを消去しなが
ら、また他の時刻には蓄積された電荷の損失を防止しな
がら、フローティングゲートから電子をトンネルさせら
れる能力によって測られる。更に別のデバイス用途にお
いて、堆積させたシリコン層中に、電解効果トランジス
タを形成してもよい。次に、堆積させたシリコン層の最
上表面を酸化することにより、ゲート誘電体を形成す
る。ゲート誘電体の品質は、良好なデバイス用の薄い誘
電体を保ったまま、低漏れ電流及び低電荷捕獲によって
測られる。誘電体の品質は、ポリシリコンの最上表面の
部分的構造（応力の状態、グレイン構造及び欠陥状態）
に依存する。
【０００３】更に他のデバイス応用が存在し、高品質誘
電体に対する各種要件が、それぞれの場合に規定され
る。上で述べたように、堆積したシリコン層は、典型的
な場合、多結晶シリコン（ポリシリコン）である。しか
し、堆積させたアモルファスシリコンの使用も、当業者
には周知である。形成される誘電体には、シリコン酸化
物層に加え、あるいはその代りに、シリコン窒化物層を
含んでもよい。誘電体層の通常の形成方法は、（酸化物
を形成するために）酸素、（窒化物を形成するために）
窒素又は（オキシナイトライドを形成するために）両方
を含む雰囲気を加熱することによる。大気圧又は加圧下
におけるドライ又はスチーム雰囲気のいずれかが、酸化
物の形成にしばしば用いられる。加熱工程は１時間ある
いはそれ以上の時間、対流炉中で行えばよい。しかし、
最近は急速熱酸化（ＲＴＯ）の使用が研究され、誘電体
は数分又は数秒ですら形成される。たとえば、本発明と
権利者が同じである米国特許４，８１４，２９１中の記
述を参照のこと。多くの点で成功はしているが、従来技
術の誘電体形成法は、いくつかの場合に、実際的な限界
に到達しつつある。このことは、サブミクロンの最少パ
ターン寸法を生じる集積回路に対して、特にそうであ
る。
電体に対する各種要件が、それぞれの場合に規定され
る。上で述べたように、堆積したシリコン層は、典型的
な場合、多結晶シリコン（ポリシリコン）である。しか
し、堆積させたアモルファスシリコンの使用も、当業者
には周知である。形成される誘電体には、シリコン酸化
物層に加え、あるいはその代りに、シリコン窒化物層を
含んでもよい。誘電体層の通常の形成方法は、（酸化物
を形成するために）酸素、（窒化物を形成するために）
窒素又は（オキシナイトライドを形成するために）両方
を含む雰囲気を加熱することによる。大気圧又は加圧下
におけるドライ又はスチーム雰囲気のいずれかが、酸化
物の形成にしばしば用いられる。加熱工程は１時間ある
いはそれ以上の時間、対流炉中で行えばよい。しかし、
最近は急速熱酸化（ＲＴＯ）の使用が研究され、誘電体
は数分又は数秒ですら形成される。たとえば、本発明と
権利者が同じである米国特許４，８１４，２９１中の記
述を参照のこと。多くの点で成功はしているが、従来技
術の誘電体形成法は、いくつかの場合に、実際的な限界
に到達しつつある。このことは、サブミクロンの最少パ
ターン寸法を生じる集積回路に対して、特にそうであ
る。
【０００４】
【発明の概要】誘電体層が堆積させた半導体層の露出さ
れた表面上に形成される固体デバイスの作製技術を発明
した。半導体層は、部分層を形成するために、各種の条
件下で堆積させる。次に、典型的な場合、この多層半導
体を酸素又は窒素を含む雰囲気と反応させることによ
り、誘電体層をその上に形成する。多層半導体は堆積さ
せたままでは、典型的な場合多結晶であるが、１ないし
複数のアモルファス部分層を含んでもよい。得られる誘
電体の特性は、堆積させる半導体に対して、層形成の順
序を適切に選択することによって、具体的なデバイスに
対して選択してもよい。
れた表面上に形成される固体デバイスの作製技術を発明
した。半導体層は、部分層を形成するために、各種の条
件下で堆積させる。次に、典型的な場合、この多層半導
体を酸素又は窒素を含む雰囲気と反応させることによ
り、誘電体層をその上に形成する。多層半導体は堆積さ
せたままでは、典型的な場合多結晶であるが、１ないし
複数のアモルファス部分層を含んでもよい。得られる誘
電体の特性は、堆積させる半導体に対して、層形成の順
序を適切に選択することによって、具体的なデバイスに
対して選択してもよい。
【０００５】
【実施例の説明】以下の詳細な記述は、具体例ではシリ
コンである堆積させた半導体層上に、誘電体を形成する
改善された方法に関してである。本発明において、シリ
コン層を堆積させるために用いられるプロセス条件は、
シリコン層の部分層形成が起こるように変えられる。
コンである堆積させた半導体層上に、誘電体を形成する
改善された方法に関してである。本発明において、シリ
コン層を堆積させるために用いられるプロセス条件は、
シリコン層の部分層形成が起こるように変えられる。
【０００６】図２を参照すると、ポリシリコン層の堆積
速度が、時間の関数として変化している。この具体例に
おいて、２周期が示されており、堆積したポリシリコン
の４つの部分層が生成している。しかし、周期の数、し
たがって部分層の数は、任意の所望の数に変えてよい。
