KR19980080710A - Capacitors and Memory Structures and Methods - Google Patents

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Abstract

캐패시터용 러기드(rugged) 폴리실리콘 전극은, 그레인 형상을 증대시키고 무산소 유전체 형성을 증대시키는 고 핵 형성 밀도 및 기상 도핑에 의해 얇은 층을 가지면서도 표면적 증대율이 높다.The rugged polysilicon electrode for capacitors has a high layer area increase rate while having a thin layer by high nucleation density and vapor phase doping which increase grain shape and increase anoxic dielectric formation.

Description

캐패시터와 메모리 구조 및 방법Capacitors and Memory Structures and Methods

본 발명은 전자 반도체 디바이스에 관한 것으로서, 특히 캐패시터 구조 및 그 제조 방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to electronic semiconductor devices, and more particularly, to a capacitor structure and a method of manufacturing the same.

반도체 메모리에 대한 수요의 증대와 경쟁적인 압력의 증대에 따라, 1 트랜지스터와 1 캐패시터로 이루어진 메모리 셀에 기초한 고 밀도 집적 회로 DRAM(dynamic random access memories)이 요구되고 있다. 그러나, 표준 실리콘 산화물 및 질화물 유전체를 갖는 축소된 규모의 캐패시터는 셀에 저장된 전하량의 감소 등의 문제가 있다. 따라서, DRAM 제조업체들은 캐패시터 유전 상수를 증가시키기 위한 새로운 유전체와 캐패시터 면적을 증가시키기 위한 새로운 셀 구조를 연구 중에 있다. 예를 들어, 미국 특허 제5,554,557호에는 러기드 폴리실리콘 하부 전극을 갖는 펜스형(fence-shaped) 캐패시터를 구비하여 캐패시터 면적을 증가시키는 DRAM 셀이 개시되어 있다. 이 특허에는 560℃에서 약 200 mTorr의 압력으로의 시레인(silane) 피착에 의해 러기드 폴리실리콘을 피착하여 최대 두께 50∼150 ㎚의 반구형 그레인(hemispherical grain; HSG)들의 층을 생성하는 것이 개시되어 있다. 이어서, 등각적으로(conformally) 실리콘 질화물, 산화물/질화물/산화물 또는 탄탈 펜톡사이드의 유전체를 피착하여, 피착된 폴리실리콘의 상부 전극을 갖는 캐패시터를 완성한다.As the demand for semiconductor memory increases and competitive pressures increase, high density integrated circuit dynamic random access memories (DRAM) based on memory cells consisting of one transistor and one capacitor are required. However, scaled-down capacitors with standard silicon oxide and nitride dielectrics have problems such as a reduction in the amount of charge stored in the cell. Therefore, DRAM manufacturers are studying new dielectrics to increase capacitor dielectric constants and new cell structures to increase capacitor area. For example, US Pat. No. 5,554,557 discloses a DRAM cell having a fence-shaped capacitor with a rugged polysilicon bottom electrode to increase the capacitor area. This patent discloses the deposition of rugged polysilicon by silane deposition at a pressure of about 200 mTorr at 560 ° C. to produce a layer of hemispherical grains (HSG) with a maximum thickness of 50-150 nm. It is. A dielectric of silicon nitride, oxide / nitride / oxide or tantalum pentoxide is then deposited conformally to complete the capacitor with the top electrode of the deposited polysilicon.

Ino 등의 Rugged Surface Polycrystalline Silicon Film Deposition and its Application in a Stacked Dynamic Random Access Memory Capacitor Electrode, 14 J. Vac. Sci. Tech. B 751(1996)은 100 ㎚ 두께에서 최적인 40∼150 ㎚ 범위의 층 두께의 러기드 폴리실리콘을 갖는 캐패시터를 개시하고 있다(도 14).Rugged Surface Polycrystalline Silicon Film Deposition and its Application in a Stacked Dynamic Random Access Memory Capacitor Electrode, 14 J. Vac. Sci. Tech. B 751 (1996) discloses capacitors with rugged polysilicon in layer thicknesses ranging from 40 nm to 150 nm optimal at 100 nm thickness (FIG. 14).

본 발명은 40 ㎚ 미만의 두께를 가지면서 고 핵 형성 밀도 피착과 더불어 기상 그레인 형상 증대 및 단일 로(furnace) 작업에서의 도핑에 의해 적어도 2 배의 표면적이 증가된 HSG 실리콘(러기드 폴리실리콘)층을 제공한다. 바람직한 실시예에 따른 러기드 폴리실리콘은 표면적이 증대된 (동적 메모리 셀) 캐패시터 전극을 형성하며, 캐패시터 유전체는 산소원에 전극이 노출되지 않으면서 피착된다.The present invention relates to HSG silicon (rugged polysilicon) having a thickness of less than 40 nm, with high nucleation density deposition and increased surface area at least twice by doping in gas phase grain shape and doping in a single furnace operation. Provide a layer. The rugged polysilicon according to the preferred embodiment forms a capacitor electrode with an increased surface area (dynamic memory cell), and the capacitor dielectric is deposited without exposing the electrode to an oxygen source.

