JP2830705B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP2830705B2
JP2830705B2 JP5201864A JP20186493A JP2830705B2 JP 2830705 B2 JP2830705 B2 JP 2830705B2 JP 5201864 A JP5201864 A JP 5201864A JP 20186493 A JP20186493 A JP 20186493A JP 2830705 B2 JP2830705 B2 JP 2830705B2
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silicon
silicon film
polysilicon
semiconductor device
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昌伸 善家
俊幸 廣田
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/60Electrodes
    • H01L28/82Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation
    • H01L28/84Electrodes with an enlarged surface, e.g. formed by texturisation being a rough surface, e.g. using hemispherical grains

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、容量部を有する半導体装置の製造方法に
関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device having a capacitance portion.

【0002】[0002]

【従来の技術】DRAM等の半導体装置では、スタック
トキャパシタ、トレンチキャパシタ等からなる容量部を
設ける必要がある。このうちスタックトキャパシタは、
通常以下のように形成される。すなわち、半導体基板上
に絶縁膜を介してポリシリコン膜を成長させた後、リン
等の不純物をポリシリコン膜中に導入する。次に、フォ
トレジスト膜を用いて、プラズマエッチング技術等にて
このポリシリコン膜のパターニングを行い、下部電極を
形成する。次に、下部電極の表面を酸化膜、窒化膜等か
らなる誘電体膜で被覆し、続いて、下部電極の形成方法
と同様の方法を用いて上部電極を形成する。
2. Description of the Related Art In a semiconductor device such as a DRAM, it is necessary to provide a capacitance portion such as a stacked capacitor or a trench capacitor. Among them, the stacked capacitor is
Usually, it is formed as follows. That is, after growing a polysilicon film on a semiconductor substrate via an insulating film, an impurity such as phosphorus is introduced into the polysilicon film. Next, using a photoresist film, the polysilicon film is patterned by a plasma etching technique or the like to form a lower electrode. Next, the surface of the lower electrode is covered with a dielectric film made of an oxide film, a nitride film, or the like, and then, an upper electrode is formed using the same method as the method for forming the lower electrode.

【0003】而して、64MbitDRAMのようにデ
バイスの微細化が進むと、容量部の占有面積もそれにと
もなって微小化されるようになり、そのため従前の単に
ポリシリコン膜でキャパシタを形成する手法を採用して
いたのでは必要な容量を確保することが困難になってき
ている。そこで、容量部の占有面積を増加させることな
く実効的に電極面積を増加させる手段として下部電極の
表面に凹凸を設ける手法がいくつか提案されている。
[0003] When the device is miniaturized as in a 64 Mbit DRAM, the area occupied by the capacitance portion is also reduced accordingly. It has become difficult to secure the required capacity with the adoption. Therefore, as a means for effectively increasing the electrode area without increasing the area occupied by the capacitance portion, there have been proposed some techniques for providing irregularities on the surface of the lower electrode.

【0004】特開平3−272165号公報(第1の従
来例)には、堆積膜がアモルファス相からポリシリコン
相に変化する遷移温度でシリコンを成長させると、シリ
コンのグレイン成長に起因する凸凹がシリコン表面に発
生し、表面積が増大することを利用する技術が開示され
ている。図6に、この従来技術を用いて容量部を形成す
る場合の工程断面図を示す。まず、シリコン基板1上
に、シリコン酸化膜2を形成し、通常のリソグラフィ技
術およびドライエッチング技術を用いて、コンタクトホ
ールを形成した後、CVD(化学的気相成長)法を用い
てポリシリコン膜8を膜厚200〜500nmに成長さ
せる。次に、CVD法等によりシリコン酸化膜9を厚さ
100〜300nmに、続いて、同じくCVD法等によ
りポリシリコン膜10を膜厚50〜200nmに成長さ
せる〔図6(a)〕。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-272165 (first conventional example) discloses that when silicon is grown at a transition temperature at which a deposited film changes from an amorphous phase to a polysilicon phase, irregularities due to silicon grain growth are formed. There is disclosed a technique that utilizes the increase in surface area that occurs on the silicon surface. FIG. 6 is a process sectional view in the case of forming a capacitance portion using this conventional technique. First, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, a contact hole is formed by using a normal lithography technique and a dry etching technique, and then a polysilicon film is formed by a CVD (chemical vapor deposition) method. 8 is grown to a thickness of 200 to 500 nm. Next, a silicon oxide film 9 is grown to a thickness of 100 to 300 nm by a CVD method or the like, and then a polysilicon film 10 is grown to a thickness of 50 to 200 nm by a CVD method or the like (FIG. 6A).

