JPH01266743A - シリコン導電体及びその製造方法 - Google Patents

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〕 本発明は、シリコン導電体に関し、特に、半導体装置の
ゲート電極等に用いられるシリコン導電体及び該シリコ
ン導電体の製造方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、半導体装置のゲート電極として用いられているシ
リコン導電体は、一般に気相拡散法又はイオン注入法に
より高濃度に燐が添加された多結晶シリコン膜からなる
。

半導体装置のゲート電極用のシリコン膜の一般的な形成
法としては、 （１）シラン（ＳｉＨ，）ガスを主反応ガスとする減圧
気相成長法により不純物を添加しない多結晶シリコン膜
を形成したのち、ＰＯＣＬ、ガス雰囲気中で熱処理し、
多結晶シリコン中に燐を拡散させる方法（気相拡散法）
、 （２）前記（１）と同様に多結晶シリコン膜を形成した
後、燐イオンをシリコン１漠中に注入する方法（イオン
注入法）、 （３）シラン（ＳｉＨ４）ガスとフォスフイン（ｐＨ３
）ガスを反応ガスとして膜形成中に燐を添加する方法の
３種類がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の多結晶シリコン膜は、膜形成直後
から、多結晶質であるため、プラズマエツチング法によ
るシリコン膜のエツチング時に第９図に示すようなサイ
ドエツチングが生じやすいという問題があった。なお、
第９図において、１はレジスト、２は多結晶シリコン（
燐濃度は１×１０２１■−３）である。

また、多結晶シリコン膜の熱酸化膜を半導体装置のゲー
ト膜として用いた場合、第１０図に示すように、燐濃度
が高濃度になればゲート耐圧が低下するという問題があ
った。

また、前記（１）の多結晶シリコン膜の製造方法では、
９００　’Ｃ〜１０００℃程度の温度で熱処理する必要
があるため、ゲート電極形成工程の低温化が図れないこ
と及び膜が多結晶質であること等の問題があった。

また、前記（２）の多結晶シリコン膜の製造方法では、
膜中の燐濃度分布を均一にすること及び注入した燐を活
性化するために９ｏｏ℃〜１０００℃程度の熱処理が必
要でありゲート電極形成工程の低温化が図れないこと、
さらにゲート酸化膜中への不純物の拡散が半導体装置の
信頼性に悪影ヲを及ぼす等の問題があった。

また、前記（３）の製造方法では、均一な厚さの膜を形
成することが困雛であること、形成した膜は多結晶質で
あること、膜形成に要する時間が長いこと等の問題があ
った。

また、低温で非晶質膜を形成する方法としてプラズマＣ
ＶＤ　（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｕｒ　Ｄｅｐｏｓ
ｉｔｉｏｎ）法があるが、プラズマ衝撃により、素子特
性の劣化や絶縁膜破壊が生じるという問題があった。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたもので
ある。

本発明の目的は、その熱酸化膜のゲート耐圧が高いシリ
コン導電体を提供することにある。

本発明の他の目的は、半導体装置のゲート？ｉ［等に使
用されるシリコン導電体の製造において、プラズマエツ
チング法での加工特性に優れ、かつその熱酸化膜のゲー
ト耐圧が高いシリコン導電体を６００℃以下の温度で製
造する方法を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の課題と新規な特徴は、本
明細書の記述及び添付図面によって明らかになるであろ
う。

〔課厘を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、本発明のシリコン導電体は、
導電性を与える不純物を含有する非晶質シリコン薄膜が
熱処理されて得られた多結晶シリコンからなることを主
な特徴とするものである。

また、本発明のシリコン導電体の製造方法は、シリコン
の水素化物（ＳｉｎＨ２□２、ｎ≧２）と３属又は５属
の水素化物との混合ガスを原料ガスとし、堆積温度が４
００〜６００℃の範囲で基板上に非晶質シリコンを堆積
する工程を含むことを主な特徴とするものである。

〔作用〕

前記手段によれば、本発明のシリコン導電体は、導電性
を与える不純物を含有する非晶質シリコン薄膜を熱処理
して得られた多結晶シリコンからなっているため、従来
の半導体集積回路に用いられているシリコン導電体に比
べて、シリコン導電体を酸化して得られる酸化膜の耐圧
を高くすることができる。

また、本発明のシリコン導電体の製造方法は、シリコン
の水素化物（Ｓ　ｌ　ｎＨ２ｎ＋ｚ、ｎ≧２）と３属ま
たは５属の水素化物との混合ガスを原料ガスとし、堆積
温度が４００〜６００℃の範囲でシリコン膜を堆積させ
るので、プラズマエツチング法での加工特性に優れ、か
つ熱酸化膜のゲート耐圧が高いシリコン導電体を６００
”Ｃ以下の熱処理温度で製造することができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を用いて具体的に説明す
る。

