JP2001015709A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2001015709A
JP2001015709A JP11182719A JP18271999A JP2001015709A JP 2001015709 A JP2001015709 A JP 2001015709A JP 11182719 A JP11182719 A JP 11182719A JP 18271999 A JP18271999 A JP 18271999A JP 2001015709 A JP2001015709 A JP 2001015709A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】DRAM等のキャパシタ電極用に好適な半球状
シリコン結晶粒(HSG―Si)の形成方法を提供す
る。 【解決手段】P型シリコン基板1上に不純物を含まない
非晶質の第1のシリコン膜10と不純物を8×1019
1.2×1020〔atoms/cm3〕含む非晶質の第
2のシリコン膜11を順次形成後、SiH4ガス雰囲気
で加熱後、真空中で所望の時間アニールし、第1のシリ
コン膜10と第2のシリコン膜11を結晶化させると同
時に半球状シリコン結晶粒(HSG―Si13)を第1
および第2のシリコン膜11表面からなるストレージノ
ード電極14表面に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に関し、特にDRAM等のキャパシタ電極用に好適な
多結晶シリコン膜の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、DRAMの高集積化に伴いセルサ
イズは縮小し、DRAMセルのキャパシタの占有面積は
小さくなる傾向にある。そこで、十分なキャパシタの容
量値を確保するため、占有面積当りの容量部面積が大き
く、耐α線特性やDRAMセル間の干渉が少なくできる
スタックトキャパシタやトレンチスタックトキャパシタ
が用いられている。しかし、64MビットのDRAMで
はセル面積は2μm2以下になると見込まれており、こ
れらの構造を用いたとしても、容量絶縁膜として厚さ5
nmという極めて薄い酸化シリコン膜が要求される。こ
の様に薄い酸化シリコン膜を欠陥なく均質にチップ全体
に形成することは極めて難しい。そこで、前述した容量
部面積を増やすことで容量絶縁膜厚を現状維持する方法
が考え出されている。
【0003】容量部面積を増やす方法としてはキャパシ
タ下部電極表面に半球状の多結晶シリコン結晶粒、所謂
HSG―Si(Hemisphere Grain−S
ilicon)を低圧CVD法によって形成する方法が
ある。しかし、この方法では、HSG―Siの結晶のサ
イズや密度の制御が難しい問題があり、この技術を改良
する方法として、特開平9―186302号公報には、
キャパシタ下部電極を非晶質または多結晶の第1のシリ
コン膜と不純物を含む非晶質の第2のシリコン膜から構
成し、これを真空中でアニールすることで第2のシリコ
ン膜表面にHSG―Siを形成する方法が開示されてい
る。
【0004】上記の方法では、HSG―Siの結晶のサ
イズや密度の制御にそれなりの効果が得られているが、
HSG―Siが成長する非晶質シリコン膜の不純物濃度
のバラツキにより非晶質シリコン膜表面にHSG―Si
が形成されない箇所が発生する問題があった。
【0005】上記の技術の改良方法として、非晶質シリ
コン膜中の不純物濃度を制御し、HSG―Siの結晶サ
イズや密度を制御する技術が、特許第2827958号
公報および特開平10―335607号公報に開示され
ている。
【0006】即ち、特許第2827958号公報の方法
は、ノード・コンタクト孔にN型多結晶シリコン膜を形
成した後、Si26ガスとPH3ガスとを原料ガスにし
て燐ドープ量が2×1020〜3×1020〔atoms/
cm3〕の非晶質シリコン膜を形成してパターニング
後、超高真空中で加熱処理して非晶質シリコン膜を凹凸
な表面を有するN型の多結晶シリコン膜に変換する方法
である。
【0007】また、特開平10―335607号公報に
開示された方法は、半導体基板に形成した非晶質または
