JP3014014B2 - 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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- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置に用いる絶
縁膜および、その製造方法に関するものである。
縁膜および、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】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
トキャパシタやトレンチスタックトキャパシタが用いら
れている。しかし、６４ＭｂｉｔＤＲＡＭでは、セル面
積が１．５μｍ2 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、容量絶縁膜として酸化膜換算
で５０オングストローム（以下Ａと略記）以下の膜厚が
要求されている。この要求を満足するために、ＳｉＯ2
とＳｉ3 Ｎ4 を組み合わせた絶縁膜の薄膜化および高誘
電体膜のデバイス適用研究が積極的に検討されている。
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
トキャパシタやトレンチスタックトキャパシタが用いら
れている。しかし、６４ＭｂｉｔＤＲＡＭでは、セル面
積が１．５μｍ2 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、容量絶縁膜として酸化膜換算
で５０オングストローム（以下Ａと略記）以下の膜厚が
要求されている。この要求を満足するために、ＳｉＯ2
とＳｉ3 Ｎ4 を組み合わせた絶縁膜の薄膜化および高誘
電体膜のデバイス適用研究が積極的に検討されている。
【０００３】近年ＳｉＯ2 とＳｉ3 Ｎ4 を組み合わせた
絶縁膜の容量部への適用においては、ＬＰＣＶＤ法でシ
リコン電極上にシリコン窒化膜を直接形成した後に熱酸
化処理を施したＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ２層膜で５０Ａ程
度の均質な絶縁膜が形成されることが報告されている。
電子情報通信学会技術報告（ＳＤＭ８８−４３）にＯＮ
膜トレンチキャパシタの信頼性と題して発表された論文
においてこの膜の信頼性の高さが示されている。
絶縁膜の容量部への適用においては、ＬＰＣＶＤ法でシ
リコン電極上にシリコン窒化膜を直接形成した後に熱酸
化処理を施したＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ２層膜で５０Ａ程
度の均質な絶縁膜が形成されることが報告されている。
電子情報通信学会技術報告（ＳＤＭ８８−４３）にＯＮ
膜トレンチキャパシタの信頼性と題して発表された論文
においてこの膜の信頼性の高さが示されている。
【０００４】また高誘電体膜および強誘電体膜をデバイ
スに適用する際には、下地電極にＰｔ等の非酸化電極を
適用し電極表面に低誘電率層が形成されることを防止し
ている。これを実際に適用した例としてはソリッド ス
テイト テクノロジー アンド マテリアルズ（ＳＯＬ
ＩＤ ＳＴＡＴＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＡＮＤＭＡＴＥＲ
ＩＡＬＳ）１９９１年１９２−１９４頁にフォーメーシ
ョン オブＰＺＴ フィルムズ バイ ＭＯＣＶＤ（Ｆ
ＯＲＭＡＴＩＯＮ ＯＦ ＰＺＴＦＩＬＭＳ ＢＹ Ｍ
ＯＣＶＤ）と題して報告された論文がある。
スに適用する際には、下地電極にＰｔ等の非酸化電極を
適用し電極表面に低誘電率層が形成されることを防止し
ている。これを実際に適用した例としてはソリッド ス
テイト テクノロジー アンド マテリアルズ（ＳＯＬ
ＩＤ ＳＴＡＴＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＡＮＤＭＡＴＥＲ
ＩＡＬＳ）１９９１年１９２−１９４頁にフォーメーシ
ョン オブＰＺＴ フィルムズ バイ ＭＯＣＶＤ（Ｆ
ＯＲＭＡＴＩＯＮ ＯＦ ＰＺＴＦＩＬＭＳ ＢＹ Ｍ
ＯＣＶＤ）と題して報告された論文がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＬＰＣＶＤ法でシリコ
ン電極上にシリコン窒化膜を直接形成した後に熱酸化処
理を施したＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ２層膜で酸化膜換算で
５０Ａ程度の均質な絶縁膜の形成は可能であるが、４０
Ａ程度の薄膜化を行った際にはリーク電流が増加してし
まいデバイス適用が困難となる。これについては、ソリ
ッド ステイトテクノロジー アンド マテリアルズ
（ＳＯＬＩＤ ＳＴＡＴＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＡＮＤ
ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）１９８８年の１７３−１７６頁に
インターポリ ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 キャパシタ フ
ィルムズ ５ｎｍ シック フォーディープ サブミク
ロン ＬＳＩｓ（Ｉｎｔｅｒ−Ｐｏｌｙ ＳｉＯ2 ／Ｓ
ｉ3Ｎ4 Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｆｉｌｍｓ ５ｎｍ Ｔ
ｈｉｃｈ ｆｏｒ ＤｅｅｐＳｕｂｍｉｃｒｏｎ ＬＳ
Ｉｓ）と題して報告された論文がある。また、室温に於
てリーク電流が低くてもデバイス動作温度１２０℃に於
てリーク電流が増加してしまう。
ン電極上にシリコン窒化膜を直接形成した後に熱酸化処
理を施したＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ２層膜で酸化膜換算で
５０Ａ程度の均質な絶縁膜の形成は可能であるが、４０
Ａ程度の薄膜化を行った際にはリーク電流が増加してし
まいデバイス適用が困難となる。これについては、ソリ
ッド ステイトテクノロジー アンド マテリアルズ
（ＳＯＬＩＤ ＳＴＡＴＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＡＮＤ
ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ）１９８８年の１７３−１７６頁に
インターポリ ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 キャパシタ フ
ィルムズ ５ｎｍ シック フォーディープ サブミク
ロン ＬＳＩｓ（Ｉｎｔｅｒ−Ｐｏｌｙ ＳｉＯ2 ／Ｓ
ｉ3Ｎ4 Ｃａｐａｃｉｔｏｒ Ｆｉｌｍｓ ５ｎｍ Ｔ
ｈｉｃｈ ｆｏｒ ＤｅｅｐＳｕｂｍｉｃｒｏｎ ＬＳ
Ｉｓ）と題して報告された論文がある。また、室温に於
てリーク電流が低くてもデバイス動作温度１２０℃に於
てリーク電流が増加してしまう。
【０００６】本発明の目的はこの様な従来の欠点を除去
して、容量絶縁膜のリーク電流を低減し、温度上昇に伴
うリーク電流増加の少ない絶縁膜を実現するための絶縁
膜構造とその形成方法を提供することにある。
して、容量絶縁膜のリーク電流を低減し、温度上昇に伴
うリーク電流増加の少ない絶縁膜を実現するための絶縁
膜構造とその形成方法を提供することにある。
【０００７】また高誘電体膜および強誘電体膜をデバイ
スに適用する際に下地電極にＰｔ等の非酸化電極を適用
する方法が使われているが、電極の加工が非常に難しい
という問題が残る。
スに適用する際に下地電極にＰｔ等の非酸化電極を適用
する方法が使われているが、電極の加工が非常に難しい
という問題が残る。
【０００８】本発明の他の目的はこの様な従来の欠点を
除去して、高誘電体膜等の酸化種を含む絶縁膜を形成す
る際にシリコン窒化膜を電極表面に形成しシリコン電極
の酸化を防ぐ方法を提供することにある。
除去して、高誘電体膜等の酸化種を含む絶縁膜を形成す
る際にシリコン窒化膜を電極表面に形成しシリコン電極
の酸化を防ぐ方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】 本発明の半導体装置
は、下部電極、絶縁膜、上部電極から構成されたキャパ
シタを有する半導体装置において、該絶縁膜として下層
からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した多層絶縁膜を
用いることを特徴とする半導体装置である。
は、下部電極、絶縁膜、上部電極から構成されたキャパ
シタを有する半導体装置において、該絶縁膜として下層
からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した多層絶縁膜を
用いることを特徴とする半導体装置である。
【００１０】また本発明は、下部電極、絶縁膜、上部電
極から構成されたキャパシタを有する半導体装置の該絶
縁膜として下層からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、
シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した
多層絶縁膜を用いる半導体装置の製造方法であって、前
記キャパシタを製造する際、窒化膜の形成後水素あるい
は水分を積極的には添加していないＯ２ 雰囲気中で酸
化処理を行い、極薄い酸化膜を窒化膜上に形成する工程
を含むものである。また、下部電極をシリコン電極と
し、この表面を熱窒化してシリコン窒化膜を形成する工
程を含む。
極から構成されたキャパシタを有する半導体装置の該絶
縁膜として下層からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、
シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した
多層絶縁膜を用いる半導体装置の製造方法であって、前
