DE4234676A1

DE4234676A1 - Verfahren zum herstellen eines kondensators mit rauher elektrodenoberflaeche

Info

Publication number: DE4234676A1
Application number: DE4234676A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Hayashide
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-10-17
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1993-04-22
Anticipated expiration: 2012-10-15
Also published as: ITMI922389A0; DE4234676C2; KR930009090A; JP2761685B2; IT1256161B; KR960005245B1; ITMI922389A1; US5318920A; JPH05110014A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her stellen eines Kondensators mit rauher Elektrodenoberfläche.

Ein DRAM (dynamischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff) zum wahl freien Eingeben/Ausgeben einer gespeicherten Information ist eine existierende Halbleiterspeichervorrichtung. Ein DRAM wird durch ein Speicherzellenfeld gebildet, das als Speicherbereich dient, zum Speichern vieler Informationsstücke, sowie Peripherieschaltun gen zum Durchführen einer vorgegebenen Eingabe/Ausgabe-Operation in das und aus dem Speicherzellenfeld. Das Speicherzellenfeld um faßt zusätzlich eine Mehrzahl von Speicherzellen, die jeweils ei ner minimalen Speichereinheit entsprechen. Eine Speicherzelle wird grundsätzlich aus einem Kondensator und einem Transfergate transistor (Speicherzellentransistor), der damit verbunden ist, gebildet. Während des Betriebs bestimmt die Speicherzelle, ob eine vorgegebene elektrische Ladung in dem Kondensator gespeichert ist, welches einem Datum "0" oder "1" entspricht, wodurch gespeicherte Information verarbeitet wird.

Die Fig. 24 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen DRAM. Dieser DRAM wird beispielsweise in der japanischen Offenlegungs schrift Nr. 64-42 161 beschrieben. Die Speicherzelle des in Fig. 24 gezeigten DRAM weist eine Struktur vom sogenannten Ein-Transi stor Ein-Kondensatortyp auf. Ein Transfergatetransistor 10 umfaßt ein Paar von n⁺ Störstellenbereichen 3a und 3b, die auf der Ober fläche eines p-Typ Siliziumsubstrats 1 gebildet sind, sowie eine Gateelektrode 5a mit einem darunterliegenden dünnen Gateisola tionsfilm 4 auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats 1, zwischen den n⁺ Störstellenbereichen 3a und 3b. Die Gateelektrode 5a wird durch einen Teil einer Wortleitung gebildet. Ein erster Isola tionszwischenschichtfilm 30 ist um die Gateelektrode 5a herum die se bedeckend gebildet. Ferner umfaßt ein Kondensator 20 eine unte re Elektrode (Speicherknoten) 21, mit einem n⁺ Störstellenbereich 3a verbunden, eine Oberfläche dieser unteren Elektrode 21 bedec kende dielektrische Schicht 22 sowie eine obere Elektrode (Zell platte) 23, die eine Oberfläche der dielektrischen Schicht 22 be deckt. Eine Bitleitung 7 ist mit dem n⁺ Störstellenbereich 3b über eine Kontaktöffnung verbunden, die in einem zweiten Isolationszwi schenschichtfilm 31 gebildet ist.

Mit dem zunehmenden Integrationsgrad von Halbleitervorrichtungen wurde es insbesondere bei diesem Typ von DRAM notwendig, das ein zelne Speicherelement zu miniaturisieren. Als Ergebnis wird von der in Fig. 24 gezeigten Speicherzelle verlangt, die vom Konden sator 20 benötigte ebene Fläche zu vermindern. Hierfür existieren hauptsächlich zwei Verfahren zum Erreichen einer benötigten elek trostatischen Kapazität für den Betrieb des Speicherzellenkonden sators.

Eine erste Methode besteht darin, die elektrostatische Kapazität durch Dünnermachen der den Kondensator 20 bildenden dielektrischen Schicht 22 zu erhöhen. Beispielsweise wird bei einem DRAM auf ei nem Integrationsniveau von 1M Bit die dielektrische Schicht 22 etwa in einer Dicke von 10 nm für die Filmdicke des Siliziumoxid films erstellt. Es ist daher schwierig, mit zunehmender Integra tion die Schichtdicke weiter zu verringern.

Als ein zweites Verfahren ist es bekannt, die elektrostatische Kapazität durch Erhöhen der einander gegenüberstehenden Flächen zwischen den Elektroden 21 und 23 mit der dazwischenliegenden die lektrischen Schicht 22 zu vergrößern. Der auf diese Weise entwor fene Kondensator wird als sogenannter Kondensator vom Stapeltyp (oder gestapelten Typ) bezeichnet. Das heißt, er wird mit einer Struktur gebildet, die eine polykristalline Siliziumschicht mit einer Leitfähigkeit auf der Oberfläche einer Diffusionsschicht im Halbleitersubstrat bildet, und danach die dielektrische Schicht und die zweite Elektrodenschicht auf einer Oberfläche der polykri stallinen Siliziumschicht stapelt. Verschiedene Arten des Konden sators vom Stapeltyp wurden entworfen. Beispielsweise wurde eine Form der vom polykristallinen Silizium gebildeten Elektroden schicht zu einer Rippenform geändert, oder zu einer zylindrisch projizierten Form.

Ferner existiert als ein weiterer Gesichtspunkt beim zweiten Ver fahren eine Methode zum Erzeugen einer Rauhheit (Unebenheit) auf der Oberfläche der unteren Elektrode zum Vergrößern der einander gegenüberliegenden Flächen des Kondensators. Die in Fig. 24 ge zeigte Speicherzelle weist einen Kondensator auf, der eine untere Elektrode 21 mit einer derartigen rauhen Oberfläche umfaßt.

