JPH01264251A - Capacitor structure and its manufacture - Google Patents

Capacitor structure and its manufacture

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JPH01264251A
JPH01264251A JP63091538A JP9153888A JPH01264251A JP H01264251 A JPH01264251 A JP H01264251A JP 63091538 A JP63091538 A JP 63091538A JP 9153888 A JP9153888 A JP 9153888A JP H01264251 A JPH01264251 A JP H01264251A
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Japan
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film
electrode
forming
insulating film
capacitor
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JP63091538A
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Japanese (ja)
Inventor
Shinpei Iijima
飯島 晋平
Atsushi Hiraiwa
篤 平岩
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B12/00Dynamic random access memory [DRAM] devices
    • H10B12/30DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/31DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells having a storage electrode stacked over the transistor

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Abstract

PURPOSE:To form an extremely thin dielectric insulating film with good controllability by a method wherein an Si oxynitride film formed by a heat treatment in an atmosphere of NH3 containing an oxidizing agent is used as a dielectric insulating film for capacitor use. CONSTITUTION:A switching MOS transistor which is composed of a gate insulating film 103, polycrystalline Si 104 to be used as a gate electrode and an n-type impurity diffusion layer 106 constituting a source and a drain is formed on an Si substrate 101. An Si film 107 is formed to be adjacent to a source region; it is patterned; a lower-part electrode for a capacitor is formed. An Si oxynitride film is formed on the surface of the Si film 107 by an NH3-O2 method; in addition, an Si film 109 to be used as an upper-part electrode is formed; the capacitor is formed. After that, phosphate glass 110 and an Al wiring part 111 are formed; a memory cell is formed.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、メモリーLSIに用いるキャパシタおよびそ
の製造方法に係り、特に5nm以下の極めて薄く、且つ
信頼性の高い誘電体絶縁膜を有するキャパシタおよびそ
の形成方法に関する。
Detailed Description of the Invention [Field of Industrial Application] The present invention relates to a capacitor used in a memory LSI and a method for manufacturing the same, and particularly to a capacitor having an extremely thin dielectric insulation film of 5 nm or less and highly reliable. It relates to its formation method.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体メモリーLSIの集積度は、近年著しく増大して
おり、特に一つのトランジスターと一つのキャパシタで
メモリーセルを構成するダイナミック型のRAM (R
andoIl+ Access Memory)におい
ては、研究開発段階で16メガビツトの超高集積LSI
に関する検討を行なうに至っている。メモリーLSIの
集積度を増大させるためにはメモリーセル面積を縮少し
なければならないが、その時にキャパシタの容量をいか
に確保するかという問題が生じる。従来のダイナミック
型RAM(d−RAM)においては上記容量を確保する
ために、■誘電体絶縁膜の高誘電率化と薄膜化、■平面
面積が縮少しても実質的面積が減少しないようなキャパ
シタ構造の立体化が検討されている。
The degree of integration of semiconductor memory LSIs has increased significantly in recent years, and in particular dynamic type RAM (R
andoIl+ Access Memory), a 16 megabit ultra-highly integrated LSI was developed at the research and development stage.
We have come to the point where we are considering the following. In order to increase the degree of integration of a memory LSI, the memory cell area must be reduced, but at this time the problem arises as to how to secure the capacitance of the capacitor. In conventional dynamic RAM (d-RAM), in order to secure the above-mentioned capacity, the dielectric insulating film has a high dielectric constant and is made thinner, and ■ the actual area does not decrease even if the planar area is reduced. Three-dimensional capacitor structures are being considered.

前者については、5ins単層からSi窒化膜と5in
sとの組み合わせからなる多層薄膜へと変化しており、
後者についてはプレーナ型からスタッドキャパシタ(S
TC)型あるいはコルゲンチラド キャパシタセル(C
CC)型へとa造が変化してきた。
For the former, from a 5-inch single layer to a 5-inch Si nitride film and a 5-inch
It has changed to a multilayer thin film consisting of a combination with s,
Regarding the latter, planar type to stud capacitor (S
TC) type or Colgentirad capacitor cell (C
The a structure has changed to the CC) type.

しかし、これらの構造を用い、高誘電率薄膜を用いてさ
えも、先に述べた16メガビツトd・RAMにおいては
実効膜厚5nm (比誘電率3,8の5insで換算し
た場合)が必要になっている。
However, even if these structures are used and a high dielectric constant thin film is used, an effective film thickness of 5 nm (converted to 5 ins with a dielectric constant of 3.8) is required for the 16 megabit d-RAM mentioned above. It has become.

このような極めて薄い誘電体膜を実現するためのひとつ
の手段としてSi酸窒化膜、Si窒化膜。
Si oxynitride film and Si nitride film are one way to realize such an extremely thin dielectric film.

Si酸化膜を多層に形成する方法が提案されており、そ
の−例が特開昭62−2563号に述べられている。
A method of forming a multilayer Si oxide film has been proposed, an example of which is described in Japanese Patent Laid-Open No. 62-2563.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problem to be solved by the invention]

上記従来技術においては、次の手順を経て誘電体絶縁膜
を形成する方法が述べられている。
The above-mentioned prior art describes a method of forming a dielectric insulating film through the following steps.

