JP2004072065A - 半導体素子のコンデンサ製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体ウェハ上にストレージノード電極を形成する段階と、前記ストレージノード電極の表面上にサイクルシリコン窒化膜(サイクルSi3N4またはSiOxNy)で構成された誘電体膜を形成する段階と、前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階とを含んで構成される。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のコンデンサ製造方法に関し、より詳細にはサイクルSi3N4(SiOxNy)を利用した半導体素子のコンデンサ製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来のNO(Si3N4/SiO2)コンデンサは、図1に示すように、色々な要素が備わったウェハ(図示せず)に層間絶縁膜11を蒸着した後、これを選択的にパターニングして半導体ウェハの一部分を露出させるコンタクトホール(図示せず)を形成する(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
続いて、コンタクトホール(図示せず)内にコンタクトプラグ13を形成した後全体構造の上面に多様な形状、例えばシリンダー型、凹型等で、ストレージノード15を形成した後、HF溶液でストレージノード15表面の酸化膜を除去(前洗浄工程)する。
【0004】
次に、LPCVD方式でSi3N4薄膜17を蒸着(ONO第2工程)した後酸化工程(ONO第3工程)を進行した後続き上部電極19を形成してコンデンサ製造を完了する。
【0005】
【特許文献1】
特開平11−214620号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、デザインルールの減少によってセル面積も減少するために必要な充電容量を得ようとするなら誘電体のTeff(Effective dielectric thickness)を減少させなければならない。
従来のNO誘電体はLPCVDによりSi3N4の酸化抵抗性が40Å以下の厚さで急速に減少するために後続ONO第3工程時にストレージノード及びビットラインのようなコンデンサ下部の構成要素が酸化される問題があって、50Å以下の厚さでは漏洩電流の増加及び絶縁破壊の電圧減少でTeffを45Å以下に低くするのに困難さがあった。
【0007】
そこで、本発明は上記従来の半導体素子のコンデンサ製造方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、耐酸化性が大きくて誘電率が高いサイクルSi3N4またはSiOxNy(xは0.1〜0.9、yは0.1〜2)を誘電体で使用してTeffを低くして漏洩電流の特性を改善させることができる半導体素子のコンデンサ製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法は、半導体ウェハ上にストレージノード電極を形成する段階と、前記ストレージノード電極の表面上にサイクルシリコン窒化膜で構成された誘電体膜を形成する段階と、前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階とを含んで構成されることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る半導体素子のコンデンサ製造方法の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【0010】
図2は、本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法を説明するための工程断面図である。
【0011】
図3は、本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法において、サイクルSi3N4蒸着システムを示した概略図である。
【0012】
図4は、本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法において、既存のLPCVDSi3N4と本発明でのサイクルSi3N4の適用結果を示した表である。
【0013】
本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法は、図2に示すように、色々な要素が備わった半導体ウェハ(図示せず)上に層間絶縁膜21を蒸着した後これを選択的にパターニングして半導体ウェハの一部分を露出させるコンタクトホール(図示せず)を形成する。
【0014】
続いて、コンタクトホール(図示せず)内にコンタクトプラグ23を形成した後全体構造の上面に多様な形状、例えばシリンダー型、凹型等でストレージノード25を形成する。
【0015】
次に、ストレージノード電極25の上面にサイクルSi3N4またはSiOxNy(xは0.1〜0.9、yは0.1〜2)でなされた誘電体膜25を蒸着する。 この時、ストレージノード電極25はP濃度を極大化しながらMPSによる面積増加のために2段階以上の多層で蒸着する。すなわち、ストレージノード電極の非晶質シリコン膜の形成は、ドーピング濃度が高いイン−シトゥ(in−situ)ドープされた非晶質シリコン膜の形成が完了すると、直ちに半導体基板を反応炉にそのまま置いてガスフロー量を変更してドーパント濃度が低い非晶質シリコン膜をイン−シトゥ方法で蒸着する。
