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発明の名称 容量絶縁膜の形成方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−140572
公開日 平成6年(1994)5月20日
出願番号 特願平4−290983
出願日 平成4年(1992)10月29日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】大日方 富雄
発明者 笠原 修 / 佐久間 浩 / 土屋 修 / 杉浦 順
要約 目的
ロードロック機構付きのCVD装置を用いることによる容量絶縁膜の薄膜化を実現し得る容量絶縁膜の形成方法を提供する。

構成
窒化シリコン膜を形成する際に、膜形成工程を初期核形成処理とその後の膜成長処理との二段階に分け、それらの処理を連続して行なう。初めの初期核形成処理は高圧力P1下で先ずNH3ガスのみを供給した後、途中からそれにSiH2Cl2ガスを加えて供給する。後の膜成長処理はP1よりも低い所定の圧力P2下でNH3ガスのみを供給した後、途中からSiH2Cl2ガスを加えて両反応ガスを供給する。
特許請求の範囲
【請求項1】 半導体基板上に下部電極と窒化シリコン膜からなる絶縁膜と上部電極が積層されてなる容量素子の容量絶縁膜を形成するにあたり、所定の圧力下で少なくとも第1の反応ガスと第2の反応ガスとを混合させてなるガスより形成する膜成長処理の前に、前記所定の圧力よりも高圧力下で第2の反応ガスの供給を停止した状態で第1の反応ガスを供給した後、同高圧力下で第1の反応ガスとともに第2の反応ガスを供給する初期核形成処理を行うことを特徴とする容量絶縁膜の形成方法。
【請求項2】 前記初期核形成処理及び前記膜成長処理により窒化シリコン膜を形成した後、熱酸化処理を行って窒化シリコン膜の表面に酸化膜を形成することを特徴とする請求項1記載の容量絶縁膜の形成方法。
【請求項3】 前記第1の反応ガスはアモンニア(NH3)ガスであり、前記第2の反応ガスはジクロルシラン(SiH2Cl2)ガスであることを特徴とする請求項1または2記載の容量絶縁膜の形成方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体技術さらには容量素子を有する半導体集積回路装置に適用して特に有効な技術に関し、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)のメモリセルにおける容量素子の容量絶縁膜の形成に利用して有用な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、益々高集積化されてきているDRAMの例えば積層形(スタックトキャパシタ形)のメモリセルにおける容量素子の下部電極と上部電極との間に介設される容量絶縁膜には、一般に窒化シリコン膜を熱酸化してその表面に酸化膜を設けた二層構造の薄膜が用いられている。この窒化シリコン膜はステップカバレッジ(段差被覆性)の優れた熱CVD(Chemical Vappor Deposition)法により形成されるが、通常の減圧CVD装置ではその反応炉内にシリコンでできた半導体ウェハを挿入する時に空気が流入し、下部電極が酸化されてその表面に厚い絶縁性の自然酸化膜が形成される。この自然酸化膜が本来の容量絶縁膜である上記二層構造の薄膜とともに厚い容量絶縁膜を構成し、電荷の蓄積容量の減少をもたらす。そこで、自然酸化膜の膜厚を極力薄くするか若しくは零にするため、不活性ガス雰囲気の予備室等を反応炉に連設させて、空気の流入を防ぐようにしたロードロック機構付きのCVD装置の採用が検討されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した技術には、次のような問題のあることが本発明者らによってあきらかとされた。すなわち、窒化シリコン膜の成長速度はシリコン上よりも酸化シリコン上の方が遅いため、上記ロードロック機構付きの装置を用いて窒化シリコン膜を形成すると、図7に示すように、窒化シリコン膜10の膜厚は、ドープトシリコン(高濃度に不純物を導入させてなる多結晶シリコン)からなる下部電極2上の方が厚く、酸化シリコンからなる層間絶縁膜3などの上の方が薄くなる。そのため、酸化シリコン上の窒化シリコン膜10の耐酸化性が十分に得られず、続いて行う熱酸化工程において、ゲート電極などの下層の多結晶シリコン部分4やシリコン基板5が酸化され、電気抵抗の増大などの特性劣化や下部電極2のシリコン基板5からの剥離などの破壊が引き起こされる虞があり、ロードロック機構付きのCVD装置を用いた容量絶縁膜の薄膜化は困難であるというものである。
【0004】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、ロードロック機構付きのCVD装置を用いて、下部電極上の容量絶縁膜となる窒化シリコン膜を十分な電荷の蓄積容量を確保し得る程度の厚さで形成するとともに、それ以外の部分の窒化シリコン膜を十分な耐酸化性を確保し得る程度の厚さで形成することを可能ならしめる容量絶縁膜の形成方法を提供することを主たる目的としている。この発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述及び添附図面から明らかになるであろう。