■LPCVD法か直接窒化法を用いて、多結晶Si上に
第1のSi窒化膜を形成する第1の工程、■酸化処理に
よって上記Si窒化膜をナイトロオキサイド膜(Si酸
窒化膜)に変換する第2の工程、 ■LPCVD法により第2のSi窒化膜を形成する第3
の工程、 ■上記第2のSi窒化膜表面を酸化処理によって第2の
ナイトロオキサイド膜を形成する第4の工程。
■The first step of forming a first Si nitride film on polycrystalline Si using the LPCVD method or direct nitriding method.■Converting the Si nitride film to a nitroxide film (Si oxynitride film) by oxidation treatment. a second step of forming a second Si nitride film by the LPCVD method;
(2) A fourth step of forming a second nitroxide film by oxidizing the surface of the second Si nitride film.

上記手順で形成するWRWt体絶縁膜には以下の点につ
いて配慮されていない。
The following points are not considered in the WRWt body insulating film formed by the above procedure.

■第1の工程においてLPCVD法を用いる場合、多結
晶81表面に形成されている自然酸化膜の影響で5nm
程度の薄い膜は、膜質と膜厚の制御が極めて困難になる
■When using the LPCVD method in the first step, due to the influence of the natural oxide film formed on the surface of the polycrystalline 81, the
For thin films, it becomes extremely difficult to control film quality and film thickness.

■第1の工程において、Si窒化膜の形成に直接窒化法
を用いた場合、超LSIの製造において許容される95
0℃以下の温度では膜厚として通常2〜3nmが限度で
あり、さらに厚い膜を制御することは極めて困難となる
■In the first step, if a direct nitriding method is used to form the Si nitride film, the
At temperatures below 0° C., the film thickness is usually limited to 2 to 3 nm, and it is extremely difficult to control even thicker films.

■Si窒化膜を酸化処理する第2の工程において。(2) In the second step of oxidizing the Si nitride film.

第1の工程でL PCV D法を用いて形成したSi窒
化膜の場合、そのSi窒化膜が6nm以下の膜厚では耐
酸化性が全くなく、下層の多結晶Siが酸化されてしま
い、最終的膜厚制御が困鴛となる点、 ■Si窒化膜を酸化処理する第2の工程において、第1
の工程で直接窒化法を用いて形成したSi窒化膜は、多
結晶Si表面の自然酸化膜の影響で形成直後で既にSi
酸窒化膜の組成になっておりその膜厚は2〜3nmであ
る。
In the case of the Si nitride film formed using the L PCV D method in the first step, if the Si nitride film is less than 6 nm thick, it has no oxidation resistance, and the underlying polycrystalline Si is oxidized. In the second step of oxidizing the Si nitride film, the first
The Si nitride film formed using the direct nitriding method in the process of 1.
The composition is an oxynitride film, and the film thickness is 2 to 3 nm.

また膜厚方向のNと0の分布が−様ではなく。Also, the distribution of N and 0 in the film thickness direction is not -like.

多結晶Si表面側にNが偏析した分布になってい°る。The distribution is such that N is segregated on the polycrystalline Si surface side.

従って酸化処理することは重要な意味を持たず、逆に下
層の多結晶5ill化されないように酸化を制御するこ
とは難しい。
Therefore, the oxidation treatment has no important meaning, and on the contrary, it is difficult to control the oxidation so that the lower layer does not become polycrystalline.

■第3の工程で形成するSi窒化膜は、■と同じ理由で
耐酸化性に欠ける膜が成長してしまう。
(2) The Si nitride film formed in the third step grows a film that lacks oxidation resistance for the same reason as (2).

以上の問題点を回避するための対策として第1の工程に
t、pcvo法を用いる場合には最終的実効膜厚を9n
m以下にすることは困難であり、また直接窒化法を用い
た場合でも最終的実効膜厚を6nm以下にすることは困
難である。
As a countermeasure to avoid the above problems, when using the t and pcvo method in the first step, the final effective film thickness is 9n.
It is difficult to reduce the final effective film thickness to 6 nm or less, and even when direct nitriding is used, it is difficult to reduce the final effective film thickness to 6 nm or less.

本発明の目的は、膜厚が10nm以下、特に3〜3.5
 n m の、膜組成が−様なSi酸窒化膜を制御性良
く形成してv!重体絶縁膜となし、大容量化を実現でき
るキャパシタ構造体とその製造方法を提供することにあ
る。
The object of the present invention is to have a film thickness of 10 nm or less, particularly 3 to 3.5 nm.
By forming a Si oxynitride film with a film composition of - nm with good controllability, v! It is an object of the present invention to provide a capacitor structure that can realize a large capacity by using a heavy insulating film, and a method for manufacturing the same.

〔課題を解決するための手段〕[Means to solve the problem]

上記目的は、950℃以下の酸化剤(OzまたはH2O
)を含むN H8雰囲気中で熱処理して形成するSl酸
窒化膜をキャパシタ用誘電体絶縁膜として用いることに
より達成される。
The above purpose is to use an oxidizing agent (Oz or H2O
) is achieved by using a Sl oxynitride film formed by heat treatment in an N 2 H8 atmosphere as a dielectric insulating film for the capacitor.

〔作用〕[Effect]

N HaとOzの混合ガス中で熱処理することにより、
膜組成が−様なSi酸窒化膜が得られる。その機構の解
明はまだ十分ではないが、処理温度が950℃以下では
、現象的に次のことが言える。
By heat treatment in a mixed gas of NHa and Oz,
A Si oxynitride film having a -like film composition can be obtained. Although the mechanism has not yet been fully elucidated, the following phenomenon can be said when the processing temperature is 950° C. or lower.

