JP2677056B2 - キャパシター電極およびその形成方法 - Google Patents

キャパシター電極およびその形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスにおける
キャパシター電極及びその形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術およびその課題】近年、DRAMの高集積
化に伴い、セルサイズは縮小し、キャパシターの面積は
小さくなる傾向にある。そこで、十分な容量を確保する
ため、容量部面積が大きく、耐α線特性や容量部間の干
渉が少ないスタックトキャパシターやトレンチスタック
トキャパシターが用いられている。しかし、64Mbi
t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50オングストロームという極めて薄い
酸化膜が要求される。このように薄い酸化膜を欠陥なく
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、容量部の面積を増やすことで容量膜厚を現状維持す
る方法が提案されている。渡辺らは、特願平2−724
62号(平成2年3月20日出願)で、LPCVDにお
けるポリシリコン形成をある温度範囲で行うと、アモル
ファス領域からポリシリコンに変化する環境で、表面に
半円球状のグレインが緻密に成長し、表面積は他の温度
で成長したポリシリコンの約2倍になることを示してい
る。このポリシリコンをスタックトキャパシターの蓄電
電極に適用することにより、厚さ100オングストロー
ムの酸化膜で十分な容量と低いリーク電流値を得てい
る。さらに辰巳らは、特願平2−249154号(平成
2年9月19日出願)で、超高真空内でアモルファスシ
リコンを形成し、連続的にアニールすると、同様のポリ
シリコンが形成されることを示している。これは、渡辺
らの方法と異なり、円球状のグレインが表面上に出現す
る成長温度が広範囲にわたるので、形成時に温度管理が
しやすいという利点があった。しかし、これらの方法で
は表面積を平坦な表面を有するポリシリコンの2倍以上
にすることは難しいという問題点があった。本発明の目
的は、このような従来の欠点を除去せしめて、表面積が
従来よりさらに大きなキャパシター電極とその形成方法
を提供することにある。
【0003】
【課題を解決するための手段】本発明は、表面上に凹凸
形状を有する多結晶シリコン上に、ゲルマニウムもしく
はシリコンゲルマニウムの混晶のアイランドが形成され
てなることを特徴とするキャパシター電極である。ま
た、そのキャパシター電極の形成方法は、基板上にアモ
ルファスシリコン層を形成し、次いで表面の自然酸化膜
を除去した後に、真空中でアモルファスシリコンを熱し
て多結晶化し、この上に多結晶ゲルマニウムもしくは多
結晶シリコンゲルマニウムを形成することを特徴とする
か、あるいは基板上にアモルファスゲルマニウム層もし
くはアモルファスシリコンゲルマニウム層を形成した
後、さらにその上にアモルファスシリコン層を形成し、
次いで表面の自然酸化膜を除去した後に真空中で加熱し
て多結晶化することを特徴とする。
【0004】
【作用】本発明の原理について説明する。発明者は、辰
巳らが特願平2−249154号で示した、表面に半円
球状のグレインを有するポリシリコン上に、ゲルマニウ
ムもしくはシリコンゲルマニウムのアイランドを設け、
これをキャパシター用電極として用いると、そのキャパ
シターが、表面が平坦なポリシリコンを電極とした場合
に比べて約4倍になることを見い出した。これは、図1
に示すように、半円球状をなすポリシリコン12表面に
ゲルマニウム13もしくはシリコンゲルマニウムの微細
な半円球状のアイランドが生じ、表面積が増えるからで
ある。
【0005】さらにこのような構造を実現するための形
成方法として、次の2つの方法を新たに見い出した。そ
の第1は、真空中でアモルファスシリコンを形成後、大
気中に取り出すことなく真空中でアニールして半円球状
のポリシリコンを形成し、これにゲルマニウムまたはシ
リコンゲルマニウムを成長し、ゲルマニウムまたはシリ
コンゲルマニウムをアイランド成長させる方法である。
これは、次のような原理に基づく。図2(a)に示すよ
うに、アモルファス絶縁膜21上にアモルファスシリコ
ン22を堆積すると表面は平坦である。この基板表面を
清浄に保った状態でアニールすると、ポリシリコンの核
が表面上に形成される。清浄なアモルファスシリコン2
2表面上におけるシリコンの表面拡散速度は、固相成長