記キャパシタを製造する際、窒化膜の形成後水素あるい
は水分を積極的には添加していないＯ２ 雰囲気中で酸
化処理を行い、極薄い酸化膜を窒化膜上に形成する工程
を含むものである。また、下部電極をシリコン電極と
し、この表面を熱窒化してシリコン窒化膜を形成する工
程を含む。
【００１１】
【００１２】
【作用】本発明者は、酸素の含有量の少ないシリコン窒
化膜を水素や水分を積極的に添加していない酸素雰囲気
中で酸化した場合、８００℃で５時間程度の酸化処理を
施しても酸化膜は２０Ａ以上形成されず、しかも均一な
薄い酸化膜が形成されることを見出した。本プロセスは
極薄い酸化膜を窒化膜上に均質に形成できるため絶縁膜
の欠陥低減に非常に有効である。さらに本プロセスでは
２０Ａ程度の膜厚の酸化膜／シリコン窒化膜２層膜が容
易に形成できる。
化膜を水素や水分を積極的に添加していない酸素雰囲気
中で酸化した場合、８００℃で５時間程度の酸化処理を
施しても酸化膜は２０Ａ以上形成されず、しかも均一な
薄い酸化膜が形成されることを見出した。本プロセスは
極薄い酸化膜を窒化膜上に均質に形成できるため絶縁膜
の欠陥低減に非常に有効である。さらに本プロセスでは
２０Ａ程度の膜厚の酸化膜／シリコン窒化膜２層膜が容
易に形成できる。
【００１３】また、本発明者は、正孔のバリアである酸
化膜と、電子のバリアである窒化膜を交互に４層積層し
た構造を形成し、４０Ａ程度の容量膜を形成できた。そ
の電気的測定の結果、次のような効果があることを確認
した。正孔の移動度の小さいシリコン酸化膜と電子の移
動度の小さいシリコン窒化膜を交互に四層以上積層化す
ると、この構造中を流れる電流成分は電子であれ正孔で
あれ、移動度の遅い層で律速される。このため、窒化膜
のリーク電流成分であるプール・フレンケル（Ｐｏｏｌ
ｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ）伝導に寄与するキャリア移動度が
下がり、プール・フレンケル成分が減少し、リーク電流
が低減される。で述べたように絶縁膜を四層以上多層化
することにより、プール・フレンケル伝導に寄与するト
ラップ準位が深くなるため、リーク電流の温度依存性が
小さくなる。
化膜と、電子のバリアである窒化膜を交互に４層積層し
た構造を形成し、４０Ａ程度の容量膜を形成できた。そ
の電気的測定の結果、次のような効果があることを確認
した。正孔の移動度の小さいシリコン酸化膜と電子の移
動度の小さいシリコン窒化膜を交互に四層以上積層化す
ると、この構造中を流れる電流成分は電子であれ正孔で
あれ、移動度の遅い層で律速される。このため、窒化膜
のリーク電流成分であるプール・フレンケル（Ｐｏｏｌ
ｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ）伝導に寄与するキャリア移動度が
下がり、プール・フレンケル成分が減少し、リーク電流
が低減される。で述べたように絶縁膜を四層以上多層化
することにより、プール・フレンケル伝導に寄与するト
ラップ準位が深くなるため、リーク電流の温度依存性が
小さくなる。
【００１４】本発明者は上述した様に、酸素の含有量の
少ないシリコン窒化膜を水素や水分を積極的に添加して
いない酸素雰囲気中で酸化した場合、８００℃で５時間
程度の長い酸化処理を施しても酸化膜は２０Ａ以上形成
されないことを見出した。そこで、シリコン電極と酸化
種を含む絶縁物の間にシリコン窒化膜を設けることでシ
リコン電極に酸化膜が形成されることを防止することが
できる。本プロセスを用いることで、高誘電体膜の電極
にＰｔ等の加工の難しい電極を使用する必要が無くな
る。
少ないシリコン窒化膜を水素や水分を積極的に添加して
いない酸素雰囲気中で酸化した場合、８００℃で５時間
程度の長い酸化処理を施しても酸化膜は２０Ａ以上形成
されないことを見出した。そこで、シリコン電極と酸化
種を含む絶縁物の間にシリコン窒化膜を設けることでシ
リコン電極に酸化膜が形成されることを防止することが
できる。本プロセスを用いることで、高誘電体膜の電極
にＰｔ等の加工の難しい電極を使用する必要が無くな
る。
【００１５】
【実施例】以下本発明について図面を参照して説明す
る。
る。
【００１６】（実施例１）請求項１に示した多層容量絶
縁膜を請求項２の製造プロセスを用いて形成した例を単
純な立方体構造のスタックトキャパシタ電極において示
す。まずＳｉ基板１上に酸化膜２を形成し、その上にレ
ジスト３を塗布してパターニングし、ドライエッチング
酸化膜２をエッチングする（図２）。その後リンドープ
ポリシリコン４をＬＰＣＶＤ法によりＳｉ2 Ｈ6 ガス
（１５０ｃｃ／ｍｉｎ）と４％ＰＨ3＋９６％Ｈｅガス
（４８０ｃｃ／ｍｉｎ）を用いて０．２Ｔｏｒｒで２０
００Ａ堆積した。このポリシリコン膜４上にレジスト５
を塗布しパターニング（図３）、これをマスクにしてリ
ンドープポリシリコン膜４をドライエッチングする（図
４）。
縁膜を請求項２の製造プロセスを用いて形成した例を単
純な立方体構造のスタックトキャパシタ電極において示
す。まずＳｉ基板１上に酸化膜２を形成し、その上にレ
