JPH04109623A - ｐｎ接合を有する半導体装置 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、パッジベージロン膜又は層間絶縁膜等による
ｐｎ接合の劣化を防止したｐｎ接合を有する半導体装置
に関する。

口従来の技術］ 半導体装置とは、受動素子及び能動素子の各回路素子が
１つの基板内に分離不能の状態で微細加工されて形成さ
れた装置である。

第５図はこの従来の半導体装置の構造の一例を示す部分
断面図である。半導体基板１上には熱酸化法又は化学気
相成長法により二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の薄膜２が
形成されている。この二酸化シリコン膜２の厚さは約０
．１μｍである。

二酸化シリコン膜２には半導体基板１の表面に形成され
たｐ型又はｎ型の拡散層３に整合する部分に、リングラ
フィ技術及びエツチング技術を使用して開口部４が設け
られている。開口部４上には金属電極５がパターン形成
されている。この金属電極５はスパッタリング法又は真
空蒸着法により約１μｍの厚さに形成されたアルミニウ
ム（ＡＪ）膜を、リングラフィ技術及びエツチング技術
を使用してバターニングすることにより設けられている
。二酸化シリコン膜２と金属電極５上の全面にはプラズ
マ気相成長法により形成した窒化シリコン薄膜（以下、
プラズマシリコン窒化膜という）６が被覆されている。

プラズマシリコン窒化膜６の厚さは約１乃至５μｍの間
である。このプラズマシリコン窒化膜６は外界から侵入
する不純物及び水分等から半導体装置を保護するパッシ
ベーション膜として作用する。

従来、このバッジベージロン膜としては、シリコン窒化
膜の外に、二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）、ケイリン酸
ガラス膜（Ｐ２０５　＋Ｓ　１ｏ２）、酸化アルミニウ
ム膜（Ａｆ□０３）又はポリイミド膜等も使用されてき
たが、耐湿性、耐汚染性及び機械的強度が最も優れてい
るのはシリコン窒化膜であることと、約３００℃での低
温形成を可能としたプラズマ気相成長法の発達により、
殆どの半導体装置のバッジベージロン膜にはプラズマシ
リコン窒化膜が使用されるようになってきた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の半導体装置において、パッシベー
ション膜として使用されるプラズマシリコン窒化膜中に
は、大量の正電荷が誘起されている。

例えば、抵抗率が３ΩＣ１のｐ型シリコン単結晶基板の
（１００）面を、水蒸気中で９００℃の温度にて酸化さ
せて表面に厚さが約ｔｏｏ　ｎｍの二酸化シリコン膜を
形成した後、プラズマ気相成長法でプラズマシリコン窒
化膜を約１μｍの厚さに成長させ、更にスパッタリング
技術を用いてプラズマシリコン窒化膜上に厚さが１μｍ
のアルミニウム薄膜を形成し、リソグラフィ技術及びエ
ツチング技術によりアルミニウム薄膜だけをパターニン
グしてＭＩｓ（金属−絶縁体一半導体）キャパシタを製
造した。そして、アルミニウム薄膜電極とＰ型シリコン
基板との間にＩ　ＭＨｚの高周波電圧を印加して電圧−
静電容量特性を測定した。その結果、得られたフラット
バンド電圧ｖＦＢと絶縁体容量Ｃとにより計算される絶
縁体中の電荷密度ＮＦＢは＋５　、ｏｘ　１０１０１２
ａ”であった。熱酸化法で形成された二酸化シリコン膜
中には電荷は殆ど誘起されないので、この正電荷は全て
プラズマシリコン窒化膜中に存在するものである。

プラズマシリコン窒化膜中に存在する正電荷は２種類あ
る。１つは、プラズマ気相成長法で反応気体として用い
られたシランＣ３ｉＨ，）及びアンモニア（ＮＨｚ　）
中に含まれていた水素イオン（Ｈ”″）がプラズマシリ
コン窒化膜中に取り込まれている場合で、この場合の水
素イオンは可動電荷として働く。他の１つは、プラズマ
シリコン窒化膜を構成しているシリコンと窒素原子のネ
ットワークが部分的に分断され、シリコン又は窒素原子
が未結合手を持つ場合である。このとき未結合手は正の
電荷を持つ固定電荷となる。

