JP4387096B2 - 半導体集積回路の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路の製造方法に関し、特にその過程で用いられる窒化膜の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体集積回路の製造、特にその過程における窒化膜の形成の例が以下の特許文献1乃至4に記載されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−284693号公報(段落0036、図4)
【特許文献2】
特開平2−16763号公報(第(3)頁左上欄第6乃至10行、第1図)
【特許文献3】
特開平7−297182号公報(段落0016、0028乃至0031、図4)
【特許文献4】
特開平7−283213号公報(段落0019乃至0021)
【0004】
従来の製造方法では、まず、シリコン基板に素子分離領域を形成し、ソース・ドレインとなる拡散層領域及びシリコン窒化膜で覆われたゲート電極を形成することによりMОSFETを形成する。そして、これらを覆うように第1のBPSG膜を形成し、所定の位置にコンタクトホールを形成して、このコンタクトホールをリンをドープしたポリシリコンで埋めてコンタクトプラグを形成し、次に、それらの上に第2のBPSG膜を堆積し、キャパシタを形成する所定の位置にホールを形成し、次に、下部電極となる、リンをドープしたポリシリコン膜を堆積し、これをレジストなどの保護膜で覆い、エッチバックなどにより保護膜と共に第2のBPSG膜上面上のポリシリコン膜を除去し、ホール内の保護膜をアッシャーで除去し、ホールの内壁と底にのみポリシリコンを残す。この残ったポリシリコン膜が下部電極となる。
【0005】
次に、前洗浄を施した後、減圧CVD(LP−CVD)炉を用い、ポリシリコン下部電極の表面に極薄の(15〜20Å程度の)熱窒化膜を形成し、CVD法によりシリコン窒化膜をポリシリコン下部電極上に所定のキャパシタ絶縁膜の膜厚が得られるよう堆積する。そして、ウエット雰囲気でヒーリング酸化を行い、キャパシタ絶縁膜の膜質改善を行う。最後に、上部電極となる、リンをドープしたポリシリコンを堆積し、所定のパターニングを施してキャパシタが形成される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の方法では、熱窒化膜を第2のBPSG上に形成する場合、BPSG上ではインキュベーションが発生し、シリコン窒化膜堆積開始が下部電極のポリシリコン膜上よりも遅れ、最終的なシリコン窒化膜の膜厚がポリシリコン膜上よりも薄くなってしまい、そのため、後のウエット雰囲気でのヒーリング酸化において、下部電極やコンタクトプラグが酸化してしまい、所望の特性を持つキャパシタが形成できなくなってしまうという問題があった。
【0007】
本発明は上記の課題を解決するためのものであって、ポリシリコンで形成された下部電極やコンタクトプラグの酸化を防ぐことができる半導体集積回路の製造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体集積回路の製造方法は、
シリコン基板に拡散領域及びゲート電極を形成してMОSFETを形成する工程と、
上記シリコン基板及び上記ゲート電極を覆うように、第1のBPSG膜を形成する工程と、
上記第1のBPSG膜内に第1のホールを形成し、この第1のホール内に、上記拡散領域に接続されたコンタクトプラグを、ポリシリコンにより形成する工程と、
上記第1のBPSG膜及び上記コンタクトプラグの上に第2のBPSG膜を形成する工程と、
上記第2のBPSG膜内に、上記コンタクトプラグの上面が露出されるように第2のホールを形成する工程と、
第1のポリシリコン膜を上記第2のホール内及び上記第2のBPSG膜の上面上に形成する工程と、
上記第1のポリシリコン膜を保護膜で覆う工程と、
上記第2のBPSG膜の上面上の上記第1のポリシリコン膜及びその上の上記保護膜を除去して上記第2のBPSG膜の上面を露出する一方、上記第2のホール内部に上記第1のポリシリコン膜及び上記保護膜を残す工程と、
上記露出された第2のBPSG膜の上面から、イオン注入により窒素を打ち込み、上記第2のBPSG膜の表面近傍に窒化層を形成する工程と、
上記第2のホール内の上記保護膜を除去する工程と、
上記第1のポリシリコン膜及び上記第2のBPSG膜の上に窒化膜を形成する工程と、
ウエット雰囲気でヒーリング酸化を行う工程と、
上記窒化膜の上に第2のポリシリコン膜を形成する工程と