ジスト３を塗布してパターニングし、ドライエッチング
酸化膜２をエッチングする（図２）。その後リンドープ
ポリシリコン４をＬＰＣＶＤ法によりＳｉ2 Ｈ6 ガス
（１５０ｃｃ／ｍｉｎ）と４％ＰＨ3＋９６％Ｈｅガス
（４８０ｃｃ／ｍｉｎ）を用いて０．２Ｔｏｒｒで２０
００Ａ堆積した。このポリシリコン膜４上にレジスト５
を塗布しパターニング（図３）、これをマスクにしてリ
ンドープポリシリコン膜４をドライエッチングする（図
４）。
【００１７】レジスト５を除去した後にＨＦ処理を施し
て自然酸化膜を除去し、ランプ加熱装置中にアンモニア
ガスを１０００ｃｃ／ｍｉｎの流量で流し、８５０℃で
３０秒間加熱処理しシリコン電極上にシリコン窒化膜６
を厚さ１５Ａ形成した（図５）。この実施例では熱窒化
を用いているが、シリコン窒化膜であればどの様な方法
で形成した膜でもよい。この後、酸化炉で８００℃：３
０分の酸化処理を酸素流量１００００ｃｃ／分の条件下
で行ない厚さ１０Ａ程度のシリコン酸化膜７を均一に形
成した（図６）。
て自然酸化膜を除去し、ランプ加熱装置中にアンモニア
ガスを１０００ｃｃ／ｍｉｎの流量で流し、８５０℃で
３０秒間加熱処理しシリコン電極上にシリコン窒化膜６
を厚さ１５Ａ形成した（図５）。この実施例では熱窒化
を用いているが、シリコン窒化膜であればどの様な方法
で形成した膜でもよい。この後、酸化炉で８００℃：３
０分の酸化処理を酸素流量１００００ｃｃ／分の条件下
で行ない厚さ１０Ａ程度のシリコン酸化膜７を均一に形
成した（図６）。
【００１８】次にこの酸化膜／窒化膜２層膜上にＬＰＣ
ＶＤ法でシリコン窒化膜８を３０Ａ堆積した。この時の
堆積条件はＳｉＨ4 流量１２０ｃｃ／分、ＮＨ3 流量９
６７ｃｃ／分成長温度７８０℃である。この後、酸化炉
で８００℃：３０分の酸化処理を酸素流量１００００ｃ
ｃ／分の条件下で行ない１０Ａ程度のシリコン酸化膜９
を均一に形成した（図７）。
ＶＤ法でシリコン窒化膜８を３０Ａ堆積した。この時の
堆積条件はＳｉＨ4 流量１２０ｃｃ／分、ＮＨ3 流量９
６７ｃｃ／分成長温度７８０℃である。この後、酸化炉
で８００℃：３０分の酸化処理を酸素流量１００００ｃ
ｃ／分の条件下で行ない１０Ａ程度のシリコン酸化膜９
を均一に形成した（図７）。
【００１９】次に上部電極１０としてリンドープポリシ
リコンをＬＰＣＶＤ法によりＳｉ2Ｈ6 ガス（１５０ｃ
ｃ／ｍｉｎ）と４％ＰＨ3 ＋９６％Ｈｅガス（４８０ｃ
ｃ／ｍｉｎ）を用いて０．２Ｔｏｒｒで２０００Ａ堆積
し、電極加工を行い上層電極を形成した（図８）。
リコンをＬＰＣＶＤ法によりＳｉ2Ｈ6 ガス（１５０ｃ
ｃ／ｍｉｎ）と４％ＰＨ3 ＋９６％Ｈｅガス（４８０ｃ
ｃ／ｍｉｎ）を用いて０．２Ｔｏｒｒで２０００Ａ堆積
し、電極加工を行い上層電極を形成した（図８）。
【００２０】以上のようにして、酸化膜換算４５ＡのＳ
ｉＯ2 ／ＳｉＯ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 四層膜を
形成した。比較のため、同じく酸化膜換算で４５ＡのＳ
ｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 二層膜も形成した。形成方法は以下
の通りである。厚さ１５Ａの熱窒化膜形成後、ＬＰＣＶ
Ｄ法でシリコン窒化膜を堆積し、トータルで厚さ６０Ａ
のシリコン窒化膜を堆積した。続いて、酸化処理を８０
０℃３０分、酸素流量５Ｌ／ｍｉｎ、水素流量５Ｌ／ｍ
ｉｎの条件で行い、ＯＮ二層膜が形成された。
ｉＯ2 ／ＳｉＯ3 Ｎ4 ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 四層膜を
形成した。比較のため、同じく酸化膜換算で４５ＡのＳ
ｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 二層膜も形成した。形成方法は以下
の通りである。厚さ１５Ａの熱窒化膜形成後、ＬＰＣＶ
Ｄ法でシリコン窒化膜を堆積し、トータルで厚さ６０Ａ
のシリコン窒化膜を堆積した。続いて、酸化処理を８０
０℃３０分、酸素流量５Ｌ／ｍｉｎ、水素流量５Ｌ／ｍ
ｉｎの条件で行い、ＯＮ二層膜が形成された。
【００２１】図９に酸化膜換算４５ＡのＯＮＯＮ四層膜
のリーク電流特性を同膜厚のＯＮ二層膜と比べたものを
示す。これより、四層化することで、リーク電流が低減
されていることが分かる。また、リーク電流の低減は、
正バイアス側で顕著である。
のリーク電流特性を同膜厚のＯＮ二層膜と比べたものを
示す。これより、四層化することで、リーク電流が低減
されていることが分かる。また、リーク電流の低減は、
正バイアス側で顕著である。
【００２２】また、リーク電流の低減は正バイアス側に
おいて顕著である。そのためメモリに用いた場合蓄積電
荷保持時間が平均で５倍以上長くなるためにＤＲＡＭリ
フレッシュサイクルを長くすることができる。
おいて顕著である。そのためメモリに用いた場合蓄積電
荷保持時間が平均で５倍以上長くなるためにＤＲＡＭリ
フレッシュサイクルを長くすることができる。