どちらの正電荷もプラズマ気相成長法で薄膜形成を行う
ことが原因で発生する。高周波放電によるプラズマ気相
成長法では、エネルギーが高いプラズマ状態下で、反応
気体の化学結合を強制的に分解し、活性度が高い化学状
態の粒子（主として、励起された原子及び分子等のラジ
カル群）を作り出し、活性化された粒子間の反応により
膜成長を行う。励起されたラジカル同志の反応で形成さ
れた物質は化学量論的組成とはならず、不純物原子を多
く含み化学結合状態も完全ではなく、欠陥及び未結合手
を含有するものとなる。このようにプラズマ反応を使用
した薄膜形成方法においては、膜中に電荷が誘起される
ことを回避することができない。

パッシベーション膜中に存在する正電荷は半導体装置の
特性に種々の悪影響を与える。例えば、第６図に示すよ
うに、ｎ型コレクタ拡散層７、ｐ型ベース拡散層８及び
ｎ型エミッタ拡散層９を持つｎｐｎ型バイポーラ素子で
あって、プラズマシリコン窒化膜によるバッジベージロ
ン膜を具備しない場合は、二酸化シリコン膜２には電荷
が存在しないため、ｐｎ接合の劣化が生じない。

しかし、このバイポーラ素子に第７図に示すようにプラ
ズマシリコン窒化膜６によるパッシベーション膜を形成
した場合、プラズマシリコン窒化膜ｅ内に存在する正電
荷から拡散層７〜９に向かって電界が発生する。その結
果、ｎ型エミッタ拡散層９とｐ型ベース拡散層８との間
のｐｎ接合は、半導体基板１の表面近傍でｐ型ベース拡
散層８の側に曲がってしまう。また、同時にｐ型ベース
拡散層８とｎ型コレクタ拡散層７との間のｐｎ接合も、
半導体基板１の表面近傍でｐ型ベース拡散層８の方向に
曲がる。このような状態になると、各ｐｎ接合と二酸化
シリコン膜２とが接触する部分の近傍では他の部分より
電界が強くなり、そのためトンネル現象などが起こりや
すくなって、ｐｎ接合の逆方向電流が増加する。これに
より、ｐｎ接合の劣化が生じる。

更に、通常のｎｐｎ型バイポーラ素子を用いて線形増幅
作用を得る場合、ベース拡散層８とコレクタ拡散層７と
により形成されるｐｎ接合は逆バイアスされる。この場
合に、コレクタ拡散層７からベース拡散層８に向かって
電界が発生するが、この電界は半導体基板１の表面を被
覆している二酸化シリコンｗＩ：２とプラズマシリコン
窒化膜６の内部にも発生する。プラズマシリコン窒化膜
内には多量の正電荷が存在しており、特にその中の可動
電荷である水素イオンはこの電界により移動し、二酸化
シリコン膜２の内部に侵入して、ｐ型ベース拡散層８の
直上域に集められる。正電荷である水素イオンがｐ型ベ
ース拡散層８上に集められると、その下方の領域ではｐ
型がｎ型に反転し、エミッタ拡散層９とコレクタ拡散層
７との間が短絡されてしまう。これにより、もはやバイ
ポーラ素子としての特性が得られなくなる。

以上のように多量の正電荷を含むプラズマシリコン窒化
膜６をバッジベージジン膜として使用すると、ｐｎ接合
の劣化、素子間リーク及び短絡等の不具合が発生し、半
導体装置の特性及び信頼性が著しく低下する。これは、
バッジベージ日ン膜の場合に限らず、例えば層間絶縁膜
でも同様である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、
半導体装置のｐｎ接合を劣化させることがない良質なパ
ッシベーション又は層間絶縁膜等を形成することができ
るｐｎ接合を有する半導体装置を提供することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るｐｎ接合を有する半導体装置は、ｐｎ接合
を有する半導体基板上に、二酸化シリコン膜及びプラズ
マ気相成長法により形成した窒化シリコン膜の積層体を
有し、前記窒化シリコン膜は前記二酸化シリコン膜に誘
起された負電荷と実質的に同密度の正電荷を有するもの
にその膜厚が設定されていることを特徴とする。

