JPH11220100A - メモリセル装置及びその製造方法 - Google Patents

メモリセル装置及びその製造方法

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JPH11220100A
JPH11220100A JP10327950A JP32795098A JPH11220100A JP H11220100 A JPH11220100 A JP H11220100A JP 10327950 A JP10327950 A JP 10327950A JP 32795098 A JP32795098 A JP 32795098A JP H11220100 A JPH11220100 A JP H11220100A
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    • HELECTRICITY
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    • H10B12/02Manufacture or treatment for one transistor one-capacitor [1T-1C] memory cells
    • H10B12/03Making the capacitor or connections thereto
    • H10B12/038Making the capacitor or connections thereto the capacitor being in a trench in the substrate

Abstract

(57)【要約】 【課題】 蓄積される電荷の保持時間における変動を低
減させるメモリセル装置、特にトレンチコンデンサを有
するDRAM装置及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 コンデンサ電極14の多結晶の半導体材
料と単結晶の半導体領域19との間の電気接続部の範囲
に熱酸化により形成された無定形層12の熱的裂開によ
り無定形材料から成るアイランド13を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はメモリセル装置及び
その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】メモリセル装置、特にDRAM装置では
情報は電荷の形で個々のメモリセルに蓄積される。この
場合電荷はしばしばメモリコンデンサ内に蓄積される。
その際電荷は限られた時間だけメモリコンデンサ内に保
持されている。最近のDRAM装置ではメモリコンデン
サ内における保持時間は約2〜3秒である。蓄積された
情報を更に長く保持するには情報は周期的に更新(いわ
ゆるリフレッシュ)される。
【0003】メモリセル装置内で個々のメモリセルが著
しく変動する保持時間を有することが判明している。こ
のことは、これらのメモリセルにおける保持時間が例え
ば10ミリ秒間の極めて短い値と通常の2〜3秒の保持
時間との間で変動することを意味する。可変保持時間誤
差とも云われるこの誤差は予知できないものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、蓄積
される電荷の保持時間の変動を低減させるメモリセル装
置を提供することにある。更にこのようなメモリセル装
置の製造方法を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】この課題は本発明の請求
項1に記載のメモリセル装置並びに請求項6に記載のそ
の製造方法により解決される。本発明の実施態様は従属
請求項から明らかにする。
【0006】コンデンサ電極の多結晶の半導体材料と単
結晶の半導体領域との間に電気接続部が存在するメモリ
セルを有するメモリセル装置において、この多結晶の半
導体材料と単結晶の半導体領域との間の電気接続部の範
囲にアモルファス材料から成るアイランドが配設されて
いる。これらのアモルファス材料から成るアイランドは
コンデンサ電極の単結晶の半導体領域と多結晶の半導体
材料との間の界面を安定化させる。それにより製造プロ
セス中、特に熱処理工程中に多結晶の半導体材料と単結
晶の半導体領域との界面が変化し、一方ではエピタキシ
ャル成長が単結晶の半導体領域の表面から出発して多結
晶の半導体材料内へと、また他方では結晶成長が多結晶
の半導体材料から単結晶の半導体領域内へと生じること
が回避される。
【0007】アイランドが電気接続部の範囲で不規則な
格子内に面状に配置されていると有利である。
【0008】アイランドの形状は多様なものにすること
ができる。例えばアイランドは球状、楕円体状、回転楕
円体状又は不規則な形状を有している。特に種々のアイ
ランドがそれぞれ異なって形成されていてもよい。
【0009】本発明は以下に記載する考察から出発する
ものである。可変保持時間の誤差作用はコンデンサ電極
