JPS59127841A - 半導体装置の製造方法 - 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】 （発明の属する分野） 本発明は半導体装置の製造方法に関するものであり、特
に均−性及び耐圧の良い厚い絶縁膜を低温で短時間に形
成する工程を含む半導体装置の製造方法に関するもので
ある。

（従来技術） 従来、半導体装置には厚い絶縁膜が表面保護膜、層間絶
縁膜又は表面段差低減用膜等種々の構成に用いられ【い
る。絶縁膜としてシリコン酸化膜を用いる場合には、酸
化性雰囲気中でシリコンを酸化する熱酸化法又はシラン
ガス（ＳｉＨ４）と酸素ガス（０りを用いる化学気相成
長法（以下１’−ＯＶＤ法」という）等がある。熱酸化
法で例えばＯ，Ｊ″μｍμｍ以上シリコン酸化膜（以下
［５ＩＯＩＪという）を形成するためには、１１００″
Ｃの高温で水蒸気の存在のもとに少な（とも１時間以上
の熱処理を要する。しかし、このような高温・長時間の
熱部例えば特に微細かつ浅い不純物拡散層を持つ高密度
・高速度な集積回路においては前記のような高１、゛ ことから、高温の熱酸化法は到底採用することができな
かった。また高温の熱酸化法は、基板中に結晶欠陥を発
生させたり、少数キャリヤの寿命を低下させるおそれ等
もあり、なるべく採用しない方が望ましい。更に素子間
分離用の８１０．の形成に熱酸化法を用いた場合にはバ
ーズビークと呼ばれる無用のシリコン酸化膜の張り出し
が生じてしまい素子の高密度化の妨げとなっている。

上述の熱酸化法において、酸化時間を短縮化する方法と
して増速酸化方法が提案されている。この増速酸化法と
は、単結晶シリコン中に硼素（Ｂ）を加えて行う熱酸化
法である。この場合硼素はＳ１０．中での酸素の拡散を
増速する役割を果たすものと考えられており、この現象
については、Ｗ、　Ａ、　Ｌ’１ｌｓｋｉｎ　：　ＩＩ
ＩＭ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏずＲｅ５ｅａｖｃｈ　ａｎｄ
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＋　　ｖａｔｌｏｓ　　ｊＫ３
＊　　Ｐ／りｔ＜ｉゾロ６）　；Ｂ、Ｂ、ＤｅａＬ　Ｍ
、　８ｋｌａｒ　：　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　
ＢＩｅｃｔｒｏ−ｃｈｅｍｉｃａｌ　　５ｏｅｔｅｔｙ
、　　ｖｏｔ／／、２＋　　Ａ４’Ｉ　　Ｐ４！３０（
／９Ａｊ）に詳しく述べられている。この現象を利用し
【酸化速度を大きくするためには、単結晶シリコン中の
硼素の含有量を大きくすればよい。ところが単結晶シリ
コン中の硼素の固溶度は高々ｌ原子チ程度あり、このよ
うな硼素の濃度では増速酸化を充分に実現できず、酸化
速度は硼素を添加しない場合に比べ高々、２〜３倍程度
である。更に硼素を含有させたシリコンを用いようとす
ると、シリコンは単結晶状態を保ちえず、多結晶状態と
なる。しかし、多結晶シリコンに硼素を多量含有させて
も、ある程度以上の硼素は多結晶の粒界に偏析してしま
い結晶粒内には固溶しないため、硼素添加の多結晶シリ
コンの酸化速度にも限界があり、硼素を６− 添加しない場合に比べて高々２〜３倍の酸化速度しか実
現できない。また多結晶シリコンの酸化膜は耐圧がせい
ぜいｐ　ｘ　ｔ　０６ｖ／ｃｍ程度であり、この耐圧は
硼素量が多い程低下する傾向があった。更に硼素添加の
多結晶シリコンでは、結晶粒内と結晶粒界での酸化速度
に差が生ずるため、表面の平坦性のよい厚いＳ　ｉ　Ｏ
！を形成することは困難であった。また酸化時間はある
程度短（なるものの酸化ことか難しい他に、多結晶シリ
コン中の硼素が隣接部分に拡散してしまう恐れがあるの
で工程によっては硼素添加の多結晶シリコンを熱酸化す
る方法は適用できないという欠点があった。

