JP3116517B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP3116517B2 JP04029831A JP2983192A JP3116517B2 JP 3116517 B2 JP3116517 B2 JP 3116517B2 JP 04029831 A JP04029831 A JP 04029831A JP 2983192 A JP2983192 A JP 2983192A JP 3116517 B2 JP3116517 B2 JP 3116517B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造方法に
関し、特にスタックシャパシタの絶縁膜に用いられる窒
化シリコン膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】ダイナミックランダムアクセスメモリー
(DRAM)のセル部には、スタックキャパシタやトレ
ンチキャパシタが用いられている。従来のスタックキャ
パシタの製造工程を図2を用いて説明する。
【0003】まず図2(a)に示すように、シリコン基
板2上に選択酸化法により素子分離のフィールド酸化膜
1を形成する。次いでシリコン基板2の全面にCVD法
によって多結晶シリコン膜3Aを堆積させる。次に図2
(b)に示すように、フォトリソグラィー技術とドライ
エッチング技術によって多結晶シリコン膜3Aをパター
ニングし、スタックキャパシタの下部電極を形成する。
【0004】次に図2(c)に示すように、CVD法に
よって窒化シリコン膜4Aと多結晶シリコン膜5Aを順
次シリコン基板全面に堆積させる。次に図2(d)に示
すように、フォトリソグラフィー技術とドライエッチン
グ技術によって上部電極となる多結晶シリコン膜5Aと
窒化シリコン膜4Aを同時にパターニングする。
【0005】上記説明ではイオン注入と熱処理による伝
導度制御の工程を省略した。また、実際の製造方法で
は、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術
として示した工程に、洗浄、レジスト塗布、ベーキン
グ、露光、ドライエッチング、レジスト除去などが含ま
れる。
【0006】最近、多結晶シリコン膜の選択成長技術が
開発され、スタックキャパシタの下部電極を多結晶シリ
コン膜の選択成長方法で形成することができるようにな
った。この多結晶シリコン膜の選択成長技術は、特願平
2−215544公報に半導体装置の製造方法として述
べられている。
【0007】この発明による多結晶シリコンの選択成長
技術では、シランあるいはジクロロシランなどのシラン
系原料ガスを、水素雰囲気中で熱分解あるいは還元して
多結晶シリコン膜をシリコン基板上に成長させるとき
に、塩化水素ガスを適切な濃度で添加し、酸化シリコン
膜上に堆積するシリコンをエッチングして除去する。同
時に成長温度を750℃と低温化して単結晶シリコンの
成長を防いでいる。
【0008】この多結晶シリコンの選択成長技術を用い
れば、図2(b)で説明したフォトリソグラフィーとド
ライエッチング工程を省略することができ、スタックキ
ャパシタの製造工程の一部の簡略化を図ることができ
る。更に多結晶シリコン膜3Aに窒化シリコン膜の選択
成長が可能であれば、上部の多結晶シリコン膜5Aの選
択成長も可能になり、スタックキャパシタ等の製造工程
からリソグラフィー工程とドライエッチング工程を省く
ことができる。
【0009】キャパシタの窒化シリコン膜をCVD法に
よって形成する場合に、原料ガスとしてアンモニアとシ
ランあるいはジクロロシランが工業的に用いられてい
る。また、カバー膜として窒化シリコン膜は、アミノシ
ランを原料ガスとして製造できることが知られている
(特開昭64−14927).しかし、これら従来のC
VD技術では多結晶シリコン膜上への窒化シリコンの選
択成長はできていないため、キャパシタの製造における
リソグラフィー工程やドライエッチング工程を省くこと
ができなかった。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
スタックキャパシタの製造方法では、誘電膜である窒化
シリコン膜と上部電極を形成するための多結晶シリコン
膜の選択成長ができないため、リソグラフィー技術とド
ライエッチング技術を用いてこれらの膜をパターニング
しなければならない。この多結晶シリコン膜と窒化シリ
コン膜をパターニングする方法は、洗浄,レジスト塗
布,ベーキング,露光,ドライエッチング,レジスト除
去など多くの工程が必要である。それらの工程は、パー
ティクル汚染,金属汚染,ダメージなどデバイス特性を
劣化させる原因となる可能性を有している。一般に、工
程数が増えるほど良品率は低下する。また、これら多く
の工程を行うために時間が必要であり、必然的にコスト