の単結晶の半導体領域と多結晶の半導体材料との間に電
気接続部が存在するメモリセル内に認められる。この作
用は特に、単結晶の半導体基板内に選択トランジスタが
配設されそのソース/ドレイン領域の1つがトレンチ内
に配設されている多結晶の半導体材料から成るコンデン
サ電極と電気的に接続されているメモリセルの場合に観
察される。この作用は積層コンデンサを有するメモリセ
ルの場合にも発生する。
【0010】単結晶の半導体領域内に可変保持時間の誤
差作用を有するメモリセルが単結晶の半導体領域と多結
晶の半導体材料との間の界面から始まる結晶欠陥を示す
ことは研究されている。この欠陥は多結晶の半導体材料
と単結晶の半導体領域との不安定な界面の結果として認
められるものである。
【0011】本発明では多結晶の半導体材料と単結晶の
半導体領域との間にアモルファス材料から成るアイラン
ドが配置されている。これらのアイランドは単結晶の半
導体領域の表面上にも多結晶の半導体材料の表面上にも
機械的応力を生じさせる。これらの表面に対するこの機
械的応力は熱処理中に単結晶の半導体領域の表面からエ
ピタキシャル成長が、また多結晶の半導体材料から結晶
成長が始まるのを阻止する。多結晶の半導体材料から始
まる結晶成長により多結晶の半導体材料内に存在する結
晶格子の欠陥は単結晶の半導体領域内に伝達される。単
結晶の半導体領域の表面から始まり多結晶の半導体材料
内へ進むエピタキシャル成長も単結晶の半導体領域内に
結晶の欠陥を生じさせる。とりわけ転位を生じる可能性
のあるこれらの欠陥は本発明によるメモリセル装置内に
アモルファス材料から成るアイランドを備えることによ
り回避される。
【0012】同時に多結晶の半導体材料と単結晶の半導
体領域との間のアモルファス材料から成るアイランド
は、キャリアがアモルファス材料から成るアイランド間
を通って多結晶の半導体材料から単結晶の半導体領域内
に到達することができるので、電気的接触を保証する。
更に多結晶の半導体材料と単結晶の半導体領域との間に
ドーパントの拡散が起こり得る。
【0013】アモルファス材料から成るアイランドには
絶縁材料特にSiO2 又はSi3 4 も、また導電材料
特にタングステン又は他の高融点金属も適している。
【0014】単結晶の半導体領域は、少なくとも電気接
続部の範囲に単結晶のシリコンを有する特に半導体基板
の部分である。半導体基板としてはとりわけ単結晶のシ
リコンウェハ又はSOI基板の単結晶のシリコン層が適
している。
【0015】アモルファス材料から成るアイランドは酸
化物、特に酸化シリコンから形成されると有利である。
【0016】メモリセル装置を製造する際に電気接続部
の範囲の単結晶の半導体領域の表面上にアモルファス層
が所定の厚さで施されると有利である。その上に多結晶
の半導体材料が施される。その際アモルファス層は、多
結晶の半導体材料が多結晶で成長することを保証する。
アモルファス材料から成るアイランドの形成にはアモル
ファス層がアイランドに分解する熱処理を行うと有利で
ある。
【0017】その前は1つにつながっている酸化物層か
ら熱処理によりこのような酸化物アイランドを形成する
ことは、バイポーラトランジスタに関連して既にシャバ
ー(H.Schaber)その他による「IEDM19
87」第170〜173頁から公知である。その場合こ
のような熱処理は、露出するシリコン表面に無秩序に形
成されまたバイポーラトランジスタではエミッタの表面
にエミッタとエミッタ端子との間の抵抗値を高めること
になるいわゆる自然の酸化物層又は堆積酸化物層を裂開
するために使用される。バイポーラトランジスタの堆積
酸化物層の熱による裂開によりエミッタ抵抗は改善され
る。しかしアモルファス材料から成るアイランドが単結
晶の半導体材料中に欠陥を生じさせる作用についてはシ
ェバーその他による「IEDM1987」第170〜1
73頁には言及されていない。
【0018】単結晶の半導体領域は特に選択トランジス
タのソース/ドレイン領域である。コンデンサ電極は特
に半導体基板内にエッチングされるトレンチ内に配設さ
れており、コンデンサ電極の他にコンデンサ誘電体及び
対向電極としてトレンチに隣接する半導体基板部分を有
するいわゆるトレンチコンデンサの部分である。コンデ
ンサ電極は選択トランジスタが配設されている半導体基
板の表面にも配置可能であり、積層コンデンサの部分で
ある。
【0019】隣接するアイランド間の間隔をアイランド
の直径に対して最大で10:1、有利には最大で2:1
〜1:1の割合になるように配置すると有利である。こ
の配置は、アイランドにより惹起される応力が一様に電
気接続部の範囲の単結晶半導体領域の表面に分配され、
従ってこの範囲全体にわたり欠陥の形成を阻止すること
を保証する。
【0020】アイランドは単結晶の半導体領域の表面に
平行に0.5〜50nmの範囲の寸法を有する。隣接す
るアイランドとの間隔も同様に0.5〜50nmであ
る。単結晶の領域の表面に垂直方向にアイランドは0.