上述したような熱酸化法の他にＯＶＤ法による８１０、
の形成法も提案されている。この方法によれば低温で厚
い８１０．を比較的短時間で形成できる。しかし、この
方法で形成した８１０．（以下ｒ　０ＶＤ８１０．　Ｊ
という）は緻密性が悪いため、その耐圧がｊｘｌＯ６ジ
ーと単結晶シリコンを熱酸化−６− して形成した８ＩＯ２に比べ半分以下である欠点を有し
ていた。またＯＶＤ法ではＯＶ　Ｄ　８１０　ｔの厚さ
を例えば０．．７１１ｍ以上と厚くした場合には強い歪
応力を生じ基板に欠陥を与えることが多く、段差部を被
Ｑした場合には０ＶＤ８１０．の被覆状態が均一になら
すかえって段差部を強調してしまうという欠点があった
。

（本発明の目的） 本発明は、緻密で表面の平坦性・被覆形状がよく耐圧に
すぐれた絶縁膜を低温かつ短時間で形成する工程を含む
半導体装置の製造方法を提供することにある。

（本発明の構成） 本発明はかかる目的を達成するために、少なくとも硼素
を含む非晶質シリコンを酸化性雰囲気中で熱処理して８
１０．を形成する工程を含むことを％徴とする。

本発明の方法は従来の熱酸化法の範ちゅうに属Ｖ− ることか特徴的な点である。

以下本発明の実施例について説明する。まず。

非晶質シリ・・ゞヒ・パ・り法、グ・−放電法、低圧Ｏ
ＶＤ法等によって低圧下で基板上に形成する。

特に低圧ＯＶＤ法は緻密で段差部の被覆形状が良好な硼
素を含む非晶質シリコンを短時間で形成できるので本発
明に適した方法である。以下この低温ＯＶＤ法で硼素を
含む非晶質シリコンの形成法を例にとって説明する。ガ
スとしては原料ガスとしてＳＩＨ，を用い、硼素添加の
ためにジボランガス（Ｂ＊Ｈａ）を用い、キャリアガス
として例えばヘリウムガス（Ｈｅ）を用いる。上述のガ
スを適切な流量で低圧状態の反応炉内に導入し、加熱手
段によって８１Ｈ，及びＢ、　）ｌ、を熱分解し反応炉
内におかれた基板上に硼素を含む非晶質シリコンを形成
する。形成条件としては、例えば圧力なＯ１ｌ〜０．２
Ｔｏｒｒ　、形成温度をａＳＯ″ｃ　−ａ　ｏｏ℃の範
囲で行う。形成温度ｚｏｏ℃で流量比Ｂ！Ｈａ／　　　
を８１Ｈ。

ｔｘｔｏ−”として形成した非晶質シリコン中の硼ＩＨ
６ 素の量は約コｊ原子チ、流量比　　／ＳＩＨ，を−８− ２Ｘ　／　Ｏ−２として形成した非晶質シリコン中の硼
素の量は弘Ｏ原子−というように、流量比ＢｖＨ６／８
１Ｈ，の値を変えることにより幅広い範囲で硼素を含む
非晶質シリコンを形成できる。これらの値は形成装置の
系の違いによって多少異なったものとなる。そしてこの
ようにして形成した非晶質シリコンは単結晶状態でも多
結晶状態でもなく、結晶粒界を持たないので、硼素が前
述したように結晶粒界中に偏析するという現象もおこさ
ず非晶質シリコン中にｊｏ−ｔｏ原子−程度までほぼ均
一に固溶することが発明者の検討の結果明らかになった
。非晶質シリコン中の硼素濃度が参〇原子チを越えると
、硼素分布の均一性がやや悪くなるが、このような場合
に非晶質シリコン中に硼素の他にゲルマニウムを含有さ
せれば均一性がよくなることも検討の結果明らかとなっ
た。これは硼素の添加によって生ずる歪をゲルマニウム
が緩和するためと考えられる。硼素の固溶をより均一に
するためには、ゲルマニウムの添加量は好ましくはｒＫ
子チ以上がよい。

−９− 次に、基板上に形成した少なくとも硼素を含む非晶質シ
リコンの熱酸化な行い８１０．を形成する。

酸化は例えば通常の熱酸化法と同じように、酸化性雰囲
気中の所定温度に設定された酸化炉内に試料を所定時間
設置することにより行う。ここでは、酸化性雰囲気を飽
和水蒸気を含む酸素として、酸化温度を７００”Ｃとし
た場合を例にとり説明する。

