(57)【要約】【課題】ポリシリコンからなる高抵抗素子において、抵抗値を安定して高く保ち、同時に高い相対精度特性を有する素子を形成することは困難であった。【解決手段】第１の絶縁膜２上に形成されたポリシリコンからなる高抵抗素子３上に第２の絶縁膜を形成し、第２の絶縁膜４上に水素拡散係数が第２の絶縁膜４中の水素拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜５が高抵抗素子３の一部を覆う形状で形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成されたポリシリコンからなる高抵抗素子と、
前記高抵抗素子上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された水素拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜とを備え、
前記水素拡散防止膜が前記高抵抗素子の一部を覆っていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成されたポリシリコンからなる同一形状を有する複数の高抵抗素子と、
前記高抵抗素子上に形成された第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成された水素拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜とを備え、
前記水素拡散防止膜が前記複数の高抵抗素子各々の一部を等しく覆っていることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
前記水素拡散防止膜は、窒化チタンを含む導電膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記水素拡散防止膜は、窒化シリコンを含む絶縁膜であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記水素拡散防止膜が短冊状で、均等に複数並列配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記水素拡散防止膜が、前記高抵抗素子と直交して配置されることを特徴とする請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記水素拡散防止膜の電位が浮いていることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項８】
多層配線構造をもつ半導体素子において、前記水素拡散防止膜が少なくとも最下層の配線で形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上にポリシリコンからなる高抵抗素子を形成する工程と、
前記高抵抗素子上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の絶縁膜上に水素の拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素の拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜を形成する工程とを含み、
前記水素拡散防止膜が前記高抵抗素子の一部を覆うように形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記水素拡散防止膜は、窒化チタンを含む導電膜であり、かつ多層配線構造を有する半導体素子において、前期水素拡散防止膜を少なくとも最下層の配線と同時に形成することを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポリシリコンからなる高抵抗素子、特に相対精度特性に優れたポリシリコンからなる高抵抗素子を有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日システム電源回路に代表されるアナログ回路においては、例えば可変アンプやレギュレータ、さらには充電制御回路といった複数のアナログ回路が混在する大規模な回路になってきている。これらの回路では抵抗素子を用いて回路が構成されるが、用いられる抵抗素子の抵抗値が高いことと素子数が多いために、回路の大規模化に伴いチップサイズが大きくなる傾向にある。しかし、携帯電話に代表されるように機器の縮小化に合わせてチップサイズは縮小化の傾向にある。また、これらのアナログ回路では回路ブロックによって基準電位が異なるので安定した回路特性を得るためには、これらの回路を構成する抵抗には半導体基板電位に依存しない特性が求められる。その結果、このようなアナログ回路には拡散抵抗ではなくポリシリコンからなる高抵抗素子が求められる。
【０００３】
