(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内外部表面に半球形グレーンが形成されたシリンダ型下部電極と、
このシリンダ型下部電極上に形成された誘電体膜と、
この誘電体膜上に形成された上部電極と、を備え、
前記シリンダ型下部電極の内部表面に形成された半球形グレーンの平均大きさが前記シリンダ型下部電極の外部表面に形成された半球形グレーンの平均大きさより大きい半球形グレーンキャパシタであって、
前記シリンダ型下部電極の外側底面を露出させるアンダカットが形成されて、前記露出した下部電極の外側底面にも前記誘電体膜及び上部電極が形成され、
前記露出した下部電極の外側底面にも半球形グレーンが形成された、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタ。
【請求項２】
表面に半球形グレーンが形成されたスタック型下部電極と、
このスタック型下部電極上に形成された誘電体膜と、
この誘電体膜上に形成された上部電極と、を備え、
前記スタック型下部電極の側面に形成された半球形グレーンの平均大きさが前記スタック型下部電極の上部表面に形成された半球形グレーンの平均大きさより小さい半球形グレーンキャパシタであって、
前記スタック型下部電極の外側底面とこの下部電極に電気的に連結されたコンタクトプラグの一部とを露出させるアンダカットが形成されて、前記露出した部位にも、前記誘電体膜及び上部電極が形成され、
前記露出した下部電極の外側底面およびコンタクトプラグの一部にも、半球形グレーンが形成された、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタ。
【請求項３】
基板上に不純物のドーピング濃度が相異なる少なくとも２以上の非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ型下部電極を形成する段階と、
前記シリンダ型下部電極のシリコン原子を移動させて前記下部電極表面の少なくとも一部に半球形グレーンを成長させる段階と、
前記半球形グレーンが形成された下部電極上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階と、を備え、
前記シリンダ型下部電極をなす２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は、前記シリンダ型下部電極の内部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度が前記シリンダ型下部電極の外部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度より低い、半球形グレーンキャパシタの形成方法であって、
前記シリンダ型下部電極をなす非晶質シリコン層は３層でなり、そのうち中間に位置する非晶質シリコン層のドーピング濃度が最も高い、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタの形成方法。
【請求項４】
基板上に不純物のドーピング濃度が相異なる少なくとも２以上の非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ型下部電極を形成する段階と、
前記シリンダ型下部電極のシリコン原子を移動させて前記下部電極表面の少なくとも一部に半球形グレーンを成長させる段階と、
前記半球形グレーンが形成された下部電極上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階と、を備え、
前記シリンダ型下部電極をなす２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は、前記シリンダ型下部電極の内部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度が前記シリンダ型下部電極の外部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度より低い、半球形グレーンキャパシタの形成方法であって、
前記２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は、シリコンソースガス対比不純物ソースガスの流量を調節することによって、連続的な直線または曲線を描くように、連続的に変化させる、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタの形成方法。
【請求項５】
基板上に不純物のドーピング濃度が相異なる少なくとも２以上の非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ型下部電極を形成する段階と、
前記シリンダ型下部電極のシリコン原子を移動させて前記下部電極表面の少なくとも一部に半球形グレーンを成長させる段階と、
前記半球形グレーンが形成された下部電極上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階と、を備え、
前記シリンダ型下部電極をなす２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は、前記シリンダ型下部電極の内部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度が前記シリンダ型下部電極の外部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度より低い、半球形グレーンキャパシタの形成方法であって、
前記シリンダ型下部電極の外側底面を露出させてアンダカットを形成する段階をさらに備え、
前記半球形グレーンを成長させる段階は、前記露出したシリンダ型下部電極の外側底面にも半球形グレーンを形成する、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタの形成方法。
【請求項６】
