JP3595175B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置およびその製造方法に係り、特に、トレンチキャパシタを有する半導体装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
トレンチ内に形成される埋込み電極として、不純物を含む多結晶シリコンを用いることが出来る。トレンチ側壁が垂直に近い場合、または間口に対し内部が膨らんだボトル型構造のトレンチの場合には、不純物を含む多結晶シリコンの埋込み後に、埋め込まれた多結晶シリコン内部に空隙(seam)が生じることがある。その後、不純物を活性化させるために、熱工程が施されるが、その際、Si原子が流動(マイグレート)し、再結晶化過程において、表面張力により局所的に凝集する現象が観測される。このSiの流動現象が生じると、トレンチ内側壁に形成されたキャパシタ絶縁膜表面に、多結晶シリコン膜が形成されない部位 (空孔)が発生し、キャパシタンスの減少、キャパシタ絶縁膜の劣化をもたらしてしまう。
【0003】
図7は、従来の方法によりトレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコン膜の熱処理前後の状態を示す断面図である。図7(a)が熱処理前、図7(b)が熱処理後の状態をそれぞれ示す。図7(a)において、シリコン基板10に、側壁が垂直なトレンチ11を形成した後、トレンチ11の内面にキャパシタ絶縁膜12を形成し、次いで、内面にキャパシタ絶縁膜12が形成されたトレンチ11内に、不純物を含む多結晶シリコン13を埋め込む。
【0004】
従来の技術では、トレンチ11の上部に比べ、トレンチ11の下部における多結晶シリコンの成膜レートが低くなる現象が見られ、多結晶シリコン13の埋め込み後、埋め込まれた多結晶シリコン13の中央部に空隙14が生じてしまう。
【0005】
その後、熱処理を行うと、Si原子が流動し、局所的に凝集して再結晶化する 現象が見られる。この場合、キャパシタ絶縁膜12の表面に多結晶シリコンが形成されない部位15が発生し、その結果、キャパシタンスの低下、電界集中による絶縁膜の信頼性の劣化を招いてしまう。
【0006】
図8に示すように、シリコン基板20に、間口に対し内部が膨らんだボトル型構造のトレンチ21を形成し、その内面にキャパシタ絶縁膜22を形成した場合も同様であり、特に埋め込まれた多結晶シリコン膜23の中央部における空隙24の発生が顕著であり、そのため、多結晶シリコンが形成されない部位25が広範囲に発生してしまう。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記事情の下になされ、空隙の発生がなく、キャパシタンスの低下や絶縁膜の信頼性の劣化のないトレンチキャパシタを有する半導体装置を提供することを目的とする。
【0008】
本発明の他の目的は、空隙の発生がなく、キャパシタンスの低下や絶縁膜の信 頼性の劣化のないトレンチキャパシタを有する半導体装置の製造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】
上記課題を解決するため、本発明は、トレンチ溝を有する半導体基板と、前記 トレンチ溝の内面に形成されたキャパシタ絶縁膜と、前記内面にキャパシタ絶縁膜が形成された前記トレンチ溝内に埋め込まれた不純物を含む導電性材料からなるキャパシタ電極とを備え、前記キャパシタ電極を構成する導電性材料は、トレンチ上部の部分よりもトレンチ下部の部分のほうが低い不純物濃度であるような濃度勾配を有することを特徴とする、トレンチキャパシタを有する半導体装置を提供する。
【0010】
また、本発明は、半導体基板にトレンチ溝を形成する工程と、前記トレンチ溝の内面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、成膜材料ガスとドーパントガスとを用いたCVD法を、前記半導体基板を2000rpm以上の回転速度で回転させつつ行うことにより、前記内面にキャパシタ絶縁膜が形成された前記トレンチ溝内に不純物を含む導電性材料を埋め込み、トレンチ上部の部分よりもトレンチ下部の部分のほうが低い不純物濃度のキャパシタ電極を形成する工程とを具備することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0011】
本発明の骨子は、特に、高アスペクト比のトレンチ内に、不純物、例えばAsまたはPを含む多結晶シリコンを、例えばLPCVDにより埋め込む工程において、トレンチ内上部から下部へ行くに従い、不純物濃度が小さくなるように、埋め込まれた多結晶シリコンの不純物濃度に勾配を付けることにより、トレンチ内への多結晶シリコンの埋め込み性の向上を図り、空隙の発生を防止しようとするものである。
【0012】
また、本発明においては、トレンチ内の多結晶シリコン内の不純物濃度を2× 1020atoms/cm以上とすることにより、埋め込まれた多結晶シリコンに空隙が生じたとしても、多結晶シリコンの再結晶化過程における凝集現象を抑えることができる。それにより、キャパシタンスの低下を抑え、キャパシタ絶縁膜の信頼性の向上を実現することが出来る。なお、不純物濃度の上限は、特に限定されないが、通常は1×1021atoms/cm 程度である。
トレンチ内への多結晶シリコンの埋め込みに用いられるLPCVDにおいては、使用する材料ガスは、SiHであり、SiHの熱分解により多結晶シリコンを形成する。その際、SiHと同時にAsH PH のドーピングガスを流すのであるが、ドーピングガスは成膜レートを小さくするという効果がある。従って、ドーピングガスの流量を増やせば増やすほど、成膜レートは小さくなってしまう。
【0013】
本発明では、トレンチ上部から下部へ行くに従い、ドーパント濃度が小さくなるように成膜を行う。それによって、トレンチの下部に行くほど、成膜レートが早くすることが出来る。その結果、トレンチの間口に多く堆積することなく、トレンチ下部から順々に多結晶シリコンが埋まっていく成膜となる。