多結晶質の第1のシリコン膜を所望の形状に加工し、第
1のシリコン膜の表面に自然酸化膜を形成した後、燐を
1×1020〜3×1020〔atoms/cm3〕ドープ
した非晶質の第2のシリコン膜と不純物を含まない非晶
質の第3のシリコン膜を減圧CVD法で形成し、さらに
大気に暴露することなく引き続きアニールすることによ
り、HSG―Siを形成している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上記の非晶質シリコン
膜中の不純物濃度を制御する方法では、HSG―Siの
結晶サイズや密度の制御に大きな効果が得られるように
なったが、まだなお次のような課題がある。
【0009】特許第2827958号公報の技術では非
晶質のシリコン膜の不純物濃度が大きいために、不純物
原子の偏析が生じ、これを核としてシリコン微結晶が形
成され、HSG―Si結晶成長の欠陥が増加する問題が
ある。
【0010】また、特開平10−335607号公報の
技術では、表面に不純物の添加されない非晶質シリコン
膜を形成するために、HSG―Si成長時にHSG―S
iへの不純物の供給が不足する箇所が発生し、HSG―
Si結晶サイズのバラツキが大きくなる問題があり、ま
た、HSG―Si形成後、導電性を増加させるために不
純物を注入する追加工程が必要である。
【0011】本発明の目的は上記の従来技術の問題点を
解決したキャパシタ電極用に好適な多結晶シリコン膜を
形成した半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の第1の構成は、
上部電極、誘電体膜、下部電極からなるキャパシタを有
する半導体装置の製造方法において、前記下部電極の形
成方法が、同じ減圧CVD装置内で半導体基板の一主面
上に不純物が添加されたまたは不純物が添加されない第
1のシリコン膜と前記第1のシリコン膜よりも少なくと
も高濃度の不純物を添加した第2のシリコン膜を非晶質
に連続的に形成する工程と、前記第1のシリコン膜と前
記第2のシリコン膜を所望の形状に加工する工程と、S
iH4ガス雰囲気で加熱後、真空中で所望の時間アニー
ルし、前記第1のシリコン膜と第2のシリコン膜の露出
表面に半球状シリコン結晶粒を形成する工程とを含むこ
とを特徴とする。
【0013】前記第1のシリコン膜および前記第2のシ
リコン膜に添加される不純物が、燐または砒素であり、
それらのシリコン膜の不純物が互いに異なるものとする
ことができ、また、前記第1のシリコン膜および前記第
2のシリコン膜に添加される不純物が、燐または砒素で
あり、それらのシリコン膜の不純物が同一であり、前記
第1のシリコン膜の好ましい不純物濃度として8×10
19〜1.2×1020〔atoms/cm3〕、前記第1
のシリコン膜の不純物濃度を前記第1のシリコン膜の不
純物濃度よりも小さくすることができる。
【0014】本発明の第2の構成は、上部電極、誘電体
膜、下部電極からなるキャパシタを有する半導体装置の
製造方法において、前記下部電極の形成方法が、同じ減
圧CVD装置内で半導体基板の一主面上に不純物が添加
された非晶質の第1のシリコン膜と前記第1のシリコン
膜と異なる不純物を添加した非晶質の第2のシリコン膜
と前記第1の不純物と同じ不純物を添加した非晶質の第
3のシリコン膜を連続的に形成する工程と、前記第1の
シリコン膜、前記第2のシリコン膜および前記第3のシ
リコン膜を所望の形状に加工する工程と、SiH4ガス
雰囲気で加熱後、真空中で所望の時間アニールし前記第
1、第2および第3のシリコン膜の露出面に半球状シリ
コン結晶粒を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0015】上記の本発明の第2の構成において、前記
第1のシリコン膜,前記第2のシリコン膜および前記第
3のシリコン膜に添加される前記不純物が、燐または砒
素であり、前記第1のシリコン膜と前記第3のシリコン
膜の前記不純物が同一であり、前記第2のシリコン膜の
不純物と異なる構成とすることができ、また、前記第2
のシリコン膜の好ましい不純物濃度として8×1019
1.2×1020〔atoms/cm3〕、前記第3のシ
リコン膜の好ましい不純物濃度として8×101 9〜1.
