JP2602808B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製造方法に係わり、たとえば
立体形状を有するシリコン基板上におけるMOSキャパシ
タの製造方法に関する。
〔従来の技術〕
MOSダイナミックメモリ(dRAM)は比例縮小則に従っ
て素子の微細化,高集積化が進められている。dRAMの構
成要素であるMOSキャパシタも例外ではなく、ゲート酸
化膜厚tox及び面積Sの縮小が進んでいる。スケーリン
グ係数をαとすると、ゲート酸化膜厚はtox/αに、面積
はS/αになる。MOSキャパシタの容量Cは誘電率をε
として、C=εS/toxと表わされるため、比例縮小後の
容量C′は、C′=C/αとなり、1/αに小さくなる。こ
うしてMOSキャパシタの容量が小さくなると、アルファ
線飛来によるソフトエラーが起り易くなり、またビット
線の容量との比が小さくなってセンス余裕が小さくなる
結果誤動作を生じる原因になったりする。このため一般
にMOSキャパシタの面積はS/αではなく、S/αの縮小
に止めることが行われていた。しかし世代毎に寸法縮小
は進み、信頼性の高いdRAMを得ることは限界に近付きつ
つある。
MOSキャパシタの容量を大きくする手段として、誘電
率の大きい絶縁膜、例えばTa2O5膜等を用いることも検
討されているが、未だ実用になっていない。また10nm以
下の極めて薄い信頼性の高いシリコン酸化膜の適用が検
討されているが、これも極めて高純度の純水や薬品を必
要とし、また清浄度の高いクリーンルームを必要とす
る、等の理由で実用になっていない。
そこで現在、MOSキャパシタの容量を増大する有力な
方法として、半導体基板表面に溝を掘り、占有面積を増
大させることなく実質的にキャパシタ面積の増大を図る
方法が検討されている。ところがこのような溝を、反応
性イオンエッチング(RIE)のような異方性エッチング
法により垂直の側壁をもって形成すると、次のような問
題が生じる。即ちこの様な溝(凹部)の上部或いは底部
のコーナーの部分(角部)は曲率半径が極めて小さく、
熱酸化によりゲート膜を形成した時、この角部において
平坦部より酸化膜厚が薄くなる。この現象は次のように
説明されている。シリコンを酸化すると、形成される酸
化膜の体積は元のシリコンの約2.3倍になる。このため
酸化が進行すると、シリコン−シリコン酸化膜界面の酸
化膜側では圧縮応力が働き、前述の角部では応力の集中
が起こる結果、酸化が抑制されるものと思われる。
このように溝の底部或いは上部の角部で酸化膜厚が平
坦部より薄くなると、この部分は耐圧が低くなり低い電
界で大きいリーク電流が流れる原因となる。使用電圧で
のリーク電流を十分小さく保つためにゲート酸化膜厚を
厚くすると、平坦部では厚くなりすぎ、溝を掘って面積
を大きくすることによる容量増大の効果が減殺されるこ
とになる。
本発明は、凹部または凸部を形成した半導体基板表面
に均一な厚さの酸化膜、例えばゲート酸化膜を形成し
て、MOSキャパシタ等の信頼性を向上することができ
る。半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、凹部または凸部が形成された半導体基板表
面を一旦フッ素化合物を含んだ酸化雰囲気中にさらし、
前記半導体基板上に熱酸化膜を形成する。しかる後、こ
の熱酸化膜をエッチング除去することによってシリコン
表面の凹部または凸部の形状に丸みをもたせ、その後シ
リコン表面に新たに酸化膜を形成する。
〔作用〕
次に作用について簡単に説明する。
フッ素化合物たとえばNF3ガスを酸化性雰囲気に添加
するとNF3はシリコン表面で熱的に解離し、NF,NF2,Fあ
るいはF2といったフッ素系のラジカルを形成する。フッ
素原子はシリコンに比べ電気陰性度も大きくSi−F結合
の結合エネルギーはSi−Si結合より大きいため、Si表面
ではフッ素化合物の到達によってSiとFが結合した状態
とSiのダングリングボンドの状態を形成する。ダングリ
ングボンドにおいてシリコンは酸素と結合しやすい。ま
たSi−F結合はFの電気陰性度がシリコンよりかなり大
きいためシリコン原子は正に電荷をもったイオン性結合