【0014】
このように、本発明によれば、トレンチ下部から順々に多結晶シリコンが埋まっていくため、トレンチ上部において間口が詰まることなく、空隙が出来にくく、良好な埋め込み形状が得られる。
【0015】
また、トレンチ内に空隙が生じた場合には、後の熱工程により多結晶シリコン膜のSi原子が流動し、再結晶化過程において、局所的に凝集する現象が見られる。このSiの流動現象が生じると、トレンチ内壁に形成されるキャパシタ絶縁膜表面に、多結晶シリコンが形成されない部位が発生し、キャパシタンスの低下をもたらす。このような問題は、上述したように、多結晶シリコン内の不純物濃度を2×1020atoms/cmとすることにより、防止することができる。
【0016】
なお、半導体基板の、前記トレンチ溝内面に接する領域に、Asが拡散された不純物領域を形成し、これをキャパシタの電極として用いることが出来る。
【0017】
また、トレンチ溝の最小線幅と0.2μm以下とし、トレンチ溝の間口面積と半導体基板の表面積の比率を10%以上とした場合には、良好な埋め込みを行うことが出来るので、好ましい。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るトレンチ内への多結晶シリコンの埋め込み工程を示す断面図である。図1において、シリコンウエハ30に側壁がほぼ垂直なトレンチ31を形成した後、トレンチ31の内面にキャパシタ絶縁膜32を形成し、次いで、トレンチ31内に電極材料としての多結晶シリコン膜33を堆積する。
【0019】
多結晶シリコン膜33は、SiHとAsHを反応炉内に同時に導入することにより形成することが出来るが、その説明の前に、反応炉内にSiHのみを導入した場合の成膜現象について説明する。
【0020】
従来、トレンチ内の多結晶シリコン膜33の上部と下部とを比較すると、上部の方が成膜レートが早い。これは、SiHの熱分解によって生じたSiH(シリレン)による影響によるものである。SiHは、SiHと比較して高い確率でシリコンウエハ30上に付着する。700℃におけるSiHのシリコンウエハ30への付着確率ηは10−4程度である。すなわち、SiH分子が10000回表面と衝突すると、そのうち1回反応が生じる程度の反応性である。
【0021】
これに対し、SiHは付着確率η=1である。SiHは表面に1回衝突するとすぐに膜となる。従って、トレンチ部に飛来したSiHは、トレンチ下部に至る前に、トレンチ間口部において基板と衝突し、付着する確率が非常に高い。そのため、トレンチ間口の成膜レートが早くなり、トレンチ下部が成膜されるよりより先にトレンチ間口が閉じてしまう。
【0022】
その結果、図7(a)に示すように、トレンチ中央部に空隙14が発生してしまう。従って、SiHが主体となって行われる成膜では、トレンチ内のカバレッジ性が悪くなると言える。
【0023】
SiHと比較してSiHは、ウエハに対する付着確率ηが10分の1と 小さいため、成膜レートは遅くなるが、トレンチ下部へも十分にSiHが行き渡り、トレンチ上部と下部での成膜レート差は小さくなる。従って、SiH主体の成膜は、トレンチ内のカバレッジが良好であると言える。つまり、SiHの熱分解によるSiHの発生を抑えることが、トレンチ内のカバレッジ性向上の鍵と言える。
【0024】
そこで、本発明者らは、ウエハを高速、例えば3000rpm程度の回転速度で回転させると、原料ガスであるSiHの分解が始まる高温領域層、及び濃度境界層が薄くなり、SiHがウエハ直上に来るまで熱分解が起こらないことを見出した。
【0025】
図2および図3に、ウエハを0rpm(回転せず)及び2000rpmで回転させた場合の、ウエハ近傍の温度分布と濃度分布のシュミレート結果をそれぞれ示す。ここでは、ウエハー支持台上にウエハが置かれ、ウエハは、下面からヒーターで加熱されている。
図2及び図3は、各々、温度分布及び濃度分布を示し、共に、左半分が200 0rpm、右半分が0rpmの場合を示す。なお、図2および図3において、同 一の模様は、同一の温度および濃度を示している。
【0026】
図2から、上方から流れてくるSiH 、ウエハを2000rpmで回転させた場合、同じガス温度でウエハ近傍まで到達する様子が分かる。これに対し、ウエハを回転させない場合、2000rpmで回転させる場合と比較すると、ウエハ上方における、温度が変化する領域が厚いこと分かる。SiHの分解とSiHの発生を抑えるには、なるべくこの温度が変化する領域、即ち、温度境界層を薄くすることが必要である。
【0027】
また、図3においても同様に、2000rpmで回転させた場合には、ウエハ を回転させない場合と比較し、濃度が変化する境界層が薄いことが分かる。濃度境界層が薄いと言うことは、それだけウエハに到着するまでのSiHの気相分解を防ぐことが出来るということである。
【0028】
以上、ウエハを高速で回転させることにより、SiHの熱分解とSiHの発生を抑制することが出来ることがわかる。その結果、SiH主体の成膜となり、カバレッジ性は向上する。
【0029】
ウエハを高速で回転させることによる効果を図4に模式的に示す。即ち、ウエ ハを低速回転させるかまたは回転させない場合には、 SiHの一部は分解してSiHとなりトレンチ部に飛来したSiHは、トレンチ下部に至る前に、 トレンチ間口部において基板と衝突して付着し、トレンチ下部が成膜されるより先にトレンチ間口が閉じてしまう。即ち、トレンチ内面のカバレッジ性が非常に悪い。
【0030】
これに対し、ウエハを高速回転させるた場合には、 SiH の一部が分解して SiH となることが少なく、トレンチ部に飛来したSiHは、トレンチ間口 部だけでなく、トレンチ下部にも至り、均一な成膜を行うことができる。
【0031】