【0005】そして、通常のリソグラフィ技術およびド
ライエッチング技術を用いて、下部電極の形にパターニ
ングを行う。さらに、SiH4 +He(SiH4 20
%、He80%)の反応ガスを用いて、圧力1Tor
r、成長温度550℃の条件でポリシリコン膜11を成
長させ、通常のポリシリコンに比較して、約2倍の表面
積のシリコン膜を成膜する〔図6(b)〕。次に、熱拡
散法等を用いてポリシリコン膜11にリン等の不純物を
導入し、通常のドライエッチング法によりエッチバック
を行って、下部電極を形成する〔図6(c)〕。そし
て、容量絶縁膜6を成膜した後、通常の方法でポリシリ
コン膜7を成膜し、リン等の不純物を導入した後、通常
のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用い
て、上部電極のパターニングを行う〔図6(d)〕。
Then, patterning is performed in the shape of a lower electrode by using a usual lithography technique and a dry etching technique. Further, SiH 4 + He (SiH 4 20
%, He 80%) and a pressure of 1 Torr.
r, a polysilicon film 11 is grown under the condition of a growth temperature of 550 ° C., and a silicon film having a surface area approximately twice as large as that of normal polysilicon is formed (FIG. 6B). Next, an impurity such as phosphorus is introduced into the polysilicon film 11 using a thermal diffusion method or the like, and etch back is performed by a normal dry etching method to form a lower electrode (FIG. 6C). After the capacitor insulating film 6 is formed, a polysilicon film 7 is formed by a normal method, impurities such as phosphorus are introduced, and patterning of the upper electrode is performed using a normal lithography technique and a dry etching technique. [FIG. 6 (d)].

【0006】また、特開平4−196435号公報(第
2の従来例)には、アモルファスシリコンを真空中また
は非酸化雰囲気中でアニールすることにより表面に凸凹
を形成する方法が提案されている。上記公報によれば、
上記条件でアニールすることにより、アモルファスシリ
コンが結晶化する際、表面からの結晶化および表面での
シリコンマイグレーションにより、シリコン膜表面に凹
凸が形成される。
Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-196435 (second conventional example) proposes a method of forming irregularities on the surface by annealing amorphous silicon in a vacuum or in a non-oxidizing atmosphere. According to the above publication,
When the amorphous silicon is crystallized by annealing under the above conditions, irregularities are formed on the surface of the silicon film due to crystallization from the surface and silicon migration on the surface.

【0007】また、特開平3−139882号公報(第
3の従来例)には、加熱したリン酸にて、ポリシリコン
膜表面をエッチングして凸凹を形成する方法が提案され
ている。図7を用いて、この従来例について説明する。
まず、シリコン基板1上に、シリコン酸化膜2を形成
し、コンタクトホールを形成した後、タングステンシリ
サイド膜12およびポリシリコン膜13を成膜する。次
に、ポリシリコン膜13にリン等の不純物を導入し、続
いて、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術を用いて、これら2層膜を下部電極の形状に
パターニングする〔図7(a)〕。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 3-139882 (third conventional example) proposes a method of etching a polysilicon film surface with heated phosphoric acid to form irregularities. This conventional example will be described with reference to FIG.
First, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, a contact hole is formed, and then a tungsten silicide film 12 and a polysilicon film 13 are formed. Next, an impurity such as phosphorus is introduced into the polysilicon film 13, and then these two-layer films are patterned into a shape of a lower electrode by using a normal photolithography technique and a dry etching technique (FIG. 7A). ].

