JP2829087B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Description
のシリコン窒化膜の形成工程の改良に関する。
タとトランジスタを組み合わせてメモリセルを構成する
DRAM(Dynamic Random Access read write Memory)が
ある。この装置では従来キャパシタ電極と半導体基板と
の間に形成されるキャパシタ絶縁膜として二酸化シリコ
ン(SiO2)膜が用いられている。キャパシタ絶縁膜の厚
さ薄くすることでキャパシタの容量を増大させることが
できるために、DRAMのキャパシタ用酸化膜の厚さは集積
度の向上とともに急速に薄くなっている。この厚さはい
くらでも薄くできるものではないので、最近では酸化膜
より誘電率の高い材料が注目され始めた。例えば、SiO2
よりも誘電率の大きいシリコン窒化膜を絶縁膜に用いる
ことが検討されている。この場合、シリコン窒化膜それ
自体ではリーク電流が多いため、その応用形であるいわ
ゆる二層膜(窒化膜−熱酸化膜)あるいは三層膜(熱酸
化膜−窒化膜−熱酸化膜)等の検討がなされている。こ
のような複合膜を用いた場合の問題点は、実効的な膜厚
が厚くなり、キャパシタ容量が低下することである。し
たがって、キャパシタ容量を稼ぐためには、各膜厚を薄
膜化する必要がある。しかし、酸化膜の薄膜化を進める
とリーク電流の増大を生じ、ひいては絶縁耐圧の劣化を
招くという問題点が新たに生じる。
場合の問題として、デポジション初期のアイランド成長
に起因する原子レベルでの膜圧不均一性ががある。この
アイランド成長の結果、10nm程度のシリコン窒化膜では
膜厚の薄い箇所での絶縁耐圧が大きく低下する。この問
題は、窒化膜上に熱酸化膜を形成する場合に、とくに重
大となる。何故なら、窒化膜を熱酸化すると膜厚の薄い
部分から下地まで酸化が進行してしまい、著しい膜厚の
増加を来たしてしまう。これは、単なる膜厚の増加だけ
でなく、著しい耐圧の劣化を招く。したがって、素子の
劣化を招き、DRAMなどの信頼性を低下することになる。
ン初期のアイランド成長に起因する原子レベルでの膜厚
不均一性が生じることにより、シリコン窒化膜又はその
複合膜の絶縁耐圧の劣化を招くという問題があった。
の形成工程を有する半導体装置の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
するに際して、デポジション温度を680℃以下,デポジ
ション速度を2Å/min以上とすることを特徴とする。デ
ポジション速度については、より好ましくは、4Å/min
以上とする。
を行うと、デポジション初期のアイランド成長が抑制さ
れる。その結果、これに起因する膜厚不均一性を防止す
ことができるので極薄の窒化膜またはその複合膜におけ
る絶縁耐圧が改善される。特に半導体デバイスに利用さ
れる30Å〜200Å程度の薄膜に有効である。
る。
ンチキャパシタに適用した第1の実施例の製造工程を示
す断面図である。先ず、第1図(a)に示すように比抵
抗5〜50Ω・cmのP型(100)シリコン基板101を用意
し、選択酸化によってフィールド酸化膜102を形成す
る。次に第1図(b)に示すように、全面に0.8μm程
度のCVD酸化膜103を形成し、このCVD酸化膜103をパター
ニングしたのち、これをマスクとして反応性イオンエッ
チング(RIE)法により、シリコン基板表面に垂直側壁
を有する深さ3μm程度の溝104を形成する。この後、
第1図(c)に示すようにCVD酸化膜103を除去したの
ち、溝104の側壁および他のキャパシタ領域のシリコン
表面にn型不純物層105を形成する。熱酸化により厚さ5
nmの薄い酸化膜106を形成し、続いて、デポジション温
度660℃,デポジション圧力0.6Torrの減圧下でジクロル
シランとアンモニア(流量比1:10)の反応によるCVD法
によって、厚さ10nmのCVDシリコン窒化膜107を形成す
る。この時、デポジション温度を660℃に設定する理由
は、680℃以下の温度では成長初期の基板表面における
窒素の熱振動移動が少なくなり核の成長が遅くなるから
である。しかし、このような低温の場合でもデポジショ
ンレートが遅すぎると、窒素が核成長する時間が十分に
あるためアイランド成長が起る。デポジションレートを
遅らせる要因として温度の他にも圧力があり、一般に圧
力が低いほどデポジションレートは遅くなる。アンモニ
アとジクロルシランの反応によるシリコン窒化膜の形成