次に、ウエハを3000rpm程度の高速で回転させている状態の中に、SiHとAsHを同時に導入した場合を考えてみる。SiHとAsHのシリコンウエハへの付着確率を比べた場合、SiHの付着確率η=10−4に対し、AsH の付着確率はη=10−3 であり、一桁高い。そのため、 トレンチ間口近傍にAsが取り込まれ易くなると言える。
【0032】
従って、AsH 濃度は、トレンチ上部から下部にかけて低くなり、濃度勾 配が生じる。その際、AsHはSiHのシリコンウエハへの吸着を阻害する効果があるため、SiHはトレンチ上部よりも下部において付着し易くなる。そのため、トレンチ上部と比較し、トレンチ下部へ行くほど成膜レートが早くなる(図1(a))。
【0033】
このように、SiHとAsHの付着確率の差を利用したのが本発明であり 、トレンチ上部から下部へかけてのAs濃度に勾配を付けることにより、トレンチの上部と下部とで、成膜速度をかえることが出来る。このような現象を用いると、トレンチ下部から上部へと順々に多結晶シリコン33が埋まっていくため、トレンチ上部において間口が詰まることがなく、そのため空隙を生ずることなく、良好な埋め込み形状を得ることが出来る。(図1(b))。
【0034】
空隙が無いため、そのに後熱処理を行っても、シリコンが流動する現象は見ら れず、その結果、キャパシタ絶縁膜32の全面に、多結晶Siを形成することができる。
【0035】
本実施例では、数Torr 〜数100Torrの減圧に保たれたCVDチャ ンバー中において、最小線幅0.20μm以下、トレンチ間口率10%以上のシリコンウエハを2000〜10000rpm程度の高速で回転させ、ウエハ下部からヒーターで650〜750℃程度に加熱する。
【0036】
その後、1slmのSiHと10〜500sccmのAsHをリアクタ ー内ヘ同時に導入し、多結晶シリコンの成膜を行うと、ウエハを高速回転させることによるウエハ面上の高温領域層の薄膜化、さらにはSiHとAsHの付着確率の差を利用することで、トレンチ上部と比較し、トレンチ下部の成膜レートが早くなる。その結果、空隙が出来にくい、良好な埋め込み特性を有する多結晶シリコン膜をトレンチ内に形成することが出来る。
【0037】
更に、図8(a) に示す様な、間口に対し内部が膨らんだボトル型構造のト レンチ21の場合、トレンチ21内にAs濃度勾配を設けても、トレンチ中央部において空隙24の発生を避けることできない。空隙24が発生した場合、後の熱工程を通すと、図8(b)に示す様に、多結晶シリコン膜23のSi原子が流動し、再結晶化過程において、局所的に凝集する現象が見られる。このSiの流動現象が生じると、トレンチ内壁に形成されるキャパシタ絶縁膜22表面に、多結晶シリコンが形成されない部位25が発生し、キャパシタンスの低下、さらにはキャパシタ絶縁膜22の信頼性劣化をもたらす。
【0038】
そのようなSiの流動は、Asを高濃度でドープさせることにより回避することができる。多結晶シリコン中に、酸素または炭素を多く混入させるとSiの流動を抑えられることは知られている。本発明者らは、酸素または炭素と同様の効果をAsに期待し、Asを高濃度で混入することを試みた。
【0039】
図5は、多結晶シリコン中のAs濃度を縦軸に、O濃度を横軸にとり、流動現 象の発生有無を示したグラフである。As濃度は1×1016〜4×1020ato ms/cm、O濃度は、4×1017〜1×1019atoms/cmまで振っている。
【0040】
図5より、Siの流動現象はAs濃度に支配され、 As濃度2×1020atoms/cmがSiの流動の有無のしきい値であること分かる。O濃度に関しても、1×1019atoms/cm以上で流動現象見られなくなる濃度が存在すると考えられるが、O濃度を高くすると、多結晶シリコンの抵抗率は上昇し、半導体素子の高速動作を阻害する要因となる。これに対して、As濃度を上げることは、抵抗率の低下をもたらす。
【0041】
図6(a)は、多結晶シリコン中の不純物濃度を2×1020atoms/cm以上とした場合の、内面に絶縁膜72が形成されたボトル型トレンチ71内に埋め込まれた多結晶シリコン膜73の形状を示す。埋め込まれた多結晶シリコン膜73の中央部には、空隙74が見られる。その後、熱処理を実施した場合の形状を図6(b)に示す。図6(b)にはSi原子の流動現象は見られず、成膜後の埋め込み形状のままを保持しており、トレンチ内壁に形成されているキャパシタ絶縁膜72表面に、良好に多結晶シリコン膜73を形成することができる。
【0042】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、キャパシタ電極を構成する導電性材料が、トレンチ上部の部分よりもトレンチ下部の部分のほうが低い不純物濃度であるような濃度勾配を有しているため、トレンチへの導電性材料の埋め込み性を向上させ、導電性材料中の空隙(seam)の発生を防止することが出来る。
【0043】
また、特に、多結晶シリコン中の不純物濃度を2×1020atoms/cm 以上とした場合には、埋め込まれた導電性材料中に空隙が発生したとしても、キャパシタ絶縁膜の近傍の多結晶シリコン膜の流動を防止することが出来るので、キャパシタ絶縁膜の表面に導電性材料が形成されない部位が発生することがなく、キャパシタンスの低下を抑え、キャパシタ絶縁膜 の信頼性の向上を実現する ことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係るトレンチ内への多結晶シリコンの埋め込み工程を示 す断面図。
【図2】ウエハを回転させない場合および回転させた場合の、ウエハ近傍の温度分布の シュミレート結果を示す特性図。
【図3】ウエハを回転させない場合および回転させた場合の、ウエハ近傍の濃度分布の シュミレート結果を示す特性図。
【図4】ウエハを高速で回転させることによる効果を示す模式図。
【図5】As濃度及びO濃度とSi流動との関係を示す特性図。
【図6】本発明の一実施形態に係るボトル型トレンチ内への多結晶シリコンの埋め込み工程を示す断面図。