なお、実施例を説明するための企図において。

同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返し
の説明は省略する。

第１図は、本発明の一実施例のシリコン導電体の２次イ
オン分析法による膜中の不純物分布を示す不純物分布特
性曲線である。

本発明の一実施例のシリコン導電体は、導電性を与える
不純物を含有する非晶質シリコン薄膜を熱処理して得ら
れた多結晶シリコンからなっている。前記導電性を与え
る不純物としては１例えば燐（Ｐ）を用いる。その燐濃
度（不純物濃度）は約Ｉ　Ｘ　１０”（！１１−’であ
り、膜中の不純物濃度分布は均一である。

前記本実施例の多結晶シリコンからなるシリコン薄膜の
膜質は、電子回折法により、その回折像のパターンがハ
ローであり、多結晶シリコン薄膜は、熱処理前の状態が
非晶質であることが確認された。

次に、前記本実施例の多結晶シリコンからなるシリコン
薄膜（導電体）の熱酸化膜を、ＭＯＳダイオードのゲー
ト膜として適用した例について説明する。

第２図は、本実施例のシリコン導電体の熱酸化膜を、Ｍ
ＯＳダイオードのゲート膜として適用した例の概略構成
を示す要部断面図であり、１１はシリコン基板、１２は
Ｓｉｎ、等の酸化膜、１３は本実施例のシリコン導電体
、１４は本実施例のシリコン導電体１３の熱酸化膜（ゲ
ート膜）、１５はメタル又はシリコン導電体である。前
記熱酸化膜（ゲート膜）１４の膜厚は、１００人程度で
ある。

本実施例のＭＯＳダイオードの熱酸化膜（ゲート膜）１
４の耐圧は、第３図に示すように、はとんど低下しなか
った。この理由は酸化膜形成前の本実施例のシリコン導
電体１３が非晶質であることに起因する。

以上の説明からねるように、本実施例のシリコン導電体
１３によれば、従来の半心体朶積回路に用いられている
シリコン導電体に比べて、シリコン導電体１３を熱酸化
して得られる熱酸化膜（ゲー１−）１４の耐圧を高くす
ることができるとともに、不純物の注入を多くしても絶
縁耐圧を低下させない。

次に、本発明のシリコン導電体の膜の製造方法の一実施
例について説明する。

第４図は、本発明のシリコン導電体（薄膜）の製造方法
を実施するための反応装置の一実施例の概略構成を説明
するための説明図である。

本実施例の反応装置は、第４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
、２１は反応管、２２は電気炉、２３は排気システム、
２４はジシラン（ＳｘｚＨＷガスボンベ、２５はフォス
フイン（ＰＨ３）ガスボンベ、２６はキャリアガスボン
ベ、２７は石英ボート、２８はシリコンウェハである。

第４図において、温度が４００℃〜６００’Ｃの反応管
２１に石英ボート２７上に敷地したシリコンウェハ２８
を挿入し、反応管２１内を排気する。反応管２１の温度
が安定したらジシラン（ＳｘｚＨｓ）ガスボンベ２４及
びフォスフイン（ＰＨ３）ガスボンベ２５からジシラン
ガスとフォスフインガスを所望の時間反応管２１に導入
し、シリコンウェハ２８上に燐を含んだシリコン導電体
１３の膜を形成する。

前記シリコン導電体１３の膜の堆積速度及びシリコン導
電体１３の膜中の燐濃度とジシラン分圧の関係を第５図
に示す。

前記シリコン導電体１３の膜堆積速度は、ジシラン分圧
にほぼ比例して増加し、燐濃度はジシラン分圧の約２／
３乗に反比例する。熱処理する前のシリコン導電体１３
の膜の結晶性を非晶質にするためには、後で述べるよう
に、膜堆積温度を約６００℃以下にする必要があるが、
第５図に示すように、低温でも実用的な膜堆積速度が得
られる。

前記フォスフイン分圧とシリコン導電体１３の膜中の燐
濃度の関係を第６図に示す。第６図において、シリコン
導電体１３の膜中の燐濃度は、フォスフイン分圧に比例
し、濃度制御が容易であることが第６図かられかる。

第７図に本実施例の非晶質シリコンを熱処理した後、Ｘ
線回折法により測定した回折強度を示す。

熱処理時間は３０分である。

第７図かられかるように、不純物を含まないシリコン導
電体の膜では６５０℃程度の温度で多結晶化するが、高
濃度に不純物を含んだシリコン導電体の膜では５７５℃
〜６００℃で多結晶化する。

