JPH09232543A - 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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JPH09232543A
JPH09232543A JP8041162A JP4116296A JPH09232543A JP H09232543 A JPH09232543 A JP H09232543A JP 8041162 A JP8041162 A JP 8041162A JP 4116296 A JP4116296 A JP 4116296A JP H09232543 A JPH09232543 A JP H09232543A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置のキャパシタ形成において、キャパ
シタの下部電極表面の粗面化のため高精度に微細な凹凸
を形成する。 【解決手段】誘電体膜と前記誘電体膜をはさんで上下に
形成される導電体膜とからなるキャパシタの形成におい
て、前記キャパシタの下部電極となる第1の導電体膜を
形成する工程と、前記第1の導電体膜の表面にクラスタ
イオンを注入する工程と、前記クラスタイオンの注入さ
れた領域を選択的に除去し前記第1の導電体膜の表面を
粗面化する工程と、前記粗面化した前記第1の導電体膜
の表面に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜上に
前記キャパシタの上部電極となる第2の導電体膜を形成
する工程とを含む

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法、特にキャパシタを有する半導体装置の製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置、特にDRAM(ダイナミッ
ク ランダム アクセス メモリ)では高密度化あるい
は高集積化が最も重要な課題となっている。そして、D
RAMのメモリセルの構成としては、1トランジスタ、
1キャパシタ構造のものが最も一般的なものとして用い
られている。この場合に、高集積化に伴いセルサイズが
小さくなることから、それに比例して容量値も小さくな
る。しかし、容量値の低下は、信号対雑音の比(S/N
比)の低下につながり、これがDRAMの誤動作を引き
起こし、微細化に対して大きな問題となってくる。この
ため、同一占有面積でもキャパシタ電極表面に凹凸をつ
けることで実効的な表面積を拡大させてキャパシタの容
量値を増加させる方法が提案されるようになってきた。
【0003】このような技術の1つに、イオン注入技術
を用いてキャパシタ電極表面に凹凸をつける方法が特開
平5−291523号公報に提案されている。以下、こ
の特開平5−291523号公報に示されている技術に
ついて図6および図7を用いて説明する。ここで、図6
および図7は上記キャパシタ電極の製造工程順の断面図
である。図6(a)に示すように、導電型がP型のシリ
コン基板101上にLOCOS(Local Oxid
ation of Silicon)法を用いて素子分
離用のフィールド酸化膜102を500nm膜厚程度に
形成する。次に、シリコン基板101の表面にゲート酸
化膜103を形成し、さらにこのゲート酸化膜103上
にゲート電極104を膜厚300nm形成する。そし
て、化学気相成長(CVD)法等で絶縁膜を全面に形成
し、異方性エッチングを行なうことによりサイドウォー
ル絶縁膜105を形成する。さらに、MOSトランジス
タのソース・ドレイン106を形成するためにヒ素イオ
ンを注入し熱処理を施す。
【0004】次に、CVD法により第1層間絶縁膜10
7を400nmの膜厚に形成し、通常のリソグラフィー
技術とドライエッチング技術とを用いてコンタクトホー
ル108を形成する。続いて、CVD法により多結晶シ
リコン膜109を200nmの膜厚に形成する。次に多
結晶シリコン膜109にヒ素不純物を50KeV、5×
1015イオン/cm2 の条件でイオン注入し、この後、
900℃、N2 雰囲気中で熱処理をおこなう。このよう