【0008】次に、約170℃に加熱されたリン酸溶液
中に10〜20分浸すことで、ポリシリコンの結晶粒界
をエッチングして、表面に凸凹を有する多孔質シリコン
膜14を形成する〔図7(b)〕。この時、タングステ
ンシリサイド膜は、リン酸のエッチングのストッパーと
して働いている。続いて、容量絶縁膜6およびポリシリ
コン膜7を成膜し、通常のフォトリソグラフィ技術およ
びドライエッチング技術を用いて、容量部を形成する
〔図7(c)〕。
Next, by immersing in a phosphoric acid solution heated to about 170 ° C. for 10 to 20 minutes, the crystal grain boundaries of polysilicon are etched to form a porous silicon film 14 having an uneven surface. [FIG. 7 (b)]. At this time, the tungsten silicide film functions as a stopper for phosphoric acid etching. Subsequently, a capacitance insulating film 6 and a polysilicon film 7 are formed, and a capacitance portion is formed by using a normal photolithography technique and a dry etching technique (FIG. 7C).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上述した各従来例に
は、それぞれ以下の問題点があった。まず、第1の従来
例では、成膜がアモルファス相からポリシリコン相へと
変化する遷移温度の内、表面に凸凹が形成されるのは非
常に狭い温度範囲であり、そして、LP−CVD装置で
多数回処理を行っていると、パーティクル等により、表
面の凸凹の程度が変化する問題点がある。したがって、
この従来法は、再現性よく安定に表面積を増加させるの
は困難で、量産性に劣るものであった。また、第2の従
来例の方法も、アモルファスシリコンの成膜条件および
アニール条件によって凹凸の程度に大きな差が生じるも
のであるので、量産的に採用することは困難である。な
お、以上の2つの方法によって得られる表面積の増加
は、通常の方法に比較して、高々約2倍と、それほど効
果は大きくなく、64MDRAM以降の半導体装置に適
用するには効果が不十分であった。
Each of the above-mentioned conventional examples has the following problems. First, in the first conventional example, among the transition temperatures at which the film formation changes from the amorphous phase to the polysilicon phase, the formation of irregularities on the surface is in a very narrow temperature range. When the processing is performed many times, there is a problem that the degree of surface irregularities changes due to particles and the like. Therefore,
In this conventional method, it is difficult to stably increase the surface area with good reproducibility, and is inferior in mass productivity. In addition, the method of the second conventional example also has a large difference in the degree of unevenness depending on the film formation conditions and the annealing conditions of the amorphous silicon, so that it is difficult to adopt the method in mass production. The increase in the surface area obtained by the above two methods is at most about twice as large as that of the ordinary method, so that the effect is not so large, and the effect is insufficient for application to a semiconductor device of 64 MDRAM or later. there were.

【0010】また、ポリシリコン膜をリン酸で処理する
第3の従来例では、ポリシリコンのグレインに沿ってエ
ッチングが行われるところ、通常のポリシリコンではグ
レインが0.05〜0.1nm程度であるため、このグ
レインバウンダリをリン酸でエッチングすると微細な凸
凹になり、大きな容量増加を見込むことができないほ
か、容量絶縁膜の耐圧が劣化し信頼性が低下するという
問題点があった。
In the third conventional example in which the polysilicon film is treated with phosphoric acid, the etching is performed along the grain of the polysilicon. However, in the case of ordinary polysilicon, the grain is about 0.05 to 0.1 nm. For this reason, when this grain boundary is etched with phosphoric acid, it becomes fine irregularities, so that a large increase in capacity cannot be expected, and there is a problem that the withstand voltage of the capacitor insulating film is deteriorated and reliability is reduced.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、半導体基板上に下部電極、誘電体膜およ
び上部電極から構成される容量部を有する半導体装置の
製造方法に関するものであって、堆積膜の結晶状態がア
モルファス相から多結晶相へ変化する遷移温度で下部電
極用のシリコン膜を形成する工程と、前記遷移温度より
高い温度で熱処理を行って前記シリコン膜を多結晶化す
る工程と、前記多結晶化したシリコン膜をリン酸等の
結晶シリコンをエッチングする液にて処理する工程とを
含む。
SUMMARY OF THE INVENTION A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a capacitor portion composed of a lower electrode, a dielectric film and an upper electrode on a semiconductor substrate. Forming a silicon film for the lower electrode at a transition temperature at which the crystalline state of the deposited film changes from an amorphous phase to a polycrystalline phase; and performing a heat treatment at a temperature higher than the transition temperature to polycrystallize the silicon film. a step, the polycrystalline silicon film, such as phosphoric acid multilingual
Treating with crystalline silicon etching solution .

【0012】[0012]

【作用】本発明によれば、下部電極用のシリコン膜が、
結晶状態がアモルファス相から多結晶相に変化する遷移
温度範囲で成膜される。この成膜条件では、アモルファ
スシリコン中に結晶核の散在するシリコン膜が得られ
る。結晶核の含まれる程度はシリコンの成長温度によっ
て決定される。すなわち、低い成膜温度ではアモルファ
ス性の高いシリコン膜が得られ、成膜温度が高くなるほ
どポリシリコンに近づく。
According to the present invention, the silicon film for the lower electrode is
The film is formed in a transition temperature range in which the crystalline state changes from an amorphous phase to a polycrystalline phase. Under these film forming conditions, a silicon film in which crystal nuclei are scattered in amorphous silicon can be obtained. The degree to which crystal nuclei are included is determined by the growth temperature of silicon. That is, a silicon film having a high amorphous property can be obtained at a low film forming temperature, and the silicon film becomes closer to polysilicon as the film forming temperature increases.