■−旦形成された5iOzは窒化されにくい。(2) 5iOz formed once is difficult to be nitrided.

■N HsはS i Ox中を十分拡散しつる。■NHs sufficiently diffuses in SiOx.

■Siは窒化される。■Si is nitrided.

■Siが十分に窒化されてしまい、5iaNaに近い組
成の膜が形成されると、その膜自身がNHsの拡散の障
壁となるために、膜は形成されなくなる。
(2) When Si is sufficiently nitrided and a film having a composition close to 5iaNa is formed, the film itself becomes a barrier to the diffusion of NHs, and the film is no longer formed.

N HsとOxが共存している場合には窒化反応と酸化
反応が適度に均衡を保ちながら進行しているものと考え
られる。しかし、この場合でも02を用いている限り、
実用的に形成し得る膜厚は200人であり、それ以上の
膜厚を望む場合にはHx Oを用いなければならない、
02を多量に含有させてもNHsとの反応によってHx
 Oは生じるが、N Hsは可燃性物質で爆発の危険が
あるため、02濃度を過度に上げることは望ましくない
It is considered that when N Hs and Ox coexist, the nitriding reaction and the oxidizing reaction proceed while maintaining a proper balance. However, even in this case, as long as 02 is used,
The film thickness that can be practically formed is 200 mm, and if a thicker film thickness is desired, HxO must be used.
Even if a large amount of 02 is contained, Hx
Although O is produced, NHs is a flammable substance and poses a risk of explosion, so it is not desirable to increase the O2 concentration excessively.

〔実施例〕〔Example〕

オージェ電子分光法による分析や湿式エツチング法によ
るエツチング速度測定によって、上記方法で形成した膜
の組成分布や性質を調べ、また、比較のために、N H
sだけを用いた直接窒化法で形成した膜やLPCVD法
で形成したSi窒化膜などの試料についても同様の測定
を行なった結果、次のことが明らかとなった。
The composition distribution and properties of the film formed by the above method were investigated by analysis using Auger electron spectroscopy and etching rate measurement using wet etching method.
Similar measurements were performed on samples such as a film formed by a direct nitriding method using only s and a Si nitride film formed by an LPCVD method, and the following was clarified.

0950℃以下のN Hsだけによる直接窒化法では、
5iOzはほとんど窒化せれず、Si表面の窒化が進行
する。また、Si表面に形成し得る窒化膜厚は15人が
限界である。
In the direct nitriding method using only N Hs at temperatures below 0950°C,
5iOz is hardly nitrided, and the nitridation of the Si surface progresses. Further, the maximum thickness of the nitride film that can be formed on the Si surface is 15 people.

■従って、NH3だげによる直接窒化法では、例えば3
5人の膜厚を有するSi酸窒化膜を得ることは困難であ
る。また、その膜厚を得るために予め35人の5iOz
を形成した後に直接窒化を行なってもSiO2はほとん
ど窒化されないためSiO2とSiの界面にのみ窒化膜
が成長し、膜厚方向の組成分布は極めて不均一になって
しまう。
■Therefore, in the direct nitriding method using only NH3, for example, 3
It is difficult to obtain a Si oxynitride film having a thickness of 500 nm. In addition, in order to obtain that film thickness, 35 people's 5iOz
Even if direct nitridation is performed after forming SiO2, SiO2 is hardly nitrided, so a nitride film grows only at the interface between SiO2 and Si, and the composition distribution in the film thickness direction becomes extremely non-uniform.

■LPCVD法で形成するSi窒化膜は、膜形成の初期
の段階において、その膜質は下地の材料に著しく依存し
、5iOzの上に形成した場合には厚く形成したSi3
N2よりエツチング速度は大きく、また耐酸化法に欠け
る膜になる。
■The quality of the Si nitride film formed by the LPCVD method significantly depends on the underlying material at the initial stage of film formation.
The etching rate is higher than that of N2, and the resulting film lacks oxidation resistance.

以上の結果を実験結果に基きさらに詳細に説明する。第
2図、第3図は、従来の方法で形成したSi酸窒化膜の
湿式エツチング特性を、第4図は本発明の基本となるN
 I−1g −02混合ガス中で形成した膜の湿式エツ
チング特性を示している。湿式エツチングにはフッ化水
素酸(HF)対水(H2O)=1対100の組成の液を
用い、一定時間エツチングした後にエリプソメーター(
ガードナー社製。
The above results will be explained in more detail based on experimental results. Figures 2 and 3 show the wet etching characteristics of a Si oxynitride film formed by the conventional method, and Figure 4 shows the N
The wet etching characteristics of the film formed in I-1g-02 mixed gas are shown. For wet etching, a solution with a composition of hydrofluoric acid (HF) to water (H2O) = 1:100 is used, and after etching for a certain period of time, an ellipsometer (
Manufactured by Gardner.

L115A)で残存膜厚を測定する手順を繰り返した。The procedure for measuring the remaining film thickness was repeated with L115A).