2×1020〔atoms/cm3〕とすることができ
る。
【0016】本発明の第3の構成は、上部電極、誘電体
膜、下部電極からなるキャパシタを有する半導体装置の
製造方法において、前記下部電極の形成方法が、同じ減
圧CVD装置内で半導体基板の一主面上に不純物が添加
された非晶質の第1のシリコン膜と前記第1のシリコン
膜上に不純物が添加されたまたは不純物が添加されない
非晶質の第2のシリコン膜と前記第2のシリコン膜より
も高濃度の同じ不純物を添加した非晶質の第3のシリコ
ン膜を連続的に形成する工程と、前記第1のシリコン
膜、前記第2のシリコン膜および前記第3のシリコン膜
を所望の形状に加工する工程と、SiH4ガス雰囲気で
加熱後、真空中で所望の時間アニールし前記第第1、第
2および第3のシリコン膜の露出面に半球状シリコン結
晶粒を形成する工程とを含むことを特徴とする。
【0017】本発明の上記第3の構成において、前記第
1,第2および第3のシリコン膜に添加される不純物と
して、燐または砒素を使用することができ、前記第3の
シリコン膜中の不純物の燐または砒素の好ましい濃度を
8×1019〜1.2×1020〔atoms/cm3〕と
することができる。
【0018】本発明では、キャパシタの下部電極を同じ
CVD装置内で連続した複層の非晶質のシリコン膜から
構成して各膜中の不純物濃度、特に上層のシリコン膜中
の不純物濃度を8×1019〜1.2×1020〔atom
s/cm3〕にそれと隣接する下層のシリコン膜中の不
純物の種類を変えて上層濃度と同じ不純物濃度にするか
または上層のシリコン膜と同じ不純物を使用して上層の
シリコン膜の不純物濃度より下層のシリコン膜中の不純
物濃度を下げることにより上層のシリコン膜堆積中の該
膜中のポリシリコンの微結晶の析出を抑制することがで
きる。その結果、下部電極表面に半球状シリコン結晶粒
(HSG−Si)の成長欠陥発生を低減することができ
る。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施
の形態のDRAMの容量素子の製造工程の断面模式図で
ある。まず、P型シリコン基板1の表面の素子分離領域
には、フィールド絶縁膜としてLOCOS型のフィール
ド酸化膜2が形成される。P型シリコン基板1の表面の
素子形成領域には、ゲート絶縁膜として熱酸化による膜
厚10nm程度のゲート酸化膜3が形成される。ワード
線を兼ねたゲート電極4がP型シリコン基板1の表面上
に形成される。P型シリコン基板1の表面の素子形成領
域には、ゲート電極4およびフィールド酸化膜2に自己
整合的に、砒素のイオン注入等により、ソース・ドレイ
ン領域となるN型拡散層5,6が形成される。
【0020】続いて、高温CVD法による酸化シリコン
膜(HTO膜),BPSG膜等からなる平坦化された表
面を有する膜厚0.5μm程度の第1の層間絶縁膜(表
示しない)を形成した後、N型拡散層6に達するビット
・コンタクト孔を第1の層間絶縁膜に形成し、膜厚0.
2μm程度,線幅0.3μm程度のタングステン・シリ
サイド膜からなるビット線を形成し、さらにBPSG膜
等からなる表面が平坦な膜厚0.5μm程度の第2の層
間絶縁膜を形成し、全面に酸化シリコン系の複数層の絶
縁膜からなる膜厚1μm程度の層間絶縁膜7が形成され
る。
【0021】次にフォトレジスト膜8をマスクにした反
応性イオンエッチング(RIE)法等の異方性エッチン
グにより、ソース・ドレイン領域の一方のN型拡散層5
に達するノード・コンタクト孔9が形成される(図1
(a))。
【0022】次に、フォトレジスト膜8を除去した後、
SiH4ガスを原料ガスに用いた500〜550℃程度
での0.5〜1torrの圧力の減圧気相成長(LPC
VD)法により、ノードコンタクト孔の壁を含む層間絶
縁膜7の表面に非晶質の第1のシリコン膜10を厚さ1
00nm程度に被覆する。
【0023】次に、同じCVD装置内にさらにSiH4
ガスにPH3ガスを添加してLPCVD法により、第1
のシリコン膜10の表面上に膜厚500nm程度の燐を
ドープした非晶質の第2のシリコン膜11を連続的に形
成する(図1(b))。第2のシリコン膜11の燐(不
純物)濃度は、PH3の流量を調節することで8×101
9〜1.2×1020〔atoms/cm3〕に制御され
る。燐の濃度が8×1019〔atoms/cm3〕より
も小さくなるとHSG―Siへの不純物の供給が不充分
となり、1.2×1020〔atoms/cm3〕を越え
るとHSG―Si中の欠陥が増加する。第1のシリコン
膜中に不純物を添加させずにの不純物と第2のシリコン
膜中の不純物の種類を異なるようにすることで第2のシ
リコン膜中の不純物の偏析を抑制できることがわかっ
た。なお、上記では、第1のシリコン膜中には不純物を
添加しなかったが、第2のシリコン膜よりも少ない同じ
不純物をドープしてもよい。第1のシリコン膜中の不純
物濃度を第2のシリコン膜中の不純物濃度よりも小さく
することによって第1のシリコン膜と第2のシリコン膜
