KR100379006B1 - Manufacturing Method of Semiconductor Device with Improved Capacitance Using Hemispherical Particle Silicon Layer - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반구체 입자상 실리콘층을 이응하여 정전용량이 개선된 반도체 장치를 제조하는 방법에 관한 것으로, 그 구성은 도프된 폴리실리콘층을 침착하고, 도프된 폴리실리콘층을 패턴화하여 커패시터 하부전극의 범위를 한정한 다음, 도프된 폴리실리콘층상에 제1 반구체 입자상 다결정 실리콘층(HSG-Si)을 침착함으로써 본 발명의 DRAM 셀의 커패시터가 형성된다. 제1 HSG-Si층의 성장이 중단된 다음 제2 HSG-Si층이 성장한다.The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device with improved capacitance by responding a semi-spherical particulate silicon layer, the configuration of which deposits the doped polysilicon layer, patterning the doped polysilicon layer to the capacitor lower electrode After limiting the range of N, the capacitor of the DRAM cell of the present invention is formed by depositing a first hemispherical particulate polycrystalline silicon layer (HSG-Si) on the doped polysilicon layer. The growth of the first HSG-Si layer is stopped and then the second HSG-Si layer is grown.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 HSG-Si층의 성장은 침착기판을 냉각하거나 소정시간동안 침착을 중단한 다음 침착을 재개하여 전극표면상에 제2 HSG-Si층을 성장시킴으로써 중단할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, growth of the first HSG-Si layer may be stopped by cooling the deposition substrate or stopping deposition for a predetermined time and then restarting deposition to grow the second HSG-Si layer on the electrode surface. Can be.

상기 제1층의 성장 중단은 냉각에 의해서든지 혹은 지연에 의해서든지 재개된 성장이 제1 공정과 별도로 이루어지기만 하면, 즉 제2 HSG-Si층이 별도로 성장하기만 하면 충분하다.The interruption of growth of the first layer is sufficient as long as the resumed growth is made separately from the first process, either by cooling or by delay, ie, the second HSG-Si layer grows separately.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1층의 성장은 침착시스템으로부터 전극은 제거하고 재에칭조작을 수행함으로써 중단된다. 재에칭조작후, 침착 시스템에 전극을 재도입하고 에칭된 표면상에 제2 HSG-Si층을 성장시킨다. 이와같은 울퉁불퉁한(textured) 실리콘 구조는 DRAM 커패시터의 하부전극을 형성한다.According to another embodiment of the present invention, growth of the first layer is stopped by removing the electrode from the deposition system and performing a reetch operation. After reetching, the electrode is reintroduced into the deposition system and a second HSG-Si layer is grown on the etched surface. This textured silicon structure forms the bottom electrode of the DRAM capacitor.

Description

반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조 방법Manufacturing method of semiconductor device with improved capacitance using hemispherical particulate silicon layer

본 발명은 직접회로소자내에 큰 정전용량을 갖는 구조를 형성하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 반구체 입자상 실리콘층(HSG-Si)을 이용하여 하나 이상의 울퉁불퉁한(textured) 표면에 일체화된 전극을 제조함으로써 결과 제조된 전극의 정전용량을 개선시킨 반도체 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of forming a structure having a large capacitance in an integrated circuit device, and more particularly, an electrode integrated on one or more rugged surfaces using a hemispherical particulate silicon layer (HSG-Si). The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device in which the capacitance of the resultant electrode is improved by manufacturing the same.

종래 집적회로소자의 밀도를 증가시키는 것은 배선 및 트랜지스터 게이트와 같은 구조를 소형화하고 집적회로소자를 구성하는 구조간 공간을 감소시킴으로써부분적으로 달성되어왔다. 상기 회로구조의 소형화는 일반적으로는 집적회로소자의 제조에 사용되는 "디자인 룰(design rule)"을 감소시키는 것으로도 불리운다.Increasing the density of conventional integrated circuit devices has been partially achieved by miniaturizing structures such as wiring and transistor gates, and by reducing the space between structures that make up integrated circuit devices. Miniaturization of the circuit structure is also commonly referred to as reducing the "design rule" used in the manufacture of integrated circuit devices.

다이내믹 랜덤 액서스 메모리(DRAM)의 경우, 반도체 기판 표면상에 형성된 커패시터 어레이의 각 커패시터를 선택적으로 충전 혹은 방전시킴으로써 전형적으로 정보가 저장된다. 대개의 경우, 2진 정보의 단일 비트는 방전된 커패시터 상태를 논리 0에, 그리고 충전된 커패시터 상태를 논리 1에 연관시킴으로써 각 커패시터에 저장된다. 메모리 커패시터의 플레이트 표면적은 메모리의 통상 설정 작동전압에서 각 커패시터에 저장될 수 있는 충전량, 신뢰성있게 제작될 수 있는 전극 이격량, 및 커패시터에 통상 사용되는 커패시터 유전체의 유전상수를 결정한다. 감소된 디자인 룰에 따라 이같은 DRAM 커패시터가 차지하는 표면적을 감소시키면 커패시터 플레이트의 표면적과 메모리 커패시터에 저장될 수 있는 충전량(즉, 정전용량)이 감소되는 경향이 있다.In the case of dynamic random access memory (DRAM), information is typically stored by selectively charging or discharging each capacitor in a capacitor array formed on a semiconductor substrate surface. In most cases, a single bit of binary information is stored in each capacitor by associating the discharged capacitor state to logic 0 and the charged capacitor state to logic 1. The plate surface area of the memory capacitors determines the amount of charge that can be stored in each capacitor at the normally set operating voltage of the memory, the electrode spacing that can be reliably produced, and the dielectric constant of the capacitor dielectric typically used in the capacitor. Reducing the surface area occupied by such DRAM capacitors with reduced design rules tends to reduce the surface area of the capacitor plate and the amount of charge (ie, capacitance) that can be stored in the memory capacitor.

이같은 메모리 커패시터에 저장된 충전량은 신뢰성있는 메모리 동작을 확보할 수 있을 만큼 충분히 커야만 한다. 최근의 초대형 집적("ULSI") DRAM 디자인에 있어서, DRAM 메모리 커패시터에 저장된 충전량을 보다 감소시키면 커패시터에 저장된 정보에 대한 신뢰성있는 판독이 방해받을 수 있다. 게다가 메모리 커패시터로부터 전하가 불가피하게 유출되기 때문에, DRAM은 저장된 전하가 최소한도의 검출수준이상으로 유지되도록 DRAM의 각 커패시터에 저장된 전하를 주기적으로 재충전할 필요가 있다. 이같은 정전용량을 더욱 감소시킬수록 그만큼 DRAM에 대한 재충전은 더욱 빈번하게 이루어질 것이며, 이는 재충전 동작동안 DRAM의 적어도 일부가정보의 판독 및 기입에 이용되지 못하므로 바람직하지 않다.The amount of charge stored in such a memory capacitor must be large enough to ensure reliable memory operation. In recent ultra-large integrated ("ULSI") DRAM designs, further reductions in the amount of charge stored in the DRAM memory capacitor can interfere with reliable reading of the information stored in the capacitor. In addition, because charge inevitably flows out of the memory capacitor, the DRAM needs to periodically recharge the charge stored in each capacitor in the DRAM so that the stored charge remains above a minimum detection level. As the capacitance is further reduced, recharging to the DRAM will be more frequent, which is undesirable since at least some of the DRAM is not available for reading and writing information during the recharging operation.

구조를 소형화하려는 요청에 부응하기 위해, 기판표면의 상부에 수직 연장부를 갖는 커패시터(즉, "중첩된" 커패시터) 혹은 기판 표면의 하부에 수직 연장부를 갖는 커패시터(즉, "트랜치" 커패시터)를 채용한 DRAM 디자인이 제안되어 있다. 보다 삼차원적인 구조를 채택함으로써, 상기 DRAM 디자인은 기판 표면적을 줄이면서 보다 큰 정전용량을 갖는 메모리 커패시터를 제공한다. 비록 중첩된 커패시터 및 트랜치 커패시터 디자인이 제조하기 훨씬 어려운 복잡한 구조를 취하고 있으나, 이같은 디자인들은 최근 부분적으로는 성공적으로 채택되고 있다. 그 대안으로서, 보다 비용이 적게 들고 보다 용이하게 제작되며 증대된 정전용량을 제공하는 구조가 바람직하다. 더욱이, 저장 커패시터의 수직 범위를 감소시켜 보다 평탄한 소자구조를 제조할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 여전히 반도체 기판의 표면상에 DRAM 저장 커패시터가 차지하는 표면적을 감소시키면서 DRAM 저장 커패시터의 정전용량을 증가시킬 필요성이 부가적으로 남아있다.To meet the demand for miniaturization, employ capacitors with vertical extensions on top of the substrate surface (ie, "overlapped" capacitors) or capacitors with vertical extensions on bottom of the substrate surface (i.e., "trench" capacitors). One DRAM design is proposed. By adopting a more three-dimensional structure, the DRAM design provides a memory capacitor with greater capacitance while reducing substrate surface area. Although nested capacitors and trench capacitor designs have a complex structure that is much more difficult to manufacture, these designs have recently been successfully adopted in part. As an alternative, a structure that is less expensive, easier to fabricate, and provides increased capacitance is desirable. Moreover, it is desirable to reduce the vertical range of the storage capacitor so that a flatter device structure can be manufactured. There still remains a need to increase the capacitance of the DRAM storage capacitor while reducing the surface area occupied by the DRAM storage capacitor on the surface of the semiconductor substrate.

