JP3233217B2 - 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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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
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    • H10B12/02Manufacture or treatment for one transistor one-capacitor [1T-1C] memory cells
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    • H10B12/0335Making a connection between the transistor and the capacitor, e.g. plug

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特にシリコン酸化膜に接して形成されるド
ープトシリコン膜を有する半導体装置の製造方法に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の製造工程において、不純物
を含んだシリコン膜の形成工程は多岐に及んでいる。例
えばDRAM(ダイナミック・ランダム・アクサス・メ
モリ)ではゲート電極、ビット配線、スタックト・キャ
パシタ等広範囲に用いられており、これらの不純物を含
んだシリコン膜は単層の電極として、あるいは金属シリ
サイド膜との積層膜の電極として用いられている。これ
ら不純物を含んだシリコン膜の形成は従来より、いくつ
かの方法がある。特に代表的なものとして減圧CVD法
により不純物を意図的にドーピングしないアンドープト
多結晶シリコン膜を成長した後、オキシ三塩化リン等の
不純物中で熱処理をして固層拡散する方法や、イオン注
入技術を用いて不純物を打ち込む方法がある。あるいは
アンドープト多結晶シリコン膜ではなく、減圧CVD法
にてそのまま不純物を含んだシリコン膜を通常のバッチ
式の減圧CVD装置を用いて形成する場合、多結晶相の
ような温度(600℃以上)では膜厚や不純物濃度のウ
ェーハ間の均一性が非常に悪いため、非晶質シリコンが
成膜される温度(600℃以下)で形成する方法が一般
的である。非晶質シリコンにて成膜する場合、800℃
以上の熱が成膜した後加わることによって結晶化し、導
電体となる。前者のアンドープトシリコン膜成膜後に不
純物を導入する方法とドープトシリコン膜を成膜する方
法を比較すると、アンドープトシリコン膜に不純物を導
入する方法は、不純物の導入が表面から行われ、ドープ
トシリコン膜はドーピングを行ないながら成膜するとい
う点で異なる。
【0003】近年の益々煩雑になっている半導体製造工
程においては、工程数を少しでも減少させる目的で、ド
ープトシリコン膜を形成する方法が主流になりつつあ
る。
【0004】また近年における半導体装置の各種素子の
高集積化、例えばDRAMの高集積化に伴って必要とな
る容量電極における蓄積電荷容量確保の手段として、例
えばApplied Physics Letters
Vol.61(1992)159−161に示される
ように、表面に微細な凹凸を有するHSG(Hemis
pherical Grained)ポリシリコン膜を
スタック容量電極上に形成することが提案されている。
【0005】このHSGポリシリコン膜を容量電極の表
面に形成する場合には、例えば、あらかじめ容量電極形
状にパターニングされたリンドープアモルファスシリコ
ン膜の表面上の自然酸化膜を希弗酸により除去した後、
これを水洗し、続いて自然酸化膜の再成長が起こらない
ように400℃以下の低温で、しかもあらかじめ超高真
空雰囲気に保たれた炉内において570〜580℃の温
度まで超高真空雰囲気にて加熱する。その後、この温度
でSiH4、又はSi26ガスを10〜20SCCMの
流量で数分間炉内に導入し、リンドープアモルファスシ
リコン膜上にHSGの核形成(核付け)を行い、更にガ
ス導入を停止して数分間熱処理(ポストアニール)す
る。この処理によりリンドープアモルファスシリコン膜
の表面上にHSGポリシリコン膜が形成される。
【0006】以下に従来のリンープシリコン膜を用いた
DRAMの製造方法について図4及び図5を参照して説
明する。
【0007】P型シリコン基板301の表面の素子分離
領域にフィールド酸化膜302を形成し、フィールド酸
化膜で覆われていないシリコン基板上にゲート酸化膜を
形成する。ゲート酸化膜上及びフィールド酸化膜上に、
ワード線を兼ねるゲート電極303を形成した後、イオ
ン注入法等により、容量用拡散層304及びビット線用
拡散層305を形成する。次にCVD(Chemical Vapor
Deposition:化学気相成長)法により酸化シリコン系
の絶縁膜306を堆積した後、ビット線307を形成す
る。更にシリコン酸化膜系の絶縁膜308を堆積した
後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクとしてn型
拡散層304の表面を露出させるコンタクトホール30
9を開口する(図4(a))。
【0008】次に、例えばPH3、SiH4及びN2の混
合ガスを原料とするLPCVD(LowPressure CVD:減
圧気相成長)法により、リンドープアモルファスシリコ
ン膜310を600〜700nm程度堆積する(図4
(b))。この時の成膜条件は、目的とするリン濃度を
1E20atoms/cm3とするとSiH4ガス160
0sccm、PH3ガス30〜35sccm、成膜圧力
0.7〜0.8Torrであり、ガス流量は成膜時間内
