JPH03262150A - 半導体容量装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、半導体容量装置に関するものである。

従来の技術 近年、半導体記憶装置、とりわけ、ダイナミック・ラン
ダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ＞の高集積化、大容
量化に伴い、チップサイズの約半分を占有するメモリセ
ルの高集積化が必須のものとなっている。したがって、
これらのメモリセルには微細化が要求されるとともに、
メモリとしての信頼性を確保するため、十分なセル容ｆ
ｆ１（４０ｆＦ以上）の確保も要求されている。これら
の要求を満足するため、セル容量素子の構造も従来の平
板型容量に代わるものとして、３次元構造を持つ溝掘り
構造容量、積層構造容量等が提案されている。

第２図は３次元積層構造を有するメモリセルの容量部分
の断面図である。シリコン基板１同一または反対導電型
の拡散層２有するシリコン基板１上に形成された酸化シ
リコン膜３の所定部分て、拡散層２と電気的に接続され
た多結晶シリコン膜４を形成した後、多結晶シリコン膜
を既知のフォトリソグラフィー技術とトライエツチング
技術により加工し、容量の下部電極となる多結晶シリコ
ン電極４を形成する。このとき、多結晶シリコン膜４表
面には非常に薄い酸化シリコン膜５が自然酸化により形
成される。その後、前記の非常に薄い酸化シリコン膜５
上に窒化シリコン膜６を堆積し、前記窒化シリコン膜６
表面に熱酸化により酸化シリコン膜７を形成した後、容
量の」１部電極となる多結晶シリコン膜８を堆積するこ
とで、多結晶シリコンを電極とし、窒化シリコン膜およ
び酸化シリコン膜による複合絶縁膜を絶縁膜とする半導
体容量か形成される。この構造の容量素子では電極であ
る多結晶シリコン膜の側壁部分にも容量が形成され、ま
た絶縁膜が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との複合絶
縁膜であるため、従来の酸化シリコン膜単体に比べ高い
誘電率となり、平板容量に比へ大きな容量が確保できる
。

発明が解決しようとする課題 ３次元積層構造を持つ容量素子は、電極である多結晶シ
リコン膜の側壁部も容量上して利用できるため、平板型
容量に比べ同し占有面積で大きな容量を確保することが
できる。特に、下部の電極を表面の凹凸の大きい絶縁膜
上に形成したり、下部電極と上部電極を交互に櫛型に配
置し、多層の積層構造をとることにより、より大きな容
量を確保することができる。しかし、その構造上、多層
化にも限界があり、より一層の容量の増大には容量絶縁
膜の実効的な厚さを薄くする必要がある。

したがって、容量絶縁膜の実効的な厚さは下部電極であ
る多結晶シリコン膜上の自然酸化による非常に薄い酸化
シリコン膜とその上部に堆積された窒化シリコン膜およ
び窒化シリコン膜上の上部酸化シリコン膜の厚さにより
決定される。窒化シリコン膜上の上部酸化膜は容量の漏
れ電流の低減を行うためには、ある限度以下に薄膜化す
ることはできず、窒化シリコン膜もあまり薄（すると、
直接トンネル電流が流れるため、薄膜化に限度がある。

しかし、下部の多結晶シリコン電極上の非常に薄い酸化
膜は積極的に成長したものではなく、自然酸化あるいは
窒化シリコン膜堆積時に成長したものであり、容量を十
分確保するためにはこの下部の酸化シリコン膜は全くな
いことが好ましい。したがって、十分な容量を確保する
ためには下部電極の多結晶シリコン膜上に酸化シリコン
膜を成長させずに、直接窒化シリコン膜を堆積ずればよ
い。これらを実現する方法としては公知の方法かい（つ
か提案されているが、いずれも窒化シリコン膜の成長直
前に化学的エツチングにより酸化シリコン膜を除去する
ものが主流であり、窒化シリコン膜の堆積装置の構造が
複雑なものとなる。また、多結晶シリコン膜は酸化され
やすいため、−旦エッチングにより酸化シリコン膜を除
去しても、またすぐに酸化シリコン膜が成長してしまう
可能性がある。

本発明の目的は、下部電極である多結晶シリコン膜上の
酸化シリコン膜の成長を押さえながら、さらに容量を大
幅に増大させるとともに容量絶縁膜の漏れ電流を大幅に
低減できる構造を備えた半導体容量装置を提供すること
である。

課題を解決するための手段 上記目的を達成するために、本発明は半導体基板と、前
記半導体基板表面に形成された拡散層と、前記半導体基
板上に形成された絶縁膜と前記絶縁膜に形成されたコン
タクトポールと、前記絶縁膜の少な（ともコンタクトホ
ールを含む所定領域に形成された導電膜き、前記導電膜
上に形成された複合絶縁膜とを備え、前記複合絶縁膜が
酸化膜を窒化した第１の窒化膜と第２の窒化膜と窒化膜
を酸化した酸化膜と第３の窒化膜がこの順番で形成され
ている半導体容量装置である。