이같은 고정된 기판 표면적에서 얻어지는 정전용량을 증가시키기 위해 제안된 일 기술로는 메모리 커패시터용 기저판으로서 울퉁불퉁한(rugged) 또는 질감있는(textured) 실리콘을 사용하는 것이다. 이 기술의 잇점은 질감있는 실리콘으로 제조된 기저판 전극을 갖는 메모리 커패시터를 구비한 DRAM의 부분단면도로서 도시한 도 1에 부분적으로 도시하였다. 도시된 DRAM은 메모리셀의 트랜스퍼 전계효과 트랜지스터("FET")의 실리콘 기판(10), 필드 산화영역(12), 소스/드레인영역(14,16) 및 게이트 전극(18)과 상기 필드 산화영역(12)의 일종에형성된 배선(20)으로 구성되어 있다. 상기 배선(20)은 공지의 방법으로 DRAM의 부분들을 상호연결하고, 트랜스퍼 FET는 커패시터의 판독 및 기입동작동안 스위치로서 작용한다.One technique proposed to increase the capacitance obtained at such a fixed substrate surface area is to use rugged or textured silicon as the base plate for the memory capacitor. An advantage of this technique is shown in part in FIG. 1, which is shown as a partial cross-sectional view of a DRAM having a memory capacitor with a base plate electrode made of textured silicon. The illustrated DRAM comprises a silicon substrate 10, a field oxide region 12, a source / drain regions 14 and 16, a gate electrode 18 and the field oxide region of a transfer field effect transistor (" FET ") of a memory cell. It consists of the wiring 20 formed in one kind of (12). The wiring 20 interconnects portions of the DRAM in a known manner, and the transfer FET acts as a switch during the read and write operations of the capacitor.

이러한 DRAM에 있어, 메모리 커패시터는 종래의 폴리실리콘으로 형성된 층(24)에서 종료하는 수직 연장된 상호접속부(22)에 의해 트랜스퍼 FET의 소스/드레인영역(16)에 접속될 수 있다. 상기 울퉁불퉁한 실리콘층(26)은 종래의 폴리실리콘층 (24)의 상부면상에 형성되어 전하 저장 커패시터의 하부 전극을 완성시킨다. 또한 박막유전층(28)은 울퉁불퉁한 실리콘층(26)과 폴리실리콘층(24)의 노출부 표면 모두를 덮고, 상기 유전층(28)상에 도프된 폴리실리콘층(30)이 형성되어 커패시터의 상부 전극으로서 역할한다. 여기서 커패시터의 하부전극내에 울퉁불퉁한 실리콘을 사용함으로써 커패시터 전극을 측방으로 연장하지 않고도 커패시터의 표면적이 증가되어 고정된 표면적에서 정전용량을 증대시키게 된다.In such DRAMs, memory capacitors may be connected to the source / drain regions 16 of the transfer FETs by vertically extending interconnects 22 terminating in layers 24 formed of conventional polysilicon. The bumpy silicon layer 26 is formed on the top surface of the conventional polysilicon layer 24 to complete the bottom electrode of the charge storage capacitor. The thin film dielectric layer 28 also covers both the bumpy silicon layer 26 and the exposed surface of the polysilicon layer 24, and a doped polysilicon layer 30 is formed on the dielectric layer 28 to form an upper portion of the capacitor. It serves as an electrode. The use of rugged silicon in the lower electrode of the capacitor here increases the surface area of the capacitor without extending the capacitor electrode laterally, thereby increasing the capacitance at a fixed surface area.

도 1에 도시한 DRAM과 같은 반도체에 사용하기 위한 울퉁불퉁한 실리콘을 제조하는 다양한 기술들이 사용되어 왔다. 와타나베등의 "Device Application and Structure Observation for Hemispherical-Grained Si"에는 실란가스(SiH4)로부터 저압화학증착법(LPCVD)에 의해 반구체 입자상 다결정 실리콘("HSG-Si", 이하에서는 울퉁불퉁한 질감있는 실리콘을 가르킨다)을 형성하는 기술이 기재되어 있다.Various techniques have been used to fabricate bumpy silicon for use in semiconductors, such as the DRAM shown in FIG. Watanabe et al., "Device Application and Structure Observation for Hemispherical-Grained Si," contains hemispherical granular polycrystalline silicon ("HSG-Si", hereinafter unevenly textured silicon by silane CVD (SiH 4 ) by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD). Is described).

본 명세서에서는 HSG-Si막의 표면거칠기 또는 질감을 HSG-Si막이 DRAM 메모리 커패시터의 층으로서 사용될 수 있도록 극대화시킴으로써 기판온도 590℃에서침착된 폴리실리콘(HSG-Si)의 경우 최대 정전용량이 수득된다. 이때 기판의 침착온도를 590℃보다 10℃정도 높이거나 낮추면 수용불가한 표면 질감을 얻게되며, 이러한 조건하에서는 종래의 폴리실리콘보다 상당히 큰 정전용량 전극을 제공할 수 없는 바람직하지 않는 평평한 표면이 만들어지게 된다. 590℃의 온도하에 기판상에 LPCVD법을 사용하여 침착된 HSG-Si의 하부전극을 사용하여 제작된 커패시터는 580℃ 또는 600℃(혹은 그 이상)의 기판온도에서 침착된 평평한 하부전극을 사용하여 제작된 커패시터보다 거의 2배큰 단위면적당 정전용량을 나타낸다.In this specification, the maximum capacitance is obtained in the case of polysilicon (HSG-Si) deposited at a substrate temperature of 590 ° C. by maximizing the surface roughness or texture of the HSG-Si film so that the HSG-Si film can be used as a layer of a DRAM memory capacitor. Increasing or decreasing the deposition temperature of the substrate by 10 ° C above 590 ° C results in an unacceptable surface texture, and under these conditions, an undesirably flat surface that cannot provide a significantly larger capacitance electrode than conventional polysilicon is obtained. do. Capacitors fabricated using HSG-Si lower electrodes deposited on a substrate at 590 ° C. using LPCVD were fabricated using flat lower electrodes deposited at a substrate temperature of 580 ° C. or 600 ° C. (or higher). The capacitance per unit area is almost twice that of the fabricated capacitor.

파잔등의 "Electrical Characterization of Textured Interpoly Capacitors for Advanced Stacked DRAMs"에서는 도프된 폴리결정질 실리콘층상에 울퉁불퉁한 표면을 형성하는 다른 방법이 기재되어 있다. 즉 907℃에서의 습식산화방법을 이용하여 도프된 폴리실리콘층의 표면에 산화물막을 성장시킨 다음 이어서 상기 산화물막을 에칭처리하여 폴리결정질 실리콘상에 울퉁불퉁한 표면을 만들게 된다.Pazan et al. &Quot; Electric Characterization of Textured Interpoly Capacitors for Advanced Stacked DRAMs " describe another method for forming a rugged surface on a doped polycrystalline silicon layer. That is, an oxide film is grown on the surface of the doped polysilicon layer using a wet oxidation method at 907 ° C., and then the oxide film is etched to form an uneven surface on polycrystalline silicon.

이같이 폴리실리콘층에서 성장한 산화물층을 에칭하면 폴리실리콘 입자경계로부터 산화물이 연속적으로 제거됨과 동시에 도프된 폴리실리콘층의 입자 경계를 따라 고도의 산화반응이 일어나기 때문에 울퉁불퉁한 폴리실리콘 표면이 생겨난다. 이 과정에서 생긴 표면거칠기의 정도는 폴리실리콘 입자의 크기와 직접적으로 관련되므로 바람직한 질감을 얻기 위해서는 작은 입자로된 막이 요구되는 것이다.The etching of the oxide layer grown in the polysilicon layer thus removes the oxide continuously from the polysilicon grain boundary, and at the same time, a highly oxidized reaction occurs along the grain boundaries of the doped polysilicon layer, resulting in an uneven polysilicon surface. Since the degree of surface roughness produced in this process is directly related to the size of the polysilicon particles, a film of small particles is required to obtain a desirable texture.

