JPH0738062A - 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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JPH0738062A
JPH0738062A JP5201864A JP20186493A JPH0738062A JP H0738062 A JPH0738062 A JP H0738062A JP 5201864 A JP5201864 A JP 5201864A JP 20186493 A JP20186493 A JP 20186493A JP H0738062 A JPH0738062 A JP H0738062A
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昌伸 善家
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 スタックトキャパシタ等の容量値を再現性よ
く増大させる。容量絶縁膜の耐圧を向上させる。 【構成】 シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を設
け、これにコンタクトホールを形成した後、堆積膜の結
晶状態がアモルファスから多結晶に変化する遷移温度
(550〜600℃)でシリコンを成長させて、アモル
ファス相と結晶相とが混合したシリコン膜3を形成する
[(a)図]。700〜900℃で熱処理を行ってグレ
インサイズの大きいポリシリコン膜4を形成し、これを
パターニングする[(b)図]。リン酸で処理して表面
に凹凸を形成する[(c)図]。容量絶縁膜6および上
部電極となるポリシリコン膜7を形成する[(d)
図]。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、容量部を有する半導体装置の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】DRAM等の半導体装置では、スタック
トキャパシタ、トレンチキャパシタ等からなる容量部を
設ける必要がある。このうちスタックトキャパシタは、
通常以下のように形成される。すなわち、半導体基板上
に絶縁膜を介してポリシリコン膜を成長させた後、リン
等の不純物をポリシリコン膜中に導入する。次に、フォ
トレジスト膜を用いて、プラズマエッチング技術等にて
このポリシリコン膜のパターニングを行い、下部電極を
形成する。次に、下部電極の表面を酸化膜、窒化膜等か
らなる誘電体膜で被覆し、続いて、下部電極の形成方法
と同様の方法を用いて上部電極を形成する。
【0003】而して、64MbitDRAMのようにデ
バイスの微細化が進むと、容量部の占有面積もそれにと
もなって微小化されるようになり、そのため従前の単に
ポリシリコン膜でキャパシタを形成する手法を採用して
いたのでは必要な容量を確保することが困難になってき
ている。そこで、容量部の占有面積を増加させることな
く実効的に電極面積を増加させる手段として下部電極の
表面に凹凸を設ける手法がいくつか提案されている。
【0004】特開平3−272165号公報(第1の従
来例)には、堆積膜がアモルファス相からポリシリコン
相に変化する遷移温度でシリコンを成長させると、シリ
コンのグレイン成長に起因する凸凹がシリコン表面に発
生し、表面積が増大することを利用する技術が開示され
ている。図6に、この従来技術を用いて容量部を形成す
る場合の工程断面図を示す。まず、シリコン基板1上
に、シリコン酸化膜2を形成し、通常のリソグラフィ技
術およびドライエッチング技術を用いて、コンタクトホ
ールを形成した後、CVD(化学的気相成長)法を用い
てポリシリコン膜8を膜厚200〜500nmに成長さ
せる。次に、CVD法等によりシリコン酸化膜9を厚さ
100〜300nmに、続いて、同じくCVD法等によ
りポリシリコン膜10を膜厚50〜200nmに成長さ
せる〔図6(a)〕。
【0005】そして、通常のリソグラフィ技術およびド
ライエッチング技術を用いて、下部電極の形にパターニ
ングを行う。さらに、SiH4 +He(SiH4 20
%、He80%)の反応ガスを用いて、圧力1Tor
r、成長温度550℃の条件でポリシリコン膜11を成
長させ、通常のポリシリコンに比較して、約2倍の表面