이에 의해, 표준 실리콘 집적 회로 제조와 양립할 수 있는 공정을 사용하여 고 패킹(packing) 밀도 메모리 셀을 제공하는 이점을 갖는다.This has the advantage of providing a high packing density memory cell using a process that is compatible with standard silicon integrated circuit fabrication.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메모리 셀의 단면도 및 평면도.1A and 1B are a cross-sectional view and a plan view of a memory cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1 바람직한 실시예 방법에 따른 단계들의 정단면도.2A-2F are cross-sectional elevation views of steps in accordance with a first preferred embodiment method of the present invention.

도 3a 내지 도 3c는 핵 형성(nucleation)과 그레인을 예시한 도면.3A-3C illustrate nucleation and grains.

도 4는 핵 형성 밀도를 도시한 도면.4 shows the nucleation density.

도 5a 및 5b는 그레인 팽창을 예시한 도면.5A and 5B illustrate grain expansion.

도 6은 면적 증대율을 도시한 도면.6 is a diagram showing an area increase rate.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings

100, 100' : DRAM 셀100, 100 ': DRAM cell

102, 102' : HSG 실리콘102, 102 ': HSG Silicone

104, 104' : 폴리실리콘 수직 실린더104, 104 ': Polysilicon Vertical Cylinder

105 : 폴리실리콘 기저부105: polysilicon base

106 : 유전체106: dielectric

108 : 폴리실리콘108: polysilicon

110, 110' : 게이트110, 110 ': gate

112 : 소스112: source

114 : 드레인114: drain

120 : 비트선120: bit line

개요summary

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 반구형 그레인 실리콘[러기드 폴리(ruggent poly)]의 고밀도의 소형 그레인들을 사용함으로써, 한정된 전극 두께를 유지하면서 캐패시터 전극(플레이트) 면적을 증대시킨다. 바람직한 실시예의 방법에서는, 먼저 소형 그레인들을 높은 면적 밀도로 성장시키는 조건하에서 HSG 실리콘을 형성하고, 이어서 그레인을 기상(gas phase) 증대시킴과 함께 HSG 실리콘으로 도핑한 직후, 초기 캐패시터 유전체를 산소원에 노출시키지 않으면서 형성한다. 소형 그레인 HSG 실리콘을 사용하면, 인접한 다중 캐패시터 전극들간의 스페이스를 더욱 작게 할 수 있는 캐패시터 전극의 유효 두께를 제한할 수 있다. 기상 도핑은 예비 그레인 형상을 증대시킬 수 있으나, 표면이 원치 않는 산화에 노출되기 쉬워지므로, 즉각적인 초기 유전체 형성에 의해 보다 균일한 캐패시터 유전체층을 산출하게 된다.According to a preferred embodiment of the present invention, by using high density small grains of hemispherical grain silicon (ruggent poly), the capacitor electrode (plate) area is increased while maintaining a limited electrode thickness. In the preferred embodiment method, HSG silicon is first formed under conditions of growing small grains to a high area density, and then the doped capacitor HG silicon is added to the oxygen source immediately after doping the grain with gas phase enhancement. Form without exposing. By using small grain HSG silicon, it is possible to limit the effective thickness of the capacitor electrode, which can further reduce the space between adjacent multiple capacitor electrodes. Vapor phase doping can increase the preliminary grain shape, but the surface is susceptible to unwanted oxidation, resulting in a more uniform capacitor dielectric layer by immediate initial dielectric formation.