［作用コ 本発明においては、窒化シリコン膜が二酸化シリコン膜
に誘起された負電荷と実質的に同密度の正電荷を有する
ようにその膜厚が設定されているので、この２層膜を積
層することにより、膜中の電荷を実質的に０にすること
ができる。従って、この積層体により、ｐｎ接合を劣化
することがない良質のパッシベーション膜及び層間絶縁
膜を構成することができる。

［実施例コ 次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して具
体的に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す半導体装置の部分
断面図である。拡散層３が選択的に形成されている半導
体基板１の表面上には、熱酸化法又は通常の化学気相成
長法により二酸化シリコンＭ２が形成されており、この
二酸化シリコン膜２には拡散層３に整合する位置にコン
タクト孔が形成されている。そして、金属膜をスパッタ
リングにより堆積した後、これをパターニングすること
により、前記コンタクト孔に整合する位置に、金属電極
５が配置されている。金属電極５の材質は例えばアルミ
ニウムである。

二酸化シリコン膜２及び金属電極５の上には、第１パツ
シベーシヨン膜として、薄膜の二酸化シリコン膜１０が
形成されている。二酸化シリコン膜１０は通常の減圧化
学気相成長法又は常圧化学気相成長法により形成するこ
とができる。二酸化シリコン膜１０の厚さは０．１μｍ
以上であることが好ましい。二酸化シリコン膜１０．の
上には、第２パツジベージタン膜として、プラズマ気相
成長法により、厚さが０．２５μｍのプラズマシリコン
窒化膜６が形成されている。

そして、この二酸化シリコン膜１０及びプラズマシリコ
ン窒化膜６の２層積層体の上に、更に２組の二酸化シリ
コン膜１０及びプラズマシリコン窒化膜６の２層積層体
が同様の工程で形成されている。

次に、上述のごとく構成された半導体装置の動作につい
て説明する。

先ず、上述の二酸化シリコン膜１０及びプラズマシリコ
ン窒化膜６のように、２種類のパッシベーション膜を半
導体基板１上に形成する理由について以下に説明する。

第２図はＭＩＳ（金属−絶縁体一半導体）キャパシタの
断面図である。このＭＩＳキャパシタは、表面の結晶方
位が（１００）で、抵抗率が３Ωａｍのｐ型シリコン単
結晶基板１５上に減圧化学気相成長法により厚さが０．
１μｍの二酸化シリコン膜１０を形成し、この二酸化シ
リコン膜１０の上にプラズマ気相成長法によってプラズ
マシリコン窒化膜６を形成したものである。このプラズ
マシリコン窒化膜６の厚さは１μｍとする。プラズマシ
リコン窒化膜６を形成するために使用するプラズマ気相
成長装置は平行平板型電極を有するものであり、その上
部電極上にシリコン基板１５をフェースダウンの位置で
配置し、下部電極に周波数が５０ＫＨ２の高周波電圧を
電極間に２．ＯＡの電流が流れるように印加した。電極
間には反応気体として、シラン（ＳｔＨ＋）、アンモニ
ア（ＮＨ３）及び窒素（Ｎ２）を通過させ、プラズマ粒
子を発生させてシリコン基板ＩＳ上にプラズマシリコン
窒化膜６を形成した。プラズマシリコン窒化膜６の膜厚
は成長時間を変えることで制御した。プラズマシリコン
窒化膜６上にはスパッタリング法により厚さが１μｍの
アルミニウム膜を形成した後、通常のりソグラフィ技術
及びエツチング技術により面積が１．８４Ｘ　１０−２
ｃｍ２になるようにバターニングすることにより、アル
ミニウム電極１４を形成しである。

そして、このＭＩＳキャパシタの静電容量と電圧との間
の特性を測定し、得られたフラットバンド電圧Ｖ　ＦＲ
と絶縁体容量Ｃとから絶縁体中の電荷密度ＮＦＢを計算
した。第３図はこの電荷密度ＮＦＢをプラズマシリコン
窒化膜６の膜厚Ｔの関数としてプロットしたグラフ図で
ある。第３図において、横軸はプラズマシリコン窒化膜
６の膜厚Ｔ１縦軸はプラズマシリコン窒化膜６と二酸化
シリコン膜１０に含まれる電荷の密度ＮＦＢである。