사카오등의 논문 "A Capacitor-Over-Bit-Line(COB) Cell with a Hemisphe rical-Grain Storage Node for 64Mb DRAMs"(1990 IEDM)에서는 증가된 저장용량을 제공하기 위하여 HSG-Si를 일체화한 DRAM 커패시터의 제조방법이 개시되어있다. 사카오의 커패시터 제조공정은 다음과 같은 단계들로 진행된다. 즉 트랜스퍼 FET의 소스, 드레인 및 게이트를 형성한 다음 게이트 및 워드라인상에 산화물층을 형성한다. 상기 트랜스퍼 FET의 드레인으로 접촉 비아(via)가 개방되고 수직 상호접속 컨턱터는 드레인으로부터 산화물층 표면까지 연장형성된다.In Sakao et al., "A Capacitor-Over-Bit-Line (COB) Cell with a Hemisphe rical-Grain Storage Node for 64Mb DRAMs" (1990 IEDM), DRAM integrated with HSG-Si to provide increased storage capacity. A method of manufacturing a capacitor is disclosed. Sakao's capacitor manufacturing process involves the following steps. That is, a source, a drain, and a gate of the transfer FET are formed, and then an oxide layer is formed on the gate and the word line. Contact vias are opened to the drain of the transfer FET and vertical interconnectors extend from the drain to the oxide layer surface.

종래 폴리실리콘층은 수직 상호접속부와 접촉하여 600℃에서 LPCVD법에 의해 침착된다. 종래 폴리실리콘층은 리소그래피(lithography) 혹은 반응성 이온 에칭에 의해 패턴화되어 수직 상호접속부를 통해 트랜스퍼 FET의 드레인에 접속되는 코어 저장 노드를 형성한다.Conventional polysilicon layers are deposited by LPCVD at 600 ° C. in contact with the vertical interconnects. Conventional polysilicon layers are patterned by lithography or reactive ion etching to form core storage nodes that are connected to the drain of the transfer FET through vertical interconnects.

상기 반구체 입자상 다결정 실리콘은 1Torr의 압력 및 550℃의 기판온도에서 헬륨으로 희석된 실란을 사용하여 LPCVD 침착에 의해 코어 저장 노드의 표면상에 형성된다. 침착된 HSG-Si는 80nm의 입자크기를 갖고, 층은 코어저장노드의 종래의 폴리실리콘의 두께를 초과하는 80nm이상의 두께를 갖는다. HSG-SI는 이어서 에칭가스로서 HBr을 사용하는 반응성 이온에칭에 의해 재에칭되어 코어저장노드에 인접한 산화물층의 표면으로부터 HSG-Si를 제거한다.The hemispherical particulate polycrystalline silicon is formed on the surface of the core storage node by LPCVD deposition using silane diluted with helium at a pressure of 1 Torr and a substrate temperature of 550 ° C. The deposited HSG-Si has a particle size of 80 nm and the layer has a thickness of 80 nm or more that exceeds the thickness of conventional polysilicon of the core storage node. HSG-SI is then reetched by reactive ion etching using HBr as an etching gas to remove HSG-Si from the surface of the oxide layer adjacent to the core storage node.

재에칭은 또한 저장노드의 표면으로부터 HSG-Si를 제거하여 코어저장노드내에서 종래 폴리실리콘 표면상에 원래 HSG-Si의 표면질감을 재구성한다. 따라서 사카오에 의한 DRAM 커패시터의 하부전극은 80nm의 인자크기를 갖는 HSG-Si와 실질적으로 동일한 표면구조(질감, 거칠기)를 갖는 종래의 폴리실리콘이다.Reetching also removes HSG-Si from the surface of the storage node to reconstruct the surface texture of the original HSG-Si on the conventional polysilicon surface in the core storage node. Therefore, the lower electrode of the DRAM capacitor by Sakao is a conventional polysilicon having substantially the same surface structure (texture, roughness) as HSG-Si having a printing size of 80 nm.

DRAM 커패시터의 하부 전극에 HSG-Si를 사용하면 DRAM 커패시터의 정전용량을 거의 2배까지 늘리는데는 성공했으나, HSG-Si를 사용한 정전용량은 더이상 개선되지 않는다. 2배의 용량이 증가한다고 하는 일 요소만으로는 HSG-Si을 형성하는데 필요한 정밀한 침착조건을 유지해야 하는 보다 증가된 복잡성을 정당화하기 어렵다.The use of HSG-Si at the bottom electrode of a DRAM capacitor succeeded in nearly doubling the capacitance of the DRAM capacitor, but the capacitance using HSG-Si is no longer improved. One factor of doubled capacity is difficult to justify the increased complexity of maintaining the precise deposition conditions needed to form HSG-Si.

따라서, 본 발명의 목적은 전극을 제조하는 공정도중에 HSG-Si층을 사용하여 증가된 정전용량을 제공함과 동시에 하나이상의 울퉁불퉁한 표면에 일체화된 전극을 제공하려는데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an electrode integrated with one or more uneven surfaces while providing increased capacitance using an HSG-Si layer during the process of manufacturing the electrode.

도 1은 반구체 입자상 다결정 실리콘층에 일체화된 하부전극을 갖는 메모리 커패시터를 이용하는 DRAM의 부분단면도,1 is a partial cross-sectional view of a DRAM using a memory capacitor having a lower electrode integrated into a semi-spherical particulate polycrystalline silicon layer;

도 2는 종래기술에 의한 커패시터 전극의 제조공정 단계를 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process step of a capacitor electrode according to the prior art,

도 3은 본 발명에 의한 커패시터 전극의 제조공정 단계를 도시한 단면도,3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process step of a capacitor electrode according to the present invention;

도 4는 도 3에 도시한 공정의 다른 실시예를 도시한 단면도, 및4 is a sectional view showing another embodiment of the process shown in FIG. 3, and

도 5는 도 3에 도시한 공정의 다른 실시예를 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing another embodiment of the process shown in FIG. 3.

본 발명의 일견지에 의하면,According to one aspect of the invention,

실리콘기판상에 도프된 폴리실리콘층을 형성하는 단계;Forming a doped polysilicon layer on the silicon substrate;

상기 폴리실리콘층상에 제1 반구체 입자상 실리콘층을 침착시켜가는 단계;Depositing a first semispherical particulate silicon layer on the polysilicon layer;

상기 폴리실리콘층상에서 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계; 및Stopping deposition of a first semi-spherical particulate silicon layer on the polysilicon layer; And

상기 제1 반구체 입자상 실리콘층이 형성된 부분상에, 제2 반구체 입자상 실리콘층을 침착하여 반구체 입자상 실리콘의 독립적인 입자가 반구체 입자상 실리콘의 제1층 입자상에 형성되도록 하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치를 제조하는 방법이 제공된다.Depositing a second hemispherical particulate silicon layer on the portion where the first hemispherical particulate silicon layer is formed such that independent particles of hemispherical particulate silicon are formed on the first layer particles of the hemispherical particulate silicon; Provided is a method of manufacturing a semiconductor device having improved capacitance using a semi-spherical particulate silicon layer comprising a.

본 발명의 제2견지에 의하면,According to the second aspect of the present invention,

실리콘을 함유하는 침착기판을 형성하는 단계;Forming a deposited substrate containing silicon;

상기 침착기판상에 제1 반구체 입자상 실리콘층을 침착시켜가는 단계;Depositing a first semi-spherical particulate silicon layer on the deposition substrate;

상기 침착기판상에서 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계;Stopping deposition of a first hemispherical particulate silicon layer on the deposition substrate;

상기 제1 반구체 입자상 실리콘층이 형성된 부분상에, 제2 반구체 입자상 실리콘층을 침착하여 반구체 입자상 실리콘의 독립적인 입자가 반구체 입자상 실리콘의 제1층 입자상에 형성되도록 하는 단계;Depositing a second semispherical particulate silicon layer on the portion where the first semispherical particulate silicon layer is formed such that independent particles of the semispherical particulate silicon are formed on the first layer particles of the semispherical particulate silicon;

상기 침착기판을 패턴화하는 단계;Patterning the deposited substrate;

상기 제2 반구체 입자상 실리콘층상에 유전층을 형성하는 단계; 및Forming a dielectric layer on the second hemispherical particulate silicon layer; And

상기 유전층상에 도전층을 침착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치를 제조하는 방법이 제공된다.A method of manufacturing a semiconductor device having improved capacitance using a hemispherical particulate silicon layer comprising the step of depositing a conductive layer on the dielectric layer is provided.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에서는 폴리실리콘층의 표면상에 제1 반구체 입자상 다결정 실리콘층(HSG-Si)이 형성된다. 상기 제1 HSG-Si층의 성장이 중지된 다음 제2 HSG-Si층이 성장한다.In the present invention, a first hemispherical particulate polycrystalline silicon layer (HSG-Si) is formed on the surface of the polysilicon layer. After the growth of the first HSG-Si layer is stopped, the second HSG-Si layer grows.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 침착기판을 냉각시키거나 소정시간동안 침착공정을 중단한 다음 전극표면에 제2 HSG-Si층을 형성하는 침착공정을 재개함으로써 제1 HSG-Si층의 성장을 중단시킨다. 이같이 재개된 성장이 제1 공정과 독립적으로 개시되면, 즉 제2 HSG-Si층이 독립적으로 성장하기만 하면 냉각에 의해서든 지연에 의해서든지 제1층의 성장은 충분히 중단시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, the growth of the first HSG-Si layer by cooling the deposition substrate or by stopping the deposition process for a predetermined time and then restarting the deposition process to form a second HSG-Si layer on the electrode surface. Stop. If this resumed growth is initiated independently of the first process, i.e., if the second HSG-Si layer grows independently, growth of the first layer can be sufficiently stopped by cooling or by delay.