【００２３】本実施例の膜厚構成では正バイアス側にお
いてリーク電流の減少が顕著であることを前述したが、
四層膜の膜厚構成を変える（例えば最下層の窒化膜６の
膜厚を増やすこと）ことにより、本実施例とは逆に負バ
イアス側のリーク電流を減少することもできるし、リー
ク電流の異方性を除去することも可能である。
いてリーク電流の減少が顕著であることを前述したが、
四層膜の膜厚構成を変える（例えば最下層の窒化膜６の
膜厚を増やすこと）ことにより、本実施例とは逆に負バ
イアス側のリーク電流を減少することもできるし、リー
ク電流の異方性を除去することも可能である。
【００２４】図１０にリーク電流の温度依存性を示す。
ＯＮ二層膜では、温度が上昇するに伴い、リーク電流も
増加しているのに対して、四層膜では１２０℃まではリ
ーク電流はほとんど増加せず、１２０℃を越えるとリー
ク電流が増加し始めることが分かる。１２０℃における
リーク電流密度が１×１０- 8 Ａ／ｃｍ2 に達する電圧
は、正負バイアスそれぞれＯＮＯＮ四層膜で＋１．６０
Ｖ，−１．２６Ｖであり、ＯＮ二層膜で＋１．１３Ｖ，
−１．２１Ｖであった。
ＯＮ二層膜では、温度が上昇するに伴い、リーク電流も
増加しているのに対して、四層膜では１２０℃まではリ
ーク電流はほとんど増加せず、１２０℃を越えるとリー
ク電流が増加し始めることが分かる。１２０℃における
リーク電流密度が１×１０- 8 Ａ／ｃｍ2 に達する電圧
は、正負バイアスそれぞれＯＮＯＮ四層膜で＋１．６０
Ｖ，−１．２６Ｖであり、ＯＮ二層膜で＋１．１３Ｖ，
−１．２１Ｖであった。
【００２５】図１１に、２μｍ角スタックが２５０００
個並んだパターンに酸化膜換質４５ＡのＯＮＯＮ四層膜
を形成した場合の初期耐圧分布を示す。これにより、実
際のスタックキャパシタにＯＮＯＮ四層膜を適用しても
初期不良等の問題はないことが分かる。
個並んだパターンに酸化膜換質４５ＡのＯＮＯＮ四層膜
を形成した場合の初期耐圧分布を示す。これにより、実
際のスタックキャパシタにＯＮＯＮ四層膜を適用しても
初期不良等の問題はないことが分かる。
【００２６】図１２に、定電圧ＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ Ｄ
ｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋ
ｄｏｗｎ）測定から得られた酸化膜換質４５ＡのＯＮＯ
Ｎ四層膜の５０％絶縁破壊時間（Ｔ5 0 ）の電界依存性
を示す。これより、ＯＮＯＮ四層膜はＤＲＡＭ動作電圧
１．５Ｖにおいても１０年以上の寿命をもち、デバイス
適用可能な高い信頼性を有することがわかる。
ｅｐｅｎｄｅｎｔ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｂｒｅａｋ
ｄｏｗｎ）測定から得られた酸化膜換質４５ＡのＯＮＯ
Ｎ四層膜の５０％絶縁破壊時間（Ｔ5 0 ）の電界依存性
を示す。これより、ＯＮＯＮ四層膜はＤＲＡＭ動作電圧
１．５Ｖにおいても１０年以上の寿命をもち、デバイス
適用可能な高い信頼性を有することがわかる。
【００２７】（参考例２）図１３〜１６に、本発明の参
考例としての容量絶縁膜の製造方法の一例を単純なプレ
ーナー電極構造において示す。
考例としての容量絶縁膜の製造方法の一例を単純なプレ
ーナー電極構造において示す。
【００２８】まず図１３に示すようにシリコン基板１上
に厚いシリコン酸化膜２を形成してＬＯＣＯＳ素子分離
を行う。次に、ＨＦ処理を施し自然酸化膜を除去し、ラ
ンプ加熱装置中にアンモニアガスを１０００ｃｃ／ｍｉ
ｎの流量で流し、８５０℃で３０秒間加熱処理しシリコ
ン電極となる基板上のシリコン窒化膜を１５Ａ形成した
（図１４）。次に比誘電率２００を有するＳｒＴｉＯ3
膜を蒸着するために、基板を蒸着装置中に導入し、真空
排気を行った。この時の到達真空度は１０- 7Ｔｏｒｒ
である。この状態で基板を６００℃に加熱し、酸素ガス
を流し、真空度が１×１０- 3 Ｔｏｒｒになるようにし
た。次にＴｉは電子銃を用いて、ＳｒはＫ−ｃｅｌｌを
３７０℃に加熱し１０００Ａの膜１２が形成されるまで
堆積した。ただし、これだけの処理ではＳｒＴｉＯ3 膜
中に高密度の酸素欠陥が存在するため、この処理を施し
た試料を酸化炉に導入し７００℃で３０分の酸化処理を
施した（図１５）。下地窒化膜６は、ＳｒＴｉＯ3 膜堆
積時の酸素雰囲気中でも、ＳｒＴｉＯ3 膜堆積後の酸素
処理時でもシリコン下地電極酸化を防止する層として有
効に機能する。
に厚いシリコン酸化膜２を形成してＬＯＣＯＳ素子分離
を行う。次に、ＨＦ処理を施し自然酸化膜を除去し、ラ
ンプ加熱装置中にアンモニアガスを１０００ｃｃ／ｍｉ
ｎの流量で流し、８５０℃で３０秒間加熱処理しシリコ
ン電極となる基板上のシリコン窒化膜を１５Ａ形成した
（図１４）。次に比誘電率２００を有するＳｒＴｉＯ3
膜を蒸着するために、基板を蒸着装置中に導入し、真空
排気を行った。この時の到達真空度は１０- 7Ｔｏｒｒ
である。この状態で基板を６００℃に加熱し、酸素ガス
を流し、真空度が１×１０- 3 Ｔｏｒｒになるようにし