基板上に不純物が第１濃度でドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ状の第１下部電極層を形成する段階と、
前記第１下部電極層上に前記第１濃度より低い第２濃度で不純物がドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着して前記第１下部電極層内部をすべて埋める第２下部電極層を形成する段階と、
前記第１及び第２下部電極層のシリコン原子を移動させて前記第１及び第２下部電極層の表面に半球形グレーンを成長させる段階と、
前記半球形グレーンが形成された第１及び第２下部電極層上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階と、を備える半球形グレーンキャパシタの形成方法であって、
前記第１及び第２濃度は、シリコンソースガス対比不純物ソースガスの流量を調節することによって、連続的な直線または曲線を描くように、連続的に変化する、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタの形成方法。
【請求項７】
基板上に不純物が第１濃度でドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ状の第１下部電極層を形成する段階と、
前記第１下部電極層上に前記第１濃度より低い第２濃度で不純物がドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着して前記第１下部電極層内部をすべて埋める第２下部電極層を形成する段階と、
前記第１及び第２下部電極層のシリコン原子を移動させて前記第１及び第２下部電極層の表面に半球形グレーンを成長させる段階と、
前記半球形グレーンが形成された第１及び第２下部電極層上に誘電体膜を形成する段階と、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する段階と、を備える半球形グレーンキャパシタの形成方法であって、
前記シリンダ型第１下部電極層の外側底面を露出させてアンダカットを形成する段階をさらに備え、
前記半球形グレーンを成長させる段階は、前記露出したシリンダ型第１下部電極層の外側底面にも半球形グレーンを形成する、ことを特徴とする半球形グレーンキャパシタの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のキャパシタ及びその形成方法に係り、特に半球形グレーン(ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ  ｇｒａｉｎ、以下ＨＳＧという)キャパシタ及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の集積度が増加するにつれキャパシタが形成される面積も次第に狭くなっている。このように狭い面積上に大きいキャパシタンスを有するキャパシタを形成するために、誘電体膜の薄膜化方法、高い誘電率を有する物質を誘電体膜に利用する方法、電極をシリンダ(ｃｙｌｉｎｄｅｒ)型、フィン(ｆｉｎ)型等に立体化したり電極表面にＨＳＧを成長させて電極の有効表面積を増やす方法などが提案された。
【０００３】
このうち本発明は下部電極表面にＨＳＧを成長させて電極の有効表面積を広げたキャパシタに係り、このようなＨＳＧキャパシタの基本的な構造と形成方法は米国特許第５５９７７５６号等に開示されている。シリコン下部電極上にＨＳＧを成長させる方法としては、非晶質シリコンでなる下部電極を形成した後シラン系ガスをシード(ｓｅｅｄ)ガスとして注入して真空状態においてこのシード周囲にシリコン原子を移動(ｍｉｇｒａｔｉｏｎ)させＨＳＧを成長させたり、不純物がドーピングされた非晶質シリコンを蒸着しながらシーディング(ｓｅｅｄｉｎｇ)作業なく連続してインサイチュ(ｉｎ−ｓｉｔｕ)で適正温度と圧力において表面のシリコン原子を移動させてＨＳＧを成長させる方法が知られている。この際、シードガスの注入時間、流量、温度や、シリコン原子を移動させる時間、温度、圧力は勿論のこと、不純物のドーピング濃度によってシリコン原子の移動速度、量が変わり、結果的に成長するＨＳＧの大きさ、量が変わるようになる。
このような従来の方法により形成したＨＳＧキャパシタの構造が図１ないし図３に示されている。図１ないし図３に示された各ＨＳＧキャパシタは、絶縁層１０中のコンタクトプラグ２０により基板の不純物領域と電気的に連結され、表面の全部または一部にＨＳＧが形成されたキャパシタ下部電極３０，３２，３４と、誘電体膜４０及び上部電極５０で構成されている。このうち図１のキャパシタは最も基本的な単純スタック型下部電極表面にＨＳＧを成長させたものであって、図２のキャパシタは電極の有効表面積をさらに広げるために下部電極をシリンダ型に形成したものである。また、図３のキャパシタはシリンダ型下部電極のシリンダ内部表面にのみＨＳＧを成長させたものであり、これは図１及び図２のキャパシタのように外側にＨＳＧを有すると下部電極間間隔が狭くなれば隣接する下部電極のＨＳＧが相互に連結されるブリッジ(ｂｒｉｄｇｅ)現像が発生するため、これを避けるものであり、しかし外側にＨＳＧがない分だけ電極の有効表面積が減る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、最近は狭い面積において電極の有効表面積広げるためにＨＳＧを形成するシリコン原子の移動量を増やしている(移動量を増やせばＨＳＧの大きさが増加する)。しかしながら、シリンダ型ＨＳＧキャパシタ下部電極を形成するために所定の厚さで非晶質シリコンを蒸着してシリコン原子を最大限多く移動させると、大部分のシリコンが移動してＨＳＧとして成長するので、シリンダ型骨格をなす残っているシリコン層の厚さを所定値に維持するのが難しくなる。その結果、場合によっては骨格をなすシリコン層の厚さが局部的にあまりにも薄くなり洗浄工程中に下部電極が折れたり、ウェハ間または一つのウェハ内部でシリコン原子の移動量が不均一になってその結果ＨＳＧの大きさが不均一になるようになり、ウェハ間または一つのウェハ内部でキャパシタンスが不均一になる問題がある。
