JPH0618248B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH0618248B2
JPH0618248B2 JP60118101A JP11810185A JPH0618248B2 JP H0618248 B2 JPH0618248 B2 JP H0618248B2 JP 60118101 A JP60118101 A JP 60118101A JP 11810185 A JP11810185 A JP 11810185A JP H0618248 B2 JPH0618248 B2 JP H0618248B2
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oxide film
semiconductor device
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gate oxide
capacitor
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紀久夫 山部
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Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は半導体装置の製造方法に係り、特に半導体基板
に凹部または凸部を形成してこの領域にゲート酸化膜を
介して電極を形成する工程を有する半導体装置の製造方
法に関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
MOSダイナミックメモリ(dRAM)は比例縮小則に
従って素子の微細化,高集積化が進められている。dR
AMの構成要素であるMOSキャパシタも例外ではな
く、ゲート酸化膜厚tox及び面積Sの縮小が進んでい
る。スケーリング係数をαとすると、ゲート酸化膜厚は
tox/αに、面積はS/α2になる。MOSキャパシ
タの容量Cは誘電率をεとして、C=εS/toxと表
わされるため、比例縮小後の容量C′は、 C′=C/αとなり、1/αに小さくなる。こうしてM
OSキャパシタの容量が小さくなると、アルファ線飛来
によるソフトエラーが起り易くなり、またビット線の容
量との比が小さくなってセンス余裕が小さくなる結果誤
動作を生じる原因になったりする。このため一般にMO
Sキャパシタの面積はS/α2ではなく、S/αの縮小
に止めることが行われていた。しかし世代毎に寸法縮小
は進み、信頼性の高いdRAMを得ることは限界に近付
きつつある。
MOSキャパシタの容量を大きくする手段として、誘電
率の大きい絶縁膜、例えばTa膜等を用いること
も検討されているが、未だ実用になっていない。また1
0nm以下の極めて薄い信頼性の高いシリコン酸化膜の適
用が検討されているが、これも極めて高純度の純水や薬
品を必要とし、また清浄度の高いクリーンルームを必要
とする、等の理由で実用になっている。
そこで、現在、MOSキャパシタの容量を増大する有力
な方法として、半導体基板表面に溝を掘り、占有面積を
増大させることなく実質的にキャパシタ面積の増大を図
る方法が検討されている。ところがこのような溝を、反
応性ィオンエッチング(RIE)のような異方性エッチ
ング法により垂直の側壁をもって形成すると、次のよう
な問題が生じる。即ちこの様な溝(凹部)の上部或いは
底部のコーナーの部分(角部)は曲率半径が極めて小さ
く、熱酸化によりゲート膜を形成した時、この角部にお
いて平坦部より酸化膜厚が薄くなる。この現象は次のよ
うに説明されている。シリコンを酸化すると、形成され
る酸化膜の体積は元のシリコンの約2.3倍になる。こ
のため酸化が進行すると、シリコン−シリコン酸化膜界
面の酸化膜側では圧縮応力が働き、前述の角部では応力
の集中が起こる結果、酸化が抑制されるものと思われ
る。
このように溝の底部或いは上部の角部で酸化膜厚が平坦
部より薄くなると、この部分は耐圧が低くなり低い電界
で大きいリーク電流が流れる原因となる。使用電圧での
リーク電流を十分小さく保つためにゲート酸化膜厚を厚
くすると、平坦部では厚くなりすぎ、溝を掘って面積を
大きくすることによる容量増大の効果が減殺されること
になる。
〔発明の目的〕
本発明は上記した点に鑑みなされたもので、凹部または
凸部を形成した半導体基板表面に均一な厚さのゲート酸
化膜を形成して、MOSキャパシタ等の信頼性向上を可
能とした半導体装置の製造方法を提供することを目的と
する。
〔発明の概要〕
本発明は、凹部または凸部が形成された半導体基板表面
を熱酸化してゲート酸化膜を形成する際に、雰囲気ガス
中に10ppm以上,30%以下の範囲で水蒸気を含ま
せ、乾燥酸素のみの場合に比べて粘性流動を大きくし
て、曲率半径の小さい角の部分での応力集中を緩和する
ようにしたことを特徴とする。
ここで水蒸気含有量の数値限定根拠は、30%を越える
と酸化速度が速くなりすぎ、薄い酸化膜を制御性よく形
成することができないこと、また10ppm未満では酸
化時に粘性流動を起こさせる効果が十分に認められない
こと、にある。より好ましい水蒸気含有量の範囲は0.