の界面におけるポリシリコン微結晶の形成を防止でき、
第2のシリコン膜の不純物を濃度を上記の濃度に制御す
ることの相乗作用により第2のシリコン膜堆積時の該膜
中のポリシリコン結晶成長が抑制され、後工程における
HSG−Si成長を効率よく行うことができる。
【0024】次に、ストレージノード電極(キャパシタ
下部電極)の形成予定領域上を覆うフォトレジスト膜1
2を第2のシリコン膜11の表面上に形成(図1
(c))した後、フォトレジスト膜12をマスクにした
異方性エッチングにより、第1のシリコン膜10を下層
とし第2のシリコン膜11を上層とする積層膜パターン
を形成する。フォトレジスト膜12を除去した後、アン
モニア(NH4OH)と過酸化水素(H22)水との混
合液により第2のシリコン膜11表面を洗浄した後、、
弗酸(HF)により第2のシリコン膜11表面の自然酸
化膜を除去する。
【0025】続いて、温度550〜570℃のLPCV
D法でSiH4ガスを50〜100sccmで約30分
間流して第2のシリコン膜11を熱処理した後、さらに
SiH4ガスを止めて約1時間熱処理して第1のシリコ
ン膜10の側面と第2のシリコン膜11の側面および表
面に粒径5〜10nmのHSG―Si13を成長させス
トレージノード電極14が形成される(図1(d))。
上記熱処理で第1および第2のシリコン膜は多結晶化さ
れる。
【0026】次に、870℃程度のアンモニア(NH
3 )ガス雰囲気で60秒程度の急速熱窒化(RTN)を
行ない、第1および第2のシリコン膜表面に膜厚0.5
nm程度の窒化シリコン膜(図示せず)を形成する。L
PCVD法により、全面に膜厚6nm程度の窒化シリコ
ン膜(図示せず)を形成した後、850℃程度のスチー
ム雰囲気に30分程度曝し、窒化シリコン膜の表面に熱
酸化による酸化シリコン膜(図示せず)を形成し、酸化
シリコン膜換算膜厚が50nm程度の容量絶縁膜15を
形成する。
【0027】続いて、膜厚150〜200nm程度のN
型多結晶シリコン膜を形成し、このN型多結晶シリコン
膜からなるセルプレート電極16形成し、本実施の形態
による容量素子が完成する(図1(e))。
【0028】図2は上記第1の実施の形態において、第
2のシリコン膜中のドープ燐濃度とウエハー上のHSG
―Si結晶欠陥(HSG―Siが形成しない箇所)発生
個数を調べた結果である。燐濃度が1.2×1020〔a
toms/cm3〕を越えると結晶欠陥個数が急激に増
加してくることがわかる。燐濃度が1.0×1020〔a
toms/cm3〕以下では結晶欠陥個数は非常に小さ
くなるが、シリコン膜の導電性を考慮して第2シリコン
膜の燐濃度の下限値は8.0×1019〔atoms/c
3〕に制御した。
【0029】上記の第1の実施の形態では第2のシリコ
ン膜中の不純物として燐を使用したが、砒素を使用して
もよい。
【0030】次に本発明の第2の実施の形態について説
明する。第2の実施の形態では上記の第1の実施の形態
において、第1のシリコン膜に不純物として第2の不純
物と異なる砒素をドープし、上記の第1の実施の形態と
同様な効果を得ることができる。第1のシリコン膜中の
砒素のドープ量は8.0×1019〜1.2×1020〔a
toms/cm3〕に制御される。第1のシリコン膜中
に前記濃度の砒素をドープすることにより第1のシリコ
ン膜と第2のシリコン膜の界面でのポリシリコン微結晶
の形成を抑制し、また第1のシリコン膜中の不純物であ
る砒素が第2のシリコン膜中へ拡散しても燐の濃度上昇
は抑制できるために第2のシリコン膜中のポリシコン微
結晶の形成は防止できる。また第1のシリコン膜に砒素
をドープすることによって第1の実施の形態と比較して
半導体基板との接触抵抗を低減できる効果がある。
【0031】なお、上記の第2の実施の形態において、
第1のシリコン膜の不純物として燐を、第2のシリコン
膜中の不純物として砒素を使用しても同じ効果が得られ
る。
【0032】次に本発明の第3の実施の形態について図
3を参照して説明する。図3は本発明の第3の実施の形
態のDRAMの容量素子の製造工程の断面模式図であ
る。まず、P型シリコン基板1の表面の素子分離領域に
は、フィールド絶縁膜としてLOCOS型のフィールド
酸化膜2が形成される。P型シリコン基板1の表面の素
子形成領域には、ゲート絶縁膜として熱酸化による膜厚
10nm程度のゲート酸化膜3が形成される。ワード線
を兼ねたゲート電極4がP型シリコン基板1の表面上に
形成される。P型シリコン基板1の表面の素子形成領域
には、ゲート電極4およびフィールド酸化膜2に自己整
合的に、砒素のイオン注入等により、ソース・ドレイン
領域となるN型拡散層5,6が形成される。
【0033】続いて、高温CVD法による酸化シリコン
膜(HTO膜),BPSG膜等からなる平坦化された表
面を有する膜厚0.5μm程度の第1の層間絶縁膜(表
示しない)を形成した後、N型拡散層6に達するビット
・コンタクト孔を第1の層間絶縁膜に形成し、膜厚0.