が上昇する。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置の製
造方法は、表面に酸化シリコン膜と多結晶シリコン膜と
を有する半導体基板上にCVD法により窒化シリコン膜
を形成する半導体装置の製造方法において、原料ガスに
アンモニアとアミノシランを用い前記多結晶シリコン膜
表面上にのみ窒化シリコン膜を選択的に成長させるもの
である。
【0012】
【作用】原料ガスとしてアンモニアとアミノシランを用
いて、窒化シリコン膜を成長させる方法では、高温に保
たれたCVD炉中で、(1)式のようにアミノシラン
(SiNH5 )がアミノシリレン(SiNH3 )と水素
分子に解離する。
【0013】 SiNH5 →SiNH3 +H2 ……(1) 発生したアミノシリレンは、図3(a)に示すように、
水素原子で終端された窒化シリコン膜上の窒素原子と挿
入反応し、図3(b)のようにSi−N結合が形成され
る。挿入反応については、イシタニらによってジャパニ
ーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス(A
kihiko Ishitani and Shiro
Koseki,Japanese Journal
ofApplied Physics)29(12),
L2322(1990年)で述べられている。このと
き、シリコン原子には2個の水素原子が結合している
が、高温に於いては容易に水素分子として脱離し、図3
(c)のように、ローンペアを持つシリコン原子とな
る。このローンペアはアンモニアへの挿入反応を引き起
こし、図3(d)のように、新たなN−Si結合が形成
される。このようにして、シリコン原子と窒素原子のネ
ットワークが形成され、窒化シリコン膜が成長する。図
3(a)では水素原子で終端せれた窒素原子を例として
述べたが、水素原子で終端されたシリコン原子の場合も
同様である。また、このときに原料ガスとしてシランの
みを供給すれば、窒化シリコン上に多結晶シリコンが成
長する。以上では、窒化シリコンの上に窒化シリコンが
成長するメカニズムの述べた。本発明における窒化シリ
コン膜を成長させる前の基板表面は、多結晶シリコンあ
るいは単結晶シリコンと酸化シリコンからなる。これら
の表面上では、水素原子で終端された窒素原子あるいは
シリコン原子が存在しないため、挿入反応は起きない。
しかしながら、シリコン表面上では、アミノシリレンの
電荷移動吸着が起きる。電荷移動吸着についてはイシタ
ニらによってジャーナル オブ アプライドフィジクス
(Akihiko Ishitani,Toshika
zu Takada,and Yoshio Ohsh
ita,Journal ofApplied Phy
sics)63(2)390(1990年)で説明され
ている。この電荷移動吸着は、図4(a)に示すよう
に、シリコン層10の表面が未結合手を持つことに起因
している。その後、図4(b)に示すように、吸着した
アミノシリレンのSi−H結合あるいはN−H結合に、
アミノシリレンが挿入反応する。次に、図4(c)に示
すように、水素分子が脱離して、図3(c)と等価な状
態になる。引き続いて、図3(d)に示すようなアンモ
ニアの化学吸着とアミノシリレンの挿入反応とによっ
て、シリコン窒化膜の成長が起きる。
【0014】他方、酸化シリコン膜はSi−O結合を基
本とするネットワークからなる。多くは6員環と8員環
であるが、4員環や10員環その他の数のネットワーク
も含まれている。酸化シリコン膜の表面も同様であり、
シリコン層の表面のように未結合手を持つシリコン原子
は存在せず、基本的には酸化シリコン膜のシリコン原子
はすべて酸素原子で終端されている。したがって、酸化
シリコン膜の表面上には、窒化シリコン膜が成長しな
い。カバー膜の製造においては、アミノシランの濃度を
高くし気相で窒化シリコンの核発生を起こして酸化シリ
コン膜上に付着させ、窒化シリコンのカバー膜を製造す
る。しかし、本発明は気相での窒化シリコンの核発生を
抑制することによって、窒化シリコンを選択的にシリコ
ン表面上にのみ形成する。
【0015】
【実施例】窒化シリコン膜の選択成長技術を用いて、ス
タックキャパシタを構成するプロセスを、図面を参照し
て説明する。図1(a)〜(d)は、本発明の一実施例
を説明するための半導体チップの断面図である。
【0016】まず図1(a)に示すように、シリコン基
板2上に選択酸化法により厚さ200nmのフィールド
酸化膜1を形成した。次に図1(b)に示すように、多
結晶シリコン膜の選択成長技術によってスタックキャパ
シタの下部電極となる厚さ400nmの多結晶シリコン
膜3を形成した。次に図1(c)に示すように、本発明
による窒化シリコン膜の選択成長技術によって、多結晶
シリコン膜3の表面上にのみ厚さ10nmの窒化シリコ
ン膜4を形成した。
【0017】次に図1(d)に示すように、窒化シリコ
