JPS62166528A

JPS62166528A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPS62166528A
Application number: JP970386A
Authority: JP
Inventors: Manabu Henmi; 逸見　学; Kenji Kishi; 健志岸; Ban Nakajima; 中島　蕃
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-01-20
Filing date: 1986-01-20
Publication date: 1987-07-23

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】発明の属する技術分野本発明は、非晶質シリコンあるいは多結晶シリコン上の
絶縁膜のピンホール密度を低減し、その絶縁膜の絶縁耐
圧“を向上させる方法に関するものである。

従来の技術非晶質シリコンあるいは多結晶シリコン上の絶縁膜につ
いては、実用的な観点から数多くの報告がある。まず、
通常の熱酸化法にて形成した酸化シリコン膜の絶縁耐圧
向上方法について述べる。

品出等は、多結晶シリコンの酸化前熱処理が、酸化シリ
コン膜の耐圧向上に有効であることを指摘し、その熱処
理温度として、１１００℃を推奨した。

Ａｎｄｅｒａｏｎ等は、多結晶シリコンの酸化温度とし
て、高温が望ましいことを論じ、１１５０℃の酸化条件
を推奨した。　また、Ｂｒｏｗｎ等は、多結晶シリコン
の酸化直後の熱処理が有効であることを指摘した。　一
方、ＭＯｒｉ等は、こうした熱酸化法による酸化シリコ
ンだけでは歩留まりが低いとして、酸化シリコン膜、窒
化シリコン膜、酸化シリコン膜の３層構造を提案し、こ
の構造の絶縁耐圧のヒストグラムが優れていることを報
告した。。

１）品出等、第３２回応用物理学関係連合講演会。

予稿集（１９８５）　Ｐ、５０６り　　Ｒ，Ｍ、Ａｎｄｅｒｓｏｎ　ｅｔ　ａｌ：　Ｊ、
Ａｐｐｌ、　Ｐｈｙｓ、　４８＋１１（１９７７）Ｐ、
４８３４！ｌ）　　Ｄ、に、Ｂｒｏｗｎ　　ｅｔ　　ａｔ　　：
　　Ｊ、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、Ｓｏｃ。

１’３０．７（１９８３）Ｐ、１５９７゜４）　　Ｓ、
Ｍｏｒｉ　　ｅｔ　　ａｌ　　：　　１９８５　　Ｓｙ
ｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　ＶＬＳＩＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
　Ｐ、１６゜しかしながら、実験の結果、上記の報告例は、必ずしも
有効でないことがわかった。まず、多結晶シリコンの酸
化前熱処理であるが、９００℃。

１０００℃、　１１００℃の３条件を調べた結果、熱処
理温度の上昇とともに酸化シリコン膜の絶縁耐圧が低下
した。次に、多結晶シリコンの酸化温度については、８
００℃、９００℃、　１０００℃　の３条件を調べた結
果、酸化温度の上昇とともに絶縁耐圧が向上したが、そ
の差は僅かであった。１１００℃以上の熱処理。

あるいは熱酸量化は、あらかじめ形成した拡散層（ソー
ス、トレイン、ｎ−ウェル、ｐ−ウェル等）。

チャネルドープ層、チャネルストップ層などの再拡散を
促すという不都合を生じること、また、放射線耐性の観
点からも、１１００℃以上の熱処理、熱酸化は望ましく
ない。次に、多結晶シリコンの酸化直後の熱処理である
が、９００℃、　１０００℃、　１１００℃の３条件に
ついて調べた結果、高温はど絶縁耐圧が向上したものの
、その差は僅かであった。このように、我々の試料を用
いた実験では、従来報告された方法は必ずしも有効では
なかった。

発明の目的本発明の目的は、多結晶シリコン上の絶縁膜のピンホー
ル密度を低減し、絶縁耐圧を向上させる方法を提供する
ことにある。

発明の構成及び実施例本発明は、多結晶シリコン上の絶縁膜を通してイオン打
ち込みを行うことを最も主要な特徴とする。我々の試料
の製作条件を表１に示す。まず、多結晶シリコンを形成
し、次いで、リンのイオン打ち込みと酸化前熱処理を行
うことによって、多結晶シリコンをｎ型化する。多結晶
シリコンの酸化は９００℃にて行い、酸化シリコン膜の
膜厚は１７０又であった。次いで、一部の試料について
、その酸化シリコン膜を通してリンのイオン打ち込みを
行った。次いで、１０００℃おるいは１１００℃にて熱
処理を行った。比較のために、リンのイオン打ち込みを
行わない試料についても、１０００℃あるいは１１００
℃にて熱処理を行った。　次いで、上位電極としてモリ
ブデンを形成し、酸化シリコン膜の絶縁耐圧を測定した
。ゲート電流が１．０　Ｘ　１０””Ａのときの印加電
圧を絶縁耐圧と定義する。上位電極の面積は、２５００
００　ｐｍ”　（＝　５００　ｐｍ”　）であり、サン
プル数はそれぞれ犯例である。第１図（ａ）に示すよう
に、酸化後にリンイオン打ち込み及び熱処理をしなかっ
た試料の絶縁耐圧はゼロ（Ｖ）であることがわかる。第
１図（ｂ）　、　（ｅ）に示すように、酸化後のリンの
イオン打ち込みはせずに単に酸化後の熱処理を行うだけ
では、絶縁耐圧はほとんど改善されないことがわかる。