を有し、
上記窒化膜を形成する工程が、減圧CVD炉でNH 3 雰囲気で加熱することにより、上記第1のポリシリコン膜の表面に第1の窒化膜を形成する工程と、上記第1の窒化膜の上に、CVD法によりシリコン窒化膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
第1の実施の形態
以下、図1(a)乃至図3(c)を参照して、本実施の形態の製造方法を説明する。これらの図は、第1の実施の形態の製造方法の各工程における、半導体集積回路の一例としてのDRAMのメモリセル部の断面を示したものである。
【0010】
まず、図1(a)に示すように、シリコン(Si)基板10にSTI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域11を形成し、さらに、素子分離領域11に隣接し、ドレインとなる拡散領域12、及びソースとなる拡散領域13を形成し、さらに、ゲート絶縁膜14及びゲート電極15を形成し、さらに窒化膜で保護キャップ16及びサイドウォールスペーサ17を形成することにより、MOSFETを形成する。ゲート電極15はワード線を兼ねるものである。
【0011】
次に、シリコン基板10及びゲート電極15(及びそのサイドウォールスペーサ17、保護キャップ16)を覆うように、BPSG(borophosphosilicate glass)を堆積して第1のBPSG膜18を形成し、BPSGフローにより膜を緻密化し、CMP(chemical mechanical polishing)で平坦化する。その後、拡散領域13へのコンタクトを取るためのコンタクトホールを形成し、リンをドープしたポリシリコンを堆積することで、コンタクトホールを埋め込みコンタクトプラグ20、21を形成する。このうち、ドレインとなる拡散領域12に接続されるコンタクトプラグ20は、後にキャパシタの下部電極に接続されるものであり、ソースとなる拡散領域13に接続されるコンタクトプラグ21は、後にビットラインに接続されるものである。コンタクトプラグ20、21の表面は、エッチバック又はCMPで平坦にされる。
【0012】
次に、図1(b)に示すように、第1のBPSG膜18及びコンタクトプラグ20、21の上にBPSGを堆積して、キャパシタの下部電極の土台となる第2のBPSG膜22を形成する。
堆積は常圧CVD法で行われ、その条件として、例えば加熱温度が約400℃とされ、ソースガスの流量が、N2/O3/TEOS/TMP/TEB=18/7.5/3.0/1.80/1.70(SLM)とされる。ここで、「TEOS」は、テトラエチルオルトシリケート(tetraethylorthosilicate)、「TMP」は、トリメチルフォスフェート(trimethylphosphate)、「TEB」は、トリエチルボロン(triethyl boron)をそれぞれ意味する。
次に、BPSGフローで膜の緻密化を行う。
【0013】
次に、図1(c)に示すように、BPSG膜22の、キャパシタを形成する所定の位置にホール23を形成する。ホール23の形成により、コンタクトプラグ20の上面が露出される。
【0014】
次に、図1(d)に示すように、ホール23内部(側面及び底面)、並びに第2のBPSG膜22の上面上に、CVDによりリンをドープしたポリシリコンを堆積して、ポリシリコン膜24を形成する。このポリシリコン膜24の一部が後に下部電極として用いられるものであり、ポリシリコン膜24は、ホール23内(底面)において、プラグ20と接触し、電気的に接続される。
【0015】
次に、図2(a)に示すように、ホール23内のポリシリコン膜24の内側、及びホール23外のポリシリコン膜24の上に、レジストまたはBARC(bottom anti-reflective coating)から成る有機系保護膜26を形成し、これにより、ポリシリコン膜24を保護する。
【0016】
次に、図2(b)に示すように、エッチバックまたはCMPで保護膜26と共に、第2のBPSG膜22上面上のポリシリコン24を除去する。
【0017】
このエッチバック又はCMPにより、図2(b)に示すように、BPSG膜22中に形成したホール23内にのみ、ポリシリコン膜24と保護膜26とが残り、第2のBPSG膜22の上面が露出される。
【0018】
次に、図2(c)に示すように、上記のようにして露出したBPSG膜22の上面からN2 +またはN+のイオン注入により、窒素を打ち込み、BPSG膜22の表面近傍に窒化層22aを形成する。