堆積工程は典型的な場合、低堆積速度（ＤL）で始ま
り、次に高堆積速度（ＤH）が続き、第１の周期を構成
する。工程には周期をつけ加え、続けてもよい。各周期
の低堆積速度部分は図２中では同じに示されているが、
これらの値は実際には周期毎に変えてもよい。同様に、
高堆積速度部分は周期毎に変えてもよい。あるいは、堆
積速度の変化は図４に示され、以下で例１及び２につい
て述べるように、周期的である必要はない。
速度が、時間の関数として変化している。この具体例に
おいて、２周期が示されており、堆積したポリシリコン
の４つの部分層が生成している。しかし、周期の数、し
たがって部分層の数は、任意の所望の数に変えてよい。
堆積工程は典型的な場合、低堆積速度（ＤL）で始ま
り、次に高堆積速度（ＤH）が続き、第１の周期を構成
する。工程には周期をつけ加え、続けてもよい。各周期
の低堆積速度部分は図２中では同じに示されているが、
これらの値は実際には周期毎に変えてもよい。同様に、
高堆積速度部分は周期毎に変えてもよい。あるいは、堆
積速度の変化は図４に示され、以下で例１及び２につい
て述べるように、周期的である必要はない。
【０００７】堆積速度差は典型的な場合、堆積プロセス
中、半導体プリカーサガスの分圧、ガス流量又は両方を
変えることにより得られる。しかし、半導体堆積プロセ
ス中、ドーパントガス又は不活性ガスが存在するなら、
これらのガスの分圧又は流量のいずれか又は両方が堆積
速度に影響を持ち、層形成の制御に用いてもよい。温度
を含む他の要因もまた、堆積速度に影響を与えるが、典
型的な場合、ガスのパラメータより程度は小さい。堆積
プロセスはプラズマ雰囲気から起こしてもよいことに注
意すべきである。この雰囲気もここでは“ガス”と考え
る。
中、半導体プリカーサガスの分圧、ガス流量又は両方を
変えることにより得られる。しかし、半導体堆積プロセ
ス中、ドーパントガス又は不活性ガスが存在するなら、
これらのガスの分圧又は流量のいずれか又は両方が堆積
速度に影響を持ち、層形成の制御に用いてもよい。温度
を含む他の要因もまた、堆積速度に影響を与えるが、典
型的な場合、ガスのパラメータより程度は小さい。堆積
プロセスはプラズマ雰囲気から起こしてもよいことに注
意すべきである。この雰囲気もここでは“ガス”と考え
る。
【０００８】堆積中のこれらの変化の結果は、堆積する
シリコンの部分層形成で、ここでは“多層構造形成”と
も呼ぶ。この場合、界面は隣接した部分層間に生じる。
この部分層形成は、場合によってはポリシリコン層中に
応力を発生させ、改善された誘電体の形成を可能にす
る。他の有利な効果も発生することがあり、ポリシリコ
ン層を通してのイオン注入種のチャネリングが減少する
ことが含まれる。応力発生という点で最大の利点と、従
って堆積したポリシリコン上に形成された酸化物の最良
の質を得るためには、部分層の数は最大にするのが望ま
しい。少なくとも４つの部分層の使用がすすめられる。
シリコンの部分層形成で、ここでは“多層構造形成”と
も呼ぶ。この場合、界面は隣接した部分層間に生じる。
この部分層形成は、場合によってはポリシリコン層中に
応力を発生させ、改善された誘電体の形成を可能にす
る。他の有利な効果も発生することがあり、ポリシリコ
ン層を通してのイオン注入種のチャネリングが減少する
ことが含まれる。応力発生という点で最大の利点と、従
って堆積したポリシリコン上に形成された酸化物の最良
の質を得るためには、部分層の数は最大にするのが望ま
しい。少なくとも４つの部分層の使用がすすめられる。
【０００９】つけ加えられる工程としては、誘電体層が
堆積したポリシリコン層上に形成される。これは標準的
な大気圧でもよく、あるいはより速い反応のために加圧
してもよいが、反応性雰囲気中で加熱することにより達
成してもよい。反応はまた、典型的な場合、大気圧以下
のプラズマを補助としてもよい。もともとの半導体材料
を含む誘電体を生成させるためには、もし酸化物誘電体
が必要なら酸素を、また窒化物を形成させるためには窒
素を、反応性雰囲気は典型的な場合含む。あるいは、誘
電体層は、ガスプリカーサの分解のような堆積技術によ
って形成してもよい。たとえば、当業者には周知の原理
に従い、二酸化シリコンを堆積させるために、テトラエ
チルオルトシラン（ＴＥＯＳ）又はシラン（ＳiＨ4）を
用いてもよい。事実、“成長／堆積／成長”工程で形成
されたもともとの材料を使ったものと堆積させた半導体
材料の両方を含む改善された誘電体を形成することが可
能である。たとえば権利者が本件と同じ米国特許４，８
５１，３７０を参照されたい。
堆積したポリシリコン層上に形成される。これは標準的
な大気圧でもよく、あるいはより速い反応のために加圧
してもよいが、反応性雰囲気中で加熱することにより達
成してもよい。反応はまた、典型的な場合、大気圧以下
のプラズマを補助としてもよい。もともとの半導体材料
を含む誘電体を生成させるためには、もし酸化物誘電体
が必要なら酸素を、また窒化物を形成させるためには窒
素を、反応性雰囲気は典型的な場合含む。あるいは、誘
電体層は、ガスプリカーサの分解のような堆積技術によ