Die Fig. 25 bis 27 sind Schnittansichten mit einer Reihenfolge von Herstellungsschritten (erster bis dritter Schritt) der Spei cherzellen in einem derartigen DRAM. Das Herstellungsverfahren wird nachfolgend in Zusammenhang mit diesen Ansichten beschrieben.

Zuerst wird, wie in Fig. 25 gezeigt, ein Feldoxidfilm 2, der durch einen dicken Siliziumoxidfilm gebildet wird, in einem vor gegebenen Bereich auf eine Oberfläche eines p-Typ Siliziumsub strats 1 entsprechend der LOCOS-Methode gebildet. Danach wird ein Gateoxidfilm 4 auf der Oberfläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 durch thermische Oxidation gebildet. Nach dem Aufbringen einer polykristallinen Siliziumschicht in dem gesamten Bereich durch CVD (Chemical Vapor Deposition)-Verfahren wird diese zum Bilden einer Gateelektrode 5a bemustert. Ein Siliziumoxidfilm wird über den gesamten Bereich durch eine CVD-Methode bei niedrigem Druck aufge bracht, und danach wird eine erste Isolationszwischenschicht 30 auf einer Oberfläche und auf Seiten der Gateelektrode 5a mit Li thographie und Trockenätztechnologien, die im Stand der Technik bekannt sind, gebildet. Ferner werden n⁺ Störstellenbereiche 3a und 3b durch Ionenimplantationen von Störstellen in das p-Typ Silizi umsubstrat 5 gebildet, durch Benutzung der von der Isolationszwi schenschicht 30 bedeckten Gateelektrode 5a als Maske.

Zweitens wird, wie in Fig. 26 gezeigt, eine polykristalline Si liziumschicht 210 mit der Filmdicke von 0,4 µm in Übereinstimmung mit einer Niederdruck-CVD-Methode gebildet unter Benutzung eines Monosilangases (Silikumethan), welches mit 20% Helium verdünnt wurde. Der Druck wird auf 0,8 Torr und die Temperatur auf 680°C gesetzt. Die Rauhheit mit einer Tiefe von 0,07 µm wird auf der Oberfläche der durch diesen Schritt gebildeten polykristallinen Siliziumschicht 210 erzeugt. Danach wird Phosphor (P) in die poly kristalline Siliziumschicht 210 eingebracht, durch eine thermische Diffusionsmethode mit Hilfe eines Oxid-Phosphorchlorids (POCl₃) als Material, in einer Umgebung mit der Temperatur von 875°C für 30 Minuten. Nachdem das durch thermische Diffusion auf der Oberfläche der polykristallinen Siliziumschicht 210 gebildete Phosphorglas entfernt ist, wird eine thermische Behandlung in einer Nitridumge bung mit einer Temperatur von 900°C für 20 Minuten durchgeführt. Als Ergebnis dehnt sich die Rauhheit der Oberfläche der polykri stallinen Siliziumschicht 210 auf 0,11 µm aus.

Wie in Fig. 27 gezeigt, wird eine untere Elektrode 21 eines Kon densators durch Bemustern einer polykristallinen Siliziumschicht 210 entsprechend eines Photolithographie- und Ätzverfahrens gebil det. Ein thermischer Nitridfilm wird auf eine Oberfläche einer unteren Elektrode 21 gebildet. Ein Siliziumnitridfilm wird auf einer Oberfläche des thermischen Nitridfilms entsprechend einer CVD-Methode gebildet. Ferner wird ein Oxidfilm auf einer Oberflä che des Siliziumnitridfilms durch eine thermische Oxidationsmetho de gebildet. Als Ergebnis wird eine dielektrische Schicht 22 ge bildet, die aus drei Schichten besteht, thermischem Nitridfilm/CVD Siliziumnitridfilm/Siliziumoxidfilm.

Wie in Fig. 24 gezeigt, wird eine polykristalline Siliziumschicht auf dem gesamten Bereich einer Oberfläche eines p-Typ Siliziumsub strats gebildet. Sie wird in eine vorgegebene Form bemustert, so daß eine obere Elektrode 23 eines Kondensators 20 gebildet wird.

Danach wird ein zweiter Zwischenschicht-Isolationsfilm 31 aus ei nem dicken Oxidfilm auf dem gesamten Bereich gebildet. Eine Kon taktöffnung wird in einem vorgegebenen Bereich der Isolationszwi schenschicht 31 gebildet, und eine Bitleitung 7 wird in der Kon taktöffnung gebildet.

Die Speicherzelle des DRAM wird mit den oben beschriebenen Schrit ten beendet.

Viele hervorstehende Teile werden auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 des im Zusammenhang mit der herkömmlichen Methode gebildeten Kondensators erzeugt. Die Fig. 28 ist eine vergrößerte teilweise Schnittansicht mit der Oberflächenform der unteren Elek trode 21. Wie in Fig. 28 gezeigt, werden teilweise angenäherte Bereiche in den Abständen zwischen den hervorstehenden Teilen er zeugt. Wenn die dielektrische Gateschicht 22 zwischen den schmalen Abständen zwischen den Vorschüben gebildet wird, wird die Lücke zwischen den Vorschüben durch die dielektrische Gateschicht ge füllt, was zu einer nichtuniformen Filmdicke führt. Als Ergebnis werden Bereiche erzeugt, die nicht für eine hinreichende Kapazität sorgen. Unter diesen Bedingungen wird ein Problem erzeugt. Das heißt, ein Effekt der Kapazitätsvergrößerung durch Vergrößern der gegenüberliegenden Flächen zwischen den Elektroden der Kondensato ren durch Bildung einer Rauhheit auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 kann nicht erreicht werden.