5〜15nmの厚さを有する。その際単結晶の半導体領
域の表面とはアイランドが配置されている表面である。
この表面は特にコンデンサ電極が配設されているトレン
チの壁の上方部分にあり、半導体基板の主面に対し垂直
に方向付けされている。
【0021】有利な一実施態様によれば、アイランドは
単結晶の半導体領域の表面に平行に8〜20nmの範囲
の寸法を有する。隣接するアイランドとの間隔は約12
nmである。単結晶の半導体領域の表面に垂直方向にア
イランドは約8nmの厚さを有する。
【0022】メモリセル装置を製造する際にアモルファ
ス層を熱酸化により形成すると有利である。アモルファ
ス層を所定の厚さに調整して製造することを保証するた
めに、その際酸化雰囲気中で所定の温度及び時間が維持
される。その際この酸化雰囲気は、残留ガス中の酸素、
大気中特に空気中の酸素によっても、又は適切に添加さ
れた酸素を有する反応ガスによっても形成することがで
きる。その場合アモルファス層の層厚の制御のために、
この熱酸化を比較的低温で、特に500〜625℃の範
囲の温度で行うと有利である。
【0023】アイランドを形成するための熱処理は95
0〜1150℃の範囲で行うと有利である。その際この
ように高温で自然にアイランドが形成されることを利用
し、その直径及び間隔はアモルファス層の厚さにより予
め規定される。
【0024】アモルファス材料から成るアイランドは別
の方法でも、例えば統計的に形成されたマスク又は電子
ビームリソグラフィにより構造化されるアモルファス層
の析出により形成することもできる。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明を図示の実施例に基づき以
下に詳述する。
【0026】SOI基板の埋封された絶縁層の表面に配
設されている単結晶シリコンウェハ又は単結晶のシリコ
ン層の部分である単結晶半導体領域1の表面上にアモル
ファス層2及びその上にポリシリコン層3を施す(図1
参照)。アモルファス層2はSiO2 から0.5nmの
厚さに形成される。
【0027】アモルファス層2を形成するにはまず単結
晶の半導体領域1の表面をフッ化水素酸でのエッチング
により洗浄する。その際露出する半導体表面に自然に形
成されまた無秩序に成長する酸化物(堆積酸化物ともい
う)は完全に除去される。引続きフリーエッチングされ
た表面を有する単結晶の半導体領域1を炉内に装入す
る。炉内に装入時に半導体の露出表面は周囲の空気に曝
され、その際新たに自然の酸化物が形成される。形成さ
れた自然酸化物の厚さは単結晶半導体領域1のドーピン
グ、結晶方位及び炉の装填時間により左右される。単結
晶の半導体領域を1017cm-3のヒ素のドーピング及び
炉の装填時間が1時間であると、単結晶の半導体領域1
が<100>方位の場合自然酸化物は0.3nmの層厚
で形成される。炉内への装入は500℃程度のできるだ
け低温で行われる。
【0028】炉内に装入後に炉を閉鎖し、アモルファス
層2を精確な温度調整及び時間設定によりその最終層厚
に形成する。500℃で6分間の酸化時間で全層厚が
0.5nmのアモルファス層2が形成される。アモルフ
ァス層2の一部は炉内に装入中に形成された自然酸化物
である。
【0029】アモルファス層2を形成する際の炉内の酸
化雰囲気としては、炉の閉鎖後に残留し酸素を含んでい
る環境雰囲気を使用する。
【0030】所定の厚さのアモルファス層2を形成した
後に炉内の酸化雰囲気を排気する。炉を以後のポリシリ
コン層3の析出に必要な625℃の析出温度に上げる。
この析出はシリコンを含有するロセスガス、例えばシラ
ンを使用して行われる。この析出の際のプロセスガスは
酸素を含んでいないので、アモルファス層2の厚さはそ
のまま維持される。ポリシリコン層3は300nmの厚
さに析出される。
【0031】950℃〜1150℃の温度範囲での熱処
理によりその時まで1つにつながっていたアモルファス
層2は裂開され、この層からアモルファス材料から成る