2μm程度,線幅0.3μm程度のタングステン・シリ
サイド膜からなるビット線を形成し、さらにBPSG膜
等からなる表面が平坦な膜厚0.5μm程度の第2の層
間絶縁膜を形成し、全面に酸化シリコン系の複数層の絶
縁膜からなる膜厚1μm程度の層間絶縁膜7が形成され
る。
【0034】次にフォトレジスト膜8をマスクにした反
応性イオンエッチング(RIE)法等の異方性エッチン
グにより、ソース・ドレイン領域の一方のN型拡散層5
に達するノードコンタクト孔9が形成される(図3
(a))。
【0035】次に、上記フォトレジスト膜8を除去した
後、SiH4ガスとPH3ガスを原料ガスに用いた500
〜550℃程度での0.5〜1torrの圧力の減圧気
相成長(LPCVD)法により、ノードコンタクト孔9
の壁を含む層間絶縁膜7の表面に燐をドープした非晶質
の第1のシリコン膜10を厚さ100nm程度に被覆す
る。第1のシリコン膜10中の燐のドープ濃度は2×1
20〜5×1020〔atoms/cm3〕になるように
PH3の流量を調節することで制御される。
【0036】第1のシリコン膜10中に燐は半導体基板
とキャパシタ下部電極との接続抵抗を下げるために添加
され、5×1020〔atoms/cm3〕をこえると半
導体基板表面の拡散層中の不純物濃度を増加させ、トラ
ンジスタの特性に影響を与えるために上記濃度範囲に制
御される。
【0037】次に、第1のシリコン膜形成した同じ装置
でPH3ガスをAsH3ガスに変えて、第1のシリコン膜
10の表面上に膜厚100〜200nm程度の砒素をド
ープした非晶質の第2のシリコン膜11aを連続的に形
成する。第2のシリコン膜11の砒素(不純物)濃度
は、AsH3の流量を調節することで8×1019〜1.
2×1020〔atoms/cm3〕に制御される。第2
のシリコン膜中に前記濃度の砒素をドープすることによ
り第2のシリコン膜と続いて堆積する第2のシリコン膜
の界面でのポリシリコン微結晶の形成を抑制し、また第
2のシリコン膜中の不純物である砒素が第3のシリコン
膜中へ拡散しても燐の濃度上昇は抑制できるために第3
のシリコン膜中のポリシコン微結晶の形成は防止でき、
第3のシリコン膜表面にHSG−Siを効率よく成長さ
せることができる。
【0038】続いて、SiH4ガスとPH3ガスとを原料
ガスとするLPCVD法により、第2のシリコン膜11
aの表面上に膜厚500nm程度の燐をドープした非晶
質の第3のシリコン膜11bを形成する(図3
(b))。第3のシリコン膜11bの燐(不純物)濃度
は、PH3の流量を調節することで8×1019〜1.2
×102 0〔atoms/cm3〕に制御される。第3の
シリコン膜11b中の燐の濃度が8×1019〔atom
s/cm3〕よりも小さくなるとHSG―Siへの不純
物の供給が不充分となり、燐の濃度が1.2×10
20〔atoms/cm3〕を越えるとHSG―Si中の
欠陥が増加する。同じ燐の不純物を含む第1のシリコン
膜と第3のシリコン膜の間にこれらのシリコン膜の不純
物と相違する砒素を含む第2のシリコン膜を設けること
により第3のシリコン膜中の導電性は第2のシリコン膜
中からの砒素の拡散により向上することができると同時
に、第3のシリコン膜中の燐の不純物濃度の増加は抑制
できるため第3のシリコン膜中の燐の偏析を抑制できH
SG―Si結晶欠陥を低減できる。
【0039】次に、ストレージノード電極(キャパシタ
下部電極)の形成予定領域上を覆うフォトレジスト膜1
2を第3のシリコン膜11bの表面上に形成(図3
(c))した後、フォトレジスト膜12をマスクにした
異方性エッチングにより、第1のシリコン膜10を下
層、第2のシリコン膜11aを中間層、第3のシリコン
膜11bを上層とする三層の積層膜パターンを形成す
る。フォトレジスト膜12を除去した後、アンモニア
(NH4OH)と過酸化水素(H22)水との混合液に
より第3のシリコン膜11b表面を洗浄した後、弗酸
(HF)により第3のシリコン膜11b表面の自然酸化
膜を除去する。
【0040】続いて、温度550〜570℃のLPCV
D法でSiH4ガスを50〜100sccmで約30分
間流して第3のシリコン膜11bを熱処理した後、さら
にSiH4ガスを止めて約1時間熱処理して第1のシリ
コン膜10および第2のシリコン膜11aの側面と第3
のシリコン膜11bの側面および表面に粒径5〜10n
mのHSG―Si13を成長させストレージノード電極
14aが形成される(図3(d))。上記熱処理で第
1,第2および第3のシリコン膜は多結晶化される。
【0041】次に、870℃程度のアンモニア(N
3)ガス雰囲気で60秒程度の急速熱窒化(RTN)
を行ない、第1,第2および第3のシリコン膜表面に膜
厚0.5nm程度の窒化シリコン膜(図示せず)を形成
