JP2000058878A - 半導体素子のキャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

半導体素子のキャパシタ及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 優れた高誘電膜特性と安定性を有する新しい
高誘電膜を用いた半導体素子のキャパシタを提供する。 【解決手段】 下部電極230、誘電膜及び上部電極2
50からなる半導体素子のキャパシタを製造する方法で
あって、半導体基板200の上部に下部電極230を形
成する段階と、タンタルエトキシドガスをタンタルと酸
素のソースとして、アンモニアガスを窒素のソースとし
てそれぞれ用いる化学気相蒸着工程を適用して下部電極
230上に誘電膜のタンタル窒化酸化膜240を形成す
る段階と、タンタル窒化酸化膜上に上部電極250を形
成する段階とを備える。

Description

【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
シタ及びその製造方法に係り、特にタンタル室化酸化膜
TaONを誘電膜として用いた高誘電キャパシタ及びそ
の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、半導体素子の高集積化に伴って素
子の寸法が小さくなり、使用電源電圧が低くなっている
ため、従来のキャパシタ構造及び形成方法では所望の静
電容量と信頼性を得にくくなっている。半導体素子の集
積度を高めるために平面上でその面積を縮小する必要が
あるが、これにより、キャパシタの場合は電極の表面積
が小さくなり且つ静電容量も減少する。また、電源電圧
も素子の高集積化に伴って低くなっているので、キャパ
シタに蓄えられる電荷量はさらに減少する。これを解決
するために、キャパシタ電極の構造を改造して表面積を
広くし、誘電率の高い物質を誘電膜として使用すること
が好ましい。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところが、半導体素子
のキャパシタ用誘電膜として従来より用いられてきたシ
リコン窒化膜及びシリコン酸化膜の複合層(NO誘電膜
ともいう)は、キャパシタ用電極の表面積を増加させる
ために半球形シリコンを用いたとしても、現在半導体素
子で要求される高誘電率を充足させることができないの
が実状である。その理由はシリコン窒化膜とシリコン酸
化膜の誘電率がそれぞれ7と3.5で、低い値しか有し
ないからである。
【0004】一方、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜
の複合層がもつ低誘電率の短所を補完するために、最
近、高誘電膜材料として採用されて用いられるタンタル
酸化膜Ta25は比較的高い値である25程度の誘電率
をもつ。しかし、タンタル酸化膜内の酸素が欠乏する現
象がよく現れるため、誘電率が低下し漏れ電流が大きく
増加して所望の電気的特性を満たせない場合が多いとい
う問題がある。なお、上部電極として普通用いられる多
結晶シリコンや金属窒化膜などとの界面特性が悪く、ま
た、高い固有応力(intrinsic stress)状態にあるため電
気的特性も悪く、改善点が多く残っている状態である。
【0005】通常、このようなタンタル酸化膜を用いた
半導体素子のキャパシタは以下のような工程によって製
造される。
【0006】まず、キャパシタ形成の前工程を経た半導
体基板上に下部電極を形成する。その後、タンタル供給
源としてのタンタルエトキシドTa(OC255を酸
素雰囲気中で熱分解してタンタル酸化膜を下部電極上に
形成する。そして、形成されたタンタル酸化膜内に存在
する酸素空隙(oxygen vacancy)を除去するために、紫外
線(UV)−O3後処理用ベーキング工程を行うか、
2、N2OもしくはO3ガスを用いた酸素雰囲気中で熱
処理を行う。その後、化学気相蒸着工程或いはスパッタ
リング工程を用いてタンタル酸化膜上に上部電極を形成
する。
【0007】しかし、このような方法によって半導体素
子のキャパシタを製造する場合には次の問題点がある。
【0008】第1、タンタル酸化膜を蒸着する時、残留
ガスや副産物などによって酸素欠乏が深化してキャパシ
タの漏れ電流が増加する。
【0009】第2、酸素雰囲気及び800℃以上の温度
で熱処理をすると、ガスがオーバフローされて非晶質の
タンタル酸化膜が柱状(columnar)構造に結晶化される。
この時、結晶粒界に沿って酸素が速く拡散し、下部電極
として多結晶シリコンを用いる場合に多結晶シリコン層
とタンタル酸化膜との間にシリコン窒化酸化膜SiON
が厚く形成されてキャパシタ全体の静電容量を減少させ
る原因となる。
【0010】第3、上部電極としてチタン窒化膜TiN