って形成してもよい。たとえば、当業者には周知の原理
に従い、二酸化シリコンを堆積させるために、テトラエ
チルオルトシラン（ＴＥＯＳ）又はシラン（ＳiＨ4）を
用いてもよい。事実、“成長／堆積／成長”工程で形成
されたもともとの材料を使ったものと堆積させた半導体
材料の両方を含む改善された誘電体を形成することが可
能である。たとえば権利者が本件と同じ米国特許４，８
５１，３７０を参照されたい。
【００１０】得られる構造が図３にダイヤグラムで示さ
れており、第１ないし第４のポリシリコン部分層（３１
・・・３４）が、誘電体層（３０）上に堆積しているよ
うに示されている。誘電体層（３５）が最上部に示され
ている。界面は隣接した部分層間の線（３６、３７）及
び（３８）により示されていることに注意されたい。こ
れらの界面は異なる欠陥状態、形態又は位相遷移を有す
る部分層間の境界を形成する。たとえば、隣接した部分
層は、程度の異なる結晶性、ドーピング、粒界構造（粒
径と方向の違いを含む）、形態、応力をもってもよく、
部分層間で位相遷移が起こってもよい。多結晶シリコン
の特性のそのような変化は、当業者にはしばしば“部分
構造層形成”と呼ばれている。
れており、第１ないし第４のポリシリコン部分層（３１
・・・３４）が、誘電体層（３０）上に堆積しているよ
うに示されている。誘電体層（３５）が最上部に示され
ている。界面は隣接した部分層間の線（３６、３７）及
び（３８）により示されていることに注意されたい。こ
れらの界面は異なる欠陥状態、形態又は位相遷移を有す
る部分層間の境界を形成する。たとえば、隣接した部分
層は、程度の異なる結晶性、ドーピング、粒界構造（粒
径と方向の違いを含む）、形態、応力をもってもよく、
部分層間で位相遷移が起こってもよい。多結晶シリコン
の特性のそのような変化は、当業者にはしばしば“部分
構造層形成”と呼ばれている。
【００１１】本技術の１つの利点は、誘電体は典型的な
場合単結晶シリコンであるシリコン基板上に、誘電体
（たとえばゲート酸化物）の形成と同時に、堆積させた
ポリシリコン上に誘電体が形成できるという事実であ
る。この同時に誘電体を形成することは、たとえばＥＥ
ＰＲＯＭの生産に用いられることが、当業者には知られ
ている。その場合、誘電体は隣接したＭＯＳデバイス用
に、シリコン基板上にゲート誘電体を形成するのと同時
に、ポリシリコン・フローティングゲートの最上部表面
上に形成される。異なる材料上に同時に誘電体を形成す
るその他の例が、当業者には知られている。しかし、同
時に形成することは、２つの異なる材料に対するプロセ
スの最適化についての柔軟性を制限する。たとえば、シ
リコン基板上に所望の厚さのゲート酸化物を形成するの
に適した時間と温度は、隣接したポリシリコン層上に形
成される酸化物の所望の厚さ又は特性を生じないことが
ある。本技術は、他の材料上に同時に形成される酸化物
の特性とは独立に、堆積させた材料上に成長させた酸化
物の品質（たとえば、厚さ、降伏電圧、適合性、トンネ
ル特性等）に影響を与えることができる。
場合単結晶シリコンであるシリコン基板上に、誘電体
（たとえばゲート酸化物）の形成と同時に、堆積させた
ポリシリコン上に誘電体が形成できるという事実であ
る。この同時に誘電体を形成することは、たとえばＥＥ
ＰＲＯＭの生産に用いられることが、当業者には知られ
ている。その場合、誘電体は隣接したＭＯＳデバイス用
に、シリコン基板上にゲート誘電体を形成するのと同時
に、ポリシリコン・フローティングゲートの最上部表面
上に形成される。異なる材料上に同時に誘電体を形成す
るその他の例が、当業者には知られている。しかし、同
時に形成することは、２つの異なる材料に対するプロセ
スの最適化についての柔軟性を制限する。たとえば、シ
リコン基板上に所望の厚さのゲート酸化物を形成するの
に適した時間と温度は、隣接したポリシリコン層上に形
成される酸化物の所望の厚さ又は特性を生じないことが
ある。本技術は、他の材料上に同時に形成される酸化物
の特性とは独立に、堆積させた材料上に成長させた酸化
物の品質（たとえば、厚さ、降伏電圧、適合性、トンネ
ル特性等）に影響を与えることができる。
【００１２】上述のプロセスは、以下の例によってより
十分に説明される。例 １ ポリシリコンを、シリコン基板上の二酸化シリコンゲー
ト誘電体上に、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）技術を
用いて堆積させた。堆積はシラン（ＳiＨ4）の熱分解に
より行った。堆積の一部では、シラン雰囲気に窒素キャ
リヤガスにより希釈されたＰＨ3 ガスを加えることによ
り、その場でドーピングを行った。堆積温度、容器圧力
及びガス流量は、図４に示されるように、堆積プロセス
を変調するように調整した。最初の２つの層（３１、３
２）は、示された温度において、２８０ｍＴｏｒｒの圧
力で堆積させた。しかし、堆積速度の主な変化は、層
（３１）に対する１６５ｓｃｃｍのシラン流量から、層
（３２）に対する６５ｓｃｃｍまで減らすことにより生
