JPH04286151A - 多結晶シリコン膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体デバイスにおける
キャパシタの電極等に用いる多結晶シリコンの形成方法
に関する。

【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ック
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２μｍ
２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５０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。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。渡辺らは特願平２−７２４６２号明細書
で、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、辰巳は特願平２
−２４９１５号明細書で、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を示している。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１００オングストロームの酸化膜で十分な
容量と低いリーク電流値を得ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、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５５５℃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、辰巳
の方法においても、アモルファスシリコン層の形成後、
基板の加熱前の行程で、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。

【０００４】本発明の目的は、このような従来の欠点を
除去し、広い形成条件で表面積の大きな多結晶シリコン
膜を形成する方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の多結晶シリコン
膜の形成方法は、真空中で基板上にアモルファスシリコ
ン層を形成した後、その表面を真空中でイオンスパッタ
リングし、引き続き真空中で加熱し、多結晶化すること
を特徴とする。

【０００６】

【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。また、表面の汚染不純物をブランソン洗浄液によっ
て除去する際、同様に表面に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、結果的に辰巳の方法で示すようなア
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。

【０００７】これに対し本発明者は、基板上にアモルフ
ァスシリコン膜を形成した後、一旦大気中に取り出され
た基板を再度真空中に戻し、真空中でアモルファスシリ
コン膜の表面をイオンスパッタリングした後、基板を加
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を持つ多結晶シリコンになるこ
とを見出した。

【０００８】これは、以下の原理に基づいている。すな
わち、図１（ａ）に示すように、アモルファス絶縁膜１
４上の、表面に酸化膜１１が形成されたアモルファスシ
リコン膜１２を、真空中で加熱する直前に、同一の真空
槽内において、イオン１３でスパッタリングし、物理的
に表面の自然酸化膜を除去し、再度清浄表面を形成する
ことに基づいている。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。

【０００９】

【実施例】本発明の実施例について具体的に説明する。 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。試料ウエハは、表面上に熱酸化によって厚さ２０
００オングストロームの酸化膜を形成した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オングストローム／ｓ
のシリコン分子線を照射し、酸化膜上に厚さ２０００オ
ングストロームのアモルファスシリコン層を形成した。 その基板を大気中に取り出し１５時間放置した後、再度
真空槽内において、加速電圧３ｋＶのイオン銃でアルゴ
ンイオンを２０秒間表面に照射し、その後引き続き同一
の真空槽で、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た。

【００１０】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。形
成したサンプルは、断面透過電子顕微鏡観察によって評
価した。

【００１１】上記サンプルの断面透過電子顕微鏡観察の
結果、サンプル表面は半円球状の凹凸構造を呈しており
、本発明の効果を確認した。

【００１２】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１００オングストロームの酸化膜を形成
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
、本発明に従って形成した場合と、加熱前に大気中に出
して本発明に従わず真空中で加熱し形成した場合、さら
には辰巳の方法に従って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わたり、
辰巳の方法と同程度の約２倍の容量が得られた。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、一度大気に出し、本
発明に従わなかったサンプルの場合は、基板を加熱して
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。これにより、本発明が、一度大気中に放置
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。

【００１３】なお、本発明では、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　　
ｏｎ　　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等においても当然利
用できる。また、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。さらに今回は、アモルファスシリコン層
表面の酸化膜として、自然酸化膜の場合について述べた
が、それ以外に熱酸化膜，ブランソン酸化膜，およびプ
ラズマ酸素による酸化膜でも同様な効果が確認された。

【００１４】

【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行程
に限定することなく、独立な行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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を説明するための図である。

【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。

【符号の説明】

１１　　酸化膜 １２　　アモルファスシリコン膜 １３　　イオン １４　　アモルファス絶縁膜 １５　　多結晶シリコン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空中で基板上にアモルファスシリコン層
   を形成した後、その表面を真空中でイオンスパッタリン
   グし、引き続き真空中で加熱し、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。