JP2004193633A - キャパシタ絶縁膜の形成方法、半導体記憶装置の形成方法、半導体製造装置 - Google Patents
キャパシタ絶縁膜の形成方法、半導体記憶装置の形成方法、半導体製造装置 Download PDFInfo
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Abstract
【目的】キャパシタ絶縁膜に凹凸を形成してキャパシタ面積を拡張することなくその容量の増加を図る場合のキャパシタ絶縁膜の形成を、簡易に行なうこと。
【構成】基板温度を３００℃程度の高温度に保ち、かつ、LPCVD装置の成長室内の圧力を200mTorr の圧力とした下で、SiH4ガスを5(sccm)のガス流量で30秒間成長室に導入するプロセスによりシリコン酸化膜21c上にSiH4ガスが吸着する。次に、WF6とSiH4との混合ガスであって、SiH4の流量がWF6に比べ少ないガスをLPCVD装置の成長室に供給し、シリコン酸化膜21c上にタングステンの核91を成長させる。このタングステンの核91を耐エッチングマスクとして用いシリコン酸化膜21c を異方性エッチング技術によりエッチングして凹部27を得る。凹凸形成済みのシリコン酸化膜21c 上に多結晶シリコン膜29を形成し、上記凹凸をこの膜29に転写する。シリコン酸化膜21c を除去後、膜29を窒化処理してキャパシタ絶縁膜を得る。
【選択図】図９
【構成】基板温度を３００℃程度の高温度に保ち、かつ、LPCVD装置の成長室内の圧力を200mTorr の圧力とした下で、SiH4ガスを5(sccm)のガス流量で30秒間成長室に導入するプロセスによりシリコン酸化膜21c上にSiH4ガスが吸着する。次に、WF6とSiH4との混合ガスであって、SiH4の流量がWF6に比べ少ないガスをLPCVD装置の成長室に供給し、シリコン酸化膜21c上にタングステンの核91を成長させる。このタングステンの核91を耐エッチングマスクとして用いシリコン酸化膜21c を異方性エッチング技術によりエッチングして凹部27を得る。凹凸形成済みのシリコン酸化膜21c 上に多結晶シリコン膜29を形成し、上記凹凸をこの膜29に転写する。シリコン酸化膜21c を除去後、膜29を窒化処理してキャパシタ絶縁膜を得る。
【選択図】図９
Description
この発明は、キャパシタ絶縁膜の形成方法、これを用いた半導体記憶装置の形成方法及び、これらの実施に好適な装置に関するものである。
例えばＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）の高集積化を所望の電気的特性を満足しつつ行なうためには、キャパシタの平面積を拡張することなく所望の容量を示すキャパシタを形成出来ることが重要になる。この要求を満足し得る従来技術として例えば非特許文献１に開示のキャパシタ形成方法があった。この方法では、（１）：キャパシタの一方の電極となる電化蓄積電極（ストレージノード）としてのストレージノードポリシリコン層上に、スピンオングラス（ＳＯＧ）とレジストとの混合物を塗布する。（２）：次に、この試料を１６０℃の温度でベークする。（３）：次に、この試料をフッ酸緩衝液中に入れＳＯＧを選択的にエッチングする。（４）：このエッチングではレジストは残存しＳＯＧであった部分は穴部となるので、次に、レジスト部分を耐エッチングマスクとして用いストレージノードポリシリコン層を異方性エッチングによりエッチングして該層に凹部を多数形成する。この結果、ストレージノードポリシリコン層に凹凸が形成される。（５）：次に、凹凸が形成されたこのポリシリコン層表面を例えば酸化して表面にキャパシタ絶縁膜を形成する。このように形成されたキャパシタ絶縁膜は同じ平面積であっても凹凸がある分実効面積が増加するので、キャパシタの容量は凹凸がない場合に比べ２倍程度に向上するという。
Extended Abstracts of the 21st Conference on Solid State Devices and Materials,Tokyo,1988,pp.137-140 応用物理学会誌、第６１巻第１１号（１９９２），ｐｐ．１１４７−１１５１
Extended Abstracts of the 21st Conference on Solid State Devices and Materials,Tokyo,1988,pp.137-140 応用物理学会誌、第６１巻第１１号（１９９２），ｐｐ．１１４７−１１５１
しかしながら、上述した従来の方法では、ストレージノードポリシリコン層上にスピンオングラス（ＳＯＧ）とレジストとの混合物を塗布し、次にこの試料をベークし、次にこの試料をフッ酸緩衝液中に入れてＳＯＧを選択的にエッチングし、このエッチングで除去されず残存するレジストを耐エッチングマスクとして用いるというように、耐エッチングマスクを得るまでの工程が複雑であるという問題点がある。したがって、これに変わる新たな技術が望まれる。この新たな技術を実現するためのひとつのヒントとして、この出願に係る発明者は例えば非特許文献２に開示の技術に着目した。この技術とは、多結晶シリコン層の形成条件を工夫することにより、ある部分は粒状（半球状グレイン）でそれら粒状部分の間は薄膜状という状態の凹凸表面を有する多結晶シリコン膜（以下、「粗面多結晶シリコン膜」という。）を形成する技術である。そしてこの粗面多結晶シリコン膜を被エッチング物である下地上に形成した後に下地をエッチングした場合、粗面多結晶シリコン膜の粒状の部分が耐エッチングマスクとして機能するのではないかと考え、結果として、粗面多結晶シリコン膜の凹凸が下地に転写されるのではないかと考えた。そこで、この出願に係る発明者は酸化シリコン膜上に粗面多結晶シリコン膜を形成し、次に、ドライエッチング装置（具体的には平行平板型のリアクティブイオンエッチング装置）により、この酸化シリコン膜のエッチングを試みてみた。