ＮＦＢ＞Ｏの場合は正電荷、Ｎ　ｐａ　＜　Ｏの場合は
負電荷が膜中に含まれていることになる。プラズマシリ
コン窒化膜の膜厚Ｔが０．２５μｍ以上の場合はＮＦＢ
＞０となり、膜中に正電荷が分布していることがわかる
。膜厚Ｔが太き（なるほど正電荷の密度は大きくなる。

一方、膜厚Ｔが０．２５μｍ以下の場合はＮＦＢ＜Ｏで
あり、負電荷が分布している。

この負電荷はプラズマシリコン窒化膜６の成長の初期段
階で負の電荷を持つイオン又はラジカルが二酸化シリコ
ン膜１０の表面にボンバードして負電荷のチャージアッ
プを生じた結果、形成されたものであり、プラズマシリ
コン窒化膜６の界面に近い二酸化シリコン１０中に局在
している。この負のチャージアップを起こしている二酸
化シリコン膜１０の上に水素イオン又は未結合手等の正
電荷を持つプラズマシリコン窒化膜６が形成されると、
プラズマシリコン窒化膜の膜厚が０．２５μｍ以下の場
合はプラズマシリコン窒化膜６中の正電荷密度が二酸化
シリコン膜１０中の負電荷密度よりも小さく、結果とし
てＭＩＳキャパシタより得られる総電荷密度ＮＦＢは負
の値を持つ。その逆に、プラズマシリコン窒化膜６の膜
厚が０．２５μｍ以上の場合は、正電荷密度の方が負電
荷密度より大きくなり、総電荷密度ＮＦＢとしては正の
値を持つ。

プラズマシリコン窒化膜６の膜厚が０．２５μｍの場合
に、正電荷と負電荷の密度が同一になり、絶縁膜全体に
分布する電荷量は見掛は上ゼロとなって、パッシベーシ
ョン膜として理想的な状態が実現される。

従って、第１図に示す半導体装置のように、第１パツシ
ベーシゴン膜として二酸化シリコンｌ１ｉｌＯを形成し
、第２バツジベージｅン膜として厚さが０．２５μｍの
プラズマシリコン窒化膜６を形成すれば、見掛は上電荷
を含まない理想的なパッシベーション膜を形成すること
ができる。

但し、通常の半導体装置のパッシベーション膜としてプ
ラズマシリコン窒化膜を形成し、これをプラスチックパ
ッケージ等を使用して封止する場合は、膜厚が０．２５
μｍのときは、耐湿性、耐アルカリ金属性、耐汚染性、
及び機械的強度等が不十分であり、少なくとも１μｍの
膜厚は必要である。

このため、第２パツシベーシヨン膜として使用したプラ
ズマシリコン窒化膜θ上に、更に膜厚が０．１ｕｍ以上
の二酸化シリコン膜１０と膜厚が０．２５μｍのプラズ
マシリコン窒化膜６との組み合わせからなる２層膜を数
組積み重ねて所望の膜厚にする。なお、外気と直接接触
するパッシベーション膜の最上層は耐湿性等がより優れ
たプラズマシリコン窒化膜６とすることが必要である。

このようにして、膜内正電荷が作る電界及び移動電荷に
よってｐｎ接合を劣化することがなく、しかも耐湿性及
び機械的強度等の信頼性が高いパッシベーション膜を形
成することができる。

なお、二酸化シリコン膜１０の代わりに減圧化学気相成
長法又は常圧化学気相成長法により作成したケイリン酸
ガラス（Ｐ２ｏ５／５ｉＯ３）膜を使用しても良い 本発明はパッシベーション膜に限らず、多層電極配線構
造の層間絶縁膜の形成にも適用できる。

