JP3487407B2

JP3487407B2 - コンデンサの製造方法

Info

Publication number: JP3487407B2
Application number: JP07378098A
Authority: JP
Inventors: 國泰黄; 文益謝; 文冠葉; 萃蓉游
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-03-23
Publication date: 2004-01-19
Anticipated expiration: 2018-03-23
Also published as: JPH11191612A; TW357430B; US6057189A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路（Ｉ
Ｃ）の製造に関し、特にコンデンサの製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば２５６ＭＢまたはそれ以上の記憶
容量を持つダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）のような高
度の集積メモリ装置は、スタック型コンデンサまたはト
レンチ型コンデンサのような三次元キャパシタンス構造
を実現するために、非常に薄い誘電層を使用しなければ
ならない。これらのメモリ装置は、ソフト・エラーを防
止するために十分な記憶電荷を持っていなければならな
い。上記誘電層は、通常、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶ
Ｄ）法により酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）から作られ
る。酸化タンタルの誘電率は、酸化物の誘電率より大き
い。酸化タンタルは約２５の誘電率を持ち、優れたステ
ップ・カバー能力を持つ。

【０００３】欠陥の数が誘電層形成プロセス中のアニー
ル温度に反比例すること、誘電層の性質はアニール温度
に正比例することは周知である。しかし、自然の酸化物
の層が高温アニールプロセス中に誘電層と底部電極との
間の界面に形成される。それ故、以降のプロセス中に形
成される上記誘電層の誘電率は、自然の酸化物の層の形
成により低下し、コンデンサの容量は、低下した誘電率
により低下する。反対に、低温アニールプロセスにおい
ては、欠陥の数は、低温によって大きく減少しないが、
誘電層の品質は、この低温により低下する。

【０００４】従来、半球形粒状シリコン（ＨＳＧ）層
は、底部電極の表面積を増大するために形成されてきた
が、ＨＳＧ層の表面が尖った状態になる。それ故、以降
のプロセスで誘電層が形成されるとき、誘電層の表面が
尖ってくる。それ故、誘電層の尖った表面により漏洩電
流が生じる。

【０００５】図２（Ａ）から図２（Ｄ）は、従来の方法
によるコンデンサ構造体の製造の具合を示す断面図であ
る。図２（Ａ）について説明すると、コンデンサ構造体
は、導電層１０を持つ。導電層１０は、半導体の基板構
造体（図示せず）上の、トランジスタのソース／ドレイ
ン領域を接続する働きをする。他の装置構造体は、既に
基板構造体上に形成されている。図面を簡単にするた
め、また従来の方法の特徴を強調するために、基板構造
体は図示していない。導電層１０は、例えばＬＰＣＶＤ
法で形成される。例えば導電層１０は、ドーピングした
ポリシリコンから作られる。さらに、導電層１０は、コ
ンデンサの底部電極として使用される。

【０００６】その後、ＨＳＧ層１２が導電層１０の表面
上に形成される。ＨＳＧ層１２は、例えば反応ガスとし
てＳｉＨ₄およびＳｉ₂Ｈ₆を使用して形成され、アモ
ルファスシリコンの形成温度とポリシリコンの形成温度
との間の温度で行われる。アニールプロセスは、ＨＳＧ
層１２の品質を改善するために行われる。しかし、自然
の酸化物の薄い層１３がアニールプロセス中にＨＳＧ層
１２の上に形成され、以降のプロセスによって形成され
る誘電層の誘電率はこの自然の酸化物の層１３により低
下する。それ故、自然の酸化物の層１３は、以降のプロ
セス中で除去される。

【０００７】図２（Ｂ）について説明すると、ＨＳＧ層
１２上の自然の酸化物の層１３は、希釈したフッ化水素
（ＨＦ）溶液により除去される。その後で、シリコン・
オキシニトライド（ＳｉＯ_xＮ_y）の薄い層１４が、Ｈ
ＳＧ層１２上に急速熱プロセス（ＲＴＰ）により形成さ
れる。ＲＴＰプロセスは、高温で窒素を使用して行われ
るので、その結果、窒化反応が起こり、シリコン・オキ
シニトライド層１４が形成される。ＨＳＧ層１２のシリ
コン原子は、ＲＴＰプロセスにより窒素ガスと反応す
る。シリコン・オキシニトライド層１４は、以降の熱プ
ロセス中に自然酸化物が形成されるのを防止するための
バリヤ層として使用される。