Wie oben beschrieben wird die dielektrische Gateschicht mit einer dünnen Filmdicke gebildet, um die Kapazität des Kondensators zu erhöhen. Wenn daher ein Kurvenradius der rauhen Teile auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 klein verglichen mit der Film dicke der dielektrischen Gateschicht ist, wird leicht eine elek trische Feldkonzentration in der Nähe derartiger hervorstehender Teile erzeugt. Als Ergebnis wird die Zuverlässigkeit des Kondensa tors vermindert, durch eine Verminderung einer Durchschlagsspannung der dielektrischen Gateschicht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstel len eines Kondensators zu schaffen, das effektiv eine rauhe Ober fläche, die in einer unteren Elektrode des Kondensators gebildet wird, als Kapazitätsbereich nutzen kann.

Dabei soll ein Herstellungsverfahren für einen Kondensator ge schaffen werden, durch das eine Durchschlagsspannung einer dielek trischen Schicht verbessert werden kann, die auf der Oberfläche einer unteren Elektrode eines Kondensators mit rauher Oberfläche gebildet ist.

Die Aufgabe wird durch das Herstellungsverfahren nach den Patent ansprüchen 1 und 5 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrie ben.

Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Kondensators, der durch eine gestapelte Struktur gebildet wird, aus einer ersten durch eine Siliziumschicht auf einem Halbleiter substrat gebildeten Elektrodenschicht, einer dielektrischen Schicht sowie einer zweiten Elektrodenschicht. Er umfaßt die fol genden Schritte. Zuerst wird eine Siliziumschicht für eine erste Elektrodenschicht durch eine CVD-Methode, bei der ein polykri stallines Siliziumkorn in amorphem Silizium enthalten ist, auf einer Siliziumschicht geformt, mit semisphärischen Vorsprüngen. Zweitens wird ein Siliziumoxidfilm auf der Oberfläche der Silizi umschicht durch Oxidieren der Oberfläche der Siliziumschicht mit den semisphärischen Vorsprüngen gebildet. Dann wird schließlich der Siliziumoxidfilm entfernt, und die Oberfläche der Silizium schicht wird freigelegt. Danach wird eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildet. Ferner wird eine zweite Elektrodenschicht auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht gebildet.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren, wenn eine Silizi umschicht, in der ein polykristallines Siliziumkorn in amorphem Silizium enthalten ist, durch eine CVD-Aufbringungsmethode gebil det wird, werden semisphärische Vorsprünge in der Dimension von 100 nm auf eine Oberfläche der Siliziumschicht gebildet. Wenn die Oberfläche der Siliziumschicht mit der Rauhheit oxidiert wird, wird ein Siliziumoxidfilm entlang der rauhen Oberfläche der Sili ziumschicht gebildet. Ein Teil des Siliziumoxidfilms wird durch eine interne Reaktion von der Oberfläche der ursprünglichen Sili ziumschicht gebildet. Wenn dieser Siliziumoxidfilm entfernt wird, wird die Oberfläche der Siliziumschicht mit der Rauhheit gleichmä ßig entfernt, und dadurch werden die Abstände zwischen den hervor stehenden Teilen der Oberfläche der Siliziumschicht expandiert (ausgedehnt). Wenn eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildet wird, deren rauhe Form angepaßt ist, wird die dielektrische Schicht fast gleichmäßig entlang der Ober flächenform der rauhen Siliziumschicht gebildet. Als Ergebnis wer den die einander gegenüberstehenden Flächen zwischen den Elektro den, die die dielektrische Schicht von oben und unten einschlie ßen, erhöht, und die Kapazität des Kondensators erhöht sich.

Ein weiteres Verfahren zum Herstellen eines Kondensators umfaßt die folgenden Schritte.

Zuerst wird eine Siliziumschicht, die eine erste Elektrodenschicht wird, in einem Übergangsstadium zwischen polykristallin und amorph, durch Benutzung einer CVD-Methode gebildet. Zweitens wird die Siliziumschicht thermisch behandelt, wobei die Oberfläche der Siliziumschicht freigelegt ist. Daher wird eine dielektrische Schicht auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildet. Ferner wird eine zweite Elektrodenschicht auf einer Oberfläche der die lektrischen Schicht gebildet.

Bei einem weiteren Herstellungsverfahren wird eine thermische Be handlung durchgeführt, nach der Bildung einer Siliziumschicht, in einem Übergangsstadium von einer polykristallinen Siliziumschicht zu einer amorphen. Es wird angenommen, daß die Siliziumschicht im Übergangsstadium sich in dem Zustand von polykristallinen Körnern innerhalb eines Bereichs im amorphen Zustand befindet. Durch Durchführen der thermischen Behandlung unter dieser Bedingung wächst das Polykristall, und Rauhheit mit einer großen Krümmung (Wölbung) wird auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildet. Daher wird durch Bilden einer dielektrischen Schicht auf der Ober fläche der Siliziumschicht mit großem Kurvenradius und einer wei chen, rauhen Form eine lokale elektrische Feldkonzentration ver hindert, und daher die Zuverlässigkeit des Kondensators verbes sert.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Anwendungsbeispielen anhand der Figuren.

Von den Figuren zeigen

Fig. 1 ein Querschnitt einer Speicherzelle eines DRAM, die durch das Herstellungsverfahren entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde;

Fig. 2-11 Schnittansichten der Speicherzelle des DRAM entsprechend einer ersten Ausführungsform, in der Rei henfolge der Herstellungsschritte;

Fig. 12 eine vergrößerte Schnittansicht zum schematischen Darstellen einer unteren Elektrode eines in Fig. 6 gezeigten Kondensators;

Fig. 13 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht mit einer unteren Elektrode entsprechend eines in Fig. 7 gezeigten Kondensators;

Fig. 14 eine teilweise vergrößerte Schnittansicht mit einer unteren Elektrode entsprechend eines in Fig. 8 gezeigten Kondensators;