アイランド2′が形成される。アイランド2′は単結晶
の半導体領域1の表面とポリシリコン層3との間に配列
されている。個々のアイランド2′は球状、楕円体又は
不規則な形状を有している。更にこの配列は一様でない
被覆を有する。
【0032】アモルファス層を0.5nmの層厚に形成
し、1100℃で5秒間熱処理すると単結晶の半導体領
域1の表面に平行に8nm〜20nmのほぼ楕円体形の
アイランド2′が形成され、その際隣接するアイランド
2′との間隔は12nmとなる。アイランド2′の厚さ
は単結晶領域1の表面に垂直方向に8nmとなる。この
アイランド2′の配列は一方では単結晶の半導体領域1
とポリシリコン3との間に熱力学的に安定な界面を保証
する。また他方ではこの配列はポリシリコン層3と単結
晶の半導体領域1との間に一定の電気的接触を有する電
気接続を可能にする。
【0033】ポリシリコン層3の析出とアイランド2′
を形成するための熱処理との間に通常多数の他の処理工
程が行われる。アイランド2′を形成するための熱処理
は特にドーパントの活性化及び/又は拡散のための熱処
理と同時に行ってもよい。
【0034】アモルファス層2を形成するための酸化雰
囲気は適切な酸素の供給によっても形成することができ
る。それには特に単結晶の半導体領域の装入後に酸素が
供給される真空スルースを有する炉を使用する。更に無
秩序に成長させた自然酸化物を除去するため単結晶の半
導体領域1の表面をフリーエッチングする炉を使用する
こともできる。引続き適切な酸素の供給によりアモルフ
ァス層2を調整下に成長させる。炉としては、アモルフ
ァス層2とポリシリコン層3の形成を同一の室内で行う
炉でも、複数の室を有する炉であってもよい。アモルフ
ァス層2はまたポリシリコン3を析出するのと同じ温度
で形成してもよい。この場合もちろん酸化時間及び酸素
の供給を極めて精確に調整する必要がある。
【0035】図3に示すように、それぞれ1つのトレン
チコンデンサと1つの選択トランジスタを有するメモリ
セルを有するメモリセル装置の製造には、<100>方
位のpドープされたシリコン基板10内にマスクによる
異方性エッチングにより深さ8μm のトレンチ11を形
成する。
【0036】トレンチ11の表面にコンデンサ誘電体1
2を形成する。このコンデンサ誘電体12は、第1のS
iO2 層、Si3 4 層及び第2のSiO2 層から成る
全層厚が5nmの三重層として形成される。
【0037】コンデンサ誘電体12はそれぞれトレンチ
11の一方の側面の上方範囲11′では除去され、従っ
て一方の側面の上方範囲11′では単結晶シリコン基板
10の表面は露出されている。側面上方範囲11′の単
結晶シリコン基板10の露出表面上に図1及び2に基づ
き説明したように、SiO2 から成る厚さ0.5nmの
アモルファス層が調整下に形成され、この層からその後
の処理過程でアモルファス材料から成るアイランド13
が形成される。SiO2 から成るアモルファス層の形成
は図1及び2に関連して上述したようにして行われる。
【0038】ドープされたポリシリコン層の析出により
トレンチ11をほぼ満たすポリシリコンから成るコンデ
ンサ電極14が形成される。多結晶シリコンから成るコ
ンデンサ電極14と単結晶のシリコン層10との間には
側面上方部分11′に調整された厚さで成長させたアモ
ルファス層が配設される。従ってコンデンサ電極14を
形成するポリシリコン層は調整下に多結晶性に成長す
る。
【0039】次にLOCOSプロセス又はシャロートレ
ンチ絶縁(STI)プロセスでそれぞれ2つの隣接する
トレンチ11の側面上方部分11′を囲む絶縁構造15
を形成する。
【0040】次に単結晶シリコン基板10の主面に熱酸
化により12.5nmの層厚で形成されるゲート誘電体
16を設ける。
【0041】次にワード線17を形成し、その際2つの
隣接するトレンチ11間に2つのワード線17が配設さ
れる。ワード線17は例えばSiO2 から成るワード線
絶縁部18で囲まれる。
【0042】リン及び/又はヒ素の注入によりワード線