【０００８】図２（Ｃ）について説明すると、酸化タン
タル層１６が例えばＬＰＣＶＤ法によりシリコン・オキ
シニトライド層１４の表面上に形成される。ＬＰＣＶＤ
法は、Ｔａ（ＯＣ₂Ｈ₃）化合物を使用して約３６０〜
４８０℃の温度で実行される。その後、酸化タンタル層
１６の密度を高めるために、アニールプロセスが行われ
る。このアニールプロセスは、乾いた酸素ガスまたは窒
素ガスを使用して行われ、その後、約７００〜９５０℃
の温度まで加熱される。酸化タンタル層１６は、コンデ
ンサに対する誘電層として使用される。従来の方法によ
って形成されたシリコン・オキシニトライド層１４によ
っては、自然酸化物の層の形成は有効には防止されな
い。それ故、自然酸化物の層１８が、アニールプロセス
中に酸化タンタル層１６とシリコン・オキシニトライド
層１４の間の界面に形成される。それ故、誘電層の誘電
率およびコンデンサの容量が、自然酸化物の層１８によ
り低下する。

【０００９】さらに、図２（Ｃ）は、ＨＳＧ層１２の表
面および酸化タンタル層１６の表面が、領域１９で尖っ
ていることを示す。これにより、領域１９で漏洩電流が
発生する。

【００１０】図２（Ｄ）について説明すると、例えばス
パッタ法により、酸化タンタル層１６の表面上に窒化タ
ンタル（ＴｉＮ）からなる頂部電極層２０が形成され
る。この後で、コンデンサを完全に形成するために、従
来のプロセスが実行される。従来のプロセスは、当業者
にとっては周知であるので、詳細な説明は省略する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法によって形
成されたシリコン・オキシニトライド層１４によって
は、自然の酸化物の層１８の形成は有効には防止されな
い。それ故、誘電層の誘電率およびコンデンサの容量
は、この自然酸化物層１８により低下する。アニール温
度は、自然酸化物層１８の形成により制限される。その
ため、誘電層の品質は劣化する。さらに、誘電層の尖っ
た表面により、コンデンサに漏洩電流が発生する。

【００１２】それ故、本発明の目的は、誘電層の品質を
改善し、かつアニール温度を高くするために自然酸化物
の形成を防止し、しかもコンデンサの漏洩電流の発生を
防止することができるコンデンサの製造方法を提供する
ことである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
めに本発明は、半導体基板上に導電層を形成するステッ
プと、前記導電層の上に半球形粒状シリコン層を形成す
るステップと、バリヤ層に変換するためのイオンを前記
半球形粒状シリコン層内にイオン注入法を使用して注入
するステップと、熱処理プロセスを実行して前記半球形
粒状シリコン層上にバリヤ層に形成するステップと、前
記バリヤ層の表面を清掃するために湿式エッチング・プ
ロセスを実行するステップと、前記バリヤ層上に誘電層
を形成するステップと、前記誘電層上に頂部電極を形成
するステップとを具備することを特徴とするコンデンサ
の製造方法とする。

【００１４】また、本発明は、半導体基板上に導電層を
形成するステップと、バリヤ層に変換するためのイオン
を前記導電層内にイオン注入法を使用して注入するステ
ップと、熱処理プロセスを実行して前記導電層上にバリ
ヤ層を形成するステップと、前記バリヤ層の表面を清掃
するために湿式エッチング・プロセスを実行するステッ
プと、前記バリヤ層上に誘電層を形成するステップと、
前記誘電層上に頂部電極を形成するステップとを具備す
ることを特徴とするコンデンサの製造方法とする。

