JP3151002B2 - 半導体装置および製造方法 - Google Patents

半導体装置および製造方法

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JP3151002B2 JP16826491A JP16826491A JP3151002B2 JP 3151002 B2 JP3151002 B2 JP 3151002B2 JP 16826491 A JP16826491 A JP 16826491A JP 16826491 A JP16826491 A JP 16826491A JP 3151002 B2 JP3151002 B2 JP 3151002B2
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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に関し、特に
静電容量素子が組込まれた半導体装置および製造方法に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】集積回路の高密度化,高速化に伴って、
容量素子の小型化,大容量化が求められている。限られ
た基板表面積において容量素子の面積を増す方法として
は、シリコンに溝を掘るトレンチ方式(例えば、H.Suna
mi et al:IEEE Electron Device Lett.EDL-4(1983)P90-
91),トランジスタなどの上に容量素子を重ねるスタッ
クド方式(例えば、Y.Takemane et al:ISSCC Dig.Tech.
Papers(1985)PP250-251)、さらに容量素子の電極を何
層にも積み上げたフィン構造方式(例えば、T.Ema et a
l.IEDM Tech Dig.(1988)PP592-595 )等が提案されてい
る。
【0003】図11はD−RAMに用いられている従来
のトレンチキャパシタの模式的断面図である。このキャ
パシタはP型基板21上に形成されたトレンチの内壁面
に形成されたn+ 層22を蓄積電極とし、絶縁膜23を
はさんでトレンチ中に埋め込まれているポリ−Si24
を対向電極としている。このような構成のトレンチキャ
パシタでは基板の内部にキャパシタを形成するためキャ
パシタ面積を大きくとることができる。また、素子表面
の段差が小さいため、配線パターン出しやコンタクトホ
ールのエッチングなどを容易に行える。
【0004】しかし、キャパシタ面積を大きくして静電
容量を大きくするためには、より深いトレンチの形成を
必要とするため、トレンチエッチングの形状コントロー
ルが困難になってくる。
【0005】図12はD−RAMに用いられいるフィン
構造を有するキャパシタの模式的断面図である。このキ
ャパシタはフィン状に積み上げられたポリ−Siの蓄積
電極32と、この電極32を絶縁膜33を介して取り囲
む対向電極34とから形成されている。このようなフィ
ン構造のキャパシタでは基板にトレンチを形成するなど
新しい技術を導入する必要がなく工程も比較的簡単であ
り、またトレンチキャパシタに比べてα線ソフトエラー
に強いという特長をもっている。
【0006】しかし、キャパシタ容量を大きくするため
には、フィンを多層に積層する必要があり、その結果、
素子表面の表面段差が大きくなってしまう。この段差は
露光時の焦点深度やエッチングにとって大きな負担とな
り、段差によって生じる高アスペクト比のコンタクトは
配線の低抵抗化および高信頼化に深刻な問題をもたら
す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した技
術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とする
ところは小型でも大静電容量を有し、かつ平面性にも優
れた静電容量素子を高集積度で有する半導体装置および
製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の半導体装置は、半導体基体に形成されたト
レンチの内側面および底面の導電層およびトレンチ底部
よりトレンチ上部に向けて延びるAl層をそれぞれ蓄積
電極とし、該蓄積電極に近接して形成された電極を対向
電極とするキャパシタを含み、さらに前記蓄積電極とし
てのAl層はアルキルアルミニウムハイドライドと水素
を利用したCVD法により前記半導体基体上に選択的に
Alを成長させたものであることを特徴とする。
【0009】また、本発明の半導体装置の製造方法は、
半導体基体にトレンチを形成する工程と、該トレンチの
内側面および底面に第1蓄積電極を形成する工程と、該
トレンチの底面に形成された第1蓄積電極の一部からト
レンチ上部に向けて第2蓄積電極を形成する工程と、前
記第1および第2蓄積電極に絶縁体層を介して対向電極
の一部からトレンチ上部に向けて第2蓄積電極を形成す
る工程と、前記第1および第2蓄積電極に絶縁体層を介
して対向電極を形成する工程とを含み、さらに前記両蓄
積電極の形成工程のうち、少なくとも前記第2蓄積電極
の形成工程はAlおよびAlを含む金属をCVD法によ
