(57)【要約】【課題】ウォーターマークの発生を抑制することができる半導体装置を提供する。【解決手段】本発明の半導体装置は、シリコン基板上に、ゲート絶縁膜と、高濃度リンドープポリシリコン膜及び上層ポリシリコン膜とからなるゲート電極とを順次備え、上層ポリシリコン膜中でのリン濃度は、高濃度リンドープポリシリコン膜から離れるにつれて低下することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とをこの順に備え、
ゲート電極は、ゲート絶縁膜側から順に、高濃度リンドープポリシリコン膜と上層ポリシリコン膜とからなり、
上層ポリシリコン膜中でのリン濃度は、高濃度リンドープポリシリコン膜から離れるにつれて低下することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
ゲート電極は、ゲート絶縁膜側に、下層ポリシリコン層をさらに備え、下層ポリシリコン層中でのリン濃度は、高濃度リンドープポリシリコン膜から離れるにつれて低下する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
上層ポリシリコン膜の厚さがゲート電極全厚さに対して４０％以上である請求項１に記載の方法。
【請求項４】
下層ポリシリコン膜の厚さがゲート電極全厚さに対して５〜２０％である請求項２に記載の方法。
【請求項５】
シリコン基板上にゲート絶縁膜、高濃度リンドープポリシリコン膜、実質的に非ドープの上層ポリシリコン膜及びシリコン酸化膜を順次形成し、
得られた基板を９００〜１１００℃で熱処理し、
前記シリコン酸化膜を除去し、
上層ポリシリコン膜及び高濃度リンドープポリシリコン膜をパターニングしてゲート電極を形成する工程を備える半導体装置の製造方法。
【請求項６】
ゲート絶縁膜と高濃度リンドープポリシリコン膜の間に実質的に非ドープの下層ポリシリコン膜を形成する工程をさらに備え、
ゲート電極は、上層ポリシリコン膜、高濃度リンドープポリシリコン膜及び下層ポリシリコン膜をパターニングして形成する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
シリコン酸化膜は、ＣＶＤ法により形成される請求項５に記載の方法。
【請求項８】
シリコン酸化膜は、薬液を用いて除去される請求項５に記載の方法。
【請求項９】
上層ポリシリコン膜の厚さがゲート電極全厚さに対して４０％以上になるように形成される請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
下層ポリシリコン膜の厚さがゲート電極全厚さに対して５〜２０％になるように形成される請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関し、特に、高濃度リンドープポリシリコン膜を用いたゲート電極の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の動作スピード向上、消費電力低減のため、ゲート電極の低抵抗化が求められている。ゲート電極の低抵抗化は、ゲート電極となるポリシリコンのリン濃度を高濃度化することにより行われることが多い。
【０００３】
ここで、高濃度にリンドープされたポリシリコン膜を用いてゲート電極を形成する方法の一例を示す。
まず、シリコン基板上にゲート絶縁膜及び高濃度リンドープポリシリコン膜を形成する。次に、リンの外方拡散を防止するために、得られた基板上にＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する。次に、高濃度リンドープポリシリコン膜を低抵抗化するために、熱処理を行う。次に、フッ酸などの薬液を用いてシリコン酸化膜を除去する。次に、フォトリソグラフィー及びエッチング技術により、高濃度リンドープポリシリコン膜のパターニングを行い、ゲート電極を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この方法では、薬液を用いてシリコン酸化膜を除去する際に高濃度リンドープポリシリコン膜上にウォーターマーク（水分乾燥後に残るシミ状残渣）が形成され、これがパターニング工程に悪影響を与えることがある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ウォーターマークの発生を抑制することができる半導体装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