作用 本発明によれば、容量の下部電極である多結晶シリコン
膜上に成長した自然酸化膜は純アンモニア雰囲気中の急
速熱窒化により窒化され、多結晶シリコン膜表面には非
常に薄い窒化シリコン膜が形成される。この窒化シリコ
ン膜は酸化シリコン膜に比べ誘電率が高いうえ、この膜
の上部に窒化シリコン膜を堆積する工程で高温にさらさ
れても多結晶シリコン表面に酸化シリコン膜が成長する
のを防ぐことができる。このため、多結晶シリコン膜上
には、最終的には非常に薄い窒化シリコン膜、窒化シリ
コン膜、窒化シリコン膜の酸化膜および窒化シリコン膜
の４層から構成される絶縁膜が形成される。しかし、下
層の非常に薄い窒化シリコン膜上その上部の窒化シリコ
ン膜は基本的に同じ窒化シリコン膜であるため、実質的
には窒化シリコン膜、窒化シリコン膜の酸化膜および窒
化シリコン膜の３層構造の絶縁膜が実現できる。この構
造では窒化シリコン膜の下部に酸化シリコン膜かないた
め、複合絶縁膜全体の誘電率の低下も小さく、大きい容
量の半導体容量が実現できる。

また、リーク電流を阻止するための窒化シリコン膜の酸
化膜が上下の窒化シリコン膜で挟まれる構造となるため
、リーク電流の極性依存性がなく、低リーク電流の半導
体容量が実現できる。

実施例 本発明の実施例を図面を用いて説明する。第１図は、本
発明の一実施例を示した工程順断面図である。

まず、第１図（ａ）に示すようにＰ型シリコン基板１上
に、既知の選択拡散技術によりＮ型拡散層を形成し、前
記シリコン基板の表面に減圧ＣＶＤ法により酸化シリコ
ン膜２を例えば１５０ｎｍ堆積する。この酸化シリコン
膜２の所定の部分に既知のフォトリソグラフィー技術お
よびドライエツチング技術により開口部を形成する。さ
らに、酸化シリコン膜２および酸化シリコン膜の開口部
のＮ型拡散層上に、減圧ＣＶＤ法により例えば燐原子を
３　Ｘ　１０”ｃｍ−３含有する多結晶シリコン膜４を
４００ｎｍ堆積する。その後、第１図（ｂ）に示すよう
に、既知のフォトリソグラフィー技術とドライエツチン
グ技術により、前記多結晶シリコン膜４を所定の形状に
パターンニングし、容量の下部電極とする。このとき、
多結晶シリコン膜４上には常温で約１．２層ｍの酸化シ
リコン膜５が自然酸化により形成される。この酸化シリ
コン膜の結合状態は単結晶シリコン上の酸化膜と比へ不
完全であり、電気特性もよくない。つぎに、第１図（Ｃ
）に示すように純度９９．９９９９％以上のアンモニア
雰囲気中で急速熱窒化により例えば１０５０　’０１５
秒間の窒化処理を行う。急速熱窒化では試料は常温でチ
ャンバー内に導入されるため、多結晶シリコン膜の表面
には自然酸化による酸化シリコン膜だけである。チャン
バー内を十分窒素カスでパージした後、アンモニアカス
を導入して昇温を開始し、１０５０℃で１５秒窒化処理
を行う。その後、ガスを窒素ガスに切り替えて冷却を行
い、温度が約２００　’Ｃ以下に低下してから試料をチ
ャンバーから取り出す。これにより、多結晶シリコン表
面４には膜厚約１．５層ｍの窒化シリコン膜９が形成さ
れる。この窒化シリコン膜９は自然酸化による酸化シリ
コン膜５を窒化したものであるか膜中の酸素の含有量は
非常に低く、窒化シリコン膜になっている。このとき、
同時に多結晶シリコン膜４以外の酸化シリコン膜３の表
面も窒化が行われ、表面領域に５層ｍ程度の窒化酸化膜
か形成される。この窒化酸化膜は膜中に窒素を５〜１５
％含有している。その後、第１図（ｄ）に示すように減
圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜６を約３　、５　ｎ　
ｍ堆積する。窒化シリコン膜形成時に多結晶シリコン表
面は高温にさらされるが、表面に窒化シリコン膜９があ
るため、多結晶シリコン膜４の表面は酸化されない。続
いて、膜厚３．５層ｍの窒化シリ、コン膜６の表面を例
えば９００℃トリクロロエタン５００ｍｇ／分。酸素流
量８ｅ／分で６０分間酸化を行い、前記、窒化シリコン
膜６表面に約２ｎｍの酸化シリコン膜７を形成した。こ
の酸化シリコン膜７は膜中に窒素を２〜２０％程度含有
している。その後、第１図（Ｅ）に示すように、この酸
化シリコン膜７上に減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜
１０を４層ｍ程度堆積し、容量の」一部電極として減圧
ＣＶ、Ｄ法により例えば燐原子を３　Ｘ　１０２’ｃｍ
−３含有する多結晶シリコン膜８を２００ｎｍ程度堆積
し、既知のフォトリソグラフィー技術とドライエツチン
グ技術により上部電極の多結晶シリコン膜８のパターン
ニングを行って容量を形成する。以上の実施例は単にパ
ターンのないシリコン基板上に多結晶シリコン膜を電極
とする積層型の容量を形成する場合の実施例であるが、
容量を形成するシリコン基板上にトランジスタなとの素
子がある場合も同様な方法で形成て　０ きる。また、容量電極を構成する多結晶シリコン膜が２
層でなく多層構造がらなり、たとえば櫛型構造をとるこ
とにより容量を増大させている場合も同様な方法が適用
できる。