【0013】このシリコン膜を800〜900℃で10
〜30分程度熱処理するとグレインサイズの大きなポリ
シリコン膜が得られる。而して、このときの結晶化はア
モルファスシリコン中の結晶核から始まるので、得られ
るポリシリコンのグレインサイズは、シリコン膜の成膜
温度に大きく依存する。このポリシリコン膜をリン酸等
のエッチング液にてエッチングすると、エッチングはグ
レインバウンダリに沿って進行するため、大きな凹凸を
もつシリコン膜が得られる。シリコン膜が大きな凹凸を
持つことによりこのシリコン膜を用いてキャパシタを形
成するとき大きな容量のキャパシタが実現できる。そし
て、このシリコン膜に形成される凹凸はグレインサイズ
により決定されるところ、グレインサイズはシリコンの
成膜条件で制御できるため、本発明により、シリコン膜
の表面積の増大を再現性よく安定して実現することがで
きる。
This silicon film is heated at 800 to 900 ° C. for 10 minutes.
When the heat treatment is performed for about 30 minutes, a polysilicon film having a large grain size can be obtained. Since the crystallization at this time starts from the crystal nuclei in the amorphous silicon, the grain size of the obtained polysilicon largely depends on the film formation temperature of the silicon film. When this polysilicon film is etched with an etchant such as phosphoric acid, the etching proceeds along the grain boundary, so that a silicon film having large irregularities is obtained. Since the silicon film has large irregularities, a capacitor having a large capacitance can be realized when a capacitor is formed using the silicon film. And since the irregularities formed in this silicon film are determined by the grain size, the grain size can be controlled by the silicon film forming conditions. Therefore, according to the present invention, the increase in the surface area of the silicon film is stably realized with good reproducibility can do.

【0014】[0014]

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明の第1の実施例を説明する
ための、各工程段階における半導体装置の状態を順に示
した工程断面図である。まず、図1(a)に示すよう
に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を形成し、通
常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技
術を用いてシリコン酸化膜2にコンタクトホールを形成
し、その後、SiH4 ガスとPH3 ガスを用い、圧力
0.2〜1.0Torr、成長温度550〜600℃の
条件で、通常のLP−CVD(減圧CVD)法を用い
て、アモルファス相と結晶相とが混合したシリコン膜3
を膜厚200〜600nmに成膜する。このとき、シリ
コン中のP(リン)の濃度は1×1020〜1×1021
toms/cm3 である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a process cross-sectional view showing the state of a semiconductor device in each process step in order for explaining a first embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and a contact hole is formed in the silicon oxide film 2 using a normal photolithography technique and a dry etching technique. An amorphous phase and a crystalline phase are formed using a normal LP-CVD (low-pressure CVD) method under the conditions of SiH 4 gas and PH 3 gas at a pressure of 0.2 to 1.0 Torr and a growth temperature of 550 to 600 ° C. Mixed silicon film 3
Is formed to a thickness of 200 to 600 nm. At this time, the concentration of P (phosphorus) in silicon is 1 × 10 20 to 1 × 10 21 a.
toms / cm 3 .

【0015】次に、窒素雰囲気中で800〜900℃の
熱処理を10〜30分間行い、前述のシリコン膜3を完
全に結晶化させ、ポリシリコン膜4に変換する。続い
て、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチ
ング技術を用いて、ポリシリコン膜4を下部電極の形に
パターニングする〔図1(b)〕。次いで、150〜1
70℃の濃リン酸溶液中に10〜90分間浸して、ポリ
シリコン4を多孔質化して、表面に凸凹のある多孔質シ
リコン膜5を形成する〔図1(c)〕。
Next, a heat treatment at 800 to 900 ° C. is performed in a nitrogen atmosphere for 10 to 30 minutes to completely crystallize the silicon film 3 and convert it to a polysilicon film 4. Subsequently, the polysilicon film 4 is patterned into a shape of a lower electrode by using a usual photolithography technique and a dry etching technique (FIG. 1B). Then, 150-1
The polysilicon 4 is made porous by immersing it in a concentrated phosphoric acid solution at 70 ° C. for 10 to 90 minutes to form a porous silicon film 5 having an uneven surface (FIG. 1C).