第１図は硼素を含む非晶質シリコン酸化膜な上述の条件
で１００分酸化したとき形成される８１０ｔの膜厚と非
晶質シリコン中の硼素の含有量との関係を示したもので
ある。硼素の含有量が０．７原子チ以下と少ない量のと
きにはＳｉＯ□の膜厚は０．０２μｍと薄いが、硼素の
量が増大するに従い８１０゜の膜厚は急激に増大し、多
結晶シリコンの場合等と異なり硼素の量が増大してもそ
の酸化速度が飽和する傾向を示さないことがわかる。例
えば硼素量がｌ原子チ、！原子チ、２０原子チ及びｔｏ
原子チとすることにより８１０．の膜厚をそれぞれ０、
　Ｏ３μｍ、０．λμｍ、０．Ａｊｆｉｍ及び／、６μ
ｍとすることができる。実用的に用いられる絶縁膜と−
１０− しての厚さを考慮すると硼素の含有量はｊ原子−以上と
することが望ましい。非晶質シリコン中の硼素は熱酸化
工程時に単なる増速触媒としての役割をはだすのみであ
って、形成される８１０．中にほとんどとり込まれてい
ないことが分析の結果明らかとなった。硼素を多電に含
む非晶質シリコンを酸化した場合でもＳｉ０ｇ中の硼素
はたかだかＯ１ｊ原子チである。非晶質シリコンはもと
もと結晶粒を有さす硼素もほぼ均一に存在しているため
熱酸化が均一に進行する結果、形成されるＳ１０．は単
結晶シリコンの８１０．と同程度に緻密であり表面の平
坦性や被覆形状もよく、更にこれに加えて先にも述べた
ように８１０．中の硼素の含有量が少なイコトがらｓｔ
ｏ、ノ耐圧も約／　Ｘ　／　０’　”／ｍ　　と単結晶
シリコンの８１０．と同等の値を実現できる。

また硼素の他にゲルマニウムを添加した非晶質シリコン
を酸化して形成したＳｔＯ，も同様に単結晶シリコンの
８１０．と同様に緻密で均一で同等の耐圧を示す。なお
このときに１０．にはゲルマニウムがほとんど残留して
いないことも確認した。

上述の熱酸化は７００″Ｃの酸化温度の場合について説
明したが、酸化温度を変えた場合の酸化特性の例を第２
図に示す。第２図は流量比””／５ｔｌ（、−コＸ、Ｉ
Ｏ−”　　で形成した硼素約ａｏ原子チ含有の非晶質シ
リコンを酸化温度１，２０″Ｃ９ｔｔｓ″Ｃ及び７／Ｊ
−”Ｃで酸化した場合の酸化特性をそれぞれ曲線（７）
印及びり）で示したものである。

例えば０．２μｍ程度の膜厚の８１０．ならばｔ２０”
ｃと極めて低い温度でかつ約３０分という短時間で形成
できる。

このように本発明を用いれば緻密で均一性がよく耐圧に
すぐれたＳ１０．を低温かつ短時間で形成できる。それ
故この酸化法を種々の半導体装置の製造方法に適用でき
る。

以下本発明の他の実施例について説明する。

（υ　８　ｉ　０２により側面が分離された単結晶シリ
コン島の形成方法 シリコン基板ｌの表面上に少なくとも硼素を含む非晶質
シリコン層コ、例えば硼素をａＯ原子チ及びゲルマニウ
ムを１０原子チ含む非晶質シリコン層を／　ｆｉｍ形成
し第３−に図の構造を得た後、通常のりソグラフィ技術
とエラｆ”７技術によって非晶質シリコン層２の一部を
基板ｌが露出するまで除去し非晶質シリコン領域３を有
する第Ｊ−Ｂ図の構造を得る。この非晶質シリコン層２
のエツチングは、例えばフロン１２（００ムｐｔ　）を
、ｚ　ｏ　ｅｅ４　平行平板電極型のプラズマエツチン
グ室に流した状態でエツチング室内の真空度を０．０７
　Ｔｏｒｒにし／　３．　ｊ　Ａ　ＭＨｚ　の高周波電
力なｓ’ｏｏｗ加えてプラズマエツチングを行う。その
後この試料を７３０　”Ｃでｉｏｏ分を熱酸化して非晶
質シリコン領域３を厚さ約／Ｊμｍの８１０を領域≠と
してから、熱酸化時に露出していた基板ｌのシリコンが
酸化されてできたＳｉｎ！を除去し第３−０図の構造を
得る。この熱酸化工程時に基板ｌが酸化されてできる８
１０゜はその膜厚が約≠ｏｏＸと８１０．領域μに比べ
て充分薄く、かつフッ酸とフッ化アンモニウム−ＩＢ　
　− め、第３−０図の構ｆＡ１に得る際の８１０．除去工程
では８１０．幀域弘がエツチングされる倉はごく僅顧域
参で分離された単結晶シリコン島ｊ’＆有する第ｊ−Ｄ
図に示す構造を得る。この選択エピタキシャル成長は、
＾真空中の分子線蒸揄法を用い【例えば基板漁民なりｏ
ｏ″Ｃ蒸層速度σｊμｍ／ｈｏｍで行う。選択エピタキ
シャル成長時には％８１０！幀域≠は揮発性の８１０を
形成して次第にエツチングされてゆくため、ある時点で
８１０重領域≠の厚さと形成される単結晶シリコン島ｊ
の尚さがほぼ四−となり両名の表向が平坦になる条件が
ある。後の工程な楽にし製造歩留りを向上させる等の理
由により、この両者の表向が平坦化した時点で選択エピ
タキシャル成長を終了する。上述の例においては、形成
される単結晶シリコン島ｊの厚さは約０．Ｉｆｉｍ程度
である。従来の酸化法では１μｍ以上の８１０．を作る
ことが困難であったので単結晶シリコン島−１４− の高さを０５μｍ以上とすることは難しかったが、本発
明を用いることにより容易に厚い単結晶シリコン島を形
成できる。また厚いＳｔＯ，形成を低温・短時間で形成
できるので、基板中の不純物の再分布及び結晶欠陥の発
生等も防止できる。