り成長させて行うことを特徴とする。好ましくは、前記
絶縁体層は堆積させたAl層表面を酸化処理して形成し
た酸化アルミニウム膜である。好ましくは、前記第2蓄
積電極の形成工程はアルキルアルミニウムハイドライド
のガスと水素ガスとを利用したCVD法により行うもの
で、さらに好ましくは前記アルキルアルミニウムハイド
ライドはジメチルアルミニウムハイドライドである。あ
るいは、本発明にもとづく半導体装置の製造方法は、半
導体基体にトレンチを形成する工程と、該トレンチの底
面の一部からトレンチ上部に向けて第1蓄積電極を形成
する工程と、トレンチ側面、底面および第1蓄積電極の
表面に、第2蓄積電極を形成する工程と、第2蓄積電極
に絶縁体層を介して対向電極を形成する工程とを含むこ
とを特徴とする。好ましくは、前記蓄積電極の形成工程
のうち、少なくとも前記第1蓄積電極の形成工程は、A
lまたはAlを含む金属をCVD法により成長させて行
う。好ましくは、前記絶縁体層は、前記第2蓄積電極の
表面を酸化処理して形成した酸化アルミニウム膜であ
る。好ましくは、前記第1蓄積電極の形成工程は、アル
キルアルミニウムハイドライドのガスと水素ガスとを利
用したCVD法により行うもので、さらに好ましくは前
記アルキルアルミニウムハイドライドはジメチルアルミ
ニウムハイドライドである。
【0010】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0011】(実施例1)図1,2および3に本発明の
半導体装置の製造方法の一実施例としての工程フローを
示す。
【0012】露出したP型Si単結晶基板1の(10
0)面に厚さ5000ÅのSiO2 膜2を形成し、これ
をマスクとして、反応性イオンエッチング(RIE)を
用いて直径約1.5μm,深さ約2.0μmのトレンチ
を形成した。エッチングガスとしてはCF2 Cl2 を用
いた。次にトレンチの内壁面および底面、さらにSiO
2 膜2にAs+をイオン注入し、1000℃,15分間
の熱処理を行い第1蓄積電極としてのn+ 層3を形成し
た(図1における(A)参照)。
【0013】さらに、LPCVDによって基板1の表面
に厚さ約250ÅのAl結晶を堆積させた。LPCVD
はトリイソブチルアルミニウムを原料ガスとして260
℃,0.5Torrで熱分解して行った。次いでウエハ
全体に3%クロム酸を用いて陽極酸化を行いAl結晶を
すべて酸化し、絶縁体層としてのAl23 膜4aを形
成した(図1における(B)参照)。ここでの陽極酸化
の実施条件は温度40℃,電圧30V,電流密度0.4
A/dm2 とした。
【0014】次に、Al23 膜4aの表面全体に厚さ
0.2μmのポリSi層5をLPCVDの方法によって
形成した(図1における(C)参照)。
【0015】次に、RIEによってトレンチ底部のポリ
Si層5およびウエハ表面のAl23 膜4aをエッチ
ングしてn+ 層3の表面を露出させた(図2における
(A)参照)。
【0016】次いで、再びLPCVD法によってトレン
チ側面および底面にAl23 膜4aに連続してAl結
晶を堆積させたのち、前記と同様に新たなAl結晶を酸
化し、Al23 膜全体をAl23 膜4bとした(図
2における(B)参照)。
【0017】次に、RIEによってトレンチ底部のAl
23膜4bをエッチングし、Sin+ 層3を露出させ
た(図2における(C)参照)。
【0018】その後、アルキルアルミニウムハイドライ
ドのガスと水素を利用した後述のCVD法によってn+
層3のSi上にのみAl結晶を選択的に堆積させて第2
蓄積電極としてのAl層6を形成した(図3における
(A)参照)。原料ガスとしては、ジメチルアルミニウ
ムハイドライド(以下DMAHと略す)、反応ガスとし
て水素ガス、全圧力を1.5Torr,DMAH分圧を
5.0×10-3Torrとしてハロゲンランプによる直
接加熱によってウエハを290℃に加熱して行った。
【0019】次に、3%クロム酸を用いて陽極酸化を行
いAl層の上部をAl23 膜4bに一体のAl23
に変えた。次いで、ウエハ表面にCVD法によって対向
電極としてのAl層7を堆積して本発明に係るキャパシ
タを有する半導体装置を得た(図3における(B)参
照)。
【0020】すなわち、トレンチ側面および底面のSi
+ 層3と選択成長させたAl層6を蓄積電極にもち、
その間に位置しているポリSi5およびAl層7を対向
電極とするキャパシタが得られた。
【0021】なお、上述の実施例では絶縁膜としてAl
を酸化して形成したAl23 膜4bを用いたが、この
Al23 膜4bに代えてSiO2 膜,Si34 膜ま
たはこれらの複合膜を用いてもよい。この場合、前記の
Al堆積および酸化によりAl23 層4を作成する工
程に替えて、これらSiO2 ,Si34 等の膜を、C
VDや熱酸化,熱窒化などにより形成する工程を行えば
良い。
【0022】ここで、アルキルアルミニウムハイドライ
ドと水素を用いたAlの選択的な堆積(以下、選択Al
−CVDと略す)について説明する。
【0023】まず、上記Al層6および7に用いられる
金属としては、Alの他にAl−Si,Al−Cu,A
l−Si−Ti,Al,Al−Si,Cu等のAlを主