【0016】次に、通常のLP−CVD法によりシリコ
ン窒化膜(図示せず)を成膜し、続いて、酸化性雰囲気
中で熱処理して、シリコン窒化膜表面にシリコン酸化膜
(図示せず)を形成して、シリコン窒化膜およびシリコ
ン酸化膜からなる容量絶縁膜6を形成する。次に、通常
のLP−CVD法でポリシリコン膜7を厚さ100〜3
00nmに成膜し、リン等の不純物を導入した後、通常
のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術
を用いて、上部電極の形にパターニングを行う〔図1
(d)〕。
Next, a silicon nitride film (not shown) is formed by a normal LP-CVD method, and then heat-treated in an oxidizing atmosphere to form a silicon oxide film (not shown) on the surface of the silicon nitride film. ) To form a capacitance insulating film 6 made of a silicon nitride film and a silicon oxide film. Next, the polysilicon film 7 is formed to a thickness of 100 to 3 by a normal LP-CVD method.
After a film is formed to a thickness of 00 nm and impurities such as phosphorus are introduced, patterning is performed using an ordinary photolithography technique and a dry etching technique to form an upper electrode [FIG.
(D)].

【0017】以上のようにして容量部を形成すると、容
量値は、従来のポリシリコンをそのまま電極として用い
た場合の容量に対して、約3倍になる。本発明では、ア
モルファス相と結晶相の混合しているシリコンを成膜し
ているが、成長温度と容量比との関係を図2に示す。ア
モルファス相と結晶相の遷移温度領域(550〜600
℃)でシリコンを成膜した場合、それによる容量部の容
量は約3倍となっている。また、図3(a)に、約63
0℃で成膜したポリシリコンをリン酸処理した後の表面
の約3万倍のSEM写真を示す。グレインの大きさは5
0〜100nmで、グレインバウンダリは約5〜10n
m程度で、表面の凸凹はそれぼど大きくないため、容量
の増加も少ない。一方、本発明の方法に従った場合につ
いて、例えば、580℃で成膜したシリコン膜の場合の
約3万倍のSEM写真を図3(b)に示す。グレインの
大きさは100〜500nm、グレインバウンダリの大
きさは50〜200nm程度で、凸凹の程度は大きく、
容量の増加は大きくなる。なお、シリコンの成長温度を
さらに低温(500℃)にすると、グレインの大きさは
500〜1000nmと大きくなるため、面積当たりの
グレインバウンダリが減少し、また、下部電極のパター
ンが2μm以下になると表面積の増加が不均一になると
いう問題が生じてくる。以上説明したように、シリコン
の成長温度領域は、本発明で説明したアモルファス相と
結晶相との遷移温度領域が最も適当である。
When the capacitance portion is formed as described above, the capacitance value is about three times as large as the capacitance when the conventional polysilicon is used as the electrode as it is. In the present invention, a silicon film in which an amorphous phase and a crystalline phase are mixed is formed. FIG. 2 shows the relationship between the growth temperature and the capacity ratio. Transition temperature range between amorphous phase and crystalline phase (550-600
C.), the capacity of the capacity part is about three times as large. Also, FIG.
An SEM photograph of about 30,000-fold magnification of the surface after phosphoric acid treatment of polysilicon formed at 0 ° C. is shown. Grain size is 5
0-100 nm, grain boundary about 5-10 n
Since the surface roughness is not so large at about m, the increase in capacity is small. On the other hand, in the case where the method according to the present invention is followed, for example, an SEM photograph of about 30,000 times that of a silicon film formed at 580 ° C. is shown in FIG. The size of the grain is 100 to 500 nm, the size of the grain boundary is about 50 to 200 nm, and the degree of unevenness is large,
The increase in capacity is large. When the growth temperature of silicon is further lowered (500 ° C.), the size of the grains increases to 500 to 1000 nm, so that the grain boundary per area decreases and the surface area decreases when the pattern of the lower electrode becomes 2 μm or less. The problem arises that the increase in the density becomes non-uniform. As described above, the transition temperature region between the amorphous phase and the crystalline phase described in the present invention is most appropriate as the silicon growth temperature region.