しかし、ポリシリコンからなる高抵抗素子では、例えばパシベーション膜として用いられるプラズマＣＶＤ法で堆積したシリコン窒化膜は、原料のシランガスから窒化膜堆積時に水素が生成し、膜自体にも水素を多く含んでいるため、この水素が抵抗を形成するポリシリコン中に拡散することによって抵抗値が変動するという問題点があった。
【０００４】
そこで、製造工程中に水素がポリシリコン中に拡散するのを防止し、抵抗値を安定して高く保つ構造のポリシリコンからなる高抵抗素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３１９５８２８号（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ポリシリコンは粒界が多いためにダングリングボンドが発生しやすく、電気的に活性な欠陥が多く発生するが、これらのダングリングボンドは水素によって安定化することが知られている。水素は非常に反応性が高く、固体中の拡散も速いため、プラズマシリコン窒化膜のように水素を多く含む膜が存在する場合、膜中に含まれる水素がポリシリコン中を拡散してダングリングボンドを終端する。その結果、ポリシリコンのコンダクタンスが低下する。
【０００６】
ポリシリコンからなる高抵抗素子は、導入される不純物濃度が低いためにポリシリコン中に存在するダングリングボンドの数も多い。一方、ポリシリコンで形成した抵抗でも低抵抗素子の場合には、導入される不純物濃度が高くなるために高抵抗素子と比較するとダングリングボンド自体の数が減少する。水素による抵抗値の変動は、ポリシリコン中に存在するダングリングボンド数の変化に依存するため、ポリシリコンからなる抵抗素子の水素による抵抗値変動は、高抵抗において影響が大きくなり、低抵抗素子ではほとんど影響が見られなくなる。
【０００７】
ポリシリコン中に拡散する水素の量の依存性を図１３に示す。これはポリシリコン中に拡散する水素の量を制御するために、ポリシリコンを覆う水素拡散防止膜の被覆率を変化させた時の結果である。水素拡散防止膜の被覆率、すなわちポリシリコン中に拡散する水素の量に比例して抵抗値は変動することが確認できる。ポリシリコン中に水素が拡散しない場合と比較して、ポリシリコン中への水素拡散を阻害するものがない場合には抵抗値が３０％程度低くなっており、ポリシリコン中に水素が拡散することを防止することによって抵抗値の変動は抑制され、高抵抗値を保っている。しかし抵抗値の精度に目を向けると、ポリシリコン中に水素が拡散しない場合が最も悪くなっている。
【０００８】
ポリシリコン中への水素拡散を抑制することによってポリシリコン中に存在するダングリングボンドは水素終端されず、コンダクタンスの変化を抑制することができるが、それはダングリングボンドが活性な電荷トラップのままで存在することを意味する。ポリシリコンに存在するダングリングボンドの数は抵抗素子毎によって異なるため、電気的に活性なダングリングボンドの数の違いは、抵抗の絶対精度や相対精度に影響を及ぼす。
【０００９】
可変アンプやレギュレータ、充電制御といったアナログ回路においては高抵抗素子間の差分電圧や電圧比を利用して回路を動作させているため、抵抗値変動を抑え、高抵抗値を得られたとしても、抵抗の精度ばらつきは、そのまま回路特性悪化の原因となるため、このようなアナログ回路においては抵抗素子間の相対精度が非常に重要になる。例えばレギュレータ回路の場合、出力電圧を決定するフィードバック抵抗に高抵抗素子が使用されるため、その抵抗素子には高い相対精度が必要とされる。さらに、このような高抵抗素子が多く使用される回路においてチップサイズを小さくするためには、高抵抗素子のサイズを小さくすることが必要である。そのためには抵抗の幅を小さくする必要がある。一般に抵抗の幅が小さくなるにつれて抵抗の精度は悪化する傾向にあるため、サイズを小さくするためにも精度が必要となってくる。従来のポリシリコンからなる高抵抗素子では、ポリシリコン中に水素が拡散することを防止するため抵抗値の変動は抑制され高抵抗値が得られるが、一方で抵抗値の精度が低下する。そのため、アナログ回路では回路特性の悪化を防ぐために、抵抗のバラツキを補うためのトリミング素子などの回路が必要となり、逆にチップサイズが大きくなってしまうこととなっていた。
【００１０】
本発明は上記の課題を解決するもので、絶対精度や相対精度に優れたポリシリコンからなる高抵抗素子を有する半導体装置及びその製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に関る半導体装置は、半導体基板に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成されたポリシリコンからなる高抵抗素子と、前記高抵抗素子上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成された水素拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜とを備え、前記水素拡散防止膜が前記高抵抗素子の一部を覆っているものである。
