JP2666572B2 - Method for forming polycrystalline silicon film - Google Patents
Method for forming polycrystalline silicon filmInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスにおける
キャパシタの電極用等に用いる多結晶シリコンの形成方
法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming polycrystalline silicon for use as an electrode of a capacitor in a semiconductor device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、ＤＲＡＭの高集積化に伴いセルサ
イズは縮小し、キャパシタの面積は小さくなる傾向にあ
る。そこで、十分な容量を確保するため、容量部面積が
大きく、耐α線特性や容量部間の干渉が少ないスタクト
キャパシタやトレンチキャパシタが用いられている。し
かし、６４ＭｂｉｔのＤＲＡＭではセル面積は２μｍ2
以下になると見込まれており、これらの構造を用いたと
しても、容量絶縁膜として厚さ５０Ａ（オングストロー
ム）という極めて薄い酸化膜が要求される。2. Description of the Related Art In recent years, as the integration of DRAMs has increased, the cell size has tended to decrease, and the area of capacitors has tended to decrease. Therefore, in order to secure a sufficient capacitance, a stact capacitor or a trench capacitor having a large capacitance portion area and having little α-ray resistance and little interference between the capacitance portions is used. However, in a 64 Mbit DRAM, the cell area is 2 μm 2
Even if these structures are used, an extremely thin oxide film having a thickness of 50 A (angstrom) is required as a capacitive insulating film.
【０００３】そこで、容量部の面積を増やすことで容量
膜厚を現状維持する方法が提案されている。渡辺らは第
５１回応用物理学会学術講演会予稿集第２分冊５７４頁
の２６ｐ−Ｇ−２（１９９０年）においてＬＰＣＶＤに
おける多結晶シリコン形成温度をある温度範囲で行う
と、アモルファス領域からポリシリコンに変化する境界
で、表面に半円球状のグレインが稠密に成長し、表面積
は他の温度で成長した多結晶シリコンの約２倍になるこ
とを示している。また、上記予稿集６０１頁の２７ａ−
Ｆ−９には同様な表面の半円球状グレインが、真空中の
アモルファスシリコンの形成と基板の加熱によって得ら
れることが示されている。これらの多結晶シリコンをス
タックトキャパシタの電極に適用することにより、厚さ
１００Ａの酸化膜で十分な容量と低いリーク電流値を得
ている。Therefore, a method has been proposed in which the current thickness of the capacitor is maintained by increasing the area of the capacitor. Watanabe et al. Conducted a polycrystalline silicon formation temperature in LPCVD within a certain temperature range in 26p-G-2 (1990), Vol. At the boundary changing to indicate that hemispherical grains grow densely on the surface, and the surface area is about twice that of polycrystalline silicon grown at other temperatures. In addition, 27a-
F-9 shows that similar hemispherical grains on the surface can be obtained by forming amorphous silicon in a vacuum and heating the substrate. By applying these polycrystalline silicon to the electrodes of the stacked capacitor, a sufficient capacity and a low leakage current value can be obtained with an oxide film having a thickness of 100A.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題点】しかしながら、従来
例の前者の渡辺らの方法によると、半円球状のグレイン
が表面上に出現する条件は、成長温度が５４５℃から５
５５℃の僅か１０℃の範囲であり、生産に用いる場合、
ＬＰＣＶＤの温度管理が非常に難しいという問題点があ
った。また、従来例の後者の方法においても、アモルフ
ァスシリコン層の形成後、基板の加熱前の工程で、基板
を大気中に放置することができず、生産に用いる場合、
アモルファスシリコン層の形成と基板の加熱を、真空槽
内で連続的に行わなければならないという制約があっ
た。However, according to the former method of the former, Watanabe et al., The condition under which hemispherical grains appear on the surface is that the growth temperature is from 545 ° C. to 5 ° C.
In the range of only 10 ° C of 55 ° C, when used for production,
There is a problem that the temperature control of LPCVD is very difficult. Also, in the latter method of the conventional example, after the amorphous silicon layer is formed and before the substrate is heated, the substrate cannot be left in the air, and when used for production,
There is a restriction that the formation of the amorphous silicon layer and the heating of the substrate must be performed continuously in a vacuum chamber.