ほぼ一定である。成膜時のガスシーケンスに関しては、
特開平9−69521号公報に示されるようなSiH4
ガスを先に流してからPH3ガスを流し始める方法でも
同時に流し始める場合のどちらでも良い。どちらにして
もPH3ガスの流量は濃度を膜中で変える必要がない限
りは成膜中ほぼ一定である。
【0009】次にフォトレジスト膜を塗布して露光・現
像しパターニングを行う(図4(c))。
【0010】次にフォトレジスト311をマスクとして
リンドープシリコン膜310をスタック容量電極312
形状にドライエッチングを行う(図5(a))。
【0011】最後に希弗酸溶液によって膜表面の自然酸
化膜除去後、HSG化を行ってリンドープトシリコン膜
表面を凹凸化(SHG313)して下部電極を完成させ
る(図5(b))。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の成
膜方法では、成膜初期の段階ではリンが取り込まれにく
いため、下地シリコン酸化膜との界面付近においてリン
濃度が低くなるという現象が起こる。HSG工程以外の
場合は成膜後に熱処理がかかるためにその界面付近の低
濃度部は上部より拡散されて平均化され問題とはならな
いが、HSG電極を形成する場合にはアモルファス状態
で処理が行われるため以下のようなことが起こる。
【0013】HSGはシリコン原子のマイグレーション
であるため、マイグレーションを阻害するリンの濃度が
低いほどその速度も増大する。従って、界面付近のリン
ドープシリコン膜はマイグレーション速度が大きくな
る。つまり、前処理の際の付着物等により電極間の下地
シリコン酸化膜上の選択性が崩れて核付けがされた場
合、図5(c)のように界面付近のシリコン原子のマイ
グレーション速度が大きいために電極間がつながり、シ
ョートを起こす可能性がある。
【0014】従って本発明の解決すべき課題は、下地シ
リコン酸化膜−ドープシリコン膜界面におけるシリコン
原子のマイグレーションを抑えることである。
【0015】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明では、成膜初期においてPH3ガスの流量を
通常の目的とする成膜条件の流量よりも高くすることで
リン濃度を上げている。さらに上述の課題は界面のみで
あるため一定時間経過後には徐々にPH3流量を設定流
量まで減少させ、膜中の深さ方向のでのリン濃度均一性
を向上させている。
【0016】即ち本発明は、シリコン酸化膜と接して形
成されるドープトシリコン膜を有する半導体装置の製造
方法において、該ドープトシリコン膜を、目的とする不
純物濃度成膜条件よりも不純物ガスを高い流量により成
膜する工程と、目的とする不純物濃度成膜条件まで不純
物ガスを徐々に減少させながら成膜する工程と、目的と
する不純物濃度成膜条件で成膜する工程とを含み、
(1)前記目的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物
ガスを高い流量により成膜する工程においては、成膜ガ
スよりも不純物ガスの方を先に成膜雰囲気中に導入す
る、(2)前記目的とする不純物濃度成膜条件よりも不
純物ガスを高い流量により成膜するドープトシリコン膜
厚が5nm以下である、又は(3)前記目的とする不純
物濃度成膜条件よりも不純物ガスを高い流量により成膜
する工程においては、成膜ガスよりも不純物ガスの方を
先に成膜雰囲気中に導入し、且つ該工程により成膜する
ドープトシリコン膜厚が5nm以下であることを特徴と
する半導体装置の製造方法に関するものである。
【0017】
【実施例】実施例1 以下に本発明のリンドープシリコン膜を用いたDRAM
の製造方法について図1及び図2の工程断面図を参照し
て説明する。
【0018】P型シリコン基板101の表面の素子分離
領域にフィールド酸化膜102を形成し、フィールド酸
化膜で覆われていないシリコン基板上にゲート酸化膜を
形成する。ゲート酸化膜上及びフィールド酸化膜上に、
ワード線を兼ねるゲート電極103を形成した後、イオ
ン注入法等により、容量用拡散層104及びビット線用
拡散層105を形成する。次にCVD法により酸化シリ
コン系の絶縁膜106を堆積した後、ビット線107を
形成する。更にシリコン酸化膜系の絶縁膜108を堆積
した後、フォトレジスト膜(図示せず)をマスクとして
n型拡散層1045の表面を露出させるコンタクトホー
ル109を開口する(図1(a))。
【0019】次に、例えばPH3、SiH4及びN2の混
合ガスを原料とするLPCVD法により、リンドープア
モルファスシリコン膜110aを600〜700nm程
度堆積する(図1(b))。この時のPH3流量は目的
とするリン濃度に用いる条件の倍である60〜70sc
cmとする。一定時間、たとえば、10秒程度経過後に
SiH4ガスを1600sccm流し始める。更に30
秒程度経過後にPH3ガスの流量を徐々に30〜35s
ccmまで減少させていき(その間に成膜される膜をリ
ンドープトシリコン膜110bと呼ぶ)、そのまま積算
600〜700nm程度までリンドープトシリコン膜1
10cを堆積する。成膜時のガスシーケンスを図3に示
す。
【0020】次にフォトレジスト膜を塗布して露光・現
像しパターニングを行う(図1(c))。
【0021】次にフォトレジスト111をマスクとして
リンドープトシリコン膜をスタック容量電極112の形
状にドライエッチングを行う(図2(a))。
【0022】最後に希弗酸溶液によって膜表面の自然酸
化膜除去後HSG化を行ってリンドープトシリコン膜表
面を凹凸化(HSG113)して下部電極を完成させる
(図2(b))。
【0023】本発明はゲート電極、ビット配線、DRA
Mの上部電極などのシリコン酸化膜に接して形成される
ドープトシリコン膜を用いる工程に同様に用いることが