速度に比べて極めて速く、シリコンは表面を拡散するこ
とによって、表面上に形成されたポリシリコンの核に集
まり、図2(b)に示すようにポリシリコン23はキノ
コ状に成長する。成長につれてその根元が細かくなる。
さらに、反応が進むとキノコ状に成長したポリシリコン
23の根元が切れてアモルファスシリコン上に落ち、図
2(c)に示すように半円球状の構造が表面に形成され
る。この半円球状になったポリシリコン層24上に(シ
リコン)ゲルマニウムを高温で成長すると、アイランド
成長が起こり、図2(d)に示すように微細な半円球上
に、さらに半円球状の(シリコン)ゲルマニウム25が
形成される。
【0006】形成方法の第2は、アモルファスゲルマニ
ウムもしくはアモルファスシリコンゲルマニウム上にア
モルファスシリコンを形成し、加熱する方法である。こ
れは、次のような原理に基づく。図3(a)に示すよう
に、アモルファス絶縁膜31上にアモルファスゲルマニ
ウムまたはアモルファスシリコンゲルマニウム32、そ
の上にアモルファスシリコン33を堆積すると、表面は
平坦である。これを加熱すると、図3(b)に示すよう
に、表面からの核形成がおこり、キノコ状に成長したポ
リシリコン34が形成されて半円球状の構造が表面に形
成される。加熱を続けると、図3(c)に示すように、
この半円球状になったポリシリコン層34上にアモルフ
ァスゲルマニウムまたはアモルファスシリコンゲルマニ
ウムが、アモルファスシリコンと同様に表面を拡散する
ことによってポリゲルマニウムもしくはポリシリコンゲ
ルマニウム35となって形成される。さらに加熱を続け
ると、半円球状になったポリシリコン34上に形成され
たポリゲルマニウムもしくはポリシリコンゲルマニウム
は、シリコンとの表面エネルギーの違いによって図3
(d)に示すようにアイランド化を起こし、半円球上に
さらに微細な半円球状のゲルマニウムもしくはシリコン
ゲルマニウム36が形成される。
【0007】
【実施例】本発明の実施例について具体的に説明する。
ここでは40ccの電子銃式Si蒸着器を備えたMBE
装置を用いて行った。試料ウエハーには、表面上に熱酸
化によって厚さ2000オングストロームのシリコン酸
化膜(Si02)を形成した4インチn型Si(10
0)基板を用いた。試料ウエハーは、RCA洗浄後、形
成室内に搬送し、800℃、1分間の加熱による清浄化
を行った。基板温度を室温に下げた後、電子銃式Si蒸
着器から、10オングストローム/sのSi分子線を照
射し、酸化膜上に厚さ2000オングストロームのアモ
ルファスシリコン(a−Si)層を形成した。この基板
を同一真空槽内で加熱し、a−Si層を多結晶化させ
た。多結晶化したかどうかの判断は高速電子線回折(R
HEED)によるin−situ観察によって行った。
さらにポリシリコン(poly−Si)上に基板温度6
00℃で、シリコン(Si)分子線とゲルマニウム(G
e)を同時に照射してSi1-xGexを形成した。アイラ
ンド成長したかどうかの判断も、RHEEDのin−s
itu観察によって確認した。また、形成した基板は大
気中に取り出し、断面のTEM観察によって評価した。
a−Siを形成したサンプルの加熱前、加熱し核が形成
され成長する途中、十分に多結晶化が起こった時、これ
にSil-xGexを成長した時点の断面のTEM観察を行
ったところ、図2(a)、(b)、(c)、(d)に示
した断面図と同様のTEM像を得ることができ、本発明
の効果を確認した。Sil-xGexは、X=0.3以上で
あれば、混晶比が大きくなるほど低温成長(400℃)
でのアイランド成長が起こり易いことがTEM観察から
確認された。
【0008】さらに、このようにして作った凹凸形状を
有するSi1-xGex/poly−Si上に厚さ100オ
ングストロームの酸化膜を形成し、キャパシターを作製
してその容量を測定した。図4は半球状ポリシリコン上
に形成したシリコンゲルマニウムの混晶比とキャパシタ
ー容量との関係について、Si1-xGexを成長しなかっ
た場合と比較したものである。シリコンゲルマニウムの
混晶比が、アイランド成長しないX=0.2では半球状
ポリシリコンのみの場合と同じであるが、アイランド成
長するX=0.3の場合は4倍のキャパシター容量を得
ることができた。図5は半球状のポリシリコン上にSi
0.5Ge0.5を形成する時の成長温度とキャパシター容量
との関係を示した図である。図に示したように、SiG
eの成長温度が300℃の場合は、SiGeの表面が平
坦であり、キャパシター容量は従来の2倍に止まるが、
アイランド成長の起こる400℃以上で成長するとアイ