【０００５】本発明の目的は、このような従来の欠点を
除去し、広い形成条件で制御良く表面積の大きな多結晶
シリコン膜を作成する方法を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method for forming a polycrystalline silicon film having a large surface area with good control under a wide range of forming conditions while eliminating such conventional disadvantages.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明は、真空中で基板
上にアモルファスシリコン層を形成し、引き続き真空中
でその表面にプラズマ水素を照射した後、真空中で加熱
し、多結晶化することを特徴とする多結晶シリコン膜の
形成方法である。According to the present invention, an amorphous silicon layer is formed on a substrate in a vacuum, and the surface thereof is irradiated with plasma hydrogen in a vacuum and then heated in a vacuum to polycrystallize. This is a method of forming a polycrystalline silicon film.
【０００７】[0007]
【作用】本発明の原理について説明する。基板上に形成
されたアモルファスシリコン膜を大気中に放置すると、
大気中の酸素によって膜の表面に自然酸化膜が形成され
る。このようなアモルファスシリコン膜を真空中で加熱
しても、その表面の自然酸化膜はアモルファスシリコン
の結晶化温度では蒸発しない。そのため、表面のシリコ
ン原子は拡散することができず、アモルファスシリコン
表面での核形成および核成長が起こらず、半円球構造の
グレインは現れない。このように、多結晶シリコン膜の
表面の形態はアモルファスシリコン表面の清浄性に大き
く依存している。The principle of the present invention will be described. When the amorphous silicon film formed on the substrate is left in the air,
A natural oxide film is formed on the surface of the film by oxygen in the atmosphere. Even if such an amorphous silicon film is heated in a vacuum, the natural oxide film on the surface does not evaporate at the crystallization temperature of the amorphous silicon. Therefore, silicon atoms on the surface cannot diffuse, nucleation and nucleus growth on the amorphous silicon surface do not occur, and no grains having a hemispherical structure appear. As described above, the surface morphology of the polycrystalline silicon film largely depends on the cleanliness of the amorphous silicon surface.
【０００８】これに対し本発明者は、真空中で基板上に
アモルファスシリコン膜を形成した後、引き続き真空中
でその表面にプラズマ水素を照射した基板を、一旦大気
中に取り出した後、再度真空中に戻し加熱することを試
みた。その結果、アモルファスシリコン膜は半円球状の
グレイン持つ多結晶シリコンになることを見出した。On the other hand, the present inventors formed an amorphous silicon film on a substrate in a vacuum, and subsequently took out the substrate whose surface was irradiated with plasma hydrogen in a vacuum, once taken out into the atmosphere, and then vacuumed again. I tried to heat it back in. As a result, they have found that the amorphous silicon film becomes polycrystalline silicon having hemispherical grains.
【０００９】図１を用いてその原理を説明する。図１
（ａ）のように、アモルファスシリコン膜１１の形成直
後に、その表面を大気中にさらすことなくプラズマ水素
１２を照射すると、アモルファスシリコンの表面原子は
水素原子１３によって終端され不活性となり、たとえ大
気中に放置しても自然酸化膜の形成は抑止される。これ
らの水素原子１３は、アモルファスシリコン層１１の結
晶化より低い温度で脱離するため、結晶化に先立って、
清浄表面が形成される。清浄表面上におけるシリコン原
子の拡散速度は極めて速く、アモルファスシリコン表面
において核形成および核成長が起き、図１（ｂ）のよう
な、表面に表面積の大きい半円球状の結晶粒を持った多
結晶シリコン１５が形成される。The principle will be described with reference to FIG. FIG.