【０００６】
本発明の半導体装置は、シリコン基板上に、ゲート絶縁膜と、ゲート電極とをこの順に備え、ゲート電極は、ゲート絶縁膜側から順に、高濃度リンドープポリシリコン膜と上層ポリシリコン膜とからなり、上層ポリシリコン膜中でのリン濃度は、高濃度リンドープポリシリコン膜から離れるにつれて低下することを特徴とする。
【０００７】
本発明の半導体装置では、上層ポリシリコン膜表面でのリン濃度を比較的小さくすることができる。リン濃度が小さいほどウォーターマークは、発生しにくくなるため、本発明によれば、ウォーターマークの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図面は、説明の便宜のために用いられるものであり、本発明の範囲は、図面に示す実施形態に限定されない。
【０００９】
１．第１実施形態
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図であり、図１（ｂ）は、そのリン濃度分布を模式的に示すグラフである。
【００１０】
本実施形態の半導体装置は、シリコン基板１上に、ゲート絶縁膜３と、ゲート電極５とを順次備える。ゲート電極５は、ゲート絶縁膜３側から順に、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａと上層ポリシリコン膜５ｂとからなる。上層ポリシリコン膜５ｂ中でのリン濃度は、図１（ｂ）に示すように、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａから離れるにつれて低下する。リン濃度が小さいほどウォーターマークは、発生しにくくなるため、本実施形態によれば、ウォーターマークの発生を抑制することができる。
【００１１】
上層ポリシリコン膜５ｂの厚さは、ゲート電極５全膜厚に対して４０％以上が好ましく、６０〜７０％程度である事がさらに好ましい。この場合、ウォーターマークの発生を効果的に抑制することができる。また、上層ポリシリコン膜５ｂの厚さは、ゲート電極５全膜厚に対して８０％以下が好ましい。厚くなりすぎると、ゲート電極５のリン濃度が低下し、配線抵抗が高くなるからである。
【００１２】
次に、第１実施形態の半導体装置の製造方法の一例を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
（１）まず、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａ、実質的に非ドープの上層ポリシリコン膜５ｂ及びシリコン酸化膜７を順次形成し、図２（ａ）に示す構造を得る。
高濃度リンドープポリシリコン膜５ａは、ＬＰＣＶＤ法により、フォスフィン（ＰＨ3）／シラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて形成することができる。シリコン膜５ａのリン濃度は、１×１０19（ａｔｏｍ／ｃｍ3）以上であり、１０20（ａｔｏｍ／ｃｍ3）オーダー（すなわち、１×１０20〜１×１０21（ａｔｏｍ／ｃｍ3））であることが好ましい。ポリシリコン膜５ａの厚さは、ゲート電極５全膜厚と上層ポリシリコン膜５ｂの差分となる。
上層ポリシリコン膜５ｂは、ＬＰＣＶＤ法により、シラン（ＳｉＨ4）ガスを用いて形成することができる。この場合、上層ポリシリコン膜５ｂは、実質的に非ドープになる。なお、「実質的に非ドープ」とは、本発明の作用効果に影響を与えない程度であれば、少量のリンを含んでいてもよいことを意味する。
上層ポリシリコン膜５ｂの厚さは、ゲート電極全膜厚に対して４０％以上が好ましく、６０〜７０％程度である事がさらに好ましい。上層ポリシリコン膜５ｂは、ポリシリコン膜５ａの成膜後、基板を装置から出さずに引き続いて、形成することが好ましい。
シリコン酸化膜７は、ＣＶＤ法により形成することができる。シリコン酸化膜７は、後の熱処理の際にポリシリコン膜５ａからのリンが外方拡散することを抑制する役割を有する。
【００１３】