17と隣接するトレンチ11との間にはそれぞれソース
/ドレイン領域19を、2つのワード線17間には共通
のソース/ドをレイン領域20を形成する。
【0043】次に1100℃及び5秒間の熱処理が行わ
れ、その際一方ではソース/ドレイン領域19、20の
ドーパントを活性化及び拡散させ、他方では側面上方部
分11′に配設されているアモルファス層の裂開により
アモルファス材料から成るアイランド13が形成され
る。アモルファス材料から成るアイランド13はほぼ楕
円体形をしており、側面上方部分11′に平行に8nm
〜20nmの寸法を有する。側面上方部分11′の垂直
方向にアモルファス層は約8nmの厚さを有する。隣接
するアイランド13との間隔は約12nmである。アイ
ランド13は、コンデンサ電極14と単結晶のソース/
ドレイン領域19との界面がシリコン基板10内で安定
し、特にソース/ドレイン領域19、20及びシリコン
基板10内にこの界面から始まる何らの欠陥も形成しな
い。なお図3のアイランド13は概略的なものであり、
著しく拡大されて示されている。実際には図示のものよ
り多数のアイランドが形成されている。
【0044】次にこのメモリセル装置を公知の方法で完
成する。特にパッシベーション層21を析出し、そこに
ビット線接触部22を共通のソース/ドレイン領域20
に対して形成する。
【0045】メモリセル装置内の各メモリセルはそれぞ
れ1つのトレンチコンデンサと1つの選択トランジスタ
を有する。トレンチコンデンサはそれぞれコンデンサ電
極14、コンデンサ誘電体12及びそれを囲むpドープ
されている基板材料から構成される。選択トランジスタ
はそれぞれソース/ドレイン領域19、20及びその間
に配設されるゲート誘電体16及び相応するワード線1
7から構成される。コンデンサ電極14はソース/ドレ
イン領域19の1つと電気的に接続され、その際これら
の電気接続部の範囲にアモルファス材料から成るアイラ
ンド13が配設される。
【図面の簡単な説明】
【図1】アモルファス層及び多結晶の半導体層を有する
単結晶の半導体領域の断面図。
【図2】熱処理によりアイランドを形成した後の多結晶
の半導体層を有する単結晶の半導体領域の断面図。
【図3】それぞれ選択トランジスタとトレンチコンデン
サが設けられるメモリセルを有するメモリセル装置の断
面図。
【符号の説明】
1 単結晶の半導体領域 2、12 アモルファス層(コンデンサ誘電体) 2′、13 アイランド 3 ポリシリコン層 10 半導体(シリコン)基板 11 トレンチ 11′ トレンチの側面上方部分 14 多結晶半導体材料 15 絶縁構造 16 ゲート誘電体 17 ワード線 18 ワード線絶縁部 19 単結晶半導体領域(ソース/ドレイン領域) 20 共通のソース/ドレイン領域 21 パッシベーション層 22 ビット線接触部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミヒャエル ビアンコ ドイツ連邦共和国 81737 ミュンヘン ウンターハッヒンガー シュトラーセ 29 (72)発明者 ヘルムート クローゼ アメリカ合衆国 12603 フェアウェイ ポーグキープシー 18

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コンデンサ電極(14)の多結晶の半導
    体材料と単結晶の半導体領域(19)との間に電気接続
    部が設けられるメモリセルを有するメモリセル装置にお
    いて、電気接続部の範囲にアモルファス材料から成るア
    イランド (13)が配設されていることを特徴とする
    メモリセル装置。
  2. 【請求項2】 隣接するアイランド(13)との間隔と
    アイランド(13)の直径との比が最大で10:1とな
    るようにアイランド(13)が配列されていることを特
    徴とする請求項1記載の装置。
  3. 【請求項3】 コンデンサ電極(14)がトレンチコン