た。次にＴｉは電子銃を用いて、ＳｒはＫ−ｃｅｌｌを
３７０℃に加熱し１０００Ａの膜１２が形成されるまで
堆積した。ただし、これだけの処理ではＳｒＴｉＯ3 膜
中に高密度の酸素欠陥が存在するため、この処理を施し
た試料を酸化炉に導入し７００℃で３０分の酸化処理を
施した（図１５）。下地窒化膜６は、ＳｒＴｉＯ3 膜堆
積時の酸素雰囲気中でも、ＳｒＴｉＯ3 膜堆積後の酸素
処理時でもシリコン下地電極酸化を防止する層として有
効に機能する。
【００２９】次にＴｉＮ電極をスパッタにより形成し上
部電極１０を形成する（図１６）。
部電極１０を形成する（図１６）。
【００３０】（実施例３）四層容量絶縁膜の形成方法の
別の例及び、その電気的特性を示す。
別の例及び、その電気的特性を示す。
【００３１】実施例１と同様の方法で下部シリコン電極
を形成した。この後、ＲＣＡ洗浄を施し、純水で１／１
００に薄めたＨＦにより自然酸化膜を除去し、ランプ加
熱装置中にアンモニアガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎの流
量で流し、８５０℃で６０秒間加熱処理しシリコン電極
上にシリコン窒化膜を１７Ａ形成した。この実施例では
熱窒化を用いているが、シリコン窒化膜であればどの様
な方法で形成した膜でもよい。この後、ＬＰＣＶＤ炉で
シリコン酸化膜を１０Ａ堆積した。堆積条件はＳｉ
Ｈ4 ：１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ2 Ｏ：１０００ｃｃ／ｍ
ｉｎ、８００℃の条件下で行った。この上に同様にして
窒化膜２０Ａと酸化膜１０Ａを順に堆積した。以上のよ
うにして、酸化膜換算４５ＡのＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 四層構造膜を形成した。
を形成した。この後、ＲＣＡ洗浄を施し、純水で１／１
００に薄めたＨＦにより自然酸化膜を除去し、ランプ加
熱装置中にアンモニアガスを２０００ｃｃ／ｍｉｎの流
量で流し、８５０℃で６０秒間加熱処理しシリコン電極
上にシリコン窒化膜を１７Ａ形成した。この実施例では
熱窒化を用いているが、シリコン窒化膜であればどの様
な方法で形成した膜でもよい。この後、ＬＰＣＶＤ炉で
シリコン酸化膜を１０Ａ堆積した。堆積条件はＳｉ
Ｈ4 ：１００ｃｃ／ｍｉｎ、Ｎ2 Ｏ：１０００ｃｃ／ｍ
ｉｎ、８００℃の条件下で行った。この上に同様にして
窒化膜２０Ａと酸化膜１０Ａを順に堆積した。以上のよ
うにして、酸化膜換算４５ＡのＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 四層構造膜を形成した。
【００３２】この上に、実施例１と同様にリンドープポ
リシリコンを堆積し、電極加工を行って、スタックキャ
パシタを形成した。この膜の電気特性について以下に示
す。
リシリコンを堆積し、電極加工を行って、スタックキャ
パシタを形成した。この膜の電気特性について以下に示
す。
【００３３】リーク特性を実施例１のＯＮＯＮ四層膜と
比較したものを図１７に示す。これより、シリコン酸化
膜層をＣＶＤ法で形成したもののほうがリーク電流が小
さいことがわかる。これは、熱酸化で酸化膜層を形成し
た場合、窒化膜中にも酸素が導入され、窒化膜の比誘電
率が減少し、実膜厚が減少したためと考えられる。ま
た、この膜の初期耐圧分布（図１８）及び、長期信頼性
（１．５Ｖで１０年以上）（図１９）も問題ない。
比較したものを図１７に示す。これより、シリコン酸化
膜層をＣＶＤ法で形成したもののほうがリーク電流が小
さいことがわかる。これは、熱酸化で酸化膜層を形成し
た場合、窒化膜中にも酸素が導入され、窒化膜の比誘電
率が減少し、実膜厚が減少したためと考えられる。ま
た、この膜の初期耐圧分布（図１８）及び、長期信頼性
（１．５Ｖで１０年以上）（図１９）も問題ない。
【００３４】（実施例４）請求項１に示した多層容量絶
縁膜の形成方法の一例を示す。
縁膜の形成方法の一例を示す。
【００３５】実施例１と同様に下部シリコン電極を加工
した後、ＲＣＡ洗浄を施し、純水で１／１００に薄めた
ＨＦにより自然酸化膜を除去し、ＵＨＶ−ＣＶＤ装置に
導入した。本装置はベースプレッシャ１０- 1 1 Ｔｏｒ
ｒで、ソースガスはビーム状に基板に照射され、１０
- 3 Ｔｏｒｒ台でＣＶＤにより多層膜の成膜が可能であ
る。
した後、ＲＣＡ洗浄を施し、純水で１／１００に薄めた
ＨＦにより自然酸化膜を除去し、ＵＨＶ−ＣＶＤ装置に
導入した。本装置はベースプレッシャ１０- 1 1 Ｔｏｒ
ｒで、ソースガスはビーム状に基板に照射され、１０
- 3 Ｔｏｒｒ台でＣＶＤにより多層膜の成膜が可能であ
る。
【００３６】ウエハをロードロック導入後、基板温度７
００℃でＮＨ3 （２０ｃｃ／ｍｉｎ）とＳｉＨ4 （１ｃ
ｃ／ｍｉｎ）を基板に照射し、２０Ａの窒化膜を形成し
た。次に温度を８００℃に上げて、Ｎ2 Ｏ（４０ｃｃ／
ｍｉｎ）とＳｉＨ4 （１ｃｃ／ｍｉｎ）を照射し、酸化
膜を１０Ａ形成した。この上に同様にして窒化膜２０Ａ