する。LPCVD法により、全面に膜厚6nm程度の窒
化シリコン膜(図示せず)を形成した後、850℃程度
のスチーム雰囲気に30分程度曝し、窒化シリコン膜の
表面に熱酸化による酸化シリコン膜(図示せず)を形成
し、酸化シリコン膜換算膜厚が50nm程度の容量絶縁
膜15を形成する。
【0042】続いて、膜厚150〜200nm程度のN
型多結晶シリコン膜を形成し、このN型多結晶シリコン
膜からなるセル・プレート電極16形成し、本実施の形
態による容量素子が完成する(図3(e))。
【0043】なお、上記の第3の実施の形態では、第
1、第3のシリコン膜の不純物として燐を、第2のシリ
コン膜の不純物として砒素を使用したが、その逆の不純
物を使用しても同じ効果を得ることができる。
【0044】次に本発明の第4の実施の形態について図
4を参照して説明する。図4は本発明の第4の実施の形
態のDRAMの容量素子の製造工程の断面模式図であ
る。まず、P型シリコン基板1の表面の素子分離領域に
は、フィールド絶縁膜としてLOCOS型のフィールド
酸化膜2が形成される。P型シリコン基板1の表面の素
子形成領域には、ゲート絶縁膜として熱酸化による膜厚
10nm程度のゲート酸化膜3が形成される。ワード線
を兼ねたゲート電極4がP型シリコン基板1の表面上に
形成される。P型シリコン基板1の表面の素子形成領域
には、ゲート電極4およびフィールド酸化膜2に自己整
合的に、砒素のイオン注入等により、ソース・ドレイン
領域となるN型拡散層5,6が形成される。
【0045】続いて、高温CVD法による酸化シリコン
膜(HTO膜),BPSG膜等からなる平坦化された表
面を有する膜厚0.5μm程度の第1の層間絶縁膜(表
示しない)を形成した後、N型拡散層6に達するビット
・コンタクト孔を第1の層間絶縁膜に形成し、膜厚0.
2μm程度,線幅0.3μm程度のタングステン・シリ
サイド膜からなるビット線を形成し、さらにBPSG膜
等からなる表面が平坦な膜厚0.5μm程度の第2の層
間絶縁膜を形成し、全面に酸化シリコン系の複数層の絶
縁膜からなる膜厚1μm程度の層間絶縁膜7が形成され
る。
【0046】次にフォトレジスト膜8をマスクにした反
応性イオンエッチング(RIE)法等の異方性エッチン
グにより、ソース・ドレイン領域の一方のN型拡散層5
に達するノード・コンタクト孔9が形成される(図4
(a))。
【0047】次に、上記フォトレジスト膜8を除去した
後、SiH4ガスとPH3ガスを原料ガスに用いた500
〜550℃程度での0.5〜1torrの圧力の減圧気
相成長(LPCVD)法により、ノードコンタクト孔9
の壁を含む層間絶縁膜7の表面に燐をドープした非晶質
の第1のシリコン膜10を厚さ100nm程度に被覆す
る。以上の工程は上記の第3の実施の形態と同じであ
る。第1のシリコン膜10中の燐のドープ濃度は2×1
20〜5×1020〔atoms/cm3〕になるように
PH3の流量を調節することで制御される。
【0048】次に、第1のシリコン膜形成装置と同じ装
置で、SiH4ガスのみを原料ガスとするLPCVD法
により、第1のシリコン膜10の表面上に膜厚50〜1
00nm程度の非晶質の第2のシリコン膜11cを連続
堆積する。本実施の形態では第2のシリコン膜11cに
不純物をドープしないが、後工程でこのシリコン膜上に
形成する第3のシリコン膜中への不純物の拡散を低減で
きるために第3のシリコン膜中の不純物の偏析を防止で
きる効果がある。
【0049】続いて、第2のシリコン膜形成装置と同じ
装置でSiH4ガスとPH3ガスとを原料ガスとするLP
CVD法により、第2のシリコン膜11cの表面上に膜
厚500〜600nmの燐をドープした非晶質の第3の
シリコン膜11dを堆積する(図4(b))。第3のシ
リコン膜11dの燐(不純物)濃度は、PH3の流量を
調節することで8×1019〜1.2×1020〔atom
s/cm3〕に制御される。第3のシリコン膜11d中
の燐の濃度が8×1019〔atoms/cm3〕よりも
小さくなるとHSG―Siへの不純物の供給が不充分と
なり、燐の濃度が1.2×1020〔atoms/c
3〕を越えるとHSG―Si中の欠陥が増加する。
【0050】なお、上記の第4の実施の形態の第2のシ
リコン膜には不純物を添加しなかったが、第3のシリコ
ン膜中の不純物と同じ不純物を第3のシリコン膜よりも
少ない濃度にドープしてもよい。
【0051】次に、ストレージノード電極(キャパシタ
下部電極)の形成予定領域上を覆うフォトレジスト膜1
2を第3のシリコン膜11dの表面上に形成(図4
(c))した後、フォトレジスト膜12をマスクにした
異方性エッチングにより、第1のシリコン膜10を下
層、第2のシリコン膜11cを中間層、第3のシリコン
膜11dを上層とする三層の積層膜パターンを形成す
る。フォトレジスト膜12を除去した後、アンモニア