また、実験試料としては(100)単結晶Si基板にリ
ン拡散を行なって表面不純物濃度が3X10”C3I−
3になるように処理し、表面に形成されたリンガラスを
除去したものを用いた。なお、エリプソメーターでは高
濃度に不純物を拡散させたSi基板の光学定数が変化す
るため、その表面に膜が形成されていない状態でも10
人の値を示す。各回に示した結果において10Å以下の
値がないのはそのためである。従って以下の説明で扱う
膜厚は図中の残存膜厚から10人差し引いた値を用いる
In addition, as an experimental sample, phosphorus was diffused into a (100) single-crystal Si substrate, and the surface impurity concentration was 3X10"C3I-
3, and the phosphorus glass formed on the surface was removed. In addition, in an ellipsometer, the optical constants of the Si substrate on which impurities are diffused at a high concentration change, so even when no film is formed on the surface, the
Showing people's values. This is why there are no values below 10 Å in the results shown each time. Therefore, the film thickness used in the following explanation is the value obtained by subtracting 10 people from the residual film thickness in the figure.

第2図に示した試料Aは熱酸化しただけの試料であり、
直線の傾きが示すエツチング速度は約30人/m、in
である。Bは、自然酸化膜が10人成長している試料を
900℃のN Ha雰囲気中で20分間直接窒化を行な
ったものである。エツチング速度はAに比べて格段に遅
くなり窒化されていることがわかる。しかし、1000
℃の温度で同じ処理を施してもほとんど同じエツチング
特性を示し、温度を上げて処理しても膜厚の増加はみら
れない。従って本発明の温度範囲を限定する950℃以
下の温度において直接窒化反応だけで所望の膜厚を得る
ことは実質的に困難である。
Sample A shown in Figure 2 is a sample that has only been thermally oxidized.
The etching speed indicated by the slope of the straight line is approximately 30 people/m, in
It is. Sample B was obtained by directly nitriding a sample in which 10 native oxide films had grown for 20 minutes in an NHa atmosphere at 900°C. It can be seen that the etching rate is much slower than in A, indicating that it is nitrided. But 1000
Even when the same treatment is performed at a temperature of 100°C, almost the same etching characteristics are obtained, and no increase in film thickness is observed even when the temperature is raised. Therefore, it is substantially difficult to obtain a desired film thickness by direct nitridation alone at temperatures below 950° C., which limits the temperature range of the present invention.

Cは、予め30人の熱酸化膜を形成した試料を上記条件
で直接窒化したものである。この試料ではエツチング開
始直後ではエツチング速度が速く5insはほぼ同等で
あるが、エツチング時間の経過と共にエツチング速度は
遅くなり、100秒以降ではLPCVD法で厚く形成し
たSi窒化膜(第3図F参照)と同等のエツチング速度
を示している。
Sample C was obtained by directly nitriding samples on which 30 thermal oxide films had been formed in advance under the above conditions. In this sample, the etching speed is fast immediately after the start of etching, and the etching speed of 5ins is almost the same, but as the etching time progresses, the etching speed slows down, and after 100 seconds, the Si nitride film formed thickly by the LPCVD method (see Fig. 3F) It shows an etching speed equivalent to that of .

すなわち、窒化反応は5iOzとSiの界面、言い換え
ればSiの表面で集中的に生じており。
That is, the nitriding reaction occurs intensively at the interface between 5iOz and Si, in other words, at the surface of Si.

S i Oxはほとんど窒化されていないことを示して
いる。また集中的に窒化されている層の厚みはせいぜい
10人である。従って950℃以下の温度では予め形成
しておいた5iOz膜を組成分布が一様なSi′e11
窒化膜に変換することは困難である。
This shows that S i Ox is hardly nitrided. Moreover, the thickness of the intensively nitrided layer is at most 10 layers. Therefore, at temperatures below 950°C, the preformed 5iOz film is converted into a Si′e11 film with a uniform composition distribution.
It is difficult to convert to nitride film.

第3図を用いてLPCV[)法で形成する薄いSi窒化
膜の性質について説明する。Dは自然酸化膜が10人形
成されている試料に、ジクロロシランC3iHxCQ 
z)とN Haを原料ガスとし、圧力0.6Torr温
度770℃を条件とするLPCVD法で厚さ50人のS
i窒化膜を形成したものである。極く表面層にエツチン
グ速度の遅い領域が存在するものの膜全体のエツチング
速度は速く、5iOz(Lで示した直線)と同等であり
、本来エツチング速度の遅いSi窒化膜(Fで示した直
線)の存在はみられない、一方、Eは自然酸化膜が10
人形成されていた試料を900℃のNHsp囲気中で2
0分間直接窒化し、その後りの試料と全く同時にLPC
VD法で50人のSi窒化膜を形成したものである。こ
の試料においてはエツチング速度はかなり遅く、エツチ
ング開始直後の表面層ではFの直線に近いエツチング速
度を示している。その後、エツチング時間の経過と共に
エツチング速度が速くなり、最後にFと同等の遅いエツ
チング速度を示す直接窒化された領域が現れている。
The properties of a thin Si nitride film formed by the LPCV[) method will be explained with reference to FIG. In D, dichlorosilane C3iHxCQ was added to the sample in which 10 natural oxide films were formed.
z) and NHa as raw material gases, a thickness of 50 mm was obtained using the LPCVD method under the conditions of a pressure of 0.6 Torr and a temperature of 770°C.
An i-nitride film is formed. Although there is a region where the etching rate is extremely slow in the surface layer, the etching rate of the entire film is fast and is equivalent to 5iOz (straight line indicated by L), which is equivalent to that of the Si nitride film (straight line indicated by F), which originally has a slow etching rate. On the other hand, in E, the natural oxide film is 10
The human-formed sample was placed in an NHSP atmosphere at 900℃ for 2 hours.
Directly nitrided for 0 minutes, then LPCed at the same time as the subsequent sample.
A Si nitride film was formed by 50 people using the VD method. In this sample, the etching rate is quite slow, and the surface layer immediately after the start of etching shows an etching rate close to the F line. Thereafter, the etching rate increases as the etching time elapses, and finally a directly nitrided region appears that exhibits a slow etching rate comparable to F.

