JPH04127519A - 半導体装置およびその製造方法 - 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） 本発明は半導体デバイスにおけるキャパシターの電極用
等に用いる多結晶シリコンの形成方法に関する。

（従来の技術） 近年、ＤＲＡＭの高集積化に伴いセルサイズは縮小し、
キャパシターの面積は小さくなる傾向にある。そこで、
十分な容量を確保するため、容量部面積が大きく、耐α
線特性や容量部間の干渉が少ないスタックドキャパシタ
ーやトレンチスタックドキャパシターが用いられている
。しかし、６４ＭｂｉｔのＤＲＡＭではセル面積は２ｐ
ｍ２以下になると見込まれており、これらの構造を用い
たとしても、容量絶縁膜として厚さ５０人という極めて
薄い酸化膜が要求される。この様に薄い酸化膜を欠陥な
く均質にチップ全体に形成することは極めて難しい。そ
こで、容量部の面積を増やすことで容量膜厚を現状維持
する方法が提案されている。渡辺らは特願平２−７２４
６２号（平成２年３月２０日出願）テＬＰＣＶＩ］、：
おけるポリシリコン形成をある温度範囲で行なうと、ア
モルファス領域からポリシリコンに変化する境界で、表
面に半円球状のグレインが稠密に成長し、表面積は他の
温度で成長したポリシリコンの約２倍になることを示し
ている。このポリシリコンをスタックドキャパシターの
蓄電電極に適応することにより厚さ１００人の酸化膜で
十分な容量と低いリーク電流値を得ている。

（発明が解決しようとする課題） しかし、渡辺らの方法によると、円球状のグレインが表
面上に出現する条件は、成長温度が５４５°Ｃから５５
５°Ｃのわずか１０℃の範囲であり、生産に用いる場合
、ＬＰＣＶＤの温度管理が非常に難しいという問題点が
あった。

本発明の目的は、この様な従来の欠点を除去せしめて、
広い形成条件で表面積の大きな多結晶シリコンを作成す
る方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、真空中で基板上にアモルファスシリコン層を
形成後、真空内で加熱し、多結晶化することを特徴とす
る多結晶シリコン膜の形成方法である。

（作用） 本発明の原理について説明する。本発明者は、真空中で
ａ−８ｉを形成後大気中に取り出すことなく真空中でア
ニールすると半円球状のポリシリコンとなることを新た
に見出した。これは、次の様な原理に基づく。第１図（
ａ）に示す様にアモルファス絶縁膜１１上にａ−８ｉ１
２を堆積すると表面は平坦である。この基板表面を清浄
に保った状態でアニールすると第１図（ｂ）に示す様に
ポリシリコンの核１３が表面上に形成される。清浄なａ
−８ｉ表面上におけるＳｉの表面拡散速度は、固相成長
速度に比べて極めて速く、Ｓｌは表面を拡散することに
よって、表面上に形成されたポリシリコンの核に集り、
第１図（Ｃ）に示す様にポリシリコン核１４はキノコ状
に成長する。成長につれてその根元が細くなる。さらに
、反応が進むとポリシリコン核１４の根元が切れてａ−
８ｉ上に落ち、第１図（ｄ）に示すように半円球状の構
造が表面に形成される。以上の反応におけるポリシリコ
ンの形状にはアニール温度は本質的な影響を及ぼさない
。アニール温度はこの反応の起こる速度を律速し、アニ
ール温度が６００°Ｃ以下では形成速度は極めて遅くな
る。通常行なわれている様にａ−８ｉ堆積後、大気中に
基板を出し、窒素雰囲気中等でアニールした場合には、
この様な半円球構造は現れず、表面は平坦になる。これ
は次の様な原理に基づく。第２図（ａ）に示す様にアモ
ルファス絶縁膜上にａ−８ｉを堆積すると表面は平坦で
ある。この基板を大気中に取り出すと第２図（ｂ）に示
すようにａ−８ｉ上に自然酸化膜が形成される。この様
な基板をアニールしても、ａ−８ｉが多結晶化する温度
では自然酸化膜は蒸発しないため、ａ−８ｉの表面は酸
化膜によって終端された状態である。このような状態で
は表面におけるＳｉの表面拡散がはと”んと起こらず核
形成はａ−８ｉ内部で起こり、第２図（Ｃ）に示す様に
表面は平坦な状態に維持される。以上述べたように、多
結晶化膜の表面のモフオロジーはａ−８ｉの表面が清浄
であるかどうかに大きく依存しており、表面積を広げる
ためには、表面が清浄なａ−８ｉをアニールすることが
必要である。