しかし、この場合、粗面多結晶シリコン膜の凹凸を酸化シリコン膜に転写することは期待した程できなかった。粗面多結晶シリコン膜における粒状の部分間の薄膜部分も耐エッチングマスクとして働くためと思われる。そこで今度は、下地である酸化シリコン膜のエッチング時の多結晶シリコンに対する選択比を下げる条件で（つまり粗面多結晶シリコン膜がエッチングされ易くなる条件で）下地をエッチングすることも試みてみた。しかし、このような条件では今度は粗面多結晶シリコンの粒状部分までも極めて高速度にエッチングされてしまうという問題点が生じることが分かった。したがって、粗面多結晶シリコン膜をエッチングマスクとするにはさらなる工夫が必要であった。また、粗面多結晶シリコン膜をエッチングマスクとする方法以外にも、キャパシタ絶縁膜に凹凸を簡易に形成し得る方法があれば望ましい。
そこで、この出願の第一発明によれば、キャパシタ絶縁膜を得る方法として、（i）下地上に、タングステンの核をそれがこの下地上に点在するよう成長させる工程と、（ii）このタングステンの核を耐エッチングマスクとして用い、この下地をエッチングしてこの下地に凹凸を形成する工程と、（iii）凹凸の形成された下地上に別途にキャパシタ絶縁膜形成用の膜兼ストレージ電極形成用膜である導電性の膜を形成して、下地の凹凸をこのキャパシタ絶縁膜形成用の膜に転写して、さらにキャパシタ絶縁膜形成用の膜表面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程とを含む方法を主張する。
この発明のキャパシタ絶縁膜の形成方法によれば、タングステンの核をエッチングマスクとして用いるので、点在するタングステンの核の分布具合に応じた凹凸がエッチング後の下地に形成される。
以下、図面を参照してこの発明のキャパシタ絶縁膜の形成方法、これを用いた半導体記憶装置の形成方法及びこれらの実施に好適な半導体装置の各実施例について併せて説明する。なお、説明に用いる各図はこの発明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、形状および配置関係を概略的に示してあるにすぎない。また、説明に用いる各図において同様な構成成分については同一の番号を付して示してある。また、以下の説明で述べる各条件例えば数値的条件等はこの発明の範囲内の一例でありこの発明がこれら条件にのみ限定されるものでないことは理解されたい。また、以下の実施例では、１つのスイッチング素子（ここでは電界効果トランジスタ）と１つのキャパシタとで各メモリセルが構成されている半導体記憶装置の製造にこの発明のキャパシタ絶縁膜形成方法を適用した例を説明する。
１．第１実施例
図１〜図３は第１実施例の説明に供する工程図である。半導体記憶装置の製造工程における主な工程での試料の様子を１つのメモリセル部分での断面図により示した工程図である。
図１〜図３は第１実施例の説明に供する工程図である。半導体記憶装置の製造工程における主な工程での試料の様子を１つのメモリセル部分での断面図により示した工程図である。
先ず、図１（Ａ）に示したように、Ｐ型シリコン基板１１の（１００）面上にＬＯＣＯＳ法によりフィールド酸化膜１３を選択的に成長させた後、この基板１１上にゲート酸化膜１５を例えば１００Åの厚さに形成する。次にこの基板上全面にゲート電極形成のための多結晶シリコン膜（図示せず）を１５００Å程度の厚さで形成する。次に、この多結晶シリコン膜に導電性を持たせるためにこの膜にＰＯＣｌ3 を拡散源としてリンをドープする。次に、この多結晶シリコン膜をゲート電極形状に加工するためのフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程をこの膜に施してゲート電極１７を得る。次に、このゲート電極１７をマスクとして基板１１に砒素75Ａｓ＋ を例えば加速エネルギー４０ｋｅＶ、ドーズ量５×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2 でイオン注入することによりソース・ドレイン領域１９を形成する。次に、この試料上に層間絶縁膜２１としてここでは、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２１ａを３０００Å、シリコン窒化膜２１ｂを２００Å、シリコン酸化膜２１ｃを４０００Å程度順次に形成する。この実施例の場合、この発明でいう下地とは主にシリコン酸化膜２１ｃである。次に、層間絶縁膜２１に所定のフォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を実施してコンタクトホール２３を形成する。その後、この試料上全面に、ＬＰＣＶＤ（低圧ＣＶＤ）法により、この発明でいう粗面多結晶シリコン膜２５を形成する（図１（Ａ））。
ここで、粗面多結晶シリコン膜２５を形成する具体的な方法の一例とその成長の様子について図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照してもう少し詳しく説明する。ここで、図４（Ａ）〜（Ｃ）は、粗面多結晶シリコン膜２５が形成される様子を模式的に示した断面図である。
