JPH05190796A - ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ・セル用誘電体皮膜およびその形成方法 - Google Patents

ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ・セル用誘電体皮膜およびその形成方法

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JPH05190796A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ
(DRAM)セルの記憶キャパシタに使用する超薄形三
重層誘電体皮膜を提供する。 【構成】 この発明の薄い誘電体皮膜10の等価厚みは
約7nm以下である。キャパシタ皮膜を作成するには、
基板上の二酸化シリコンの薄膜を窒化し、またはシリコ
ン基板もしくは基板に付着させたシリコンを直接窒化し
て、酸窒化シリコン層11を形成する。酸窒化シリコン
層の上に薄い窒化シリコン層12を付着させ、その上部
を高温で短時間酸化して窒化シリコン層上部を薄い二酸
化シリコン層13に変換する。得られた構造は、等価厚
みが7nm以下で、キャパシタンスが高い、酸窒化シリ
コン/窒化シリコン/二酸化シリコン誘電体皮膜であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体メモリに関す
るものであり、さらに詳細には、ダイナミック・ランダ
ム・アクセス・メモリ(DRAM)セルの記憶キャパシ
タを形成するために使用する誘電体皮膜と、これを形成
する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】薄膜絶縁体は、半導体集積回路で、特に
いわゆる「ワン・デバイス」ダイナミック・ランダム・
アクセス・メモリ(DRAM)セルの記憶キャパシタ用
の誘電体として重要な材料である。一般に、シリコン基
板またはウェーハ上に超薄形皮膜を熱成長または付着さ
せ、次に金属または多結晶シリコンの電極を薄膜の上に
付着させてキャパシタの充電プレートを形成する。
【0003】二酸化シリコン/窒化シリコン/二酸化シ
リコンの三重層誘電体皮膜を有する記憶キャパシタを形
成することは当技術分野で周知である。これらのキャパ
シタは、一般にO/N/O誘電体皮膜を有すると記載さ
れている。たとえば、米国特許第4649625号、第
4797373号、および第4808259号明細書を
参照されたい。
【0004】キャパシタの全電荷(Q)は、キャパシタ
ンス(C)に電圧(V)を掛けた積に等しい。 Q = CV
【0005】セルの電圧を低下させるには、セル内の全
電荷が等しく保たれるようにセルのキャパシタンスを増
大させることが必要である。
【0006】キャパシタンス(C)は、キャパシタ層の
表面積(A)をキャパシタ層の等価厚みTeqで割った商
に関係することが知られている。
【数1】 Teqは、キャパシタ層の物理的厚さTpに、二酸化シリ
コンの誘電率をキャパシタ層の等価誘電率Keqで割った
商を掛けた積に関係する。
【数2】
【0007】したがって、キャパシタンス(C)を増大
させるには、記憶キャパシタを構成する誘電体皮膜全体
の等価厚みを小さくする必要がある。これは、物理的厚
さTpを減少させるか、または等価誘電率Keqを増大さ
せるか、あるいはその両方によって達成される。
【0008】しかし、従来の二酸化シリコン/窒化シリ
コン/二酸化シリコン(O/N/O)三重誘電体皮膜、
およびO/N/O層を付着させ酸化する既知の方法で
は、等価厚みが約7nmを超えない、信頼性のある超薄
形誘電体皮膜を得ることは不可能であった。
【0009】従来のO/N/O層の等価厚みTeqを約7
nmを超えない厚みに減少させる際の困難さは、既知の
低圧化学蒸着技術を使用する場合、中間窒化物層の物理
的厚みを十分に薄くできないことが原因であると考えら
れる。このような既知の技術では、「薄い」中間窒化物
層が不連続になる。不連続な中間窒化物層に再酸化工程
を施すと、酸化剤(すなわち酸素)が不連続な中間窒化
物層中の「穴」を通って拡散して、シリコン基板を酸化
する。その結果、等価厚みが著しく増大する。このよう
に、「薄い」中間窒化物層が不連続なため、必要な層の