（実施例） 本発明の実施例について具体的に説明する。ここては４
０ｃｃの電子銃式Ｓｉ蒸着器を備えたＭＢＥ装置を用い
て行った。試料ウェハーには表面上に熱酸化によって厚
さ２０００人のＳｉＯを形成した４インチｎ型５ｉ（１
００）基板を用いた。試料ウェハーはＲＣＡ洗浄後、形
成室内に搬送し、８００°Ｃ１分間の加熱による清浄化
を行った。基板温度を室温に下げた後、電子銃式Ｓｉ蒸
着器から、７人／ｓのＳｉ分子線を照射し酸化膜上に厚
さ２００ＯＡのアモルファスシリコン（ａ−８ｉ）層を
形成した。この基板を同一真空槽内で加熱しａ−８ｉ槽
を多結晶化させた。多結晶化したかどうかの判断は高速
電子線回折（ＲＨＥＥＤ）による１ｎ−ｓｉｔｕ観察に
よって行なった。形成した基板は大気中に取り出し、断
面−ｃｙｙＴＦ、Ｍｕ察によって評価した。

第３図は加熱温度とポリシリコンの核が形成されるまで
の時間との関係を示したものである。加熱温度が６００
°Ｃ以下になると核が形成されるまでの時間が非常に長
くなる。ａ−８ｉを形成したサンプルの加熱前、加熱し
核が形成された直後、核が成長する途中、十分に多結晶
化が起こった時点の断面のＴＥＭ観察を行なったところ
、第１図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）、　（ｄ）に示し
た概略図と同様のＴＥＭ像を得ることができ、本発明の
効果を確認した。加熱温度は６００°Ｃから９００°Ｃ
まで変化させたが、第３図に示すように核が形成される
までの時間が変化するだけであり、広い温度範囲で表面
に半円球状の凹凸が観察された。次に、ａ−８ｉを形成
した後、−炭火気中に出し、再び真空槽中に入れ、同一
条件でアニールするという比較を行なった。この場合に
は、第２図（ａ）、（ｂ）。

（ｅ）と同様のＴＥＭ像を得ることができ、表面上に自
熱酸化膜ができると半円球状の凹凸が現れなし・ことを
確かめることができた。

さらに、このようにして作ったポリシリコン上に厚さ１
００人の酸化膜を形成しキャパシターを作製してその容
量を測定した。第４図はａ−８ｉ堆積後のアニール温度
と容量との関係を、アニール前に大気中に出した場合と
出さなかった場合で比較したものである。第４図にしめ
したように大気に出さなかった場合は、アニールすると
、アニール温度の非常に広い範囲で約２倍の容量が得ら
れた。これは、ａ−８ｉをアニールすることによって表
面上に半円球状の凹凸ができ表面積が約２倍になったこ
とを示している。一方、−炭火気に出した場合には、ア
ニールしても容量は増えずほぼａ−８ｉ形成直後と同じ
であり、真空内で加熱することがキャパシターの容量を
増加させるために極めて有効であることを確認できた。

なお、本実施例ではシリコンウエノ１−を対象としたが
、本発明の方法は表面にのみシリコンが存在するＳＯ３
（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐｐｈｉｒｅ）基板や更
に一般にＳＯＩ　（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎ５ｕｌ
ａｔｏｒ）基板等にも当然適用できる。さらに、本実施
例ではＭＢＥ装置内で電子銃式シリコン蒸着装置を用い
てａ−８ｉ層の形成を行なったが、ａ−８ｉ層の形成の
方法は、ガスソースＭＢＥ、ＬＰＣＶＤ、スパッターで
も、ａ−８ｉの表面が清浄であれば同様な現象が起こる
ことを確かめた。

（発明の効果） 以上、詳細に述べた通り本発明によれば、ａ−８ｉを堆
積後、表面の清浄度を保った状態で加熱し多結晶化させ
ることによって、非常に広い温度条件で多結晶表面に半
円球状の凹凸を形成することができ、これをキャパシタ
ーの蓄電電極に用いれば、その容量を増加させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の概念図、第２図は、従来例の概念図
、第３図は、加熱温度とポリシリコンの核が形成される
までの時間との関係を示す図、第４図は、ａ−８ｉ堆積
後のアニール温度と容量との関係を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空中で基板上にアモルファスシリコン層を形成後、真
   空内で加熱し、多結晶化することを特徴とする多結晶シ
   リコン膜の形成方法。