先ず、図４（Ａ）に示したように、層間絶縁膜２１までの形成が済んだ試料をＬＰＣＶＤ装置の成長室に入れた後この成長室にＳｉＨ4 ガスを０．２Ｔｏｒｒの圧力条件で１５０ｓｃｃｍのガス流量で３０分間流しシリコン膜（図示せず）を形成する。この際の形成温度は上記シリコン膜２５がアモルファス状態から多結晶シリコンに変わる遷移温度、例えば５７５℃で成長させる。この結果、図４（Ａ）に示すように、界面付近（酸化シリコン膜２１ｃ表面付近）は多結晶シリコン２５ａが成長するがその上には大部分アモルファスシリコン２５ｂが形成される。この試料を真空搬送装置により別の真空チャンバに搬送しそこで真空雰囲気で上記結晶成長時の温度よりやや高い温度例えば６００℃にてアニールをする。その結果、図４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、上層のアモルファスシリコン層２５ｂはシリコン原子が拡散するのに必要なエネルギーが最も低い部分すなわち層２５ｂの表面から次第に結晶化が進んでくる。図４（Ｂ）、（Ｃ）に結晶化により生じた多結晶シリコン膜の粒状の部分を２５ｃとして模式的に示した。同時に界面付近に予め存在していた多結晶シリコン２５ａも次第に結晶化が進み、ついには図４（Ｃ）に示したように、両者がぶつかったところで結晶化は停止し、最終的には表面に凹凸を有する粗面多結晶シリコン膜２５が形成される。このときの粗面多結晶シリコン膜２５を平面的に見た場合の模式図は図５（Ａ）のようであると考えられる。また、その断面を見た場合の模式図は図６（Ａ）のようであると考えられる。すなわち、粗面多結晶シリコン膜２５において粒状の部分２５ｃ（図５（Ａ）では平面図であるがハッチングを示してあるもの）各々が互いに独立して存在しそれらの間は薄い多結晶シリコン膜となっていると考えられる。
次に、この粗面多結晶シリコン膜２５に対しエネルギー粒子の照射を行う。この実施例では、粗面多結晶シリコン膜２５に対し、質量数７５の砒素イオン（75Ａｓ＋ ）を３０ｋｅＶの加速エネルギーでドーズ量５×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2 の条件でイオンインプランテーションを行なう。その結果、粗面多結晶シリコン膜２５ではイオンインプランテーションされた領域の一部がアモルファス化すると考えられる。特に、イオンインプランテーション前に表面が平坦であった部分は完全にアモルファス化することになると考えられ、また、粒状の部分２５ｃでは表層部分がアモルファス化すると考えられ内部は多結晶シリコンの状態を維持すると考えられる。この様子を図６（Ｂ）に模式的に示した。この図６（Ｂ）においてアモルファス化した部分を２５ｄで示している。このアモルファス化した部分２５ｄは後に行われるシリコン酸化膜２１ｃのエッチングの際に極めて高速でエッチングされるため、マスク効果を有さないようになり、結果としてアモルファス化しないで残った部分２５ｃ（図６（Ｂ）参照）がマスクとなる。このため、図１（Ｂ）および図６（Ｃ）に示したように、シリコン酸化膜２１ｃの一部に凹部２７が形成されるので結局、この酸化膜２１ｃには凹凸が形成されることになる。なお、ここでイオンインプランテーションを行なうことのもう一つの利点は、となり合った粒状の部分２５ｃ同士が結合するようになることである。この様子を図５（Ｂ）に模式的な平面図として示している。図５（Ｂ）において粒状の部分２５ｃ同士が結合した領域にハッチングを付してある。このようにひとつひとつの粒形状多結晶シリコンが変形して互いに結合することによりパターン転写の際のマスク効果が著しく向上するという効果が確認された。ひとつひとつの粒形状の多結晶シリコン膜が互いに結合した形状を呈するようになるためには、粗面多結晶シリコン膜２５の形成条件すなわち多結晶シリコン膜における粒状の部分２５ｃの密度及びイオンインプランテーション条件が大きく影響することが分かっている。上記成長条件を前提とした場合、イオンインプランテーション時の砒素イオンのドーズ量を１．０×１０15ｉｏｎ／ｃｍ2 以上としないと上述のような粒状の部分２５ｃ同士の結合は生じないことが分かっている。またさらに、上記イオンインプランテーションを行なった後その試料をアニーリングすると、シリコン酸化膜２１ｃのドライエッチング時の粗面多結晶シリコン膜２５のエッチングマスクとしての選択比が極めて向上することも分かっている。このときのアニーリングの条件としては、例えば窒素ガス雰囲気中で８５０℃の温度で３０分間アニーリングする条件が挙げられる。
下地としてのシリコン酸化膜２１ｃに凹部２７を形成することでこのシリコン酸化膜２１ｃに凹凸を形成した後は、図２（Ａ）に示したように、この試料上全面に、ＬＰＣＶＤ法により、シラン（ＳｉＨ4 ）を原料ガスとしてキャパシタ絶縁膜形成用の膜（ただし、この膜はストレージ電極形成用膜ともなる。）としてこの場合多結晶シリコン膜２９を形成する。
次に、この多結晶シリコン膜２９に導電性を持たせるためにこの膜２９に例えばＰＯＣｌ3 を拡散源としてリンをドープする（図示せず）。
次に、この多結晶シリコン膜２９をキャパシタ形状に即した形状になるようにリソグラフィ技術及びエッチング技術により加工する。次に、等方性エッチングにより下地であるシリコン酸化膜２１ｃをエッチングする（図２（Ｂ））。このエッチングにおいてシリコン窒化膜２１ｂがエッチングストップ層として機能するので、シリコン酸化膜２１ｃのみを所望通り除去できる。なお、図２（Ｂ）では粗面多結晶シリコン膜の残存部分は多結晶シリコン膜２９と一体化したように示している。
次に、ストレージ電極及びキャパシタ絶縁膜形成用の膜である多結晶シリコン膜２９（ただし、キャパシタ形状に加工が済んだもの）に対しここでは窒化処理を行って該多結晶シリコン膜２９表面にキャパシタ絶縁膜としてのシリコン窒化膜３１を例えば１００Å以下の所定の厚さに形成する（図３（Ａ））。なお、この窒化処理でも窒化されないで多結晶シリコン膜として残っている部分がストレージ電極３３となる（同じく図３（Ａ））。
次に、この試料上全面にセルプレート電極形成用の膜としてここでは多結晶シリコン膜を例えば２０００Åの厚さに形成し、これに導電性を持たせるために例えばＰＯＣｌ3 を拡散源としてリンをドープする。そして、この多結晶シリコン膜をセルプレート電極形状に加工してセルプレート電極３５を得る（同じく図３（Ａ））。