【0005】
【課題を解決するための手段】本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を説明すれば、下記のとおりである。すなわち、本発明の容量絶縁膜の形成方法においては、容量絶縁膜となる窒化シリコン膜を例えばロードロック機構付きのCVD装置を用いて形成する際に、膜形成工程を初期核形成処理とその後の膜成長処理との二段階に分け、それらの処理を連続して行なうようにした。初めの初期核形成処理は高圧力P1下で先ずNH3ガスのみを供給した後、途中からそれにSiH2Cl2ガスを加えて供給する。後の膜成長処理はP1よりも低い所定の圧力P2下でNH3ガスのみを供給した後、途中からSiH2Cl2ガスを加えて供給する。
【0006】
【作用】上記した手段によれば、ロードロック機構付きのCVD装置を用いることにより、下部電極の表面の自然酸化膜の成長が抑制され、従来の減圧CVD装置(ロードロック機構なし)において約1.8nmもあった自然酸化膜の厚さは0.8nm以下にまで薄くなる。この上に初期核形成処理と膜成長処理を行って窒化シリコン膜及びその酸化膜を十分な電荷の蓄積容量を確保し得る程度の厚さ、例えば窒化シリコン膜を6.0nm及びその酸化膜を1.0nmの厚さで夫々形成すると、酸化シリコン膜に換算して4.8nm(窒化シリコン膜及びその酸化膜を夫々同じ厚さで形成すると、従来の装置では5.54nmである。)の厚さの容量絶縁膜が形成される。この際、膜成長処理の前に初期核形成処理を行うことによって、酸化シリコン上における窒化シリコン膜の成長速度がシリコン上における成長速度に近づくため、酸化シリコン上においても十分な膜厚の窒化シリコン膜が形成され、耐酸化性も確保される。
【0007】
【実施例】以下に、本発明に係る方法により容量素子と選択用MOSFETとからなるメモリセルを有するDRAMを形成した場合の一例及びその結果を併せて記載し、本発明の特徴とするところをより明確にする。本実施例では、図1に示すように、アンモニア(NH3)ガス(第1の反応ガス)及びジクロルシラン(SiH2Cl2)ガス(第2の反応ガス)の反応により生成される窒化シリコン膜10とその表面の酸化膜11とからなる二層構造の容量絶縁膜1を、積層形(スタックトキャパシタ形)メモリセルの容量素子の下部電極2上に形成した。
【0008】図2には、その容量絶縁膜の形成手順の流れが示されている。先ず、例えばロードロック機構付きの減圧CVD装置(特に図には示さない。)の反応炉の初期条件(反応温度や、真空度など)を設定する(ステップS1)。この際、半導体ウェハの表面を酸化させないために、ロードロック機構の予備室を不活性ガス雰囲気にしておき、その中に半導体ウェハを待機させておくのはいうまでもない。
【0009】次に、予備室から反応炉内に半導体ウェハを移動させ、反応ガスを供給して初期核形成処理を行い(ステップS2)、続いて、膜成長処理を行い(ステップS3)、基板全面に窒化シリコン膜10を被着させる。ここまでは、上記ロードロック機構付きの減圧CVD装置において行なう。
【0010】その後、半導体ウェハを熱酸化して(ステップS4)、窒化シリコン膜10の表面に酸化膜11を形成すれば容量絶縁膜1が基板全面に形成される。しかる後に、その不要部分をフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により除去する(ステップS5)。
【0011】図3には、本発明の最も顕著な特徴の一つである初期核形成処理の具体的手順(S20〜S22)及び膜成長処理の具体的手順(S30〜S33)の一例が、図4には、その時の反応炉の圧力の経時変化が、図5には、その時のNH3ガスの流量の経時変化が、図6には、その時のSiH2Cl2ガスの流量の経時変化が、夫々、示されている。上記ステップ1において、反応温度及び反応炉内の圧力を夫々所定値(例えば750℃及び1.0×10-2Pa)に設定した後、先ず、最初にNH3ガスのみを流量R1(例えば900cc/min)で供給する(ステップS20)。この供給開始時刻をT0とする。また、この時の反応炉の圧力は高圧力P1(例えば140Pa以上)である。
【0012】この状態をT0〜T1時間(例えば2分間以上)経過するまで継続させ、時刻T1において、SiH2Cl2ガスを流量R3(例えば45cc/min)で時刻T2至るまで供給する(ステップS21)。T1〜T2時間(例えば30秒間)の間は、流量R1のNH3ガスとSiH2Cl2ガスの両者とも供給している状態で、それらの分圧の和(すなわち反応炉の圧力)はP1のままである。
【0013】この段階(すなわち初期核形成処理)で窒化シリコン膜はシリコン(図1に符号2で示した下部電極など)上で約2.6nm、酸化シリコン(図1に符号3で示した層間絶縁膜など)上で約1.0nm夫々生成する。なお、これらの厚さは一形成条件において得られた結果であり、これよりも厚くてもよいし薄くてもよいが、膜厚の均一性を鑑みれば薄い方がより望ましい。
【0014】続いて、SiH2Cl2ガスの供給を停止し(ステップS22)、NH3ガスのみを時刻T3に至るまで供給する(ステップS30)。T2〜T3時間(例えば2〜3分間)の間は、流量を前記R1よりも少ないR2(例えば600cc/min)にし、反応炉の圧力を前記P1よりも低い所定の圧力P2(例えば60Pa)にする。