第3図におけるDとEの違いは、下地が5iOzである
か、または直接窒化されたSi酸窒化膜であるかによっ
て、その上にLPCVD法で形成するSi窒化膜の膜質
が大きく異なっていることを示している。この膜質の違
いは熱酸化した場合にも明白であった。900℃の水素
焼煙方式によるいわゆるウェット(Wet)酸化を、B
、C,D、Eの各試料に同時に施したところ、Dの試料
だけは全く耐酸化性がなく、厚いSi酸化膜が形成され
た。
The difference between D and E in Figure 3 is that the quality of the Si nitride film formed thereon by the LPCVD method differs greatly depending on whether the base is 5iOz or a directly nitrided Si oxynitride film. It is shown that. This difference in film quality was also evident when thermally oxidized. B
, C, D, and E at the same time, only sample D had no oxidation resistance and a thick Si oxide film was formed.

B、C,Eについては充分な耐酸化性を示し、Si表面
に存在するわずか1o人程度の窒化層が極めて耐酸化性
に優れた膜であることが明らかと゛  なった、従って
表面に5iftが形成されている基板の上にLPCVD
法でSi窒化膜を形成しても、それは本来のSi窒化膜
の性質(エツチング速度が遅く、耐酸化性に優れている
)を有しておらず。
B, C, and E showed sufficient oxidation resistance, and it became clear that the nitride layer of only about 1 layer existing on the Si surface was a film with extremely excellent oxidation resistance. LPCVD on the formed substrate
Even if a Si nitride film is formed by a method, it does not have the original properties of a Si nitride film (slow etching rate and excellent oxidation resistance).

熱酸化の障壁を目的として用いることは実質的に困難で
ある。従来技術の問題点の項に述べた■および■の理由
はこの点にある。
It is practically difficult to use it for the purpose of thermal oxidation barrier. This is the reason for points (1) and (2) mentioned in the section on problems with the prior art.

一方、第4図は本発明の主旨となる方法で形成した膜の
エツチング特性を示している。なお1本図では第2図お
よび第3図の縦軸の目的を1/2に縮少して示しである
。J、には参考としてSi窒化膜およびSil!dl化
膜のエツチング特性を示している。Gは、3%の酸素(
Ox )を含有するNH8+NZ (Oxのキャリアガ
スとして用いた)雰囲気で35分間熱処理した試料であ
る。装置は通常の横型電気炉を用い自然酸化膜は10Å
以上成長しないように配慮した。温度は900℃。
On the other hand, FIG. 4 shows the etching characteristics of a film formed by the method that is the gist of the present invention. In this figure, the purpose of the vertical axis in FIGS. 2 and 3 is reduced to 1/2. J, shows Si nitride film and Sil! as a reference. It shows the etching characteristics of the dl film. G is 3% oxygen (
This sample was heat-treated for 35 minutes in an atmosphere of NH8+NZ (used as a carrier gas for Ox) containing Ox. The equipment is a normal horizontal electric furnace, and the natural oxide film is 10 Å.
Care was taken to prevent it from growing any further. The temperature is 900℃.

NHa流量2Q/win圧力は大気圧とした。この場合
には、形成された膜厚は75人であり、エツチング速度
も極めて一様で膜厚方向の組成分布の変動が全くみられ
ない、エツチング速度は、Si窒化膜(J)とSi酸化
膜(K)のほぼ中間の値を示し、均一なSi酸窒化膜に
なっていること°がわかる。Hは同じ条件で10分間熱
処理した試料である。この時に形成された膜厚は35人
であり、全く同様のエツチング特性を示し、膜厚の時間
制御および膜質の制御が極めて容易に実現できることが
わかった。■は、同じ条件で15分間熱処理した後、o
zの供給を停止し、NH3だけでさらに30分間連続的
に熱処理した試料である。この場合には膜中の組成を全
く変えることなく、Si表面にのみ窒化が集中した層を
形成することができる。
NHa flow rate 2Q/win pressure was atmospheric pressure. In this case, the thickness of the film formed was 75 mm, and the etching rate was also extremely uniform, with no fluctuations in the composition distribution in the film thickness direction. It can be seen that the film (K) has a value approximately in the middle of that of the film (K), indicating that it is a uniform Si oxynitride film. H is a sample heat-treated for 10 minutes under the same conditions. The thickness of the film formed at this time was 35 mm, showing exactly the same etching characteristics, and it was found that time control of film thickness and control of film quality could be realized extremely easily. ■ After heat treatment for 15 minutes under the same conditions, o
This sample was continuously heat-treated with NH3 alone for an additional 30 minutes with the supply of z stopped. In this case, a layer in which nitridation is concentrated only on the Si surface can be formed without changing the composition in the film at all.