上記の実施例では容量絶縁膜は見が（ｊ北、窒化シリコ
ン成約４　ｎ　ｒｎと酸化シリコン成約２ｒ口ηおよび
窒化シリコン成約４　ｎ　ｍの組み合わぜになり、酸化
シリコン膜換算て杓６．４ｎｍの容量絶縁膜か実現でき
る。これを従来の方法で行った場合、絶縁膜は、見が（
」上、酸化シリコン膜２ｎｍ、窒化シリコン膜８１１ｍ
、酸化シリコン膜３　ｎ　ｍとなり、酸化シリコン膜換
算の膜圧は８．６０ｍＮ度と、３５％誘電率が低下し、
容量も３５％低下する。

以上述べた様に本実施例では、容量の下部電極である多
結晶シリコン膜４上に成長した自然酸化膜５は純アンモ
ニア雰囲気中の急速熱窒化により窒化され、多結晶シリ
コン膜４表面には非常に薄い窒化シリコン膜９が形成さ
れる。この窒化シリコン膜９は酸化シリコン膜５に比べ
誘電率が高いうえ、この膜の上部に窒化シリコン膜９を
堆積する工程で高温にさらされても多結晶シリコン表面
４に酸化シリコン膜が成長するのを防ぐことがてきる。

このため、多結晶シリコン膜４上には最終的には非常に
薄い窒化シリコン膜９、窒化シリコン膜６、窒化シリコ
ン膜の酸化膜７および窒化シリコン膜１０の４層から構
成される絶縁膜が形成される。この時、下層の非常に薄
い窒化シリコン膜９さその上部の窒化シリコン膜６は基
本的に同し窒化シリコン膜であるため、実質的には窒化
シリコン膜、窒化シリコン膜の酸化膜７および窒化シリ
コン膜１０の３層構造の絶縁膜が実現できる。この構造
では窒化シリコン膜９の下部に酸化シリコン膜がないた
め、複合絶縁膜全体の誘電率の低下も小さく、大きい容
量の半導体容量が実現できる。また、リーク電流を阻止
するための窒化シリコン膜の酸化膜７が上下の窒化シリ
コン膜９．６．１０で挾まれる構造となるため、リーク
電流の極性依存性がなく、低リーク電流の半導体容量が
実現できる。

発明の効果 以」二のように、本発明による半導体容量装置は容量を
極めて大きくすることが可能であり、半導体記憶装置の
容量として使用することにより、層の高集積化、大容量
化を可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体容量装置を製造工程で示す
工程順断面図、第２図は従来例装置を製造工程で示す工
程順断面図である。 １・・・・・・Ｐ型シリコン基板、２・・・・・・Ｎ型
不純物拡散層、３・・・・・・酸化シリコン膜、４・・
・・・・多結晶シリコン膜、５・・・・・・酸化シリコ
ン膜、６・・・・・・窒化シリコン膜、７・・・・・・
酸化シリコン膜、８・・・・・・多結晶ジノコン膜、９
・・・・・・窒化された酸化シリコン膜、１０・・・・
・窒化シリコン膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板と半導体基板表面に形成された拡散層
   と、前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、前記絶縁
   膜に形成されたコンタクトホールと、前記絶縁膜の少な
   くともコンタクトホールを含む所定領域に形成された導
   電膜と、前記導電膜上に形成された複合絶縁膜を備え、
   前記複合絶縁膜が酸化膜を窒化した第１の窒化膜と第２
   の窒化膜と窒化膜を酸化した酸化膜と第３の窒化膜がこ
   の順番で形成されていることを特徴とする半導体容量装
   置。
2. （２）前記第１の窒化膜が前記導電膜上に形成された自
   然酸化膜をアンモニア雰囲気中で窒化した膜であること
   を特徴とする請求項１記載の半導体容量装置。