As shown in (a), if the surface of the amorphous silicon film 11 is irradiated with plasma hydrogen 12 without exposing the surface to the atmosphere immediately after the formation, the surface atoms of the amorphous silicon are terminated by hydrogen atoms 13 and become inactive. Even if left inside, the formation of a natural oxide film is suppressed. Since these hydrogen atoms 13 are desorbed at a temperature lower than the crystallization of the amorphous silicon layer 11, prior to crystallization,
A clean surface is formed. The diffusion rate of silicon atoms on the clean surface is extremely high, nucleation and nucleation occur on the amorphous silicon surface, and polycrystals having hemispherical crystal grains with a large surface area as shown in FIG. Silicon 15 is formed.
【００１０】[0010]
【実施例】本発明の実施例について具体的に図１を用い
て説明する。ここでは４０ｃｃの電子銃を備えたＭＢＥ
装置を用いてアモルファスシリコン層の形成および基板
の加熱を行った。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIG. Here, MBE equipped with 40cc electron gun
An amorphous silicon layer was formed and the substrate was heated using the apparatus.
【００１１】試料ウエハは、表面上に熱酸化によって厚
さ２０００Ａの酸化膜（アモルファス絶縁膜（１４）を
形成した４インチのｎ型シリコン（００１）基板を用い
た。基板温度室温にて、電子銃式シリコン蒸着器から７
Ａ／ｓのシリコン分子線を照射し、酸化膜１４上に厚さ
２０００Ａのアモルファスシリコン層１１を形成した。
さらにその基板を大気中に取り出す前に電子サイクロト
ロン共鳴セルより発したプラズマ水素１２を表面に１０
秒間照射した。その後大気中で１０時間放置した後、再
度真空槽内において６５０℃で１０分間加熱し、アモル
ファスシリコン層を多結晶化させ多結晶シリコン１５を
形成した。The sample wafer used was a 4-inch n-type silicon (001) substrate having a 2000-A thick oxide film (amorphous insulating film (14)) formed on its surface by thermal oxidation. 7 from gun type silicon evaporator
The amorphous silicon layer 11 having a thickness of 2000 A was formed on the oxide film 14 by irradiating an A / s silicon molecular beam.
Before taking out the substrate into the atmosphere, plasma hydrogen 12 emitted from the electron cyclotron resonance cell
Irradiated for seconds. Thereafter, the substrate was left in the air for 10 hours, and then heated again at 650 ° C. for 10 minutes in a vacuum chamber to polycrystallize the amorphous silicon layer to form polycrystalline silicon 15.
【００１２】上記サンプルが結晶化したかどうかの判断
は、高速反射電子線回折によるその場観察で行った。ま
た形成したサンプルを断面透過電子顕微鏡観察によって
評価した結果、サンプル表面は半円球状の凹凸表面構造
を呈しており、本発明の効果を確認した。The determination as to whether or not the sample had crystallized was made by in-situ observation by high-speed reflection electron beam diffraction. In addition, as a result of evaluating the formed sample by cross-sectional transmission electron microscope observation, the sample surface exhibited a semi-spherical uneven surface structure, confirming the effect of the present invention.
【００１３】さらに、このようにして形成した多結晶シ
リコン上に厚さ１００Ａの酸化膜を形成し、キャパシタ
を作製してその容量を測定した。図２はアモルファスシ
リコン堆積後の加熱温度と容量の関係を、本発明の実施
例の場合と、本発明に従わず大気中に出した後真空中で
加熱し形成した場合とを比較したものである。本発明に
従って形成した多結晶シリコン膜では、基板の加熱によ
って、加熱温度の広い範囲に渡り、約２倍以上の容量が
得られた。これは、本発明に従って多結晶化したサンプ
ルにおいて、多結晶化が終了するまで大気中にさらさな
かったアモルファスシリコン表面の清浄性と同程度の清
浄性が、保存されていたことを意味している。一方、本
発明に従わず一度大気中に出したサンプルの場合は、基
板を真空中で加熱しても容量は増えず、ほぼアモルファ
スシリコン形成直後と同じである。これより、本発明
が、大気に放置したアモルファスシリコン膜に対しも、
そのキャパシタの容量を増加させるために極めて有効で
あることが確認できた。Further, an oxide film having a thickness of 100 A was formed on the polycrystalline silicon thus formed, a capacitor was fabricated, and the capacitance was measured. FIG. 2 shows the relationship between the heating temperature and the capacity after the deposition of amorphous silicon, comparing the case of the embodiment of the present invention with the case of heating and forming in the vacuum after being exposed to the atmosphere without following the present invention. is there. In the polycrystalline silicon film formed according to the present invention, the capacity of about twice or more was obtained by heating the substrate over a wide range of the heating temperature. This means that in the polycrystallized sample according to the present invention, the same degree of cleanliness as that of the amorphous silicon surface that was not exposed to the air until the polycrystallization was completed was preserved. . On the other hand, in the case of the sample once put in the air without following the present invention, the capacity does not increase even if the substrate is heated in vacuum, which is almost the same as immediately after the formation of amorphous silicon. Thus, the present invention is applicable to an amorphous silicon film left in the air.