【図7】従来の方法により垂直トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコン膜の熱処理前 後の状態を示す断面図。
【図8】従来の方法によりボトル型トレンチ内に埋め込まれた多結晶シリコン膜の熱処 理前後の状態を示す断面図。
【符号の説明】
10,20,30…シリコン基板
11,21,31,71…トレンチ
12,22,32,72…キャパシタ絶縁膜
13,23,33,73…多結晶シリコン
14,15,24,25,74…空隙
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor device having a trench capacitor and a method of manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Polycrystalline silicon containing impurities can be used as a buried electrode formed in the trench. In the case where the trench sidewall is nearly vertical or in the case of a bottle-shaped structure in which the inside swells with respect to the frontage, a void (seam) is generated inside the buried polysilicon after the buried polysilicon containing impurities. Sometimes. Thereafter, a thermal process is performed to activate the impurities. At this time, a phenomenon is observed in which Si atoms flow (migrate) and locally aggregate due to surface tension in the recrystallization process. . When this Si flow phenomenon occurs, a portion (vacancy) where the polycrystalline silicon film is not formed is generated on the surface of the capacitor insulating film formed on the inner wall of the trench, resulting in a decrease in capacitance and deterioration of the capacitor insulating film. I will.
[0003]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state before and after heat treatment of a polycrystalline silicon film buried in a trench by a conventional method. FIG. 7A shows a state before the heat treatment, and FIG. 7B shows a state after the heat treatment. 7A, a trench 11 having a vertical side wall is formed in a silicon substrate 10, then a capacitor insulating film 12 is formed on the inner surface of the trench 11, and then the trench 11 having the capacitor insulating film 12 formed on the inner surface is formed. Polycrystalline silicon 13 containing impurities is embedded therein.
[0004]
In the prior art, a phenomenon in which the deposition rate of polycrystalline silicon in the lower portion of the trench 11 is lower than that in the upper portion of the trench 11 is observed. Voids 14 are formed in the holes.
[0005]
Thereafter, when heat treatment is performed, a phenomenon is seen in which Si atoms flow, locally aggregate and recrystallize. In this case, a portion 15 where polycrystalline silicon is not formed occurs on the surface of the capacitor insulating film 12, and as a result, the capacitance is reduced and the reliability of the insulating film is deteriorated due to the electric field concentration.