また、シリコン原子の移動量が多くなりそれによってＨＳＧの大きさが増えれば増えるほど隣接する下部電極間にブリッジが発生する確率が高まる(図１または図２のキャパシタの場合)。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、大きいキャパシタンスを維持しながら隣接する下部電極間にブリッジが生じない構造のＨＳＧキャパシタ及びその形成方法を提供することを第１の目的とする。
また、本発明はキャパシタンスの均一度が向上したＨＳＧキャパシタ及びその形成方法を提供することを第２の目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＨＳＧキャパシタは、内外部表面にＨＳＧが形成されたシリンダ型下部電極と、このシリンダ型下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極を備え、前記シリンダ型下部電極の内部表面に形成されたＨＳＧの平均大きさが前記シリンダ型下部電極の外部表面に形成されたＨＳＧの平均大きさより大きいことを特徴とする。
【０００７】
また、他の形態によると、本発明によるＨＳＧキャパシタはスタック型としても形成することができる。すなわち、表面にＨＳＧが形成されたスタック型下部電極と、このスタック型下部電極上に形成された誘電体膜と、この誘電体膜上に形成された上部電極とを備え、前記スタック型下部電極の側面に形成されたＨＳＧの平均大きさがスタック型下部電極の上部表面に形成されたＨＳＧの平均大きさより小さいことを特徴とする。
【０００８】
本発明によるキャパシタの形成方法は次のような段階を備えることを特徴とする。すなわち、基板上に不純物のドーピング濃度が相異なる少なくとも２層以上の非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ型下部電極を形成する。続いて、シリンダ型下部電極のシリコン原子を移動させて下部電極表面の少なくとも一部にＨＳＧを成長させる。続いて、ＨＳＧが形成された下部電極上に誘電体膜及び上部電極を順に形成することによってキャパシタを完成させる。
ここで、前記シリンダ型下部電極をなす２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は、シリンダ型下部電極の内部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度がシリンダ型下部電極の外部表面をなす非晶質シリコン層のドーピング濃度より低くする。
また、シリンダ型下部電極をなす非晶質シリコン層を３層にして、そのうち中間層の非晶質シリコン層のドーピング濃度を最も高くすることもできる。
ここで、２以上の非晶質シリコン層のドーピング濃度は各々一定値を有するようにすることができ、あるいは連続して変化する値を有することもできる。
また、シリンダ型下部電極の内部表面にのみＨＳＧを成長させることもでき、内外部表面すべてにＨＳＧを成長させることもできる。
【０００９】
また、他の形態によると、本発明によるキャパシタはスタック型としても形成させることができる。すなわち、基板上に不純物が第１濃度でドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着してシリンダ状の第１下部電極層を形成し、この第１下部電極層上に前記第１濃度より低い第２濃度で不純物がドーピングされた非晶質シリコン層を蒸着して第１下部電極層内部をすべて埋める第２下部電極層を形成する。続いて、第１及び第２下部電極層のシリコン原子を移動させて第１及び第２下部電極層の表面に半球形グレーンを成長させ、その後誘電体膜及び上部電極を順に形成することによってスタック型ＨＳＧキャパシタを形成することができる。
【００１０】
以上のように本発明のＨＳＧキャパシタ及びその形成方法は、下部電極をなすシリコン層を不純物のドーピング濃度が相異なる２以上の層で形成したことに特徴があるが、これは不純物のドーピング濃度が高いほどシリコン原子の移動量が減少してその結果形成されるＨＳＧの大きさが小さくなる現像を利用するためである。すなわち、本発明によると、シリンダ型またはスタック型下部電極を形成するために不純物のドーピング濃度が相異なる２以上の非晶質シリコン層を使用することによって、シリンダ型またはスタック型下部電極の外部表面または側面に形成されるＨＳＧの大きさを小さくして下部電極間ブリッジを防止できる。
また、特にシリンダ状に下部電極を形成した場合に、不純物のドーピング濃度が低い層でシリコン原子の移動が多く起きても、不純物のドーピング濃度が高い層はシリコン原子の移動量が相対的に少なくなるので下部電極の骨格として機能して下部電極の機械的強度を増やし、ウェハ間または一つのウェハ内部で全体的に均一なキャパシタンスを保障する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によるキャパシタ及びその形成方法は、下部電極間の分離状態、ＨＳＧの成長状態及びアンダカットの形成有無等によって多様な変形が可能だが、以下添付図面を参照してその形成方法とその結果形成されたキャパシタの構造に関する本発明の望ましい実施の形態を詳しく説明する。
【００１２】
＜実施の形態１＞
図４ないし図９は本発明の実施の形態１を説明するための図で、シリンダ状の下部電極を有しその内部表面上にのみＨＳＧが形成されたＨＳＧキャパシタを形成する工程及びその結果形成されたＨＳＧキャパシタを示す断面図である。
図４（Ａ）を参照すると、トランジスタなどの下部構造(図示せず)が形成された基板上に層間絶縁膜１００及びエッチング停止膜１２０を順次積層した後、エッチングして、基板の不純物領域とキャパシタ下部電極を電気的に連結するためのコンタクトホールを形成し、次に、ここに導電性物質を積層して化学機械的研磨やエッチバックで平坦化してコンタクトプラグ１１０を形成する。続いて、全面にＰＥ−ＴＥＯＳ(Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ)、ＢＰＳＧ(Ｂｏｒｏｎ  Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ)、ＰＳＧ(Ｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ)またはＵＳＧ(Ｕｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ)のような酸化膜を蒸着した後、この酸化膜をエッチングして、下部電極を形成する領域のエッチング停止膜１２０とコンタクトプラグ１１０を露出することによって電極間絶縁膜パターン１３０を形成する。