이같은 제2층의 독립적인 성장은 이미 존재하는 결정질을 계속 성장시키기 보다는 새로운 핵 형성위치로부터 제2 HSG-Si층의 결정질의 성장을 개시하는 것을의미한다. 따라서 제2 HSC-Si층의 입자중 적어도 일부는 제1 HSG-Si층의 입자표면과 구별되는 HSG-Si입자로서 성장하게 된다.This independent growth of the second layer means starting the growth of the crystalline of the second HSG-Si layer from the new nucleation site rather than continuing to grow the existing crystalline. Therefore, at least some of the particles of the second HSC-Si layer grow as HSG-Si particles which are distinguished from the particle surface of the first HSG-Si layer.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제1 HSG-Si층의 성장은 제1 HSG-Si층의 입자 표면상에 무정형 실리콘 초박층을 성장시킴으로써 중단할 수 있다. 이어서 무정형 실리콘 박층의 표면으로부터 제2 HSG-Si층의 입자가 성장하게 된다.In another embodiment of the present invention, growth of the first HSG-Si layer can be stopped by growing an amorphous silicon ultrathin layer on the particle surface of the first HSG-Si layer. Subsequently, particles of the second HSG-Si layer grow from the surface of the amorphous silicon thin layer.

본 발명의 또다른 실시예에 따르면, 도프된 폴리실리콘층상에 제1 HSG-Si층을 성장시킴으로써 커패시터 전극이 제조된다. 상기 제1 HSG-Si층의 성장은 침착공정을 중단시키거나 바람직하게는 침착 시스템으로부터 전극을 제거하고 재에칭공정을 수행함으로써 중단될 수 있다. 이같은 재에칭조작에 이어서 전극을 침착시스템에 재도입할 수 있으며, 이때 제2 HSG-Si층은 에칭처리된 표면상에서 성장하게 된다. 예를 들어 제1 HSG-Si층의 표면형태를 도프된 폴리실리콘층에 본질적으로 재구성하는 방식으로 제1 HSG-Si층을 재에칭하는 것이 가능하다.According to another embodiment of the present invention, a capacitor electrode is prepared by growing a first HSG-Si layer on a doped polysilicon layer. The growth of the first HSG-Si layer may be stopped by stopping the deposition process or preferably by removing the electrode from the deposition system and performing a reetch process. Following this reetching operation, the electrode can be reintroduced into the deposition system, with the second HSG-Si layer growing on the etched surface. For example, it is possible to reetch the first HSG-Si layer in such a way as to essentially reconstruct the surface morphology of the first HSG-Si layer into the doped polysilicon layer.

다른 대안으로서, 도프되지 않은 제1 HSG-Si층을 도프된 폴리실리콘 기저층을 선택적으로 에칭하기 위한 마스크(mask)로서 사용할 수 있다. 적절한 에칭 시스템은 염소에칭시스템의 선택성을 이용할 목적으로 부식액내에 염소이온을 공급한 시스템을 포함한다. 상기 시스템은 도프되지 않은 폴리실리콘보다 빠른 속도로 도프된 폴리실리콘을 에칭한다.Alternatively, the undoped first HSG-Si layer can be used as a mask for selectively etching the doped polysilicon base layer. Suitable etching systems include those that supply chlorine ions into the corrosion solution for the purpose of exploiting the selectivity of the chlorine etching system. The system etches doped polysilicon at a faster rate than undoped polysilicon.

이같은 에칭시스템이 도프된 폴리실리콘층을 피복하는 도프되지 않은 제1 HSG-Si층을 에칭하는데 적용될 경우에 도프된 폴리실리콘 기저층의 노출부는 매우 급속히 에칭되는데 반해 HSG-Si층은 서서히 에칭되게 된다. 따라서 모든 HSG-Si가제거될 때까지 에칭공정을 계속하면 도프된 폴리실리콘층의 표면은 원래 침착된 HSG-Si층의 입자크기보다 큰 높이의 원뿔체와 잘린 원뿔체의 불규칙한 배열을 갖게 된다.When such an etch system is applied to etch the undoped first HSG-Si layer covering the doped polysilicon layer, the exposed portions of the doped polysilicon base layer etch very rapidly while the HSG-Si layer is etched slowly. Therefore, if the etching process continues until all HSG-Si is removed, the surface of the doped polysilicon layer will have an irregular arrangement of cones and truncated cones of a height greater than the particle size of the originally deposited HSG-Si layer.

상기 제1 HSG-Si층이 제2 HSG-Si층의 성장에 앞서 제거되기 때문에 도프된 울퉁불퉁한 폴리실리콘층의 표면상의 제2 HSG-Si층의 연속 성장은 당연히 제1 HSG-Si층 성장과는 별개이다. 본 발명의 다른 실시예들과 마찬가지로, 이같은 실시예들의 에칭표면상의 제2 HSG-Si층의 성장은 커패시터 전극 표면적을 더한층 증가시킨다.Since the first HSG-Si layer is removed prior to the growth of the second HSG-Si layer, the continuous growth of the second HSG-Si layer on the surface of the doped rugged polysilicon layer is naturally equivalent to the first HSG-Si layer growth. Is distinct. As with other embodiments of the present invention, the growth of the second HSG-Si layer on the etch surface of such embodiments further increases the capacitor electrode surface area.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 도면들이다. 상기 도면들은 본 발명의 보다 용이한 이해를 돕기 위하여 여러가지 측면에서 부득이하게 개략적이고 과장되게 도시되어 있다. 도 2 내지 도 4의 각 도면은 폴리실리콘 하부층(24) 및 HSG-Si 상부층(26)으로 구성된 도 1의 하부 전극을 대체할 수 있는 커패시터의 하부전극 구조의 일부를 도시하고 있다.2 to 4 are diagrams showing a preferred embodiment of the present invention. The drawings are inevitably schematically and exaggerated in various respects to facilitate an easier understanding of the present invention. 2-4 show a portion of the lower electrode structure of a capacitor that can replace the lower electrode of FIG. 1 composed of a polysilicon lower layer 24 and an HSG-Si upper layer 26.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 폴리실리콘층(40)은 실란(SiH4)으로부터 620℃에서 저압화학증착법(LPCVD)에 의해 상기 실리콘기판상에 침착된 산화실리콘층(미도시)상에 침착된다.As shown in FIG. 2, a conventional polysilicon layer 40 is deposited on a silicon oxide layer (not shown) deposited on the silicon substrate by low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) at 620 ° C. from silane (SiH 4 ). Is calm.

종래의 폴리실리콘층(40)은 바람직하게는 공지된 이온주입 및 소둔공정, 또는 열 확산공정에 의해 침착공정도중 원위치에(in situ) 도핑처리된다. 예를 들어, 폴리실리콘층(40)은 P이온의 주입에 이어 1,000∼1,100℃에서 약10∼30초동안 급속한 열적 소둔에 의해 고도로 도프된 N형으로 될 수 있다. 하부 전극의 코어를 형성하는 종래의 폴리실리콘층(40)은 포토마스크 공정 및 에칭 공정을 통해 형성된다. 제1 HSG-Si층은 종래의 폴리실리콘층(40)상에 침착되게 된다.The conventional polysilicon layer 40 is preferably doped in situ during the deposition process by known ion implantation and annealing processes, or thermal diffusion processes. For example, the polysilicon layer 40 may be highly doped N-type by rapid thermal annealing at about 1,000 to 1,100 ° C. for about 10 to 30 seconds following implantation of P ions. The conventional polysilicon layer 40 forming the core of the lower electrode is formed through a photomask process and an etching process. The first HSG-Si layer is to be deposited on the conventional polysilicon layer 40.