イオン注入の条件として、例えば加速エネルギーが約10keV以下、ドーズ量が約1E15〜1E17/cm2が用いられる。
【0019】
次に、図3(a)に示すように、ホール23内の保護膜26をアッシャーで除去する。この処理の後にホール内に残されたポリシリコン膜24が後にキャパシタの下部電極となる。
尚、下部電極24の表面積を増加させ、これによりキャパシタの容量増加を図るために、ホール内のポリシリコン膜24をHSG(Hemispherical Grain)化又は粗面化(粗面ポリシリコンの堆積)することとしても良い。
【0020】
次に、図3(b)に示すように、前洗浄を施した後、減圧CVD(LP−CVD)炉を用いNH3雰囲気で加熱による窒化を行う。その条件として、例えば処理温度が約800℃〜850℃、ソースガスがNH3、その流量が約2000sccm、圧力が約533Pa(4Torr)、処理時間が約20〜30分とされる。この窒化により、ポリシリコン下部電極24の上面上に極薄の熱窒化膜29を形成する。この熱窒化膜29の厚さは例えば約15〜20Åとする。
【0021】
次に、上記熱窒化膜29の形成に続いて、同じ炉内で、この熱窒化膜29の上にCVD法によりシリコン窒化膜30を堆積する。
CVD条件として、例えば基板温度が約690℃とされ、ソースガスの流量がSiH2Cl2/NH3=30/150(sccm)、圧力が約20Pa(0.15Torr)とされる。このCVDにより形成したシリコン窒化膜30と、先に形成した熱窒化膜29との組み合わせで構成される窒化膜32が、キャパシタ絶縁膜となるものであり、その厚さが所定の値、例えば約40Åとなるように、CVDが行なわれる。
【0022】
次に、ウエット雰囲気で約850℃のヒーリング酸化を行い、キャパシタ絶縁膜32の膜質改善を行う。
【0023】
次に、図3(c)に示すように、上部電極となる、リンを5E20/cm3ドープしたポリシリコン膜34を堆積し、所定のパターニングを施す。これによりキャパシタが形成される。
【0024】
なお、ソースとなる拡散領域13に接続されたコンタクトプラグをビット線(図示しない)に接続する工程なども行われるが、それらについては説明を省略する。
【0025】
以上のように、第1の実施の形態によれば、第2のBPSG膜22の表面付近に窒素をイオン注入により打ち込むので、表面付近に窒化層22aが形成される。そのため、後にシリコン窒化膜を減圧CVDにより形成する際のインキュベーション発生が抑制されるので、下部電極24上と同等の膜厚のシリコン窒化膜がBPSG膜22上にも形成できる(図3(b))。そのため、その後のヒーリング酸化でも十分な耐酸化性が得られ、内部への酸化種の進入を防ぎ、下部電極24及びコンタクトプラグ20の酸化が防止でき、所望の特性のキャパシタを得ることができる。
【0026】
第2の実施の形態
次に、図4(a)乃至図5(d)を参照して、第2の実施の形態を説明する。これらの図は、第2の実施の形態の製造方法の各工程における、半導体集積回路の一例としてのDRAMのメモリセル部の断面を示したものである
【0027】
最初の図4(a)のステップは、第1の実施の形態について、図1(a)を参照して説明したのと同じである。即ち、まず、図4(a)に示すように、シリコン(Si)基板10にSTI(Shallow Trench Isolation)による素子分離領域11を形成し、さらに、素子分離領域11に隣接し、ドレインとなる拡散領域12、及びソースとなる拡散領域13を形成し、さらに、ゲート絶縁膜14及びゲート電極15を形成し、さらに窒化膜で保護キャップ16及びサイドウォールスペーサ17を形成することにより、MOSFETを形成する。ゲート電極15はワード線を兼ねるものである。
【0028】
次に、シリコン基板10及びゲート電極15(及びそのサイドワールスペーサ17、保護キャップ16)を覆うように、BPSG(borophosphosilicate glass)を堆積して第1のBPSG膜18を形成し、BPSGフローにより膜を緻密化し、CMP(chemical mechanical polishing)で平坦化する。その後、拡散領域13へのコンタクトを取るためのコンタクトホールを形成し、リンをドープしたポリシリコンを堆積することで、コンタクトホールを埋め込みコンタクトプラグ20、21を形成する。このうち、ドレインとなる拡散領域12に接続されるコンタクトプラグ20は、後にキャパシタの下部電極に接続されるものであり、ソースとなる拡散領域13に接続されるコンタクトプラグ21は、後にビットラインに接続されるものである。コンタクトプラグ20、21の表面は、エッチバック又はCMPで平坦にされる。