【0016】
また、誘電体膜の蒸着時に使用するSiソースとしてはSiH4、SiH2Cl2、SiCl4などのガスを利用して、NソースとしてはNH3、N2などのガスを使用し、OのソースとしてはO2、O3、H2Oなどのガスを使用して、図3で示すように、各ソースの反応チャンバへの引入をサイクルしながらSi3N4を蒸着する。
【0017】
すなわち、サイクルSi3N4蒸着時にLPCVDSi3N4と蒸着工程と同一なソースを使用するがソース引入を短絡させ、図3に示すように、窒素ソース(nitrogen source)とシリコンソースの反応チャンバへの引入をパルス形態で与えて蒸着される薄膜内の組成を窒素(N)リーチ(rich)に誘導する。この時、誘電体膜でSi3N4を利用する場合に、シリコンパルスと窒素パルスを一つのサイクルとして蒸着する。また、誘電体膜でSiOxNy(xは0.1〜0.9、yは0.1〜2)を利用する場合に、シリコンパルスと窒素パルス及び酸素パルスを一つのサイクルとして蒸着する。
【0018】
一方、誘電体膜27を蒸着する前に蒸着温度より高温、または、高圧でNパルスを追加してストレージノード電極の表面を窒化させ漏洩電流特性及び遺伝特性を増加させることができる。
【0019】
次に、誘電体膜であるSi3N4を蒸着した後表面を酸化工程により酸化させて絶縁特性を高める。
【0020】
続いて、酸化工程を実行した後、非晶質シリコンを蒸着して上部電極29を形成する。この時、非晶質シリコン蒸着時にP(リン)固溶限界より高くドーピングしたり蒸着圧力を高めてP濃度を高めたり、PをインプラントしてP濃度を高める。
【0021】
また、上部電極29として使用するためのシリコンを蒸着するために不純物の濃度を高める方法や、蒸着工程温度を低くする方法または不純物原料の注入圧力を高める方法のうちからひとつを選択して実行する。
【0022】
まず、このうちで不純物濃度を高める工程を使用する場合、蒸着時のベースガスとしてはDS(Si2H6)またはMS(SiH4)ガスを使用し、不純物原料のガスとしては1〜5%PH3/H2(またはPH3/SiH4)ガスを使用し、工程圧力は2Torr以下とする。
【0023】
また、蒸着工程温度を低くする方法を使用する場合、工程温度は500〜570℃でシリコンが非晶質状態で蒸着されるようにする。この時、使用するガス量はベースガス800〜2000ml(cc)、不純物ガスは150〜500ml程度を使用する。
【0024】
そして、不純物原料の注入圧力を高める方法を使用する場合、工程温度は500〜570℃でシリコンが非晶質状態で蒸着されるようにする。この時、使用するガス量はベースガスが1000〜1500ml(cc)、不純物ガスは500〜1500ml(cc)を使用する。工程圧力は1〜2Torrで使用する。
【0025】
さらに、上部電極蒸着工程は2段階以上で蒸着するが、1段階工程では上記で言及した条件を用い、この時、蒸着の厚さは100〜1000Å程度とする。
【0026】
そして、上部電極29の蒸着後リン(phosporous)をイオン注入した後、2段階で蒸着した以後の後続工程の場合、蒸着速度を高めるために蒸着温度を550〜600℃程度に増加させる。この時、不純物ガス量は約300ml(cc)以下に減少させる。
【0027】
また、図4に示す表では、本発明の実施例の結果として、既存のLPCVDSi3N4と本発明でのサイクルSi3N4が同一な充電容量を示したが、絶縁破壊電圧は0.35V〜0.5Vで高く現れた。
この結果は絶縁破壊電圧を同一な水準に合せた場合サイクルSi3N4の充電容量が3fF/セル〜6fF/セルで高く現れることを示している。
【0028】
尚、本発明は、上述の実施例に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【0029】
【発明の効果】
上述したようになされた本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法によれば、蒸着されるSi3N4薄膜の組成がCVDSi3N4よりNが豊富であるために酸化抵抗性が増大され、遺伝率が増大される。
したがって、誘電体の厚さを減少させてTeffを40Å以下に低くすることができてNOコンデンサの充電容量を極大化することができ、高い充電容量によってコンデンサの高さを低くすることができて前後工程が容易になる利点があり欠陥発生の頻度を減少させることができる効果がある。
【0030】
また、ALD工程のような高価の装備導入が不必要であり、現在使用中であるCVD装備を使用することができる。
したがって、本発明によると高い充電容量と少ない欠陥発生によって素子の信頼性、リフレッシュ特性を改善させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来技術による半導体素子のコンデンサ製造方法を説明するための工程断面図である。
【図2】本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法を説明するための工程断面図である。