成分とする合金、Cu,Mo,Wあるいはそれらの合金
を用いることができる。特に、電極取り出しのためにコ
ンタクトホール内を埋める場合には、後述するAl−C
VD法を用いることが好ましい。絶縁膜としては、CV
D法やスパッタリング法による酸化シリコン膜,窒化シ
リコン膜,PSG(リンシリケートガラス)膜,BPS
G(ボロンリンシリケートガラス)膜等の無機材料やポ
リイミド膜等の有機材料が好ましく用いられる。絶縁膜
上に配線層を形成するには、CVD法,スパッタリング
法等によって絶縁膜の全面に金属層を形成した後、フォ
トッリソグラフィによって所定の配線形状にパターニン
グしてもよく、あるいは、あらかじめ絶縁膜表面の所定
部分をプラズマに曝して改質し、改質された表面部分に
のみ、金属を選択的に堆積させてもよい。
【0024】(成膜方法)本発明による電極の形成に好
適な成膜方法について以下に説明する。
【0025】この方法は、上述した構成の電極を形成す
る為に開孔へ導電材料を埋め込むのに適した成膜方法で
ある。本発明に好適な成膜方法とは、アルキルアルミニ
ウムハイドライドのガスと水素ガスとを用いて、電子供
与性の基体上に表面反応により堆積膜を形成するもので
ある(以下Al−CVD法と称する)。
【0026】特に、原料ガスとしてモノメチルアルミニ
ウムハイドライド(MMAH)またはジメチルアルミニ
ウムハイドライド(DMAH)を用い、反応ガスとして
2ガスを用い、これらの混合ガスの下で基体表面を加
熱すれば良質のAl膜を堆積することが出来る。ここ
で、Al選択堆積の際には直接加熱または間接加熱によ
り基体の表面温度をアルキルアルミニウムハイドライド
の分解温度以上450℃未満に保持することが好まし
く、より好ましくは260℃以上440℃以下がよい。
【0027】基体を上記温度範囲になるべく加熱する方
法としては直接加熱と間接加熱とがあるが、特に直接加
熱により基体を上記温度に保持すれば高堆積速度で良質
のAl膜を形成することができる。例えば、Al膜形成
時の基体表面温度をより好ましい温度範囲である260
℃〜440℃とした時、300Å〜5000Å/分とい
う間接加熱の場合よりも高い堆積速度で良質な膜が得ら
れるのである。このような直接加熱(加熱手段からのエ
ネルギーが直接基体に伝達されて基体自体を加熱する)
の方法としては、例えば、ハロゲンランプ、キセノンラ
ンプ等によるランプ加熱があげられる。また、間接加熱
の方法としては抵抗加熱があり、堆積膜を形成すべき基
体を支持するための堆積膜形成用の空間に配設された基
体支持部材に設けられた発熱体等を用いて行うことが出
来る。
【0028】この方法により電子供与性の表面部分と非
電子供与性の表面部分とが共存する基体にCVD法を適
用すれば電子供与性の基体表面部分にのみ良好な選択性
のもとにAlの単結晶が形成される。このAlは電極/
配線材料として望まれるあらゆる特性に優れたものとな
る。即ち、ヒルロックの発生確率の低減、アロイスパイ
ク発生確率の低減が達成されるのである。
【0029】これは、電子供与性の表面としての半導体
や導電体からなる表面上に良質のAlを選択的に形成で
き、且つそのAlが結晶性に優れているが故に下地のシ
リコン等との共晶反応によるアロイスパイクの形成等が
ほとんどみられないか極めて少ないものと考えらる。そ
して、半導体装置の電極として採用した場合には従来考
えられてきたAl電極の概念を越えた従来技術では予想
だにしなかった効果が得られるのである。
【0030】以上のように電子供与性の表面例えば絶縁
膜に形成され半導体基体表面が露出した開孔内に堆積さ
れたAlは単結晶構造となることを説明したが、このA
l−CVD法によれば以下のようなAlを主成分とする
金属膜をも選択的に堆積でき、その膜質も優れた特性を
示すのである。
【0031】たとえば、アルキルアルミニウムハイドラ
イドのガスと水素とに加えてSiH4 ,Si26 ,S
38 ,Si(CH34 ,SiCl4 ,SiH2
2,SiHCl3 等のSi原子を含むガスや、TiC
4 ,TiBr4 ,Ti(CH34 等のTi原子を含む
ガスや、ビスアセチルアセトナト銅Cu(C57
2 ),ビスジピバロイルメタナイト銅Cu(C1119
22 ,ビスヘキサフルオロアセチルアセトナト銅Cu
(C5 HF622 等のCu原子を含むガスを適宜組
み合わせて導入して混合ガス雰囲気として、例えばAl
−Si,Al−Ti,Al−Cu,Al−Si−Ti,
Al−Si−Cu等の導電材料を選択的に堆積させて電
極を形成してもよい。
【0032】また、上記Al−CVD法は、選択性に優
れた成膜方法であり且堆積した膜の表面性が良好である
ために、次の堆積工程に非選択性の成膜方法を適用し
て、上述の選択堆積したAl膜および絶縁膜としてのS
iO2 等の上にもAl又はAlを主成分とする金属膜を
形成することにより、半導体装置の配線として汎用性の
高い好適な金属膜を得ることができる。
【0033】このような金属膜とは、具体的には以下の
とおりである。選択堆積したAl,Al−Si,Al−
Ti,Al−Cu,Al−Si−Ti,Al−Si−C
uと非選択的に堆積したAl,Al−Si,Al−T
i,Al−Cu,Al−Si−Ti,Al−Si−Cu