Fig. 15 eine Schnittansicht zum schematischen Zeigen eines durch eine CVD-Methode gebildeten Kondensators entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 16 eine Schnittansicht mit einem schematischen ab schnittsweisen Aufbau eines Kondensators, der durch das Verfahren einer ersten Ausführungsform herge stellt wurde;

Fig. 17 eine Schnittansicht mit der schematischen Ansicht eines Kondensators, der durch das Verfahren ent sprechend einer zweiten Ausführungsform hergestellt wurde;

Fig. 18 eine Schnittansicht mit einem ersten Hauptschritt zum Herstellen einer Speicherzelle eines DRAM ent sprechend einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 19 eine Schnittansicht mit einem Herstellungsschritt, der auf den in Fig. 18 gezeigten Herstellungs schritt folgt;

Fig. 20 eine Schnittansicht mit einem Herstellungsschritt, der dem in Fig. 19 gezeigten Herstellungsschritt folgt;

Fig. 21 eine Grafik mit dem Zusammenhang zwischen der Kapa zitätsanstiegsrate (Kondensatorvergrößerungsrate) eines Kondensators und dem Siliziumoxidfilm, der entsprechend einer ersten Ausführungsform gebildet wurde;

Fig. 22 eine Grafik mit dem Zusammenhang zwischen der Le bensdauer eines Kondensators und dem Siliziumoxid film, der entsprechend einer ersten Ausführungsform gebildet wurde;

Fig. 23 eine Grafik mit dem Zusammenhang zwischen einer angelegten Spannung und der Lebensdauer eines Kon densators, der entsprechend einer zweiten Ausfüh rungsform gebildet wurde;

Fig. 24 eine Schnittansicht einer Speicherzelle eines her kömmlichen DRAM;

Fig. 25-27 Schnittansichten der Speicherzelle des in Fig. 24 gezeigten DRAM in der Reihenfolge von Herstellungs schritten; und

Fig. 28 eine teilweise Schnittansicht mit einem Teil eines herkömmlichen Kondensators.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt eine Speicherzelle einen Transfer gate-Transistor 10 und einen Kondensator 20. Der Transfergate- Transistor 10 umfaßt ein Paar von n⁺ Störstellenbereichen 3a, 3b, die auf der Oberfläche eines p-Typ Siliziumsubstrats 1 gebildet sind, mit einem vorgegebenen Abstand dazwischen, sowie eine Gatee lektrode (Wortleitung) 5a, die mit einem darunter gebildeten dün nen Gateisolationsfilm 4 auf der Oberfläche des p-Typ Siliziumsub strats 1 gebildet ist. Eine Wortleitung 5b ist auf einer Oberflä che eines Feldoxidfilms 2 gebildet, der in einem vorgegebenen Be reich auf der Oberfläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 gebildet ist. Eine erste Isolationszwischenschicht 30 ist um die Gateelek trode 5a und die Wortleitung 5b diese bedeckend gebildet.

Der Kondensator 20 bildet einen sogenannten Kondensator vom Sta peltyp, gebildet durch eine gestapelte Schichtstruktur aus einer unteren Elektrode 21, einer dielektrischen Schicht 22 sowie einer oberen Elektrode 23. Die untere Elektrode 21 wird in zwei Bereiche strukturiert, für die Vereinfachung der Beschreibung. Ein erster Bereich ist ein Basisbereich 21a, der sich mit einer zwischenlie genden Isolationsschicht 30 von einer Oberfläche der Gateelektrode 5a bis zu einem oberen Bereich der Wortleitung 5b erstreckt. Ein zweiter Bereich ist ein zylindrischer Bereich 21b, der zylindrisch sich in einer vertikal aufsteigenden Richtung bezüglich der Ober fläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 von einer Oberfläche des Ba sisbereichs 21a erstreckt. Ein Stapeltypkondensator mit einer un teren Elektrode 21 einer derartigen Form wird als zylindrisch ge stapelter Kondensator bezeichnet. Eine Rauhtiefe von etwa 100 nm, die durch die unten beschriebene Herstellungsmethode erzeugt wird, wird auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 des zylindrisch gestapelten Kondensators gebildet. Durch diese Oberflächenform vergrößern sich die gegenüberliegenden Flächen der unten liegenden Elektrode 21 und der oberen Elektrode 23 mit der dazwischen lie genden Dielektrizitätsschicht 22, und die Kapazität des Kondensa tors vergrößert sich. Die dielektrische Schicht 22 wird durch eine gestapelte Schicht eines Siliziumnitridfilms und eines Silizium oxidfilms gebildet. Nitridfilme 15, 15 verbleiben auf einer Ober fläche der ersten Isolationszwischenschicht 30. Diese Nitridfilme 15, 15 dienen dazu, zu verhindern, daß die untere Isolationszwi schenschicht 30 während eines Herstellungsschritts überätzt wird.

Ferner bedeckt eine dicke zweite Isolationszwischenschicht 31 ei nen oberen Bereich eines gestapelten Kondensators 20. Eine Kon taktöffnung, die sich zu einem n⁺ Störstellenbereich 3b des Trans fergate-Transistors 10 erstreckt, ist auf einem vorgegebenen Be reich der zweiten Isolationszwischenschicht 31 gebildet. In dieser Kontaktöffnung wird ein zum Beispiel durch eine selektive CVD-Me thode gebildeter Wolframstopfen 8 gefüllt. Eine Bitleitung 7 wird auf einer Oberfläche der zweiten Isolationszwischenschicht 31 an geordnet und mit einem n⁺ Störstellenbereich 3b des Transfergate- Transistors 10 über den Wolframstopfen 8 verbunden. Eine dritte Isolationszwischenschicht 32 wird auf einem oberen Bereich einer Bitleitung 7 gebildet. Eine Isolationsschicht einer vorgegebenen Form wird auf einer Oberfläche der dritten Isolationszwischen schicht 32 gebildet.