[0006]
As shown in FIG. 8, the same applies to a case where a trench 21 having a bottle-shaped structure whose inside is swelled with respect to the frontage is formed in a silicon substrate 20 and a capacitor insulating film 22 is formed on the inner surface thereof. The void 24 is remarkably generated in the central portion of the crystalline silicon film 23, and therefore, a portion 25 where polycrystalline silicon is not formed is generated in a wide range.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made under the above circumstances, and has as its object to provide a semiconductor device having a trench capacitor in which no void is generated, the capacitance is not reduced, and the reliability of an insulating film is not deteriorated.
[0008]
It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device having a trench capacitor in which no void is generated, the capacitance is not reduced, and the reliability of the insulating film is not deteriorated.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a semiconductor substrate having a trench, a capacitor insulating film formed on an inner surface of the trench, and a capacitor embedded in the trench having a capacitor insulating film formed on the inner surface. And a capacitor electrode made of a conductive material containing impurities, wherein the conductive material forming the capacitor electrode has a concentration gradient such that a lower portion of the trench has a lower impurity concentration than a portion of the upper portion of the trench. And a semiconductor device having a trench capacitor.
[0010]
Further, the present invention includes the steps of forming a trench in a semiconductor substrate, forming a capacitor insulating film on the inner surface of the trench, a CVD method using a film-forming material gas and the dopant gas, the semiconductor substrate Is performed while rotating at a rotation speed of 2000 rpm or more, a conductive material containing impurities is buried in the trench in which the capacitor insulating film is formed on the inner surface, and the lower portion of the trench is more dense than the upper portion of the trench. Forming a capacitor electrode having a low impurity concentration .
[0011]
In the gist of the present invention, in particular, in the step of embedding polycrystalline silicon containing impurities, for example, As or P, in a trench having a high aspect ratio by, for example, LPCVD, the impurity concentration becomes lower as going from the upper part to the lower part in the trench. As described above, by giving a gradient to the impurity concentration of the buried polycrystalline silicon, the burying property of the polycrystalline silicon in the trench is improved, and the generation of voids is prevented.
[0012]
Also, in the present invention, by setting the impurity concentration in the polycrystalline silicon in the trench to 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more, even if voids are generated in the buried polycrystalline silicon, Aggregation in the recrystallization process can be suppressed. As a result, a decrease in capacitance can be suppressed and the reliability of the capacitor insulating film can be improved. The upper limit of the impurity concentration is not particularly limited, but is usually about 1 × 10 21 atoms / cm 3 .
In LPCVD used for embedding polycrystalline silicon in a trench, the material gas used is SiH 4 , and polycrystalline silicon is formed by thermal decomposition of SiH 4 . At this time, AsH 3 and PH 3 etc. are used together with SiH 4. The doping gas has the effect of reducing the film formation rate. Therefore, the higher the flow rate of the doping gas, the lower the film formation rate.
[0013]
In the present invention, the film is formed such that the dopant concentration becomes lower as going from the upper portion to the lower portion of the trench. As a result, the film formation rate can be increased as it goes to the lower part of the trench. As a result, a film is formed in which the polycrystalline silicon is buried one by one from the bottom of the trench without being deposited much at the frontage of the trench.
[0014]
As described above, according to the present invention, since the polycrystalline silicon is gradually filled from the lower part of the trench, the frontage is not clogged at the upper part of the trench, it is difficult to form a void, and a good filling shape can be obtained.
[0015]
In addition, when a void is formed in the trench, a phenomenon is seen in which Si atoms of the polycrystalline silicon film flow in a subsequent thermal process and are locally aggregated in a recrystallization process. When the flow phenomenon of Si occurs, a portion where polycrystalline silicon is not formed occurs on the surface of the capacitor insulating film formed on the inner wall of the trench, and the capacitance is reduced. Such a problem can be prevented by setting the impurity concentration in polycrystalline silicon to 2 × 10 20 atoms / cm 3 as described above.
[0016]
In the semiconductor substrate, an impurity region in which As is diffused is formed in a region in contact with the inner surface of the trench groove, and this can be used as an electrode of the capacitor.
[0017]
In addition, it is preferable that the minimum line width of the trench is 0.2 μm or less and the ratio of the opening area of the trench to the surface area of the semiconductor substrate is 10% or more, because good filling can be performed.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a step of embedding polycrystalline silicon in a trench according to one embodiment of the present invention. In FIG. 1, after a trench 31 having a substantially vertical side wall is formed in a silicon wafer 30, a capacitor insulating film 32 is formed on the inner surface of the trench 31, and then a polycrystalline silicon film 33 as an electrode material is deposited in the trench 31. I do.
[0019]
The polycrystalline silicon film 33 can be formed by simultaneously introducing SiH 4 and AsH 3 into a reaction furnace. Before the description, a film formation phenomenon when only SiH 4 is introduced into the reaction furnace. Will be described.