상기와 같은 HSG-Si 성장공정은 HSG-Si를 침착하기에 앞서 폴리실리콘층(40)의 표면으로부터 천연산화물을 세척제거하여 깨끗한 실리콘 표면상에 개시하는 것이 바람직하다. 만일 HSG-Si층의 성장이 실리콘 기저층의 형성직후 개시되거나 실리콘 기저층 표면이 산화물의 성장을 방지할 수 있을 정도로 충분한 진공상태를 유지할 경우에는 별도의 세척단계는 불필요하다. 보다 구체적으로는 실리콘 기저층의 성장과 HSG-Si층의 성장 개시사이에는 소정의 시간 간격이 있을 것으로 예상된다. 또는 폴리실리콘층이 이온 주입 및 소둔에 의해, 혹은 열 확산 공정에 의해 도핑처리되면 산화물층은 폴리실리콘층의 표면상에 성장하게 된다.The HSG-Si growth process as described above is preferably initiated on the clean silicon surface by removing the natural oxide from the surface of the polysilicon layer 40 prior to depositing the HSG-Si. If the growth of the HSG-Si layer is initiated immediately after the formation of the silicon base layer, or if the surface of the silicon base layer is maintained in a sufficient vacuum to prevent the growth of oxides, a separate washing step is unnecessary. More specifically, it is expected that there will be a predetermined time interval between the growth of the silicon base layer and the start of growth of the HSG-Si layer. Alternatively, when the polysilicon layer is doped by ion implantation and annealing or by a heat diffusion process, the oxide layer grows on the surface of the polysilicon layer.

따라서 실리콘 기저층의 표면은 HSG-Si의 성장이 개시되기 전에 세척하는 것이 바람직하다. HF 침지액, HF를 사용한 스핀-에칭, 증기 HF 세척 또는 H2플라즈마 세척을 포함하는 다양한 기술에 의해 폴리실리콘 표면으로부터 천연 산화물을 제거할 수 있다.Therefore, the surface of the silicon base layer is preferably washed before the growth of HSG-Si is started. Natural oxides can be removed from the polysilicon surface by a variety of techniques including HF immersion, spin-etching with HF, steam HF cleaning or H 2 plasma cleaning.

실리콘 기저층의 표면은 세척 공정의 결과로서 수소화되는 것이 바람직한데, 이는 수소화된 표면이 재산화로부터 폴리실리콘 표면을 보호하는 역할을 수행하기 때문이다. 상술한 각 세척기술은 폴리실리콘 표면의 바람직한 수소화를 수행하게 될 것이다.The surface of the silicon base layer is preferably hydrogenated as a result of the cleaning process, since the hydrogenated surface serves to protect the polysilicon surface from reoxidation. Each cleaning technique described above will perform the desired hydrogenation of the polysilicon surface.

세척후, 종래의 폴리실리콘층(40)의 표면상에 HSG-Si층(42)이 형성된다. 상기 층은 임의의 공지된 방법들로 형성될 수 있으며, 상기 방법에는 약 570∼약 585℃ 온도에서 유지된 기판상에 실란 공급원가스로부터 저압화학증착법에 의해 HSG-Si를 침착하는 단계를 포함한다. 그 결과 수득된 구조는 도 2에 도시하였으며, HSG-Si의 불규칙한 표면을 갖고 있다.After washing, an HSG-Si layer 42 is formed on the surface of the conventional polysilicon layer 40. The layer may be formed by any known methods, the method comprising depositing HSG-Si by low pressure chemical vapor deposition from a silane source gas on a substrate maintained at a temperature of about 570 to about 585 ° C. . The resulting structure is shown in FIG. 2 and has an irregular surface of HSG-Si.

HSG-Si 성장을 위한 핵형성의 랜덤한 특성때문에, 도 2에서 부호 44로 나타낸 HSG-Si층내의 특정한 성긴 부위에서 도프된 폴리실리콘 기저층(40)이 노출될 수 있다. 상기 폴리실리콘층(40) 표면상에서 HSG-Si층(42)의 성장은 폴리실리콘층(40)의 평탄면에 의해 제공된 정전용량을 초과하는 약 1.8배의 증가된 정전용량을 갖는 것으로 관찰되었다.Because of the random nature of nucleation for HSG-Si growth, the doped polysilicon base layer 40 may be exposed at certain sparse sites in the HSG-Si layer, indicated by reference numeral 44 in FIG. 2. The growth of the HSG-Si layer 42 on the surface of the polysilicon layer 40 was observed to have an increased capacitance of about 1.8 times the capacitance provided by the flat surface of the polysilicon layer 40.

아마도 이는 표면적 손실로 인해 제1 HSG-Si층의 결정질이 충분히 크게 성장하면서 인접하는 결정질 표면도 함께 성장시키는 것으로 여겨지므로, HSG-Si층의 성장을 통하여 더이상 정전용량을 증가시키기는 어려울 것이다.Perhaps it is believed that due to the loss of surface area the crystalline of the first HSG-Si layer grows large enough to grow adjacent crystalline surfaces together, so it is difficult to increase the capacitance anymore through the growth of the HSG-Si layer.

따라서 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 제1 HSG-Si층의 성장을 중단한 다음 제1 HSG-Si층의 성장과 유사한 방식으로 성장하는 제2 HSG-Si층의 성장을 재개함으로써 정전용량을 보다 증가시킬 수 있다. 제2 HSG-Si층의 성장은 제1 HSG-Si층의 성장과는 독립된 방식으로 개시된다. 따라서 제2 HSG-Si층의 성장은 일반적으로는 제1 HSG-Si층의 결정질을 보다 한층 성장시키는데 거의 기여하지 못한다.Thus, according to a preferred embodiment of the present invention, the capacitance is reduced by stopping the growth of the first HSG-Si layer and then resuming the growth of the second HSG-Si layer growing in a manner similar to that of the first HSG-Si layer. Can be increased. Growth of the second HSG-Si layer is initiated in a manner independent of the growth of the first HSG-Si layer. Therefore, the growth of the second HSG-Si layer generally contributes little to further growing the crystalline of the first HSG-Si layer.

오히려 제2 HSG-Si층의 성장은 제1 HSG-Si층의 입자 표면을 포함하는 전극표면에 새로운 입자를 성장시키게 된다. 도 3에는 이같은 제2 HSG-Si층이 별개의HSG-Si입자(46) 형성을 도시하였다.Rather, growth of the second HSG-Si layer causes new particles to grow on the electrode surface including the particle surface of the first HSG-Si layer. In FIG. 3 this second HSG-Si layer shows the formation of separate HSG-Si particles 46.

또한 제2 HSG-Si층은 폴리실리콘층(40) 표면상의 새로운 위치에서 입자(48)성장을 위해 핵형성시킨다. 제2 HSG-Si층내에서 성장한 입자는 제1층 입자보다 작은 것이 가장 바람직한데, 이는 제1층의 성장에 소요된 시간보다 단기간에 제2층을 성장시킴으로써 수행될 수 있다. 상기 HSG-Si층의 성장 중단 공정과 연이은 HSG-Si층의 성장 재개 공정을 수회 반복함으로써 기존 제2 HSG-Si층상에는 제3 및 제4의 독립된 연속층을 성장시킬 수 있다.The second HSG-Si layer is also nucleated for particle 48 growth at a new location on the polysilicon layer 40 surface. Most preferably, the particles grown in the second HSG-Si layer are smaller than the particles of the first layer, which may be performed by growing the second layer in a shorter time than the time required for the growth of the first layer. By repeating the growth stop process of the HSG-Si layer and the resumption of growth of the HSG-Si layer several times, the third and fourth independent continuous layers may be grown on the existing second HSG-Si layer.

본 발명을 수행하는데 있어, HSC-Si층을 지속적으로 성장시키는 것보다는 제1 HSG-Si층의 침착을 특정한 방법에 의해 중단시켜 HSG-Si 침착환경에 커패시터 전극을 지속적으로 존재하도록 함으로써 결과적으로 제2의 새로운 결정질층을 성장시키는데 기여하도록 하는 것이 중요하다. 제1 HSG-Si층의 성장을 중단하는데 다른 다수의 기술이 사용될 수 있다. 예를 들어, 침착조건하에서 충분한 시간동안 반응기체의 연속적인 재도입이 새로운 핵생성위치에서 성장을 재개하지 않는다면 침착실로의 반응기체(예를 들면 SiH4) 유입은 중단되고, 커패시터 전극이 침착실내에 잔류할 수 있다. 이는 예를들어 30분간 일어날 수 있다.In carrying out the present invention, rather than continuously growing the HSC-Si layer, the deposition of the first HSG-Si layer is interrupted by a specific method so that the capacitor electrode is continuously present in the HSG-Si deposition environment. It is important to contribute to the growth of two new crystalline layers. Many other techniques can be used to stop the growth of the first HSG-Si layer. For example, if continuous reintroduction of the reactor for sufficient time under deposition conditions does not resume growth at the new nucleation site, the influx of the reactor (eg SiH 4 ) into the deposition chamber is stopped and the capacitor electrode is placed in the deposition chamber. May remain. This can happen, for example, for 30 minutes.