以上湿式エツチングによるエツチング特性について説明
したが、オージェ電子分光分析を行なった結果の一例に
ついて触れておく、第5図は、第2図に示した試料Bの
深さ方向の組成分析を行なった結果を示したものである
。表面層がSiとNと○からなるSi酸窒化膜になって
いることは明らかであるが、深さ方向の組成分布が極め
てあいまいで、実際の膜厚との対応がとれないという分
析手法特有の不都合がある。従ってスパッタリング時間
で示される膜厚(深さ)と組成分布との関連の真実性に
常に問題点を含んでいる。そのために本発明の説明にお
いては湿式エツチング法を用いている。
Although we have explained the etching characteristics of wet etching above, we will also touch on an example of the results of Auger electron spectroscopy. Figure 5 shows the results of compositional analysis in the depth direction of sample B shown in Figure 2. This is what is shown. Although it is clear that the surface layer is a Si oxynitride film consisting of Si, N, and ○, the composition distribution in the depth direction is extremely ambiguous, and is unique to the analysis method in that it cannot correspond to the actual film thickness. There are some inconveniences. Therefore, there is always a problem in the veracity of the relationship between the film thickness (depth) indicated by the sputtering time and the composition distribution. For this reason, a wet etching method is used in the description of the present invention.

次にLPCVD法が形成するSi窒化膜の膜厚制御性の
問題について触れる。第6図はLPCVD法で形成する
Si窒化膜と本発明の主旨であるNH8−02酸窒化法
で形成したSi酸窒化膜の膜厚制御性の違いを示してい
る。いずれも35人を設定膜厚として、膜形成を行なっ
た時の処理回数とひとつの試料上の平均膜厚との関係を
示している。
Next, we will discuss the problem of film thickness controllability of the Si nitride film formed by the LPCVD method. FIG. 6 shows the difference in film thickness controllability between a Si nitride film formed by the LPCVD method and a Si oxynitride film formed by the NH8-02 oxynitridation method, which is the gist of the present invention. In both cases, the film thickness was set using 35 people, and the relationship between the number of treatments when film formation was performed and the average film thickness on one sample is shown.

LPCVD法では30から40人の範囲内で膜厚が大き
くばらついているのに対し、本発明によるN11s−0
2法では、ばらつきが2人と非常に小さく。
In the LPCVD method, the film thickness varies widely within the range of 30 to 40 people, whereas the N11s-0 film according to the present invention
In the 2 method, the variation is very small with only 2 people.

極めて制御性が良いことを示している。従来からLPC
VD法は、常圧CVD法に比べて膜厚分布が小さく、制
御性に優れていることから、半導体製造工程において広
範に用いられてきたが、キャパシタ絶縁膜のように50
人程度の極めて薄い膜を制御することは粱しいのが現状
である。
This shows that the controllability is extremely good. Conventionally, LPC
The VD method has been widely used in semiconductor manufacturing processes because it has a smaller film thickness distribution and better controllability than the normal pressure CVD method.
At present, it is difficult to control membranes as thin as a human being.

本発明においては上記LPCVD法で形成するSi窒化
膜の制御性の悪さを回避するため、LPCVD法で形成
するSi窒化膜を用いずにキャパシタ用誘電体絶縁膜を
形成することもひとつの主旨をしている。
In the present invention, in order to avoid poor controllability of the Si nitride film formed by the LPCVD method, one of the main points is to form the dielectric insulating film for the capacitor without using the Si nitride film formed by the LPCVD method. are doing.

第7図はキャパシタの作成工程を模式的に示した断面図
である。n型(100)面方位を有する比抵抗1Ω・■
のSi基板201上に厚さ500人の5iOz202を
熱酸化法により形成した。
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the capacitor manufacturing process. Specific resistance 1Ω・■ with n-type (100) plane orientation
A 5iOz layer 202 having a thickness of 500 wafers was formed on a Si substrate 201 by a thermal oxidation method.

次に周知のホトエツチング法を用いて所定領域の5iO
zを除去した。さらに周知のLPCVD法を用いて厚さ
2000人のSi膜203を形成し、その後熱拡散法に
よってSi膜中のリンを導入した。
Next, a predetermined area is etched with 5iO using a well-known photoetching method.
Removed z. Further, a Si film 203 having a thickness of 2000 wafers was formed using the well-known LPCVD method, and then phosphorus was introduced into the Si film using a thermal diffusion method.

熱拡散時、Si表面に形成されたリンガラスを除去した
(3)。次にNHa−Ox法によりSi酸窒化膜を形成
した。加熱装置には、酸化等に一般的に用いられている
横型電気炉を用いた。試料挿入時、空気の巻き込みによ
ってSi膜203の表面に自然酸化膜が成長しないよう
に配慮した。炉中に試料を設置した後、NHa2 Q 
/win、02100ce/win、該o2のキャリア
ガスとしてNz IQ/win、温度900℃の条件で
10分間熱処理し、厚さ35人のSi酸窒化膜204を
形成した(b)。
During thermal diffusion, phosphorus glass formed on the Si surface was removed (3). Next, a Si oxynitride film was formed by the NHa-Ox method. A horizontal electric furnace, which is commonly used for oxidation, was used as a heating device. When inserting the sample, care was taken to prevent a natural oxide film from growing on the surface of the Si film 203 due to air entrainment. After placing the sample in the furnace, NHa2Q
/win, 02100ce/win, Nz IQ/win as the o2 carrier gas and heat treatment at a temperature of 900° C. for 10 minutes to form a Si oxynitride film 204 with a thickness of 35 mm (b).