次に、図３（Ｂ）に示すように、例えばＢＰＳＧ膜３７をＣＶＤ法により例えば８０００Åの膜厚に形成し、ついでこのＢＰＳＧ膜３７を例えば９００℃の温度の窒素雰囲気中でフロー処理をする。次に、このＢＰＳＧ膜３７の所定部に公知の技術でコンタクトホール３９を形成する。次に、この試料上に配線形成材料の薄膜として例えばアルミニウム膜を例えばスパッタ法により例えば７０００Åの膜厚に形成後、公知のフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりこのアルミニウム膜をパターニングして配線４１を得る。
上述のとおり、この発明の方法によれば、半導体記憶装置のメモリセルにおけるキャパシタのキャパシタ絶縁膜と電極とが凹凸を持った状態で接触された構造を、簡易に形成出来る。このため、限られた平面積の基板領域に電極面積の広いキャパシタすなわち容量の大きなキャパシタを簡易に形成出来る。したがって、高集積化された半導体記憶装置であって所望の電気特性を示す（例えばソフトエラーが生じにくく、所望のホールドタイムを示す）半導体記憶装置を簡易に製造できる。
なお、この第１実施例ではイオンインプランテーションによる改質の場合の使用イオン種がＡｓである例を示しているが、用いるイオン種はこれに限られず他の好適なものでも良い。
２．第２実施例
上述の第１実施例では、粗面多結晶シリコン膜２５が形成された試料（図１（Ａ）参照）の当該多結晶シリコン膜２５に対しエネルギー粒子を照射した後は、この試料を一度装置より大気に出してドライエッチング装置に移してエッチング処理を行っていた。粗面多結晶シリコン膜２５に対するエネルギー粒子の照射と、その後の下地酸化シリコン膜に凹部を形成するためのエッチングとを連続して行うことが出来れば、スループットを著しく向上出来るので好ましい。この第２実施例はその例である。
上述の第１実施例では、粗面多結晶シリコン膜２５が形成された試料（図１（Ａ）参照）の当該多結晶シリコン膜２５に対しエネルギー粒子を照射した後は、この試料を一度装置より大気に出してドライエッチング装置に移してエッチング処理を行っていた。粗面多結晶シリコン膜２５に対するエネルギー粒子の照射と、その後の下地酸化シリコン膜に凹部を形成するためのエッチングとを連続して行うことが出来れば、スループットを著しく向上出来るので好ましい。この第２実施例はその例である。
このため、この第２実施例では、ドライエッチング装置の反応室内に不活性ガスとして例えばアルゴンガスを導入し、このアルゴンガスを放電させてＡｒ＋イオンを発生させ、このＡｒ＋イオンをこの発明でいうエネルギー粒子として粗面多結晶シリコン膜２５に照射するようにする。そして、Ａｒ＋イオンの照射が終了した後は反応室にエッチングガスを導入して下地であるシリコン酸化膜２１ｃのエッチングを行うようにする。この一連の処理の具体例について以下図７を参照して説明する。ここで、図７はＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）を利用したドライエッチング装置の一構成例を概略的に示した図である。なお、このドライエッチング装置は従来公知の構成のものである。
マグネトロン（図示せず）から発せられた例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波は導波管５３を伝わった後石英窓５５を通って反応室５７へ導入される。このように反応室５７に導入されたマイクロ波は反応室５７の周りに設置されているソレノイドコイル５９ａ，５９ｂに流れる電流によって形成された磁界と相互作用をし、反応室５７に導入されているアルゴンガスの励起を促進する。特に反応室５７内の磁束密度が８７５ガウスのポイント（位置）においては電子サイクロトロン共鳴が引き起こされるのでこのポイントを中心に前記アルゴンガスは電子衝突によって準安定状態のアルゴン（Ａｒ＊）への励起やＡｒ＋イオンへの電離が著しく促進される。一方、反応室５７内の、ウエハ５９（図１（Ａ）の状態の試料）が置かれている電極６１には、高周波電源６３より４００ＫＨｚの高周波電力が印加されているためウエハ５９表面にはイオンシースが形成される。このシース電界の大きさは、前記高周波電源６３の印加電圧によって制御することができる。このシース電界により反応室５７内で発生した前記Ａｒ＋イオンは加速されウエハ５９表面に入射することになる。ここで述べたタイプのエッチングシステムは、反応室５７内でのＡｒ＋ イオンへの電離化（すなわちイオン電流密度）と、入射イオンエネルギーを独立に制御できるというメリットがある。このドライエッチング装置を用いウエハにＡｒ＋イオンを照射する際に、例えば、Ａｒガスを７０（ｓｃｃｍ）の流量で反応室内へ導入し、かつ、反応室を４ｍＴｏｒｒの圧力下とし、かつ、装置の上下に設けられているソレノイドコイル５９ａ，５９ｂを流れる電流値をそれぞれ１９Ａと７Ａに設定し、かつ、約０．８Ｗのマイクロ波を導入する。しかも、ウエハ５９に印加する周波数４００ＫＨｚの高周波電力のパワーを４００Ｗに設定する。すくなくともこの条件でＡｒ＋イオンを照射した粗面多結晶シリコン膜２５では、第１実施例の場合と同様な改質現象すなわち、一部のアモルファス化および、となり合った粒状の多結晶シリコン膜同士が結合する状態が生じることが確認出来た。
次に、Ａｒ＋イオンの照射が済んだ粗面多結晶シリコン膜２５を耐エッチングマスクとして用いてシリコン酸化膜２１ｃをエッチングすることを行う。このため、この実施例の場合は、反応室５７にエッチングガスとしてＣＨ2 Ｆ2 とＣＨＦ3 との混合ガスを前者が１４（ｓｃｃｍ）後者が５０（ｓｃｃｍ）という流量比で供給する。そして反応室５７内の圧力を４ｍＴｏｒｒとしかつ上記高周波電力のパワーを２００Ｗとした条件でエッチングを行う。このエッチングの結果、下地としてのシリコン酸化膜２１ｃには凹部が生じ粗面多結晶シリコン膜２５の凹凸が良好に転写される。