【００１３】
ここで、エッチング停止膜１２０は電極間絶縁膜パターン１３０の形成時酸化膜のエッチングを停止させる機能と、後述するアンダカットを形成するための膜として使用される。そこで、エッチング停止膜１２０としては、電極間絶縁膜パターン１３０とエッチング選択比が良い例えばシリコン窒化膜が使用される。
また、エッチング停止膜１２０の積層順序は変えることもできる。すなわち、図４（Ｂ）に示されるように、層間絶縁膜１００にコンタクトホール及びコンタクトプラグ１１０を形成した次に、エッチング停止膜１２０’を積層することもできる。この際は電極間絶縁膜パターン１３０を形成した次に、エッチング停止膜１２０'下に隠れているコンタクトプラグ１１０を露出させるために、電極間絶縁膜パターン１３０をマスクとしてエッチング停止膜１２０’をエッチングする。このようにコンタクトプラグ１１０上にエッチング停止膜１２０’を積層する場合は後述する下部電極のアンダカットを形成することは難しいが、後述するようにこのエッチング停止膜１２０'は高さが高い下部電極を側面で支える役割をして機械的な強度面ではより優れたキャパシタ下部電極を得ることができる。
【００１４】
続いて、図５に示されるように、全面に不純物のドーピング濃度が相対的に高い第１非晶質シリコン層１４０及び不純物のドーピング濃度が相対的に低い第２非晶質シリコン層１５０を順次形成する。このように不純物のドーピング濃度が異なる層を順に形成する理由は、不純物の濃度が高濃度であるシリコン層１４０ではシリコン原子がほぼ移動しなくて成長するＨＳＧの大きさが小さくなる現象と、低濃度であるシリコン層１５０ではシリコン原子が早く移動して成長するＨＳＧの大きさが大きくなる現象を利用するためである。すなわち、第１非晶質シリコン層１４０は以後に下部電極のシリンダ状の骨格をなす外壁層になり、第２非晶質シリコン層１５０はシリンダ状の外壁層の内面に形成されるＨＳＧになるが、このＨＳＧになる第２非晶質シリコン層１５０のシリコン原子がほぼ大部分移動してＨＳＧとして成長しても、第１非晶質シリコン層１４０でシリコン原子の移動がほぼ停止して下部電極の骨格をなすように第１非晶質シリコン層１４０の不純物濃度を高くする。
【００１５】
ここで、前記不純物としては燐(P)またはヒ素(As)イオンを用いることができ、各シリコン層１４０，１５０の蒸着と不純物のドーピングは同時にできる。この際、不純物のドーピング濃度はシリコンソースガス対比不純物ソースガスの流量を調節することによって調節できる。シリコンソースガスとしてはモノシラン(ｍｏｎｏ  ｓｉｌａｎｅ)、ジシラン(ｄｉｓｉｌａｎｅ)、トリシラン(ｔｒｉｓｉｌａｎｅ)、ジクロロシラン(ｄｉｃｈｌｏｒｏ  ｓｉｌａｎｅ)等シラン系ガスを、不純物ソースガスとしてはＰＨ3またはＡｓＨ3ガスを用いることができる。ここで、第１非晶質シリコン層１４０と第２非晶質シリコン層１５０の不純物ドーピング濃度は、隣接する他の下部電極との離隔距離(下部電極間の離隔距離は後述する実施の形態２及び３で特に考慮する要素である)、シリコン原子を移動させる時間、成長させるＨＳＧの大きさなどを考慮して、０．５〜１０．０Ｅ２０原子／ｃｍ3(１．０〜２０．０重量％)程度の範囲で選択する。勿論、この不純物ドーピング濃度はシーディング及びシリコン原子の移動時間や、圧力、温度によって変化できる。また、第１非晶質シリコン層１４０と第２非晶質シリコン層１５０の厚さは所望する素子の集積度や下部電極の高さ、幅等によって決定されるが、本実施の形態では各々２５０〜３００Å程度とした。
また、第１非晶質シリコン層１４０と第２非晶質シリコン層１５０のドーピング濃度は各々一定の濃度になるようにすることもでき、不純物ソースガスの流量を連続的に変化させることによってその濃度プロファイルが連続的な直線または曲線を描くようにすることもできる。
【００１６】
続いて、図６に示されるように、ＨＳＧ１５２を成長させる。このＨＳＧ１５２を成長させる方法は前述したように、第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０が形成されたウェハに対して所定の温度と圧力下でシーディングと移動工程を遂行したり、または第２非晶質シリコン層１５０を蒸着しながらインサイチュで進めることもできる。このようにＨＳＧ１５２を成長させると第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０のシリコン原子は移動してＨＳＧ１５２に成長しながら同時に第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０は結晶化される。
【００１７】
この際特にＨＳＧ１５２の大きさを大きくするために、第２非晶質シリコン層１５０のシリコン原子が大部分移動してＨＳＧ１５２に成長するようにすれば、図６に示されるように、第２非晶質シリコン層１５０のシリコン原子が大部分消尽されてＨＳＧ１５２に成長するので、成長したＨＳＧ１５２の間には第１非晶質シリコン層１４０が露出するようになる。しかし、このように、第２非晶質シリコン層１５０が消尽されてＨＳＧ１５２に成長しても、不純物のドーピング濃度が高い第１非晶質シリコン層１４０ではシリコン原子の移動が少量に制限されるので最小限第１非晶質シリコン層１４０の厚さ程の骨格が維持され、従来技術でのような局部的な厚さ減少が抑制されて結果的にウェハ間または一つのウェハ内部でキャパシタンスの均一度が保障される。
【００１８】