にして、図6(b)のような構造を得る。
【0005】次に、N+ イオン110を20KeV、5
×1017イオン/cm2 の条件で注入し多結晶シリコン
膜109の表面を窒化シリコン(SiX Y )111に
改質する(図6(c))。次に、リン酸(H3 PO4
中でウェットエッチングし窒化シリコン111を除去す
ると、多結晶シリコン膜109の表面は凹凸のある粗面
109aとなり図6(d)に示すようになる。さらに、
通常のリソグラフィー技術とドライエッチング技術を用
いて粗面109aをもつ多結晶シリコン膜109をパタ
ーニングしキャパシタの下部電極112を形成する(図
7(a))。
【0006】次に、Si3 4 の容量絶縁膜113を減
圧CVD法により上記キャパシタの下部電極112表面
に形成する。その後、キャパシタのセルプレートとし
て、多結晶シリコンをCVD法により300nm程度の
膜厚に形成し、POCl3 をソースとする熱拡散により
リン不純物をドープした後、リソグラフィー技術とドラ
イエッチング技術を用いて上部電極114を形成する
(図7(b))。
【0007】この後は、第2層間絶縁膜、コンタクトホ
ール、ビット線のAl、カバー膜(いずれも図示せず)
を形成し、メモリセルを作製することになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上に説明したよう
に、従来の技術ではキャパシタの下部電極となる多結晶
シリコン膜の表面に窒素イオンを注入して、その表面を
窒化シリコンに改質する。そして、この窒化シリコンを
エッチング除去し下部電極を粗面とする。しかし、窒素
イオンによる多結晶シリコンの窒化には窒素イオン注入
において5×1017イオン/cm2 程度以上の高ドーズ
量が必要となる。このような高ドーズ量の注入には、長
い時間がかかるという大きな欠点がある。
【0009】例えば、1バッチで17枚処理する既存の
高電流イオン注入装置を使用して、20mAのビーム電
流量で注入したとすると、1バッチだけで約5時間が必
要である。これは、半導体装置の量産製造にとって生産
性の非常に悪い工程となってしまう。
【0010】また、イオンビームを利用した注入による
表面の改質では、通常、基板と表面改質層との界面の粗
さは原子レベルのものとなる。そして、注入後の表面改
質層をエッチングしてできる下部電極表面の凹凸はそれ
ほど大きくない。そのため、表面を改質しない場合と比
較して、最大でもその表面積は約1.2倍程度までにし
か増加しない。
【0011】キャパシタの容量値を増加させる方法とし
て、この他に、電極構造を変える方法がさまざま提案さ
れている。たとえば、シリンダ型、多段フィン型などが
ある。これらは、高さ方向に寸法が大きくなるという欠
点があるものの、占有面積を変えること無く容量値を増
加させることができる。この方法を採用した場合の容量
増加率は、シリンダ型で約1.9倍、多段フィン型では
フィンを2枚つけると、約2倍まで容量値が増加する。
これらと比較して、イオンビームを使った従来の方法に
は、電極構造を変化させた場合と比較し容量の増加率が
小さいという問題点があった。
【0012】本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
キャパシタの下部電極の表面を簡便な手法で粗面にする
半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】このために本発明の半導
体装置の製造方法は、誘電体膜と前記誘電体膜をはさん
で上下に形成される導電体膜とからなるキャパシタの形
成において、前記キャパシタの下部電極となる第1の導
電体膜を形成する工程と、前記第1の導電体膜の表面に
クラスタイオンを注入する工程と、前記クラスタイオン
の注入された領域を選択的に除去し前記第1の導電体膜
の表面を粗面化する工程と、前記粗面化した前記第1の
導電体膜の表面に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電
体膜上に前記キャパシタの上部電極となる第2の導電体
膜を形成する工程とを含む。