Anschließend wird eine erste Ausführungsform des Herstellungsver fahrens der in Fig. 1 gezeigten Speicherzelle des DRAM beschrie ben.

Wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein dicker Feldoxidfilm 2 auf einem vorgegebenen Bereich der Oberfläche eines p-Typ Siliziumsubstrats 1 gebildet. Auf der Oberfläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 wird ein Gateoxidfilm 4 durch ein thermisches Oxidationsverfahren ge bildet. Danach werden die polykristalline Siliziumschicht und die Isolationsschicht auf dem Gesamtbereich der Oberfläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 aufgebracht und in einer vorgegebenen Weise bemustert. Dadurch werden eine Gateelektrode 5a und eine Wortlei tung 5b gebildet. Durch Zonenimplantation von Störstellen in die Oberfläche des p-Typ Siliziumsubstrats 1 unter Benutzung der Ga teelektrode 5a als Maske werden n⁺ Störstellenbereiche 3a und 3b gebildet. Danach wird die Isolationsschicht erneut auf dem gesam ten Bereich aufgebracht und durch anisotropes Ätzen selektiv ent fernt. Durch diesen Schritt wird die Isolationsschicht nur auf Seitenwänden der Gateelektrode 5a und der Wortleitung 5b beibehal ten. Folglich wird eine erste Isolationszwischenschicht 30 um die Gateelektrode 5a und die Wortleitung 5b herum gebildet. Nachdem ein dünner Nitridfilm 15 auf dem gesamten Bereich gebildet worden ist, wird dieser in einer vorgegebenen Form bemustert.

Wie in Fig. 3 gezeigt, wird eine polykristalline Siliziumschicht 210a auf dem gesamten Bereich auf dem p-Typ Siliziumsubstrat 1 durch eine Niederdruck-CVD-Methode aufgebracht und in einer vor gegebenen Form bemustert.

Wie in Fig. 4 gezeigt, wird ein dicker Siliziumoxidfilm 16 über den gesamten Bereich auf der Oberfläche der polykristallinen Sili ziumschicht 210a und dergleichen aufgebracht, und eine Öffnung 17 wird in einem vorgegebenen Bereich gebildet. In dieser Öffnung 17 wird eine Öffnung der polykristallinen Siliziumschicht 210a frei gelegt. Der Siliziumoxidfilm 16 wird benutzt, um einen zylindri schen Bereich 21b des zylindrisch gestapelten Kondensators zu bil den. Die Filmdicke des Bereichs, der auf den oberen Teil der poly kristallinen Siliziumschicht 210a aufgebracht wird, bestimmt die Höhe des zylindrischen Bereichs 21b des Kondensators. Nach dem Bilden eines Öffnungsbereichs 17 in einem Siliziumoxidfilm 16 wird eine polykristalline Siliziumschicht 210 mit der Filmdicke von etwa 50 nm in dieser Öffnung aufgebracht, sowie auf der Oberfläche des Siliziumoxidfilms 16, durch Einsatz einer Niederdruck-CVD-Me thode. Diese polykristalline Siliziumschicht wird bei einer Tempe ratur von etwa 620°C durch ein Niederdruck-CVD-Verfahren unter Benutzung von beispielsweise Silan gebildet.

Wie in Fig. 5 gezeigt, wird die polykristalline Siliziumschicht 210b durch anisotropes Ätzen selektiv geätzt. Durch dieses Ätzen wird ein Teil der polykristallinen Siliziumschicht 210b, die auf einer flachen Oberfläche des Siliziumoxidfilms 16 oder auf die Oberfläche des flachen Bereichs der polykristallinen Silizium schicht 210a gebracht ist, selektiv entfernt. Die polykristalline Siliziumschicht 210a und die selektiv übriggebliebene polykri stalline Siliziumschicht 210b werden integral (einstückig) gebil det. Danach wird der Siliziumoxidfilm 16, der zum Bilden des zy lindrischen Bereichs des zylindrisch gestapelten Kondensators be nutzt wurde, durch Ätzen entfernt. Ein Siliziumnitridfilm 15 ver hindert, daß die erste Isolationszwischenschicht 30 bei diesem Ätzschritt überätzt wird.

Wie in Fig. 6 gezeigt, wird eine Siliziumschicht auf der Oberflä che der polykristallinen Siliziumschichten 210a und 210b durch eine CVD (Chemical Vapor Desposition)-Methode gebildet, als Grund lage für die untere Elektrode des Kondensators. Die Filmbildungs umgebung der CVD-Methode benutzt ein Monosilangas, oder ein durch Stickstoff oder Helium verdünntes Monosilangas als Materialgas. Der Druck des Monosilangases wird auf 100 Pa oder weniger gesetzt, und die Filmbildungstemperatur wird auf nicht niedriger als 560°C und niedriger als 600°C gesetzt. Als ein Beispiel wird die Silizi umschicht mit einem Druck des Monosilangases von 15 Pa gebildet und die Filmbildungstemperatur wird auf 573°C gesetzt. In diesem Fall wird eine Rauhtiefe von etwa 100 nm auf der Oberfläche der Silizi umschicht gebildet. Herstellungsschritte der Siliziumschicht sind in "Fabrication of Storage Capacitance-Enhanced Capacitors with a Rough Electrode" Yoshio Hayashide et. al., Extended Abstracts of the 22nd Conference on Solid State Devices and Materials, 1990, Seiten 869-872 beschrieben.

Entsprechend wird eine untere Elektrode 21 durch Bemustern der Siliziumschicht mit rauher Oberfläche gebildet.

Wie in Fig. 7 gezeigt, wird durch Oxidieren der Siliziumschicht auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 ein Siliziumoxidfilm 25 auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildet.