도 1a 및 도 1b는 셀 캐패시터의 하부 전극을 형성하는 폴리실리콘 기저부(105)와 폴리실리콘 수직 실린더(104)(기다란 크라운 형상을 갖는) 상에 HSG 실리콘(102)을 갖는 바람직한 실시에에 따른 DRAM 셀(100)의 단면도 및 평면도를 예시한다. 유전체(106)는 HSG 실리콘(102)의 표면과 HSG 실리콘 그레인들간의 폴리실리콘 부분들(104∼105)에 맞춰 형성된다. TiN과 같은 그 밖의 재료가 사용될 수도 있으나 본 실시예에서는 폴리실리콘(108)이 상부(공통) 캐패시터 전극을 형성한다. 패스(pass) 트랜지스터[소스(112)와 드레인(114) 및 게이트(110)]는 비트선(120)을 폴리실리콘 스템(122)을 통해 하부 캐패시터 전극에 접속하고, 비트선은 도 1a의 평면에 평행하게 배치되며, 드레인(114)에 대한 접촉을 형성하는 오프셋만이 도 1a에 도시된다. 셀(100)과 인접 셀(100')간의 분리는 HSG(102)와 HSG(102')간의 최소 간격에 의해 결정되며, 이것은 상부 전극(108)의 최소 두께이다. 예를 들어, 크라운 폴리실리콘(104)은 85 ㎚ 두께이고, HSG 실리콘(102) 그레인은 부풀려져 약 30∼40 ㎚ 높이가 되며, 산화된 실리콘 질화물(NO) 유전체(106)는 6 ㎚ 두께이며, 인접 셀들간의 상부 전극(108)의 최소 두께는 약 100 ㎚이다. 이에 의해, 만일 HSG 실리콘 그레인이 70 ㎚ 높이이면, 상부 전극(108)의 최소 두께는 20 ㎚로 감소되어 신뢰성이 떨어지게 된다.1A and 1B illustrate a DRAM in accordance with a preferred embodiment having HSG silicon 102 on a polysilicon base 105 forming a lower electrode of a cell capacitor and a polysilicon vertical cylinder 104 (having a long crown shape). A cross-sectional view and a plan view of the cell 100 are illustrated. Dielectric 106 is formed to conform to polysilicon portions 104-105 between the surface of HSG silicon 102 and the HSG silicon grains. Other materials, such as TiN, may be used, but in this embodiment polysilicon 108 forms the top (common) capacitor electrode. A pass transistor (source 112 and drain 114 and gate 110) connects the bit line 120 through the polysilicon stem 122 to the lower capacitor electrode, the bit line being the plane of FIG. 1A. Only offsets disposed parallel to and forming a contact to the drain 114 are shown in FIG. 1A. The separation between cell 100 and adjacent cell 100 ′ is determined by the minimum spacing between HSG 102 and HSG 102 ′, which is the minimum thickness of top electrode 108. For example, crown polysilicon 104 is 85 nm thick, HSG silicon 102 grains are inflated to about 30-40 nm high, oxidized silicon nitride (NO) dielectric 106 is 6 nm thick, The minimum thickness of the top electrode 108 between adjacent cells is about 100 nm. Thereby, if the HSG silicon grain is 70 nm high, the minimum thickness of the top electrode 108 is reduced to 20 nm, resulting in poor reliability.

제조Produce

도 2a∼도 2f는 다음과 같이 기판의 메모리 셀(100) 부분에서의 DRAM의 제조 단계들의 정단면도를 예시한다.2A-2F illustrate cross-sectional elevation views of DRAM fabrication steps in the memory cell 100 portion of the substrate as follows.

(a) 메모리 어레이 웰에 추가하여 CMOS 주변부용 트윈 웰과 얕은 트렌치 분리부를 갖는 실리콘 기판(혹은 절연체 기판상의 실리콘)에서 시작한다. 스레스홀드 조절 주입을 행하고(셀 트랜지스터 및 각종 주변 트랜지스터 마다 다를 수 있음), 게이트 유전체를 형성한다. 폴리실리콘 게이트 물질로 도포된 텅스텐 실리사이드 및 실리콘 이산화물층을 피착한 후, 이 층들을 패터닝하여 산화물이 덮힌 게이트(110)와 주변 트랜지스터 게이트 및 게이트 레벨 상호 접속부를 형성한다. 도 2a 참조.(a) Start with a silicon substrate (or silicon on insulator substrate) with twin wells for CMOS peripherals and shallow trench isolation in addition to the memory array wells. Threshold adjustment implantation is performed (which may vary for cell transistors and various peripheral transistors) to form a gate dielectric. After depositing a tungsten silicide and silicon dioxide layer coated with a polysilicon gate material, the layers are patterned to form oxide covered gate 110 and peripheral transistor gates and gate level interconnects. See FIG. 2A.

(b) 저농도로 도핑된 드레인 주입을 행한 후, 피착과 이방성 에칭에 의해 게이트 상에 측벽 유전체를 형성한다. 도펀트를 도입하여 주변의 소스/드레인을 포함하는 소스(112)와 드레인(114)을 형성하여 트랜지스터 레벨을 완성한다. 이러한 구조물을 평탄화된 유전체층(BPSG와 같은)으로 도포한다. 도 2b 참조.(b) After lightly doped drain implantation is performed, sidewall dielectrics are formed on the gate by deposition and anisotropic etching. Dopants are introduced to form a source 112 and a drain 114 including surrounding sources / drains to complete the transistor level. This structure is applied with a planarized dielectric layer (such as BPSG). See FIG. 2B.