【0018】また、本実施例で形成した容量部の容量絶
縁膜の耐圧分布と、通常の成膜法で形成したポリシリコ
ン膜をリン酸に浸して形成した容量部の容量絶縁膜の耐
圧分布とをそれぞれ図4(a)および図4(b)に示
す。本実施例の場合には、良好な耐圧分布を得ることが
できるが、従来例の場合には、いわゆるAモード(短絡
不良モード)の事故を起こしたものや、Bモード(低電
圧で絶縁破壊を起こす不良モード)の不良がみられ、容
量絶縁膜の膜質が悪くなっている。これは、表面の凸凹
が非常に細かく〔図3(a)参照〕、容量絶縁膜がグレ
インバウンダリの奥まで均一性よく成膜されなかった
り、部分的に薄く形成された容量絶縁膜部分で電界集中
が起きたりするため、耐圧分布が悪くなっているものと
考えられる。このように、本発明を用いると、耐圧性に
優れかつ信頼性の高いキャパシタを形成することができ
る。
The breakdown voltage distribution of the capacitor insulating film of the capacitor portion formed in this embodiment and the breakdown voltage distribution of the capacitor insulating film of the capacitor portion formed by immersing a polysilicon film formed by a normal film forming method in phosphoric acid. 4A and 4B are respectively shown in FIG. In the case of the present embodiment, a good breakdown voltage distribution can be obtained. However, in the case of the conventional example, a so-called A mode (short circuit failure mode) accident or a B mode (dielectric breakdown at a low voltage) is obtained. Failure mode), and the quality of the capacitor insulating film is degraded. This is because the unevenness of the surface is very fine (see FIG. 3 (a)), the capacitor insulating film is not formed uniformly to the depth of the grain boundary, or the electric field is generated in the capacitor insulating film partly formed thin. It is considered that the breakdown voltage distribution is deteriorated due to concentration. As described above, by using the present invention, a capacitor having excellent withstand voltage and high reliability can be formed.

【0019】また、本発明による製造方法では、シリコ
ンのアモルファス相と結晶相との混合度はシリコンの成
長条件(特に温度)に依存しているが、第1の従来例に
比較して、図2からわかるように許容温度領域は広く、
かつ従来例のように多数回成膜を続けるとパーティクル
等で表面の凸凹の程度が変化していくという問題点も生
じない。このように、本発明は、従来例よりも再現性よ
く表面の凸凹を形成できるので、量産技術として極めて
有効である。
In the manufacturing method according to the present invention, the degree of mixing of the amorphous phase and the crystalline phase of silicon depends on the growth conditions (particularly, temperature) of silicon. As can be seen from Fig. 2, the allowable temperature range is wide,
Further, when film formation is continued a large number of times as in the conventional example, there is no problem that the degree of unevenness of the surface changes due to particles or the like. As described above, the present invention can form unevenness on the surface with higher reproducibility than the conventional example, and thus is extremely effective as a mass production technique.

【0020】図5は、本発明の第2の実施例を説明する
ための工程断面図である。まず、第1の実施例の場合と
同様に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を形成
し、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチ
ング技術を用いて、シリコン酸化膜2を選択的にエッチ
ングして、コンタクトホールを形成する。次に、SiH
4 ガスを用い、圧力0.2〜1.0Torr、成長温度
550〜600℃の条件で、通常のLP−CVD法を用
いて、アモルファス相と結晶相とが混合したシリコン膜
3aを膜厚200〜600nmに成長させる〔図5
(a)〕。次に、850℃程度でリン拡散を行い、前述
のシリコン膜3a中にリンを導入するとともに、シリコ
ン膜3aを完全に結晶化させ、ポリシリコン膜4を形成
する〔図5(b)〕。
FIG. 5 is a process sectional view for explaining a second embodiment of the present invention. First, as in the case of the first embodiment, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and the silicon oxide film 2 is selectively etched using a normal photolithography technique and a dry etching technique. Then, a contact hole is formed. Next, SiH
The silicon film 3a in which the amorphous phase and the crystalline phase were mixed was formed to a thickness of 200 using a normal LP-CVD method under the conditions of 4 gases, a pressure of 0.2 to 1.0 Torr, and a growth temperature of 550 to 600 ° C. 600600 nm [FIG.
(A)]. Next, phosphorus diffusion is performed at about 850 ° C. to introduce phosphorus into the silicon film 3a and completely crystallize the silicon film 3a to form a polysilicon film 4 (FIG. 5B).