続いて、電極間絶縁膜パターン１３０の上部に形成されたＨＳＧ１５２及び第１非晶質シリコン層１４０を化学機械的研磨やエッチバックなどの方法で除去する。ここで、シリコン層１４０及びＨＳＧ１５２を取り除く時研磨材やエッチングされた粒子などの不純物がシリンダ内部に付着される等の恐れがあるので、段差塗布性が良い例えばフォトレジストでシリンダ内部をすべて充填した後に、電極間絶縁膜パターン１３０が露出されるまで研磨またはエッチバックを遂行し、その後シリンダ内部のフォトレジストを取り除くことが良い。続いて、図７に示すように全面に誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成すると同図に示されたようなキャパシタが完成する。
【００１９】
図７に示された本実施の形態によるキャパシタの下部電極は、不純物のドーピング濃度が高い層１４２がシリンダ状の骨格を形成して、その内面に不純物のドーピング濃度が低い層のシリコン原子が移動して成長されたＨＳＧ１５４が形成されている。また、隣接する下部電極間には電極間絶縁膜パターン１３０が残っていて下部電極間が分離されて、ブリッジが生じるおそれはない。
【００２０】
一方、図８（Ａ）に示されたキャパシタは本実施の形態の変形として、シリンダ状の骨格１４２の外面までも電極の有効表面積に活用できてキャパシタンスがより増大したキャパシタである。図８（Ａ）のキャパシタは、図６の状態で電極間絶縁膜パターン１３０上部に積層されたシリコン層１４０及びＨＳＧ１５２を取り除いた後、直ちに誘電体膜を形成せず、露出した電極間絶縁膜パターン１３０をエッチング停止膜１２０が露出するまでエッチングして取り除いた次に、誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによって得られる。具体的に説明すると、図６の状態で段差塗布性が良い物質、例えばＨＳＱ(Ｈｙｄｒｏ  Ｓｉｌｓｅｓ  Ｑｕｉｏｘａｎｅ)、ＳＯＧ(Ｓｐｉｎ−ＯｎＧｌａｓｓ)、ＰＥ−ＴＥＯＳ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、ＵＳＧなどの酸化膜(望ましくは電極間絶縁膜パターン１３０と同一の物質)でシリンダ内部をすべて充填した後、電極間絶縁膜パターン１３０が露出するまで化学機械的研磨を遂行し、さらにシリンダ内部を充填した酸化膜と露出した電極間絶縁膜パターン１３０を同時に除去する。一方、乾式エッチングによるエッチバックでシリコン層１４０及びＨＳＧ１５２を取り除く時は、酸化膜やシリコン窒化膜などの、シリコン及び電極間絶縁膜パターン１３０とエッチング選択比が良い物質でシリンダ内部をすべて充填した後、電極間絶縁膜パターン１３０が露出するまでエッチバックを遂行し、さらにシリンダ内部を充填した酸化膜または窒化膜を取り除いた次に露出した電極間絶縁膜パターン１３０を除去する。続いて、全面に誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成する。
【００２１】
一方、図８（Ｂ）に示されたキャパシタは図４（Ｂ）のような形態に形成された結果物上に上述した工程を遂行すると得ることができる。図８（Ｂ）に示されたキャパシタは、エッチング停止膜１２０’が下部電極１４２間に介在されて特に下部電極の高さが高い場合下部電極を支える役割をすることにより、機械的な強度面で図８（Ａ）に示されたキャパシタより有利である。
【００２２】
また、図９に示されたキャパシタは本実施の形態の他の変形であり、シリンダ型下部電極の外側底面とコンタクトプラグ１１０の一部が露出したアンダカットが形成されておりキャパシタンスを一層増大させることができる。図９のキャパシタは、図８（Ａ）で示すように電極間絶縁膜パターン１３０を取り除いた後、さらにエッチング停止膜１２０を取り除いた上で誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによって得られる。
【００２３】
また、図７ないし図９のキャパシタはシリンダ型下部電極１４２の上部面が平坦であるが、この上部面上にもＨＳＧを成長させることができる。これはＨＳＧを成長させる段階の順序を変えれば得られる。すなわち図５の状態で直ちにＨＳＧを成長させず、第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０の電極間絶縁膜パターン１３０上部に積層された部分を取り除いて電極間絶縁膜パターン１３０を露出した後ＨＳＧを成長させればよい。
【００２４】
＜実施の形態２＞
図１０ないし図１２は、本発明の実施の形態２によるキャパシタの構造を示す断面図である。本実施の形態のキャパシタは、シリンダ状の下部電極を有する点では前記の実施の形態１と同様であるが、シリンダ状の下部電極の内面のみならず外面にもＨＳＧが形成されている点で電極の有効表面積を一層増やしたキャパシタである。このようにシリンダ型下部電極の外面にもＨＳＧを形成する場合には隣接する下部電極間のブリッジが生じないようにしなければならないが、これは図示されたようにシリンダ型下部電極の外面に形成されたＨＳＧの大きさを相対的に小さくすることにより達成される。図１０ないし図１２のキャパシタを形成する工程は各々次の通りである。
【００２５】
まず、図１０のキャパシタ下部電極は、図５の状態で電極間絶縁膜パターン１３０上に蒸着された第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０を化学機械的研磨やエッチバックで取り除いて電極間絶縁膜パターン１３０を露出させ、その露出した電極間絶縁膜パターン１３０をさらに取り除いた次にＨＳＧを形成することにより得られる。ここで、２つのシリコン層１４０，１５０及び電極間絶縁膜パターン１３０の除去工程は図８（Ａ）に示されたキャパシタの形成工程と同一であるのでその詳細な説明は省略する。このように内外部が露出された第１及び第２非晶質シリコン層１４０，１５０にＨＳＧを成長させると、不純物のドーピング濃度が高い層１４４ではシリコン原子の移動量が少ないので成長するＨＳＧの大きさが小さくなり、不純物のドーピング濃度が低い層１５６はシリコン原子の移動量が多くて大部分がＨＳＧとして成長する。続いて、誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによってキャパシタが完成する。
【００２６】