통상적인 저압화학증착시스템은 약 10-4Torr의 압력하에 작동하는데, 이 조건은 성장공정의 재개시 상기 입자의 추가 성장을 방지하기 위해 이미 침착된 HSG-Si입자의 표면상에 오염물이 모이도록 하기에 충분하다. 소정시간동안 기다리는 대신 커패시터 전극을 냉각시키고 HSG-Si 침착온도로 재가열하면 유사한 과정을 일으킬수 있다.Conventional low pressure chemical vapor deposition systems operate under a pressure of about 10 -4 Torr, which allows contaminants to collect on the surface of the already deposited HSG-Si particles to prevent further growth of the particles upon resumption of the growth process. Enough to do Instead of waiting for some time, cooling the capacitor electrodes and reheating them to the HSG-Si deposition temperature can cause a similar process.

제1 HSG-Si층의 성장 중단을 위한 다른 방법으로는 제1 HSG-Si층의 입자 표면상에 두께가 수Å만큼 작은 중단물질층을 침착하여 제2 HSG-Si층이 중단물질층상에 성장하도록 하는 것이다. 가장 용이하게 제조될 수 있고 적합한 중단물질층으로는 무정형 실리콘층을 들 수 있다.Another method for stopping growth of the first HSG-Si layer is to deposit a layer of interruption material of several thicknesses on the particle surface of the first HSG-Si layer so that the second HSG-Si layer grows on the stop material layer. To do that. The most easily produced and suitable stopper layer is an amorphous silicon layer.

수Å 내지 약 200Å의 무정형 실리콘층이 HSG-Si의 침착에 사용되는 것과 동일한 저압화학증착시스템내에서 침착될 수 있다. 일반적으로 커패시터의 전극 온도를 550℃이하로 감소시키면 전극상에 무정형 실리콘이 침착될 수 있다.A few milliseconds to about 200 milliseconds of amorphous silicon layer can be deposited in the same low pressure chemical vapor deposition system used for the deposition of HSG-Si. In general, reducing the electrode temperature of a capacitor below 550 ° C. can result in the deposition of amorphous silicon on the electrode.

적절하게 제1 HSG-Si층의 성장을 중단시킨 다음 연속적인 각층에 보다 작은 입자를 형성시켜 1이상의 부가적인 HSG-Si층을 커패시터 전극의 표면상에 성장시키는 것이 바람직하다. 도 4에는 제1 HSG-Si층의 입자(42) 및 폴리실리콘층(40)의 노출부상에 형성된 무정형 실리콘박층(50)을 도시하고 있다.Preferably, one or more additional HSG-Si layers are grown on the surface of the capacitor electrode by suitably stopping the growth of the first HSG-Si layer and then forming smaller particles in each successive layer. 4 shows an amorphous silicon thin film 50 formed on the exposed portions of the particles 42 and the polysilicon layer 40 of the first HSG-Si layer.

이어서 제1 HSG-Si층(42)의 입자상 무정형 실리콘층(50)상에 형성된 입자(52) 및 폴리실리콘층(40)상의 무정형 실리콘층(50)상에 형성된 입자(54)를 포함하는 제2 HSG-Si층을 형성한다. 모든 울퉁불퉁한 표면이 커패시터 전극상에 형성된 다음 HSG-Si층의 표면 혹은 폴리실리콘 기저층(40)으로부터 공지의 이온주입 및 소둔, 또는 열 확산공정에 의해 침착공정도중 원위치에 HSG-Si층이 도프되게 된다. 만약 상기 폴리실리콘층(40)이 미리 도프되지 않았다면, 이때 예를 들어 이온 주입에 의해 폴리실리콘층(40)이 도프될 수 있다.Subsequently, the first composition includes particles 52 formed on the particulate amorphous silicon layer 50 of the first HSG-Si layer 42 and particles 54 formed on the amorphous silicon layer 50 on the polysilicon layer 40. 2 form an HSG-Si layer. All bumpy surfaces are formed on the capacitor electrode and then the HSG-Si layer is doped in situ during the deposition process by known ion implantation and annealing from the surface of the HSG-Si layer or the polysilicon base layer 40 or by a thermal diffusion process. do. If the polysilicon layer 40 is not doped in advance, the polysilicon layer 40 may be doped by ion implantation, for example.

또한 무정형 실리콘층(50)이 구조내로 일체화되면, HSG-Si층이 도핑처리됨과동시에 무정형 실리콘층이 도프된다. 미리 패턴화되어 있지 않으면 전극을 패턴화하고, 커패시터 하부전극의 표면상에 유전층을 형성하고, 커패시터 상부 전극을 형성하는 공정을 계속 수행한다. 상기 공정과 관련된 추가 논의들을 후술하였으며, 본 발명의 다른 실시예를 먼저 기술하였다.In addition, when the amorphous silicon layer 50 is integrated into the structure, the HSG-Si layer is doped and at the same time the amorphous silicon layer is doped. If not already patterned, the process of patterning the electrodes, forming a dielectric layer on the surface of the capacitor lower electrode, and forming the capacitor upper electrode is continued. Further discussions relating to the process are described below, and other embodiments of the invention are described first.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제1 HSG-Si층의 성장을 중단하는 단계로서 제1 HSG-Si층을 침착한 다음 도 2에 도시된 바와 같은 HSC-Si/폴리실리콘 구조의 표면을 에칭하는 공정을 포함한다. 상기 에칭공정은 이방성인 것이 바람직하고, HSG-Si입자(42)와 폴리실리콘층(40)사이에서 선택적/비선택적으로 수행된다. 상기 에칭공정이 비선택적인 경우에는 에칭공정은 단순히 폴리실리콘층(40)내 HSG-Si 입자(42)의 형태를 재구성할 뿐이다. 다른 대안으로서 HSG-Si입자(42)는 도핑처리되지 않고 폴리실리콘층(40)이 도핑처리되는 것으로, 도핑액에 민감한 부식액을 도 2의 구조를 선택적으로 에칭하는데 사용할 수 있다. 이 공정에서, HSG-Si입자(42)는 에칭공정의 마스크로서 작용하고, 폴리실리콘층(40)의 노출부는 HSG-Si입자보다 급속 에칭된다. 상기 에칭공정에 의해 도 2에 도시된 바와 같이 폴리실리콘층상에 HSG-Si층보다 높은 표면거칠기 또는 집적회로를 갖는 전극표면이 형성된다.According to another embodiment of the present invention, as a step of stopping the growth of the first HSG-Si layer, the first HSG-Si layer is deposited and then the surface of the HSC-Si / polysilicon structure as shown in FIG. 2 is etched. It includes a process to make. The etching process is preferably anisotropic and is selectively / non-selectively performed between the HSG-Si particles 42 and the polysilicon layer 40. In the case where the etching process is non-selective, the etching process simply reconstructs the shape of the HSG-Si particles 42 in the polysilicon layer 40. As another alternative, the HSG-Si particles 42 are undoped and doped with the polysilicon layer 40, which can be used to selectively etch the structure of FIG. In this process, the HSG-Si particles 42 serve as a mask for the etching process, and the exposed portion of the polysilicon layer 40 is etched faster than the HSG-Si particles. The etching process forms an electrode surface having a higher surface roughness or integrated circuit than the HSG-Si layer on the polysilicon layer as shown in FIG. 2.

선택적인 에칭공정을 위한 적절한 에칭환경을 위해, Applied Materials사에서 제조된 자기 보강된 반응성 이온부식액 P5000과 같은 반응성 이온 부식액을 사용할 수 있다. 이때 에칭가스는 Cl2와 HBr을 전체 압력 60mTorr, 입력에너지 수준 300W에서 70sccm/30sccm의 Cl2/HBr 비율로 함유할 수 있다. 이들 조건은 예시적인것으로 다른 조건 또한 적절하게 적용될 수 있다. 도프되지 않은 HSG-Si의 에칭율에 대한 도프된 폴리실리콘의 에칭율의 선택비는 상기 조건하에서 약2:1이다.For a suitable etching environment for the selective etching process, reactive ion corrosion solutions such as P5000, a self-reinforced reactive ion corrosion solution manufactured by Applied Materials, can be used. In this case, the etching gas may contain Cl 2 and HBr in a Cl 2 / HBr ratio of 70 sccm / 30 sccm at a total pressure of 60 mTorr and an input energy level of 300 W. These conditions are exemplary and other conditions may also be appropriately applied. The selectivity ratio of the etch rate of the doped polysilicon to the etch rate of the undoped HSG-Si is about 2: 1 under the above conditions.