再酸化工程が実質的に不可能になる。
【0010】したがって、現在の技術ではO/N/O三
重誘電層の等価厚みを減少させて、高収率で超薄形記憶
キャパシタを製造する方法は得られない。等価厚みが約
7nmを超えない記憶キャパシタの三重誘電体皮膜を得
るには、新しい方法が必要となる。
【0011】米国特許第3793090号明細書には、
電界効果トランジスタ(FET)のしきい電圧を安定さ
せる方法が開示されている。この方法は、酸化物層を形
成し、その上に窒化物層を付着させ、この窒化物を酸素
中で970〜1150℃の温度でアニーリングして酸窒
化シリコン(silicon oxynitride)層を形成することに
より、ゲート電極を形成することが必要である。
【0012】米国特許第4725560号明細書には、
酸窒化シリコン層を有する記憶キャパシタの作成方法が
開示されている。その工程としては、低圧化学蒸着(L
PCVD)によって窒化シリコン層を付着させ、付着さ
せた層を湿潤酸素または窒素中でアニーリングする工程
と、この層を介してヒ素イオンを注入してシリコン基板
中にN型領域を形成する工程と、得られた層を湿潤酸素
中で700〜1000℃でアニーリングする工程と、そ
の上に電極を形成する工程が含まれる。
【0013】米国特許第4543707号明細書には、
シリコン基板上に酸窒化シリコン層を積層した二重誘電
体層が開示されている。これらの層は、N/O比を変え
ることによりエッチング速度が異なってくる。選択性エ
ッチングを行って、積層中にスルーホールを形成する。
【0014】米国特許第4282270号明細書には、
表面の一部を酸窒化シリコンに直接変換することによ
り、シリコン基板表面上に絶縁体皮膜を形成する方法が
開示されている。この皮膜は、基板を900〜1300
℃の温度で、アンモニア・ガス、および分子状態の酸素
を基準として体積濃度が100〜10,000ppmの
酸素を含有する気体と接触させて形成させる。
【0015】"Formation of Thick Si3N4 or SixOyNz o
n Si Substrate by Anodenitridation"、IBMテクニ
カル・ディスクロージャ・ブルテン、Vol.19、N
o.3、1976年、p.905には、シリコン基板表
面を酸窒化シリコン皮膜に変換する方法が開示されてい
る。この方法は、基板をHF溶液で陽極酸化した後、陽
極酸化した溶液を、アンモニアと酸素をまたは任意で窒
素をも含むガス流を使用して、800〜1300℃で加
熱するものである。
【0016】米国特許第4746630号明細書には、
フィールド酸化物層を形成する方法が開示されている。
この方法では、シリコン基板上に薄い酸化物層を形成
し、続いて薄い窒化物層、薄い酸化物層、および厚い窒
化物層を形成する。各層にパターンを形成して基板表面
を露出させ、そこに、フィールド酸化物を形成させる。
【0017】米国特許第4631219号明細書には、
酸化シリコンの側壁と、これに隣接する厚い酸窒化物層
でコーティングされた窒化シリコン・パッドとを備え
た、半凹酸化物分離領域中のバーズ・ビーク・プロファ
イルを減少させ、酸素を透過させないパッド構造が開示
されている。
【0018】一般に、等価厚みTeqが約7nmを超えな
い、酸窒化シリコン層、窒化シリコン層、および二酸化
シリコンの連続層からなる、記憶キャパシタとして使用
する超薄形三重誘電体皮膜(Sixyz/Si34
SiO2)については、従来技術では教示されていな
い。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】この発明の主目的は、
半導体デバイスに使用するダイナミック・ランダム・ア
クセス・メモリ(DRAM)セルの記憶キャパシタを改
良することにある。
【0020】この発明の他の目的は、ダイナミック・ラ
ンダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルに使用する
誘電体皮膜からなる記憶ノードのキャパシタンスを増大
させることにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】キャパシタンスが増大し
た超薄形誘電体皮膜の必要性は、この発明の原理によ