一方、図示しないが、図４（Ｂ）に示されたような結果物に対して上述したような工程を経れば、図１０に示されたキャパシタの変形として、図８（Ｂ）に示すように下部電極１４２の間にエッチング停止膜１２０’が介在されたキャパシタを形成することもできる。
【００２７】
図１１のキャパシタは本実施の形態の変形であり、シリンダ型下部電極１４４，１５６の外側底面とコンタクトプラグ１１０の一部を露出されるアンダカットが形成されている。図１１のキャパシタは、図１０のキャパシタ下部電極１４４，１５６を形成した後、直ちに誘電体膜を形成せず、エッチング停止膜１２０を取り除いた後、誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによって得られる。
【００２８】
図１２のキャパシタは本実施の形態の他の変形であり、シリンダ型下部電極の外側底面のアンダカットされた部位にもＨＳＧが形成されている。これは、ＨＳＧを形成する段階を、最終的にエッチング停止膜１２０を取り除いてアンダカットを形成した以後に行うことによって得られる。コンタクトプラグ１１２がシリコンで形成されていれば、小さいがその露出した一部にもＨＳＧが形成されることになる。
【００２９】
＜実施の形態３＞
図１３ないし図１５は、本発明の実施の形態３によるキャパシタの構造を示す断面図である。本実施の形態はスタック型ＨＳＧキャパシタに本発明を適用したものである。本実施の形態のキャパシタ下部電極は不純物のドーピング濃度が高いシリンダ状の外壁層１４４とその内部をすべて充填した不純物のドーピング濃度が低いシリコン層１５８でなり、上面と側面にすべてＨＳＧが形成されている。前記の実施の形態２と同様に、シリンダ状の外壁層１４４表面にＨＳＧを形成する場合には隣接する下部電極間のブリッジが生じないようにしなければならないが、これは外壁層１４４の表面に形成されたＨＳＧの大きさを、スタック型下部電極の上面に形成されたＨＳＧの大きさより相対的に小さくすることにより達成される。図１３ないし図１５のキャパシタを形成する工程は各々次の通りである。
【００３０】
まず、図１３のキャパシタを形成するためには、図５の状態で不純物のドーピング濃度が低い第２非晶質シリコンを続けて蒸着して第１非晶質シリコン層１４０のシリンダ内部をすべて埋めるようにする。続いて、電極間絶縁膜パターン１３０上に蒸着された第１及び第２非晶質シリコン層を化学機械的研磨やエッチバックで取り除いて電極間絶縁膜パターン１３０を露出させ、露出した電極間絶縁膜パターン１３０をさらに取り除いた次にＨＳＧを成長させる。この際、不純物のドーピング濃度が高いシリンダ状の外壁層１４４の外面ではシリコン原子の移動量が少ないので成長するＨＳＧの大きさが小さくなり、不純物のドーピング濃度が低い内部層１５８の上面ではシリコン原子の移動量が多くて成長するＨＳＧの大きさが大きくなる。続いて、誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによってキャパシタが完成する。
【００３１】
図１４のキャパシタは本実施の形態の変形であり、シリンダ状の外壁層１４４の外側底面とコンタクトプラグ１１０の一部を露出させるアンダカットが形成されている。図１４のキャパシタは、図１３のキャパシタ下部電極１４４，１５８を形成した後、直ちに誘電体膜を形成せず、エッチング停止膜１２０を取り除いた後、誘電体膜１６０及び上部電極１７０を形成することによって得られる。
【００３２】
図１５のキャパシタは本実施の形態の他の変形であり、シリンダ状の外壁層１４４の外側底面のアンダカットされた部位にもＨＳＧが形成されている。これは、ＨＳＧを形成する段階を、最終的にエッチング停止膜１２０を取り除いてアンダカットを形成した以後に行うことによって得られる。コンタクトプラグ１１２がシリコンで形成されていれば、小さいがその露出した一部にもＨＳＧが形成されることになる。
【００３３】
＜実施の形態４＞
図１６は、本発明の実施の形態４によってキャパシタの下部電極を形成する工程を示す断面図である。本実施の形態のキャパシタの下部電極は不純物のドーピング濃度が相異なる非晶質シリコン層を３層積層して、内外部表面にＨＳＧを成長させて形成した場合である。
まず、図１６（Ａ）に示すように、実施の形態１で図４（Ａ）の状態まで工程を経た基板上に、不純物のドーピング濃度が中間程度である第１非晶質シリコン層１３５、不純物のドーピング濃度が最も高い第２非晶質シリコン層１３９及び不純物のドーピング濃度が最低の第３非晶質シリコン層１５０を順に蒸着する。各非晶質シリコン層１３５，１３９，１５０の厚さは例えば２００Å程度とする。
この際、各層１３５，１３９，１５０のドーピング濃度は図１７に示されるように、各々一定な濃度になるようにすることもでき、不純物ソースガスの流量を連続的に調節することによってその濃度プロファイルが連続的な曲線または直線になるようにすることもできる。
【００３４】
続いて、図１６（Ｂ）に示すように電極間絶縁膜パターン１３０上部に蒸着された非晶質シリコン層１４０'，１５０を除去し、さらに電極間絶縁膜パターン１３０を取り除いてシリンダ型下部電極を相互に分離する。
続いて、図１６（Ｃ）に示すように、シリンダ型下部電極内外部表面にＨＳＧを成長させる。すると、内部表面には相対的に大きいＨＳＧ１５４、外部表面には相対的に小さい、しかし、前述した実施の形態２よりは大きいＨＳＧ１３８を有し、中央にはＨＳＧがほぼ形成されないシリコン層１４２を有する下部電極が形成される。その後、図示しないが、誘電体膜及び上部電極を形成することによってキャパシタが完成する。
【００３５】
このように中央に最も高い濃度のシリコン層１４２を形成し、外側方向には中間濃度のシリコン層１３８を形成すると、前述した実施の形態における効果すなわち、均一なキャパシタンスと機械的安定性を得ながらも相対的に大きいキャパシタンスを得ることができる。
また、図示しないが、本実施の形態においても多様な変形が可能なことは勿論である。例えば、図８（Ｂ）に示されるようにエッチング停止膜１２０’が下部電極間に介在された構造や、図１１及び図１２に示されるようにアンダカットが形成されてアンダカットが形成された下部電極の外側底面にもＨＳＧが形成された構造とすることができる。