    デンサとして形成されているメモリコンデンサの部分で
    あり、単結晶の半導体領域(19)が半導体基板(1
    0)内に配設されている選択トランジスタのソース/ド
    レイン領域であることを特徴とする請求項1又は2記載
    の装置。
  4. 【請求項4】 単結晶の半導体領域(19)が少なくと
    も電気接続部の範囲に単結晶シリコンを有しており、コ
    ンデンサ電極(14)が少なくとも電気接続部の範囲に
    多結晶のシリコンを有しており、アイランド(13)が
    SiO2 を有することを特徴とする請求項1乃至3のい
    ずれか1つに記載の装置。
  5. 【請求項5】 アイランド(13)が単結晶の半導体領
    域(19)の表面に平行に0.5〜50nmの範囲の寸
    法と、隣接するアイランド(13)との間に0.5〜5
    0nmの間隔を有し、単結晶の半導体領域(19)の表
    面に垂直方向に0.5nm〜15nmの厚さを有するこ
    とを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載の
    装置。
  6. 【請求項6】 コンデンサ電極の多結晶の半導体材料と
    単結晶の半導体領域との間に電気接続部が形成されてい
    るメモリセルを有するメモリセル装置の製造方法におい
    て、単結晶の半導体領域(1)の表面上の電気接続部の
    範囲にアモルファス層(2)を所定の厚さに形成し、ア
    モルファス層(2)上にコンデンサ電極の多結晶の半導
    体材料(3)を施し、アモルファス層(2)からアモル
    ファス材料から成るアイランド(2′)を形成する熱処
    理を行うことを特徴とするメモリセル装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 隣接するアイランド(2′)との間隔が
    アイランド(2′)の直径に対し最大で10:1となる
    ようにアイランド(2′)を形成することを特徴とする
    請求項6記載の方法。
  8. 【請求項8】 単結晶の半導体領域(1)の表面をエッ
    チングにより露出し、アモルファス層(2)を熱酸化に
    より酸化雰囲気中で所定の温度及び酸化時間で形成し、
    多結晶の半導体材料(3)を予め熱酸化を少なくとも部
    分的に行う炉内で析出することを特徴とする請求項6又
    は7記載の方法。
  9. 【請求項9】 熱酸化を多結晶の半導体材料(3)の析
    出温度よりも低い温度で行うことを特徴とする請求項8
    記載の方法。
  10. 【請求項10】 単結晶の半導体領域(1)が少なくと
    も電気接続部の範囲にシリコンを有し、コンデンサ電極
    が少なくとも電気接続部の範囲に多結晶のシリコンを有
    し、アモルファス層をSiO2 から形成し、アモルファ
    ス層を500〜625℃の温度及び4〜8分の酸化時間
    での熱処理により形成し、アイランド(2′)を形成す
    るための熱処理を950〜1150℃で行うことを特徴
    とする請求項8又は9のいずれか1つに記載の方法。
  11. 【請求項11】 アイランド(2′)が単結晶の半導体
    領域(1)の表面に平行に0.5〜50nmの範囲の寸
    法及び隣接するアイランド(2′)との間に0.5〜5
    0nmの範囲の間隔を有し、単結晶の半導体領域(1)
    の表面に垂直方向に0.5nm〜15nmの範囲の厚さ
    を有することを特徴とする請求項6乃至10のいずれか
    1つに記載の方法。
  12. 【請求項12】 請求項6乃至11のいずれか1つに記
    載の方法により製造される、コンデンサ電極の多結晶の
    半導体材料と単結晶の半導体領域との間に電気接続部が
    設けられるメモリセルを特徴とするメモリセル装置。
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