JP6266258B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭなどの半導体装置に組み込まれるキャパシタのように、誘電体膜を挟んで電極が積層形成されている半導体装置の製造方法に関し、特に積層された電極間のショート不良の発生を大幅に低減できる半導体装置の製造方法に関する。

近年の電子機器の軽薄短小化に伴い、半導体装置についてもより一層の高集積化、小型化が要求されている。そのため、誘電体膜を挟んで電極が積層形成されている半導体装置であるキャパシタも、より小さい面積で所望の高い静電容量を形成する必要がある。キャパシタの静電容量Ｃは、一対の電極で挟まれた誘電体膜の誘電率をε、面積をＳ、厚さをｄとすると、Ｃ＝ε・Ｓ／ｄで与えられるため、面積Ｓを小さくすると共に、厚さｄを小さくするか、誘電率εを大きくすることになる。

誘電率εを大きくする方法としては、誘電体膜として誘電率の大きな材料を用いるのが望ましい。一般的にはシリコン窒化膜（比誘電率６．９）やシリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜が用いられる（たとえば、特許文献１）。

本願出願人が先に提案したキャパシタの製造方法を図３に示す。まず、半導体基板１１の表面にＬＯＣＯＳ酸化膜やシリコン酸化膜などの絶縁膜１２を形成する。絶縁膜１２上に、例えばＬＰＣＶＤ法によりポリシリコン膜を３５０ｎｍ程度の厚さに堆積して下層電極１３を形成する（図３ａ）。ここで下層電極１３は、ノンドープのポリシリコン膜を形成した後、イオン注入法により、砒素（Ａｓ）を注入し、約１０００℃の加熱処理をすることにより注入したイオンを活性化し、導電性のポリシリコン膜とする。

その後、ポリシリコンを酸化する酸化液中に浸積し、下層電極１３表面のポリシリコンを酸化してシリコン酸化膜１４を形成する（図３ｂ）。このシリコン酸化膜１４表面を清浄化した後、ＬＰＣＶＤ法により４０ｎｍ程度のシリコン窒化膜１５を形成し、さらにシリコン窒化膜１５表面を熱酸化処理することで、シリコン窒化膜１５上に２ｎｍ程度のシリコン酸化膜１６を形成する（図３ｃ）。このシリコン酸化膜１４、シリコン窒化膜１５及びシリコン酸化膜１６からなる多層膜構造とすることで、キャパシタショート不良の少ないキャパシタの誘電体膜が形成されている。

その後、下層電極１３と同様の方法で、高濃度に不純物を含んだポリシリコン膜を３５０ｎｍ程度の厚さ堆積し、上層電極１７を形成することにより、キャパシタを完成させることができる（図３ｄ）。

ところで、以上のように形成されたキャパシタにおいて、下層電極１３を形成する際、ノンドープのポリシリコン膜中に不純物イオンを注入する工程を含んでいる。一般的にイオン注入工程で使用されるイオン注入装置は、不純物イオンが通過する経路の側壁、半導体基板１を固定するウエハステージは、ステンレス、アルミナ、その他のセラミックス等で形成されており、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等を含んでいる。

そのため、ポリシリコン膜を導電性とするために砒素を注入する場合、砒素イオンの他に、ポリシリコン膜中に鉄やアルミニウム等が同時に注入されてしまう。ところで、鉄やアルミニウム等がポリシリコン膜中に存在すると、トラップ源となり電荷が蓄積し、電流経路を形成してしまいキャパシタショートが発生してしまう。このような問題は、本願出願人が先に開示した多層構造の絶縁膜構造としても防ぐことができず、キャパシタの小型化の妨げとなったり、製品の信頼性低下を招いてしまっていた。