可能である。又、上記の説明では不純物ガスとしてフォ
スフィンガス(PH3)などの燐を含むガスについての
み説明したが、その他、砒素やボロンを含むガスを使用
することも可能である。
【0024】
【発明の効果】本発明を用いることにより、下地シリコ
ン酸化膜−リンドープトシリコン膜界面における低濃度
領域がなくなるため、HSG電極形成時のシリコンマイ
グレーションによるショートを大幅に抑制することが可
能である。また他工程においても拡散層と接続する場合
などは多少ながらも拡散層からプラグへのリンの拡散を
抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造工程の断面模式図である。
【図2】本発明の製造工程の断面模式図である。
【図3】本発明の成膜ガスシーケンスである。
【図4】従来の製造工程の断面模式図である。
【図5】従来の製造工程の断面模式図である。
【符号の説明】
101,301 P型シリコン基板 102,302 フィールド酸化膜 103,303 ゲート電極 104,304 容量用拡散層 105,305 ビット線用拡散層 106,108,306,308 層間絶縁膜 107,308 ビット線 109,309 コンタクトホール 110,310 リンドープトシリコン膜 111,311 フォトレジスト

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン酸化膜と接して形成されるドー
    プトシリコン膜を有する半導体装置の製造方法におい
    て、該ドープトシリコン膜を、シリコン酸化膜界面で目
    的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物ガスを高い流
    量により成膜する工程と、目的とする不純物濃度成膜条
    件まで不純物ガスを徐々に減少させながら成膜する工程
    と、目的とする不純物濃度成膜条件で成膜する工程とを
    み、前記目的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物
    ガスを高い流量により成膜する工程においては、成膜ガ
    スよりも不純物ガスの方を先に成膜雰囲気中に導入する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 シリコン酸化膜と接して形成されるドー
    プトシリコン膜を有する半導体装置の製造方法におい
    て、該ドープトシリコン膜を、シリコン酸化膜界面で目
    的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物ガスを高い流
    量により成膜する工程と、目的とする不純物濃度成膜条
    件まで不純物ガスを徐々に減少させながら成膜する工程
    と、目的とする不純物濃度成膜条件で成膜する工程とを
    み、前記目的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物
    ガスを高い流量により成膜するドープトシリコン膜厚が
    5nm以下であることを特徴とする半導体装置の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 シリコン酸化膜と接して形成されるドー
    プトシリコン膜を有する半導体装置の製造方法におい
    て、該ドープトシリコン膜を、シリコン酸化膜界面で目
    的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物ガスを高い流
    量により成膜する工程と、目的とする不純物濃度成膜条
    件まで不純物ガスを徐々に減少させながら成膜する工程
    と、目的とする不純物濃度成膜条件で成膜する工程とを
    み、前記目的とする不純物濃度成膜条件よりも不純物
    ガスを高い流量により成膜する工程においては、成膜ガ
    スよりも不純物ガスの方を先に成膜雰囲気中に導入し、
    且つ該工程により成膜するドープトシリコン膜厚が5n
    m以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】 減圧CVDで前記ドープトシリコン膜を
    成長することを特徴とする請求項1から3のいずれか1
    項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 成膜ガス及び不純物ガスとしてそれぞれ
    シランガス及び、燐、ボロンまたは砒素を含むガスを使
    用することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項
    に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記目的とする不純物濃度成膜条件より
    も不純物ガスを高い流量により成膜する工程において、
    不純物ガス流量は目的とする不純物濃度成膜条件の少な
    くとも2倍以上であることを特徴とする請求項1から5
    のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記ドープトシリコン膜が半導体装置
    のキャパシタ部の容量電極を構成するものである請求項
    1から6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方
    法。
  8. 【請求項8】 前記容量電極表面にシリコン原子のマイ
    グレーションによる微小な凹凸を形成する工程を有する
    請求項7に記載の半導体装置の製造方法。
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