1〜10%である。酸化温度は800〜1100℃の範
囲で選択することができるが、好ましくは1000℃以
下がよい。
〔発明の効果〕
本発明によれば、凹部または凸部の立体形状を有する半
導体基板表面に均一な膜厚のゲート酸化膜を形成するこ
とができる。これは本発明の条件に従うと、成長する酸
化膜中に残存する応力の膜厚方向の積分値のばらつき
(即ち、凹部や凸部の平坦部と角部での応力の膜厚方向
の積分値の差)が10%程度以下に保たれ、この結果応
力集中が効果的に防止されるためである。従ってこのゲ
ート酸化膜を用いて例えば容量が大きく且つリーク電流
の小さいMOSキャパシタを形成することができる。ま
たこのMOSキャパシタを用いて高集積化dRAMを構
成すれば、dRAMをソフトエラーによる誤動作の確率
を下げ、またセンスアンプの動作余裕を大きいものとす
ることができる。
〔発明の実施例〕
以下本発明の一実施例を説明する。
第1図(a)〜(e)は一実施例によるdRAMセルの
製造工程断面図である。先ず第1図(a)に示すよう
に、比抵抗10Ω−cm程度のp型Si基板1に、100
〜1000nm程度のフィールド酸化膜2を形成する。こ
のフィールド酸化膜2は例えば、窒化膜をマスクとし
た。
LOCOS法、全面に酸化膜を形成してこれを選択エッ
チングする方法、或いはフィールド領域に予め溝を掘っ
てこの溝に酸化膜の埋め込みを行う方法、等により形成
する。この後、dRAMセルのMOSキャパシタ領域内
に、第1図(b)に示すように溝3を形成する。この溝
3は例えば、CF,SF,COl等を主成分とす
るガス或いはこれにHが入ったガスを用いたRIE法に
より形成する。このRIE工程のマスクは通常のフォト
レジストではそれ自体もエッチングされて消失する場合
があるので、例えばCVDによるSiO/Si
/SiO膜等を用いることが好ましい。この後第1図
(c)に示すように、5%の水蒸気を含むアルゴン(A
r)ガス中で1100℃の熱酸化により、15nmの厚さ
に形成する。次に第1図(d)に示すように、キャパシ
タ電極となるリンドープの第1層多結晶シリコン膜5を
LPCVD法により約400nm堆積する。この後第1図
(e)に示すように、多結晶シリコン膜5をパターニン
グしてキャパシタ電極を形成し、次いでスィッチングM
OSFET領域にゲート酸化膜6を介して第2層多結晶
シリコン膜によるゲート電極7を形成し、ソース,ドレ
イン領域のn+形層8,9を形成して、メモリセルを完
成する。
以上のような実施例の効果を次に説明する。上記実施例
に従ってゲート酸化膜が形成された、1000000個
の溝を含み且つキャパシタ電極を共通にしたMOSキャ
パシタと、従来法に従って乾燥酸素雰囲気中、1100
℃の条件でゲート酸化膜が形成された同様の構造のMO
Sキャパシタのリーク電流(ゲート電圧V−電流I
特性)を比較した。第2図はその比較データである。図
から明らかなように本実施例では、従来例に比べてリー
ク電流が大幅に低減されている。
こうして本実施例によれば、酸化時に溝の角の部分での
応力集中を抑制して均一な厚さでゲート酸化膜を形成す
ることができ、MOSキャパシタのリーク電流の増大を
もたらすことなく、ゲート酸化膜厚を小さくして大きい
容量を得ることができる。
なお上記実施例では、MOSキャパシタのゲート酸化膜
の熱酸化温度は最も条件が厳しい 1100℃の場合を説明したが、通常の熱酸化において
選択される温度範囲800℃〜1100℃において、水
蒸気の含有量を10ppm〜30%の範囲に選ぶことに
より、応力集中を防止して均一な酸化膜厚を得ることが
できることを確認している。
本発明はその他種々変形して実施することができる。例
えばゲート酸化時の水蒸気を含む雰囲気の希釈ガスは、