その後、再びLPCI/[)法によりSi膜205を形
成し、Si基板の裏面に形成されたSi膜および5iO
z膜を除去した。さらに熱拡散法でSi膜205にリン
を導入し、ホトエツチングによってバターニングし、上
部1!極を形成してキャパシタを構成した。
After that, a Si film 205 is formed again by the LPCI/[) method, and the Si film and 5iO
The z film was removed. Furthermore, phosphorus is introduced into the Si film 205 using a thermal diffusion method, buttering is performed by photoetching, and the upper part 1! A capacitor was constructed by forming poles.

測定はSi基板201を下部電極として接地電位に保ち
、上部電極に正(正バイアス)または負(負バイアス)
の階段波電圧Vaを掃引することによ、り行なった(C
)。
The measurement is performed by keeping the Si substrate 201 at the ground potential as the lower electrode, and applying a positive (positive bias) or negative (negative bias) to the upper electrode.
This was done by sweeping the step wave voltage Va of (C
).

第8図は、電流−電圧特性の一例を示している。FIG. 8 shows an example of current-voltage characteristics.

縦軸は面積で規格化した漏洩電流で示しである。The vertical axis represents leakage current normalized by area.

正、負のバイアス依存性がほとんどなく、破壊に至る電
圧も高く、LPCVD法で形成したSi窒化膜に比べて
漏洩電流が少ない膜になっている0本実施例のSi酸窒
化膜だけでもキャパシタ絶縁膜として充分使用に耐え得
るが、さらに信頼度を上げる目的で、Si酸窒化膜を形
成した後、酸化剤を含まないNH♂雰囲気中でS i 
Pa 203およびSi酸窒化膜204の界面に窒化層
を形成した後、酸化性IJg囲気で熱処理しても良い。
There is almost no dependence on positive or negative bias, the voltage leading to breakdown is high, and the leakage current is lower than that of the Si nitride film formed by the LPCVD method. Although it can withstand use as an insulating film, in order to further improve reliability, after forming a Si oxynitride film, it was
After forming a nitride layer at the interface between the Pa 203 and the Si oxynitride film 204, heat treatment may be performed in an oxidizing IJg atmosphere.

この場合においてもLPCVD法を用いることがないの
で膜厚制御性を悪化させることがなく信頼性の高いキャ
パシタを形成することができる。
In this case as well, since the LPCVD method is not used, a highly reliable capacitor can be formed without deteriorating film thickness controllability.

第1図は、5TCp造のダイナミックRAMを構成する
キャパシタの誘電体絶縁膜に本発明を適用した場合の断
面構造を示した。p型の(100)面方位を有するSi
基板101上にゲート絶縁膜103とゲート電極となる
多結晶5i104とソース、ドレインを構成するn型不
純物拡散層106とから成るスイッチングMOSトラン
ジスタを形成し、ソース領域に接してSi膜107を形
成しバターニングを施してキャパシタの下部電極とした
。Si膜107表面にNHs−02法によるSi酸窒化
膜を形成し、さらに上部電極となるSi膜109を形成
してキャパシタを構成した。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure when the present invention is applied to a dielectric insulating film of a capacitor constituting a 5TCp dynamic RAM. Si with p-type (100) plane orientation
A switching MOS transistor is formed on a substrate 101, consisting of a gate insulating film 103, a polycrystalline 5i 104 serving as a gate electrode, and an n-type impurity diffusion layer 106 forming a source and a drain, and a Si film 107 is formed in contact with the source region. It was buttered to form the lower electrode of the capacitor. A Si oxynitride film was formed on the surface of the Si film 107 by the NHs-02 method, and a Si film 109 serving as an upper electrode was further formed to form a capacitor.