(c) 평탄화된 유전체에 소스(112)에 대해 아래쪽으로 홀(비아)을 포토리소그래피에 의해 형성하고 에칭한다. 인 시투 도프트(in situ doped) 폴리실리콘을 전면 피착하고 에치 백하여 홀에 스템(122)을 형성한다. 다음으로, 평탄화된 유전체에 드레인(114)에 대해 아래쪽으로 홀(비아)을 포토리소그래피에 의해 형성하고 에칭한다. 인 시투 도프트 폴리실리콘과 텅스텐 실리사이드 캡을 전면 피착한 후, 패터닝하여 드레인(114)에 접속하는 비트선(120)을 형성한다. 에치스탑(etchstop) 보조층(예를 들어, 산화물과 질화물의 보조층)을 포함할 수 있는 평탄화된 비트선 유전체를 형성한다. 도 2c 참조.(c) Holes (vias) are formed by photolithography and etched downward in the planarized dielectric to the source 112. An in situ doped polysilicon is deposited and etched back to form a stem 122 in the hole. Next, holes (vias) are formed in the planarized dielectric downwards with respect to the drain 114 by photolithography and etched. After depositing the in-situ doped polysilicon and the tungsten silicide cap on the entire surface, the bit line 120 is formed to be connected to the drain 114 by patterning. A planarized bit line dielectric is formed that can include an etchstop auxiliary layer (eg, an auxiliary layer of oxide and nitride). See FIG. 2C.

(d) 결국 셀(100)의 수직 폴리실리콘 크라운용 수평 기저부 부분이 될 인 시투 도프트 폴리실리콘층을 피착한 후, 스템(122) 위의 폴리실리콘에 포토리소그래피에 의해 홀을 형성한다. 아울러, 모서리를 둥글게 하고 직경을 작게 만들기 위하여 홀에 폴리실리콘 측벽(전면 피착과 더불어 이방성 에칭함)을 형성할 수도 있다. 이어서, 에치 마스크로서 폴리실리콘을 사용하여 평탄화된 비트선 유전체를 스템(122)에 대해 아래쪽으로 에칭한다. 도 2d 참조.(d) After depositing an in-situ doped polysilicon layer that will eventually become the horizontal base portion for the vertical polysilicon crown of the cell 100, holes are formed in the polysilicon on the stem 122 by photolithography. In addition, polysilicon sidewalls (anisotropically etched with front deposition) may be formed in the holes to round the corners and reduce the diameter. The planarized bit line dielectric is then etched down against the stem 122 using polysilicon as an etch mask. See FIG. 2D.

(e) 스템(122)에 연결되어 결국 크라운용 수평 기저부의 잔여물을 형성하게 될 인 시투 도프트 폴리실리콘층을 피착한다. 그 후, 유전체층과 크라운 기저부를 포토리소그래피에 의해 형성한다. 유전체와 폴리실리콘을 에칭하여 유전체로 도포된 크라운 기저부를 생성한다. 도 2e 참조.(e) deposits an in-situ doped polysilicon layer that is connected to the stem 122 and will eventually form a residue of the horizontal base for the crown. Thereafter, the dielectric layer and the crown base are formed by photolithography. The dielectric and polysilicon are etched to produce a crown base coated with the dielectric. See FIG. 2E.

(f) 인 시투 도프트[인(P)을 사용] 폴리실리콘을 등각적으로 피착하며, 이로써 폴리실리콘 기저부(105)의 노출된 단부에 대한 접촉부를 형성한다. 폴리실리콘을 이방성 에칭하여 (기저부 상의 유전체의 상부 및 기저부들간의 비트선 유전체 상의) 폴리실리콘의 수평부를 제거한다. 이에 의해 유전체와 기저부 단부 상에 측벽으로서 크라운이 형성되고, 염화계 플라즈마 에칭이 사용될 수 있다. 다음으로, 유전체를 제거하여 스템 상에 지지된 수평 기저부를 갖는 독립되어 있는 크라운을 남기며, 이러한 유전체 제거는 에치스탑 보조층에서 중단시킬 수 있다. 도 2f는 비트선 유전체의 표면에 에치스탑부가 마련된 상태를 도시하며, 매립된 에치스탑층에 의해 크라운 기저부의 바닥부도 노출될 수 있으므로 전극 면적을 증가시킬 수 있다.(f) Phosphorus dopant (using phosphorus (P)) Polysilicon is deposited uniformly, thereby forming a contact to the exposed end of the polysilicon base 105. The polysilicon is anisotropically etched to remove the horizontal portion of the polysilicon (on top of the dielectric on the base and on the bitline dielectric between the bases). Thereby a crown is formed as a sidewall on the dielectric and the base end, and a chloride-based plasma etch can be used. Next, the dielectric is removed leaving a separate crown with a horizontal base supported on the stem, which can be stopped at the etch stop auxiliary layer. FIG. 2F illustrates a state where an etch stop portion is provided on the surface of the bit line dielectric, and the bottom portion of the crown base may be exposed by the embedded etch stop layer, thereby increasing the electrode area.