との組み合わせ等である。
【0034】非選択堆積のための成膜方法としては上述
したAl−CVD法以外のCVD法やスパッタリング法
等がある。
【0035】(成膜装置)次に、本発明による電極を形
成するに好適な成膜装置について説明する。
【0036】図4ないし図6に上述した成膜方法を適用
するに好適な金属膜連続形成装置を模式的に示す。
【0037】この金属膜連続形成装置は、図4に示すよ
うに、ゲートバルブ310a〜310fによって互いに
外気遮断下で連通可能に連接されているロードロック室
311,第1の成膜室としてのCVD反応室312,R
Fエッチング室313,第2の成膜室としてのスパッタ
室314,ロードロック室315とから構成されてお
り、各室はそれぞれ排気系316a〜316eによって
排気され減圧可能に構成されている。ここで前記ロード
ロック室311は、スループット性を向上させるために
堆積処理前の基体雰囲気を排気後にH2 雰囲気に置き換
える為の室である。次のCVD反応室312は基体上に
常圧または減圧下で上述したAl−CVD法による選択
堆積を行う室であり、成膜すべき基体表面を少なくとも
200℃〜450℃の範囲で加熱可能な発熱抵抗体31
7を有する基体ホルダ318が内部に設けられるととも
に、CVD用原料ガス導入ライン319によって室内に
バブラー319−1で水素によりバブリングされ気化さ
れたアルキルアルミニウムハイドライド等の原料ガスが
導入され、またガスライン319′より反応ガスとして
の水素ガスが導入されるように構成されている。次のR
Fエッチング室313は選択堆積後の基体表面のクリー
ニング(エッチング)をAr雰囲気下で行う為の室であ
り、内部には基体を少なくとも100℃〜250℃の範
囲で加熱可能な基体ホルダ320とRFエッチング用電
極ライン321とが設けられるとともに、Arガス供給
ライン322が接続されている。次のスパッタ室314
は基体表面にAr雰囲気下でスパッタリングにより金属
膜を非選択的に堆積する室であり、内部に少なくとも2
00℃〜250℃の範囲で加熱される基体ホルダ323
とスパッタターゲット材324aを取りつけるターゲッ
ト電極324とが設けられるとともに、Arガス供給ラ
イン325が接続されている。最後のロードロック室3
15は金属膜堆積完了後の基体を外気中に出す前の調整
室であり、雰囲気をN2 に置換するように構成されてい
る。
【0038】図5は上述した成膜方法を適用するに好適
な金属膜連続形成装置の他の構成例を示しており、前述
の図4と同じ部分については同一符号とする。図5の装
置が図4の装置と異なる点は、直接加熱手段としてハロ
ゲンランプ330が設けられており基体表面を直接加熱
出来る点であり、そのために、基体ホルダ312には基
体を浮かした状態で保持するツメ331が配設されてい
ることである。
【0039】このよう構成により基体表面を直接加熱す
ることで前述した様に堆積速度をより一層向上させるこ
とが可能である。
【0040】上記構成の金属膜連続形成装置は、実際的
には、図6に示すように、搬送室326を中継室として
前記ロードロック室311,CVD反応室312,RF
エッチング室313,スパッタ室314,ロードロック
室315が相互に連結された構造のものと実質的に等価
である。この構成ではロードロック室311はロードロ
ック室315を兼ねている。前記搬送室326には、図
に示すように、AA方向に正逆回転可能かつBB方向に
伸縮可能な搬送手段としてのアーム327が設けられて
おり、このアーム327によって、図7中に矢印で示す
ように、基体を工程に従って順次ロードロック室311
からCVD室312,RFエッチング室313,スパッ
タ室314,ロードロック室315へと、外気にさらす
ことなく連続的に移動させることができるようになって
いる。
【0041】(成膜手順)本発明による電極および配線
を形成する為の成膜手順について説明する。
【0042】図8は本発明による電極および配線を形成
する為の成膜手順を説明する為の模式的斜視図である。
【0043】始めに概略を説明する。絶縁膜に開孔の形
成された半導体基体を用意し、この基体を成膜室に配し
その表面を例えば260℃〜450℃に保持して、アル
キルアルミニウムハイドライドとしてDMAHのガスと
水素ガスとの混合雰囲気での熱CVD法により開孔内の
半導体が露出した部分に選択的にAlを堆積させる。も
ちろん前述したようにSi原子等を含むガスを導入して
Al−Si等のAlを主成分とする金属膜を選択的に堆
積させてもよい。次にスパッタリング法により選択的に
堆積したAlおよび絶縁膜上にAl又はAlを主成分と
する金属膜を非選択的に形成する。その後、所望の配線
形状に非選択的に堆積した金属膜をパターニングすれば
電極および配線を形成することが出来る。
【0044】次に、図5及び図8を参照しながら具体的
に説明する。まず基体の用意をする。基体としては、例
えば単結晶Siウエハ上に各口径の開孔の設けられた絶
縁膜が形成されたものを用意する。
【0045】図8における(A)はこの基体の一部分を
示す模式図である。ここで、401は伝導性基体として
の単結晶シリコン基体、402は絶縁膜(層)としての