【００３６】
＜実施の形態５＞
図１８ないし図２１は、本発明の実施の形態５によりキャパシタの下部電極を形成する工程を示す断面図である。
これを説明すると、図１８に示すように、下部構造(図示せず)上の層間絶縁膜１００上に不純物がドーピングされた多結晶シリコンのような導電性物質でなる導電層１０３を形成し、その上に高温酸化膜(Ｈｉｇｈ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｏｘｉｄｅ)のような絶縁膜１０７を形成する。続いて、キャパシタ下部電極が形成される領域の絶縁膜１０７、導電層１０３及び層間絶縁膜１００を順次にエッチングしてコンタクトホールを形成した後に、基板全面に導電性物質を蒸着し平坦化してコンタクトプラグ１１０を形成する。
続いて、図１９に示すように、基板全面に例えば酸化膜を下部電極の高さほど蒸着した後、コンタクトプラグ１１０上部のみ残して取り除いて電極間絶縁膜パターン１３２を形成する。この際、同一の酸化膜系列である絶縁膜１０７も除去されてエッチング停止膜の役割をする導電層１０３が露出する。
【００３７】
続いて、図２０に示すように、基板全面に不純物のドーピング濃度が最低の非晶質シリコンを蒸着してエッチバックすることによりスペーサ形態の第１非晶質シリコン層２５０を形成する。さらに、同様の方法で不純物のドーピング濃度が最も高いスペーサ形態の第２非晶質シリコン層２４０及び不純物のドーピング濃度が中間程度であるスペーサ形態の第３非晶質シリコン層２３５を順に形成する。
続いて、電極間絶縁膜パターン１３２を除去することによりシリンダ型下部電極を形成し、その後シリンダ型下部電極内外部表面にＨＳＧを成長させることにより図２１に示すような下部電極、すなわち内側に大きいＨＳＧ２５４、外側に小さいＨＳＧ２３７、中間にＨＳＧのないシリコン層２４２を有する下部電極を完成させる。その後、図示しないが誘電体膜及び上部電極を順次形成してキャパシタを完成させる。
【００３８】
本実施の形態のキャパシタも前述した実施の形態４のキャパシタと同様に均一なキャパシタンスと機械的安定性を得ながらも相対的に大きいキャパシタンスを得ることができる。
なお、図２０及び図２１を参照して説明した本実施の形態では不純物のドーピング濃度が相異なる３層の非晶質シリコン層２３５，２４０及び２５０を蒸着したが、前述した実施の形態１及び２と同様に不純物のドーピング濃度が相異なる２層の非晶質シリコン層を蒸着することも可能なことは勿論である。
【００３９】
＜実験例１＞
以上のような本発明によるキャパシタの特性を調べるために従来の方法により形成したキャパシタとその特性を比較した。図２２及び図２３はその結果を示したグラフで、図中本発明によるキャパシタは●で、従来の方法によるキャパシタは◇で示した。
本実験例で本発明によるキャパシタは不純物のドーピング濃度が相異なる非晶質シリコン層を各々２５０Å厚さで蒸着してシリンダ型下部電極を形成してその内面にＨＳＧを成長させた(図７のような形態)。一方、従来の方法によるキャパシタは低濃度の非晶質シリコンのみを５００Å厚さで蒸着してシリンダ型下部電極を形成してその内面にＨＳＧを成長させた。誘電体膜としてはシリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層膜を用い、上部電極は不純物がドーピングされた多結晶シリコンを用いた。具体的な工程条件は次の通りである。
(１)非晶質シリコンの蒸着段階-バッチ(ｂａｔｃｈ)型チャンバで低圧化学気
0003763714.tif 000002
【００４０】
以上のような条件で各々本発明と従来技術によるシリンダ型ＨＳＧキャパシタを形成して、Ｃminすなわち、キャパシタの上部電極に負の電圧を印加した時のキャパシタンスの分布を示した図２２を見れば、本発明によるキャパシタ(●)が従来技術によるキャパシタ(◇)より約２ｆＦ程度大きいことが分かる。これは、本発明の外部骨格をなす不純物のドーピング濃度が高い層の不純物が、後続する熱処理により不純物のドーピング濃度が低い層に拡散されたためである。
また、以上のような条件で形成した本発明と従来技術によるキャパシタのＣmin／Ｃmax比(ＣmaxはＣminと反対に上部電極に正の電圧を印加した時のキャパシタンスであり、Ｃmin／Ｃmax比は大きいほど望ましい）の分布を示した図２３を見れば、やはり本発明によるキャパシタ(●)が従来技術によるキャパシタ(◇)より約４％程度改善されたことが分かる。これは図２２で見たように本発明によるキャパシタのＣmin値が増加したためである。
【００４１】
＜実験例２＞
図２４ないし図２６は、本発明の実施の形態１によって相異なる濃度を有する２層の非晶質シリコン層を蒸着してＨＳＧを成長させた後、シリンダ型下部電極の外部表面を露出して形成したキャパシタ(図８（Ａ）のような形態)に対して、外壁層すなわち不純物のドーピング濃度が高いシリコン層(図５の１４０）の濃度と厚さを変化させながらＣmin値及びＣmin／Ｃmax比を測定した結果を示したグラフである。本実験例では外壁層の濃度と厚さを変化させたことを除外しては実験例１と同一の工程及び条件でキャパシタを形成した。すなわち、外壁層(図５の１４０)と内部ＨＳＧが形成される層(図５の１５０）の全体の厚さは５００Åにして、ＨＳＧが形成される層１５０のドーピング濃度は０．８Ｅ２０原子／ｃｍ3とした。また、シリンダ型下部電極の内径は２００ｎｍとした。
【００４２】
図２４及び図２５は、外壁層の濃度を３．６Ｅ２０原子／ｃｍ3〜５．６Ｅ２０原子／ｃｍ3に変化させながら各々Ｃmin値及びＣmin／Ｃmax比を測定して示したグラフである。この場合に、外壁層とＨＳＧが形成される層の厚さは各々２５０Åとした。図２４及び図２５を参照すると、外壁層の濃度が３．６Ｅ２０原子／ｃｍ3以上の場合その濃度の変化に関係なくＣmin値及びＣmin／Ｃmax比の変化は別にないことが示された。一方、図２４及び図２５において線３００及び３１０は従来の方法すなわち、２．０Ｅ２０原子／ｃｍ3の単一濃度に単層の非晶質シリコン層のみを５００Å厚さに蒸着した後シリンダ内部表面にＨＳＧを形成した場合の各々Ｃmin値及びＣmin／Ｃmax比を示すものであり、本発明によるキャパシタの方が従来の方法に比べて静電容量特性が優秀なことが分かる。