【００１２】
また本発明に関る半導体装置は、半導体基板上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成されたポリシリコンからなる同一形状を有する複数の高抵抗素子と、前記高抵抗素子上に形成された第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成された水素拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜とを備え、前記水素拡散防止膜が前記複数の高抵抗素子各々の一部を等しく覆っているものである。
【００１３】
上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜は窒化チタンを含む導電膜からなることが好ましい。
【００１４】
上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜は窒化シリコンを含む絶縁膜からなることが好ましい。
【００１５】
上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜は短冊状の形状を有し、かつ均等に複数並列配置されることが好ましい。
【００１６】
上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜は前記高抵抗素子と直交して配置されることが好ましい。
【００１７】
上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜の電位は浮いていることが好ましい。
【００１８】
多層配線構造をもつ上記半導体装置において、前記水素拡散防止膜が少なくとも最下層の配線で形成されることが好ましい。
【００１９】
また本発明に関る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、前記第１の絶縁膜上にポリシリコンからなる高抵抗素子を形成する工程と、前記高抵抗素子上に第２の絶縁膜を形成する工程と、前記第２の絶縁膜上に水素の拡散係数が前記第２の絶縁膜中の水素の拡散係数より小さな物質からなる水素拡散防止膜を形成する工程とを含み、前記水素拡散防止膜が前記高抵抗素子の一部を覆うように形成する。
【００２０】
また本発明に関る半導体装置の製造方法は、前記水素拡散防止膜が窒化チタンを含む導電膜であり、且つ多層配線構造を有する半導体素子において、前期水素拡散防止膜を少なくとも最下層の配線と同時に形成する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に関る半導体装置及びその製造方法によると、ポリシリコンからなる高抵抗素子において、ポリシリコン中に拡散する水素の量はポリシリコンを覆う水素拡散防止膜がポリシリコン上を覆う面積で制御することが可能であり、水素拡散防止膜はポリシリコンの一部しか覆っていないために、ポリシリコン中に水素が過剰に拡散されることなく、ダングリングボンドのみを水素終端させるために適量の水素を拡散させることができ、ポリシリコンを安定化させることが可能で絶対精度や相対精度に優れたポリシリコンからなる高抵抗素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態における半導体装置の平面図である。図２は図１におけるＡ−Ａ'部の半導体装置の断面図である。
【００２４】
図において、半導体基板１上に形成された第１の絶縁膜２上にポリシリコンからなる高抵抗素子３が形成されている。高抵抗素子３上は第２の絶縁膜４で覆われている。第２の絶縁膜上４に第２の絶縁膜４よりも小さい水素の拡散係数をもつ水素拡散防止膜５が高抵抗素子３の一部を覆うように配置されている。なお、６はパシベーション膜、７はコンタクト部である。
【００２５】
以上のように構成される半導体装置は、高抵抗素子３を構成するポリシリコン中に拡散する水素を、水素拡散防止膜５が高抵抗素子３を覆う面積で制御することが可能である。よって、ポリシリコン中に存在するダングリングボンドのみを水素終端化するために必要な水素を拡散することができるため、ポリシリコンが安定化し、同時に過剰の水素が拡散することを抑制することが可能であるため、抵抗値の変動も抑制でき、精度に優れた高抵抗素子を得ることができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
図３は本発明の第２の実施形態における半導体装置の平面図である。図４は図３におけるＢ−Ｂ'部の半導体装置の断面図である。
【００２７】