を使用する場合には、500℃前後の温度でタンタル酸
化膜とチタン窒化膜との界面反応が生じてタンタル酸化
膜内の酸素がチタン窒化膜へ移動するので、酸素欠損が
加重される。
【0011】従って、本発明の目的は、既存のシリコン
窒化膜及びシリコン酸化膜の複合層やタンタル酸化膜と
は異なり、優れた高誘電膜特性と安定性を有する新しい
高誘電膜を用いた半導体素子のキャパシタを提供するこ
とにある。
【0012】本発明の他の目的は、前記新しい高誘電膜
を用いた半導体素子のキャパシタを製造する方法を提供
することにある。
【0013】本発明の更に他の目的は、上・下部電極と
の界面異質感が少なく、酸素空隙による漏れ電流問題が
ない半導体素子のキャパシタを製造する方法を提供する
ことにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の半導体素子のキャパシタは、高誘電膜とし
てタンタル窒化酸化膜を用いることを特徴とする。この
時、タンタル窒化酸化膜は10〜500Åの範囲内の厚
さで形成されることが好ましい。
【0015】前記他の目的を達成するために、本発明の
半導体素子のキャパシタ製造方法は、誘電膜としてタン
タル窒化酸化膜を用いるためにタンタルエトキシドガス
をタンタルと酸素のソースとして、アンモニアガスを窒
素のソースとしてそれぞれ使用する化学気相蒸着工程を
適用して下部電極上にタンタル窒化酸化膜を形成する
が、工程条件を次のように選択することを特徴とする。
【0016】即ち、タンタルエトキシドガスを0.01
sccm〜1slmの範囲内の流動度(flow rate)で、
アンモニアガスを10sccm〜10slmの範囲内の
流動度でそれぞれ供給し、ベース圧力を1×10-3To
rr以下で、蒸着圧力を1mTorr〜100Torr
の範囲内で、蒸着温度を150〜900℃の範囲内でそ
れぞれ設定する。
【0017】この時、反応ガスの分解を助けるために、
水素ガスをさらに添加してもよい。或いは、前記タンタ
ルエトキシドガスの分解を助けるためにプラズマ処理を
さらに行うが、プラズマパワーを10W〜3kWの範囲
内で設定してもよい。
【0018】
【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好ましい実施の形態(以下、実施形態という)につい
て説明する。
【0019】図1は本発明の実施形態によって半導体素
子のキャパシタを製造する工程を示す図である。
【0020】まず、半導体基板上へのキャパシタ形成の
前工程を行う(S10)。その結果物上に多結晶シリコ
ン下部電極を形成する(S20)。多結晶シリコンは電
極の役割を果たせるように導電性を持たせる。その後、
多結晶シリコン下部電極の上に誘電膜としてのタンタル
窒化酸化膜を形成する(S30)。S30ではタンタル
エトキシドガスをタンタルと酸素のソースとして、アン
モニアガスを窒素のソースとしてそれぞれ用いる化学気
相蒸着工程が適用される。タンタルエトキシドは常温で
液状であり、分子量が406.26g/molであり、
沸点が0.1mmHgの圧力で140℃である物性を有
する。本実施形態では下部電極の形成された半導体基板
を化学気相蒸着装備の反応器内に装着し、タンタルエト
キシド及びアンモニアガスを反応ガスとして、本発明に
係る誘電膜であるタンタル窒化酸化膜を10〜500Å
の範囲の厚さで蒸着した。化学気相蒸着工程では、タン
タルエトキシドガスを0.01sccm〜1slmの範
囲内の流動度で、アンモニアを10sccm〜10sl
mの範囲内の流動度でそれぞれ供給し、ベース圧力を1
×10-3Torr以下で、蒸着圧力は1mTorr〜1
00Torrの範囲内で、蒸着温度を150〜900℃
の範囲内でそれぞれ設定した。この時、反応ガスの分解
を助けるために、水素ガスをさらに添加してもよい。本
実施形態では水素ガスを添加する代わりに、水素プラズ
マ処理をさらに行ったが、この時のプラズマパワーを1
0W〜3kWの範囲内で、水素ガスの流動度を10sc
cm〜10slmの範囲内でそれぞれ設定した。タンタ
ル窒化酸化膜の蒸着が完了すると、その上にタンタル窒
化膜などの上部電極を形成する(S40)。上部電極の
形成後にはフォトリソグラフィ及びエッチング工程を適
用して半導体素子のキャパシタ製造を完了する(S5
0)。
【0021】図2から図4には、本実施形態に係る製造
方法により、キャパシタを形成する工程が示される。
【0022】図2によれば、絶縁層210をトランジス
タ構造(図示せず)の形成されたシリコン基板200上
に形成する。また、絶縁層210内にコンタクトホール
220を形成し、基板200の表面を露出させている。
コンタクトホール220の形成後は、コンタクトホール
220の表面にある自然酸化膜をエッチングによって除