積のシリコン膜を成膜する〔図6(b)〕。次に、熱拡
散法等を用いてポリシリコン膜11にリン等の不純物を
導入し、通常のドライエッチング法によりエッチバック
を行って、下部電極を形成する〔図6(c)〕。そし
て、容量絶縁膜6を成膜した後、通常の方法でポリシリ
コン膜7を成膜し、リン等の不純物を導入した後、通常
のリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用い
て、上部電極のパターニングを行う〔図6(d)〕。
【0006】また、特開平4−196435号公報(第
2の従来例)には、アモルファスシリコンを真空中また
は非酸化雰囲気中でアニールすることにより表面に凸凹
を形成する方法が提案されている。上記公報によれば、
上記条件でアニールすることにより、アモルファスシリ
コンが結晶化する際、表面からの結晶化および表面での
シリコンマイグレーションにより、シリコン膜表面に凹
凸が形成される。
【0007】また、特開平3−139882号公報(第
3の従来例)には、加熱したリン酸にて、ポリシリコン
膜表面をエッチングして凸凹を形成する方法が提案され
ている。図7を用いて、この従来例について説明する。
まず、シリコン基板1上に、シリコン酸化膜2を形成
し、コンタクトホールを形成した後、タングステンシリ
サイド膜12およびポリシリコン膜13を成膜する。次
に、ポリシリコン膜13にリン等の不純物を導入し、続
いて、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッ
チング技術を用いて、これら2層膜を下部電極の形状に
パターニングする〔図7(a)〕。
【0008】次に、約170℃に加熱されたリン酸溶液
中に10〜20分浸すことで、ポリシリコンの結晶粒界
をエッチングして、表面に凸凹を有する多孔質シリコン
膜14を形成する〔図7(b)〕。この時、タングステ
ンシリサイド膜は、リン酸のエッチングのストッパーと
して働いている。続いて、容量絶縁膜6およびポリシリ
コン膜7を成膜し、通常のフォトリソグラフィ技術およ
びドライエッチング技術を用いて、容量部を形成する
〔図7(c)〕。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述した各従来例に
は、それぞれ以下の問題点があった。まず、第1の従来
例では、成膜がアモルファス相からポリシリコン相へと
変化する遷移温度の内、表面に凸凹が形成されるのは非
常に狭い温度範囲であり、そして、LP−CVD装置で
多数回処理を行っていると、パーティクル等により、表
面の凸凹の程度が変化する問題点がある。したがって、
この従来法は、再現性よく安定に表面積を増加させるの
は困難で、量産性に劣るものであった。また、第2の従
来例の方法も、アモルファスシリコンの成膜条件および
アニール条件によって凹凸の程度に大きな差が生じるも
のであるので、量産的に採用することは困難である。な
お、以上の2つの方法によって得られる表面積の増加
は、通常の方法に比較して、高々約2倍と、それほど効
果は大きくなく、64MDRAM以降の半導体装置に適
用するには効果が不十分であった。
【0010】また、ポリシリコン膜をリン酸で処理する
第3の従来例では、ポリシリコンのグレインに沿ってエ
ッチングが行われるところ、通常のポリシリコンではグ
レインが0.05〜0.1nm程度であるため、このグ
レインバウンダリをリン酸でエッチングすると微細な凸
凹になり、大きな容量増加を見込むことができないほ
か、容量絶縁膜の耐圧が劣化し信頼性が低下するという
問題点があった。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の製造方法は、半導体基板上に下部電極、誘電体膜およ
び上部電極から構成される容量部を有する半導体装置の
製造方法に関するものであって、堆積膜の結晶状態がア
モルファス相から多結晶相へ変化する遷移温度で下部電
極用のシリコン膜を形成する工程と、前記遷移温度より
高い温度で熱処理を行って前記シリコン膜を多結晶化す
る工程と、前記多結晶化したシリコン膜をリン酸等のシ
リコンのエッチング液にて処理する工程と、を含むこと
を特徴としている。
【0012】
【作用】本発明によれば、下部電極用のシリコン膜が、
結晶状態がアモルファス相から多結晶相に変化する遷移
温度範囲で成膜される。この成膜条件では、アモルファ