じた。第３の層（３３）に対しては、圧力を３５０ｍＴ
ｏｒｒに増加させるとともに、温度を高くした。しか
し、シランの流量をその層に対しては２４０ｓｃｃｍに
増しても、ドーパントガス（ホスフィン）の含有によ
り、図４に示されるように、層（３３）に対しては堆積
速度は減少した。シランの流量を２６０ｓｃｃｍに増し
ても、ホスフィンの流量を２６ｓｃｃｍに増したため、
最後の層（３４）の堆積速度は減少した。図４に示され
るように、全部で４堆積工程に対して、堆積速度は１分
当り５ナノメータ（５０オングストローム）の低速か
ら、９ナノメータ（９０オングストローム）の高速まで
変化した。全体で約２００ナノメータ（２０００オング
ストローム）のポリシリコン厚が得られた。この試験用
試料は、ここでは“トップ−ドープ”試料と呼ぶ。
十分に説明される。例 １ ポリシリコンを、シリコン基板上の二酸化シリコンゲー
ト誘電体上に、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）技術を
用いて堆積させた。堆積はシラン（ＳiＨ4）の熱分解に
より行った。堆積の一部では、シラン雰囲気に窒素キャ
リヤガスにより希釈されたＰＨ3 ガスを加えることによ
り、その場でドーピングを行った。堆積温度、容器圧力
及びガス流量は、図４に示されるように、堆積プロセス
を変調するように調整した。最初の２つの層（３１、３
２）は、示された温度において、２８０ｍＴｏｒｒの圧
力で堆積させた。しかし、堆積速度の主な変化は、層
（３１）に対する１６５ｓｃｃｍのシラン流量から、層
（３２）に対する６５ｓｃｃｍまで減らすことにより生
じた。第３の層（３３）に対しては、圧力を３５０ｍＴ
ｏｒｒに増加させるとともに、温度を高くした。しか
し、シランの流量をその層に対しては２４０ｓｃｃｍに
増しても、ドーパントガス（ホスフィン）の含有によ
り、図４に示されるように、層（３３）に対しては堆積
速度は減少した。シランの流量を２６０ｓｃｃｍに増し
ても、ホスフィンの流量を２６ｓｃｃｍに増したため、
最後の層（３４）の堆積速度は減少した。図４に示され
るように、全部で４堆積工程に対して、堆積速度は１分
当り５ナノメータ（５０オングストローム）の低速か
ら、９ナノメータ（９０オングストローム）の高速まで
変化した。全体で約２００ナノメータ（２０００オング
ストローム）のポリシリコン厚が得られた。この試験用
試料は、ここでは“トップ−ドープ”試料と呼ぶ。
【００１３】基準用に、等しい厚さ（２０００オングス
トローム）を得るために、０．７５重量パーセントのホ
スフィンとともに、１分当り５ナノメータ（５０オング
ストローム）の一定速度でポリシリコン層を堆積させ
た。基準試料は誘電体層を形成すべき最上部表面が同じ
になるように、トップ−ドープ試料の最終周期（３４）
に対するものと同じ条件下で堆積させた。
トローム）を得るために、０．７５重量パーセントのホ
スフィンとともに、１分当り５ナノメータ（５０オング
ストローム）の一定速度でポリシリコン層を堆積させ
た。基準試料は誘電体層を形成すべき最上部表面が同じ
になるように、トップ−ドープ試料の最終周期（３４）
に対するものと同じ条件下で堆積させた。
【００１４】トップ−ドープ試料及び基準用試料の両方
の上に、９００℃における８０分の乾燥Ｏ2 中での酸化
により、最上部酸化物層（３５）を形成した。これによ
り、トップ−ドープ試料上に４２ナノメータ（４２０オ
ングストローム）厚の酸化物層が、また基準用試料上に
は５８．５ナノメータ（５８５オングストローム）厚の
酸化物層が形成された。トップ−ドープ及び基準試料の
両方の最上部ポリシリコン表面は、同一の堆積条件下で
形成されたが、ポリシリコンの全ドーピング濃度には違
いがある。このドーピングレベルの正味の差は、ポリシ
リコン上の成長した酸化物の厚さに反映している。基準
試料に対するトップ−ドープ試料に対する酸化物成長速
度の比は、０．７２であった。２つの試料の降伏電界
は、最上部酸化物層上にドープしたポリシリコン層を追
加して堆積させ、当業者には周知の技術に従い、その間
に電界を印加することにより決定した。２つの重畳され
たポリシリコン層から成る試験用試料では、基準試料の
降伏電界は４．１ＭＶ／ｃｍ、一方トップ−ドープ試料
のそれは５．０ＭＶ／ｃｍであった。従って、本発明の
技術により、降伏電界は著しく増加した。より薄い酸化
物は高い電界で降伏を起こすことが知られているが、デ
ータは最上部がドープされた多層構造では、更に改善さ
れることを示している。
の上に、９００℃における８０分の乾燥Ｏ2 中での酸化
により、最上部酸化物層（３５）を形成した。これによ
り、トップ−ドープ試料上に４２ナノメータ（４２０オ
ングストローム）厚の酸化物層が、また基準用試料上に
は５８．５ナノメータ（５８５オングストローム）厚の
酸化物層が形成された。トップ−ドープ及び基準試料の
両方の最上部ポリシリコン表面は、同一の堆積条件下で
形成されたが、ポリシリコンの全ドーピング濃度には違
いがある。このドーピングレベルの正味の差は、ポリシ