となっている。このため負のイオンをもつ酸素分子との
結合はより容易になる。
従ってフッ素のシリコン表面への到達はシリコンの酸
化性をより高くし、平均的に酸化における界面反応速度
を大きくする。
例えば700℃で100ppmのNF3を添加した乾燥酸素中でシ
リコン表面を酸化した場合、線形則酸化係数B/Aと放物
線則酸化係数Bはそれぞれ、2.6×10-2μm/hと4.9×10
-4μm2/hであり、同温度の乾燥酸素中での酸化の場合
は、B/A=2.6×10-4μm/h,B=3.6×10-4μm2/hであり、
NF3添加よりB/Aが2桁大きくなっている。これから線形
則領域から放物線則領域への移行の目安となるA値は、
NF3を添加することにより1.4μmから190Åに減少する
ことがわかる。
つまり、NF3を添加した乾燥酸素中の場合、乾燥酸素
中のみで酸化した場合と比べ、より薄い膜厚から拡散律
速による酸化に移行する。
その結果、例えば凸部コーナー部分は、凸部のコーナ
ー部以外の平坦部に比べ応力の作用で酸化膜厚が薄く形
成されるがフッ素の到達によってフッ素化合物を添加し
ない場合に比べより早く拡散律速による酸化に入り、コ
ーナー部分でも平坦部とほぼ均一な膜厚を得ることがで
き、又凹部コーナー部分においては拡散律速による酸化
は逆に抑制されるのでSi/SiO2界面は丸みを帯びた形状
に形成されるものと考えられる。
〔実施例〕
第7図(a)〜(e)は本発明の一実施例としてdRAM
セルの製造工程を示す断面図である。先ず第1図(a)
に示すように、比抵抗10Ω/cm程度のp型Si基板(1)
に、100〜1000nm程度のフィールド酸化膜(2)を形成
する。このフィールド酸化膜(2)は例えば、窒化膜を
マスクとしたLOCOS法、全面に酸化膜を形成してこれを
選択エッチングする方法、或いはフィールド領域に予め
溝を掘ってこの溝に酸化膜の埋め込みを行う方法、等に
より形成する。この後、dRAMセルのMOSキャパシタ領域
内に、第1図(b)に示すように溝(3)を形成する。
この溝(3)は例えば、CF4,SF6,CCl4等を主成分とする
ガス或いはこれにHが入ったガスを用いたRIE法により
形成する。このRIE工程のマスクは通常のフォトレジス
トではそれ自体もエッチングされて消失する場合がある
ので、例えばCVDによるSiO2/Si3N4/SiO2膜等を用いるこ
とが好ましい。
この後、第1図(c)のように800℃で50ppmのNF3
含んだ酸素中30分間で一旦、酸化膜(4)(丸め酸化
膜)を形成し、その後この酸化膜(4)をエッチング除
去する。しかる後、周知の方法により第1図(d)に示
す如く900℃の乾燥酸素中で膜厚15nmのゲート酸化膜
(5)を形成し、さらにその上にゲート電極用リン添加
多結晶シリコン(6)を形成する。
その後第1図(e)に示すように、第1図(d)の多
結晶シリコン(6)をパターニングしてキャパシタ電極
(6′)を形成し、次いでスイッチングMOSFET領域
(9)に新たにゲート酸化膜(5″)を形成し、更にそ
の上にゲート電極(6″)を形成し、ソース,ドレイン
領域のn+形層(7),(8)を形成して、第一図(e)
に示したメモリセルを完成する。
以上のような実施例の効果を次に説明する。上記実施
例に従ってゲート酸化膜が形成された、100000個の溝を
含み且つキャパシタ電極を共通にしたMOSキャパシタ
と、従来用いられている方法で乾燥酸素雰囲気中、900
℃の条件でゲート酸化膜が形成された同様の構造のMOS
キャパシタのリーク電流(ゲート電圧Vg−電流Ig特性)
を比較した。第2図はその比較データである。図から明
らかなように本実施例では、従来方法に比べてリーグ電
流が大幅に低減されている。
こうして本実施例によれば、酸化時に溝の角の部分で
の応力集中をおこすことなく均一な厚さでゲート酸化膜
を形成することができ、MOSキャパシタのリーク電流の
増大をもたらすことなく、ゲート酸化膜厚を小さくして
大きい容量を得ることができる。
なお上記実施例ではNF3添加の酸化は800℃,50ppm,NF3
/O2雰囲気で30分間としたが、その条件は、本実施例に
限定されるものではない。