と酸化膜１０Ａを順に堆積し、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4四層構造膜を形成した。本絶縁膜
の酸化膜換算膜は４０Ａであった。
００℃でＮＨ3 （２０ｃｃ／ｍｉｎ）とＳｉＨ4 （１ｃ
ｃ／ｍｉｎ）を基板に照射し、２０Ａの窒化膜を形成し
た。次に温度を８００℃に上げて、Ｎ2 Ｏ（４０ｃｃ／
ｍｉｎ）とＳｉＨ4 （１ｃｃ／ｍｉｎ）を照射し、酸化
膜を１０Ａ形成した。この上に同様にして窒化膜２０Ａ
と酸化膜１０Ａを順に堆積し、ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 ／
ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4四層構造膜を形成した。本絶縁膜
の酸化膜換算膜は４０Ａであった。
【００３７】このように、途中大気にさらすことなく、
多層膜を形成することで、自然酸化膜や汚染物質の影響
のない清浄な界面を得ることができ、さらに、容量膜の
薄膜化にも有効である。
多層膜を形成することで、自然酸化膜や汚染物質の影響
のない清浄な界面を得ることができ、さらに、容量膜の
薄膜化にも有効である。
【００３８】
【発明の効果】本発明のようにシリコン酸化膜とシリコ
ン窒化膜を四層以上積層した構造によれば、リーク電流
が低減ししかもその温度依存性が小さくなる。しかも初
期不良、長期信頼性の問題もなく高い信頼性を示す。ま
た本発明の酸化法によればシリコン窒化膜上に薄いシリ
コン酸化膜を制御性良く形成できる。
ン窒化膜を四層以上積層した構造によれば、リーク電流
が低減ししかもその温度依存性が小さくなる。しかも初
期不良、長期信頼性の問題もなく高い信頼性を示す。ま
た本発明の酸化法によればシリコン窒化膜上に薄いシリ
コン酸化膜を制御性良く形成できる。
【図１】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図２】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図３】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図４】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図５】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図６】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図７】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図８】本発明の一実施例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図９】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜のリーク
電流特性を示す図である。
電流特性を示す図である。
【図１０】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜のリー
ク電流の温度特性を示す図である。
ク電流の温度特性を示す図である。
【図１１】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜の初期
耐圧分布を示す図である。
耐圧分布を示す図である。
【図１２】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜の５０
％破壊寿命の電界依存性を示す図である。
％破壊寿命の電界依存性を示す図である。
【図１３】本発明の参考例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図１４】本発明の参考例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図１５】本発明の参考例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図１６】本発明の参考例を説明するための断面図であ
る。
る。
【図１７】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜のリー
ク電流特性を示す図で、シリコン酸化膜の製法による相
違を示す図である。
ク電流特性を示す図で、シリコン酸化膜の製法による相
違を示す図である。
【図１８】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜の初期
耐圧分布特性を示す図である。
耐圧分布特性を示す図である。
【図１９】本発明のＯＮＯＮ四層構造容量絶縁膜の長期
信頼性を示す図である。
信頼性を示す図である。