リコン上の成長した酸化物の厚さに反映している。基準
試料に対するトップ−ドープ試料に対する酸化物成長速
度の比は、０．７２であった。２つの試料の降伏電界
は、最上部酸化物層上にドープしたポリシリコン層を追
加して堆積させ、当業者には周知の技術に従い、その間
に電界を印加することにより決定した。２つの重畳され
たポリシリコン層から成る試験用試料では、基準試料の
降伏電界は４．１ＭＶ／ｃｍ、一方トップ−ドープ試料
のそれは５．０ＭＶ／ｃｍであった。従って、本発明の
技術により、降伏電界は著しく増加した。より薄い酸化
物は高い電界で降伏を起こすことが知られているが、デ
ータは最上部がドープされた多層構造では、更に改善さ
れることを示している。
【００１５】例 ２ 試験用及び基準用試料に対して、例１と同じ堆積及び酸
化プロセスを行なったが、層の堆積順序を反対にしたこ
とが異なる。従って、試験用試料は０．７重量パーセン
トリンの底部層（図３の（３１））ドーピングを有し、
次の層（３２）は０．５重量パーセントのドーピングを
有した。上部の２つの層（３３、３４）はドープしなか
った。この試料はここでは“ボトム−ドープ”と呼ぶ。
ボトム−ドープ及び基準用試料の両方の上に、例１のよ
うに最上部酸化物層（３５）を形成した。これによりボ
トム−ドープ試料上には３５ナノメータ（３５０オング
ストローム）厚の酸化物が、また基準用試料上には５８
５オングストローム厚が生成し、一方低濃度ドープ単結
晶シリコン表面上には２３．５ナノメータ（２５５オン
グストローム）が生成した。従って、基準試料に対する
ボトム−ドープの酸化物成長速度の比は、０．６０であ
った。２つの試料の降伏電界を例１のように決定した。
基準用試料の降伏電界は４．１ＭＶ／ｃｍ（上と同じ）
であったが、ボトム−ドープ試料の場合、それは５．６
ＭＶ／ｃｍであった。従って、本発明の技術により、降
伏電界は著しく増加した。
化プロセスを行なったが、層の堆積順序を反対にしたこ
とが異なる。従って、試験用試料は０．７重量パーセン
トリンの底部層（図３の（３１））ドーピングを有し、
次の層（３２）は０．５重量パーセントのドーピングを
有した。上部の２つの層（３３、３４）はドープしなか
った。この試料はここでは“ボトム−ドープ”と呼ぶ。
ボトム−ドープ及び基準用試料の両方の上に、例１のよ
うに最上部酸化物層（３５）を形成した。これによりボ
トム−ドープ試料上には３５ナノメータ（３５０オング
ストローム）厚の酸化物が、また基準用試料上には５８
５オングストローム厚が生成し、一方低濃度ドープ単結
晶シリコン表面上には２３．５ナノメータ（２５５オン
グストローム）が生成した。従って、基準試料に対する
ボトム−ドープの酸化物成長速度の比は、０．６０であ
った。２つの試料の降伏電界を例１のように決定した。
基準用試料の降伏電界は４．１ＭＶ／ｃｍ（上と同じ）
であったが、ボトム−ドープ試料の場合、それは５．６
ＭＶ／ｃｍであった。従って、本発明の技術により、降
伏電界は著しく増加した。
【００１６】ファウラー−ノルドハイム・トンネリング 最高品質の誘電体は、しばしば目標ではあるが、よく制
御された導電性をもつ薄い酸化物を必要とする用途もあ
る。ある種のＥＥＰＲＯＭの設計は、電荷を誘電的に分
離されたフローティングゲートから転送させるため、形
状的に強調したファウラー−ノルドハイム・トンネリン
グを起こさせる目的で、適切に構造をもたせたポリシリ
コン表面に依存する。ここでは不規則な表面の凹凸、ポ
リシリコンゲートの粒界又は規定された端部が、酸化中
強調され、放射用陰極を形成することができる。この効
果は粒径及び分布に起因する表面の曲率（凹及び凸の形
状）、個々の粒界の結晶方向及びドーパントの種類、濃
度及び分布による酸化物の成長速度の違いによる。具体
的なデバイスの要件に合わせるため、これらの放射表面
とそれらの酸化物の形状及び分布は、制御しなければな
らない。ポリシリコンの堆積、その後の酸化及び熱処理
の目的は、適切な形にした陰極及び必要なデバイス特性
が達成できる誘電体を実現することである。測定すべき
電気的パラメータには、トンネル電圧、トラップ・アッ
プ速度及び降伏電圧に加え、降伏までの電荷（ＱＢＤ）
がある。これらの測定は誘電体に定電流注入により、応
力を加えることにより行える。１０秒後に誘電体間に生
じる電圧は、トンネル電圧と定義され、一方トラップ−
アップ速度は同じ１０秒間で、時間を１０倍とした時に
生じる誘電体間の電圧の変化と定義される。次に注入電
流密度を１００倍に増加させ、降伏が始まるまでに誘電
体を通して注入される全電荷が計算される。
御された導電性をもつ薄い酸化物を必要とする用途もあ
る。ある種のＥＥＰＲＯＭの設計は、電荷を誘電的に分
離されたフローティングゲートから転送させるため、形
状的に強調したファウラー−ノルドハイム・トンネリン
グを起こさせる目的で、適切に構造をもたせたポリシリ
コン表面に依存する。ここでは不規則な表面の凹凸、ポ
リシリコンゲートの粒界又は規定された端部が、酸化中
強調され、放射用陰極を形成することができる。この効
果は粒径及び分布に起因する表面の曲率（凹及び凸の形