HSG-Si입자(42)를 완전 에칭하여 도프된 폴리실리콘층(40)의 표면상에 융기 표면(60) 및 함몰표면(62)를 형성하도록(도 5), 에칭공정을 계속 수행하는 것이 바람직하다. HSG-Si층을 완전히 제거할 경우 얻어지는 잇점으로는 HSG-Si층이 도전성을 갖도록 부가적으로 수행하는 도핑단계를 거칠 필요가 없다는 것이다.It is desirable to continue the etching process to completely etch the HSG-Si particles 42 to form a raised surface 60 and a recessed surface 62 on the surface of the doped polysilicon layer 40 (FIG. 5). Do. An advantage of completely removing the HSG-Si layer is that it does not need to undergo an additional doping step to make the HSG-Si layer conductive.

상술한 어느 경우라도 제2 HSG-Si층(64)은 폴리실리콘층(40)의 에칭된 표면상에서 성장하게 된다. 상기 HSG-Si층(64)은 이때 도프된다. 미리 패턴화되지 않았다면 전극을 패턴화하고, 커패시터 하부전극의 표면상에 유전층을 형성하고, 커패시터 상부 전극을 형성하는 공정을 계속 수행한다.In any of the above cases, the second HSG-Si layer 64 is grown on the etched surface of the polysilicon layer 40. The HSG-Si layer 64 is then doped. If not previously patterned, the electrode is patterned, a dielectric layer is formed on the surface of the capacitor lower electrode, and the capacitor upper electrode is continued.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은, 구조의 표면이 박막유전층으로 피복되고 상기 유전층상에 도전물질 상부층을 침착시킨 경우 울퉁불퉁한 폴리실리콘층과 도전물질 상부층사이에 높은 전기용량이 결합될 수 있다.3 to 5, when the surface of the structure is covered with a thin film dielectric layer and a conductive material upper layer is deposited on the dielectric layer, a high capacitance may be coupled between the rugged polysilicon layer and the conductive material upper layer. .

고도로 도프된 N-형 제2 폴리실리콘층이 형성되어 도 1에 도시한 바와 같은 커패시터 구조가 형성되는 것이 바람직하다. 상기 구조는 표면의 울퉁불퉁한 스케일에 비해 얇은 유전층을 사용하는 것이 바람직하다. 약 100nm 크기의 표면구조를 갖는 상기 층은 약 8nm미만의 두께를 갖는 유전층을 사용하는 것이 바람직하다.It is preferable that a highly doped N-type second polysilicon layer is formed to form a capacitor structure as shown in FIG. The structure preferably uses a thin dielectric layer compared to the rugged scale of the surface. The layer having a surface structure of about 100 nm in size preferably uses a dielectric layer having a thickness of less than about 8 nm.

또한 높은 유전상수를 갖는 물질로 유전층을 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 화학증착법(CVD)에 의해 HSG-Si층의 표면상에 질화실리콘층을 침착한 다음 상기 질화실리콘층의 표면상에 산화물박층을 성장시킴으로써 적절한 유전층을형성할 수 있다.It is also desirable to form the dielectric layer with a material having a high dielectric constant. For example, an appropriate dielectric layer can be formed by depositing a silicon nitride layer on the surface of the HSG-Si layer by chemical vapor deposition (CVD) and then growing an oxide thin layer on the surface of the silicon nitride layer.

때로는 천연 산화물층과 같이 울퉁불퉁한 폴리실리콘층의 표면을 피복하는 산화물층의 상단에 "NO"층이 형성되므로, 실제 형성된 유전성 필름은 "ONO"구조를 갖을 수도 있다. 로사토등의 "Ultra-High Capacitance Nitride Films Utilizing Surface passivation on Rugged Polysilicon"(J. Electrochem, Soc. Vol 139, No. 12, pp 3678-82, Dec. 1992)의 방법에 따르면, 두께 약4nm의 "ONO"구조가 형성될 수 있다. 울퉁불퉁한 폴리실리콘상에 ONO유전층 형성 및 CVD니트라이드층 침착전 천연 산화물 표면의 패시베이션에 관한 기술이 기재되어 있는 로사토등의 논문내용은 본 명세서내에 참조문헌으로 포함된다.Sometimes a "NO" layer is formed on top of an oxide layer covering the surface of a rugged polysilicon layer, such as a natural oxide layer, so the dielectric film actually formed may have an "ONO" structure. According to Rosato et al., "Ultra-High Capacitance Nitride Films Utilizing Surface passivation on Rugged Polysilicon" (J. Electrochem, Soc. Vol 139, No. 12, pp 3678-82, Dec. 1992), An "ONO" structure can be formed. Rosato et al., Which describe techniques for forming ONO dielectric layers on rugged polysilicon and passivation of natural oxide surfaces prior to deposition of CVD nitride layers, are incorporated herein by reference.

다른 대안으로서, 오산화탄탈 또는 다른 높은 유전상수 물질로된 박층이 울퉁불퉁한 폴리실리콘 표면을 피복하는 유전층 및 커패시터 유전체로서 작용할 수 있다.As another alternative, a thin layer of tantalum pentoxide or other high dielectric constant material may serve as the dielectric layer and capacitor dielectric covering the uneven polysilicon surface.

본 명세서에서는 울퉁불퉁한 폴리실리콘을 제조하는 방법으로서 도 1의 DRAM 구조에 나타낸 것과 같은 커패시터의 형성과 구체적으로 관련지어 기재하고 있으나, 본 발명에 의한 울퉁불퉁한 폴리실리콘은 다른 구조에도 사용될 수 있다.In the present specification, the method for manufacturing the bumpy polysilicon is specifically described in connection with the formation of a capacitor as shown in the DRAM structure of FIG. 1, but the bumpy polysilicon according to the present invention may be used in other structures.

예를 들어, 울퉁불퉁한 실리콘은 다양한 스택 커패시터 구조의 핀(fin)과 같은 다른 커패시터 구조에도 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 의한 울퉁불퉁한 실리콘층은 EEFROM 또는 플래시 메모리내 플로팅 게이트 표면에도 사용할 수 있다.For example, bumpy silicon can also be used in other capacitor structures, such as fins of various stack capacitor structures. In addition, the bumpy silicon layer according to an embodiment of the present invention can be used for floating gate surfaces in EEFROM or flash memory.

즉, ONO 유전층상에 형성된 폴리실리콘 플로팅 게이트와 폴리사이트 제어게이트사이에 ONO 유전박층 및 울퉁불퉁한 폴리실리콘 표면을 사용하면, 종래의 플래시 메모리 소자구조에 비해 플로팅 게이트와 제어 게이트간 결합력을 향상시키게 된다.That is, the use of the ONO dielectric layer and the rugged polysilicon surface between the polysilicon floating gate formed on the ONO dielectric layer and the polysite control gate improves the coupling force between the floating gate and the control gate as compared to the conventional flash memory device structure. .

따라서 본 발명은 특정 바람직한 실시예와 연관지어 기재되어 있으나 본 발명은 상술된 특정 실시예에 한정되지 않는다는 것은 명백한 것이다.Thus, while the invention has been described in connection with specific preferred embodiments, it is apparent that the invention is not limited to the specific embodiments described above.