熱酸化シリコン膜である。403および404は開孔
(露出部)であり、それぞれ口径が異なる。
【0046】基体上への第1配線層としての電極となる
Al成膜の手順は図5をもってすれば次の通りである。
【0047】まず、上述した基体をロードロック室31
1に配置する。このロードロック室311に前記したよ
うに水素を導入して水素雰囲気としておく。そして、排
気系316bにより反応室312内をほぼ1×10-8
orrに排気する。ただし反応室312内の真空度は1
×10-8Torrより悪くてもAlは成膜出来る。
【0048】そして、ガスライン319からバブリング
されたDMAHのガスを供給する。DMAHラインのキ
ャリアガスにはH2 を用いる。
【0049】第2のガスライン319′は反応ガスとし
てのH2 用であり、この第2のガスライン319′から
2 を流し、不図示のスローリークバルブの開度を調整
して反応室312内の圧力を所定の値にする。この場合
の典型的圧力は略々1.5Torrがよい。DMAHラ
インよりDMAHを反応管内へ導入する。全圧を略々
1.5Torr、DMAH分圧を略々5.0×10-3
orrとする。その後ハロゲンランプ330に通電しウ
エハを直接加熱する。このようにしてAlを選択的に堆
積させる。
【0050】所定の堆積時間が経過した後、DMAHの
供給を一端停止する。この過程で堆積されるAl膜の所
定の堆積時間とは、Si(単結晶シリコン基体)上のA
l膜の厚さが、SiO2 (熱酸化シリコン膜)の膜厚と
等しくなるまでの時間であり、実験によりあらかじめ求
めることが出来る。
【0051】このときの直接加熱による基体表面の温度
は270℃程度とする。ここまでの工程によれば図8に
おける(B)に示すように開孔内に選択的にAl膜40
5が堆積するのである。
【0052】以上をコンタクトホール内に電極を形成す
る為の第1成膜工程と称する。
【0053】上記第1成膜工程後、CVD反応室312
を排気系316bにより5×10-3Torr以下の真空
度に到達するまで排気する。同時に、RFエッチング室
313を5×10-6Torr以下に排気する。両室が上
記真空度に到達したことを確認した後、ゲートバルブ3
10cが開き、基体を搬送手段によりCVD反応室31
2からRFエッチング室313へ移動し、ゲートバルブ
310cを閉じる。基体をRFエッチング室313に搬
送し、排気系316cによりRFエッチング室313を
10-6Torr以下の真空度に達するまで排気する。そ
の後RFエッチング用アルゴン供給ライン322により
アルゴンを供給し、RFエッチング室313を10-1
10-3Torrのアルゴン雰囲気に保つ。RFエッチン
グ用基体ホルダー320を200℃程に保ち、RFエッ
チング用電極321へ100WのRfパワーを60秒間
程供給し、RFエッチング室313内でアルゴンの放電
を生起させる。このようにすれば、基体の表面をアルゴ
ンイオンによりエッチングし、CVD堆積膜の不要な表
面層をとり除くことができる。この場合のエッチング深
さは酸化物相当で約100Å程度とする。なお、ここで
は、RFエッチング室でCVD堆積膜の表面エッチング
を行ったが、真空中を搬送される基体のCVD膜の表面
層は大気中の酸素等を含んでいないため、RFエッチン
グを行わなくてもかなわない。その場合、RFエッチン
グ室313は、CVD反応室312とスパッタ室314
の温度差が大きく異なる場合、温度変化を短時間で行な
うための温度変更室として機能する。
【0054】RFエッチング室313において、RFエ
ッチングが終了した後、アルゴンの流入を停止し、RF
エッチング室313内のアルゴンを排気する。RFエッ
チング室313を5×10-6Torrまで排気し、かつ
スパッタ室314を5×10-6Torr以下に排気した
後、ゲートバルブ310dを開く。その後、基体を搬送
手段を用いてRFエッチング室313からスパッタ室3
14へ移動させゲートバルブ310dを閉じる。
【0055】基体をスパッタ室314に搬送してから、
スパッタ室314をRFエッチング室313と同様に1
-1〜10-3Torrのアルゴン雰囲気となし、基体を
載置する基体ホルダー323の温度を200〜250℃
程に設定する。そして、5〜10kwのDCパワーでア
ルゴンの放電を行い、AlやAl−Si(Si:0.5
%)等のターゲット材をアルゴンイオンで削りAlやA
l−Si等の金属を基体上に10000Å/分程の堆積
速度で成膜を行う。この工程は非選択的堆積工程であ
る。これを電極と接続する配線を形成する為の第2成膜
工程と称する。
【0056】基体上に5000Å程の金属膜を形成した
後、アルゴンの流入およびDCパワーの印加を停止す
る。ロードロック室311を5×10-3Torr以下に
排気した後、ゲートバルブ310eを開き基体を移動さ
せる。ゲートバルブ310eを閉じた後、ロードロック
室311にN2 ガスを大気圧に達するまで流しゲートバ
ルブ310fを開いて基体を装置の外へ取り出す。
【0057】以上の第2Al膜堆積工程によれば図8に
おける(C)のようにSiO2 膜402上にAl膜40
6を形成することができる。
【0058】そして、このAl膜406を図8における