（２）絶縁分離領域の形成 シリコン基板ｔｉに凹部１２を形成した後基板１／の全
表面に少な（とも硼素な含む非晶質シリコン層１３、例
えば硼素の含有量が３０原子チの非晶質シリコンを形成
し第≠−人図の構造を得ろ。このときの非晶質シリコン
層１３の厚さは酸化後に形成される８１０．が凹部な埋
めろような厚さにすればよい。例えば四部の幅が≠μｍ
のときには上述の硼素含有量の非晶質シリコン層１３の
厚さを約１μｍとすればよい。

この非晶質シリコン層１３は前述した低圧ＯＶＤ法によ
って形成すれば被覆形状がよいので凹部１２の全体をほ
ぼ均一な厚さで覆うことになる。

その後非晶質シリコン層１３を全部酸化して８１０、層
ｌ≠に変換し第≠−Ｂ図の構造を得る。

この酸化は例えば７００″ｃ、ｉｏｏ分間行えばよい。

その後四部１２以外の基板ｌｌ上にある８１０、　Ｊ＠
／≠を公知のエツチング方法で除去し、凹部／、２のみ
にＳｔＯ，から成る絶縁分離領域ｉｓを有する第グーＣ
図の構造を得る。その後はこの絶縁分離領域ｉｓに囲ま
れた基板ｌｌ内に能動素子等を形成すればよい。かかる
方法によれば絶縁分離領域ｉｓに無用の張り出しがない
ので基板ｉｉを有効に使え素子の高密度化を図ることが
できる。

（３）　　層間絶縁膜の形成 シリコン基板２１上に８　＋　０１　膜２Ｊを介して設
けられた例えば多結晶シリコンから成る第１配線層２３
上に少な（とも硼素を含む非晶質シリコン層、２≠を形
成し、第ｊ−人図の構造を得る。

その後この非晶質シリコン層、２弘の全部を酸化してＳ
２Ｏ２層２ｊを形成した後、これを層間絶縁膜として用
い、５１０３層２ｊ上に第２配線層２ｔを形成して第ｊ
−Ｂ図の構造を得る。この例において、非晶質シリコン
層２μとして硼素を１０原子チ及びゲルマニウムをｌＯ
原子チ含む厚さ０．２μｍの非晶質シリコンを用いた場
合には１００″Ｃ，３０分の熱酸化で約Ｏ０ｊμｍの厚
い５１０１層、２ｊを形成できる。なお第１配線層は所
定の所で他の部分例えば基板中の拡散層、２７等に接続
されている場合もある。上述した例では、非晶質シリコ
ン層２≠を全部酸化してＳｔＯ。

層、２ｊを形成する場合につい【説明したが、第６図に
示すように第１配線層２３と第２配線２ｔとを接続する
ための接続部２１を形成するために、熱酸化工程に先立
ち接続部２１に該当する部分の非晶質シリコンの上面に
酸化防止マスク材料例えばシリコン窒化膜を形成してか
ら熱酸化を行ってもよい。酸化防止マスク材料下の非晶
質シリコン層２ｊは酸化工程において酸化されずに残り
接続部２ｒとなる。熱酸化後前記配化防止マスク材料を
除去し接続部２ｒと接する第２配線層２ｔを８１０．層
２ｊ上に形成する。