従って、シリコン導電体１３の膜を堆積する温度は約６
００℃以下が適当である。

また、シリコンの水素化物として、ジシランより低温で
膜形成が可能なトリシラン（３１１１Ｈ２１１＋Ｚ。

ｎ〉２）等を用いてもよい。この場合には堆積速度が速
いので膜形成時間が短縮できる。

第８図は、本実施例によるシリコン導電体１３の薄膜を
プラズマエツチング法等のドライエツチング法により加
工した場合の加工特性を示す電子顕微鏡写真に基づいた
特性図である。

本実施例によるシリコン導電体１３の膜をドライエツチ
ング法により加工した場合、第８図に示すように、第９
図に示すような従来の多結晶シリコンの場合と異なり、
サイドエツチングは見られなかった。この理由は、熱処
理する前のシリコン導電体１３の膜が非晶質であるため
、薄膜中の燐が活性化していないためである。なお、第
８図において、３１はレジスト、３２は本実施例により
作成されたシリコン導電体（多結晶シリコン）である。

以上の説明かられかるように、本実施例のシリコン導電
体１３の膜製造方法によれば、導電性が与えられる不純
物を高濃度に含んだシリコン導電体１３の膜であるが、
堆積直後の膜の結晶性が非晶質であるため、膜のドライ
エツチング法による加工特性に優れている。また、シリ
コンのジシラン等の水素化物（ＳＬ、Ｈ２Ｏ，２、ｎ≧
２）とフォスフイン等の３ａ又は５ｍの水素化物との混
合ガスを原料ガスとし、堆積温度を４００℃〜６００℃
の範囲でシリコン膜を堆積させるので、その熱酸化膜の
ゲート耐圧が高いシリコン導電体を６００℃以下の温度
（膜の堆積温度）で製造することができる。

前記堆積温度が４００℃〜６００℃の範囲としたのは、
使用する原料ガスによって堆積温度が異なるためである
。

以上、本発明を実施例にもとづき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、その熱酸化膜
のゲート耐圧が高いシリコン導電体を提供することがで
きる。

また、プラズマエツチング法での加工特性に優れ、かつ
その熱酸化膜のゲート耐圧が高いシリコン導電体を６０
０℃以下の温度で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例のシリコン導電体の２次イ
オン分析法による膜中の不純物分布を示す不純物分布特
性曲線図、 第２図は、本実施例のシリコン導電体の熱酸化膜を、Ｍ
ＯＳダイオードのゲート膜として適用した例の概略構成
を示す要部断面図、 第３図は、本実施例のシリコン導電体の熱酸化膜を用い
たＭＯＳダイオードのゲート耐圧を示すデータ、 第４図は、本発明のシリコン導電体の膜の製造方法を実
施するための反応装置の一実施例の概略構成を説明する
ための説明図。 第５図は、本発明のシリコン導電体の製造方法の一実施
例におけるシリコン導電体の膜の堆積速度及びシリコン
導電体１３の膜中の燐濃度とジシラン分圧の関係を示す
図、 第６図は、本実施例のシリコン導電体の膜中の燐濃度と
フォスフインガス分圧の関係を示すデータ、 第７図は、本実施例の非晶質シリコン熱処理した後、Ｘ
線回折法により測定した回折強度を示すデータ、 第８図は、本実施例によるシリコン導電体の膜をドライ
エツチング法により加工した場合の加工特性を示す電子
顕微鏡写真に基づいた特性図、第９図は、プラズマエツ
チング法により従来の多結晶シリコン膜を加工したとき
の膜の断面形状を示す図。 第１０図は、従来の多結晶シリコン膜の熱酸化膜を半導
体装置のゲート電極のゲート膜に用いた場合の絶縁耐圧
を示すデータである。 図中、１・・・レジスト、２・・・多結晶シリコン、１
１・・・シリコン基板、１２・・・酸化膜、１３・・・
シリコン導電体、１４・・・熱酸化膜（ゲート膜）、１
５・・・メタル又はシリコン導電体、２１・・・反応管
、２２・・・電気炉、２３・・・排気システム、２４・
・・ジシランガスボンベ、２５・・・フォスフインガス
ボンベ、２６・・・キャリアガスボンベ、２７・・・石
英ボート、２８・・・シリコンウェハ、３１はレジスト
、３２・・・シリコン導電体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性を与える不純物を含有する非晶質シリコン
   薄膜が熱処理されて、得られた多結晶シリコンからなる
   ことを特徴とするシリコン導電体。
2. （２）シリコンの水素化物（Ｓｉ＿ｎＨ＿２＿ｎ＿＋＿
   ２、ｎ≧２）と３属又は５属の水素化物との混合ガスを
   原料ガスとし、堆積温度が４００〜６００℃の範囲で基
   板上に非晶質シリコンを堆積する工程を含むことを特徴
   とするシリコン導電体の製造方法。