図において、半導体基板１上に形成された第１の絶縁膜２上に同一形状を有する複数のポリシリコンからなる高抵抗素子３が形成されている。高抵抗素子３上は第２の絶縁膜４で覆われている。第２の絶縁膜４上に第２の絶縁膜４よりも小さい水素の拡散係数をもつ水素拡散防止膜５が各々の高抵抗素子３の一部を等しく覆うように配置されている。なお、６はパシベーション膜である。
【００２８】
以上のように構成される半導体装置は、同一形状を有する複数の高抵抗素子３の一部が等しく水素拡散防止膜５で覆われている。よって、ポリシリコン中に存在するダングリングボンドのみを水素終端化するために必要な水素を各々のポリシリコン中に同量拡散することができるため、ポリシリコンが安定化し、同時に過剰の水素が拡散することを抑制することが可能であるため、抵抗値の変動も抑制でき、絶対精度や特に相対精度に優れた高抵抗素子を得ることができる。
【００２９】
（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態における半導体装置の平面図である。図６は図５におけるＣ−Ｃ'部の半導体装置の断面図である。
【００３０】
本実施形態は、第２の実施形態において水素拡散防止膜５を短冊状に複数を並列に形成したものである。なお、その他の構成は図４，５と同様であり同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
このように高抵抗素子３上に短冊状の水素拡散防止膜５が均等に並列配置されているため、ポリシリコン中に拡散する水素は、水素が拡散する部位と水素が拡散しない部位が高抵抗素子３に均等に存在する。そのため、ポリシリコンを覆う面積が同一でも単一のパターンで覆う場合を比べると、ポリシリコン中の水素終端されていないダングリングボンドの分布がより均一になる。
【００３２】
なお、第１の実施形態における高抵抗素子３が単一の場合において、図５のように複数の水素拡散防止膜５を高抵抗素子３の長手方向等間隔にて短冊状に並設してもよい。
【００３３】
なお上記各実施形態において、水素拡散防止膜５には窒化チタンを含む導電膜を用いても良い。窒化チタンを含む導電膜は半導体素子の配線膜として用いられるため、水素拡散防止膜５を配線形成と同時に形成することができる。
【００３４】
なお上記各実施形態において、水素拡散防止膜５には窒化シリコンを含む絶縁膜を用いても良い。
【００３５】
なお上記各実施形態において、水素拡散防止膜５の電位を浮いた状態にすることによって、高抵抗素子３の電位が振れた場合においても、高抵抗素子３と水素拡散防止膜５間に存在する寄生容量の影響を受けないため、安定した回路特性を得ることができる。なお、電位を浮いた状態にするのは、水素拡散防止膜が導電膜の場合に限り絶縁膜の場合は含まない。すなわち、本例では水素拡散防止膜５が窒化チタンを含む導電膜に適用される。
【００３６】
なお上記各実施形態において、水素拡散防止膜５は最下層の配線を含んで形成しても良い。多層配線構造をもつ半導体装置においては、配線間の層間絶縁膜を形成する際にプラズマ処理を行うことが多いため、水素を多く含むプラズマ窒化シリコン膜以外にも水素を多く含む工程が存在し、ポリシリコン中に水素が拡散する可能性が大きくなる。最下層の配線で水素拡散防止膜５を形成することによって、ポリシリコン中に拡散する水素の量をできるだけ少なく制御することが可能となる。水素拡散防止膜５は最下層の配線に加えて上層の配線も使用した構成にしても良いが、高抵抗素子を表面から見た際に、水素拡散防止膜５で覆われていない部分が存在しないといけない。なお、最下層の配線を含んで形成するのは、本例では水素拡散防止膜５が窒化チタンを含む導電膜の場合であり、窒化シリコンを含む絶縁膜の場合は配線としては当然用いることはできない。具体的には、アルミ系の配線の場合には一般的に窒化チタン膜＋アルミの構成で配線とし、この場合、水素拡散防止に有効なのは窒化チタン膜となる。
【００３７】
高抵抗素子３上を覆う水素拡散防止膜５の被覆率が同一の場合でも、水素拡散防止膜５の形状で抵抗値や精度は変動する。図７は被覆率が一定で各々形状が異なる水素拡散防止膜５でポリシリコンの一部を覆った高抵抗素子３の抵抗値と抵抗の絶対精度を示したものである。図８は水素拡散防止膜５が矩形形状を有する高抵抗素子３の平面図である。図９は水素拡散防止膜５が短冊形状を有する高抵抗素子３の平面図である。図１０は水素拡散防止膜５が格子形状を有する高抵抗素子３の平面図である。図８、図９、図１０の水素拡散防止膜５のポリシリコンの被覆率は同一である。
【００３８】