以下リンガラス110、AQ配線111を形成してメモ
リーセルとした。また、本発明はSi基板に溝を形成し
てキャパシタを構成するCCC構造などにも適用し得る
もので構造上の制約は全くない。
Thereafter, phosphorus glass 110 and AQ wiring 111 were formed to form a memory cell. Further, the present invention can be applied to a CCC structure in which a capacitor is formed by forming a groove in a Si substrate, and there are no structural restrictions at all.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、処理装置として通常−射的に用いられ
ている電気炉を用いるだけで膜質が一様で信頼性の高い
35人程度の極めて薄い誘電体絶縁膜を制御性良く形成
することができる。また、従来のキャパシタ用誘電体絶
縁膜として用いられてきたLPCVD法で形成するSi
窒化膜を必要としないため高価な処理装置が不要となり
、経済的にも大きな利点がある。前述の如き薄い誘電体
絶縁膜を形成することによって50人の絶縁膜を用いた
場合に比べてメモリーセルの平面面積を半分以下にする
ことが可能となり集積度の向上に効果がある。
According to the present invention, it is possible to form an extremely thin dielectric insulating film with uniform film quality and high reliability with good controllability by simply using an electric furnace that is normally used as a processing device. I can do it. In addition, Si
Since no nitride film is required, there is no need for expensive processing equipment, and there is a great economic advantage. By forming a thin dielectric insulating film as described above, it is possible to reduce the planar area of the memory cell by half or less compared to the case where 50 insulating films are used, which is effective in improving the degree of integration.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例になるキャパシタを用いたS
TC構造の断面図、第2図および第3図は従来技術によ
る誘電体絶縁膜のエツチング特性図、第4図は本発明の
実施例における酸窒化シリコン膜のエツチング特性図、
第5図は酸窒化シリコン膜のオージェ電子分光法による
分析結果を示すグラフ、第6図はLPCVD法とNHs
  Oz法による膜厚制御性を示すグラフ、第7図は本
発明の一実施例のキャパシタ形成工程を説明するための
断面図、第8図は本発明の実施例によるキャパシタ茅 
l 図 茅 27 ニー、’l−’−7”叶へ1(計) 第4図 JLX) h 工、・■今〉フ゛吟間 (−t’)ン 早 5 図 又ハーソクソ〉2″ 11′+M<l>ン茅 ム 凹 ′「 茅′7図         乎8因
FIG. 1 shows an S using a capacitor which is an embodiment of the present invention.
A cross-sectional view of the TC structure, FIGS. 2 and 3 are etching characteristic diagrams of a dielectric insulating film according to the prior art, and FIG. 4 is an etching characteristic diagram of a silicon oxynitride film in an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a graph showing the analysis results of silicon oxynitride film by Auger electron spectroscopy, and Figure 6 is a graph showing the results of analysis using LPCVD method and NHs
A graph showing film thickness controllability by the Oz method, FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a capacitor forming process according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a graph showing a capacitor according to an embodiment of the present invention.
l Fig. 27 Knee, 'l-'-7'' to the leaves 1 (total) Fig. 4 JLX) h Engineering,・■ Now〉Fginma (-t') Kun early 5 Fig. Matata Hersoku〉2''11'+M<l>n茅 ム dent′ “茅′7 figure 乎8reason

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、半導体基板もしくは該半導体基板上に形成されたS
i層を第1の電極とし、該電極上に誘電体絶縁膜を形成
し、さらに第2の電極を形成して構成するキャパシタ構
造体において、該誘電体絶縁膜が、第1の電極を、少な
くとも酸化剤(O_2、H_2O、N_2O等)及びア
ンモニア(NH_3)を含む雰囲気で熱処理して得られ
るSi酸窒化膜(オキシナイトライド)を少なくとも含
んで構成されることを特徴とするキャパシタ構造体。 2、上記誘電体絶縁膜が、上記Si酸窒化膜を熱酸化し
て得られるSi酸窒化膜を少なくとも含んで構成される
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のキャパシ
タ構造体。 3、半導体基板上に第1の電極となるSi層を形成する
第1の工程と、酸化剤およびNH_3を含む950℃以
下の雰囲気において第1の電極表面に熱窒化によるSi
酸窒化膜を含む誘電体絶縁膜を形成する第2の工程と、
上記誘電体絶縁膜上に第2の電極を形成する第3の工程
を含むことを特徴とするキャパシタ構造体の製造方法。 4、半導体基板上に第1の電極となるSi層を形成する
第1の工程と、酸化剤およびNH_3を含む950℃以
下の雰囲気において第1の電極表面を熱窒化して所望の
厚さのSi酸窒化膜を形成した後、酸化剤の供給を停止
して熱処理する工程を含むことによつて第1の電極と前
記Si酸窒化膜の界面に窒素含有率の高い層を形成し、
その後、酸化性雰囲気において熱処理し、誘電体絶縁膜
と成す第2の工程と、第2の電極を形成する第3の工程
を含むことを特徴とするキャパシタ構造体の製造方法。
[Claims] 1. Semiconductor substrate or S formed on the semiconductor substrate
In a capacitor structure configured by using the i-layer as a first electrode, forming a dielectric insulating film on the electrode, and further forming a second electrode, the dielectric insulating film serves as the first electrode, A capacitor structure comprising at least a Si oxynitride film (oxynitride) obtained by heat treatment in an atmosphere containing at least an oxidizing agent (O_2, H_2O, N_2O, etc.) and ammonia (NH_3). 2. The capacitor structure according to claim 1, wherein the dielectric insulating film includes at least a Si oxynitride film obtained by thermally oxidizing the Si oxynitride film. 3. The first step of forming a Si layer that will become the first electrode on the semiconductor substrate, and forming the Si layer on the surface of the first electrode by thermal nitridation in an atmosphere of 950°C or lower containing an oxidizing agent and NH_3.
a second step of forming a dielectric insulating film including an oxynitride film;
A method for manufacturing a capacitor structure, comprising a third step of forming a second electrode on the dielectric insulating film. 4. The first step is to form a Si layer that will become the first electrode on the semiconductor substrate, and the surface of the first electrode is thermally nitrided to a desired thickness in an atmosphere of 950°C or lower containing an oxidizing agent and NH_3. After forming the Si oxynitride film, a layer with a high nitrogen content is formed at the interface between the first electrode and the Si oxynitride film by including a step of stopping the supply of an oxidizing agent and performing heat treatment,
A method for manufacturing a capacitor structure, the method comprising: a second step of performing heat treatment in an oxidizing atmosphere to form a dielectric insulating film; and a third step of forming a second electrode.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717792A1 (en) * 1997-04-26 1998-11-05 Micronas Semiconductor Holding Method for producing a capacitance structure on a silicon substrate in a MOS process

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