(g) 폴리실리콘 크라운과 기저부의 노출된 표면 및 노출된 비트선 유전체 상에 HSG 실리콘을 성장시킨다. (폴리)실리콘상의 HSG 실리콘 성장은 두 단계로 발생한다; 핵 형성 단계 및 그레인내로 유착(癒着)하면서 이루어지는 핵 성장 단계. 이로써, 실리콘 웨이퍼를 포함하는 피착실을 통해 450 sccm의 시레인 유량으로 571℃에서 시레인 분해에 의해 폴리실리콘 크라운과 기저부 상에 HSG 실리콘을 핵 형성하여 1 분에 약 1.76×1011/㎠의 핵 형성 밀도로 약 12 ㎚의 핵을 형성한다. 핵을 도시한 TEM도인 도 3a 참조. 물론, 이러한 높은 핵 형성 밀도를 발생시키기 위한 정확한 시레인 유량 및 온도는 피착실 구조, 압력 및 총 웨이퍼 면적에 의존할 것이다. 실제로, 도 4는 다양한 처리실 상태 및 층 두께에 대한 핵 형성 밀도를 예시한다. 예를 들어, 2 분간 571℃에서의 약 230 sccm의 시레인 유량은 약 4.9×1010/㎠의 핵 형성 밀도로 17 ㎚ 두께의 핵을 생성한다.(g) HSG silicon is grown on the exposed surface of the polysilicon crown and base and the exposed bit line dielectric. HSG silicon growth on (poly) silicon occurs in two stages; A nuclear growth step that occurs while nucleating and coalescing into grain. Thus, through the deposition chamber containing the silicon wafer, HSG silicon was nucleated on the polysilicon crown and the base by silane decomposition at 571 ° C. at a silane flow rate of 450 sccm at about 1.76 × 10 11 / cm 2 per minute. A nucleation density of about 12 nm is formed at the nucleation density. See FIG. 3A, which is a TEM diagram illustrating the nucleus. Of course, the exact silane flow rate and temperature to generate this high nucleation density will depend on the deposition chamber structure, pressure and total wafer area. In practice, FIG. 4 illustrates nucleation density for various process chamber states and layer thicknesses. For example, a silane flow rate of about 230 sccm at 571 ° C. for 2 minutes yields a 17 nm thick nucleus with a nucleation density of about 4.9 × 10 10 / cm 2.

다시 2.5 분간 450 sccm 시레인 유량으로 571℃에서 HSG 실리콘 성장을 계속하여 약 30 ㎚ 최대 두께의 그레인층을 생성한다. 도 3b는 그레인을 도시하며, 이것은 도 3a와 동일한 크기를 갖는다. 물론, 이러한 그레인층이 75 ㎚와 같은 두께까지 계속 성장되면, 이때의 밀도는 고체층의 폴리실리콘 쪽으로 유착하는 그레인을 갖는 층을 생성할 것이며, 이것은 면적 증대를 감소시킴을 의미한다. 밀집한 반구들에 의한 이론적인 면적 증가는 반구 높이와 무관하므로, 밀집한 작은 반구들은 동일한 면적 증가를 제공하면서도 보다 얇은 층을 형성하게 된다. 이에 반해, 전술한 하부 핵 형성 밀도 예는 도 3c에 예시한 바와 동일한 30 ㎚ 두께의 큰 입자들을 거의 갖지 않으며, 이것은 도 3a 및 도 3b와 동일한 크기를 갖는다.HSG silicon growth was continued at 571 ° C. again at 450 sccm silane flow rate for 2.5 min to produce a grain layer with a maximum thickness of about 30 nm. 3B shows grain, which has the same size as FIG. 3A. Of course, if this grain layer continues to grow to a thickness such as 75 nm, the density at this time will create a layer with grains that coalesce towards the polysilicon of the solid layer, which means that it reduces area gain. Since the theoretical area increase by dense hemispheres is independent of hemisphere height, the dense small hemispheres form a thinner layer while providing the same area increase. In contrast, the above-described lower nucleation density example has almost no large particles 30 nm thick as illustrated in FIG. 3C, which has the same size as FIGS. 3A and 3B.