スシリコン中に結晶核の散在するシリコン膜が得られ
る。結晶核の含まれる程度はシリコンの成長温度によっ
て決定される。すなわち、低い成膜温度ではアモルファ
ス性の高いシリコン膜が得られ、成膜温度が高くなるほ
どポリシリコンに近づく。
【0013】このシリコン膜を800〜900℃で10
〜30分程度熱処理するとグレインサイズの大きなポリ
シリコン膜が得られる。而して、このときの結晶化はア
モルファスシリコン中の結晶核から始まるので、得られ
るポリシリコンのグレインサイズは、シリコン膜の成膜
温度に大きく依存する。このポリシリコン膜をリン酸等
のエッチング液にてエッチングすると、エッチングはグ
レインバウンダリに沿って進行するため、大きな凹凸を
もつシリコン膜が得られる。シリコン膜が大きな凹凸を
持つことによりこのシリコン膜を用いてキャパシタを形
成するとき大きな容量のキャパシタが実現できる。そし
て、このシリコン膜に形成される凹凸はグレインサイズ
により決定されるところ、グレインサイズはシリコンの
成膜条件で制御できるため、本発明により、シリコン膜
の表面積の増大を再現性よく安定して実現することがで
きる。
【0014】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図1は、本発明の第1の実施例を説明する
ための、各工程段階における半導体装置の状態を順に示
した工程断面図である。まず、図1(a)に示すよう
に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を形成し、通
常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技
術を用いてシリコン酸化膜2にコンタクトホールを形成
し、その後、SiH4 ガスとPH3 ガスを用い、圧力
0.2〜1.0Torr、成長温度550〜600℃の
条件で、通常のLP−CVD(減圧CVD)法を用い
て、アモルファス相と結晶相とが混合したシリコン膜3
を膜厚200〜600nmに成膜する。このとき、シリ
コン中のP(リン)の濃度は1×1020〜1×1021
toms/cm3 である。
【0015】次に、窒素雰囲気中で800〜900℃の
熱処理を10〜30分間行い、前述のシリコン膜3を完
全に結晶化させ、ポリシリコン膜4に変換する。続い
て、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチ
ング技術を用いて、ポリシリコン膜4を下部電極の形に
パターニングする〔図1(b)〕。次いで、150〜1
70℃の濃リン酸溶液中に10〜90分間浸して、ポリ
シリコン4を多孔質化して、表面に凸凹のある多孔質シ
リコン膜5を形成する〔図1(c)〕。
【0016】次に、通常のLP−CVD法によりシリコ
ン窒化膜(図示せず)を成膜し、続いて、酸化性雰囲気
中で熱処理して、シリコン窒化膜表面にシリコン酸化膜
(図示せず)を形成して、シリコン窒化膜およびシリコ
ン酸化膜からなる容量絶縁膜6を形成する。次に、通常
のLP−CVD法でポリシリコン膜7を厚さ100〜3
00nmに成膜し、リン等の不純物を導入した後、通常
のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術
を用いて、上部電極の形にパターニングを行う〔図1
(d)〕。
【0017】以上のようにして容量部を形成すると、容
量値は、従来のポリシリコンをそのまま電極として用い
た場合の容量に対して、約3倍になる。本発明では、ア
モルファス相と結晶相の混合しているシリコンを成膜し
ているが、成長温度と容量比との関係を図2に示す。ア
モルファス相と結晶相の遷移温度領域(550〜600
℃)でシリコンを成膜した場合、それによる容量部の容
量は約3倍となっている。また、図3(a)に、約63
0℃で成膜したポリシリコンをリン酸処理した後の表面
の約3万倍のSEM写真を示す。グレインの大きさは5
0〜100nmで、グレインバウンダリは約5〜10n
m程度で、表面の凸凹はそれぼど大きくないため、容量
の増加も少ない。一方、本発明の方法に従った場合につ
いて、例えば、580℃で成膜したシリコン膜の場合の
約3万倍のSEM写真を図3(b)に示す。グレインの
大きさは100〜500nm、グレインバウンダリの大
きさは50〜200nm程度で、凸凹の程度は大きく、
容量の増加は大きくなる。なお、シリコンの成長温度を