第４図は本発明を層間絶縁膜に適用した実施例を示す断
面図である。半導体基板１上には、熱酸化法又は通常の
化学気相成長法により形成された二酸化シリコン膜２と
金属電極５とが配置されている。二酸化シリコン膜２及
び金属電極５上にはを機溶剤に溶解させたシリカフィル
ムをＳＯＧ法（Ｓｐｉｎ　Ｏｎ　Ｇｌａｓｓ　）により
塗布すルコトニヨリ、ＳＯＧ膜１１が形成されている。

このＳＯＧ膜１１は、塗布後、約３５０℃の温度でアニ
ールすることにより、ＳＯＧ膜１膜中１中機溶剤が気化
し、シリコン−酸素結合が生成されて二酸化シリコン膜
に近い組成を有する薄膜となる。通常の層間膜形成工程
においては、その後ＳＯＧ膜１１をエツチングバックし
て電極間の凹部にだけＳＯＧ膜１１を残すが、本実施例
ではエツチングバックを行わず、このままＳＯＧ膜１１
を全面に残す。

次いで、ＳＯＧ膜１膜上１上ラズマ気相成長法により、
厚さが０．２５μｍのプラズマシリコン窒化膜６を形成
する。この場合もプラズマ気相成長の初期段階で負の電
荷を持つイオン又はラジカルがボンバードしてＳＯＧ膜
の表面に負のチャージアップが発生し、厚さが０．２５
μｍのプラズマシリコン窒化膜θ内の正電荷と電気的に
中和して、見掛は上膜中電荷がゼロとなる。その後、プ
ラズマシリコン窒化膜θ上にＳＯＧ膜１１と膜厚が０．
２５μｍのプラズマシリコン窒化膜６との組み合わせか
らなる２層膜を数層積み重ねて所望の膜厚の層間絶縁膜
を形成する。その後、リソグラフィ技術とエツチング技
術を使用してスルーホール１２を形成した後、第２層電
極１３をパターン形成する。

この場合、層間絶縁膜中に凹部の段差を平坦化する作用
を有するＳＯＧ膜１１が使用されているため、層間絶縁
膜の表面の凹凸が比較的小さくなっている。このため、
第２層電極１３の実効配線長が大きくなったり、断線し
たりすることを防止することができる。第２層電極１３
の上には、更にＳＯＧ膜１１と膜厚が０．２５μｍのプ
ラズマシリコン窒化膜６との組み合わせからなる２層膜
を数層積み重ね、第２層間膜として順次電極及び層間膜
を形成してゆく。これにより膜中正電荷が作る電界及び
移動電荷によってｐｎ接合を劣化することがなく、信頼
性が高い層間絶縁膜を形成することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明は、二酸化シリコン膜上にプラ
ズマ気相成長法により前記二酸化シリコン膜中に誘起さ
れた負電荷と実質的に同密度の正電荷を有する膜厚を有
するプラズマシリコン窒化膜を形成し、この２履膜を積
層したから、膜中電荷がゼロであり半導体装置のｐｎ接
合を劣化することがない良質のパッシベーション膜及び
層間絶縁膜を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す断面図、第２図は
ＭＩＳキャパシタの断面図、第３図はプラズマシリコン
窒化膜厚と膜中電荷量との関係を示すグラフ図、第４図
は本発明の第２の実施例を示す断面図、第５図は従来の
半導体装置を示す断面図、第６図はｎｐｎ型バイポーラ
素子の断面図、第７図はバッジベージジン膜にプラズマ
シリコン窒化膜を使用したｎｐｎ型バイポーラ素子の断
面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｐｎ接合を有する半導体基板上に、二酸化シリコ
   ン膜及びプラズマ気相成長法により形成した窒化シリコ
   ン膜の積層体を有し、前記窒化シリコン膜は前記二酸化
   シリコン膜に誘起された負電荷と実質的に同密度の正電
   荷を有するものにその膜厚が設定されていることを特徴
   とするｐｎ接合を有する半導体装置。
2. （２）前記二酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層
   体は、パッシベーション膜であることを特徴とする請求
   項１に記載のｐｎ接合を有する半導体装置。
3. （３）前記二酸化シリコン膜及び窒化シリコン膜の積層
   体は、層間絶縁膜であることを特徴とする請求項１に記
   載のｐｎ接合を有する半導体装置。