特開２００９−２１２３６３号公報

従来のキャパシタの製造工程において、下層電極あるいは上層電極を形成する際にイオン注入法を用いると、イオン注入装置内から混入する不純物によって絶縁膜破壊が発生し、小型化の妨げとなったり、信頼性低下の原因となっていた。本発明はこれらの問題点を解消し、信頼性が高く、小型化のキャパシタを形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本願請求項１記載の発明は、下層電極と上層電極との間に、誘電体膜を備えた半導体装置の製造方法において、前記下層電極又は前記上層電極の少なくともいずれか一方を形成する工程は、不純物元素を含むポリシリコンからなる前記下層電極又は前記上層電極を構成する膜を形成した後、該膜上にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、前記膜内に含まれる不純物元素のうち拡散係数の大きい不純物元素を前記膜から前記シリコン窒化膜中に拡散させる加熱処理を行う工程と、前記シリコン窒化膜を該シリコン窒化膜中に拡散した前記不純物元素と共に除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記下層電極又は前記上層電極の少なくともいずれか一方を形成する工程は、前記下層電極又は上層電極を構成するノンドープのポリシリコン膜を形成し、該ポリシリコン膜中に不純物をイオン注入し、導電性の前記下層電極又は前記上層電極を形成する工程と、前記不純物を注入したポリシリコン膜上にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、前記ポリシリコン膜内に含まれる不純物元素のうち、該ポリシリコンを導電性とするために注入された不純物より拡散係数の大きい不純物元素を前記ポリシリコン膜から前記シリコン窒化膜中に拡散させる加熱処理を行う工程と、前記シリコン窒化膜を該シリコン窒化膜中に拡散した前記不純物元素と共に除去する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の半導体装置の製造方法によれば、積層形成された電極内に含まれる不純物元素、特にイオン注入装置から混入した不純物元素を除去することができるので、薄い誘電体膜であっても絶縁膜破壊が発生することがなくなり、信頼性の高い、小型のキャパシタを形成することが可能となる。また、本発明の製造方法は、通常の半導体装置の製造工程に使用される一般的な製造工程のみで構成することができるため、歩留まりよくキャパシタを形成することができるという利点がある。

特にこの種の半導体装置の製造工程において電極中に混入する可能性の高い不純物元素の中で、鉄とアルミニウムは、シリコン窒化膜に効果的にゲッタリングされ、除去効果が大きい。

本発明によるキャパシタの製造方法を説明する図である。 本発明の半導体装置の製造方法により形成した別のキャパシタの説明図である。 従来のキャパシタの製造方法を説明する図である。

本発明の半導体装置の製造方法は、不要の不純物元素を含む下層電極又は上層電極上にシリコン窒化膜を形成し、加熱処理を行うことで、電極中含まれる拡散係数が大きく、かつシリコン窒化膜にゲッタリングされる不純物元素をシリコン窒化膜中に拡散させ、その後、シリコン窒化膜を除去することで、不要の不純物元素を取り除くことを特徴とする。特に、アルミニウム、鉄は、拡散係数が大きく、シリコン窒化膜にゲッタリングされやすく、効果的に除去することができる。以下、本発明について、キャパシタの製造方法を例に取り、詳細に説明する。

まず、半導体基板１の表面に設けられたＬＯＣＯＳ酸化膜やＣＶＤ法などにより形成されたシリコン酸化膜等の絶縁膜２を形成する。この絶縁膜２上に、例えばＬＰＣＶＤ法により、モノシランを原料ガスとして、６００℃で３５０ｎｍ程度のポリシリコン膜を堆積させ、下層電極３を形成する（図１ａ）。この下層電極３は、ノンドープのポリシリコンを形成した後、イオン注入法により、例えば砒素（Ａｓ）を注入して、高濃度に不純物イオンを含む導電性のポリシリコン膜により形成される。

ここで、イオン注入法により不純物イオンをノンドープのポリシリコン膜に注入する際、不純物イオンが通過する経路の側壁、半導体基板１を固定するウエハステージは、ステンレス、アルミナ、その他のセラミックス等で形成されており、注入イオンである砒素の他に、鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等が下層電極３中に混入してしまう。

また、イオン注入法に限らず、ＬＰＣＶＤ法によりポリシリコン膜を形成する際も、半導体基板１を固定するウエハステージ等からわずかながら鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等が下層電極３中に混入してしまう。

そこで本発明では、下層電極３上に、シリコン窒化膜４を形成し、加熱処理を行うことで、下層電極３中に含まれる拡散係数が大きく、シリコン窒化膜４にゲッタリングされる不純物を、下層電極３中からシリコン窒化膜４中に拡散させる（図１ｂ）。具体的には、ジクロロシランとアンモニアとを原料ガスとしてＬＰＣＶＤ法により、６００〜７００℃で４０ｎｍ程度のシリコン窒化膜４を形成した後、窒素雰囲気中で、９００℃〜１２００℃、３０分から３時間程度の加熱処理を行う。

この加熱処理により、下層電極３中に注入された砒素イオンは活性化され、同時に砒素より拡散係数が大きい鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等をシリコン窒化膜４中に拡散させることができる。その後、シリコン窒化膜４を除去することで、下層電極３中に含まれる鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等を減少させることができる。

次に、下層電極３上に誘電体膜５を形成する。この誘電体膜５は、シリコン窒化膜の単層構造としたり、シリコン酸化膜／シリコン窒化膜／シリコン酸化膜の多層構造とすることができる。なお先に本願出願人が提案しているように、下層電極３表面を酸化液中に浸漬してポリシリコンの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成することも可能である。