It was confirmed that it was extremely effective for increasing the capacitance of the capacitor.
【００１４】なお、本実施例では、シリコンウエハを対
象としたが、本発明の方法は表面にのみシリコンが存在
するＳＯＳ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｓａｐｐｈｉｒ
ｅ）基板や、さらに一般にＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏ
ｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等にも当然利用できる。
さらに、本実施例ではＭＢＥ装置内で電子銃式シリコン
蒸着装置を用いてアモルファスシリコン層の形成を行っ
たが、ガスソースＭＢＥ、ＬＰＣＶＤ、スパッターで形
成したアモルファスシリコン層でも同様の効果が確認さ
れた。Although the present embodiment is directed to a silicon wafer, the method of the present invention employs an SOS (Silicon on Sapphir) in which silicon exists only on the surface.
e) Substrate and more generally SOI (Silicon O)
Naturally, it can also be used for an n-insulator substrate.
Further, in this example, the amorphous silicon layer was formed using the electron gun type silicon vapor deposition apparatus in the MBE apparatus, but the same effect was confirmed also in the amorphous silicon layer formed by gas source MBE, LPCVD, and sputtering. .
【００１５】[0015]
【発明の効果】以上詳細に述べた通り、本発明によれ
ば、一旦大気中に放置したアモルファスシリコン膜に対
しても、その表面に半円球状の凹凸を形成することがで
きる。すなわち、特定の温度条件によらず、かつ真空中
でのアモルファスシリコン層の形成と加熱を連続的な工
程に限定することなく、独立な工程として遂行すること
が可能となる。それによって、広い作製条件下で、容量
の大きいキャパシタの蓄電電極を作製することができ
る。As described above in detail, according to the present invention, semi-spherical irregularities can be formed on the surface of an amorphous silicon film once left in the air. That is, it is possible to perform the formation and heating of the amorphous silicon layer in a vacuum in independent steps without depending on the specific temperature conditions and without limiting the formation and heating to continuous steps. Thus, a storage electrode of a capacitor having a large capacity can be manufactured under a wide range of manufacturing conditions.
【図１】本発明を説明するための概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the present invention.
【図２】アモルファスシリコン堆積後の加熱温度と容量
との関係を各形成条件において比較した図である。FIG. 2 is a diagram comparing the relationship between the heating temperature and the capacity after the deposition of amorphous silicon under various forming conditions.
１１ アモルファスシリコン １２ プラズマ水素 １３ 水素原子 １４ アモルファス絶縁膜（酸化膜） １５ 多結晶シリコン Reference Signs List 11 amorphous silicon 12 plasma hydrogen 13 hydrogen atom 14 amorphous insulating film (oxide film) 15 polycrystalline silicon
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 27/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Agency reference number FI Technical indication location H01L 27/04
Claims (1)
層を形成する工程と、引き続き真空中で、その表面にプ
ラズマ水素を照射する工程と、真空中で加熱し多結晶化
する工程とを有することを特徴とする多結晶シリコン膜
の形成方法。A step of forming an amorphous silicon layer on a substrate in a vacuum, a step of continuously irradiating the surface with plasma hydrogen in a vacuum, and a step of heating and polycrystallizing in a vacuum. Forming a polycrystalline silicon film.
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