(h) 포토리소그래피에 의해 크라운을 마스크하고 비트선 유전체 상의 HSG 실리콘을 에칭하여 인접한 크라운들의 분리를 확보한다. 다른 방안으로서, 비 마스크형 이방성 실리콘 에칭을 사용할 수 있으며, 이것은 크라운 높이를 감소시키는 반면 표면 조도(ruggedness)를 유지한다. 크라운과 기저부는 표면 상에 언도프트 HSG 실리콘과 인 시투 도프트 폴리실리콘으로 이루어진다. 포토레지스트 제거 후 웨이퍼를 세정하여 천연 산화물을 제거하며, 언도프트 HSG 실리콘은 하층의 인으로 도핑된 폴리실리콘과 같이 용이하게 산화되지 않는다.(h) Mask the crown by photolithography and etch the HSG silicon on the bitline dielectric to ensure separation of adjacent crowns. Alternatively, a non-masked anisotropic silicon etch can be used, which reduces the crown height while maintaining surface ruggedness. The crown and base consist of undoped HSG silicone and in situ doped polysilicon on the surface. The wafer is cleaned after the photoresist removal to remove the native oxide, and the undoped HSG silicon is not as easily oxidized as polysilicon doped with underlying phosphorus.

(i) 30∼60 분간 수소(H2) 분위기에서 850℃로 웨이퍼를 제1 베이킹함으로써 HSG 실리콘 그레인 형상을 증대시킴함과 함께 그레인을 인으로 도핑하며, 이로써 잔여 천연 산화물이 제거됨과 함께 원자들이 하층의 폴리실리콘(104/106)으로부터 그레인(102) 상으로 이주되어 하층의 폴리실리콘에 비해 그레인들이 부풀려진다. 면적 증대량(최종 캐패시터 상에서의 전기적 측정량)은 원래의 그레인에 대한 약 2.2 배 내지 부풀려진 그레인에 대한 약 2.7 배까지 증가시킨다. 형상 증대 전/후를 각각 도시한 도 5a 및 도 5b 참조. 이어서, 수소 분위기에서 인화수소(PH3) 분위기로 1 분간 전환하며, 이로써 인화수소가 실리콘 표면 상에서 분해되어 인을 그레인 내로 확산시킴으로써 2×1020/㎤ 보다 큰 인의 표면 도핑 농도를 얻는다.(i) First baking the wafer at 850 ° C. in a hydrogen (H 2 ) atmosphere for 30 to 60 minutes to increase the HSG silicon grain shape, doping the grain with phosphorus, thereby removing the remaining natural oxides and Migration from the lower polysilicon 104/106 onto the grain 102 causes the grains to swell compared to the lower polysilicon. The area increase (electrical measurement on the final capacitor) increases from about 2.2 times the original grain to about 2.7 times the bloated grain. See FIGS. 5A and 5B, respectively, before and after shape enhancement. Subsequently, switching from hydrogen atmosphere to hydrogen phosphide (PH 3 ) atmosphere for 1 minute, whereby hydrogen phosphide decomposes on the silicon surface and diffuses phosphorus into grains to obtain a surface doping concentration of phosphorus greater than 2 × 10 20 / cm 3.

