JP2002026006A - 半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法 - Google Patents

半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 H2Oベーパーの代わりに酸素を含むアルコー
ル類物質を反応ガスとして、TMA及びMTMA(Modified Tri
Methyl Aluminum)のいずれか一種を用いたアルミニウム
ソースと活性化ガスNH3を互いに異なるラインで同時に
供給してアルミニウム酸化膜を蒸着することにより、均
一で且つカバレージ特性の良い、不純物の少ないアルミ
ニウム酸化膜を形成することができる半導体素子のアル
ミニウム酸化膜形成方法を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る半導体素子のアルミニウム
酸化膜形成方法は、アルミニウムソース及び活性化ガス
を、個別ラインを介して、ウェーハを装着した反応炉へ
同時に供給する第１段階と、未反応アルミニウムソース
を前記反応炉で除去する第２段階と、酸素を含むアルコ
ール類の反応ガス及び活性化ガスを、同一ラインを介し
て前記反応炉へ同時に供給する第３段階と、未反応アル
コール類を前記反応炉で除去する第４段階と、前記第１
乃至第４段階をアルミニウム酸化膜蒸着工程の１サイク
ルとして数回繰り返し行う段階とからなることを特徴と
する。

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アルミ
ニウム酸化膜形成方法に関し、特にALD(Atomic Layer D
eposition)法を用いてアルミニウム酸化膜を形成する半
導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、高集積メモリ素子製造工程中、
キャパシタの誘電体膜としてAl2O3が広く適用されてい
る。
【０００３】ALD法によるアルミニウム酸化膜Al2O3形成
方法は、基板を２００〜４５０℃に維持しつつ、アルミ
ニウム(Ａｌ)ソース物質と酸素(Ｏ)を含む原料物質を交
互に基板の表面に噴射し、原料物質注入途中にパージ(P
urge)過程を挿入して残余ソース物質を除去する過程に
よって薄膜を蒸着する。一般に、アルミニウムソース物
質としてAl(CH3)3(TriMethyl Aluminum;TMA)を酸素反応
ガスとしてベーパー(Vapor)状態のH2Oを使用する。H2O
ベーパーの場合、気化温度以上でも周囲の物質に吸着さ
れる特性が強いため、H2Oベーパーを反応炉に供給し、
長い時間をかけてH2Oベーパーの流れ経路を浄化した
後、H2Oベーパーの供給ラインをヒッティングしなけれ
ば、H2Oベーパーが除去されない。もしH2Oベーパーを供
給ライン(Delivery line)などで完全に除去しなけれ
ば、後続に供給されるアルミニウムソースと反応して寄
生的CVD法によるAl2O3薄膜が形成されるため、ALD法とC
VD法とが混合されて不均一な薄膜が蒸着されてしまう。
【０００４】酸素の原料物質であるH2Oベーパー原料物
質の短所を克服するために、酸素を含む各種のアルコー
ル類を代わりに使用する。しかし、この場合、アルコー
ル類の分子サイズがH2Oベーパーに比べて相当大きいの
で、ALD法による蒸着時に単位サイクル当り薄膜の成長
率(Growth rate)が非常に低下するという短所がある。
また、金属有機原料物質であるTMA及びアルコール類の
原料物質を使用すると、Al2O3薄膜内の炭素が含まれて
薄膜の電気的特性劣化の原因として作用してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、H2
Oベーパーの代わりに酸素を含むアルコール類物質を反
応ガスとして、TMA及びMTMA(Modified TriMethyl Alumi
num)のいずれか一種を用いたアルミニウムソースと活性
化ガスNH3を互いに異なるラインで同時に供給してアル
ミニウム酸化膜を蒸着することにより、均一で且つカバ
レージ特性の良い、不純物の少ないアルミニウム酸化膜
を形成することができる半導体素子のアルミニウム酸化
膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方
法は、アルミニウムソース及び活性化ガスを、個別ライ
ンを介して、ウェーハを装着した反応炉へ同時に供給す
る第１段階と、未反応アルミニウムソースを前記反応炉
で除去する第２段階と、酸素を含むアルコール類の反応
ガス及び活性化ガスを、同一ラインを介して前記反応炉
へ同時に供給する第３段階と、未反応アルコール類を前
記反応炉で除去する第４段階と、前記第１乃至第４段階
をアルミニウム酸化膜蒸着工程の１サイクルとして数回
繰り返し行う段階とからなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、添付図に基づいて本発明の
実施例を詳細に説明する。
【０００８】図１は本発明に係る半導体素子のアルミニ
ウム酸化膜形成方法を説明するために蒸着装備に原料物
質を供給する方式を示す図である。