【００１５】以上のような本発明の第一の特徴は、バリ
ヤ層に変換するためのイオンを半球形粒状シリコン層
（または導電層）内に注入すること、そして熱処理プロ
セスを実行することにより、半球形粒状シリコン層（ま
たは導電層）の表面上にバリヤ層を形成することであ
る。これによりバリヤ層の品質が向上し、誘電層の形成
ステップ中、自然の酸化物の形成がバリヤ層により防止
される。それ故、誘電層の誘電率およびコンデンサの容
量が増大する。本発明の第二の特徴は、バリヤ層の品質
の向上により、アニールプロセス中にバリヤ層によって
自然の酸化物の形成が防止されることである。よって、
アニール温度を上げて、誘電層の品質を改善することが
できる。本発明の第三の特徴は、上述のようなバリヤ層
の形成法とすることにより、半球形粒状シリコン層を形
成する方法においても表面がバリヤ層の表面で平滑とな
り、以降のプロセス中に形成された誘電層に尖った表面
が形成されるのを防止することができることである。そ
れ故、コンデンサ内の漏洩電流の発生が防止され、誘電
層の品質が改善される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明によるコンデンサの製
造方法の実施の形態を図１（Ａ）ないし図１（Ｃ）を参
照して詳細に説明する。図１（Ａ）について説明する
と、導電層３０が設けられていて、この導電層３０は、
半導体基板構造体（図示せず）上のトランジスタのソー
ス／ドレイン領域を接続する働きをしている。他の装置
構造体は、すでに基板構造体上に形成されている。図面
を簡単にするため、また本発明の方法の特徴を強調する
ために、基板構造体は図示していない。例えば、ドーピ
ングしたポリシリコンからなる導電層３０は、例えばＬ
ＰＣＶＤ法で形成することができる。さらに、導電層３
０は、コンデンサの底部電極として使用される。

【００１７】その後、ＨＳＧ層３２が導電層３０の表面
上にＬＰＣＶＤ法によって形成される。例えばＨＳＧ層
３２は、反応ガスとしてＳｉＨ₄およびＳｉ₂Ｈ₆を使
用して形成され、その形成は、アモルファスシリコンの
形成温度とポリシリコンの形成温度との間の温度で行わ
れる。アニールプロセスは、ＨＳＧ層３２の品質を改善
するために行われる。

【００１８】その後、窒素イオンがイオン注入法により
ＨＳＧ層３２内に注入される。このイオン注入法で使用
される電圧は１０〜３０ＫｅＶであり、イオン濃度は５
×１０¹⁴から５×１０¹⁵／ｃｍ²である。その後、シリ
コン・オキシニトライドまたは窒化シリコンのような薄
いバリヤ層３４がＨＳＧ層３２上に急速熱プロセス（Ｒ
ＰＴ）により形成される。ＲＰＴプロセスは、高温で一
酸化窒素（Ｎ₂Ｏ）または酸素ガスを使用して行われ、
バリヤ層３４を形成するために窒化反応が行われる。こ
の場合、ＨＳＧ層３２のシリコン原子は、このＲＴＰプ
ロセス中に周囲のガスと反応する。このバリヤ層３４
は、周囲の酸素原子とＨＳＧ層３２のシリコン原子との
間の相互作用を防止するために使用される。上記バリヤ
層３４は、ＨＳＧ層３２に窒素イオンを直接注入するこ
とを用いて形成される。それ故、バリヤ層３４は、窒素
原子のモル濃度を、バリヤ層３４の分子式の酸素原子の
モル濃度より遥かに大きくすることができる。

【００１９】ＨＳＧ層３２の欠陥の数は、前記ＲＴＰプ
ロセスにより少なくなり、それによりＨＳＧ層３２の品
質が改善される。領域３５では、本発明のバリヤ層３４
の形成方法により、バリヤ層３４の表面で表面が平滑に
なり、それにより以降のプロセスで形成される誘電層を
通しての漏洩電流の発生が防止される。しかし、自然の
酸化物の薄い層３３がＲＴＰプロセス中にバリヤ層３４
の表面上に形成される。この自然の酸化物の層３３によ
り、以降のプロセスで形成される誘電層の誘電率が低下
する。この自然の酸化物の層３３は、誘電層の誘電率の
低下を避けるために、以降のプロセスで除去される。

【００２０】図１（Ｂ）について説明すると、バリヤ層
３４は、例えば希釈したフッ化水素溶液を使用して湿式
エッチング法により清掃される。バリヤ層３４の表面上
の自然の酸化物の層３３は、上記湿式エッチング・プロ
セス中に除去される。

【００２１】その後、例えば窒素原子濃度を高めるため
の窒化反応を行うために、ＲＴＰプロセスが高温で窒素
ガス（Ｎ₂）を使用してもう一回行われる。このＲＴＰ
プロセスは、バリヤ層３４のバリヤ効果を高めるために
行われる。本発明の場合には、自然の酸化物の層３３が
除去された後で、ＲＴＰプロセスを実行することがで
き、また必要ない場合には実行しないでもよいという点
に注目することが重要である。