【0014】ここで、前記クラスタイオンを構成する元
素がリンであり、前記クラスタイオンの注入された領域
の選択的な除去が、リン酸溶液中でのウェットエッチン
グで行われる。
【0015】あるいは、前記クラスタイオンを構成する
元素がアルゴンであり、前記クラスタイオンの注入され
た領域の選択的な除去が、前記クラスタイオンの注入後
の前記第1の導電体膜の表面を酸化する工程と、前記酸
化工程後の弗酸溶液中でのウェットエッチング工程とで
行われる。
【0016】ここで、前記下部電極を構成する第1の導
電体膜が多結晶シリコン膜あるいは白金薄膜が使用され
る。
【0017】また、前記誘電体膜としてシリコン窒化
膜、タンタル酸化膜あるいはチタン膜ストロンチウム膜
あるいはチタン酸バリウムストロンチウム膜が使用され
る。
【0018】
【発明の実施の形態】次に、本発明の第1の実施の形態
を図1および図2に基づいて説明する。ここで、図1お
よび図2は本発明の製造工程順の断面図である。
【0019】まず、シリコン基板1上に、フィールド酸
化膜2、ゲート酸化膜3、ゲート電極4、サイドウォー
ル絶縁膜5、ソース・ドレイン6および第1層間絶縁膜
7をそれぞれ形成する(図1(a))。そして、第1層
間絶縁膜7の所定の部分を開孔してコンタクトホール8
を形成する(図1(b))。続いて、減圧CVD法によ
り、メモリセルのキャパシタの下部電極となる多結晶シ
リコン膜9を200〜400nmの膜厚に形成する(図
1(c))。
【0020】次に、POCl3 をソースとする熱拡散法
によりリン不純物を多結晶シリコン膜9中に1020原子
/cm3 程度の濃度になるようにドーピングする。さら
に、リソグラフィー技術を用いて堆積した多結晶シリコ
ン膜9を矩形状にパターニングしメモリセルの下部電極
10を形成する。
【0021】次に、下部電極10の表面に、Pクラスタ
イオン11の注入を行なう(図1(d))。この注入で
は、リン原子のクラスタイオンを使用する。ここで、注
入エネルギーは20KeVであり、100個のクラスタ
で1価の電荷をもつリンクラスタを、ドーズ量1×10
11〜1×1012イオン/cm2 でイオン注入する。この
リンクラスタの注入後は、ウェットエッチングをおこな
って、下部電極10の表面を凹凸化し粗面10aを形成
する(図2(a))。このウェットエッチングには、た
とえば、140〜170℃程度に加熱したリン酸溶液を
用いる。このリン酸溶液には約60〜90分間浸漬す
る。これによりクラスタイオン注入でダメージを受け、
かつ、リン不純物の局所的に高い部分が選択的にエッチ
ングされ、下部電極10の表面に凹凸が形成される。
【0022】本実施例ではエッチング液としてリン酸溶
液を用いているが、クラスタイオン注入部分を選択的に
エッチングするものであればよく、例えば、その他弗酸
と硝酸と氷酢酸の混合水溶液を用いても可能である。ま
た、さらに溶液でなく、CF4 とO2 を含むプラズマ
や、SF6 を含むプラズマにさらすことによってエッチ
ングを行ってもよい。
【0023】この例では、多結晶シリコン膜9の成膜後
に、リソグラフィー技術を用いて堆積した多結晶シリコ
ン膜9を矩形状にパターニングしメモリセルの下部電極
10を形成してからPクラスタイオン11の注入をおこ
なっているが、これに限らず、多結晶シリコン膜9の成
膜後にPクラスタイオン注入とエッチングをおこなって
表面を凹凸にしてから、リソグラフィー技術により矩形
状にパターニングしてメモリセルの下部電極10を形成
してもよい。
【0024】このようにした後、減圧CVD法により、
NH3 とSiH2 Cl2 とからなるガス系で、全面に容
量絶縁膜12を5〜10nmの膜厚に成膜する。次に、
この容量絶縁膜12上に、減圧CVD法により上部電極
13となる多結晶シリコン薄膜を200〜300nm膜
厚程度に成膜する。この上部電極にも下部電極の場合と
同じように、POCl3 をソースとする熱拡散法によ
り、リン不純物を多結晶シリコン薄膜中に1020原子/
cm3 程度ドーピングし、リソグラフィー技術およびド
ライエッチング技術を用いてパターニングして上部電極
13を形成する(図2(b))。これにより、ソース・