図７に示すように、水素拡散防止膜５の形状が同一の時は、高抵抗素子３の抵抗値変動は水素拡散防止膜５の被覆率に準じて変動する。しかし、水素拡散防止膜５の被覆率が同一でも形状が異なると抵抗値に差が生じる。図１１は水素拡散防止膜５の形状が異なる高抵抗素子３の抵抗値と相対精度を示したものである。図７と図１１の結果から、水素拡散防止膜５の面積が同一の場合、抵抗の絶対精度は水素拡散防止膜５の形状に依存性を示さないが、抵抗の絶対値と相対精度は水素拡散防止膜５の形状に依存性があることを示している。これは水素の拡散に起因するものである。ポリシリコン上に水素拡散防止膜５が存在していても、水素は高抵抗素子３の断面方向のみに拡散するのではなく、水平方向からも拡散する。すなわち、水素拡散防止膜５によって大方の水素拡散を防ぐことができても、一部の水素は水素拡散防止膜５を回り込んでポリシリコン中に拡散する。水素拡散防止膜５の形状を矩形形状、短冊形状、格子形状で比較した場合、水素の回りこみ易さは矩形形状、短冊形状、格子形状の順となる。したがって矩形形状、短冊形状、格子形状の順にポリシリコンに拡散する水素の量が多くなるため、この順で抵抗値変動が大きくなる。
【００３９】
一方、ダングリングボンドはポリシリコン中に均一に存在するのではなく、その分布は局所的なものである。そのため、水素拡散防止膜５で覆われていないポリシリコン部、すなわち水素が拡散する部位の面積は大きい方がより多くのダングリングボンドが存在する。水素拡散防止膜５の被覆率が同一で形状が異なる場合、例えば矩形形状と短冊形状とを比較した場合、水素の回り込み易さで矩形形状の方が水素の拡散量が多くなるため抵抗値は低くなるが、水素拡散防止膜５で覆われていない水素が拡散する各々の部位は短冊形状の方が大きいため、ダングリングボンドの水素終端がより効率良く行われる。よって、相対精度は水素拡散防止膜５の形状が短冊形状の方が良くなり、相対精度に優れたポリシリコンからなる高抵抗素子を実現できる。
【００４０】
次に、図１２を用いて半導体装置の製造方法について説明する。図１２は本発明の第２の実施形態における、ポリシリコンからなる高抵抗素子を備える半導体装置の各製造工程を示す断面図である。
【００４１】
先ず、図１２（ａ）に示すように、半導体基板１の表面に第１の絶縁膜２を形成した後に、ポリシリコンを堆積してフォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチングすることによって所定の位置に同一形状を有する複数の高抵抗素子３を形成する。
【００４２】
次に、図１２（ｂ）に示すように、高抵抗素子３上に第２の絶縁膜４を形成する。
【００４３】
次に、図１２（ｃ）に示すように、第２の絶縁膜４上に第２の絶縁膜４の水素拡散係数よりも拡散係数が小さい水素拡散防止膜５を形成し、フォトレジストにてパターニングを行い、ドライエッチすることによって同一形状を有する各々の高抵抗素子３の一部を跨ぐ形状に水素拡散防止膜５を形成する。
【００４４】
以上のようにして製造された半導体装置は、同一形状を有する複数の高抵抗素子３の一部が等しく水素拡散防止膜５で覆われている。よって、ポリシリコン中に存在するダングリングボンドのみを水素終端化するために必要な水素を各々のポリシリコン中に同量拡散することができるため、ポリシリコンが安定化し、同時に過剰の水素が拡散することによって抵抗値が大きく変動することなく相対精度に優れた高抵抗素子を得ることができる。
【００４５】
なお、第１，３の実施形態における半導体装置の製造に関しても、図１２と同様にして行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、ポリシリコンからなる高抵抗素子を備える半導体装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体装置の平面図
【図２】図１におけるＡ−Ａ’部の半導体装置の断面図
【図３】本発明の第２の実施形態における半導体装置の平面図
【図４】図３におけるＢ−Ｂ’部の半導体装置の断面図
【図５】本発明の第３の実施形態における半導体装置の平面図
【図６】図５におけるＣ−Ｃ’部の半導体装置の断面図
【図７】水素拡散防止膜の被覆率が一定の場合の高抵抗素子の絶対精度の水素拡散防止膜形状依存性を示すグラフ
【図８】水素拡散防止膜が矩形形状を有する高抵抗素子の平面図
【図９】水素拡散防止膜が短冊形状を有する高抵抗素子の平面図
【図１０】水素拡散防止膜が格子形状を有する高抵抗素子の平面図
【図１１】水素拡散防止膜の被覆率が一定の場合の高抵抗素子の相対精度の水素拡散防止膜形状依存性を示すグラフ
【図１２】本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図
【図１３】高抵抗素子の抵抗値変動の水素拡散防止膜被覆率依存性を示すグラフ
【符号の説明】
【００４８】
１  半導体基板
２  第１の絶縁膜
３  高抵抗素子
４  第２の絶縁膜
５  水素拡散防止膜
６  パシベーション膜
７  コンタクト部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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