(NH4OH)と過酸化水素(H22)水との混合液に
より第3のシリコン膜11d表面を洗浄した後、弗酸
(HF)により第3のシリコン膜11d表面の自然酸化
膜を除去する。
【0052】続いて、温度550〜570℃のLPCV
D法でSiH4ガスを50〜100sccmで約30分
間流して第3のシリコン膜11dを熱処理した後、さら
にSiH4ガスを止めて約1時間熱処理して第3のシリ
コン膜11dの表面に粒径5〜10nmのHSG―Si
13を成長させ、第1のシリコン膜10および第2のシ
リコン膜11cの側面と第3のシリコン膜の側面と表面
にHSG―Si13が成長したストレージノード電極1
4bが形成される(図4(d))。上記熱処理で第1,
第2および第3のシリコン膜は多結晶化される。
【0053】次に、870℃程度のアンモニア(N
3)ガス雰囲気で60秒程度の急速熱窒化(RTN)
を行ない、第1,第2および第3のシリコン膜表面に膜
厚0.5nm程度の窒化シリコン膜(図示せず)を形成
する。LPCVD法により、全面に膜厚6nm程度の窒
化シリコン膜(図示せず)を形成した後、850℃程度
のスチーム雰囲気に30分程度曝し、窒化シリコン膜の
表面に熱酸化による酸化シリコン膜(図示せず)を形成
し、酸化シリコン膜換算膜厚が50nm程度の容量絶縁
膜15を形成する。
【0054】続いて、膜厚150〜200nm程度のN
型多結晶シリコン膜を形成し、このN型多結晶シリコン
膜からなるセルプレート電極16形成し、本実施の形態
による容量素子が完成する(図4(e))。
【0055】
【発明の効果】本発明はキャパシタストレージノード電
極のHSG―Si形成する上層の非晶質シリコン膜中の
不純物濃度を8×1019〜1.2×1020〔atoms
/cm 3〕に制御し、これに隣接する下層の非晶質シリ
コン膜中に上層のシリコン膜中の濃度よりも小さい濃度
の不純物を添加するか、または上層の非晶質シリコン膜
中の不純物と異なる不純物を添加することによりHSG
―Si結晶の欠陥(微小なHSG未形成領域)を著しく
減少させることができる効果が得られる。これにより、
キャパシタ表面の凹凸のバラツキが無くなり、キャパシ
タ製造歩留まりが向上し、また、市場でのDRAM等の
半導体装置の信頼性を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態のDRAMの容量素
子の製造工程の断面模式図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態における第2のシリ
コン膜中の不純物(燐)濃度とHSG―Si結晶欠陥の
発生個数の調査結果のグラフである。
【図3】本発明の第3の実施の形態のDRAMの容量素
子の製造工程の断面模式図である。
【図4】本発明の第4の実施の形態のDRAMの容量素
子の製造工程の断面模式図である。
【符号の説明】
1 P型シリコン基板 2 フィールド酸化膜 3 ゲート酸化膜 4 ゲート電極 5,6 N型拡散層 7 層間絶縁膜 8,12 フォトレジスト膜 9 ノードコンタクト孔 10 第1のシリコン膜 11,11a,11c 第2のシリコン膜 11b,11d 第3のシリコン膜 13 HSG―Si 14,14a,14b ストレージノード電極 15 容量絶縁膜 16 セルプレート電極

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 上部電極、誘電体膜、下部電極からなる
    キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、前
    記下部電極の形成方法が、同じ減圧CVD装置内で半導
    体基板の一主面上に不純物が添加されたまたは不純物が
    添加されない第1のシリコン膜と前記第1のシリコン膜
    よりも少なくとも高濃度の不純物を添加した第2のシリ
    コン膜を非晶質に連続的に形成する工程と、前記第1の
    シリコン膜と前記第2のシリコン膜を所望の形状に加工
    する工程と、SiH4ガス雰囲気で加熱後、真空中で所
    望の時間アニールし、前記第1のシリコン膜と第2のシ
    リコン膜の露出表面に半球状シリコン結晶粒を形成する
    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. 【請求項2】 前記第1のシリコン膜および前記第2の
    シリコン膜に添加される不純物が、燐または砒素であ
    り、それらのシリコン膜の不純物が互いに異なることを
    特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記第2のシリコン膜の不純物濃度が8
    ×1019〜1.2×1020〔atoms/cm3〕であ