【0029】
図4(a)のステップの次に、図4(b)に示すように第1のBPSG膜18及びコンタクトプラグ20、21の上にBPSGを堆積して、キャパシタの下部電極の土台となる第2のBPSG膜122を形成する。
堆積は常圧CVD法で行われ、その条件として、例えば加熱温度が約400℃とされ、ソースガスの流量が、N2/O3/TEOS/TMP/TEB=18/7.5/3.0/1.80/1.70(SLM)とされる。
但し、成膜時間のうちの最後の約10%の時間は、ボロンの供給源であるTEBの供給を断つ。これにより表面付近(122a)のボロン濃度が低いBPSG層122が形成できる。
次に、BPSGフローにより膜を緻密化する。
【0030】
これ以降のステップは、概して第1の実施の形態と同様である。但し、第1の実施の形態における図2(c)の処理、即ちイオン注入による窒化層22aの形成は行なわない。
【0031】
即ち、まず、図4(c)に示すように、BPSG膜122の、キャパシタを形成する所定の位置にホール23を形成する。ホール23の形成により、コンタクトプラグ20の上面が露出される。
【0032】
次に、図4(d)に示すように、ホール23内部(側面及び底面)、並びに第2のBPSG膜22の上面上に、CVDによりリンをドープしたポリシリコンを堆積して、ポリシリコン膜24を形成する。このポリシリコン膜24の一部が後に下部電極として用いられるものであり、ポリシリコン膜24は、ホール23内(底面)において、プラグ20と接触し、電気的に接続される。
【0033】
次に、図5(a)に示すように、ホール23内のポリシリコン膜24の内側、及びホール23外のポリシリコン膜24の上に、レジストまたはBARC(bottom anti-reflective coating)から成る有機系保護膜26を形成し、これにより、ポリシリコン膜24を保護する。
【0034】
次に、図5(b)に示すように、エッチバックまたはCMPで保護膜26と共に、第2のBPSG膜22上面上のポリシリコン24を除去し、さらに、ホール23内の保護膜26をアッシャーで除去する。これらの処理の後、ホール内に残されたポリシリコン膜24が後にキャパシタの下部電極となる。また、第2のBPSG膜22上面上のポリシリコン24を除去する結果、第2のBPSG膜22の上面が露出される。
尚、下部電極24の表面積を増加させ、これによりキャパシタの容量増加を図るために、ホール内のポリシリコン膜24をHSG(Hemispherical Grain)化又は粗面化(粗面ポリシリコンの堆積)することとしても良い。
【0035】
次に、図5(c)に示すように、前洗浄を施した後、減圧CVD(LP−CVD)炉を用いNH3雰囲気で加熱による窒化を行う。その条件として、例えば処理温度が約800℃〜850℃、ソースガスがNH3、その流量が約2000sccm、圧力が約533Pa(4Torr)、処理時間が約20〜30分とされる。この窒化により、ポリシリコン下部電極24aの上面上に極薄の熱窒化膜29を形成する。この熱窒化膜29の厚さは例えば約15〜20Åとする。
【0036】
次に、上記熱窒化膜29の形成に続いて、同じ炉内で、この熱窒化膜29の上にCVD法によりシリコン窒化膜30を堆積する。
CVD条件として、例えば基板温度が約690℃とされ、ソースガスの流量がSiH2Cl2/NH3=30/150(sccm)、圧力が約20Pa(0.15Torr)とされる。このCVDにより形成したシリコン窒化膜30と、先に形成した熱窒化膜29との組み合わせで構成される窒化膜32が、キャパシタ絶縁膜32となるものであり、その厚さが所定の値、例えば約40Åとなるように、CVDが行なわれる。
【0037】
次に、ウエット雰囲気で約850℃のヒーリング酸化を行い、キャパシタ絶縁膜32の膜質改善を行う。
【0038】
次に、図5(d)に示すように、上部電極となる、リンをドープしたポリシリコン膜34を堆積し、所定のパターニングを施す。これによりキャパシタが形成される。
【0039】
なお、ソースとなる拡散領域13に接続されたコンタクトプラグをビット線(図示しない)に接続する工程なども行われるが、それらについては説明を省略する。
【0040】