ドレイン6に電気接続する下部電極10、容量絶縁膜1
2、上部電極13とからなるキャパシタがシリコン基板
1上に形成される。このようにして形成されるキャパシ
タでは、下部電極10表面の凹凸形状をクラスタイオン
注入のクラスタ分子数、注入エネルギー、ドーズ量とい
ったパラメータをコントロールして形成できる。
【0025】この後は、第2層間絶縁膜、コンタクトホ
ール、ビット線のAl、カバー膜(いずれも図示せず)
を形成し、メモリセルを作製する。
【0026】この発明は、多結晶シリコン膜表面にPク
ラスタイオンを注入し、その後エッチングを行なうこと
によりその表面を粗面にするものである。この方法は、
物理的な注入欠陥や注入不純物濃度によるエッチングレ
ートの差を利用して表面に凹凸を形成し、表面積を増大
するようにしたものである。以下、図3を参照して上記
凹凸形成について説明する。
【0027】クラスタイオンは、原子または分子が数個
〜数千個凝縮したものである。クラスタイオンについて
は、最近さまざまな研究報告がなされている。ここで
は、リンクラスタイオンが下部電極を構成する多結晶シ
リコン膜の表面に注入される場合について説明する。
【0028】図3(a)に示すように20KeVに加速
された100個の原子からなるPクラスタイオン11を
多結晶シリコン膜で構成された下部電極10の表面に注
入する。このPクラスタイオン11は質量数が非常に大
きいため下部電極10のごく浅いところまでしか到達せ
ず、おおきなダメージ領域を形成する(図3(b))。
また、この下部電極10表面のPクラスタイオン11が
注入されたリン不純物含有局部14はリン濃度が極端に
高くなる。また、この領域はダメージのために結晶欠陥
が生じ非晶質化する。
【0029】次に、これを140〜170℃に加熱した
リン酸溶液に60〜90分間浸漬してエッチングを行な
う。加熱したリン酸溶液にはエッチング速度の不純物濃
度依存性があり、不純物濃度の高い部分が選択的にエッ
チングされるという特性がある。このため、リンのクラ
スタが打ち込まれた部分のみが選択的エッチングされ、
多くの凹部15が形成される(図3(c))。このよう
にして、下部電極10の表面が凹凸形状になり粗面化さ
れる。
【0030】次に、本発明の第2の実施の形態を図4に
基づいて説明する。図4も本発明を説明するための製造
工程順の断面図である。この第2の実施の形態では、第
1の実施の形態で説明した図1(a)から図1(b)ま
での工程は全く同じである。すなわち、シリコン基板1
上に、フィールド酸化膜2、ゲート酸化膜3、ゲート電
極4、サイドウォール絶縁膜5、ソース・ドレイン6お
よび第1層間絶縁膜7を形成する(図4(a))。そし
て、第1層間絶縁膜7の所定の部分を開孔してコンタク
トホールを形成する。
【0031】続いて、減圧CVD法により、メモリセル
の下部電極となる多結晶シリコン膜を形成し、POCl
3 をソースとする熱拡散法により、リン不純物をこの多
結晶シリコン膜中に1020原子/cm3 程度の濃度にド
ーピングする。さらに、リソグラフィー技術を用いて堆
積した多結晶シリコン膜を矩形状にパターニングしメモ
リセルの下部電極10を形成する(図4(a))。
【0032】ついで、下部電極10の表面に、Arクラ
スタイオン16の注入を行なう。注入にはガスソースと
してArガスを用いアルゴンのクラスタを使用する。注
入条件としては、エネルギーは20KeVであり、20
0個のクラスタで1価の電荷をもつArクラスタを、ド
ーズ量1×1011イオン/cm2 で注入する。注入後
に、酸化性雰囲気中750℃で下部電極10の表面を熱
酸化し、10nm程度の熱酸化膜17を形成する図4
(b)。ここでクラスタイオン注入でダメージが加えら
れた部分のみが酸化速度が大きくなるため、注入部分と
末注入部分で酸化膜厚に差が生じる。このため、図4
(b)のように熱酸化膜17と下部電極10界面は凹凸
をもった形状になる。次に、この熱酸化膜17を希弗酸
溶液に5分間浸漬して除去する(図4(c))。このよ
うにして、表面が凹凸化され粗面10aをもつ下部電極
10が形成される。
【0033】この実施の形態で、多結晶シリコン膜の成