なお、上述ではＥＣＲエッチング装置を用いる例であったが、平行平板型のリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）装置（図示せず）の反応室内に図１（Ａ）の状態のウエハを入れ、さらにこの反応室にアルゴンガスを入れてＡｒ＋イオンを発生させてこのＡｒ＋イオンをウエハに照射した場合も粗面多結晶シリコン膜の改質はＥＣＲエッチング装置を用いた場合と同様に生じることを確認している。また、この改質処理の後に平行平板型のＲＩＥ装置の反応室にエッチングガスを引き続き導入して下地であるシリコン酸化膜２１ｃのエッチングを行ったところ、粗面多結晶シリコン膜２５の凹凸がシリコン酸化膜２１ｃに良好に転写されることも確認している。
この第２実施例の結果からも理解出来るように、ドライエッチング装置を用いる場合も、粗面多結晶シリコン膜２５にイオンインプランテーションを行った場合と同様な効果がえられることが分かる。また特にこの第２実施例の場合は、粗面多結晶シリコン膜２５の改質と、この改質された粗面多結晶シリコン膜２５を耐エッチングマスクとして用いてのシリコン酸化膜２１ｃのエッチングとを、同一の装置を用い連続的に行えるという利点が得られる。このように連続的な処理が行なえるとスループットの向上が図れる。さらに、試料上に不要な自然酸化膜が形成されることを防止出来る効果、さらにコンタミネーションの影響をより軽減できるという効果も得られる。なお、第１実施例で75Ａｓ＋ イオンをエネルギー粒子として用いた場合及び、第２実施例でＡｒ＋イオンをエネルギー粒子として用いた場合いずれも、粗面多結晶シリコン膜２５の改質が行われていることから、この改質は物理的な衝撃によって誘発された現象であると推定される。
なお、この第２実施例では使用ガスがアルゴンガスである例を示しているが用いるガスはこれに限られず例えば他の不活性ガスやその他の好適なガスでも良い。例えば、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ2 、Ｈｅなどはこのガスとして用いることが出来る。ただし、質量数の大きなもののガスほど、より大きな効果が得られると考える。
３．第３実施例
キャパシタを有する半導体装置の製造に当たって本発明のキャパシタ絶縁膜形成方法を適用する場合、実際には、粗面多結晶シリコン膜の特定の領域すなわちキャパシタを形成する領域のみを改質しそして下地への凹凸転写を行うことになる。このような特定領域へキャパシタを形成する場合でこれを第１実施例の方法または第２実施例の方法で行おうとした場合は、上記特定領域は露出しそれ以外の領域は覆うようなマスク例えばレジストパターンを形成するのが一般的である。しかし、粗面多結晶膜は非常に急峻な凹凸を有すると考えられるので、このような粗面多結晶シリコン膜表面にレジストパターンを形成すること自体困難な場合が考えられる。たとえば、フォトレジストが良好に塗布できないとか、フォトレジストが粗面多結晶シリコン膜の凹凸内に入り込むので現像工程で本来は除去されるべきレジストが除去しきれずに残存してしまう場合等である。したがって、マスクを用いることなく特定領域のみを改質しそして下地への凹凸転写が行えれば好適である。この第３実施例はその例である。この第３実施例を、図８を参照して説明する。この図８は、この出願の第二発明（半導体製造装置）の実施例の説明に供する図である。ここで、図８において、７１は試料（処理対象の試料）を固定するための手段７３を具える処理室である。さらに、７５は処理室７１と接続されているイオン照射部、７７は処理室７１と接続されているエッチング部である。イオン照射部７５は、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段７９、加速されたイオンを収束させるための手段８１及び、収束されたイオンを前記試料上の特定領域に照射するための手段８３（イオン収束手段８３）を具える。この場合、イオンを引き出し加速するための手段７９はニードル７９ａ、引き出し電極７９ｂおよびＥＸＢ質量分離器７９ｃで構成してある。また、イオン収束手段８１はアパーチャー８１ａ、第１のレンズ８１ｂおよび第２のレンズ８１ｃで構成してある。また、イオンを特定領域へ照射する手段８３は、第１偏向器８３ａ、第２偏向器８３ｂおよびイオンビーム走査コントローラ８３ｃで構成してある。このイオン照射部７５は基本的にはフォーカスドイオンビーム装置で構成出来る。また、エッチング部は、処理室７１にエッチングガスを供給するための手段７７ａ、該処理室７１内の真空度を制御するための排気系７７ｂ及び前記エッチングガスの前記試料に対する作用を促すための電気系７７ｃ，７３を具える。このエッチング部７７の具体的な構成は例えば公知のドライエッチング装置の構成で良い。
キャパシタを有する半導体装置の製造に当たって本発明のキャパシタ絶縁膜形成方法を適用する場合、実際には、粗面多結晶シリコン膜の特定の領域すなわちキャパシタを形成する領域のみを改質しそして下地への凹凸転写を行うことになる。このような特定領域へキャパシタを形成する場合でこれを第１実施例の方法または第２実施例の方法で行おうとした場合は、上記特定領域は露出しそれ以外の領域は覆うようなマスク例えばレジストパターンを形成するのが一般的である。しかし、粗面多結晶膜は非常に急峻な凹凸を有すると考えられるので、このような粗面多結晶シリコン膜表面にレジストパターンを形成すること自体困難な場合が考えられる。たとえば、フォトレジストが良好に塗布できないとか、フォトレジストが粗面多結晶シリコン膜の凹凸内に入り込むので現像工程で本来は除去されるべきレジストが除去しきれずに残存してしまう場合等である。