例えば文献(M.Morita,et.al.appl.Phys.Lett.,Vol.4
5,No.12,P.1312“Fluorine−enhanced thermal oxidati
on of silicon in the presence of NF3"(1984))に
説明されているように酸化膜厚の増加はNF3の添加が微
量の場合、酸化温度が高い程、顕著である。又、NF3
添加量は増加するに従い酸化膜のエッチングも同時に進
行するので、酸化膜厚はNF3添加量に対してほぼ一定に
なる。それ故、NF3添加量と酸化温度をパラメータとし
て所望の酸化膜厚を適宜形成してもよい。
また本実施例ではNF3添加による酸化膜(4)はエッ
チング除去し、その後ゲート酸化膜(5)を新たに形成
したが、NF3添加による酸化膜(4)をそのままゲート
酸化膜として用いることも可能である。
〔発明の効果〕
本発明によれば、凹部または凸部等の立体形状を有す
る半導体基板表面に均一な膜厚のゲート酸化膜を形成す
ることができる。これは本発明の条件に従えば、成長す
る酸化膜中に残存する応力の膜厚方向の積分値のばらつ
き(即ち、凹部や凸部の平坦部と角部での応力の膜厚方
向の積分値の差)が10%程度以下に保たれ、この結果応
力集中が効果的に防止されるためである。従ってこのゲ
ート酸化膜を用いて例えば容量が大きく且つリーク電流
の小さいMOSキャパシタを形成することができる。また
このMOSキャパシタを用いて高集積化dRAMを構成すれ
ば、dRAMのソフトエラーによる誤動作の確率を下げ、ま
たセンスアンプの動作余裕を大きいものとすることがで
きる。
更に一般に、酸化膜中の応力集中の緩和は、酸化雰囲
気中では約950℃以上から顕著となり、それ以下では応
力集中を緩和することは実際上困難となってくる。
しかし本発明においては凸部又は凹部等の立体形状を
有する半導体基板表面を酸化によって丸める(丸め酸
化)際、フッ素化合物を酸化性雰囲気中に添加すること
により、800℃以下の条件でも十分基板表面の立体形状
を丸める効果のある丸め酸化を低温処理にて行なうこと
が可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)〜(e)は本発明の一実施例としてdRAMセ
ルの製造工程を示す断面図、第2図は同実施例の効果を
説明する為のゲート酸化膜のリーク電流特性を従来例と
比較して示す特性図である。 1……p型Si基板、2……フィールド酸化膜、 3……溝、4……丸め酸化膜、 5,5′,5″……ゲート酸化膜、 6……多結晶シリコンゲート電極、 6′,6″……多結晶シリコンゲート電極、 7,8……n+型層。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面がシリコンからなる基板をエッチング
    して該表面に溝を形成する工程と、前記溝の上端の角部
    を含む前記基板表面をフッ素化合物ガスが添加された酸
    化性雰囲気中で熱酸化して熱酸化膜を形成する工程と、
    その後、前記基板表面に素子を形成する工程とを備えた
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記熱酸化膜を形成する工程により、前記
    溝の上端の角部を丸めることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】前記フッ素化合物ガスが添加された酸化性
    雰囲気中で熱酸化膜を形成した後、該熱酸化膜をエッチ
    ング除去し、該熱酸化膜を除去した前記基板表面に所望
    の酸化膜を形成することを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の半導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】前記フッ素化合物ガスはNF3であることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の半導体装置の製
    造方法。
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