以上のように、第2の実施の形態によれば、BPSG122成膜の最終段階で、ボロンのソースガスTEBの供給を断つので、BPSG膜122の表面層122aのボロン濃度が低下する。このことによって、後にシリコン窒化膜を減圧CVDにより形成する際のインキュベーション発生が抑制されるので、下部電極24上と同等の膜厚のシリコン窒化膜がBPSG膜122上にも形成できる(図5(c))。そのため、その後のヒーリング酸化でも十分な耐酸化性が得られ、内部への酸化種の進入を防ぎ、下部電極24及びコンタクトプラグ20の酸化が防止でき、所望の特性のキャパシタを得ることができる。
【0041】
なお、上記の実施の形態では、シリコン窒化膜32の膜厚が40Åであり、好ましい範囲は、約30Å〜60Åであるが、それ以外の値であっても本発明を適用できる。
【0042】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、下部電極やプラグの酸化を防止することができ、所望の特性を持つキャパシタを備えた集積回路を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態による半導体集積回路の製造方法の各工程における断面図である。
【図2】 第1の実施の形態による半導体集積回路の製造方法の各工程における断面図である。
【図3】 第1の実施の形態による半導体集積回路の製造方法の各工程における断面図である。
【図4】 本発明の第2の実施の形態による半導体集積回路の製造方法の各工程における断面図である。
【図5】 第2の実施の形態による半導体集積回路の製造方法の各工程における断面図である。
【符号の説明】
15 ゲート電極、 20 コンタクトプラグ、 22 BPSG膜、 22a 窒化層、 24 下部電極、 32 窒化膜、 122 BPSG膜、 122a BPSG膜の表面層。
Claims (6)
- シリコン基板に拡散領域及びゲート電極を形成してMОSFETを形成する工程と、
上記シリコン基板及び上記ゲート電極を覆うように、第1のBPSG膜を形成する工程と、
上記第1のBPSG膜内に第1のホールを形成し、この第1のホール内に、上記拡散領域に接続されたコンタクトプラグを、ポリシリコンにより形成する工程と、
上記第1のBPSG膜及び上記コンタクトプラグの上に第2のBPSG膜を形成する工程と、
上記第2のBPSG膜内に、上記コンタクトプラグの上面が露出されるように第2のホールを形成する工程と、
第1のポリシリコン膜を上記第2のホール内及び上記第2のBPSG膜の上面上に形成する工程と、
上記第1のポリシリコン膜を保護膜で覆う工程と、
上記第2のBPSG膜の上面上の上記第1のポリシリコン膜及びその上の上記保護膜を除去して上記第2のBPSG膜の上面を露出する一方、上記第2のホール内部に上記第1のポリシリコン膜及び上記保護膜を残す工程と、
上記露出された第2のBPSG膜の上面から、イオン注入により窒素を打ち込み、上記第2のBPSG膜の表面近傍に窒化層を形成する工程と、
上記第2のホール内の上記保護膜を除去する工程と、
上記第1のポリシリコン膜及び上記第2のBPSG膜の上に窒化膜を形成する工程と、
ウエット雰囲気でヒーリング酸化を行う工程と、
上記窒化膜の上に第2のポリシリコン膜を形成する工程と
を有し、
上記窒化膜を形成する工程が、減圧CVD炉でNH 3 雰囲気で加熱することにより、上記第1のポリシリコン膜の表面に第1の窒化膜を形成する工程と、上記第1の窒化膜の上に、CVD法によりシリコン窒化膜を形成する工程とを有する
ことを特徴とする半導体集積回路の製造方法。 - 上記窒化層の形成のためのイオン注入が、加速エネルギー約10keV以下、ドーズ量約1E15〜1E17/cm2で行なわれることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の製造方法。
- 上記第2のBPSG膜の上面上の上記保護膜及び上記第1のポリシリコン膜の除去が、エッチバック又はCMPにより行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の製造方法。
- 上記第2のホール内の保護膜の除去がアッシャーで行われることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の製造方法。
- 上記第1のポリシリコン膜を、粗面化またはHSG化させることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の製造方法。
- 上記窒化膜の膜厚が約30Å〜60Åであることを特徴とする請求項1に記載の半導体集積回路の製造方法。
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