は、通常、ジクロルシランに比べてアンモニアの分圧が
十分大きな減圧雰囲気中で行われるが、アンモニアの分
圧が相対的に大きくなり過ぎると、デポジションレート
は小さくなる。したがって、デポジションレートを速く
するために、ここではデポジション圧力を0.6Torr、ジ
クロルシランに対するアンモニアの流量比を10に設定し
ている。この後、CVDシリコン窒化膜107上に熱酸化膜10
8の形成する。
シリコン膜によるキャパシタ電極109を形成する。さら
に、スイッチングMOSFET領域のキャパシタ絶縁膜である
熱酸化膜108,CVDシリコン窒化膜107,酸化膜106を剥離除
去する。この場合、酸化膜に対してはフッ酸水溶液,窒
化膜に対して熱リン酸もしくはフッ酸水溶液によるウエ
ットエッチングまたは化学ドライエッチング(CDE)を
用いる。この後、ゲート酸化膜110を形成し、第2のn+
型多結晶シリコン膜によるゲート電極111,ソース,ドレ
イン領域のn+型不純物層112,113を形成して、メモリセ
ルを完成する。
Sキャパシタと、従来法にしたがって形成されたMISキャ
パシタとの絶縁耐圧を比較したものである。従来例は、
シリコン窒化膜形成時のデポジション温度を720℃,デ
ポジション圧力を0.3Torr,アンモニアとジクロルシラン
との流量比を10に条件設定した他、実施例と同様の条件
でMISキャパシタを構成したものである。図から明らか
なように、本実施例では従来例に比べて絶縁耐圧が大幅
に改善されていることが分かる。
る理由を、具体的に第3図を参照して説明する。第3図
(a)はシリコン窒化膜のCVD工程初期の窒素(吸着
種)が下地基板表面全面を覆わない段階の様子である。
この段階においては窒素は物理吸着しているため、窒素
は熱振動によって容易に表面をランダムに移動する。デ
ポジション温度が高い従来法ではこの熱振動が大きく、
第3図(b)に示すように、これらはお互いに衝突しあ
って次第に核に成長する。その後、第3図(c)に示す
ように、核が多数でき互いに接触、合体して地下表面に
不均一な成長すなわちアイランド成長して、極薄シリコ
ン窒化膜では膜厚の極端に薄い箇所ができる。これが絶
縁耐圧を低下させる。
合には第3図(d)に示すようにアイランド成長が抑制
され、極薄シリコン窒化膜においても十分に均一性の良
い膜が得られる。
ポジション速度(温度,圧力およびガス流量比の関数で
ある)を種々変化して、実施例と同様のMISキャパシタ
を形成した場合の実験データを示す。
平均耐圧を測定したもので、デポジョンレートをパラメ
ータとして1,2,4Å/minにそれぞれ変えて行った。また
第6図(b)は、SiN膜のデポジシションレートに対す
る平均耐圧を測定したもので、デポジション温度をパラ
メータとして660,680,700℃でそれぞれ行った。これら
の結果から、デポジション温度が680℃以下、デポジシ
ョンレートが2Å以上の条件で14MV/cm以上の高耐圧を
達成できる事がわかった。
い。これより速いと、例えば50Å程度の薄いSiN膜を制
御性良く形成することができないからである。またデポ
ジション温度600℃以下ではデポジションレートが遅く
なりすぎて現実的でない。
を680℃以下で,デポジション速度を2Å/min以上とす
ることによって、実用上十分な絶縁耐圧をもつ極薄シリ
コン窒化膜が得られる。
ックトキャパシタセルに適用した第2の実施例の製造工
程を示す断面図である。先ず、第2図(a)に示すよう
に比抵抗5〜50Ω・cmP型(100)シリコン基板201を用
意し、選択酸化によってフィールド酸化膜202を形成す
る。
3を形成し、第2のn+型多結晶シリコン膜によるゲート
電極204,ソース,ドレイン領域のn+型不純物層205,206
を形成して、スイッチングMOSFETを形成する。次に、第
2図(c)に示すように、CVD酸化膜207を堆積後、ダイ
レクトコンタクト孔208を形成した後、n+型多結晶シリ
コンを全面に形成し、パターニングによって下部電極
(ストレージノード)209を形成する。
0.6Torrでジクロルシランとアンモニア(流量比1:10)
の反応による減圧CVD法によって、厚さ5nmのCVDシリコ
ン窒化膜210を形成し、さらに熱酸化によってCVDシリコ
ン窒化膜210上に厚さ2〜4nm程度の熱酸化膜211を形成
する。
タ電極212を形成する事によってメモリセルを完成する
(第2図(d))。
したがってゲート酸化膜が形成されたMOSキャパシタ