(D)のようにパターニングすることにより所望の形状
の配線を得ることができる。
【0059】(実験例)以下に、上記Al−CVD法が
優れており、且つそれにより開孔内に堆積したAlがい
かに良質の膜であるかを実験結果をもとに説明する。
【0060】まず基体としてN型単結晶シリコンウエハ
ーの表面を熱酸化して8000ÅのSiO2 を形成し
0.25μm×0.25μm角から100μm×100
μm角の各種口径の開孔をパターニングして下地のSi
単結晶を露出させたものを複数個用意した(サンプル1
−1)。
【0061】これらを以下の条件によるAl−CVD法
によりAl膜を形成した。原料ガスとしてDMAH、反
応ガスとして水素、全圧力を1.5Torr、DMAH
分圧を5.0×10-3Torrという共通条件のもと
で、ハロゲンランプに通電する電力量を調整し直接加熱
により基体表面温度を200℃〜490℃の範囲で設定
し成膜を行った。
【0062】その結果を表1に示す。
【0063】
【表1】
【0064】表1から判るように、直接加熱による基体
表面温度が260℃以上では、Alが開孔内に3000
〜5000Å/分という高い堆積速度で選択的に堆積し
た。
【0065】基体表面温度が260℃〜440℃の範囲
での開孔内のAl膜の特性を調べてみると、炭素の含有
はなく、抵抗率2.8〜3.4μΩcm、反射率90〜
95%、1μm以上のヒロック密度が0〜10であり、
スパイク発生(0.15μm接合の破壊確率)がほとん
どない良好な特性であることが判明した。
【0066】これに対して基体表面温度が200℃〜2
50℃では、膜質は260℃〜440℃の場合に比較し
て若干悪いものの従来技術から見れば相当によい膜であ
るが、堆積速度が1000〜1500Å/分と決して十
分に高いとはいえず、スループットも7〜10枚/Hと
比較的低かった。
【0067】また、基体表面温度が450℃以上になる
と、反射率が60%以下、1μm以上のヒロック密度が
10〜104 cm-2、アロイスパイク発生が0〜30%
となり、開孔内のAl膜の特性は低下した。
【0068】次に上述した方法がコンタクトホールやス
ルーホールといった開孔にいかに好適に用いることがで
きるかを説明する。
【0069】即ち以下に述べる材料からなるコンタクト
ホール/スルーホール構造にも好ましく適用されるので
ある。
【0070】上述したサンプル1−1にAlを成膜した
時と同じ条件で以下に述べるような構成の基体(サンプ
ル)にAl膜を形成した。
【0071】第1の基体表面材料としての単結晶シリコ
ンの上に、第2の基体表面材料としてのCVD法による
酸化シリコン膜を形成し、フォトリソグラフィー工程に
よりパターニングを行い、単結晶シリコン表面を部分的
に吐出させた。
【0072】このときの熱酸化SiO2 膜の膜厚は80
00Å、単結晶シリコンの露出部即ち開口の大きさは
0.25μm×0.25μm〜100μm×100μm
であった。このようにしてサンプル1−2を準備した
(以下このようなサンプルを“CVDSiO2 (以下S
iO2 と略す)/単結晶シリコン”と表記することとす
る)。
【0073】サンプル1−3は常圧CVDによって成膜
したボロンドープの酸化膜(以下BSGと略す)/単結
晶シリコン、サンプル1−4は常圧CVDによって成膜
したリンドープの酸化膜(以下PSGと略す)/単結晶
シリコン、サンプル1−5は常圧CVDによって成膜し
たリンおよびボロンドープの酸化膜(以下BSPGと略
す)/単結晶シリコン、サンプル1−6はプラズマCV
Dによって成膜した窒化膜(以下P−SiNと略す)/
単結晶シリコン、サンプル1−7は熱窒化膜(以下T−
SiNと略す)/単結晶シリコン、サンプル1−8は減
圧CVDによって成膜した窒化膜(以下LP−SiNと
略す)/単結晶シリコン、サンプル1−9はECR装置
によって成膜した窒化膜(以下ECR−SiNと略す)
/単結晶シリコンである。
【0074】さらに以下に示す第1の基体表面材料(1
8種類)と第2の基体表面材料(9種類)の全組み合わ
せによりサンプル1−11〜1−179(注意:サンプ
ル番号1−10,20,30,40,50,60,7
0,80,90,100,110,120,130,1
40,150,160,170は欠番)を作成した。第
1の基体表面材料として単結晶シリコン(単結晶Si),
多結晶シリコン(多結晶Si),非晶質シリコン(非晶
質Si),タングステン(W),モリブデン(Mo),
タンタル(Ta),タングステンシリサイド(WS
i),チタンシリサイド(TiSi),アルミニウム
(Al),アルミニウムシリコン(Al−Si),チタ
ンアルミニウム(Al−Ti),チタンナイトライド
(Ti−N),銅(Cu),アルミニウムシリコン銅
(Al−Si−Cu),アルミニウムパラジウム(Al
−Pd),チタン(Ti),モリブデンシリサイド(M
o−Si),タンタルシリサイド(Ta−Si)を使用
した。第2の基体表面材料としてはT−SiO2 ,Si
2 ,BSG,PSG,BPSG,P−SiN,T−S
iN,LP−SiN,ECR−SiNである。以上のよ
うな全サンプルについても上述したサンプル1−1に匹
敵する良好なAl膜を形成することができた。