１ シリコン基板 ２、７、９ シリコン酸化膜 ３、５ レジスト ４ リンドープポリシリコン ６、８ シリコン窒化膜 １０ 上部電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 27/108 (56)参考文献 特開 昭57−45968（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−156564（ＪＰ，Ａ)
Claims (3)
- 【請求項１】下部電極、絶縁膜、上部電極から構成され
たキャパシタを有する半導体装置において、該絶縁膜と
して下層からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコ
ン窒化膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した多層絶
縁膜を用いることを特徴とする半導体装置。 - 【請求項２】下部電極、絶縁膜、上部電極から構成され
たキャパシタを有する半導体装置の該絶縁膜として下層
からシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、シリコン窒化
膜、シリコン酸化膜の順に計４層積層した多層絶縁膜を
用いる半導体装置の製造方法であって、前記キャパシタ
を製造する際、窒化膜の形成後水素あるいは水分を積極
的には添加していないＯ２ 雰囲気中で酸化処理を行
い、極薄い酸化膜を窒化膜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３】下部電極をシリコン電極とし、この表面を
熱窒化してシリコン窒化膜を形成する請求項２記載の半
導体装置の製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4222579A JP3014014B2 (ja) | 1991-12-28 | 1992-08-21 | 半導体装置およびその製造方法 |
| US07/996,978 US5397748A (en) | 1991-12-28 | 1992-12-24 | Method of producing semiconductor device with insulating film having at least silicon nitride film |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36058291 | 1991-12-28 | ||
| JP3-360582 | 1991-12-28 | ||
| JP4222579A JP3014014B2 (ja) | 1991-12-28 | 1992-08-21 | 半導体装置およびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05326842A JPH05326842A (ja) | 1993-12-10 |
| JP3014014B2 true JP3014014B2 (ja) | 2000-02-28 |
Family
ID=18470031
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4222579A Expired - Fee Related JP3014014B2 (ja) | 1991-12-28 | 1992-08-21 | 半導体装置およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3014014B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2820014B2 (ja) * | 1993-12-27 | 1998-11-05 | 日本電気株式会社 | 記憶素子 |
| JP3326267B2 (ja) * | 1994-03-01 | 2002-09-17 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置およびその製造方法 |
| KR100224729B1 (ko) * | 1996-12-10 | 1999-10-15 | 윤종용 | 반도체장치의 강유전체 커패시터 및 그 제조방법 |
| KR100237022B1 (ko) * | 1996-12-28 | 2000-01-15 | 김영환 | 캐패시터의 유전체막 형성방법 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02156564A (ja) * | 1988-12-08 | 1990-06-15 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体記憶装置の製造方法 |
-
1992
- 1992-08-21 JP JP4222579A patent/JP3014014B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05326842A (ja) | 1993-12-10 |
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