ン膜表面上にのみ選択的に多結晶シリコン膜を成長させ
る技術によって、上部電極となる厚さ200nmの多結
晶シリコン膜5を形成しスタックキャパシタを構成し
た。従来技術で述べた多結晶シリコンの選択成長技術で
は、基板表面はシリコンと酸化シリコンからなる。しか
し、本実施例において同様の条件で多結晶シリコンを成
長させたところ、図1(d)に示したように選択成長す
ることができた。これは「作用」の項で述べたように、
窒化シリコン膜上には挿入反応によって多結晶シリコン
が成長するからである。
【0018】図1(c)における窒化シリコン膜の選択
成長は、アミノシラン/アンモニア/窒素=100/3
00/1000sccmのガス組成を用いて行なった。
成長圧力は0.18Torr、成長温度は800℃であ
った。窒素ガスはキャリアガスとして用いており、窒素
ガスの代りにアルゴンガスなどの不活性ガスを用いても
良い。アミノシランの量を窒素ガスに対して体積比30
%以上とすると、気相で窒化シリコンの核発生が起き、
選択性が失われた。また、1%以下とすると、成長速度
が遅くなり実用性に欠ける。
【0019】成長圧力を低くすると、凹凸のある表面上
でも一様な膜厚の窒化シリコン膜を形成できるが、排気
系の設備が大型になり、装置コストが上昇する。成長速
度は成長圧力が低くなるとともに低下するが、0.1T
orr以上であれば、0.1nm/min以上の成長速
度が得られた。選択成長は、このガス組成で、750〜
850℃の範囲で可能であった。850℃以上では、ア
ミノシランの分解が促進され、気相で窒化シリコンの核
発生が起きた。750℃以下では、成長速度が0.1n
m/min以下となった。アミノシランのみを原料ガス
とすると、形成される窒化シリコン膜の組成はシリコン
過剰となる。したがって、本実施例ではアミノシランに
たいして3倍のアンモニアを添加した。窒化シリコン膜
の組成を化学量論的組成に近づけるためにはアンモニア
の量を多くすることが望ましいが、排気ガス中に含まれ
る窒素化合物を減らすためには少ない方が望ましい。キ
ャパシタ用絶縁膜としては、アンモニアの量をアミノシ
ランの2倍以上とすれば、ほぼ化学量論的組成の誘電率
を得ることができる。
【0020】結局、実用的な成長速度を0.5nm/m
inとするとき、凹凸のある基板に対しても膜厚の変動
が10%以下で、かつ選択性を失わずに窒化シリコンを
成長させるためには、窒素ガスに対するアミノシランの
体積比を10〜20%とし、アミノシランにたいするア
ンモニアの体積比2倍以上とし、成長圧力を0.1〜1
Torrとし、成長温度750〜800℃とすることが
望ましい。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように本発明による窒化シ
リコン膜の選択成長技術を用いれば、スタックキャパシ
タ構成プロセスからフォトリソグラフィー工程とドライ
エッチング工程を省くことができるため、大幅にコスト
を低減させることができる。また、それらの工程に含ま
れる洗浄,レジスト塗布,ベークング,露光,ドライエ
ッチング,レジスト除去などに起因する偶発的な良品率
の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を説明するための半導体チッ
プの断面図。
【図2】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
半導体チップの断面図。
【図3】窒化シリコン膜の成長メカニズムを説明するた
めの図。
【図4】窒化シリコン膜の成長メカニズムを説明するた
めの図。
【符号の説明】
1 フィールド酸化膜 2 シリコン基板 3,3A 多結晶シリコン膜 4,4A,4B 窒化シリコン膜 5,5A 多結晶シリコン膜 10 シリコン層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/318 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面に酸化シリコン膜と多結晶シリコン
    膜とを有する半導体基板上にCVD法により窒化シリコ
    ン膜を形成する半導体装置の製造方法において、原料ガ
    スにアンモニアとアミノシランを用い前記多結晶シリコ
    ン膜表面上にのみ窒化シリコン膜を選択的に成長させる
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 アミノシランとアンモニアと不活性ガス
    を原料ガスとし、アミノシランの量を不活性ガスに対し
    て10〜20%、アンモニアの量をアミノシランの2倍
    以上とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
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