Wie in Fig. 8 gezeigt, wird durch Entfernen des auf der Oberflä che des Siliziumfilms gebildeten Siliziumoxidfilms 25 mit einer Fluorwasserstoffsäure-Lösung die Oberfläche der Siliziumschicht freigelegt. Die rauhe Form (Kontur) der Oberfläche der unteren Elektrode 21 wird durch diesen Oxidationsschritt angepaßt (ausge glichen). Nachfolgend wird eine weitere Detailbeschreibung der in den Fig. 6 bis 8 gezeigten Schritte vorgenommen. Die Fig. 12 bis 14 sind teilweise vergrößerte Schnittansichten zum schemati schen Verdeutlichen der Form der Oberfläche der Siliziumschicht in den Schritten, wie sie in den Fig. 6 bis 8 gezeigt sind. Zuerst werden, wie in Fig. 12, die Fig. 6 entspricht, gezeigt, etwa 100 nm von semisphärischen Vorsprüngen auf der Oberfläche einer Siliziumschicht 210c gebildet, die durch eine CVD-Methode gebildet ist. Es bestehen teilweise verengte Stellen zwischen den Vorsprün gen. Wie in Fig. 13, entsprechend Fig. 7, gezeigt, wird eine Oxidbehandlung auf der Oberfläche der Siliziumschicht 210c durch geführt. Als Oxidverfahren wird eine thermische Oxidation in einer Dampfatmosphäre durchgeführt, bei einer Temperatur im Bereich von 800-1000°C, beispielsweise 850°C, für etwa 10 Minuten. Durch diese Oxidation wird ein Siliziumoxidfilm 25 mit einer Filmdicke von beispielsweise etwa 10 nm auf der Oberfläche der Silizium schicht 210c gebildet.

Etwa die Hälfte der Filmdicke des Siliziumoxidfilms 25 wird von der Oberfläche der ursprünglichen Siliziumschicht nach innen ge bildet. Daher ist eine Grenzfläche (Übergang) zwischen dem Silizi umoxidfilm 50 und der Siliziumschicht 210c von der Oberfläche der ursprünglichen Siliziumschicht 210c zurückversetzt. Als ein Ver fahren der thermischen Oxidation kommt nicht nur nasse Oxidation mit dem oben beschriebenen Dampf in Frage, sondern auch eine troc kene Oxidation unter einer Sauerstoffatmosphäre, oder einer Troc kenoxidation, die in einer Atmosphäre mit Wasserstoffchlorid (HCl) in Sauerstoff durchgeführt wird.

Wie in Fig. 14, entsprechend Fig. 8, gezeigt, wenn der auf der Oberfläche der Siliziumschicht 210c gebildete Siliziumoxidfilm 25 durch Benutzen einer Fluorwasserstoffsäure-Lösung oder dergleichen entfernt wird, werden die Abstände zwischen rauhen Bereichen, die auf der Oberfläche der Siliziumschicht 210c gebildet sind, ausge dehnt. Wenn die dielektrische Schicht, beispielsweise Nitridfilm, danach gebildet wird, kann verhindert werden, daß das dielektri sche Schichtmaterial in den Bereich zwischen den rauhen Abschnit ten auf der Oberfläche der Siliziumschicht gefüllt wird.

Um eine derartige Wirkung zu erzielen, wird die Dicke des Silizi umoxidfilm 25 so bestimmt, daß der Abstand zwischen den rauhen Bereichen, der dadurch ausgedehnt wird, daß der Siliziumoxidfilm nach innen von der Oberfläche der Siliziumschicht 210c eintritt, ein Zweifaches oder mehr der Dicke der dielektrischen Schicht be trägt.

Durch die oben beschriebenen Schritte wird, wie in Fig. 9 ge zeigt, der Siliziumnitridfilm auf der Oberfläche der unteren Elek trode 21 durch eine CVD-Methode aufgebracht. Dann wird durch Durchführen einer thermischen Oxidation auf der Oberfläche des Siliziumnitridfilms ein Siliziumoxidfilm gebildet. Folglich wird eine dielektrische Schicht 22, die aus einem Mehrschichtfilm aus dem Siliziumnitridfilm und dem Siliziumoxidfilm besteht, gebildet. Die dielektrische Schicht 22 weist eine Filmdicke von etwa 5-10 nm auf, äquivalent der Filmdicke des Oxidfilms. Eine obere Elektrode 23 aus einer polykristallinen Siliziumschicht wird auf der Ober fläche der dielektrischen Schicht 22 durch Benutzung einer CVD- Methode gebildet.

Wie in Fig. 10 gezeigt, wird eine dicke zweite Isolationszwi schenschicht 31 auf der gesamten Oberfläche des p-Typ Siliziumsub strats 1 gebildet, und die Kontaktöffnung wird an einem vorgegebe nen Bereich gebildet. Beispielsweise wird durch eine selektive CVD-Methode ein Metall wie Wolfram (W) in die Kontaktöffnung ge füllt, zum Formen eines Bitleitungskontakts 8.

Wie in Fig. 11 gezeigt, wird eine Bitleitung 7 auf der Oberfläche der zweiten Isolationszwischenschicht 31 gebildet. Zusätzlich wird eine dritte Isolationszwischenschicht 32 auf der Bitleitung 7 ge bildet. Eine Verbindungsschicht 11 wird auf der Oberfläche der dritten Isolationszwischenschicht 32 gebildet. Durch den oben be schriebenen Schritt wird ein Herstellungsschritt einer Speicher zelle mit einem zylindrisch gestapelten Kondensator vervollstän digt.

Die Siliziumschicht der unteren Elektrode 21 wird durch verschie dene thermische Behandlungen während der Verarbeitung beeinflußt, und in einen polykristallinen Zustand nach der Bildung der Silizi umschicht der unteren Elektrode 21 geändert. Allerdings bleibt die rauhe Form (Kontur) des Übergangs zwischen unterer Elektrode 21 und dielektrische Schicht 22 erhalten.