    る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第1のシリコン膜および前記第2の
    シリコン膜に添加される不純物が、燐または砒素であ
    り、それらのシリコン膜の不純物が同一であり、前記第
    1のシリコン膜の不純物濃度が8×1019〜1.2×1
    20〔atoms/cm3〕であり、前記第1のシリコ
    ン膜の不純物濃度が前記第1のシリコン膜の不純物濃度
    よりも小さいことを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置の製造方法。
  5. 【請求項5】 上部電極、誘電体膜、下部電極からなる
    キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、前
    記下部電極の形成方法が、同じ減圧CVD装置内で半導
    体基板の一主面上に不純物が添加された非晶質の第1の
    シリコン膜と前記第1のシリコン膜と異なる不純物を添
    加した非晶質の第2のシリコン膜と前記第1の不純物と
    同じ不純物を添加した非晶質の第3のシリコン膜を連続
    的に形成する工程と、前記第1のシリコン膜、前記第2
    のシリコン膜および前記第3のシリコン膜を所望の形状
    に加工する工程と、SiH4ガス雰囲気で加熱後、真空
    中で所望の時間アニールし前記第1、第2および第3の
    シリコン膜の露出面に半球状シリコン結晶粒を形成する
    工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記第1のシリコン膜,前記第2のシリ
    コン膜および前記第3のシリコン膜に添加される前記不
    純物が、燐または砒素であり、前記第1のシリコン膜と
    前記第3のシリコン膜の前記不純物が同一であり、前記
    第2のシリコン膜の不純物と異なることを特徴とする請
    求項5記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記第1のシリコン膜の不純物濃度が2
    ×1020〜5×10 20〔atoms/cm3〕である請
    求項5記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記第2のシリコン膜の不純物濃度が8
    ×1019〜1.2×1020〔atoms/cm3〕であ
    る請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記第3のシリコン膜の不純物濃度が8
    ×1019〜1.2×1020〔atoms/cm3〕であ
    る請求項5記載の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 上部電極、誘電体膜、下部電極からな
    るキャパシタを有する半導体装置の製造方法において、
    前記下部電極の形成方法が、同じ減圧CVD装置内で半
    導体基板の一主面上に不純物が添加された非晶質の第1
    のシリコン膜と前記第1のシリコン膜上に不純物が添加
    されたまたは不純物が添加されない非晶質の第2のシリ
    コン膜と前記第2のシリコン膜よりも高濃度の同じ不純
    物を添加した非晶質の第3のシリコン膜を連続的に形成
    する工程と、前記第1のシリコン膜、前記第2のシリコ
    ン膜および前記第3のシリコン膜を所望の形状に加工す
    る工程と、SiH4ガス雰囲気で加熱後、真空中で所望
    の時間アニールし前記第第1、第2および第3のシリコ
    ン膜の露出面に半球状シリコン結晶粒を形成する工程と
    を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。。
  11. 【請求項11】 前記第1,第2および第3のシリコン
    膜に添加される不純物が、燐または砒素であることを特
    徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記第1のシリコン膜中の不純物の燐
    または砒素の濃度が2×1020〜5×1020〔atom
    s/cm3〕である請求項10記載の半導体装置の製造
    方法。
  13. 【請求項13】 前記第3のシリコン膜中の不純物の燐
    または砒素の濃度が8×1019〜1.2×1020〔at
    oms/cm3〕である請求項10記載の半導体装置の
    製造方法。
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