この接続部２ｔは少なくとも硼素を含んでいる−　　　
１！　　　− ノテ抵抗率が低い。またボロンの他にゲルマニウムを更
に含有している非晶質シリコンはより低抵抗率となる。

なお熱酸化温度によってはこの接続部は結晶化しより一
層の低抵抗化が図れる。上述の酸化防止マスク材料とし
ては単に０ＶＤ８１０．を用いてもよい。層間絶縁膜形
成に非晶質シリコンの酸化を用いると低温・短時間で厚
い酸化膜な形成できろことから、基板中の拡散層の不純
物の再分布を防止できる他、第１配線層から基板中・＼
の不純物の拡散を防止できる等の利点がある。更に第６
図に示したように同一の材料から層間絶縁膜と接続部を
同時に作れ磨工程の簡略化を図れる等の利点もある。　
：（本発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば少なくとも硼素を
含む非晶質シリコンを出発材料として用いるので、緻密
で表面の平坦性や被覆形状がよく耐圧にすぐれｈ縁膜を
低温かつ短時間で形成することができる。そして本発明
は熱酸化を低温で行えることから、基板中の不純物の再
分布や結晶−ｉｌｌ　　　− 欠陥の発生を防止できる等の利点がある。

本発明はこれまで説明した適用例の他にも、緻密で表面
の平坦性や被覆形状がよく耐圧にすぐれた絶Ｒｍを必要
とする半導体装置に適用できろことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は硼素を含む非晶質シリコンの酸化特性の一例％
第コ図は低温におい【も短時間で厚い酸化側が得られる
こと？説明するための図、第３−Ａ図〜第Ｊ−Ｄ図、第
グーＡ図〜第≠−Ｃ図、第ｊ−人図％第ｊ−Ｂ図及び第
６図は本発明の実施例を示す図。 ／、／／、２／・・・基板、コ、／Ｊ、２４Ａ・・・少
なくとも硼素を含む非晶質シリコン層、３・・・非晶質
シリコン領域、≠ｌ　　／４４．　２！・・・非晶質シ
リコンｆｔ酸化して得られる８１０．、ｊ・・・単結晶
シリコン島、／Ｊ″・・・絶縁分離領域１．２２・・・
絶縁膜１．２３゜コｔ・・・配線層、コア・・・拡散層
、コｔ・・・接続部。 ＯＡ”ｆｌシリコリ中のＰ枦素含有量　（４代）％」ヤ
　／閃 オ４−Ａ図 矛４−β区 ヤ４−Ｃ図 オｓ−Ａ圀 井５−Ｂ図 矛６ｚ 第１頁の続き ０発　明　者　水島宜彦 武蔵野市緑町３丁目９番１１号日 本電信電話公社武蔵野電気通信 研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）　少なくとも硼素を含む非晶質シリコン層を基板
   上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層を熱酸化し
   てシリコン酸化膜を形成する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. （２）少な（とも硼素を含む非晶質シリコン層をシリコ
   ン基板上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層の一
   部をシリコン基板が露出するまで除去し非晶質シリコン
   領域を形成する工程と、前記非晶質領域を熱酸化してシ
   リコン酸化膜を形成する工程と、前記熱酸化工程時に前
   記露出した基板上に形成されるシリコン酸化膜を除去し
   再度基板の一部を露出させた後この露出した基板上にシ
   リコン層をエピタキシャル成長させる工程とを含むこと
   な特徴とする半導体装置の製造方法。
3. （３）少なくとも硼素を含む非晶質シリコン層を凹部の
   ある基板上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層を
   熱酸化して前記凹部を充填しかつ前記基板を覆うシリコ
   ン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜を前記
   基板表向゛が露出するまでエツチングする工程とを含む
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. （４）少なくとも硼素を含む非晶質シリコン層を第１配
   線層上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層を熱酸
   化してシリコン酸化膜で成る層間絶縁膜を形成する工程
   と、前記層間絶縁膜上に第コ配線層を形成する工程とを
   含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. （５）　　少なくとも硼素を含む非晶質シリコン層を第
   １配線層上に形成する工程と、前記非晶質シリコン層上
   の所定位置に酸化防止マスク材料を形成した後前記非晶
   質シリコン層を熱酸化して前記所定位置下の接続部以外
   の部分にシリコン酸化膜で成る層間絶縁膜を形成する工
   程と、前記酸化防止マスク材料を除去する工程と、前記
   層間絶縁膜上に前記接続部と接する第２配線層を形成す
   る工程とを含むことを特徴とする半導体装置。