一方、熱酸化後に、リンのイオン打ち込み（ドーズ量は
３．９　Ｘ　１０１１０ｌ５”　）と熱処理を行った試
料については、第１図（ｄ）　、　（ｅ）に示すように
、明らかに絶縁耐圧が向上していることがわかる。

第１図（ｂ）と第１図（ｄ）あるいは、第１図Ｃｃ）と
第１図（ｅ）を比較すると、この雑録耐圧向上は、イオ
ン打ち込みによるものと推論できる。さらにこの絶縁耐
圧向上のメカニズムとしては、酸化シリコン膜中のウィ
ークスポットとして作用するある構造が、打ち込まれた
イオンの衝撃によって破壊され、その結果、ウィークス
ポットが解消されたものと解釈される。なお、リンのイ
オン打ち込みによシリン濃度の増加が、この絶縁耐圧向
上にどの程度の寄与を与えているか調べるため、酸化膜
形成前にリンのイオン打ち込み（打ち込み量１．３　Ｘ
　１０１１０ｌ５”〜６．５　ＸＩＯ１５ａｍ−２）　
　を行った試料ｋｆｉ作した。検討の結果、上記の範囲
では、多結果シリコン中のリン濃度は、絶縁耐圧にほと
んど影響を及ぼしていないことがわかった。従って、上
記の絶縁耐圧の向上は、イオン打ち込みの効果と云って
よい。絶縁耐圧向上に効果のある打ち込み量は、４　Ｘ
　１０１４ｃｍ−２〜４Ｘ１０ｃｍ　　の範囲である。

ここで、多結晶シリコンの形状の影響について述べる。

第２図（ａ）は、平坦な形状を示す断面構造図である。

１はシ・リコン基板、２は酸化シリコン膜、３は多結晶
シリコン、４は酸化シリコン膜である。

この構造に、イオン打ち込み（Ｉ／Ｉ）　ｔ−行うと酸
化シリコン膜４の絶縁耐圧が向上することは前に−述べ
た。第２図（ｂ）は、多結晶シリコン３の一部に段差が
ある場合を示す。酸化シリコン膜４も、多結晶シリコン
３の表面形状に従って形成されるため、角部分では平坦
でなくなる。しかし、イオン打ち込みの効果は、酸化シ
リコン膜４をイオンが通過することにより生じるため、
第２図（ｂ）の場合でも、酸化シリコン膜４の絶縁耐圧
は向上する。

次に、第２図（ｅ）に示すように、溝の中に多結晶シリ
コン３が埋め込まれている場合を考えよう。この場合、
側壁はほぼ垂直に切り立っていることが多く、酸化シリ
コン膜４も、その表面形状を受は継いでほぼ垂直になる
。この場合、側壁に形成された酸化シリコン膜４の一部
は、イオン打ち込みによるイオンが通過しないことがあ
るため、何らかの工夫が必要となる。−例として、シリ
コンウェハに対して、角度を次々に変えてイオン打ち込
みを行い、側壁部の酸化シリコン膜４に、まんべんなく
イオンを打ち込む。

次に、実際の半導体集積回路の製造工程に本発明を応用
した例を説明する。第３図は、１つのＭＯ８型トランジ
スタと、１つのＭＯ８型キャパシタから成る半導体記憶
回路の製造工程を示す断面構蚕′図である。第３図（ａ
）において、１はｐ−型シリコン基板内２は酸化シリコ
ン膜、３はｎ１多結晶シリコン、５はゲート電極として
作用するｎ生型多結晶シリコン、５′はワードラインと
して作用するｎ生型多結晶シリコン、６はソース、ドレ
インとして作用するｎ生鉱散層である。通常の熱酸化法
にて多結晶シリコン３０表面を酸化すると第３図（ｂ）
の構造を得る。４は酸化シリコン膜である。次いで、ウ
ェハ全面にリンのイオン打ち込み（Ｉ；／Ｉ　）ｗ行う
。

（第３図（ｃ）を参照）　次いで、熱処理を施した後、
多結晶シリコン７を形成すると第３図（ｄ）の構造を得
る。ここで、多結晶シリコン３．酸化シリコン膜４．多
結晶シリコン７の３層構造が、ＭＯＳキャパシタとして
作用する。イオン打ち込みの効果により、このＭＯＳキ
ャパシタの絶縁耐圧が向上する。

