JPS6329954A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPS6329954A
JPS6329954A JP17188686A JP17188686A JPS6329954A JP S6329954 A JPS6329954 A JP S6329954A JP 17188686 A JP17188686 A JP 17188686A JP 17188686 A JP17188686 A JP 17188686A JP S6329954 A JPS6329954 A JP S6329954A
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見方 裕一
Katsunori Ishihara
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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EPR
OM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のフィ
ールド酸化膜に囲まれた島状の素子領域表面に、厚さ5
00人の第1の熱酸化膜2を形成する。
次にその上に厚さ100OX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+0
00℃において熱酸化を行い、厚さ500人の第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13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ゲート酸化膜14、
フローティングゲート13及び第1ゲート酸化MtA1
2を形成する。 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、熱処理を行ってN+型ドレイン
領116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
ッシベーション膜(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−3i膜を堆積した後、パターニングし
てドレイン電ff120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wt16とコントロールゲート15とに正の高電圧を
加えてフローティングゲート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ってフローティングゲート
に蓄積される必要がある。 しかしながら何らかの偶発
的な原因によって正の高電圧がコントロールゲートに印
加されると、フローティ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14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っても、EPROMに
とっ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) 一般にキャパシタ用電極あるいは居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、電荷蓄積キャパシタの一
方の電極であるフローティングゲート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。 即ちフローティング
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、その粒径も数百スと大きい
従って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、フローティング
ゲートと第2ゲート酸化膜との界面に凹凸(3urfa
ce  asperity)が生じ、あるいは結晶粒界
面に不純物原子のトラップが発生する。 フローティン
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ップ等に
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100X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T
OOX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8!1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。
[発明の構成コ (問題点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に反応温度400
℃ないし600℃でアモルファスシリコン膜(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、アモルファス
シリコン膜上に多結晶シリコン膜を形成する第1のFA
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6
00℃でシリコンを付着させると、結晶化は殆ど進まず
アモルファス状のシリコン膜が形成される。 アモルフ
ァスシリコン膜の膜厚は少なくとも30X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。 即ちアモルファ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っても粒径が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、アモルファスシリコン表面に!3【ノる3i
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。
粒径の小ざ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
物トラッ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図に示すキャパシタの製造方
法について述べる。
まずシリコン基板51の表面に厚さ500人の第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(S;+4.
>を熱分解し、アモルファス(非晶質)状のシリコンを
絶縁膜52上に少なくとも30人厚堆積する。 反応温
度600℃以下では絶縁膜52に吸着された3i原子の
結晶化は殆ど進行せずアモルファスシリコン膜53が形
成される。 絶縁膜52の表面は−様な面密度のアモル
ファスシリコンで被覆される必要があり、他方堆積速度
が小ざいので必要以上に厚い膜を形成すると時間がかか
りすぎるので少なくとも30X厚程度とすることが望ま
しい。
次に前記アモルファ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、アモルファスシリコ
ンpA53の上に多結晶シリコン膜54を厚さ約100
0久積層するく便宜上この工程を第1のgI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。 アモルファ
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、アモルファ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100人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
アモルファスシリコン膜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の積層膜はキャパシタの
一方の電極を形成する。
次に第1の多結晶シリコン′pA54にリンを熱拡散に
よりドープしその低抗を下げる。 結晶粒径も小さくリ
ンは均一に拡散され粒界面での1−ラップも殆どない。
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soo、tの第2の熱酸化膜55を形
成する(便宜上第2の積層工程という)。
熱酸化膜55はこのキャパシタの誘電体層となる。
次に熱酸化膜55の上に厚さ3500人、面抵抗20Ω
の他の一方のキャパシタ電極となる第2の多結晶シリコ
ン膜56を耳I積する。 次に写真蝕剣法により&!i
層膜をエツチングして第1図に示すキャパシタを製作す
る。
本発明による前記製造方法により製作したキャパシタと
従来の製造方法により1作したキャ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。
O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5
5〉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のキャパシタ
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ァスシリコン膜
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100Å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
でのトラッ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(3urfa
ce  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
するキャパシタの断面図、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EPR
OM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ャ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・・・アモルファスシ
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)。 特許出願人 株式会社 東  芝 (ほか1名) 第1図 第 2図 第3図

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℃でアモルファスシリコン膜を形成する工程と
    、このアモルファスシリコン膜形成工程に連続してアモ
    ルファ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 アモルファ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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