【0021】次に、通常のフォトリソグラフィ技術およ
びドライエッチング技術を用いて、ポリシリコン膜4を
下部電極の形にパターニングし、続いて、150〜17
0℃の濃リン酸溶液中に10〜90分間浸し、ポリシリ
コン4を多孔質化して、表面に凸凹がある多孔質シリコ
ン膜5を形成する〔図5(c)〕。次に、第1の実施例
と同様な方法で、容量絶縁膜6および上部電極用のポリ
シリコン膜7を形成する〔図5(d)〕。
Next, the polysilicon film 4 is patterned into the shape of a lower electrode by using a usual photolithography technique and a dry etching technique.
The polysilicon 4 is made porous by immersing it in a concentrated phosphoric acid solution at 0 ° C. for 10 to 90 minutes to form a porous silicon film 5 having an uneven surface (FIG. 5C). Next, a capacitor insulating film 6 and a polysilicon film 7 for an upper electrode are formed in the same manner as in the first embodiment (FIG. 5D).

【0022】本実施例を用いた容量部の容量値も、第1
の実施例の場合と同様に、通常のポリシリコン膜を用い
た場合に比較して約3倍になった。また、耐圧分布や信
頼性についても第1の実施例の場合と同様に良好な結果
が得られた。
The capacitance value of the capacitance section using this embodiment is also the first value.
As in the case of the embodiment, the value is about three times as large as that in the case where a normal polysilicon film is used. Good results were also obtained with respect to the breakdown voltage distribution and the reliability as in the case of the first embodiment.

【0023】本実施例では、アモルファス相と結晶相と
が混合したシリコン膜3aを、リン拡散でリンを導入し
ながらポリシリコン膜4に変化させたが、リン拡散を行
う前に、窒素雰囲気中で700〜900℃で熱処理を行
い、結晶化させポリシリコンに変化させてから、リン拡
散を行ってもよい。第1および第2の実施例では、シリ
コン中に不純物としてリンを導入した場合について説明
したが、ヒ素(As)等の他の不純物を用いてもよい。
また、アモルファス相と結晶相の混合しているシリコン
の成長温度の例として、550〜600℃で説明した
が、他の条件で前記シリコン膜ができれば、この温度範
囲に限定する必要はない。なお、第1および第2の実施
例では、容量値の増加は約3倍であるが、シリコン膜の
膜厚を厚くして、リン酸処理の時間を長くすることによ
り、表面の凸凹は大きくなり、したがって、表面積は3
倍以上になるため、64MDRAM以降の半導体装置に
も十分に対応できる。
In this embodiment, the silicon film 3a in which the amorphous phase and the crystal phase are mixed is changed to the polysilicon film 4 while introducing phosphorus by phosphorus diffusion. Then, a heat treatment is performed at 700 to 900 ° C. to crystallize and convert to polysilicon, and then phosphorus diffusion may be performed. In the first and second embodiments, the case where phosphorus is introduced as an impurity into silicon has been described. However, another impurity such as arsenic (As) may be used.
Further, the example of the growth temperature of silicon in which an amorphous phase and a crystal phase are mixed has been described at 550 to 600 ° C. However, if the silicon film is formed under other conditions, the temperature need not be limited to this range. In the first and second embodiments, the increase in the capacitance value is about three times. However, by increasing the thickness of the silicon film and lengthening the time of the phosphoric acid treatment, the unevenness of the surface is increased. And therefore the surface area is 3
Since the number is twice or more, it can sufficiently cope with a semiconductor device of 64 MDRAM or later.

【0024】[0024]

【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体装置の製造方法は、シリコンのアモルファス相と結晶
相との遷移温度で下部電極用のシリコン膜を形成し、前
記遷移温度より高い温度で熱処理することによりポリシ
リコン化して、グレインバウンダリを大きくし、しかる
後にリン酸にて処理するものであるので、本発明によれ
ば、表面の凸凹の大きいシリコン膜を形成することがで
きる。その結果、このシリコン膜を用いて形成する容量
部の容量値も通常のポリシリコンをそのまま電極に用い
る場合に比較して約3倍と大きくなる。また、グレイン
サイズが大きくなったことにより容量絶縁膜の耐圧が向
上し信頼性が高まる。また、従来技術に比較して、シリ
コンの許容成長温度領域も広く、多数の成膜を行っても
再現性よくシリコン表面の凸凹を形成できるため、量産
性の高い製造方法を提供できるという効果がある。
As described above, according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a silicon film for a lower electrode is formed at the transition temperature between the amorphous phase and the crystalline phase of silicon, and the silicon film is formed at a temperature higher than the transition temperature. According to the present invention, a silicon film having a large surface irregularity can be formed because the grain boundary is increased by the heat treatment and the grain boundary is increased, followed by treatment with phosphoric acid. As a result, the capacitance value of the capacitance portion formed by using this silicon film is about three times as large as that in a case where normal polysilicon is used as it is for the electrode. In addition, the increase in the grain size increases the withstand voltage of the capacitor insulating film, thereby increasing reliability. Also, as compared with the prior art, the allowable growth temperature range of silicon is wider, and unevenness on the silicon surface can be formed with high reproducibility even when a large number of films are formed, so that a production method with high mass productivity can be provided. is there.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程断
面図。
FIG. 1 is a process cross-sectional view for explaining a first embodiment of the present invention.