状）、個々の粒界の結晶方向及びドーパントの種類、濃
度及び分布による酸化物の成長速度の違いによる。具体
的なデバイスの要件に合わせるため、これらの放射表面
とそれらの酸化物の形状及び分布は、制御しなければな
らない。ポリシリコンの堆積、その後の酸化及び熱処理
の目的は、適切な形にした陰極及び必要なデバイス特性
が達成できる誘電体を実現することである。測定すべき
電気的パラメータには、トンネル電圧、トラップ・アッ
プ速度及び降伏電圧に加え、降伏までの電荷（ＱＢＤ）
がある。これらの測定は誘電体に定電流注入により、応
力を加えることにより行える。１０秒後に誘電体間に生
じる電圧は、トンネル電圧と定義され、一方トラップ−
アップ速度は同じ１０秒間で、時間を１０倍とした時に
生じる誘電体間の電圧の変化と定義される。次に注入電
流密度を１００倍に増加させ、降伏が始まるまでに誘電
体を通して注入される全電荷が計算される。
【００１７】トップ−ドープ構造（例１）のトンネル電
圧は１２．２Ｖ、基準試料のそれは１５.７Ｖ、トラッ
プ・アップ速度はトップ−ドープ構造では１.０６Ｖ／d
ecade、基準試料のそれは１．７１であった。これらの
試験では、より低い値が望ましく、従ってトップ−ドー
プ層構造では明かな利点が得られる。基準試料について
の充電−降伏測定は、０．１４クーロン／ｃｍ2で、ト
ップ−ドープ構造の場合は０．７９クーロン／ｃｍ2 で
あった。より低いトラップ・アップ及びより高いＱＢＤ
は、ＥＥＰＲＯＭに対して、より持続性のあることを示
している。ボトム−ドープ試料（例２）の場合、トンネ
ル電圧は１２．３Ｖで、トラップ・アップ速度は０.９
Ｖ／decade （上述の基準用試料と同じ）であった。基
準試料についての充電−降伏測定は０．１４クーロン／
ｃｍ2で、トップ−ドープ構造については０．４２クー
ロン／ｃｍ2 であった。トップ−ドープ試料と同様、ボ
トム−ドープ試料もＥＥＰＲＯＭ持続特性に関して優れ
た特性を示した。
圧は１２．２Ｖ、基準試料のそれは１５.７Ｖ、トラッ
プ・アップ速度はトップ−ドープ構造では１.０６Ｖ／d
ecade、基準試料のそれは１．７１であった。これらの
試験では、より低い値が望ましく、従ってトップ−ドー
プ層構造では明かな利点が得られる。基準試料について
の充電−降伏測定は、０．１４クーロン／ｃｍ2で、ト
ップ−ドープ構造の場合は０．７９クーロン／ｃｍ2 で
あった。より低いトラップ・アップ及びより高いＱＢＤ
は、ＥＥＰＲＯＭに対して、より持続性のあることを示
している。ボトム−ドープ試料（例２）の場合、トンネ
ル電圧は１２．３Ｖで、トラップ・アップ速度は０.９
Ｖ／decade （上述の基準用試料と同じ）であった。基
準試料についての充電−降伏測定は０．１４クーロン／
ｃｍ2で、トップ−ドープ構造については０．４２クー
ロン／ｃｍ2 であった。トップ−ドープ試料と同様、ボ
トム−ドープ試料もＥＥＰＲＯＭ持続特性に関して優れ
た特性を示した。
【００１８】本発明の技術により作られたポリシリコン
層の応力特性を、従来技術（及び単結晶シリコン）と比
較するため、Ｘ線回折測定を行った。Ｓｉ（２２０）及
びＳｉ（３１１）線のピークプロフィルを決定した。本
発明の層構造ポリシリコン薄膜は、（１１０）結晶面の
方向に歪んだ二重に折りたたんだポリシリコン微結晶を
生じ、粒径は３０パーセント減少した。このことは本発
明の構造は、通常の層より等方的な形状の結晶粒界を含
むことを示している。本発明の構造は、従来のポリシリ
コンと単結晶シリコンの中間の回折ピークをもつことも
わかった。従って、本発明の構造中の応力は、従来のポ
リシリコン中より著しく小さかった。本発明の層形成技
術により生じる応力は、その後に形成される誘電体層上
の局所的応力−解放（弱い点）を減らす。更に、応力を
含むことは、構造的に改善されたポリシリコン／誘電体
界面を生成する傾向をもつ。これは本発明の技術に従っ
て形成される多くの形の誘電体層に対し、他の構造と応
力に関連した有利な効果をもつ。
層の応力特性を、従来技術（及び単結晶シリコン）と比
較するため、Ｘ線回折測定を行った。Ｓｉ（２２０）及
びＳｉ（３１１）線のピークプロフィルを決定した。本
発明の層構造ポリシリコン薄膜は、（１１０）結晶面の
方向に歪んだ二重に折りたたんだポリシリコン微結晶を
生じ、粒径は３０パーセント減少した。このことは本発
明の構造は、通常の層より等方的な形状の結晶粒界を含
むことを示している。本発明の構造は、従来のポリシリ
コンと単結晶シリコンの中間の回折ピークをもつことも
わかった。従って、本発明の構造中の応力は、従来のポ
リシリコン中より著しく小さかった。本発明の層形成技
術により生じる応力は、その後に形成される誘電体層上
の局所的応力−解放（弱い点）を減らす。更に、応力を
含むことは、構造的に改善されたポリシリコン／誘電体
界面を生成する傾向をもつ。これは本発明の技術に従っ
て形成される多くの形の誘電体層に対し、他の構造と応
力に関連した有利な効果をもつ。
【００１９】本発明の堆積させたシリコンは、上では
