JP2861343B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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Description
る半導体装置およびその製造方法に関する。
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、64Mbit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50Åという極めて薄い酸化膜が要
求される。この様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2−72462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
温度範囲で行なうと、アモルファス領域からポリシリコ
ンに変化する境界で、表面に半円球状のグレインが稠密
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応することにより
厚さ100Åの酸化膜で十分な容量と低いリーク電流値を
得ている。
表面上に出現する条件は、成長温度が545°Cから555°
Cのわずかな10°Cの範囲であり、生産に用いる場合、
LPCVDの温度管理が非常に難しいという問題点があっ
た。
て、広い形成条件で表面積の大きな多結晶シリコンを作
成することによる半導体装置およびその製造方法を提供
することにある。
る工程と、熱処理を加えることにより前記アモルファス
シリコン層の表面に多結晶シリコンの多数の核を形成す
るとともに当該核を成長させ表面が凹凸になった多結晶
シリコン層を形成する工程と、前記多結晶シリコン層の
前記表面の凹凸上に誘電体膜を形成する工程と、前記誘
電体膜上に導電体層を形成する工程を有し、前記多結晶
シリコン層、前記誘電体層および前記導電体層よりなる
キャパシタを形成することを特徴とする半導体装置の製
造方法である。
でa−Siを形成後大気中に取り出すことなく真空中でア
ニールすると半円球状のポリシリコンとなることを新た
に見出した。これは、次の様な原理に基づく。第1図
(a)に示す様にアモルファス絶縁膜11上にa−Si12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第1図(b)に示す様にポリ
シリコンの核13が表面上に形成される。清浄なa−Si表
面上におけるSiの表面拡散速度は、固相成長速度に比べ
て極めて速く、Si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り、第1図(c)
に示す様にポリシリコン核14はキノコ状に成長する。成
長につれてその根元が細くなる。さらに、反応が進むと
ポリシリコン核14の根元が切れてa−Si上に落ち、第1
図(d)に示すように半円球状の構造が表面に形成され
る。以上の反応におけるポリシリコンの形状にはアニー
ル温度は本質的な影響を及ぼさない。アニール温度はこ
の反応の起こる速度を律速し、アニール温度が600°C
以下では形成速度は極めて遅くなる。通常行なわれてい
る様にa−Si堆積後、大気中に基板を出し、窒素雰囲気
中等でアニールした場合には、この様な半円球構造は現
れず、表面は平坦になる。これは次の様な原理に基づ
く。第2図(a)に示す様にアモルファス絶縁膜上にa
−Siを堆積すると表面は平坦である。この基板を大気中
に取り出すと第2図(b)に示すようにa−Si上に自然
酸化膜が形成される。この様な基板をアニールしても、
a−Siが多結晶化する温度では自然酸化膜は蒸発しない
ため、a−Siの表面は酸化膜によって終端された状態で
ある。このような状態では表面におけるSiの表面拡散が
ほとんど起こらず核形成はa−Si内部で起こり、第2図
(c)に示す様に表面は平坦な状態で維持される。以上
述べたように、多結晶化膜の表面のモフォロジーはa−
Siの表面が清浄であるかどうかに大きく依存しており、
表面積を広げるためには、表面が清浄なa−Siをアニー
ルすることが必要である。
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
ÅのSiO2を形成した4インチn型Si(100)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、7Å/sのSi分子線
を照射し酸化膜上に厚さ2000Å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(RHEED)によるin−situ観察
によって行なった。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。
での時間との関係を示したものである。加熱温度が600
℃以下になると核が形成されるまでの時間が非常に長く
なる。a−Siを形成したサンプルの加熱前、加熱し核が
形成された直後、核が成長する途中、十分に多結晶化が
起こった時点の断面のTEM観察を行なったところ、第1
図(a),(b),(c),(d)に示した概略図と同
様のTEM像を得ることができ、本発明の効果を確認し
た。加熱温度は600℃から900℃まで変化させたが、第3
図に示すように核が形成されるまでの時間が変化するだ
けであり、広い温度範囲で表面に半円球状の凹凸が観察
された。次に、a−Siを形成した後、一度大気中に出
し、再び真空槽中に入れ、同一条件でアニールするとい
う比較を行なった。この場合には、第2図(a),
(b),(c)と同様のTEM像を得ることができ、表面
上に自然酸化膜をできると半円球状の凹凸が現れないこ
とを確かめることができた。
100Å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。第4図はa−Si堆積後のアニール温度と
容量との関係を、アニール前に大気中に出した場合と出
さなかった場合で比較したものである。第4図にしめし
たように大気に出さなかった場合は、アニールすると、
アニール温度の非常に広い範囲で約2倍の容量が得られ
た。これは、a−Siをアニールすることによって表面上
に半円球状の凹凸ができ表面積が約2倍になったことを
示している。一方、一度大気に出した場合には、アニー
ルしても容量は増えずほぼa−Si形成直後と同じであ
り、真空内で加熱することがキャパシターの容量を増加
させるために極めて有効であることを確認できた。
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)基板や更に一般にSOI(Silico
n on Insulator)基板等にも当然適用できる。さらに、
本実施例ではMBE槽内で電子銃式シリコン蒸着装置を用
いてa−Si層の形成を行なったが、a−Si層の形成の方
法は、ガスソースMBE、LPCVD、スパッタでも、a−Siの
表面が清浄であれば同様な現象が起こることを確かめ
た。