ランド成長が起こり、表面積が増加し、約4倍の容量が
得られた。これは、Si1-xGexを凹凸状のpoly−
Siの上に成長することによって表面積が約4倍になっ
たことを示している。しかし、900℃以上で成長する
と、半球状のポリシリコンのみの場合と同じ値を示し
た。これは、シリコンゲルマニウムが蒸発してしまうた
めに、容量が低下したものと考えられる。
【0009】また、同様にして清浄化したSiO2/S
iウエハー上にアモルファスシリコンゲルマニウム(混
晶比はX=0.5)を形成し、さらにその上にアモルフ
ァスシリコンを形成した。これをアニールすることによ
って、表面からの核形成を起こさせ半球状に多結晶化さ
せ、さらにシリコン上のシリコンゲルマニウムがアイラ
ンド成長を起こすまで加熱を続けた。加熱時間は最高で
も10分間とし、アニール温度とキャパシター容量の関
係を調べた。アイランド成長及び多結晶化の確認はRH
EEDにて行った。また、断面のTEM観察によって、
アニール前、アニール中、アニール後について調べ、図
3(a)、(b)、(c)、(d)に示した断面図と同
様のTEM像を得ることができ、本発明の効果を確認し
た。図6に、このようにして形成したキャパシターの容
量とアニール温度の関係を示す。400℃のアニールで
は、表面からの核形成が始まっておらず、従来の容量と
同じ値を示しているが、600℃以上でアニールすると
半球状に多結晶化が始まって、2倍となり、さらに高温
では、アイランド成長が始まって表面積が増えて、容量
は4倍となることがわかった。
【0010】なお、本実施例ではシリコンウエハーを対
象としたが、本発明の方法は表面にのみシリコンが存在
するSOS(Silicon on Sapphire) 基板や、さらに一般
にSOI(Silicon on Insulator)基板等にも当然適用で
きる。さらに、本実施例ではMBE装置内で電子銃式シ
リコン蒸着装置を用いてa−Si層の形成を行ったが、
a−Si層の形成は、ガスソースMBE、LPCVD、
スパッタでも、a−Siの清浄面を加熱し表面が半球状
をなしたpoly−Siを形成後、Si1-xGexを成長
すれば同様な現象が起こることを確かめた。
【0011】
【発明の効果】以上、詳細に述べた通り、本発明によれ
ば、表面積をさらに増加させることができ、これをキャ
パシターの蓄電電極に用いれば、その容量を増加させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のキャパシター電極の断面図である。
【図2】本発明の方法の一例を工程順に説明した断面図
である。
【図3】本発明の方法の別の一例を工程順に説明した断
面図である。
【図4】本発明のキャパシター構造によって得られたキ
ャパシター容量とシリコンゲルマニウムの混晶比との関
係を示した図である。
【図5】本発明の方法の一実施例におけるシリコンゲル
マニウムの形成温度とキャパシター容量との関係を示し
た図である。
【図6】本発明の方法の一実施例におけるアニール温度
とキャパシター容量との関係を示した図である。
【符号の説明】
11,21,31 アモルファス絶縁膜 12,23,34 ポリシリコン 13,25,36 アイランド成長した(シリコン)ゲ
ルマニウム 22,33 アモルファスシリコン 24 ポリシリコン層 32 アモルファス(シリコン)ゲルマニウム 35 ポリ(シリコン)ゲルマニウム

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面上に凹凸形状を有する多結晶シリコ
    ン上に、ゲルマニウムもしくはシリコンゲルマニウムの
    混晶のアイランドが形成されてなることを特徴とするキ
    ャパシター電極。
  2. 【請求項2】 基板上にアモルファスシリコン層を形成
    し、次いで表面の自然酸化膜を除去した後に、真空中で
    アモルファスシリコンを熱して多結晶化し、この上に多
    結晶ゲルマニウムもしくは多結晶シリコンゲルマニウム
    を形成することを特徴とするキャパシター電極の形成方
    法。
  3. 【請求項3】 基板上にアモルファスゲルマニウム層も
    しくはアモルファスシリコンゲルマニウム層を形成した
    後、さらにその上にアモルファスシリコン層を形成し、
    次いで表面の自然酸化膜を除去した後に真空中で加熱し
    て多結晶化することを特徴とするキャパシター電極の形
    成方法。
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