【0075】次に、以上のようにAlを選択堆積させた
基体に上述したスパッタリング法により非選択的にAl
を堆積させてパターニングした。
【0076】その結果、スパッタリング法によるAl膜
と、開孔内の選択堆積したAl膜とは、開孔内のAl膜
の表面性がよいために良好な電気的にも機械的にも耐久
性の高いコンタクト状態となっていた。
【0077】(実施例2)図9および図10に本発明の
半導体装置の製造方法の他の実施例としての工程フロー
を示す。
【0078】露出した単結晶基板11の(100)面に
厚さ5000ÅのSiO2 膜12を形成し、これをマス
クとしてのCF2 Cl2 を用いたRIEによって直径約
1.0μm,深さ約2.0μmのトレンチ13を形成し
た(図9における(A)参照)。次に、熱酸化によって
トレンチ内部に厚さ約5000ÅのSiO2 からなる酸
化膜14を形成した(図9における(B)参照)。この
とき、CVD法によって酸化膜14を形成してもよい。
【0079】次に、トレンチ底面の酸化膜をRIEによ
ってエッチングし除去して、Si基板11を露出させた
(図9における(C)参照)。
【0080】次に前述のDMAHと水素を用いたCVD
法によってAlを選択的に堆積し、トレンチ内に内柱状
の第1蓄積電極としてのAl層15を形成した(図10
における(A)参照)。
【0081】次にフッ酸によって酸化膜14を全部除去
し、ひき続いてCVD法によってウエハ表面全体に第2
蓄積電極としてのAl層16を堆積した(図10におけ
る(B)参照)。このとき第1蓄積電極の表面にも第2
蓄積電極のAl層が堆積する。
【0082】次に、ウエハ全体を過酸化水素水(H2
2 :H2 O=1:1)に浸漬してAl層16の表面に厚
さ約30Åの絶縁体層としてのAl23 膜17を形成
した(図10における(C)参照)。このときAlを酸
素プラズマで処理するなど、他の方法でAl23 膜1
7を形成しても良い。
【0083】次に、Al23 膜17の上にCVD法に
よってAlを堆積し、上部電極18を形成して本発明に
かかるキャパシタを有する半導体装置を得た(図10に
おける(C)参照)。すなわち、トレンチ側面および底
面より成長させたAl層15および16をそれぞれ第1
および第2の蓄積電極とし、これら2つの電極の間に位
置したAl上部電極18を対向電極とするキャパシタが
得られた。
【0084】なお、上記実施例では、Al23 膜17
を所望の厚さになるように形成したうえで、この上に直
接上部電極18を形成したが、基板を約350℃に加熱
してNH3 ガスとSiH4 ガスを用いたCVD法によっ
てAl23 膜17の上に第2の絶縁体層としての窒化
シリコン膜を例えば厚さ約100Å堆積し、さらにCV
D法によって窒化シリコン膜上に上層のAlを堆積し上
部電極18を形成してもよい。
【0085】上記2つの実施例においてはトレンチ底部
より成長させたAl領域を蓄積電極として利用できるた
め、従来のトレンチキャパシタと比較した場合、同寸法
のトレンチ中に約2倍のキャパシタ面積を実現すること
ができる。
【0086】さらに、従来のトレンチキャパシタでは、
電極間の絶縁物質として比誘電率3.9のSiO2 を用
いていたが、上記実施例のキャパシタによれば、電極間
の絶縁物質として比誘電率10.0のAl23 を用い
ることができるので、絶縁物質が同じ膜厚であれば蓄積
容量に必要な面積を従来の約40%程度に縮小すること
も可能である。
【0087】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型でも大静電容量を有し、かつ平面性に優れた静電容
量素子を高集積度で有する半導体装置を得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体装置の製造方法の一実施例とし
ての製造工程フローの一部を示す模式的断面図である。
【図2】図1に示したフローに次ぐフローの一部を示す
模式的断面図である。
【図3】図1および図2に示したフローに次ぐフローを
示す模式的断面図である。
【図4】本発明による半導体装置の製造方法を適用する
に望ましい製造装置の一例を示す図である。
【図5】本発明による半導体装置の製造方法を適用する
に望ましい製造装置の一例を示す図である。
【図6】本発明による半導体装置の製造方法を適用する
に望ましい製造装置の一例を示す図である。
【図7】本発明による半導体装置の製造方法を適用する
に望ましい製造装置の一例を示す図である。
【図8】本発明による半導体装置の製造方法による配線
層形成の様子を説明するための模式的斜視図である。
【図9】本発明の半導体装置の製造方法の他の実施例と
しての製造工程フローの一部を示す模式的断面図であ
る。
【図10】図9に示したフローに次ぐフローを示す模式
的断面図である。
【図11】従来のトレンチセルを示す模式的断面図であ
る。
【図12】従来のフィン構造セルを示す模式的断面図で
ある。
【符号の説明】