と、従来法にしたがって形成されたMOSキャパシタのリ
ーク電流と絶縁耐圧を実施例と比較した図である。従来
例は、デポジション温度700℃,デポジション圧力を0.3
Torr,ジクロルシランとアンモニアの流量比を1:10にし
て、同じく厚さ5nmのシリコン窒化膜を形成し、これら
のシリコン窒化膜上に厚さ2nm程度の熱酸化膜を形成し
た絶縁膜を用いたMISキャパシタの場合である。図から
明らかなように従来例に比較して本実施例による場合に
は、リーク電流は低く抑さえられており、絶縁耐圧も良
好であることが分かる。
て述べたが、本発明は、DRAMのゲート絶縁膜に限らず一
般的に基板上に極薄シリコン窒化膜を形成する工程を有
する場合に適用できる。
の良い薄いシリコン窒化膜を形成することができる。こ
れによって、それ自体優れた絶縁性を有する膜となる。
さらにこのシリコン窒化膜上に熱酸化物を形成する場合
にも局所的に薄い部分から下地シリコンへ突き抜けて酸
化が進行してしまうことがなく、極めて良好なシリコン
窒化膜−二酸化シリコン膜の二層構造を得ることができ
る。したがって、このような優れた特性を有する絶縁薄
膜を使用することによって、信頼性の高いDRAM等の半導
体装置を提供することができる。
ルの製造工程断面図, 第2図(a)〜(d)は本発明の第2の実施例のDRAMセ
ルの製造工程断面図, 第3図(a)〜(d)はアイランド成長を説明するため
の図, 第4図は第1の実施例におけるキャパシタ絶縁膜の絶縁
耐圧を従来例と比較して示す図、 第5図(a)は第2の実施例におけるキャパシタ絶縁膜
のリーク電流を従来例と比較して示す図、 第5図(b)は第2の実施例におけるキャパシタ絶縁膜
の絶縁耐圧を従来例と比較して示す図、 第6図(a)(b)は、デポジション温度およびデポジ
ションレート得られるSiN膜の平均耐圧の関係を測定し
た結果を示す図である。 101……p型シリコン基板,102……フィールド酸化膜,10
3……CVD酸化膜,104……溝,105……n型不純物層,106…
…薄い酸化膜,107……シリコン窒化膜,108……熱酸化
膜,109……キャパシタ電極,110……ゲート酸化膜,111…
…ゲート電極,113,114……n+型不純物層,201……P型シ
リコン基板,202……フィールド酸化膜,203……ゲート酸
化膜,203……ゲート酸化膜,204……ゲート電極,205,206
……n+型不純物層,207……CVD酸化膜,208……ダイレク
トコンタクト穴,209……下部電極,210……CVDシリコン
窒化膜,211……熱酸化膜,212……キャパシタ電極。
Claims (1)
- 【請求項1】半導体基板上にCVD法によりシリコン窒化
膜を形成する工程を有する半導体装置の製造方法におい
て、前記シリコン窒化膜の形成工程は、デポジション温
度を680℃以下,デポジション速度を2Å/min以上に条
件設定して行うことを特徴とする半導体装置の製造方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2078906A JP2829087B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2078906A JP2829087B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH03280461A JPH03280461A (ja) | 1991-12-11 |
JP2829087B2 true JP2829087B2 (ja) | 1998-11-25 |
Family
ID=13674875
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2078906A Expired - Lifetime JP2829087B2 (ja) | 1990-03-29 | 1990-03-29 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2829087B2 (ja) |
-
1990
- 1990-03-29 JP JP2078906A patent/JP2829087B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH03280461A (ja) | 1991-12-11 |
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