Claims (16)

실리콘기판상에 도프된 폴리실리콘층을 형성하는 단계;Forming a doped polysilicon layer on the silicon substrate; 상기 폴리실리콘층상에 제1 반구체 입자상 실리콘층을 침착시켜가는 단계;Depositing a first semispherical particulate silicon layer on the polysilicon layer; 상기 폴리실리콘층상에서 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계; 및Stopping deposition of a first semi-spherical particulate silicon layer on the polysilicon layer; And 침착을 재개하여 폴리실리콘층상에 어떠한 반구체 입자상 실리콘층도 전혀 형성되지 않은 부분, 제1 반구체 입자상 실리콘층만 입자형태로 형성된 부분, 제2 반구체 입자상 실리콘층만 입자형태로 형성된 부분, 및 제1 반구체 입자상 실리콘층과 제2 반구체 입자상 실리콘층이 입자형태로 차례로 중첩하여 형성된 부분,을 모두 갖도록A portion in which no hemispherical particulate silicon layer is formed at all on the polysilicon layer by resuming deposition, a portion in which only the first hemispherical particulate silicon layer is formed in the form of particles, a portion in which only the second hemispherical particulate silicon layer is formed in the form of particles, and The first hemispherical particulate silicon layer and the second hemispherical particulate silicon layer all have a portion formed by overlapping in sequence in the form of particles. 제2 반구체 입자상 실리콘층의 독립적인 입자를 제1 반구체 입자상 실리콘층의 상부와 제1 반구체 입자상 실리콘층이 형성되지 않은 폴리실리콘층상에 형성시키는 단계; 를 포함하여 이루어지는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.Forming independent particles of the second hemispherical particulate silicon layer on top of the first hemispherical particulate silicon layer and on the polysilicon layer in which the first hemispherical particulate silicon layer is not formed; A method of manufacturing a semiconductor device having improved capacitance by using a semi-spherical particulate silicon layer comprising a. 제1항에 있어서, 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층은 화학증착법에 의해 상기 폴리실리콘층상에서 성장되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The method of claim 1, wherein the first hemispherical particulate silicon layer is grown on the polysilicon layer by chemical vapor deposition. 제2항에 있어서, 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층은 화학증착법에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The method of claim 2, wherein the second hemispherical particulate silicon layer is formed by chemical vapor deposition. 제1항에 있어서, 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계는 상기 폴리실리콘층의 냉각에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The semiconductor device according to claim 1, wherein the stopping of the deposition of the first hemispherical particulate silicon layer is performed by cooling the polysilicon layer. Manufacturing method. 제1항에 있어서, 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계는 제1 주기동안 침착공정을 중지시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The semiconductor of claim 1, wherein the stopping of the deposition of the first hemispherical particulate silicon layer is performed by stopping the deposition process during the first period. Method of manufacturing the device. 제2항에 있어서, 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층의 침착은 반구체 입자상 실리콘의 화학증착을 재개하여 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층의 화학증착과는 별도로 성장공정을 제공함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The method of claim 2, wherein the deposition of the second hemispherical particulate silicon layer is performed by resuming chemical vapor deposition of the hemispherical particulate silicon layer to provide a growth process separately from the chemical vapor deposition of the first hemispherical particulate silicon layer. A method for manufacturing a semiconductor device having improved capacitance by using a semispherical particulate silicon layer. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반구체 입자상 실리콘층은 모두 600℃미만의 온도에서 저압화학증착법에 의해 성장하는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The semiconductor of claim 1, wherein the first and second hemispherical particulate silicon layers are both grown by low pressure chemical vapor deposition at a temperature of less than 600 ° C. 6. Method of manufacturing the device. 실리콘을 함유하는 침착기판을 형성하는 단계;Forming a deposited substrate containing silicon; 상기 침착기판상에 제1 반구체 입자상 실리콘층을 침착시켜가는 단계;Depositing a first semi-spherical particulate silicon layer on the deposition substrate; 상기 침착기판상에서 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계;Stopping deposition of a first hemispherical particulate silicon layer on the deposition substrate; 침착을 재개하여 침착기판상에 어떠한 반구체 입자상 실리콘층도 전혀 형성되지 않은 부분, 제1 반구체 입자상 실리콘층만 입자형태로 형성된 부분, 제2 반구체 입자상 실리콘층만 입자형태로 형성된 부분, 및 제1 반구체 입자상 실리콘층과 제2 반구체 입자상 실리콘층이 입자형태로 차례로 중첩하여 형성된 부분,을 모두 갖도록A portion in which no hemispherical particulate silicon layer is formed at all on the deposited substrate by resuming deposition, a portion in which only the first hemispherical particulate silicon layer is formed in the form of particles, a portion in which only the second hemispherical particulate silicon layer is in the form of particles, and The first hemispherical particulate silicon layer and the second hemispherical particulate silicon layer all have a portion formed by overlapping in sequence in the form of particles. 제2 반구체 입자상 실리콘층의 독립적인 입자를 제1 반구체 입자상 실리콘층의 상부와 제1 반구체 입자상 실리콘층이 형성되지 않은 침착기판상에 형성시키는 단계;Forming independent particles of the second hemispherical particulate silicon layer on the deposited substrate on which the upper portion of the first hemispherical particulate silicon layer and the first hemispherical particulate silicon layer are not formed; 상기 침착기판을 패턴화하는 단계;Patterning the deposited substrate; 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층상에 유전층을 형성하는 단계; 및Forming a dielectric layer on the second hemispherical particulate silicon layer; And 상기 유전층상에 도전층을 침착하는 단계;를 포함하여 이루어지는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.Depositing a conductive layer on the dielectric layer; a method of manufacturing a semiconductor device having improved capacitance using a semi-spherical particulate silicon layer comprising a. 제9항에 있어서, 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계는 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층을 침착하기에 앞서 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층을 에칭함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein stopping the deposition of the first hemispherical particulate silicon layer is performed by etching the first hemispherical particulate silicon layer prior to depositing the second hemispherical particulate silicon layer. A method of manufacturing a semiconductor device having improved capacitance by using a semispherical particulate silicon layer. 제9항에 있어서, 상기 에칭 단계는 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층이 제거될 때까지 계속 수행하는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.10. The method of claim 9, wherein the etching step is continued until the first hemispherical particulate silicon layer is removed. 제8항에 있어서, 상기 침착기판은 도프된 실리콘을 함유하고, 도프되지 않은 실리콘을 에칭하는 선택적 에칭공정보다 빠른 속도로 도프된 실리콘을 우선적으로 에칭하는 선택적 에칭공정을 사용하여 제1 반구체 입자상 실리콘층을 에칭하는 단계를 더 포함하며,10. The method of claim 8, wherein the deposited substrate contains doped silicon and has a first hemispherical particulate shape using a selective etching process that preferentially etches the doped silicon at a faster rate than the selective etching process of etching the undoped silicon. Further comprising etching the silicon layer, 상기 에칭단계에 연속하여 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층을 침착시키는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.12. A method of manufacturing a semiconductor device with improved capacitance by using the semispherical particulate silicon layer, wherein the second semispherical particulate silicon layer is deposited successively in the etching step. 제11항에 있어서, 상기 에칭단계는 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층의 두께와 최소한 동일깊이로 상기 침착기판을 에칭하는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.12. The semiconductor device according to claim 11, wherein the etching step etches the deposited substrate to a depth at least equal to the thickness of the first hemispherical particulate silicon layer. Manufacturing method. 제8항에 있어서, 상기 제2 반구체 입자상 실리콘층상에 유전층을 형성하는 단계에 이어서, 상기 유전층상에 도프된 폴리실리콘층을 형성하는 단계; 및The method of claim 8, further comprising forming a dielectric layer on the second hemispherical particulate silicon layer, followed by forming a doped polysilicon layer on the dielectric layer; And 상기 도프된 폴리실리콘층을 패턴화하여 커패시터의 상부전극을 마련하는 단계;를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.And patterning the doped polysilicon layer to provide an upper electrode of the capacitor. The method of manufacturing a semiconductor device with improved capacitance using a semi-spherical particulate silicon layer, characterized in that it further comprises. 제13항에 있어서, 상기 도프된 폴리실리콘층을 형성하는 단계는 상기 도프된 폴리실리콘을 에칭하여 전극구조의 범위를 측방에서 한정하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.15. The method of claim 13, wherein the forming of the doped polysilicon layer comprises etching the doped polysilicon to define a range of electrode structures on the side. Manufacturing method of semiconductor device having improved capacitance. 제8항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반구체 입자상 실리콘층 모두는 약 570∼약 585℃ 온도에서 침착시키는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The semiconductor device of claim 8, wherein both of the first and second hemispherical particulate silicon layers are deposited at a temperature of about 570 ° C. to about 585 ° C. 10. Way. 제8항에 있어서, 나아가 제1 상기 반구체 입자상 실리콘층의 침착을 중단하는 단계는 상기 제1 반구체 입자상 실리콘층 표면상에 무정형 실리콘층을 침착시키고, 상기 무정형 실리콘층상에 또다른 제2 반구체 입자상 실리콘층을 침착시킴으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 반구체 입자상 실리콘층을 이용하여 정전용량이 개선된 반도체 장치의 제조방법.The method of claim 8, wherein further stopping the deposition of the first hemispherical particulate silicon layer deposits an amorphous silicon layer on the surface of the first hemispherical particulate silicon layer and another second half on the amorphous silicon layer. A method for manufacturing a semiconductor device with improved capacitance using a semi-spherical particulate silicon layer, which is performed by depositing a spherical particulate silicon layer.
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KR970052294A (en) * 1995-12-20 1997-07-29 김주용 Method for forming storage electrode of semiconductor device

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