[0020]
Conventionally, when the upper and lower portions of the polycrystalline silicon film 33 in the trench are compared, the upper portion has a higher deposition rate. This is due to the influence of SiH 2 (silylene) generated by thermal decomposition of SiH 4 . SiH 2 adheres to the silicon wafer 30 with a higher probability than SiH 4 . The adhesion probability η of SiH 4 on the silicon wafer 30 at 700 ° C. is about 10 −4 . That is, the reactivity is such that when the SiH 2 molecule collides with the surface 10000 times, a reaction occurs once.
[0021]
In contrast, SiH 2 has an adhesion probability η = 1. SiH 2 as soon as the conflict once on the surface becomes a film. Therefore, the probability that the SiH 2 that has flown into the trench portion collides with the substrate at the frontage portion of the trench and adheres to the trench before reaching the lower portion of the trench is very high. For this reason, the film formation rate at the trench frontage is increased, and the trench frontage is closed before the lower part of the trench is formed.
[0022]
As a result, as shown in FIG. 7A, a void 14 is generated at the center of the trench. Therefore, it can be said that the coverage in the trench is deteriorated in the film formation mainly performed by SiH 2 .
[0023]
SiH 4 as compared with SiH 2, since adhesion to the wafer probability η is small and 1 10 4 minutes, but the deposition rate is slow, even to the trench bottom well SiH 4 spreads, at the trench upper and lower The difference in the film formation rate becomes smaller. Therefore, it can be said that a film mainly composed of SiH 4 has good coverage in the trench. In other words, suppressing generation of SiH 2 due to thermal decomposition of SiH 4 can be said to be the key to improving the coverage in the trench.
[0024]
Therefore, when the present inventors rotate the wafer at a high speed, for example, at a rotation speed of about 3000 rpm, the high-temperature region layer where the decomposition of the source gas SiH 4 starts and the concentration boundary layer are thinned, and the SiH 4 is directly above the wafer. And found that pyrolysis did not occur until it came.
[0025]
FIGS. 2 and 3 show simulation results of the temperature distribution and the concentration distribution in the vicinity of the wafer when the wafer is rotated at 0 rpm (not rotated) and 2000 rpm, respectively. Here, the wafer is placed on a wafer support, and the wafer is heated from below by a heater.
2 and 3 show the temperature distribution and the concentration distribution, respectively, and show the case where the left half is 2000 rpm and the right half is 0 rpm. 2 and 3, the same pattern indicates the same temperature and concentration.
[0026]
From Figure 2, SiH 4 flowing from above, when rotating the wafer at 2000 rpm, how to arrive at the same gas temperature to the wafer near seen. On the other hand, when the wafer is not rotated, as compared with the case where the wafer is rotated at 2000 rpm, it can be seen that the region where the temperature changes above the wafer is thicker. In order to suppress the decomposition of SiH 4 and the generation of SiH 2 , it is necessary to make the region where the temperature changes, that is, the temperature boundary layer as thin as possible.
[0027]
Similarly, in FIG. 3, it can be seen that the boundary layer where the concentration changes is thinner when the wafer is rotated at 2000 rpm than when the wafer is not rotated. The fact that the concentration boundary layer is thin means that the vapor phase decomposition of SiH 4 until it reaches the wafer can be prevented.
[0028]
As described above, it can be seen that by rotating the wafer at a high speed, thermal decomposition of SiH 4 and generation of SiH 2 can be suppressed. As a result, the film is formed mainly of SiH 4 , and the coverage is improved.
[0029]
FIG. 4 schematically shows the effect of rotating the wafer at a high speed. Substrate or, if not, or rotated to a low speed rotation of the upper lobe, the next SiH 2 partially decomposes the SiH 4, SiH 2 was flying to the trench portion, before reaching the lower trench, the trench frontage part Collides with and adheres, and the trench frontage closes before the lower portion of the trench is formed. That is, the coverage on the inner surface of the trench is very poor.
[0030]
On the other hand, when the wafer is rotated at a high speed, a part of the SiH 4 is rarely decomposed into SiH 2, and the SiH 4 that has flown into the trench portion is not only at the trench opening portion but also at the trench lower portion. And a uniform film can be formed.
[0031]
Next, consider a case where SiH 4 and AsH 3 are simultaneously introduced while the wafer is being rotated at a high speed of about 3000 rpm. When comparing the adhesion probability of SiH 4 and AsH 3 to a silicon wafer, the adhesion probability of AsH 3 is η = 10 −3 , whereas the adhesion probability of SiH 4 is η = 10 −4 , which is an order of magnitude higher. Therefore, it can be said that As is easily taken into the vicinity of the trench frontage.
[0032]
Therefore, the concentration of AsH 3 decreases from the upper part to the lower part of the trench, and a concentration gradient occurs. At this time, AsH 3 has an effect of inhibiting adsorption of SiH 4 to the silicon wafer, so that SiH 4 is more likely to adhere to the lower part of the trench than to the upper part. Therefore, as compared with the upper part of the trench, the film formation rate becomes faster toward the lower part of the trench (FIG. 1A).