Der Zusammenhang zwischen der Filmdicke des Siliziumoxidfilms und der Kapazität wird festgestellt, durch Durchführen verschiedener Experimente mit dem Kondensator der Speicherzelle, die durch die obigen Schritte hergestellt wurde. Die Fig. 21 ist eine Grafik mit dem Zusammenhang zwischen der Filmdicke des Siliziumoxidfilms, der auf der Oberfläche der Siliziumschicht mit der rauhen Oberflä che gebildet wurde, und der Anstiegsrate der Kapazität des Konden sators. Der Anstieg der Kapazität des Kondensators beruht auf dem Kondensator mit einer relativ glatten unteren Elektrodenoberflä che, und deutet die Rate für den Fall an, daß plane hervorstehende Flächen identisch sind. Wie in Fig. 21 gezeigt, nimmt die Kapazi tät des Kondensators zu, durch Bilden der unteren Elektrode durch eine Siliziumschicht, die sich in einem Übergangsstadium von poly kristallin zu amorph befindet, durch eine Niederdruck-CVD-Methode. Wenn zusätzlich die Filmdicke des Oxidfilms, der auf der Oberflä che der Siliziumschicht gebildet ist, vergrößert wird, das heißt, wenn die Menge (das Maß) der Oberfläche der Siliziumschicht, die durch die Oxidbehandlung entfernt wird, vergrößert wird, wird, die Kapazität des Kondensators bis zu 1,9 mal in dem gezeigten Bereich, vergrößert.

Wie in Fig. 22 gezeigt, wird festgestellt, daß die lokale elek trische Feldkonzentration vermindert wird, und die Lebensdauer des Kondensators durch Ausgleichen der rauhen Form auf der Oberfläche der unteren Elektrode 21 durch Oxidation erhöht wird.

Anschließend wird ein Verfahren zum Herstellen einer Speicherzelle eines DRAM entsprechend einer zweiten Ausführungsform beschrieben.

Die Fig. 18 zeigt denselben Schritt wie den in Fig. 5 gezeigten bei der ersten Ausführungsform. Die Fig. 19 zeigt den in Fig. 6 gezeigten Schritt auf dieselbe Weise. Das heißt, in Fig. 19 wird eine Siliziumschicht 210c in einem Übergangsstadium zwischen poly kristallin und amorph auf der Oberfläche der polykristallinen Si liziumschichten 210a und 210b unter denselben Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform gebildet.

Wie in Fig. 20 gezeigt, wird unmittelbar nach der Bildung der Siliziumschicht 210c eine thermische Behandlung in Vakuum oder N₂ durchgeführt, oder in wirkungslosem Gas wie Ar für etwa 10 Minuten bis 5 Stunden, ohne die Halbleitervorrichtung (wafer) aus der Dampfablagerungsvorrichtung mit reduziertem Druck herauszunehmen, bei Temperaturen von 500-600°C. Diese thermische Behandlung än dert die Kristallinität der Siliziumschicht 210c, und der Kurven radius der Rauhheit der Oberfläche der Siliziumschicht wird ver größert. Wie oben erwähnt, die Siliziumschicht 210c mit der Rauh heit wird in einem Übergangsstadium zwischen polykristallinem Zu stand und amorphen Zustand gebildet. Allerdings ist eine polykri stalline Komponente und eine amorphe Komponente in der Schicht enthalten. Wenn eine thermische Behandlung in dem Vakuum oder dem wirkungslosen Gas unmittelbar nach der Bildung dieser Silizium schicht durchgeführt wird, wird die amorphe Komponente in eine polykristalline geändert, und die Siliziumatome in dem amorphen Silizium bewegen sich und vergrößern den Radius der Kurven der rauhen Bereiche. Ein derartiges Phänomen wird nur unter einer Be dingung beobachtet, wenn der Oxidfilm oder dergleichen nicht in der Oberfläche der Siliziumschicht existiert. Eine elektrische Konzentration (Feldkonzentration) an der rauhen Oberfläche wird entspannt, wenn der Kurvenradius der rauhen Bereiche auf eine der artige Weise vergrößert wird. Als Ergebnis wird eine Durchschlags spannung der auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildeten die lektrischen Schicht verbessert. Ferner wird die Zuverlässigkeit des Kondensators durch die Verbesserung der Durchschlagsspannung erhöht. Die Fig. 23 zeigt eine Grafik mit dem Zusammenhang zwi schen einer angelegten Spannung und der Lebensdauer des Kondensa tors, der durch das oben beschriebene Verfahren hergestellt wurde. Wie in Fig. 23 gezeigt, ist zu beobachten, daß je länger die thermische Behandlung unmittelbar nach der Bildung der Silizium schicht durchgeführt wird, desto länger die Kondensatorlebensdauer wird.

Anschließend wird ein Herstellungsverfahren an der Speicherzelle eines DRAM entsprechend einer dritten Ausführungsform beschrieben.

Die dritte Ausführungsform ist die Kombination der Oxidations schritte der unteren Elektrode 21 des Kondensators entsprechend der ersten Ausführungsform und der Schritt der thermischen Behand lung der unteren Elektrode entsprechend der zweiten Ausführungs form. Das heißt, nach den Schritten der Bildung der Silizium schicht, Bildung des Oxidfilms und Entfernen des Oxidfilms durch ein in den Fig. 6 bis 8 gezeigtes Niederdruck-CVD-Verfahren, wird der in Fig. 20 gezeigte Schritt der thermischen Behandlung kontinuierlich in einer sauerstofffreien Umgebung durchgeführt, im Niederdruck-Dampfablagerungsapparat. Das Aufweiten der Oberflä chenbereiche in der unteren Elektrode des Kondensators und das Vergrößern der Kondensatorlebensdauer sind ebenfalls bei diesem Herstellungsverfahren erreicht.