膜後に、リソグラフィー技術を用いて堆積した多結晶シ
リコン膜を矩形状にパターニングし、メモリセルの下部
電極を形成してからArクラスタイオン注入をおこなっ
ているが、多結晶シリコン膜成膜後にArクラスタイオ
ン注入と熱酸化と希弗酸溶液によるエッチングをおこな
って表面を凹凸化してから矩形状にパターニングしメモ
リセルの下部電極10を形成してもよい。
【0034】その後は第1の実施の形態と同じになる。
すなわち、減圧CVD法により、NH3 とSiH2 Cl
2 とからなるガス系で、全面に容量絶縁膜12を5nm
の膜厚に成膜する。次に、容量絶縁膜12上に、減圧C
VD法により上部電極13となる多結晶シリコン薄膜を
200nmの膜厚に成膜する。この上部電極13にも下
部電極12の場合と同じように、POCl3 をソースと
する熱拡散法により、リン不純物を多結晶シリコン膜中
に1019原子/cm3 程度の濃度ドーピングし、リソグ
ラフィー技術およびドライエッチング技術を用いてパタ
ーニングして上部電極13を形成する(図4(d))。
これにより、下部電極10、容量絶縁膜12、上部電極
13とからなるキャパシタが形成される。ここで、下部
電極10はシリコン基板1上のソース・ドレイン6と電
気接続する。
【0035】次に、この第2の実施の形態での下部電極
10表面の粗面化について図5を参照して説明する。
【0036】この場合は、Arクラスタイオン注入によ
り下部電極表面に局部的にダメージ領域を形成するもの
である。そして、この場合にはArクラスタイオン注入
をおこなったあとに、熱酸化を行うものである。
【0037】第1の実施の形態で述べたと同じように、
20KeVに加速された、200個の原子からなるアル
ゴンクラスタイオン16を多結晶シリコン膜で構成され
た下部電極10の表面に注入する(図5(a))。この
Arクラスタイオン16が注入された部分すなわちアル
ゴン注入局部18には注入ダメージのために結晶欠陥が
生じ、非晶質化する(図5(b))。
【0038】次に、下部電極10を酸化性雰囲気中で酸
化し熱酸化膜17を形成する。ダメージを受けた部分す
なわちアルゴン注入局部18は、酸化速度が大きくなる
ため、多結晶シリコン膜である下部電極10とアルゴン
注入局部18領域との界面形状にしたがって熱酸化膜1
7が下に凸の形状で形成される(図5(c))。この酸
化膜を弗酸でエッチング除去することによって下部電極
10表面に凹部を形成することができる(図5
(d))。
【0039】このようにして、第2の実施の形態でも下
部電極10の表面が凹凸形状になり粗面化される。
【0040】以上の実施の形態では、容量絶縁膜として
シリコン窒化膜が用いられた。本発明では、容量絶縁膜
としてタンタル酸化膜、チタン酸ストロンチウム膜、チ
タン酸バリウムストロンチウム膜あるいはチタン酸ジル
コン酸鉛等の金属酸化膜が使用されてもよい。
【0041】また、下部電極として多結晶シリコン膜以
外に白金薄膜が使用されてもよい。この白金薄膜の場合
には、容量絶縁膜としてチタン酸バリウムストロンチウ
ム膜がっ使用されると効果的になることに言及してお
く。
【0042】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明はキャパ
シタの下部電極となる導電体膜の表面にクラスタイオン
注入を行なった後、クラスタイオン注入のされた局部を
選択的にエッチングをすることによって下部電極を粗面
化しその表面積を拡大するようにしたものである。
【0043】このために、本発明の半導体装置の製造方
法では、以下のような顕著な効果が生じる。すなわち、
(1)クラスタイオン注入のドーズ量は1013イオン/
cm2 以下で十分であり、製造プロセスとして、大幅に
時間短縮する。例えば、先述した従来の技術で5時間か
かるものが、本発明では10分間程度と大幅に短縮され
るようになる。
【0044】(2)クラスタイオン注入深さが下部電極
表面の凹凸に対応するため、その表面積の増加が従来よ
り大きくなる。従来のイオンビームを使用して粗面化し
た時の表面積の増加は、粗面化しない場合と比較して
1.2倍増までであったが、本発明による技術では、