[0033]
As described above, the present invention utilizes the difference between the adhesion probabilities of SiH 4 and AsH 3. The gradient of the As concentration from the upper part to the lower part of the trench makes it possible to form the upper and lower parts of the trench. The film speed can be changed. When such a phenomenon is used, the polycrystalline silicon 33 is gradually buried from the lower part of the trench to the upper part, so that the frontage is not clogged at the upper part of the trench, so that a good buried shape is obtained without generating a void. I can do it. (FIG. 1 (b)).
[0034]
Since there are no voids, even when heat treatment is performed thereon, the phenomenon that silicon flows does not occur. As a result, polycrystalline Si can be formed on the entire surface of the capacitor insulating film 32.
[0035]
In this embodiment, a silicon wafer having a minimum line width of 0.20 μm or less and a trench opening ratio of 10% or more is rotated at a high speed of about 2000 to 10000 rpm in a CVD chamber maintained at a reduced pressure of several Torr to several hundred Torr. The wafer is heated to about 650 to 750 ° C. from below the wafer by a heater.
[0036]
Thereafter, 1 slm of SiH 4 and 10 to 500 sccm of AsH 3 were simultaneously introduced into the reactor, and polycrystalline silicon was formed. When the wafer was rotated at a high speed, the high-temperature region layer on the wafer surface was thinned. Furthermore, by utilizing the difference in the adhesion probability between SiH 4 and AsH 3 , the film formation rate at the lower part of the trench is faster than that at the upper part of the trench. As a result, it is possible to form a polycrystalline silicon film having good filling characteristics, in which a void is hardly formed, in the trench.
[0037]
Further, in the case of a bottle-shaped structure 21 as shown in FIG. 8 (a), the inside of which expands with respect to the frontage, even if an As concentration gradient is provided in the trench 21, the formation of the void 24 in the center of the trench is not caused. Inevitable. When the voids 24 are formed, the Si atoms of the polycrystalline silicon film 23 flow and undergo a local aggregation during the recrystallization process as shown in FIG. Can be seen. When this Si flow phenomenon occurs, a portion 25 where polycrystalline silicon is not formed occurs on the surface of the capacitor insulating film 22 formed on the inner wall of the trench, which causes a decrease in capacitance and further a deterioration in reliability of the capacitor insulating film 22. .
[0038]
Such Si flow can be avoided by doping As at a high concentration. It is known that the flow of Si can be suppressed by mixing a large amount of oxygen or carbon into polycrystalline silicon. The present inventors have expected As to have the same effect as oxygen or carbon, and have tried to mix As at a high concentration.
[0039]
FIG. 5 is a graph showing the occurrence or non-occurrence of a flow phenomenon, with the As concentration in the polycrystalline silicon on the vertical axis and the O concentration on the horizontal axis. As concentration is 1 × 10 16 ~4 × 10 20 ato ms / cm 3, O concentration is shaken until 4 × 10 17 ~1 × 10 19 atoms / cm 3.
[0040]
From FIG. 5, it can be seen that the flow phenomenon of Si is governed by the As concentration, and the As concentration of 2 × 10 20 atoms / cm 3 is a threshold value for the presence or absence of the flow of Si. Regarding the O concentration, it is considered that there is a concentration at which the flow phenomenon cannot be observed at 1 × 10 19 atoms / cm 3 or more. However, when the O concentration is increased, the resistivity of polycrystalline silicon increases, and the high-speed operation of the semiconductor element is reduced. It is a factor that hinders. On the other hand, increasing the As concentration causes a decrease in resistivity.
[0041]
FIG. 6A shows polycrystalline silicon buried in a bottle type trench 71 having an insulating film 72 formed on the inner surface when the impurity concentration in the polycrystalline silicon is set to 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more. The shape of the film 73 is shown. At the center of the buried polycrystalline silicon film 73, a void 74 is seen. After that, the shape in the case where the heat treatment is performed is shown in FIG. In FIG. 6B, no flow phenomenon of Si atoms is observed, and the buried shape after film formation is maintained as it is, and the surface of the capacitor insulating film 72 formed on the inner wall of the trench is favorably formed on the polycrystalline silicon. The film 73 can be formed.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the conductive material forming the capacitor electrode has a concentration gradient such that the lower part of the trench has a lower impurity concentration than the upper part of the trench, The embedding property of the conductive material into the conductive material can be improved, and generation of a void (seam) in the conductive material can be prevented.
[0043]
Further, in particular, when the impurity concentration in the polycrystalline silicon is set to 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more, even if voids are generated in the embedded conductive material, the polycrystalline silicon near the capacitor insulating film is not affected. Since the flow of the silicon film can be prevented, a portion where no conductive material is formed on the surface of the capacitor insulating film does not occur, suppressing a decrease in capacitance and improving the reliability of the capacitor insulating film. Can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a step of embedding polycrystalline silicon in a trench according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing simulation results of a temperature distribution near a wafer when the wafer is not rotated and when the wafer is rotated.