“ポリシリコン”と述べたが、部分層のいくつか又はす
べては、アモルファスシリコンの形で堆積させてもよ
い。アモルファスシリコンの使用は、ポリシリコンに比
べ、比較的平滑な表面を生成するという別の周知の利点
を有する。しかし、堆積工程に続く通常のＩＣ生成工程
の一部である加熱工程は、シリコン粒界の核生成及び成
長を引き起こし、それによってアモルファスシリコンは
ポリシリコンに変わる。あるいは、又は加えて、堆積し
た層のいくつかは、他の層に比べ異なるシリコン粒径を
もつポリシリコンでもよい。たとえば、改善された誘電
体形成のために、より平滑な表面を得る目的で、最初に
堆積させる（下部）部分層に比べ、後に堆積させる（上
部）部分層は、粒界が小さく、粒径が大きなポリシリコ
ンを堆積させるのが望ましいことがある。当業者には周
知のように、シリコン粒径は一般に低い堆積温度で減少
し、堆積するシリコンは約５７０℃以下の堆積温度では
アモルファスになる。
“ポリシリコン”と述べたが、部分層のいくつか又はす
べては、アモルファスシリコンの形で堆積させてもよ
い。アモルファスシリコンの使用は、ポリシリコンに比
べ、比較的平滑な表面を生成するという別の周知の利点
を有する。しかし、堆積工程に続く通常のＩＣ生成工程
の一部である加熱工程は、シリコン粒界の核生成及び成
長を引き起こし、それによってアモルファスシリコンは
ポリシリコンに変わる。あるいは、又は加えて、堆積し
た層のいくつかは、他の層に比べ異なるシリコン粒径を
もつポリシリコンでもよい。たとえば、改善された誘電
体形成のために、より平滑な表面を得る目的で、最初に
堆積させる（下部）部分層に比べ、後に堆積させる（上
部）部分層は、粒界が小さく、粒径が大きなポリシリコ
ンを堆積させるのが望ましいことがある。当業者には周
知のように、シリコン粒径は一般に低い堆積温度で減少
し、堆積するシリコンは約５７０℃以下の堆積温度では
アモルファスになる。
【００２０】半導体（たとえばシリコン）は上の例の基
準試料中に、その場ドーピングしたが、同様の傾向は別
にリン−ドープした試料でも観測された。そのようなド
ーピングは当業者には周知の他の技術の中で、イオン注
入又はＰＢｒ3 を用いた気相拡散によって行なってもよ
い。更に、上の実施例は半導体としてシリコン、誘電体
として二酸化シリコンについてであったが、他の材料も
可能である。たとえば、シリコン窒化物又はシリコンオ
キシナイトライドを、各種シリコンプロセス中で誘電体
として用いてもよい。他の例では、ゲルマニウム又はＩ
ＩＩ−Ｖ材料を半導体として用いてもよく、ゲルマニウ
ム酸化物又はＩＩＩ−Ｖ酸化物（たとえばガリウム酸化
物又はインジウム酸化物）を誘電体として働かせてもよ
い。上述の利点は、これらの場合にも得られると期待さ
れるが、その程度は上で示した具体例の場合とは異なる
可能性がある。
準試料中に、その場ドーピングしたが、同様の傾向は別
にリン−ドープした試料でも観測された。そのようなド
ーピングは当業者には周知の他の技術の中で、イオン注
入又はＰＢｒ3 を用いた気相拡散によって行なってもよ
い。更に、上の実施例は半導体としてシリコン、誘電体
として二酸化シリコンについてであったが、他の材料も
可能である。たとえば、シリコン窒化物又はシリコンオ
キシナイトライドを、各種シリコンプロセス中で誘電体
として用いてもよい。他の例では、ゲルマニウム又はＩ
ＩＩ−Ｖ材料を半導体として用いてもよく、ゲルマニウ
ム酸化物又はＩＩＩ−Ｖ酸化物（たとえばガリウム酸化
物又はインジウム酸化物）を誘電体として働かせてもよ
い。上述の利点は、これらの場合にも得られると期待さ
れるが、その程度は上で示した具体例の場合とは異なる
可能性がある。
【図１】 堆積させた半導体層とともに形成された従来
技術の容量を示す図、
技術の容量を示す図、
【図２】 時間の関数として、ポリシリコン堆積速度の
周期的変化の一例を示す図、
周期的変化の一例を示す図、
【図３】 堆積させた半導体部分層及びその上の誘電体
層を示す図、
層を示す図、
【図４】 例１についてポリシリコン堆積速度の変化を
示す図。
示す図。
１０１ 基 板 １０２ 誘電体層 １０３ ポリシリコン １０４ 容量誘電体 １０５ 導電体層 ３０ 誘電体層、層 ３１，３２，３３，３４ ポリシリコン部分層、部分
層、層 ３５ 誘電体層、酸化物層、誘電
体 ３６，３７，３８ 線
層、層 ３５ 誘電体層、酸化物層、誘電
体 ３６，３７，３８ 線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョセフ ルドルフ ラドスヴィッチ アメリカ合衆国 18017 ペンシルヴァニ ア，ベスレヘム，タウンシップ ライン ロード 3681 (72)発明者 プラディップ クマー ロイ アメリカ合衆国 18103 ペンシルヴァニ ア，アレンタウン，リヴァーベンド ロー ド 2102
Claims (13)
- 【請求項１】 堆積用ガスから半導体を堆積させる工程
及び前記半導体層の露出した表面上に誘電体（３５）を
形成させる工程を含む半導体デバイスの作製方法におい