【図2】シリコンの成長温度と容量比との関係を示すグ
ラフ。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the growth temperature of silicon and the capacity ratio.

【図3】 従来例および本発明によるシリコン表面の粒
子構造を示す走査電子顕微鏡写真。
FIG. 3 is a scanning electron micrograph showing a particle structure of a silicon surface according to a conventional example and the present invention.

【図4】本発明および従来例によって形成されたキャパ
シタの耐圧分布図。
FIG. 4 is a breakdown voltage distribution diagram of a capacitor formed according to the present invention and a conventional example.

【図5】本発明の第2の実施例を説明するための工程断
面図。
FIG. 5 is a process sectional view for explaining a second embodiment of the present invention.

【図6】第1の従来例を説明するための工程断面図。FIG. 6 is a process cross-sectional view for explaining a first conventional example.

【図7】第3の従来例を説明するための工程断面図。FIG. 7 is a process sectional view for explaining a third conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 シリコン酸化膜 3、3a アモルファス相と結晶相とが混合したシリコ
ン膜 4、7、8、10、11、13 ポリシリコン膜 5、14 多孔質シリコン膜 6 容量絶縁膜 9 シリコン酸化膜 12 タングステンシリサイド膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Silicon oxide film 3, 3a Silicon film in which amorphous phase and crystalline phase were mixed 4, 7, 8, 10, 11, 13 Polysilicon film 5, 14 Porous silicon film 6 Capacitive insulating film 9 Silicon oxide film 12 Tungsten silicide film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 27/10──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) H01L 21/822 H01L 27/04 H01L 27/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 半導体基板上に下部電極、誘電体膜およ
び上部電極から構成される容量部を有する半導体装置の
製造方法において、堆積膜の結晶状態がアモルファス相
から多結晶相へ変化する遷移温度で下部電極用のシリコ
ン膜を形成する工程と、前記遷移温度より高い温度で熱
処理を行って前記シリコン膜を多結晶化する工程と、前
記多結晶化したシリコン膜を多結晶シリコンをエッチン
グする液にて処理する工程と、を含むことを特徴とする
半導体装置の製造方法。
In a method of manufacturing a semiconductor device having a capacitor portion including a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode on a semiconductor substrate, a transition temperature at which a crystalline state of a deposited film changes from an amorphous phase to a polycrystalline phase. Forming a silicon film for a lower electrode by heat treatment at a temperature higher than the transition temperature to polycrystallize the silicon film; and etching the polycrystallized silicon film with polycrystalline silicon.
A method of manufacturing the semiconductor device, the method comprising:
【請求項2】 前記シリコン膜を形成する工程中に該シ
リコン膜に不純物を導入す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。
2. The method according to claim 1, wherein an impurity is introduced into the silicon film during the step of forming the silicon film.
The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
【請求項3】 前記シリコン膜の成膜後、多結晶シリコ
ンをエッチングする液にて処理を行う前に前記シリコン
膜に不純物を導入す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. After the formation of the silicon film, a polycrystalline silicon
2. The method according to claim 1, wherein an impurity is introduced into the silicon film before performing a process using a solution for etching the silicon film.
【請求項4】 前記シリコン膜を多結晶化する熱処理工
程中に前記シリコン膜に不純物を導入することを特徴と
する請求項3記載の半導体装置の製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein an impurity is introduced into the silicon film during a heat treatment step for polycrystallizing the silicon film.
【請求項5】 前記シリコン膜を多結晶化する熱処理温
度が700℃以上900℃以下であ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。
5. The method according to claim 1, wherein a heat treatment temperature for polycrystallizing the silicon film is 700 ° C. or more and 900 ° C. or less.
【請求項6】 前記多結晶化したシリコン膜を処理する
エッチング液がリン酸であ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。
6. An etching solution for treating the polycrystallized silicon film is phosphoric acid.
The manufacturing method of the semiconductor device described in the above.
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