【００２２】図１（Ｃ）について説明すると、酸化タン
タルからなる誘電層３６がＬＰＣＶＤ法によりバリヤ層
３４の表面上に形成される。ＬＰＣＶＤ法は、Ｔａ（Ｏ
Ｃ₂Ｈ₅）₅化合物を使用して行われ、約３６０〜４８
０℃の温度で実行される。その後、誘電層３６の密度を
濃くするために、アニールプロセスが実行される。この
アニールプロセスは、乾いた酸素ガスまたは窒素ガスを
使用して行われ、約７００〜９５０℃の温度で実行され
る。本発明のコンデンサの製造方法によれば、自然の酸
化物の生成がバリヤ層３４により効果的に防止される。
それ故、アニール温度を高くすることができ（８５０℃
以上）、誘電層３６の品質が向上し、自然の酸化物の形
成が防止される。

【００２３】最後に、窒化チタニウムからなる頂部電極
３８の層が例えばスパッタ法により誘電層３６の表面上
に形成される。その後、コンデンサを完全に形成するた
めの従来のプロセスが行われる。この従来のプロセス
は、当業者にとっては周知であるので、詳細な説明はこ
こでは省略する。

【００２４】好適な実施の形態により本発明を説明して
きたが、本発明が上記好適な実施の形態に限定されるも
のでないことを理解されたい。本発明の他の好適な実施
の形態について以下に説明する。この好適な実施の形態
においては、ＨＳＧ層３２は形成されない。導電層が形
成された後に、ＨＳＧ層３２の形成ステップが実行され
ない。その代わりに、イオンが直接導電層３０内に注入
される。バリヤ層３４が導電層３０の表面上に形成され
る。このバリヤ層３４は、シリコン・オキシニトライド
または窒化シリコンからなる。その後、コンデンサを完
全に形成するために、図１（Ｂ）から図１（Ｃ）に示し
たのと同じプロセスが実行される。

【００２５】本発明の第一の特徴は、イオンがＨＳＧ層
３２（または導電層３０）内に直接注入されること、そ
して、ＲＴＰプロセスが実行されることにより、ＨＳＧ
層３２（または導電層３０）の表面上にバリヤ層３４が
形成されることである。これによりバリヤ層３４の品質
が向上し、誘電層３６の形成ステップ中、自然の酸化物
の形成がバリヤ層３４により防止される。それ故、誘電
層３６の誘電率およびコンデンサの容量が増大する。本
発明の第二の特徴は、バリヤ層３４の品質の向上によ
り、アニールプロセス中にバリヤ層３４によって自然の
酸化物の形成が防止されることである。よって、アニー
ル温度を高くすることができ、それにより誘電層３６の
品質を改善することができる。本発明の第三の特徴は、
上述のようなバリヤ層３４の形成法とすることにより、
ＨＳＧ層３２を形成する方法においても表面をバリヤ層
３４の表面で平滑にすることができ、それにより以降の
プロセス中誘電層３６の上に尖った表面が形成されるの
を防止することができることである。それ故、コンデン
サ内における漏洩電流の発生を防止することができ、誘
電層３６の品質が改善される。

【００２６】好適な実施の形態により本発明を説明して
きたが、本発明が上記好適な実施の形態に限定されるも
のでないことを理解されたい。それどころか、本発明
は、種々の修正および類似の装置および手順もカバーす
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるコンデンサの製造方法の実施の形
態を示す断面図。

【図２】従来のコンデンサの製造方法を示す断面図。

【符号の説明】

３０導電層３２ＨＳＧ層（半球形粒状シリコン層）３４バリヤ層３６誘電層３８頂部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者謝文益台湾新竹市光復路二段298巷９弄５號３樓 (72)発明者葉文冠台湾竹北市華興一街43巷12號 (72)発明者游萃蓉台湾新竹縣竹東鎮北興路三段512號７樓