さらに低温(500℃)にすると、グレインの大きさは
500〜1000nmと大きくなるため、面積当たりの
グレインバウンダリが減少し、また、下部電極のパター
ンが2μm以下になると表面積の増加が不均一になると
いう問題が生じてくる。以上説明したように、シリコン
の成長温度領域は、本発明で説明したアモルファス相と
結晶相との遷移温度領域が最も適当である。
【0018】また、本実施例で形成した容量部の容量絶
縁膜の耐圧分布と、通常の成膜法で形成したポリシリコ
ン膜をリン酸に浸して形成した容量部の容量絶縁膜の耐
圧分布とをそれぞれ図4(a)および図4(b)に示
す。本実施例の場合には、良好な耐圧分布を得ることが
できるが、従来例の場合には、いわゆるAモード(短絡
不良モード)の事故を起こしたものや、Bモード(低電
圧で絶縁破壊を起こす不良モード)の不良がみられ、容
量絶縁膜の膜質が悪くなっている。これは、表面の凸凹
が非常に細かく〔図3(a)参照〕、容量絶縁膜がグレ
インバウンダリの奥まで均一性よく成膜されなかった
り、部分的に薄く形成された容量絶縁膜部分で電界集中
が起きたりするため、耐圧分布が悪くなっているものと
考えられる。このように、本発明を用いると、耐圧性に
優れかつ信頼性の高いキャパシタを形成することができ
る。
【0019】また、本発明による製造方法では、シリコ
ンのアモルファス相と結晶相との混合度はシリコンの成
長条件(特に温度)に依存しているが、第1の従来例に
比較して、図2からわかるように許容温度領域は広く、
かつ従来例のように多数回成膜を続けるとパーティクル
等で表面の凸凹の程度が変化していくという問題点も生
じない。このように、本発明は、従来例よりも再現性よ
く表面の凸凹を形成できるので、量産技術として極めて
有効である。
【0020】図5は、本発明の第2の実施例を説明する
ための工程断面図である。まず、第1の実施例の場合と
同様に、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を形成
し、通常のフォトリソグラフィ技術およびドライエッチ
ング技術を用いて、シリコン酸化膜2を選択的にエッチ
ングして、コンタクトホールを形成する。次に、SiH
4 ガスを用い、圧力0.2〜1.0Torr、成長温度
550〜600℃の条件で、通常のLP−CVD法を用
いて、アモルファス相と結晶相とが混合したシリコン膜
3aを膜厚200〜600nmに成長させる〔図5
(a)〕。次に、850℃程度でリン拡散を行い、前述
のシリコン膜3a中にリンを導入するとともに、シリコ
ン膜3aを完全に結晶化させ、ポリシリコン膜4を形成
する〔図5(b)〕。
【0021】次に、通常のフォトリソグラフィ技術およ
びドライエッチング技術を用いて、ポリシリコン膜4を
下部電極の形にパターニングし、続いて、150〜17
0℃の濃リン酸溶液中に10〜90分間浸し、ポリシリ
コン4を多孔質化して、表面に凸凹がある多孔質シリコ
ン膜5を形成する〔図5(c)〕。次に、第1の実施例
と同様な方法で、容量絶縁膜6および上部電極用のポリ
シリコン膜7を形成する〔図5(d)〕。
【0022】本実施例を用いた容量部の容量値も、第1
の実施例の場合と同様に、通常のポリシリコン膜を用い
た場合に比較して約3倍になった。また、耐圧分布や信
頼性についても第1の実施例の場合と同様に良好な結果
が得られた。
【0023】本実施例では、アモルファス相と結晶相と
が混合したシリコン膜3aを、リン拡散でリンを導入し
ながらポリシリコン膜4に変化させたが、リン拡散を行
う前に、窒素雰囲気中で700〜900℃で熱処理を行
い、結晶化させポリシリコンに変化させてから、リン拡
散を行ってもよい。第1および第2の実施例では、シリ
コン中に不純物としてリンを導入した場合について説明
したが、ヒ素(As)等の他の不純物を用いてもよい。
また、アモルファス相と結晶相の混合しているシリコン
の成長温度の例として、550〜600℃で説明した
が、他の条件で前記シリコン膜ができれば、この温度範
囲に限定する必要はない。なお、第1および第2の実施
例では、容量値の増加は約3倍であるが、シリコン膜の
膜厚を厚くして、リン酸処理の時間を長くすることによ
り、表面の凸凹は大きくなり、したがって、表面積は3
倍以上になるため、64MDRAM以降の半導体装置に