（２）次に、得られた基板を９００〜１１００℃（好ましくは９５０〜１０５０℃）で熱処理する。この熱処理によって、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａからリンが上層ポリシリコン膜５ｂに拡散し、上層ポリシリコン膜５ｂ中でのリン濃度分布が図１（ｂ）の模式図に示すようになる。
【００１４】
（３）次に、シリコン酸化膜７を除去し、図２（ｂ）に示す構造を得る。シリコン酸化膜７は、薬液を用いて除去することができる。薬液としては、フッ酸やバッファードフッ酸などを用いることができる。本実施形態では、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａが上層ポリシリコン膜５ｂで覆われており、上層ポリシリコン膜５ｂ表面でのリン濃度は比較的小さいので薬液処理の際に表面にウォーターマークができにくい。
【００１５】
（４）次に、上層ポリシリコン膜５ｂ及び高濃度リンドープポリシリコン膜５ａをパターニングしてゲート電極５を形成し、図２（ｃ）に示す構造を得て、半導体装置の製造を完了する。パターニングは、シリコン酸化膜７を除去した後の基板上にゲート電極形成用のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして用いて上層ポリシリコン膜５ｂ及び高濃度リンドープポリシリコン膜５ａをエッチングすることによって行うことができる。
【００１６】
２．第２実施形態
図３（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体装置の構造を示す断面図であり図３（ｂ）は、そのリン濃度分布を模式的に示すグラフである。
【００１７】
本実施形態の半導体装置は、第１実施形態に対して、ゲート電極５が、ゲート絶縁膜３側に、下層ポリシリコン層５ｃを備える点において異なっている。本実施形態では、上層及び下層ポリシリコン膜５ｂ，５ｃ中でのリン濃度は、図２に示すように、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａから離れるにつれて低下する。第２実施形態は、このような下層ポリシリコン層５ｃを備えるので、ゲート絶縁膜３近傍でのゲート電極５のリン濃度を低くする事が可能となり、シリコン基板１へのリンの拡散を抑制することができる。これによって、ゲート絶縁膜３の耐圧を向上させることができる。
【００１８】
下層ポリシリコン膜５ｃの厚さは、ゲート電極５全膜厚に対して５〜２０％程度である事が好ましい。薄すぎるとリンの拡散抑制の効果が小さすぎ、厚すぎると上層ポリシリコン膜５ｂ併用の際、ゲート電極５のリン濃度が低下し、配線抵抗が高くなるからである。第２実施形態の場合、上層及び下層ポリシリコン膜５ｂ，５ｃの膜厚の和は、ゲート電極全膜厚に対して８０％以下が好ましい。
【００１９】
次に、第２実施形態の半導体装置の製造方法の一例を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
（１）まず、シリコン基板１上にゲート絶縁膜３、実質的に非ドープの下層ポリシリコン膜５ｃ、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａ、実質的に非ドープの上層ポリシリコン膜５ｂ及びシリコン酸化膜７を順次形成し、図４（ａ）に示す構造を得る。この工程は、第１実施形態の対応する工程に類似しており、ゲート絶縁膜３と高濃度リンドープポリシリコン膜５ａの間に実質的に非ドープの下層ポリシリコン膜５ｃを形成する工程を備える点が異なっている。下層ポリシリコン膜５ｃは、上層ポリシリコン膜５ｂと同じ方法で形成することができる。
（２）次に、第１実施形態と同様の方法で、熱処理を行い、さらにシリコン酸化膜７を除去し、図４（ｂ）に示す構造を得る。
（３）次に、第１実施形態と同様の方法で、上層ポリシリコン膜５ｂ、高濃度リンドープポリシリコン膜５ａ及び下層ポリシリコン膜５ｃを順次パターニングしてゲート電極５を形成し、図４（ｃ）に示す構造を得て、半導体装置の製造を完了する。この工程は、第１実施形態の対応する工程に類似しており、下層ポリシリコン膜５ｃをパターニングする点が異なっている。
【００２０】
以上の実施形態で示した種々の特徴は、互いに組み合わせることができる。１つの実施形態中に複数の特徴が含まれている場合、そのうちの１又は複数個の特徴を適宜抜き出して、単独で又は組み合わせて、本発明に採用することができる。
【実施例１】
【００２１】