1 半導体基体 2 SiO2 膜 3 n+ 層(導電層:第1蓄積電極) 4a,4b Al23 膜(絶縁体層) 5 ポリSi層(対向電極) 6 Al層(第2蓄積電極) 7 Al層(対向電極) 11 半導体基体 12 SiO2 膜 13 トレンチ 14 SiO2 膜 15 Al層(第1蓄積電極) 16 Al層(第2蓄積電極) 17 Al23 膜(絶縁体層) 18 Al層(対向電極) 21 P型Si基板 22 n+ 層(蓄積電極) 23 絶縁膜 24 ポリSi層(対向電極) 31 P型Si基板 32 ポリSi層(蓄積電極) 33 絶縁膜 34 ポリSi層(対向電極) 310a〜310f ゲートバルブ 311,315 ロードロック室 312 CVD反応室 313 RFエッチング室 314 スパッタ室 316a〜316e 排気系 317 発熱抵抗体 318 基体ホルダ 319 原料ガス導入ライン 319−1 バブラー 320,323 基体ホルダ 321 RFエッチング用電極ライン 322,325 Arガス供給ライン 324a スパッタターゲット材 324 ターゲット電極 326 搬送室 327 アーム 330 ハロゲンランプ 331 保持ツメ 406 Al膜 410 単結晶シリコン基体 402 絶縁膜 403,404 開孔(露出部) 405 Al膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/285 301 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基体に形成されたトレンチの内側
    面および底面の導電層およびトレンチ底部よりトレンチ
    上部に向けて延びるAl層をそれぞれ蓄積電極とし、該
    蓄積電極に近接して形成された電極を対向電極とするキ
    ャパシタを含み、さらに前記蓄積電極としてのAl層は
    アルキルアルミニウムハイドライドと水素を利用したC
    VD法により前記半導体基体上に選択的にAlを成長さ
    せたものであることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 半導体基体にトレンチを形成する工程
    と、 該トレンチの内側面および底面に第1蓄積電極を形成す
    る工程と、 該トレンチの底面に形成された第1蓄積電極の一部から
    トレンチ上部に向けて第2蓄積電極を形成する工程と、 前記第1および第2蓄積電極に絶縁体層を介して対向電
    極の一部からトレンチ上部に向けて第2蓄積電極を形成
    する工程と、 前記第1および第2蓄積電極に絶縁体層を介して対向電
    極を形成する工程とを含み、さらに前記両蓄積電極の形
    成工程のうち、少なくとも前記第2蓄積電極の形成工程
    はAlおよびAlを含む金属をCVD法により成長させ
    て行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記絶縁体層は堆積させたAl層表面を
    酸化処理して形成した酸化アルミニウム膜であることを
    特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記第2蓄積電極の形成工程はアルキル
    アルミニウムハイドライドのガスと水素ガスとを利用し
    たCVD法により行う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。
  5. 【請求項5】 前記アルキルアルミニウムハイドライド
    はジメチルアルミニウムハイドライドであることを特徴
    とする請求項4記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 半導体基体にトレンチを形成する工程
    と、該トレンチの底面の一部からトレンチ上部に向けて
    第1蓄積電極を形成する工程と、トレンチ側面、底面お
    よび第1蓄積電極の表面に、第2蓄積電極を形成する工
    程と、第2蓄積電極に絶縁体層を介して対向電極を形成
    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。
  7. 【請求項7】 前記蓄積電極の形成工程のうち、少なく
    とも前記第1蓄積電極の形成工程は、AlまたはAlを
    含む金属をCVD法により成長させて行うことを特徴と
    する請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  8. 【請求項8】 前記絶縁体層は、前記第2蓄積電極の表
    面を酸化処理して形成した酸化アルミニウム膜であるこ
    とを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記第1蓄積電極の形成工程は、アルキ
    ルアルミニウムハイドライドのガスと水素ガスとを利用
    したCVD法により行うことを特徴とする請求項6記載
    の半導体装置の製造方法。
  10. 【請求項10】 前記アルキルアルミニウムハイドライ
    ドはジメチルアルミニウムハイドライドであることを特
    徴とする請求項9記載の半導体装置の製造方法。
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