り、薄い酸窒化シリコン層、上記酸窒化シリコン層に隣
接する薄い窒化シリコン層、および上記窒化シリコン層
に隣接する薄い二酸化シリコン層からなり、この三重層
誘電体皮膜の等価厚みが7nmを超えない、ダイナミッ
ク・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)の記憶キ
ャパシタとして使用する独自の超薄形誘電体皮膜を提供
することによって達成される。
【0022】ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ(DRAM)の記憶キャパシタとして使用するこの発
明の三重層誘電体皮膜を形成する方法は、シリコン基板
上に等価厚みが約3nmを超えない酸窒化シリコン層を
形成した後、上記酸窒化物層の上に、等価厚みが4nm
を超えない薄い窒化シリコン層を付着させ、次に上記窒
化物層の一部を酸化して、等価厚みが約2nmを超えな
い二酸化シリコン層を形成する工程からなる。
【0023】特に、シリコン基板上の二酸化シリコン層
を窒化し、またはシリコン基板の表面もしくはその上に
付着させたシリコンを窒化することによって、酸窒化シ
リコンを形成させた、超薄形誘電体皮膜を形成すること
ができる。
【0024】この発明の主な利点は、誘電体皮膜の等価
厚みTeqを減少させて、キャパシタンスを増大させるこ
とである。
【0025】この発明の他の利点は、非常に「狭い」破
壊電圧分布と高い降伏応力による、高収率が高く信頼性
に優れた、等価厚みが約7nmを超えない誘電体皮膜が
得られることである。
【0026】この発明により、充電容量が高く信頼性に
優れた、等価厚みが約7nmを超えない酸窒化シリコン
/窒化シリコン/二酸化シリコン誘電体皮膜が、高収率
で得られることが分かった。
【0027】
【実施例】ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ
(DRAM)セル中の記憶キャパシタとして使用する三
重層誘電体皮膜と、その作成方法について以下に説明す
る。
【0028】図1、図2、および図3を参照すると、新
規の三重誘電体皮膜10は、薄い酸窒化シリコン層1
1、上記酸窒化シリコン層11に隣接する薄い窒化シリ
コン層12、および上記窒化シリコン層12に隣接する
薄い二酸化シリコン層13からなり、この誘電体皮膜1
0の等価厚みは約7nm以下、好ましくは約6nm以下
である。皮膜10は、シリコン、または上にシリコンを
付着させた任意の材料製の基板またはウェーハ5に取り
付けられる。従来の電極20を、少なくとも1層の皮膜
10の上にまたは隣接して、好ましくは二酸化シリコン
層13に隣接して取り付ける。電極20は多結晶シリコ
ン製のものが好ましいが、金属、ケイ化物、または他の
従来から電極の形成に使用している材料製のものでもよ
い。
【0029】この誘電体皮膜10は物理的厚みが約12
nm以下であり、物理的厚み4nm以下の酸窒化シリコ
ン層11、物理的厚み8nm以下、好ましくは7nm以
下の窒化シリコン層12、および物理的厚み約1nm以
下の二酸化シリコン層13から構成される。これらの値
から、各層の等価厚みは上記の式により計算することが
できる。
【0030】表3は、この発明の誘電体皮膜10の、1
MHzで測定した平均等価厚みが約5.7nmであるこ
とを示す。
【0031】誘電体皮膜10を形成する方法は、基板5
上に酸窒化シリコン層11を形成した後、上記酸窒化物
層11に隣接する薄い窒化シリコン層12を付着させ、
次に上記窒化物層12の一部を酸化して二酸化シリコン
層13を形成する工程からなる。
【0032】酸窒化物層11は、基板5上に物理的厚み
が約4nmを超えない二酸化シリコンの薄膜を付着また
は成長させた後、この二酸化シリコンを窒化させて形成
する。二酸化シリコン皮膜は、当業者が通常行うよう
に、低圧化学蒸着(LPCVD)法、またはプラズマ・
エンハンス化学蒸着(PECVD)法により付着させる
ことができる。この二酸化シリコン皮膜は、当業者が通
常使用する、高速熱酸化(RTO)法、普通炉酸化(C
FO)法、プラズマ熱酸化(PTO)法等の酸化法を適
用して基板5上に「成長」させることもできる。これら
の工程については、下記に詳細に説明する。
【0033】成長または付着させた二酸化シリコンを酸