【0015】次に、この状態のまま、時刻T3において再びSiH2Cl2ガスの供給を開始し(ステップS31)、T3〜T4時間(例えば1分40秒間)経過させる。この時のSiH2Cl2ガスの流量は前記R3よりも少ないR4(例えば30cc/min)である。また、流量R2のNH3ガスとSiH2Cl2ガスの分圧の和はP2のままである。
【0016】この段階(すなわち膜成長処理)では、窒化シリコン膜はシリコン上で約3.4nm、酸化シリコン上で約3.4nm夫々生成し、先の初期核形成処理における膜厚と合わせてシリコン上で約6.0nm、酸化シリコン上で約4.3nm夫々生成したことになる。初期核形成処理における厚さと同様に、膜成長処理における厚さも一形成条件において得られた結果であり、形成条件を変えることにより異なる厚さの窒化シリコン膜が形成されるのはいうまでもない。
【0017】続いて、時刻T4でSiH2Cl2ガスの供給を停止し(ステップS32)、NH3ガスのみを時刻T5に至るまで供給した後、停止する(ステップS33)。T4〜T5時間(例えば2〜3分間)の間は、NH3ガスの流量は例えばR2のままで、反応炉の圧力はP2若しくはそれよりも低い(図4には低い場合が示されている。)。以上で、窒化シリコン膜の形成が終了する。
【0018】なお、図1中、符号4で示したものはゲート電極などの下層の多結晶シリコン部分、符号5で示したものはシリコン基板、符号6で示したものは上部電極、符号7で示したものは層間絶縁膜、符号8で示したものはアルミニウム配線である。
【0019】以上、詳述したように、本実施例によれば、下部電極2の表面の自然酸化膜の成長が抑制され、従来の減圧CVD装置(ロードロック機構なし)において約1.8nmもあった自然酸化膜の厚さは0.8nm以下にまで薄くなる。この上に初期核形成処理と膜成長処理を行って窒化シリコン膜10を6.0nm及びその酸化膜11を1.0nmの厚さで夫々形成すると、容量絶縁膜1の厚さは酸化シリコン膜に換算して4.8nmとなり、電荷の蓄積容量を十分に確保することができる。この際、膜成長処理の前に初期核形成処理を行うことによって、酸化シリコン上における窒化シリコン膜10の成長速度とシリコン上における成長速度との差が小さくなり、酸化シリコン上においても十分な膜厚の窒化シリコン膜10が形成され、耐酸化性も確保される。従って、ロードロック機構付きのCVD装置を用いた容量絶縁膜の薄膜化を達成することができる。また、従来の減圧CVD装置(ロードロック機構なし)において約1.8nmの厚さの自然酸化膜上に上記実施例と夫々同じ厚さで窒化シリコン膜及びその酸化膜の二層を形成すると、容量絶縁膜の厚さは酸化シリコン膜に換算して5.54nmとなり、これに比べて上記実施例においてはその厚さが0.74nm薄くなる。従って、DRAMの高集積化が可能になるだけでなく、容量絶縁膜1が薄くなることによって、下部電極2の厚さを半減させることができるので、下部電極2の形成過程における異物の発生が抑えられるだけでなく、エッチングによる下部電極2の加工や後工程における平坦化などが容易になるなど、製造上の効果も大きい。
【0020】以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、初期核形成処理時における反応炉の圧力が膜成長処理における圧力よりも高ければ、反応温度、各ステップにおける所用時間、各ガスの流量、反応炉の圧力などの各条件を種々変化させてもよいのはいうまでもなく、それら種々の条件に応じた膜厚あるいは特性の容量絶縁膜が形成される。また、ステップS1で反応炉の初期条件を設定した後、ステップS20でNH3ガスのみを供給する前に、SiH2Cl2ガスのみを供給するステップを設けてもよい。この時のSiH2Cl2ガスの流量と反応炉の圧力は夫々、例えば45cc/minと60Pa程度であり、例えば5秒間程度行えばよい。その後、上記実施例と同様(S20〜S33)に窒化シリコン膜を形成しても同様の効果が得られる。 さらに、反応ガスも2種類に限らず3種類以上でもよいし、反応ガス種も上記実施例のものに限らない。さらにまた、容量絶縁膜は上記窒化シリコン膜とその酸化膜とからなる2層構造のものに限らない。
【0021】以上の説明では主として本発明者によってなされた発明をその背景となった利用分野であるDRAMのメモリセルに適用した場合について説明したが、この発明はそれに限定されるものではなく、容量素子を必要とする半導体装置全て、さらには異なる物質が連なってなる半導体基板の表面上に均一な厚さの膜を気相成長させる場合に利用することができる。
【0022】
【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば下記のとおりである。すなわち、容量絶縁膜の薄い容量素子を形成することができるので、小さな面積で容量値の大きな素子が得られ、DRAMの蓄積容量に適用すればDRAMの高集積化が可能になる。また、容量絶縁膜が薄くなることによって、下部電極の厚さを半減させることができるので、下部電極の形成過程における異物の発生が抑えられるだけでなく、エッチングによる下部電極の加工や後工程における平坦化などが容易になるなど、製造上の効果も大きい。




 

 


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