積後、表面の清浄度を保った状態で加熱し多結晶化させ
ることによって、非常に広い温度条件で多結晶表面に半
円球状の凹凸を形成することができ、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、第3図は、加熱温度とポリシリコンの核が形成され
るまでの時間との関係を示す図、第4図は、a−Si堆積
後のアニール温度と容量との関係を示す図。
Claims (14)
- 【請求項1】基板上にアモルファスシリコン層を形成す
る工程と、熱処理を加えることにより前記アモルファス
シリコン層の表面に多結晶シリコン層の多数の核を形成
するとともに当該核を成長させ表面が凹凸になった多結
晶シリコン層を形成する工程と、前記多結晶シリコン層
の前記表面の凹凸上に誘電体膜を形成する工程と、前記
誘電体膜上に導電体層を形成する工程を有し、前記多結
晶シリコン層、前記誘電体層および前記導電体層よりな
るキャパシタを形成することを特徴とする半導体装置の
製造方法。 - 【請求項2】基板上にアモルファス膜を介してアモルフ
ァスシリコン層を形成する工程と、熱処理を加えること
により前記アモルファスシリコン層の表面に多結晶シリ
コンの多数の核を形成するとともに当該核を成長させ表
面が凹凸になった多結晶シリコン層を形成する工程と、
前記多結晶シリコン層の前記表面の凹凸上に誘電体膜を
形成する工程と、前記誘電体膜上に導電体層を形成する
工程を有し、前記多結晶シリコン層、前記誘電体層およ
び前記導電体層よりなるキャパシタを形成することを特
徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項3】前記アモルファスシリコン層の表面が清浄
な状態で前記熱処理を行うことを特徴とする請求項1ま
たは請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】前記アモルファスシリコン層の形成から前
記熱処理までの間、該アモルファスシリコン層の表面を
大気または酸化性雰囲気にさらさないように保持するこ
とを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載
の半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】前記熱処理を真空中で行うことを特徴とす
る請求項1から請求項4のいずれかに記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項6】前記基板として、シリコン基板またはSOI
基板またはSOS基板を用いることを特徴とする請求項1
から請求項5のいずれかに記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項7】前記アモルファスシリコン層の形成方法と
して、MBE法またはガスソースMBE法またはLPCVD法また
はスパッター法を用いることを特徴とする請求項1から
請求項6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】多結晶シリコン層と、この多結晶シリコン
層の表面上に形成された誘電体層と、この誘電体層上に
形成された導電体層とでなるキャパシタを有する半導体
装置において、前記多結晶シリコン層は前記誘電体層が
形成された側の表面に凹凸を有し、該多結晶シリコン層
表面の凹凸における各凸部は多結晶シリコンの成長核と
して形成され、かつ当該核は根元が細く上部が太い構造
となっていることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項9】前記多結晶シリコン層は、その表面の前記
凸部と該凸部下方の層状部とが連続している請求項8に
記載の半導体装置。 - 【請求項10】シリコン層と、このシリコン層の表面上
に形成された誘電体層と、この誘電体層上に形成された
導電体層とでなるキャパシタを有する半導体装置におい
て、前記シリコン層は前記誘電体層が形成された側の表
面に凹凸を有し、この凹凸における各凸部は前記シリコ
ン層の母体となるシリコンが核に集まることにより形成
されて、根元が細く上部が太い構造となっていることを
特徴とする半導体装置。 - 【請求項11】前記キャパシタが半導体基板上にアモル
ファス絶縁膜を介して設置されたことを特徴とする請求
項8から請求項10のいずれかに記載の半導体装置。 - 【請求項12】基板を膜形成装置内に搬送し、シリコン
を含む原料を前記基板上に供給する工程と、前記シリコ
ンを含む原料の供給を停止し、前記基板を前記膜形成装
置から取り出すことなくそのままにした状態でアニール
する工程とを有して、表面が凹凸とされたシリコン膜を
前記基板上に形成することを特徴とする半導体装置の製
造方法。 - 【請求項13】前記シリコンを含む原料の前記基板上へ
の供給によってアモルファスシリコン膜が形成され、前
記アニールにより前記アモルファスシリコン膜表面の核
が成長して表面が凹凸とされたシリコン膜が形成される
ことを特徴とする請求項12に記載の半導体装置の製造方
法。 - 【請求項14】前記表面が凹凸とされたシリコン膜の表
面に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜の表面に
導電体膜を形成する工程とをさらに有することを特徴と
する請求項12または請求項13に記載の半導体装置の製造
方法。
Priority Applications (14)
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DE69122796T DE69122796T2 (de) | 1990-03-20 | 1991-03-20 | Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einem Kondensator, wobei polykristallines Silizium mit mikrorauher Oberfläche verwendet wird |
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-
1990
- 1990-09-19 JP JP2249154A patent/JP2861343B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
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第37回応用物理学関係連合講演会講演予稿集(1990−3−28)p.583 29a−SB−4 |
Also Published As
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JPH04127519A (ja) | 1992-04-28 |
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