窒化物層11に変換するために、3種類の窒化工程のう
ちの1つを使用することができる。
【0034】好ましい窒化工程は、高速熱窒化(RT
N)法と呼ばれるものである。高速熱窒化法は、1種の
高速熱アニーリングであり、高出力ランプを使用して、
アンモニア(NH3)ガスの存在下で20〜60秒間、
1100〜1200℃の温度範囲で行う。この高出力ラ
ンプは、下の基板5の温度を毎秒200℃の速度で上昇
させることができるものである。アニーリングとは、周
囲のアニール・ガス中の元素を皮膜に導入する工程であ
る。
【0035】第2の適当な窒化工程は、普通炉窒化(C
FN)法と呼ばれるものである。CFN法では、通常の
炉または加熱オーブンを使用して、二酸化シリコンまた
はシリコン層を、アンモニア・ガスの存在下で少なくと
も約1000℃で約20〜60分間加熱する。
【0036】二酸化シリコンまたはシリコンをSixy
zに変換するための第3の適当な窒化工程は、プラズ
マ熱窒化(PTN)法と呼ばれるもので、普通炉窒化
(CFN)法と同様に、アンモニア・ガスの存在下で通
常の炉または加熱オーブンを使用するが、同時に電子を
衝突させてアンモニア分子を解離させるために高周波
(RF)電源を使用する。
【0037】基板5上に二酸化シリコン層を付着または
成長させずに、シリコン基板を直接、または上にシリコ
ンを付着させた他の基板を、高速熱窒化(RTN)法、
普通炉窒化(CFN)法、プラズマ熱窒化(PTN)法
のいずれかで処理することも可能である。このような工
程では、それぞれシリコン基板の上部が、またシリコン
付着物を使用する場合は付着させたシリコンが、酸窒化
シリコンに変換される。
【0038】誘電体皮膜10の窒化物層12は、低圧化
学蒸着(LPCVD)法、またはたとえば、米国特許第
4725560号明細書に記載された方法、もしくは当
業者に周知の他の方法で、変換された酸窒化シリコン層
11に隣接して付着させる。窒化物層12の物理的厚み
は、約8nm以下が望ましく、好ましくは約7nm以下
とする。
【0039】二酸化シリコン層または酸化物層13は、
3種類の酸化工程のうちの1つによって、窒化物層12
の上部を、得られる二酸化シリコン層13の物理的厚み
が約2nmを超えないように酸化して形成する。
【0040】好ましい酸化工程は、高速熱酸化(RT
O)法と呼ばれるもので、窒化物層12を、上記の高速
熱窒化(RTN)法で述べた種類の高出力ランプによ
り、酸素ガスの存在下で20〜60秒間、約1100〜
1200℃に加熱する。
【0041】第2の酸化工程は、普通炉酸化(CFO)
法と呼ばれるもので、通常の炉または加熱オーブンを使
用して、窒化シリコン層を、酸素ガス中で少なくとも約
1000℃で約20〜60分間加熱する。
【0042】第3の酸化工程は、プラズマ熱酸化(PT
O)法と呼ばれるもので、層の処理にアンモニアの代り
に酸素ガスを使用する以外は、上記のプラズマ熱窒化
(PTN)法と同様である。
【0043】図4ないし12を参照すると、この発明の
価値がさらに明らかになる。
【0044】キャパシタの電界Efieldは、破壊電圧V
をキャパシタの等価厚みTeqで割った商に等しいことが
知られている。破壊電圧は、電流が10μAのとき、誘
電体皮膜の両端間で測定される電圧と定義され、当業者
が一般に考える破局的絶縁破壊とは異なるものである。
【数3】
【0045】図4ないし6は、SiO2/Si34(O
/N)の誘電体皮膜の破壊電圧分布を示す。これらのグ
ラフは、いくつかの早期破壊の発生を示し、弱点の存在
を示している。表1は、皮膜の平均Teq(Tox(A))
が約8.2nmであることを示す。したがって、この皮
膜の電界Efieldは、約8.5MV/cmである。
【表1】
【0046】図7ないし9では、O/N/O皮膜のグラ
フは早期破壊の発生が少なくなることを示し、収率と信
頼性が向上したことを示唆している。表2は、図7ない
し9に示したO/N/O皮膜の平均Teqが約8.6nm
であることを示す。したがって、このO/N/O皮膜の
field値は、約8.1MV/cmである。
【表2】
【0047】図10ないし12および表3は、この発明
の皮膜の破壊電圧分布およびTeqを示す。図10ないし
12のグラフによれば、この発明の皮膜は早期破壊がな
いことが分かる。この発明の皮膜のTeqは、平均約5.