1.8倍にまで増加する。これにより、シリンダ型や2
段フィン型に近い容量値をクラスタイオンビームを使用
して得ることができるようになる。
【0045】このように、メモリセルサイズの増大や、
キャパシタの容量絶縁膜の薄膜化に起因する信頼性の低
下をまねくことなく、容量値の大きなキャパシタを簡単
に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態を説明する製造工程
順の断面図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態を説明する製造工程
順の断面図である。
【図3】上記実施の形態での粗面化を説明する工程順の
断面図である。
【図4】本発明は第2の実施の形態を説明する製造工程
順の断面図である。
【図5】上記実施の形態での粗面化を説明する工程順の
断面図である。
【図6】従来の技術を説明する製造工程順の断面図であ
る。
【図7】従来の技術を説明する製造工程順の断面図であ
る。
【符号の説明】
1,101 シリコン基板 2,102 フィールド酸化膜 3,103 ゲート酸化膜 4,104 ゲート電極 5,105 サイドウォール絶縁膜 6,106 ソース・ドレイン 7,107 第1層間絶縁膜 8,108 コンタクトホール 9,109 多結晶シリコン膜 10,112 下部電極 10a,109a 粗面 11 Pクラスタイオン 12,113 容量絶縁膜 13,114 上部電極 14 リン不純物含有局部 15 凹部 16 Arクラスタイオン 17 熱酸化膜 18 アルゴン注入局部 110 N+ イオン 111 窒化シリコン
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/822

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 誘電体膜と前記誘電体膜をはさんで上下
    に形成される導電体膜とからなるキャパシタの形成にお
    いて、前記キャパシタの下部電極となる第1の導電体膜
    を形成する工程と、前記第1の導電体膜の表面にクラス
    タイオンを注入する工程と、前記クラスタイオンの注入
    された領域を選択的に除去し前記第1の導電体膜の表面
    を粗面化する工程と、前記粗面化した前記第1の導電体
    膜の表面に誘電体膜を形成する工程と、前記誘電体膜上
    に前記キャパシタの上部電極となる第2の導電体膜を形
    成する工程と、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】 前記クラスタイオンを構成する元素がリ
    ンであり、前記クラスタイオンの注入された領域の選択
    的な除去が、リン酸溶液中でのウェットエッチングで行
    われ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】 前記クラスタイオンを構成する元素がア
    ルゴンであり、前記クラスタイオンの注入された領域の
    選択的な除去が、前記クラスタイオンの注入後の前記第
    1の導電体膜の表面を酸化する工程と、前記酸化工程後
    の弗酸溶液中でのウェットエッチング工程とで行われる
    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】 前記下部電極を構成する第1の導電体膜
    が多結晶シリコン膜あるいは白金薄膜であることを特徴
    とする請求項1、請求項2または請求項3記載の半導体
    装置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記誘電体膜としてシリコン窒化膜、タ
    ンタル酸化膜あるいはチタン酸ストロンチウム膜あるい
    はチタン酸バリウムストロンチウム膜を使用することを
    特徴とする請求項1から請求項4のうち1つの請求項に
    記載の半導体装置の製造方法。
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