したがって、マスクを用いることなく特定領域のみを改質しそして下地への凹凸転写が行えれば好適である。この第３実施例はその例である。この第３実施例を、図８を参照して説明する。この図８は、この出願の第二発明（半導体製造装置）の実施例の説明に供する図である。ここで、図８において、７１は試料（処理対象の試料）を固定するための手段７３を具える処理室である。さらに、７５は処理室７１と接続されているイオン照射部、７７は処理室７１と接続されているエッチング部である。イオン照射部７５は、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段７９、加速されたイオンを収束させるための手段８１及び、収束されたイオンを前記試料上の特定領域に照射するための手段８３（イオン収束手段８３）を具える。この場合、イオンを引き出し加速するための手段７９はニードル７９ａ、引き出し電極７９ｂおよびＥＸＢ質量分離器７９ｃで構成してある。また、イオン収束手段８１はアパーチャー８１ａ、第１のレンズ８１ｂおよび第２のレンズ８１ｃで構成してある。また、イオンを特定領域へ照射する手段８３は、第１偏向器８３ａ、第２偏向器８３ｂおよびイオンビーム走査コントローラ８３ｃで構成してある。このイオン照射部７５は基本的にはフォーカスドイオンビーム装置で構成出来る。また、エッチング部は、処理室７１にエッチングガスを供給するための手段７７ａ、該処理室７１内の真空度を制御するための排気系７７ｂ及び前記エッチングガスの前記試料に対する作用を促すための電気系７７ｃ，７３を具える。このエッチング部７７の具体的な構成は例えば公知のドライエッチング装置の構成で良い。
この第３実施例では、第１実施例において図１（Ａ）を参照して説明した手順により粗面多結晶シリコン膜まで形成したウエハ５９（図１（Ａ）に示したもの）を、処理室７１内の試料台も兼ねる電極７３上に置く。このウエハ５９に対しイオン照射部７５から収束されたイオンをウエハ５９上の任意の特定領域に照射する。ここでは、収束イオンビーム種としてＡｓ＋ を例にとって説明する。イオン照射部７５のニードル７９ａ先端で電界電離によって生成されたＡｓ＋ イオンを含んだイオンは、引き出し電極７９ｂにより引き出されイオンビームとして加速される。このイオンビームは２つのアパーチャー８１ａを通った後第１のレンズ８１ｂによって一度収束させられた後ＥＸＢ質量分離器７９ｃ内に導入されここで特定の質量数を持ったＡｓ＋ だけが選別される。この選別されたＡｓ＋ イオンは第２のレンズ８１ｃによって収束され収束イオンビームとなってウエハ５９の特定領域に照射される。この特定領域への照射はイオンビーム走査コントローラ８３ｃ及びこのコントローラから出力される特定領域を支持する電気信号に従って駆動される第１および第２偏向器８３ａ，８３ｂによって制御される。このビーム走査の結果Ａｓ＋ イオンビームが照射された特定領域の粗面多結晶シリコン膜部分は第１の実施例などで説明したと同様に改質される。すなわち、となり合った粒形状の多結晶シリコン膜部分同士は結合しまた、一部の多結晶シリコン膜はアモルファスシリコン化すると考えられる。また、Ａｓ＋ イオンが照射されなかった粗面多結晶シリコン膜部分は、依然、粒状の多結晶シリコン部分とその間の薄い膜厚の多結晶シリコン部分とで構成されるので、その全体が耐エッチングマスクの効果を維持する。
Ａｓ＋ イオンの照射が済んだ後は、エッチング部７７のガス供給手段７７ａにより処理室７１内に例えばＣＦ4 ガスとＣＨＦ3 ガスとアルゴンガスとの混合ガスであって、例えば、１５（ｓｃｃｍ）、２５（ｓｃｃｍ）及び４００（ｓｃｃｍ）の混合比の混合ガスを供給する。そして、処理室内の圧力を排気系７７ｂによって例えば１．０Ｔｏｒｒとし制御した状態でかつ３８０ＫＨｚの周波数を持ちかつパワーが３００Ｗの高周波電力を電気系７７ｃ，７３により処理室空間に印加することによりウエハ５９のシリコン酸化膜２１ｃ（例えば図１（Ａ）参照）のエッチングを行う。
このシリコン酸化膜２１ｃのエッチングでは、Ａｓ＋ イオンを照射した部分下のシリコン酸化膜部分で所望のエッチングが生じるのでこの部分には粗面多結晶シリコン膜の凹凸が転写される。一方、粗面多結晶シリコン膜のＡｓ＋ イオンを照射しなかつた部分はこの部分全体が依然エッチングマスクとしての効果を有しているのでこの部分下のシリコン酸化膜部分は全くエッチングされないことになる。したがって、特定領域のシリコン酸化膜部分のみに所望の凹凸を形成できる。
なお、この第３実施例では収束イオンビーム種としてＡｓ＋ イオンビームを用いる例を説明したが、収束イオンビーム種は任意好適なものとできる。例えば、Ａｒ＋イオンビームもその一例である。
この第３実施例の方法では、粗面多結晶シリコン膜の改質と、このシリコン膜を耐エッチングマスクとして用いてのシリコン酸化膜のエッチングとを、同一の装置を用い連続的に行えるという第２実施例での利点に加え、特定の領域のみにこれら処理を施せるという利点が得られる。またこのように特定の領域のみの処理をするに当たってもレジストパターンなどの特殊なマスクを設けることなくこの処理を行えるという利点が得られる。
また、粗面多結晶シリコン膜表面にレジストパターンを形成することが可能な場合は、上述した、処理室７１と接続されていて、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段７９、加速されたイオンを収束させるための手段８１、及び、収束されたイオンを前記試料上の特定領域に照射するための手段８３を具えるイオン照射部の代わりに、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段及び加速されたイオンをシャワー状に前記試料に照射するための手段を有するイオン照射部を具える構成としても良い。