7nmである。したがって、Efieldは約7.0MV/
cmである。
【表3】
【0048】したがって、この発明の皮膜は、等価厚み
が約7nm以下であるにもかかわらず、その電界E
fieldはTeqが約8.6nmの従来のO/N/O皮膜の
field値に匹敵する。Teqが約8.2nmのO/N皮
膜と比較すると、この発明の皮膜は、歩留り、信頼性と
も優れている。
【0049】この発明を好ましい実施例について説明し
たが、当業者には、発明の実施に当たって、この発明の
原理および範囲から逸脱することなく、特定の構成、工
程、およびパラメータを変更できることが理解されよ
う。
【0050】
【発明の効果】本発明により、ダイナミック・ランダム
・アクセス・メモリ(DRAM)セルの記憶キャパシタ
を改良することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】平坦な構成のシリコン基板上に取り付けた、こ
の発明の三重層キャパシタ皮膜の概略断面図である。
【図2】トレンチまたはノード構成のシリコン基板上に
取り付けた、この発明の三重層キャパシタ皮膜の概略断
面図である。
【図3】積層した記憶ノード構成のシリコン基板上に取
り付けた、この発明の三重層キャパシタ皮膜の概略断面
図である。
【図4】等価厚みが約8.2nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン(O/N)皮膜の破壊電圧分布を示す
グラフである。
【図5】等価厚みが約8.2nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン(O/N)皮膜の破壊電圧分布を示す
グラフである。
【図6】等価厚みが約8.2nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン(O/N)皮膜の破壊電圧分布を示す
グラフである。
【図7】等価厚みが約8.6nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン/二酸化シリコン(O/N/O)皮膜
の破壊電圧分布を示すグラフである。
【図8】等価厚みが約8.6nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン/二酸化シリコン(O/N/O)皮膜
の破壊電圧分布を示すグラフである。
【図9】等価厚みが約8.6nmの既知の二酸化シリコ
ン/窒化シリコン/二酸化シリコン(O/N/O)皮膜
の破壊電圧分布を示すグラフである。
【図10】等価厚みが約5.7nmのこの発明の酸窒化
シリコン/窒化シリコン/二酸化シリコン皮膜(Six
yz/Si34/SiO2)の破壊電圧分布を示すグ
ラフである。
【図11】等価厚みが約5.7nmのこの発明の酸窒化
シリコン/窒化シリコン/二酸化シリコン皮膜(Six
yz/Si34/SiO2)の破壊電圧分布を示すグ
ラフである。
【図12】等価厚みが約5.7nmのこの発明の酸窒化
シリコン/窒化シリコン/二酸化シリコン皮膜(Six
yz/Si34/SiO2)の破壊電圧分布を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
5 シリコン基板 10 誘電体皮膜 11 酸窒化シリコン層 12 窒化シリコン層 13 二酸化シリコン層 20 電極

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
    リ(DRAM)セルの記憶キャパシタとして使用する誘
    電体皮膜において、 薄い酸窒化シリコン層と、 上記酸窒化シリコン層に隣接する薄い窒化シリコン層
    と、 上記窒化シリコン層に隣接する薄い二酸化シリコン層と
    を備え、 上記誘電体皮膜が約7nmを超えない等価厚みを有する
    ことを特徴とする、誘電体皮膜。
  2. 【請求項2】誘電体皮膜の等価厚みが約6nmを超えな
    いことを特徴とする、請求項1の誘電体皮膜。
  3. 【請求項3】ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
    リ(DRAM)セルの記憶キャパシタとして使用する誘
    電体皮膜を形成する方法において、 基板上に等価厚みが約3nmを超えない酸窒化シリコン
    層を形成する工程と、 次に、上記酸窒化シリコン層に隣接して等価厚みが約4
    nmを超えない薄い窒化シリコン層を形成する工程と、 次に、上記窒化物層の一部を酸化して、等価厚みが約2
    nmを超えない二酸化シリコン層を形成する工程とを含
    む方法。
  4. 【請求項4】ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
    リ(DRAM)セルで使用する記憶キャパシタを形成す
    る方法において、 請求項3に従って誘電体皮膜を形成する工程と、 次に、二酸化シリコン層の上に電極を形成する工程とを
    含む方法。
  5. 【請求項5】請求項4に従って形成された、ダイナミッ
    ク・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)セルに使
    用する記憶キャパシタ。
  6. 【請求項6】酸窒化シリコン層が、シリコン基板上の二
    酸化シリコンに窒化工程を適用して得られる生成物であ
    ることを特徴とする、請求項1の誘電体皮膜。
  7. 【請求項7】酸窒化シリコン層が、基板表面上に付着さ
    せたシリコンに窒化工程を適用して得られる生成物、ま
    たはシリコン基板表面の直接窒化の生成物であることを
    特徴とする、請求項1の誘電体皮膜。
  8. 【請求項8】二酸化シリコン層が、上記窒化シリコン層
    の上部を酸化する酸化工程の適用によって形成されるこ
    とを特徴とする、請求項1の誘電体皮膜。
  9. 【請求項9】酸窒化シリコン層を形成する工程が、シリ
    コン基板上の二酸化シリコン層を窒化することによって
    実施される、請求項3の記憶キャパシタを形成する方
    法。
  10. 【請求項10】酸窒化シリコン層を形成する工程が、基
    板表面上に付着させた二酸化シリコンを窒化させ、また
    はシリコン基板表面を直接窒化することによって実施さ
    れる、請求項3の記憶キャパシタを形成する方法。
JP4143929A 1991-07-30 1992-06-04 ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ・セル用誘電体皮膜およびその形成方法 Pending JPH05190796A (ja)

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