て、 半導体層（３１、３２、３３、３４）を堆積させる前記
工程は、半導体の堆積速度を変えることにより達成さ
れ、前記変化は堆積用ガスの分圧及び流量から成るグル
ープから選択された少なくとも１つの要因を変えること
により実現されることを特徴とする方法。 - 【請求項２】 前記堆積中に前記半導体層にドーパント
を含める工程が含まれ、少なくとも１つの部分層中の前
記ドーパントの濃度は、少なくとも１つの他の部分層に
比べ変化させる請求項１記載の方法。 - 【請求項３】 前記半導体層はシリコンである請求項１
記載の方法。 - 【請求項４】 前記誘電体（３５）は二酸化シリコンで
ある請求項３記載の方法。 - 【請求項５】 前記形成は単結晶シリコン上への酸化物
形成と同時に行われる請求項１記載の方法。 - 【請求項６】 単結晶シリコン上に形成される酸化物は
ゲート酸化物である請求項５記載の方法。 - 【請求項７】 最上部部分層（３４）は下の部分層より
低濃度にドープされる請求項１記載の方法。 - 【請求項８】 底部部分層（３１）は上の部分層より低
濃度にドープされる請求項１記載の方法。 - 【請求項９】 前記堆積中、半導体の温度を変化させる
ことを含む請求項１記載の方法。 - 【請求項１０】 少なくとも４つの部分層（３１、３
２、３３、３４）を堆積させる請求項１記載の方法。 - 【請求項１１】 シリコンを含む反応ガスの堆積によ
り、シリコン層を堆積させる工程及び前記シリコン層の
露出した表面上に誘電体（３５）を形成する工程を含む
半導体デバイスの作製方法において、 シリコン層の前記堆積工程は、シリコンの堆積速度を変
化させることにより実現され、前記変化はシリコンを含
む反応ガスの分圧及びシリコンを含む反応ガスの流量か
ら成るグループから選択された少なくとも１つの要因を
変化させることによって達成され、それによって前記半
導体の部分層（３１、３２、３３、３４）が形成され、 前記堆積中、前記シリコン層にドーパントを含める工程
が更に含まれ、少なくとも１つの部分層中の前記ドーパ
ントの濃度は、少なくとも１つの他の部分層に比べ変化
させることを特徴とする方法。 - 【請求項１２】 前記誘電体は二酸化シリコンである請
求項１１記載の方法。 - 【請求項１３】 前記ドーパントはリンである請求項１
１記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US74976591A | 1991-08-26 | 1991-08-26 | |
| US749765 | 1991-08-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05206473A true JPH05206473A (ja) | 1993-08-13 |
Family
ID=25015095
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4224489A Pending JPH05206473A (ja) | 1991-08-26 | 1992-08-25 | 堆積させた半導体上に形成した改善された誘電体 |
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|---|---|
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| EP (1) | EP0529951A3 (ja) |
| JP (1) | JPH05206473A (ja) |
| KR (1) | KR970009976B1 (ja) |
| SG (1) | SG49595A1 (ja) |
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- 1992-08-20 SG SG1996000562A patent/SG49595A1/en unknown
- 1992-08-20 EP EP19920307621 patent/EP0529951A3/en not_active Withdrawn
- 1992-08-25 JP JP4224489A patent/JPH05206473A/ja active Pending
-
1993
- 1993-06-16 US US08/076,949 patent/US5298436A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
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| SG49595A1 (en) | 1998-06-15 |
| KR930005134A (ko) | 1993-03-23 |
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| US5298436A (en) | 1994-03-29 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020624 |