４．第４実施例
上述の第１〜第３の各実施例では粗面多結晶シリコン膜にエネルギー粒子を照射することによって所望のエッチングマスクを得る例を説明したが、粗面多結晶シリコン膜を用いることなく以下のような方法でもキャパシタ絶縁膜に所望の凹凸を形成することが可能であることがこの出願に係る発明者の研究により分かった。この第４実施例はその例である。この第４実施例の方法の主な特徴は、（ｉ）下地上に、タングステンの核をそれが該下地上に点在するよう成長させる工程と、（ii）このタングステンの核を耐エッチングマスクとして用い、前記下地をエッチングして該下地に凹凸を形成する工程と、（iii）凹凸の形成された下地上に別途に、導電性の、ストレージ電極形成用膜でもある、キャパシタ絶縁膜形成用の膜を形成して下地の凹凸をこのキャパシタ絶縁膜形成用の膜に転写して、さらに該キャパシタ絶縁膜形成用の膜表面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程とを具えることである。以下、図９（Ａ）及び（Ｂ）を主に参照して具体的に説明する。
上述の第１〜第３の各実施例では粗面多結晶シリコン膜にエネルギー粒子を照射することによって所望のエッチングマスクを得る例を説明したが、粗面多結晶シリコン膜を用いることなく以下のような方法でもキャパシタ絶縁膜に所望の凹凸を形成することが可能であることがこの出願に係る発明者の研究により分かった。この第４実施例はその例である。この第４実施例の方法の主な特徴は、（ｉ）下地上に、タングステンの核をそれが該下地上に点在するよう成長させる工程と、（ii）このタングステンの核を耐エッチングマスクとして用い、前記下地をエッチングして該下地に凹凸を形成する工程と、（iii）凹凸の形成された下地上に別途に、導電性の、ストレージ電極形成用膜でもある、キャパシタ絶縁膜形成用の膜を形成して下地の凹凸をこのキャパシタ絶縁膜形成用の膜に転写して、さらに該キャパシタ絶縁膜形成用の膜表面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程とを具えることである。以下、図９（Ａ）及び（Ｂ）を主に参照して具体的に説明する。
先ず、第１実施例において図１（Ａ）を参照して説明した手順のうちの粗面多結晶シリコン膜を形成する前までの手順に従い、Ｐ型シリコン基板の（１００）面上にフィールド酸化膜、ゲート酸化膜、ゲート電極、層間絶縁膜およびセルコンタクトまでを形成する。次に、この試料をＬＰＣＶＤ装置の成長室中に入れる。そして基板温度を３００℃程度の高温度に保ち、かつ、成長室内の圧力を２００ｍＴｏｒｒ程度の圧力とした下でＳｉＨ4 ガスを５（ｓｃｃｍ）程度の比較的少流量で３０秒間成長室に導入する。このプロセスにおいては層間絶縁膜２１まで形成が済んだ試料上にＳｉＨ4 ガスが吸着する。したがって、この発明でいう主なる下地であるシリコン酸化膜２１ｃ上にＳｉＨ4 ガスが吸着する。下地に吸着したＳｉＨ4 ガスは後に説明するようにその後に続く粒形状タングステンの核成長の触発にとって不可欠な要素となる。次に、ＷＦ6 とＳｉＨ4 との混合ガスであってＳｉＨ4 の流量がＷＦ6 に比べ少ない混合ガス、例えばＳｉＨ4 ＝１ｓｃｃｍ及びＷＦ6 ＝１０ｓｃｃｍの流量比の混合ガスを例えば５ｍＴｏｒｒの圧力下でＬＰＣＶＤ装置の成長室に供給し、下地上にタングステンの核９１を成長させる（図９（Ａ））。このプロセスでは、ＷＦ6 ＋ＳｉＨ4 →ＳｉＦ4 ＋Ｈ2 なる還元反応が起こり、下地上に粒形状のタングステンの核９１が成長することになる。このようにＳｉＨ4 の流量をＷＦ6 のそれより少なくすることでタングステンの核９１が成長するのは、この成長がＳｉＨ4 が供給律速する領域で起こっていることに起因する。
次に、このタングステンの核９１を耐エッチングマスクとして用い下地（主にシリコン酸化膜２１ｃ）を異方性エッチング技術によりエッチングする。このエッチングにおいて下地の、タングステンの核９１で覆われていない部分は、エッチングされるので凹部２７となるから、結局、下地に凹凸が形成できる（図９（Ｂ））。なお、このエッチングの条件は例えば第１実施例において説明した条件とすれば良い。その後、成長室（エッチング室にもなる）にＳＦ6 ガスを導入することによりタングステンの核９１を除去する。
その後は、図２及び図３を用いて説明した第１実施例の手順と同様な手順でキャパシタ絶縁膜形成用の膜（ストレージ電極形成用膜でもある。）である多結晶シリコン膜の形成等を行なって所望のキャパシタを得れば良い。
この第４実施例の方法によれば、粗面多結晶シリコン膜を形成し、かつ、これにエネルギー粒子を照射するという工程を施すことなく所望のエッチングマスクを下地上に形成出来る。
なお、この第４実施例において、予め成長室にＳｉＨ4 を流して試料上にＳｉＨ4 を吸着させておくことがタングステンの核９１の成長に不可欠であると述べたが、これの代わりに、試料に予めイオンビーム照射等の物理的な衝撃を与えその後タングステンの成長をさせることによっても同様な効果が得られることがこの出願に係る発明者の詳細な研究で分かった。具体的には、試料（層間絶縁膜２１、コンタクトホール２３まで形成が済んだ試料）に対し上記第２実施例において説明したように図７を用いて説明した装置によりＡｒ＋イオンの物理的な衝撃を与えた後、例えばこの第４実施例で上記した条件すなわち、基板温度を３００℃とし、かつ、５ｍＴｏｒｒの圧力下でＳｉＨ4 ／ＷＦ6 ＝１（ｓｃｃｍ）／１０（ｓｃｃｍ）の流量比で流すという条件でタングステンを成長させることで下地上にタングステンの核が成長することが分かった。ここでの核成長のメカニズムは下記の（１）および（２）のようなものと考えられる。（１）：上記Ａｒ＋イオンをシリコン酸化膜（下地）上に照射することによってシリコン酸化膜中のＳｉ−Ｏボンドが崩され選択的にＯがスパッタリング除去され、この結果シリコン酸化膜の表面付近は相対的にＳｉ（Ｓｉのダングリングボンド）に富んだ層になる。（２）：このＳｉダングリングボンドはその後のＷＦ6 やＳｉＨ4 の吸着に対して極めて活性であるので粒状のタングステンの核の成長が容易に起こる。