上層ポリシリコン膜のリン濃度分布を調べるために、以下の実験を行った。
１．実施例１の試料の作製
以下の条件で実施例１の試料を作製した。
（１）まず、シリコン基板上にゲート絶縁膜、高濃度リンドープポリシリコン膜（１２５ｎｍ）、実質的に非ドープの上層ポリシリコン膜（１２５ｎｍ）及びシリコン酸化膜（６０ｎｍ）を順次形成した。高濃度リンドープポリシリコン膜は、ＬＰＣＶＤ法により、フォスフィンとシランの混合ガスを用いて形成した。上層ポリシリコン膜は、ＬＰＣＶＤ法により、ＳｉＨ4ガスを用いて形成した。シリコン酸化膜は、ＣＶＤ法により、ＴＥＯＳとオゾンの混合ガスにて形成した。
（２）次に得られた基板を１０００℃で熱処理した。
（３）次に、薬液を用いて上記シリコン酸化膜を除去した。薬液には、フッ酸（濃度０．５重量％）を用いた。
【００２２】
２．比較例１の試料の作製
（１）まず、シリコン基板上にゲート絶縁膜、高濃度リンドープポリシリコン膜（２５０ｎｍ）及びシリコン酸化膜を順次形成した。各膜は、実施例１と同じ成膜条件で形成した。
（２）実施例１と同じ方法で熱処理及びシリコン酸化膜の除去を行った。
【００２３】
３．ＳＩＭＳ分析
実施例１及び比較例１の試料のＳＩＭＳ分析を行った。この分析は、ＣＡＭＥＣＡ社製・型式ＩＭＳ４Ｆの装置を用いて行った。分析の条件は、１次イオン種：Ｃｓ+、加速電圧：１４．５ＫｅＶ、質量分解能：４０００、測定元素：31Ｐ-、とした。この分析の結果を図５のグラフに示す。図５を参照すると、実施例１では、上層ポリシリコン膜中でのリン濃度が、高濃度リンドープポリシリコン膜から離れるにつれて低下しているが、比較例１では、低下していないことが分かる。これによって、実施例１では、ゲート電極表面でのリン濃度が、比較例１よりも小さくなることが分かる。これは、実施例１では、シリコン酸化膜を除去する際のウォーターマークの発生を抑制できることを示している。
【実施例２】
【００２４】
本実施例では、上層ポリシリコン膜の膜厚とウォーターマークの発生数との関係を調べるために、以下の実験を行った。
上記実施例１と同様の方法でサンプルを作製した。但し、上層ポリシリコン膜の膜厚は、０、３０、４０、５０、６０、７０、１００、１５０ｎｍと変化させた。それぞれの膜厚についてサンプルを３つ作製した（サンプル１〜３）。各サンプルについて、実施例１と同様の方法でシリコン酸化膜を除去した後に残るウォーターマークの数を数えた。その結果を表１に示す。表１にはサンプルごとのウォーターマークの数、膜厚ごとの合計及び平均を示した。表１によれば、上層ポリシリコン膜の膜厚が大きくなるにつれて、ウォーターマークの数が減少する傾向にあり、膜厚が１５０ｎｍ以上の場合にウォーターマークが検出されなかった。従って、上層ポリシリコン膜の膜厚は、１５０ｎｍ以上が好ましいことが分かる。
尚、本実験において、上層ポリシリコン膜厚が、０ｎｍの場合(上層ポリシリコン膜の無い場合)のウォーターマーク発生数が、比較的少ない結果となっているが、実際の試作では、サンプル１枚当たり３０〜６０個程度検出される場合が、散見されている。
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施形態の半導体装置の構造を示す断面図であり、（ｂ）は、そのリン濃度分布を模式的に示すグラフである。
【図２】本発明の第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、本発明の第２実施形態の半導体装置の構造を示す断面図であり、（ｂ）は、そのリン濃度分布を模式的に示すグラフである。
【図４】本発明の第２実施形態の半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１及び比較例１に係る、表面からの深さとリン濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２６】
１：シリコン基板  ３：ゲート絶縁膜  ５：ゲート電極  ５ａ：高濃度リンドープポリシリコン膜  ５ｂ：上層ポリシリコン膜  ５ｃ：下層ポリシリコン膜  ７：シリコン酸化膜
【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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