FIG. 3 is a characteristic diagram showing a simulation result of a concentration distribution near a wafer when the wafer is not rotated and when the wafer is rotated.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the effect of rotating the wafer at a high speed.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a relationship between As concentration and O concentration and Si flow.
FIG. 6 is a sectional view showing a step of embedding polycrystalline silicon in a bottle-shaped trench according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a state before and after heat treatment of a polycrystalline silicon film embedded in a vertical trench by a conventional method.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state before and after a heat treatment of a polycrystalline silicon film buried in a bottle type trench by a conventional method.
[Explanation of symbols]
10, 20, 30 ... silicon substrates 11, 21, 31, 71 ... trenches 12, 22, 32, 72 ... capacitor insulating films 13, 23, 33, 73 ... polycrystalline silicon 14, 15, 24, 25, 74 ... voids

Claims (11)

トレンチ溝を有する半導体基板と、
前記トレンチ溝の内面に形成されたキャパシタ絶縁膜と、
前記内面にキャパシタ絶縁膜が形成された前記トレンチ溝内に埋め込まれた不純物を含む導電性材料からなるキャパシタ電極とを備え、
前記キャパシタ電極を構成する導電性材料は、トレンチ上部の部分よりもトレンチ下部の部分のほうが低い不純物濃度であるような濃度勾配を有することを特徴とする、トレンチキャパシタを有する半導体装置。
A semiconductor substrate having a trench,
A capacitor insulating film formed on the inner surface of the trench,
A capacitor electrode made of a conductive material containing an impurity embedded in the trench groove in which a capacitor insulating film is formed on the inner surface,
A semiconductor device having a trench capacitor, wherein the conductive material forming the capacitor electrode has a concentration gradient such that a lower portion of the trench has a lower impurity concentration than a portion of the upper portion of the trench.
前記導電性材料中の不純物濃度は、2×1020atoms/cm3 以上である ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration in the conductive material is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more. 前記導電性材料中の不純物濃度は、2×1020atoms/cm3ないし1×10 21atoms/cm3であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein an impurity concentration in the conductive material is 2 × 10 20 atoms / cm 3 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 . 前記導電性材料は多結晶シリコンであり、不純物はAsまたはPであることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the conductive material is polycrystalline silicon, and the impurity is As or P. 前記半導体基板の、前記トレンチ溝の内面に接する領域に、AsまたはPが拡散された不純物領域を有することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate has an impurity region in which As or P is diffused in a region in contact with an inner surface of the trench. 前記トレンチ溝の最小線幅が0.2μm以下であり、前記トレンチ溝の間口面積と前記半導体基板の表面積の比率が10%以上であることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a minimum line width of the trench is 0.2 μm or less, and a ratio of a frontage area of the trench to a surface area of the semiconductor substrate is 10% or more. 3. 半導体基板にトレンチ溝を形成する工程と、
前記トレンチ溝の内面にキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
成膜材料ガスとドーパントガスとを用いたCVD法を、前記半導体基板を2000rpm以上の回転速度で回転させつつ行うことにより、前記内面にキャパシタ絶縁膜が形成された前記トレンチ溝内に不純物を含む導電性材料を埋め込み、トレンチ上部の部分よりもトレンチ下部の部分のほうが低い不純物濃度の導電性材料からなるキャパシタ電極を形成する工程と
を具備することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a trench in the semiconductor substrate;
Forming a capacitor insulating film on the inner surface of the trench,
By performing a CVD method using a film forming material gas and a dopant gas while rotating the semiconductor substrate at a rotation speed of 2000 rpm or more, an impurity is contained in the trench in which the capacitor insulating film is formed on the inner surface. Forming a capacitor electrode made of a conductive material having a lower impurity concentration in the lower portion of the trench than in the upper portion of the trench .
前記導電性材料中の不純物濃度は、2×1020atoms/cm3 以上である ことを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, wherein an impurity concentration in the conductive material is 2 × 10 20 atoms / cm 3 or more. 前記導電性材料中の不純物濃度は、2×1020atoms/cm3ないし1×10 21atoms/cm3であることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。8. The method according to claim 7, wherein an impurity concentration in the conductive material is 2 × 10 20 atoms / cm 3 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 . 前記導電性材料は多結晶シリコンであり、不純物はAsまたはPであることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 7, wherein the conductive material is polycrystalline silicon, and the impurity is As or P. 前記キャパシタ絶縁膜を形成する工程の前に、前記半導体基板の、前記トレンチ溝内面に接する領域に、AsまたはPを拡散して、不純物領域を形成する工程を更に具備することを特徴とする請求項7に記載の半導体装置の製造方法。The method according to claim 1, further comprising, before the step of forming the capacitor insulating film, a step of diffusing As or P in a region of the semiconductor substrate in contact with the inner surface of the trench to form an impurity region. Item 8. A method for manufacturing a semiconductor device according to item 7.
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