Nachfolgend wird der Querschnittsaufbau des Kondensators, der ent sprechend dieser Ausführungsform hergestellt ist, beschrieben. Die Fig. 15 bis 17 sind Schnittansichten, die jeweils den aufge schnittenen Aufbau des unter den folgenden Bedingungen hergestell ten Kondensators zeigen.

Die Fig. 15 zeigt eine untere Elektrode 21, die in einer Umgebung mit einer Temperatur von 573°C und 0,2 Torr durch eine CVD-Methode hergestellt wurde.

Die Fig. 16 zeigt einen Siliziumoxidfilm mit einer Filmdicke von 30 nm, der gebildet und nachfolgend, nach dem oben beschriebenen CVD-Schritt entfernt wurde.

Die Fig. 17 zeigt eine Glühverarbeitung, die für 10 Stunden im Vakuum nach dem in Fig. 15 gezeigten CVD-Schritt durchgeführt wird. Die Fig. 15 bis 17 sind maßstabsgetreu mit einer etwa 100 000 fachen Vergrößerung gezeichnet. Es ist deutlich, daß die Abstände zwischen den rauhen Bereichen auf der Oberfläche der un teren Elektrode 21 durch Oxidation verglichen mit den Fig. 15 und 16 vergrößert werden. Es sollte erwähnt werden, daß die Ober fläche der unteren Elektrode 21 in einer glatten Weise durch ther mische Behandlung gebildet wird, verglichen mit den Fig. 15 und 17.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde eine obere Elektrode 23 des Kondensators beschrieben, die in der polykristal linen Siliziumschicht gebildet wurde. Allerdings soll sie darauf nicht beschränkt sein, und ein Metallfilm mit hohem Schmelzpunkt, ein Metallsilizidfilm mit hohem Schmelzpunkt oder ein Film eines Verbindungsmaterials aus einem Stapel des polykristallinen Silizi umfilms und des Metallsilizidfilms mit hohem Schmelzpunkt können benutzt werden. Metalloxide wie Tantalperoxid können als dielek trische Gateschichten benutzt werden.

Bei der vorliegenden Erfindung vergrößert die Oxidation der rauhen Oberfläche der Siliziumschicht, die durch ein CVD-Verfahren gebil det wurde, und das Entfernen des Oxidfilms die in Abstände zwi schen den rauhen Bereichen, und daher können die Abstände als ef fektiver Kapazitätsbereich benutzt werden. Als Ergebnis kann die Kapazität des Kondensators ohne Anstieg der belegten Fläche durch den Kondensator erhöht werden.

Nach der Bildung der unteren Elektrode mit der rauhen Oberfläche durch die CVD-Methode wird eine thermische Behandlung in der sau erstofffreien Atmosphäre durchgeführt. Daher kann ein Kurvenradius der rauhen Oberfläche der unteren Elektrode vergrößert werden, und daher wird die Zuverlässigkeit des Kondensators vergrößert.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit einer ersten Elektrodenschicht, einer dielektrischen Schicht sowie einer zwei ten Elektrodenschicht auf einem Halbleitersubstrat, mit den Schritten
Bilden einer Siliziumschicht (210c) für die erste Elektroden schicht durch eine (VD-Methode, wobei ein polykristallines Silizi umkorn in amorphem Silizium enthalten ist und eine Oberfläche der Siliziumschicht mit semisphärischen Vorsprüngen gebildet wird,
Oxidieren der Oberfläche der Siliziumschicht mit den semisphäri schen Vorsprüngen und Bilden eines Siliziumoxidfilms (25) auf der Oberfläche der Siliziumschicht,
Entfernen von mindestens des Siliziumoxidfilms und Freilegen der Oberfläche der Siliziumschicht,
Bilden der dielektrischen Schicht (22) auf der Oberfläche der Si liziumschicht, und
Bilden der zweiten Elektrodenschicht (23) auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht.

2. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumoxidfilm isotrop entfernt wird.

3. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumschicht durch ein Niederdruck-CVD-Verfahren mit Hilfe eines Monosilan-Gases gebildet wird, wobei der Druck des Monosilan-Gases auf nicht niedriger als 10 Pa und nicht höher als 50 Pa gesetzt wird, und die Reaktionstemperatur auf nicht niedriger als 560°C und nicht höher als 600°C gesetzt wird.

4. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Oxidierens der Oberfläche der Siliziumschicht durch thermische Oxidation bei einer Temperatur im Bereich von 750°C bis 1000°C durchgeführt wird.

5. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators mit einer gesta pelten Struktur aus einer ersten Elektrodenschicht, einer dielek trischen Schicht und einer zweiten Elektrodenschicht auf einem Halbleitersubstrat, mit den Schritten:
Bilden einer Siliziumschicht für die erste Elektrodenschicht (210c) durch eine CVD-Methode, bei welcher ein polykristallines Siliziumkorn in amorphem Silizium enthalten ist und eine Oberflä che der Siliziumschicht mit semisphärischen Vorsprüngen gebildet wird,
thermisches Behandeln der Siliziumschicht, wobei die Oberfläche der Siliziumschicht freigelegt ist,
Bilden einer dielektrischen Schicht (22) auf der Oberfläche der Siliziumschicht, und
Bilden einer zweiten Elektrodenschicht (23) auf der Oberfläche der dielektrischen Schicht.

6. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der thermischen Behandlung der Siliziumschicht durch gehend in einer sauerstofffreien Umgebung nach der Bildung der Siliziumschicht durchgeführt wird.

7. Verfahren zum Herstellen eines Kondensators nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Behandlung der Siliziumschicht in einer wirkungs losen Gasatmosphäre bei einer Temperatur im Bereich von 500°C-600°C für 10 Minuten bis 5 Stunden durchgeführt wird.