【００４３】
図２６は、外壁層と内部ＨＳＧが形成される層の全体の厚さを５００Åに固定して、外壁層の厚さを１５０〜３５０Åに変化させながら(したがって内部ＨＳＧが形成される層の厚さは反対に３５０〜１５０Åに変化される)Ｃmin値及びＣmin／Ｃmax比を測定して示したグラフである。ここで、外壁層とＨＳＧが形成される層のドーピング濃度は各々４．６Ｅ２０原子／ｃｍ3及び０．８Ｅ２０原子／ｃｍ3に一定にした。図２６から外壁層の厚さが２５０Å以上に増加するとＣmin値及びＣmin／Ｃmax比が急激に減少することが分かる。これは外壁層すなわち高濃度層が厚くなりＨＳＧが形成される層すなわち低濃度層が薄くなることによってＨＳＧ成長時シリコン原子の移動が制限されるためである。
【００４４】
以上の本実験例で外壁層のドーピング濃度及び厚さは、下部電極の全体の厚さが５００Åである場合、４．６Ｅ２０原子／ｃｍ3及び２５０Å程度が適正なことが示された。しかし、これは本実験例の場合のように特殊な場合であり、全体的な大きさや他の工程条件の変化に応じて外壁層のドーピング濃度及び厚さは変化される。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、下部電極として不純物のドーピング濃度が相異なる２以上のシリコン層を蒸着してＨＳＧを成長させることによって、シリンダ型下部電極の内部表面またはスタック型下部電極の上部表面上に形成されるＨＳＧの大きさを大きくして大きいキャパシタンスを維持しながらブリッジを防止できる。
【００４６】
また、不純物のドーピング濃度が高い非晶質シリコン層を置くことによって、高濃度の非晶質シリコン層ではシリコン原子の移動がよく起きないので、不純物のドーピング濃度が低い層のシリコン原子がほぼすべてＨＳＧに成長しても、濃度が高い層ではシリコン原子の移動がほぼ停止して、結果的にウェハ間またはウェハ内のどこでも均一の大きさのＨＳＧが成長されて全体的に均一なキャパシタンスを得ることができる。また、濃度が高い層ではシリコン原子の移動がほぼ停止して局部的な厚さ減少現象が抑制されて機械的な強度面でも優秀になる。
【００４７】
さらに、後続する熱処理工程で不純物のドーピング濃度が高い層から不純物のドーピング濃度が低い層に不純物が拡散されて、キャパシタンスが増加してＣmin／Ｃmax比が改善される効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図２】従来のＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図３】従来のＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図４】本発明の実施の形態１によるＨＳＧキャパシタの構造及びその形成工程を示す断面図。
【図５】本発明の実施の形態１によるＨＳＧキャパシタの構造及びその形成工程を示す断面図。
【図６】本発明の実施の形態１によるＨＳＧキャパシタの構造及びその形成工程を示す断面図。
【図７】本発明の実施の形態１によるＨＳＧキャパシタの構造及びその形成工程を示す断面図。
【図８】本発明の実施の形態１の変形例を示す断面図。
【図９】本発明の実施の形態１の他の変形例を示す断面図。
【図１０】本発明の実施の形態２によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１１】本発明の実施の形態２によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１２】本発明の実施の形態２によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１３】本発明の実施の形態３によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１４】本発明の実施の形態３によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１５】本発明の実施の形態３によるＨＳＧキャパシタの構造を示す断面図。
【図１６】本発明の実施の形態４によるＨＳＧキャパシタの下部電極構造及びその形成工程を示す断面図。
【図１７】本発明の実施の形態４における各非晶質シリコン層のドーピング濃度を示す特性図。
【図１８】本発明の実施の形態５によるＨＳＧキャパシタの下部電極構造及びその形成工程を示す断面図。
【図１９】本発明の実施の形態５によるＨＳＧキャパシタの下部電極構造及びその形成工程を示す断面図。
【図２０】本発明の実施の形態５によるＨＳＧキャパシタの下部電極構造及びその形成工程を示す断面図。
【図２１】本発明の実施の形態５によるＨＳＧキャパシタの下部電極構造及びその形成工程を示す断面図。
【図２２】本発明と従来の方法によって形成したＨＳＧキャパシタのＣmin値を比較して示す特性図。
【図２３】本発明と従来の方法によって形成したＨＳＧキャパシタのＣmin／Ｃmax比を比較して示す特性図。
【図２４】本発明の方法によって形成したＨＳＧキャパシタの外壁層濃度変化に対するＣmin値を示す特性図。
【図２５】本発明の方法によって形成したＨＳＧキャパシタの外壁層濃度変化に対するＣmin／Ｃmax比を示す特性図。
【図２６】本発明の方法によって形成したＨＳＧキャパシタの外壁層厚さ変化に対するＣmin値を示す特性図。
【符号の説明】
１００  層間絶縁膜
１１０  コンタクトプラグ
１２０  エッチング停止膜
１４４  不純物ドーピング濃度が高い層
１５６  不純物ドーピング濃度が低い層
１６０  誘電体膜
１７０  上部電極
【図１】
0003763714.tif 000003
【図２】
0003763714.tif 000004
【図３】
0003763714.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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