(j) 그레인들간의 틈에서 발생할 수 있는 자유 표면 인과 선행 단계로부터 고농도로 도핑된 그레인들은 매우 반응적인 산화 장소를 제공한다. 실제로, 천연 산화물은 통상 1∼3 ㎚ 범위의 두께로 농밀하게 도핑된 실리콘 상에 신속하게 성장되며, 이러한 산화물(2.5∼3.5의 유전 상수)은 6 ㎚의 산화된 실리콘 질화물을 사용하는 캐패시터의 유효 유전 상수를 열화시킨다(유전 상수 6.8을 갖는 4.5 ㎚의 질화물은 유전 상수 3.9를 갖는 2 ㎚의 열 산화물로 도포됨). 또한, 시레인과 암모니아 표면 반응에 의한 실리콘 질화물 유전체의 피착은 산화물 상에서의 핵 형성을 위한 잠복 시간을 갖는데 이러한 잠복 시간은 실리콘 상에서의 핵 형성의 경우에는 최소가 되므로, 피착된 질화물은 순수한 실리콘 상에서 보다 표면 산화된 실리콘 상에서 더 얇게 형성될 것이다. 이러한 보다 얇은 질화물은(예를 들어, 4.5 ㎚ 대신 2∼2.5 ㎚) 질화물의 산화시 하층 그레인의 산화를 방지하기에는 너무 얇을 수도 있다. 따라서, 그레인에 대한 인화 수소 기상 도핑 직후, 피착실을 배기하고 740℃까지 온도를 낮춰, 디클로로시레인과 암모니아에 흐르게 하여 실리콘 질화물 유전체를 4.5 ㎚의 두께까지 피착한다. 다른 방안으로서, 진공하에서 웨이퍼를 인화수소 도핑실로부터 실리콘 질화물 피착실로 이송할 수도 있다. 이어서, 850℃의 스팀에서 질화물을 산화시켜 질화물내에 플러그 핀 홀에 추가하여 2 ㎚의 산화물을 형성하여 유전체를 완성한다.(j) Free surface phosphorus, which may occur in the gaps between the grains, and heavily doped grains from the preceding step, provide a highly reactive oxidation site. Indeed, natural oxides typically grow rapidly on densely doped silicon in thicknesses ranging from 1 to 3 nm, and these oxides (dielectric constants of 2.5 to 3.5) are effective for capacitors using 6 nm oxidized silicon nitride. The dielectric constant is degraded (4.5 nm nitride with dielectric constant 6.8 is applied with 2 nm thermal oxide with dielectric constant 3.9). In addition, deposition of the silicon nitride dielectric by silane and ammonia surface reactions has a latencies for nucleation on oxides, which is minimal in the case of nucleation on silicon, so that the deposited nitrides on pure silicon Thinner on the surface oxidized silicon. Such thinner nitrides (eg 2 to 2.5 nm instead of 4.5 nm) may be too thin to prevent oxidation of the underlying grains upon oxidation of the nitride. Therefore, immediately after hydrogen phosphide vapor phase doping of the grains, the deposition chamber is evacuated, the temperature is lowered to 740 ° C, flowed in dichlorosilane and ammonia, and the silicon nitride dielectric is deposited to a thickness of 4.5 nm. Alternatively, the wafer may be transferred from a hydrogen phosphide doping chamber to a silicon nitride deposition chamber under vacuum. The nitride is then oxidized in steam at 850 ° C. to add to the plug pin holes in the nitride to form an oxide of 2 nm to complete the dielectric.

(k) 인 시투 도프트 폴리실리콘을 피착하고 패터닝하여 상부 캐패시터 전극을 형성한다.(k) In situ doped polysilicon is deposited and patterned to form the upper capacitor electrode.

(l) 인터레벨 유전체 및 상호 접속부를 형성하며, 이것은 또한 DRAM에 주변 회로를 접속한다.(l) Form interlevel dielectrics and interconnects, which also connect peripheral circuits to the DRAM.

HSG 성장HSG growth

HSG 그레인이 성장하여 층이 두꺼워짐에 따라, 그레인은 유착하기 시작한다. 그레인 성장은 경사진 그레인 측벽 영역을 증가시키지만 그레인 유착은 측벽을 제거하므로, 도 6에 예시한 바와 같이 총 표면적은 최대가 된다. 실제로, 도 6은 기상 도핑시의 그레인 형상 증대 후의 면적 증대율(원래의 편평한 면적에 대한 총 러기드 표면적의 비율)을 도시하며, 이 면적 증대율은 하부 전극으로서 러기드 폴리실리콘을 사용하는 캐패시터 상에서의 전기적 측정에 의해 측정된다. 도 6의 캐패시터에 대한 HSG 성장 조건은 도 3c에 예시된 전술한 낮은 핵 형성 밀도 예와 동일하였다. 실제로, 도 3c는 유착으로부터 야기되는 그레인의 측방향 신장을 도시한다. 바람직한 실시예에 따른 높은 핵 형성 밀도를 사용하면, 보다 낮은 유착으로 인해 그레인 측벽 면적의 양이 커지므로, 층의 두께가 작아도(예를 들어 30 ㎚ 두께) 큰 면적 증대율을 가질 것이다. 도 3b의 측방향으로 밀집한 그레인을 도 3c의 그레인과 비교함으로써 이를 확인할 수 있다. 시레인 유량을 높여 보다 신속한 핵 형성 및 그레인 성장을 발생시키면 유착을 저감시킬 수 있어 더욱 밀집한 그레인을 생성하게 되고, 결과적으로 면적 증대율을 보다 크게 할 수 있다.As the HSG grain grows and the layer thickens, the grain begins to coalesce. Grain growth increases the inclined grain sidewall area while grain coalescence removes the sidewall, so the total surface area is maximized as illustrated in FIG. 6. In fact, FIG. 6 shows the area growth rate (ratio of total rugged surface area to original flat area) after grain shape increase during gas phase doping, which is a capacitor using rugged polysilicon as the bottom electrode. It is measured by electrical measurements on the phase. HSG growth conditions for the capacitor of FIG. 6 were the same as the low nucleation density example described above illustrated in FIG. 3C. Indeed, FIG. 3C shows the lateral stretching of grain resulting from coalescence. Using a high nucleation density according to a preferred embodiment, the amount of grain sidewall area will be greater due to lower coalescence, so that even if the layer thickness is small (eg 30 nm thick) it will have a large area growth rate. This can be confirmed by comparing the laterally dense grain of FIG. 3B with the grain of FIG. 3C. Increasing the silane flow rate to generate more rapid nucleation and grain growth can reduce coalescence, resulting in more dense grain, and consequently increase the area growth rate.