も十分に対応できる。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による半導
体装置の製造方法は、シリコンのアモルファス相と結晶
相との遷移温度で下部電極用のシリコン膜を形成し、前
記遷移温度より高い温度で熱処理することによりポリシ
リコン化して、グレインバウンダリを大きくし、しかる
後にリン酸にて処理するものであるので、本発明によれ
ば、表面の凸凹の大きいシリコン膜を形成することがで
きる。その結果、このシリコン膜を用いて形成する容量
部の容量値も通常のポリシリコンをそのまま電極に用い
る場合に比較して約3倍と大きくなる。また、グレイン
サイズが大きくなったことにより容量絶縁膜の耐圧が向
上し信頼性が高まる。また、従来技術に比較して、シリ
コンの許容成長温度領域も広く、多数の成膜を行っても
再現性よくシリコン表面の凸凹を形成できるため、量産
性の高い製造方法を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程断
面図。
【図2】シリコンの成長温度と容量比との関係を示すグ
ラフ。
【図3】従来例および本発明によるシリコン表面の走査
電子顕微鏡写真。
【図4】本発明および従来例によって形成されたキャパ
シタの耐圧分布図。
【図5】本発明の第2の実施例を説明するための工程断
面図。
【図6】第1の従来例を説明するための工程断面図。
【図7】第3の従来例を説明するための工程断面図。
【符号の説明】
1 シリコン基板 2 シリコン酸化膜 3、3a アモルファス相と結晶相とが混合したシリコ
ン膜 4、7、8、10、11、13 ポリシリコン膜 5、14 多孔質シリコン膜 6 容量絶縁膜 9 シリコン酸化膜 12 タングステンシリサイド膜
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成6年1月27日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図3
【補正方法】変更
【補正内容】
【図3】 従来例および本発明によるシリコン表面の粒
子構造を示す走査電子顕微鏡写真。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 27/108

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に下部電極、誘電体膜およ
    び上部電極から構成される容量部を有する半導体装置の
    製造方法において、堆積膜の結晶状態がアモルファス相
    から多結晶相へ変化する遷移温度で下部電極用のシリコ
    ン膜を形成する工程と、前記遷移温度より高い温度で熱
    処理を行って前記シリコン膜を多結晶化する工程と、前
    記多結晶化したシリコン膜をシリコンのエッチング液に
    て処理する工程と、を含むことを特徴とする半導体装置
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記シリコン膜を形成する工程中に該シ
    リコン膜に不純物を導入することを特徴とする請求項1
    記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記シリコン膜の成膜後、シリコンのエ
    ッチング液にて処理を行う前に前記シリコン膜に不純物
    を導入することを特徴とする請求項1記載の半導体装置
    の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記シリコン膜を多結晶化する熱処理工
    程中に前記シリコン膜に不純物を導入することを特徴と
    する請求項3記載の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記シリコン膜を多結晶化する熱処理温
    度が700℃以上900℃以下であることを特徴とする
    請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項6】 前記シリコンのエッチング液がリン酸で
    あることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造
    方法。
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