ここで、不活性ガスのイオンビームを照射した領域のみタングステンの核成長を生じさせることが出来るというこの技術は、試料の特定の領域すなわちキャパシタ形成領域のみにエッチングマスクとしてのタングステンの膜を成長させることが可能なことを意味するので、第３実施例（収束イオンビームを特定領域に照射することとエッチングを連続して行なうことを、レジストパターンを用いることなく可能とした技術）の代替技術としても用い得る。この点でも、この第４実施例の変形例は利用度が高い。
上述においてはこの出願の各発明の実施例について説明したがこれら発明は上述の実施例に限られない。たとえば、上述の実施例では半導体記憶装置のキャパシタを形成する例を挙げていたが、半導体装置中の一般的なキャパシタを形成する場合にもこの出願の各発明は適用出来る。また、上述の実施例では、下地に凹凸を形成した後に別途にキャパシタ絶縁膜形成用の膜（実施例ではストレージ電極形成用膜も兼ねる膜）を形成し、そして下地を除去することで下地の凹凸を転写する例を述べた。すなわち下地自体が犠牲層としてふるまうような例を述べた。しかし、下地自体をキャパシタ絶縁膜形成用の膜としこの膜表面に凹凸を形成する場合にもこの出願の各発明は適用できる。
１１ シリコン基板
１３ フィールド酸化膜
１５ ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
１９ ソース・ドレイン領域
２１ 層間絶縁膜
２１ａ シリコン酸化膜
２１ｂ シリコン窒化膜
２１ｃ シリコン酸化膜（実施例におけるこの発明で言う下地に主に当たるもの）
２３ コンタクトホール
２５ 粗面多結晶シリコン膜
２５ａ 多結晶シリコン膜
２５ｂ アモルファスシリコン
２５ｃ 粗面多結晶シリコン膜における粒状の部分
２７ 凹部
２９ キャパシタ絶縁膜形成用の膜
３１ キャパシタ絶縁膜
３３ ストレージ電極
３５ セルプレート電極
７１ 処理室
７５ イオン照射部
７７ エッチング部
１３ フィールド酸化膜
１５ ゲート絶縁膜（ゲート酸化膜）
１９ ソース・ドレイン領域
２１ 層間絶縁膜
２１ａ シリコン酸化膜
２１ｂ シリコン窒化膜
２１ｃ シリコン酸化膜（実施例におけるこの発明で言う下地に主に当たるもの）
２３ コンタクトホール
２５ 粗面多結晶シリコン膜
２５ａ 多結晶シリコン膜
２５ｂ アモルファスシリコン
２５ｃ 粗面多結晶シリコン膜における粒状の部分
２７ 凹部
２９ キャパシタ絶縁膜形成用の膜
３１ キャパシタ絶縁膜
３３ ストレージ電極
３５ セルプレート電極
７１ 処理室
７５ イオン照射部
７７ エッチング部
Claims (5)
- （ｉ）下地上に、タングステンの核をそれが該下地上に点在するよう成長させる工程と、
（ｉｉ）該タングステンの核を耐エッチングマスクとして用い、前記下地をエッチングして該下地に凹凸を形成する工程と、
（ｉｉｉ）該凹凸の形成された下地上に別途にキャパシタ絶縁膜形成用の膜兼ストレージ電極形成用膜である導電性の膜を形成して、該凹凸を該キャパシタ絶縁膜形成用の膜に転写して、さらに該キャパシタ絶縁膜形成用の膜表面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と
を含むことを特徴とするキャパシタ絶縁膜の形成方法。 - スイッチング素子とキャパシタとでメモリセルが構成されている半導体記憶装置を形成するに当たり、
キャパシタにおけるキャパシタ絶縁膜を請求項１に記載の方法により形成すること
を特徴とする半導体記憶装置の形成方法。 - 請求項１に記載のキャパシタ絶縁膜の形成方法に用いられる半導体製造装置において、
試料を固定するための手段を具える処理室と、
該処理室と接続されていて、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段、加速されたイオンを収束させるための手段及び、収束されたイオンを前記試料上の特定領域に照射するための手段を具えるイオン照射部と、
前記処理室と接続されていて、該処理室にエッチングガスを供給するための手段、該処理室内の真空度を制御するための排気系及び前記エッチングガスの前記試料に対する作用を促すための電気系を具えるエッチング部と
を具えたことを特徴とする半導体製造装置。 - 請求項２に記載の半導体記憶装置の形成方法に用いられる半導体製造装置において、
試料を固定するための手段を具える処理室と、
該処理室と接続されていて、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段、加速されたイオンを収束させるための手段及び、収束されたイオンを前記試料上の特定領域に照射するための手段を具えるイオン照射部と、
前記処理室と接続されていて、該処理室にエッチングガスを供給するための手段、該処理室内の真空度を制御するための排気系及び前記エッチングガスの前記試料に対する作用を促すための電気系を具えるエッチング部と
を具えたことを特徴とする半導体製造装置。 - 前記イオン照射部の代わりに、
前記処理室と接続されていて、ある特定のイオンを引き出して加速するための手段及び加速されたイオンをシャワー状に前記試料に照射するための手段を有するイオン照射部を具えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体製造装置。
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