第４図も、１つのＭＯ８型トランジスタと、１つのＭＯ
８型キャパシタから成る半導体記憶回路の製造工程を示
す断面構造図である。第３図の構造がキャパシタをゲー
ト領域や配線領域の直上に設けているのに対し、第４図
の構造では、キャパシタがシリコン基板内に形成された
溝の中に設けられる。第４図（ａ）において、１はｐ型
シリコン基板、２は酸化シリコン膜、２′は酸化シリコ
ン膜、３はｎ生型多結晶シリコン、５はゲート電極とし
て作用するｎ生型多結晶シリコン、６はソース、ドレイ
ンとして作用するｎ生鉱散層である。次いで、通常の熱
酸化法にて多結晶シリコン３の表面を酸化すると第４図
（ｂ）の構造を得る。次いで、イオンの打ち込み角度を
変えなからウェハ全面にリンのイオン打ち込みを行う。

（第４図（ｅ）ｔ−参照）　次いで、熱処理を施した後
、多結晶シリコン７を形成すると第４図（ｄ）の構造を
得る。ここで、多結晶シリコン３．酸化シリコン膜４．
多結晶シリコンの３層構造が、ＭＯＳキャパシタとして
作用する。イオン打ち込みの効果により、このＭＯＳキ
ャパシタの絶縁耐圧が向上する。

以上の説明において、イオン打ち込みのイオン種をリン
としたが、他のイオン種、例えば、ひ素。

はう素、けい素、プロトン、アルゴン、でもよいことは
云うまでもない。また多結晶シリコン上の絶縁膜を熱酸
化法により形成した酸化シリコン膜としたが、他の絶縁
物、例えば、熱窒化法により′形成した窒化シリコン膜
、ＣＶＤ法による酸化シリコン膜、ＣＶＤ法による窒化
シリコン膜、ＣＶＤ法による窒化シリコン膜、ＣＶＤ法
による窒化シリコン膜の表面を熱酸化した酸化シリコン
膜／窒化シ析フン膜の二層膜、あるいは、これらの絶縁
膜を適当に組み合わせた多層膜、でもよいことは勿論で
ある。また、多結晶シリコンの導電型全ｎ型としたがｐ
型でもよいことは云うまでもない。さらに、多結晶シリ
コンの代わりに非晶質シリコンでもよいことは勿論であ
る。

発明の詳細な説明したように、本発明は、多結晶シリコンあるいは
非晶質シリコン上の絶縁膜の絶縁耐圧が向上するという
利点がある。これは、絶縁膜のリーク電流が低減する、
あるいは、絶縁膜の欠陥密度が減少する利点があると云
い換えてもよい。

この技術をダイナミック型ＭＯ８ＲＡＭに応用すると、
第３図、第４図に示すように、電荷蓄積用のキャパシタ
の絶縁耐圧が向上する（リーク電流が減少する）ために
、素子製造の歩留ｔ、ｂが向上するという利点がある。

また絶縁膜のリーク電流が減少することは、長期信頼性
の向上を意味し、この点でも有利である。また。本発明
を縦積み０ＭＯ８構造に応用すると、ゲート電極（多結
晶シリコン）の上に形成されたゲート絶縁膜の絶縁耐圧
向上にも寄与できる。これらを含め、本発明は、ＳＯ工
構造や３次元構造の歩留シ向上に有用である。

表１　試料の製作条件（表中、Ｏは実施したもの、−は実施しなかったものを
示す。）

【図面の簡単な説明】

第１図は、絶縁耐圧のヒストグラムを示し、先行技術に
よる方法と本発明による方法とを対比して特性を示す。第２図は、イオン打ち込みの効果に及ぼす多結晶シリコ
ンの形状の影響、第３図は、本発明を、実際の半導体集積回路の製造工程
に応用した場合の工程を示す断面構造図である。第４図も、本発明を、実際の半導体集積回路の製造工程
に応用した場合の工程を示す断面構造図である。１・・・ｐ型シリコン基板２．２′・・・酸化シリコン膜３・・・ｎ生型多結晶シリコン４・・・熱酸化法により形成した酸化シリコン膜５・・
・ゲート電極として作用するｎ生型多結晶シリコン５′・・・ワードラインとして作用するｎ生型多結晶シ
リコン６・・・ソース、ドレインとして作用するｎ＋拡散層７
・・・ＣＶＤ法によシ形成したｎ生型多結晶シリコン特
許出願人　日本電信電話株式会社代理人弁理士　玉　蟲　久　五　部　（外２名）ＪＪＪ
ＩＩ“ 多結晶シリコンの形状の影響第　２　図！ＪＪＩＩＪＪ！ＪＪＪ／１第　３　因

Claims

【特許請求の範囲】

（１）非晶質シリコンあるいは多結晶シリコンを形成す
る工程と、そのシリコン上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜を通してイオン打ち込みする工程と、前記絶
縁膜上に導電層を形成する工程と、を具えることを特徴
とする半導体装置の製造方法。