【図3】本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法において、サイクルSi3N4蒸着システムを図示した概略図である。
【図4】本発明による半導体素子のコンデンサ製造方法において、既存のLPCVDSi3N4と本発明でのサイクルSi3N4の適用結果を示した表である。
【符号の説明】
21 層間絶縁膜
23 コンタクトプラグ
25 ストレージノード電極
27 誘電体膜
29 上部電極
Claims (15)
- 半導体ウェハ上にストレージノード電極を形成する段階と、前記ストレージノード電極の表面上にサイクルシリコン窒化膜で構成された誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階とを含んで構成されることを特徴とする半導体素子のコンデンサ製造方法。 - 前記ストレージノード電極を形成する段階は、ドーパント濃度が高いイン−シトゥ(in−situ)ドープト非晶質シリコン形成が完了すると、直ちに半導体ウェハを反応炉にそのまま置いてガスフロー量を変更してドーパント濃度が低い非晶質シリコンをイン−シトゥで蒸着する段階でなされることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記誘電体膜を構成するサイクルシリコン窒化膜は、サイクルSi3N4及びサイクルSiOxNy(xは0.1〜0.9、yは0.1〜2)のうちいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記誘電体膜を構成するサイクルシリコン窒化膜は、SiソースとしてはSiH4、SiH2Cl2及びSiCl4ガスを使用し、N(窒素)ソースとしてはNH3及びN2ガスを使用してSiパルスとNパルスを1サイクルとするサイクルSi3N4を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記誘電体膜を構成するサイクルシリコン窒化膜は、SiソースにはSiH4、SiH2Cl2及びSiCl4ガスを使用し、NソースにはNH3及びN2ガスを使用し、OソースにはO2、O3、H2Oを使用してSiパルスとNパルス及びOパルスを1サイクルとしてサイクルSiOxNy(xは0.1〜0.9、yは0.1〜2)を蒸着することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記誘電体膜の蒸着以前に蒸着温度より高温、または、高圧でNパルスを追加してストレージノード電極の表面を窒化処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記誘電体膜を蒸着した後、前記誘電体膜の表面を酸化処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記上部電極は、シリコンを蒸着して形成するときに、シリコンを蒸着するために不純物の濃度を高める方法、蒸着工程の温度を低くする方法及び不純物原料の注入圧力を高める方法の中から一つを選択して用いることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記不純物の濃度を高める方法は、蒸着ガスとしてはDS(Si2H6)またはMS(SiH4)を使用し、不純物の原料ガスとしては1〜5%PH3/H2(またはPH3/SiH4)ガスを使用し、工程圧力は2Torr以下で実行することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記蒸着工程温度を低くする方法の工程温度は500〜570℃で、シリコンを非晶質状態で蒸着するときに使用するガス量はベースガス800〜2000ml(cc)、不純物のガスは150〜500ml程度を使用することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記不純物原料の注入圧力を高める方法の工程温度は、500〜570℃で、シリコンが非晶質状態で蒸着されるときに使用するガス量はベースガスが1000〜1500ml(cc)、不純物ガスが500〜1500ml(cc)であり、工程圧力は1〜2Torrで実行することを特徴とする請求項8に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記上部電極の形成後リン(phosporous)をイオン注入することを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記上部電極を形成する段階は、2段階以上で蒸着し、1段階工程での蒸着の厚さは100乃至1000Åであることを特徴とする請求項1に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 前記上部電極を前記2段階で蒸着した以後の後続工程で、蒸着温度を550乃至600℃に増加させることを特徴とする請求項13に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
- 不純物ガスの量は、300ml以下で使用することを特徴とする請求項14に記載の半導体素子のコンデンサ製造方法。
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