アルゴンの他、ヘリウム,窒素などを用いることがで
き、また乾燥酸素を用いることもできる。乾燥酸素を用
いれば、これ自身酸化速度を決定する要因となるので、
酸化速度の制御が容易になる。また本発明は曲率半径が
0.1μm以下の角を有する場合に特に有効であるが、曲
率半径がこれより大きい場合であっても、応力集中を防
止する効果は期待できる。また実施例では単結晶Si基
板にMOSキャパシタを形成する場合を説明したが、多
結晶Si層に同様のMOSキャパシタを形成する場合に
も本発明を同様に適用することができる。更に電極は、
多結晶シリコン膜に限らず、CVD法により形成される
金属電極等、ステップ・カバレージのよい他の材料を用
いることができる。ゲート絶縁膜として、実施例のよう
に熱酸化により形成した酸化膜に重ねて LPCVD法によるSi膜を形成し、その表面酸
化する、いわゆる三層構造とする場合にも本発明は有効
でる。
更に本発明の熱酸化法は、ゲート酸化膜形成の前処理と
して応用する場合にも有用である。即ちSi基板のキャ
パシタ形成領域内にRIEにより凹部を形成した後、例
えば950℃の水蒸気雰囲気で0.1μm程度の熱酸化
膜を形成する。この条件では前述のように熱酸化膜は凹
部の角部でも平坦部と同様に成長するため、曲率半径の
小さい角部が丸くなる。この後この熱酸化膜を例えば緩
衝弗酸でエッチング除去し、改めて950℃の乾燥酸素
中で熱酸化して例えば15nmのゲート酸化膜を形成す
る。このゲート酸化膜は、前処理で凹部の角部が丸くな
っているために成長時のストレスが少なく、角部でも平
坦部と同程度の膜厚で形成される。このようにして形成
されたゲート酸化膜上にキャパシタ電極を形成すれば、
リーク電流の小さい信頼性の高いMOSキャパシタが得
られる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(e)は本発明の一実施例のdRAMセ
ルの製造工程断面図、第2図はその実施例の効果を説明
する為のゲート酸化膜リーク電流特性を従来例と比較し
て示す図である。 1……p型Si基板、2……フィールド酸化膜、3……
溝、4……ゲート酸化膜、5……第1層多結晶シリコン
膜(キャパシタ電極)、6……ゲート酸化膜、7……ゲ
ート電極、8,9……n+型層。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板に凹部または凸部を形成し、こ
    の凹部または凸部を含む基板表面にゲート酸化膜を介し
    て電極を形成する工程を有する半導体装置の製造方法に
    おいて、前記ゲート酸化膜を、10ppm以上,30%
    以下の水蒸気を含む雰囲気中で熱酸化により形成するこ
    とを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記水蒸気を希釈するガスは乾燥酸素,ア
    ルゴン,ヘリウムまたは窒素である特許請求の範囲第1
    項記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】前記凹部または凸部の角が曲率半径0.1
    μm以下である特許請求の範囲第1項記載の半導体装置
    の製造方法。
  4. 【請求項4】前記凹部または凸部はMOSダイナミック
    メモリセルのキャパシタ領域の一部であり、前記電極は
    キャパシタ電極である特許請求の範囲第1項記載の半導
    体装置の製造方法。
JP60118101A 1985-05-31 1985-05-31 半導体装置の製造方法 Expired - Lifetime JPH0618248B2 (ja)

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