次に誘電体膜５上に上層電極６を形成する。この上層電極６の形成は、先に説明した下層電極３の形成工程と同じ工程となる。即ち、例えばＬＰＣＶＤ法により、モノシランを原料ガスとして、６００℃で３５０ｎｍ程度のポリシリコン膜を堆積させ、上層電極６を形成する。この上層電極６は、ノンドープのポリシリコンを形成した後、イオン注入法により、例えば砒素（Ａｓ）を注入して、高濃度に不純物イオンを含むポリシリコン膜により形成される。

先に説明したようにイオン注入法により不純物イオンをノンドープのポリシリコン膜に注入する際、不純物イオンが通過する経路の側壁、半導体基板１を固定するウエハステージは、ステンレス、アルミナ、その他のセラミックス等で形成されており、注入イオンである砒素の他に、鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等が上層電極６中に混入してしまう。

また、イオン注入法に限らず、ＬＰＣＶＤ法によりポリシリコン膜を形成する際も、半導体基板１を固定するウエハステージ等からわずかながら鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等が下層電極３中に混入してしまう。

そこで、上層電極６上に、シリコン窒化膜７を形成し、加熱処理を行うことで、上層電極６中に含まれる拡散係数が大きく、シリコン窒化膜７にゲッタリングされる不純物を、上層電極６中からシリコン窒化膜７中に拡散させる（図１ｄ）。

この加熱処理により、上層電極６中に注入された砒素イオンは活性化され、同時に砒素より拡散係数が大きい鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等をシリコン窒化膜７に拡散させることができる。その後、シリコン窒化膜７を除去することにより、上層電極６中に含まれる鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等を減少させ、キャパシタを完成させることができる（図１ｅ）。

このように形成されたキャパシタは、誘電体膜中に、鉄、アルミニウム、ニッケル、銅等の不純物元素を含まず、あるいは従来より非常に少ない量しか存在しないため、これらの不純物元素がトラップ源となり電荷が蓄積することもなく、キャパシタショート不良の発生をなくすことが可能となった。特に鉄、アルミニウムは、トラップ源となり電荷が蓄積し、電流経路を形成してしまいキャパシタショートの発生原因となっていたが、これらを除去することができることは、キャパシタの小型化、製品の信頼性の向上を実現することができ、好ましい。

次に、第２の実施例について説明する。第１の実施例では、下層電極３をポリシリコン膜で形成する場合について説明したが、図２に示すように半導体基板１上に導電性の半導体領域を形成して下層電極層８とすることも可能である。この場合、上層電極６を形成する際に、第１の実施例同様、ノンドープのポリシリコンにイオン注入法により高濃度に不純物イオンを含むポリシリコン膜から、このポリシリコン膜上にシリコン窒化膜を形成して加熱処理することで、上層電極６中に含まれる拡散係数が大きく、シリコン窒化膜にゲッタリングされる不純物をシリコン窒化膜中に拡散させ、その後、シリコン窒化膜を除去することで取り除くことで、キャパシタを完成させることができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず、誘電体膜を挟んで積層形成された電極金属上にシリコン窒化膜を形成し、加熱処理を行うことで拡散係数の大きい不純物を電極金属からシリコン窒化膜中に拡散させ、シリコン窒化膜を除去することによって不純物を除去する半導体装置の製造方法に適用することができる。

１、１１： 半導体基板、２、１２：絶縁膜、３、１３：下層電極、４、１５、７：シリコン窒化膜、５：誘電体膜、６、１７：上層電極、８：下層電極層、１４、１６：シリコン酸化膜

Claims (2)

1. 下層電極と上層電極との間に、誘電体膜を備えた半導体装置の製造方法において、前記下層電極又は前記上層電極の少なくともいずれか一方を形成する工程は、
   不純物元素を含むポリシリコンからなる前記下層電極又は前記上層電極を構成する膜を形成した後、該膜上にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、前記膜内に含まれる不純物元素のうち拡散係数の大きい不純物元素を前記膜から前記シリコン窒化膜中に拡散させる加熱処理を行う工程と、前記シリコン窒化膜を該シリコン窒化膜中に拡散した前記不純物元素と共に除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 請求項１記載の半導体装置の製造方法において、前記下層電極又は前記上層電極の少なくともいずれか一方を形成する工程は、
   前記下層電極又は上層電極を構成するノンドープのポリシリコン膜を形成し、該ポリシリコン膜中に不純物をイオン注入し、導電性の前記下層電極又は前記上層電極を形成する工程と、
   前記不純物を注入したポリシリコン膜上にシリコン窒化膜を堆積させる工程と、
   前記ポリシリコン膜内に含まれる不純物元素のうち、該ポリシリコンを導電性とするために注入された不純物より拡散係数の大きい不純物元素を前記ポリシリコン膜から前記シリコン窒化膜中に拡散させる加熱処理を行う工程と、
   前記シリコン窒化膜を該シリコン窒化膜中に拡散した前記不純物元素と共に除去する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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