변형예Variant

본 발명에 따른 바람직한 실시예들은, 기상 도핑시 그레인이 증대되고 무산소로 즉시 유전체가 형성되는 얇은(예를 들어, 30 ㎚ 두께) 러기드 폴리실리콘을 구비하여 높은 면적 증대율의 특징을 유지하면서 다양한 방법으로 변형될 수 있다.Preferred embodiments according to the present invention include thin (eg, 30 nm thick) rugged polysilicon in which grains are increased and vapor-free dielectrics are formed immediately during vapor phase doping, while maintaining a characteristic of high area growth. It can be modified in a way.

예를 들어, 처리 조건을 변화시킬 수 있으며, 실리콘 질화물 유전체 피착을 신속한 열적 질화(1,000℃의 NH3)로 대신하여 산화물계 유전체(Ta2O5와 같은) 피착에 의해 후속되는 얇은 질화물 장벽을 형성할 수 있다.For example, processing conditions can be varied and a thin nitride barrier, followed by an oxide-based dielectric (such as Ta 2 O 5 ) deposition, replaces silicon nitride dielectric deposition with rapid thermal nitriding (NH 3 at 1,000 ° C.). Can be formed.

또한, 러기드 폴리실리콘 전극 캐패시터는 플로팅 및 컨트롤 게이트간의 EEPROM의 커플링 캐패시터일 수도 있고 또는 일반적인 선형 회로 혹은 기타의 커플링용 캐패시터일 수도 있다.In addition, the rugged polysilicon electrode capacitor may be a coupling capacitor of the EEPROM between the floating and control gates, or may be a general linear circuit or other capacitor for coupling.

본 발명에 따르면, 표준 실리콘 집적 회로 제조와 양립할 수 있는 공정을 사용하여 고 패킹 밀도 메모리 셀을 제공하는 이점을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide the advantage of providing a high packing density memory cell using a process compatible with standard silicon integrated circuit fabrication.

Claims (3)

캐패시터에 있어서,In the capacitor, (a) 약 40 ㎚ 미만의 두께를 갖는 러기드(rugged) 폴리실리콘 표면을 포함하는 제1 전극,(a) a first electrode comprising a rugged polysilicon surface having a thickness of less than about 40 nm, (b) 상기 표면 상의 유전체, 및(b) a dielectric on the surface, and (c) 상기 유전체 상의 제2 전극(c) a second electrode on the dielectric 을 포함하는 캐패시터.Capacitor comprising a. 캐패시터 제조 방법에 있어서,In the capacitor manufacturing method, (a) 러기드 폴리실리콘 표면을 갖는 제1 전극을 형성하는 단계,(a) forming a first electrode having a rugged polysilicon surface, (b) 상기 러기드 폴리실리콘의 그레인 형상을 환원 분위기에서 변화시키는 단계, 및(b) changing the grain shape of the rugged polysilicon in a reducing atmosphere, and (c) 상기 러기드 폴리실리콘을 인 함유 분위기에서 도핑하는 단계(c) doping the rugged polysilicon in a phosphorus containing atmosphere 를 포함하는 캐패시터 제조 방법.Capacitor manufacturing method comprising a. 캐패시터 제조 방법에 있어서,In the capacitor manufacturing method, (a) 러기드 폴리실리콘 표면을 갖는 제1 플레이트를 형성하는 단계,(a) forming a first plate having a rugged polysilicon surface, (b) 상기 러기드 폴리실리콘을 인 함유 분위기에서 도핑하는 단계, 및(b) doping the rugged polysilicon in a phosphorus containing atmosphere, and (c) 상기 단계 (b)의 도핑 후, 상기 표면을 산소 함유 분위기에 노출시키기 전에 상기 표면 상에 유전체를 형성하는 단계(c) after the doping of step (b), forming a dielectric on the surface before exposing the surface to an oxygen containing atmosphere; 를 포함하는 캐패시터 제조 방법.Capacitor manufacturing method comprising a.
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