去する。その後、コンタクトホール220を充填するた
めに絶縁層210上にポリシリコン層を蒸着し、エッチ
ングによりポリシリコン下部電極230を形成する。
【0023】次に、図3に示すように、上述した化学気
相蒸着工程を用いてポリシリコン下部電極230上にタ
ンタル窒化酸化膜240を形成する。このタンタル窒化
酸化膜240の厚さは、前述のように10〜500Åの
範囲とする。この蒸着工程においては、タンタルエトキ
シドガスとアンモニアガスをソースガスとして用いる。
蒸着工程中に、図3に矢印で示したように水素プラズマ
処理を行う。
【0024】その後、図4に示すように、通常の上部電
極形成工程によって上部電極250を形成してキャパシ
タを完成する。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、高誘電膜材料として従
来用いられていたシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の
複合層やタンタル酸化膜の代わりにタンタル窒化酸化膜
を使用したため、高誘電特性を満足し且つ優れた電気的
特性をもったキャパシタを製造することができる。特
に、タンタル窒化酸化膜が高誘電率と高い熱安定性を有
するので、上・下部電極との界面異質性が小さく、酸素
空隙による漏れ電流の問題がないキャパシタを形成する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方
法の工程図である。
【図2】 本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方
法によってキャパシタを形成する工程を示す断面図であ
る。
【図3】 本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方
法によってキャパシタを形成する工程を示す断面図であ
る。
【図4】 本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方
法によってキャパシタを形成する工程を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
200 基板、210 絶縁層、220 コンタクトホ
ール、230 ポリシリコン下部電極、240 タンタ
ル窒化酸化膜、250 上部電極。
フロントページの続き (72)発明者 キ バム キム 大韓民国 ソウル 151−767 クワナクク シンリム10ドン ククサンジャン アパ ート 102−1503

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の上部に形成された下部電極
    と、 前記下部電極上に誘電膜として形成されたタンタル窒化
    酸化膜とを含む半導体素子のキャパシタ。
  2. 【請求項2】 前記タンタル窒化酸化膜が10〜500
    Åの範囲内の厚さであることを特徴とする請求項1記載
    の半導体素子のキャパシタ。
  3. 【請求項3】 下部電極、誘電膜及び上部電極からなる
    半導体素子のキャパシタを製造する方法において、 半導体基板の上部に下部電極を形成する段階と、 タンタルエトキシドガスをタンタルと酸素のソースとし
    て、アンモニアガスを窒素のソースとしてそれぞれ用い
    る化学気相蒸着工程を適用して前記下部電極上に誘電膜
    のタンタル窒化酸化膜を形成するが、前記タンタルエト
    キシドガスを0.01sccm〜1slmの範囲内の流
    動度で、アンモニアガスを10sccm〜10slm範
    囲内の流動度でそれぞれ供給し、ベース圧力を1×10
    -3Torr以下で、蒸着圧力を1mTorr〜100T
    orrの範囲内で、蒸着温度を150〜900℃の範囲
    内でそれぞれ設定して蒸着工程を行う段階と、 前記タンタル窒化酸化膜上に上部電極を形成する段階と
    を備える半導体素子のキャパシタ製造方法。
  4. 【請求項4】 前記タンタル窒化酸化膜を形成する段階
    において、反応ガスの分解を助けるために水素ガスをさ
    らに添加することを特徴とする請求項3記載の半導体素
    子のキャパシタ製造方法。
  5. 【請求項5】 前記タンタル窒化酸化膜の形成段階にお
    いて、前記タンタルエトキシドガスの分解を助けるため
    にプラズマ処理をさらに行うが、プラズマパワーを10
    W〜3kW範囲内で設定することを特徴とする請求項3
    記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
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