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上に導電層を形成するステッ
プと、前記導電層の上に半球形粒状シリコン層を形成するステ
ップと、バリヤ層に変換するための窒素イオンを前記半球形粒状
シリコン層内にイオン注入法を使用して注入するステッ
プと、熱処理プロセスを実行して前記注入された窒素イオンに
より前記半球形粒状シリコン層上の全面にバリヤ層を形
成するステップと、前記バリヤ層の表面を清掃するために湿式エッチング・
プロセスを実行するステップと、前記バリヤ層上に酸化タンタルからなる誘電層を形成す
るステップと、前記誘電層の密度を濃くするためにアニールプロセスを
８５０〜９５０℃の温度で実行するステップと、前記誘電層上に頂部電極を形成するステップとを具備す
ることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、湿式エッチング・プロセスを行うステップ
と、誘電層を形成するステップとの間に窒素ガスを使用
して急速熱プロセスの実行を有することを特徴とするコ
ンデンサの製造方法。
【請求項３】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、導電層を形成するための方法は減圧化学気相
成長法であることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項４】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、半球形粒状シリコン層を形成するための方法
は減圧化学気相成長法であることを特徴とするコンデン
サの製造方法。
【請求項５】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、イオン注入法は１０〜３０ＫｅＶのエネルギ
ーを持つことを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項６】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、窒素イオンは５×１０¹⁴〜５×１０¹⁵／ｃｍ
² の濃度を持つことを特徴とするコンデンサの製造方
法。
【請求項７】請求項１に記載のコンデンサの製造方法
において、バリヤ層を形成するための熱処理プロセスは
急速熱プロセスであることを特徴とするコンデンサの製
造方法。
【請求項８】請求項７に記載のコンデンサの製造方法
において、急速熱プロセスは一酸化窒素ガスを使用して
行われることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項９】請求項７に記載のコンデンサの製造方法
において、急速熱プロセスは酸素ガスを使用して行われ
ることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１０】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、湿式エッチング・プロセスは希釈したフッ
化水素溶液を使用して行われることを特徴とするコンデ
ンサの製造方法。
【請求項１１】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、誘電層を形成するための方法は減圧化学気
相成長法であることを特徴とするコンデンサの製造方
法。
【請求項１２】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、頂部電極を形成する方法はスパッタ法であ
ることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１３】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、頂部電極は窒化チタニウムを含むことを特
徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１４】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、導電層はドーピングされたポリシリコンを
含むことを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１５】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、バリヤ層はシリコン・オキシニトライドを
含むことを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１６】請求項１に記載のコンデンサの製造方
法において、バリヤ層は窒化シリコンを含むことを特徴
とするコンデンサの製造方法。
【請求項１７】半導体基板上にドーピングされたポリ
シリコンからなる導電層を形成するステップと、バリヤ層に変換するための窒素イオンを前記導電層内に
イオン注入法を使用して注入するステップと、熱処理プロセスを実行して前記注入された窒素イオンに
より前記導電層上の全面にバリヤ層を形成するステップ
と、前記バリヤ層の表面を清掃するために湿式エッチング・
プロセスを実行するステップと、前記バリヤ層上に酸化タンタルからなる誘電層を形成す
るステップと、前記誘電層の密度を濃くするためにアニールプロセスを
８５０〜９５０℃の温度で実行するステップと、前記誘電層上に頂部電極を形成するステップとを具備す
ることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項１８】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、湿式エッチング・プロセスを行うステッ
プと、誘電層を形成するステップとの間に窒素ガスを使
用して急速熱プロセスの実行を有することを特徴とする
コンデンサの製造方法。
【請求項１９】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、導電層を形成するための方法は減圧化学
気相成長法であることを特徴とするコンデンサの製造方
法。
【請求項２０】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、イオン注入法は１０〜３０ＫｅＶのエネ
ルギーを持つことを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２１】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、窒素イオンは５×１０¹⁴〜５×１０¹⁵／
ｃｍ² の濃度を持つことを特徴とするコンデンサの製造
方法。
【請求項２２】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、バリヤ層を形成するための熱処理プロセ
スは急速熱プロセスであることを特徴とするコンデンサ
の製造方法。
【請求項２３】請求項２２に記載のコンデンサの製造
方法において、急速熱プロセスは一酸化窒素ガスを使用
して行われることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２４】請求項２２に記載のコンデンサの製造
方法において、急速熱プロセスは酸素ガスを使用して行
われることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２５】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、湿式エッチング・プロセスは希釈したフ
ッ化水素溶液を使用して行われることを特徴とするコン
デンサの製造方法。
【請求項２６】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、誘電層を形成するための方法は減圧化学
気相成長法であることを特徴とするコンデンサの製造方
法。
【請求項２７】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、頂部電極を形成する方法はスパッタ法で
あることを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２８】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、頂部電極は窒化チタニウムを含むことを
特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項２９】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、バリヤ層はシリコン・オキシニトライド
を含むことを特徴とするコンデンサの製造方法。
【請求項３０】請求項１７に記載のコンデンサの製造
方法において、バリヤ層は窒化シリコンを含むことを特
徴とするコンデンサの製造方法。