【０００９】図１を参照すると、ALD法によってアルミ
ニウム酸化膜Al2O3を形成するためには、排出ポンプ７
０、アルミニウムソースを供給するための第１供給ライ
ン４０、活性化ガスを供給するための第２供給ライン５
０及びアルコール類ベーパーを供給するための第３供給
ライン６０を備えた反応炉１０が必要である。アルミニ
ウム酸化膜を蒸着するための条件としてはウェーハ２０
を２００〜４５０℃の温度範囲に維持し、反応炉１０の
圧力は５０〜３００ｍＴｏｒｒの範囲とする。次に、ア
ルミニウム酸化膜を形成する段階について説明する。
【００１０】アルミニウムソース注入段階Ａで第１供給
ライン４０を介してTMA及びMTMA(Modified TMA)のいず
れか一種をアルミニウムソースとして０.１〜３秒間反
応炉１０に注入してウェーハ２０の表面にアルミニウム
ソースを吸着させる。この際、活性化ガスとして２０〜
１０００ｓｃｃｍのNH3ガスを同時に供給するが、アル
ミニウムソースの供給ライン４０を介して一緒に供給す
る場合、供給ライン４０内で寄生的にパーティクル(Par
ticle)が発生するため、これとは異なるライン、即ち第
２供給ライン５０で供給しなければならない。アルミニ
ウムソースはTMAとしてのAl(CH3)3またはMTMAとしての
(CH3)3N(CH2)5CH3を使用する。MTMAは室温では固体、３
０℃以上では液体であり、５０〜１００℃の温度ではベ
ーパー状態になるので、アルミニウムソースとしてMTMA
を使用する場合にはソース容器(source bottle)の温度
を５０〜１００℃の範囲とし、ソース供給ラインの温度
を７０〜１８０℃の範囲とする。
【００１１】第１浄化段階Ｂでは窒素N2ガスを０.１〜
３秒間注入するか、真空パージ(Vacuum purge)を実施し
て、ウェーハ２０に吸着されることなく未反応状態にあ
るアルミニウムソースを排出ポンプ７０で除去する。未
反応状態のアルミニウムソースを除去する理由は後続工
程で注入されるガスとの反応によってパーティクルを形
成することを防止することにある。
【００１２】反応ガス注入段階Ｃでは酸素Ｏ反応ガスと
して酸素を含むアルコール類を利用し、０.１〜３秒間
第３供給ライン６０を介してベーパー状態で反応炉１０
に注入してウェーハ２０の表面に吸着させる。酸素ソー
ス物質として使用するアルコールはメタノール（CH3O
H）、エタノール（C2H5OH）及びイソプロピルアルコー
ル（CH3CH(OH)CH3）のいずれか一種を利用する。この際
も、活性化ガスとして２０〜１０００ｓｃｃｍのNH3ガ
スをアルコール類供給ラインとしての第３供給ライン６
０で同時に供給する。
【００１３】第２浄化段階Ｄでは窒素N2ガスを０.１〜
３秒間注入するか、真空パージを実施して、ウェーハ２
０に吸着されず未反応状態にあるアルコール類を排出ポ
ンプ７０で除去する。
【００１４】前記４つの段階Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤがアルミ
ニウム酸化膜３０を蒸着する１サイクルを成し、サイク
ルを数回繰り返して目標厚さのアルミニウム酸化膜を蒸
着する。
【００１５】前記段階でにおいて、活性化ガスのNH3ガ
ス無しにアルコール類ベーパーのみ供給する場合、H2O
に比べてアルコール類物質の分子サイズが大きいので、
下部のCH3が終端(termination)されているAl−CH3と交
換反応する分子の個数が小さくなるサイクル当りアルミ
ニウム酸化膜のカバレージが減少する。しかし、NH3ガ
スを一緒に供給することにより、アルコール類の配位子
とNH3ガスの水素基とが反応してメタン（CH4）またはエ
タン（C2H5）、プロパン形態で除去され、アルコールの
OHはCH3との交換反応が発生し、AlにOHが終端されてい
るウェーハの表面を形成する。従って、アルコール類と
NH3ガスを同時に流すと、ウェーハの表面で分子サイズ
の大きいアルコール類の分解反応が起こって、サイクル
当りアルミニウム酸化膜の厚さがH2Oに比べて減少する
現象を防ぐことができ、アルミニウム酸化膜内炭素や水
素などの不純物の濃度を減少させることができる。
【００１６】前記段階によって形成されたアルミニウム
酸化膜はゲート誘電体、BSTキャパシタ、Y1キャパシ
タ、PZTキャパシタ、Ru/Ta2O5/Ru TiN/Ta2O5/Ru及びTi
N/Ta2O 5/Ruキャパシタを形成した後、H2防止膜としても
使用する。
【００１７】
【発明の効果】上述したように、本発明は、活性化ガス
を用いたALD法でアルミニウム酸化膜を形成することに
より、薄膜内の不純物が減少して電気的特性の劣化を改
善させる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜
形成方法を説明するために蒸着装備に原料物質を供給す
る方式を示す図である。
【符号の説明】
１０ 反応炉 ２０ ウェーハ ３０ アルミニウム酸化膜 ４０ 第１供給ライン ５０ 第２供給ライン ６０ 第３供給ライン ７０ 排出ポンプ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 アルミニウムソース及び活性化ガスを、
    個別ラインを介して、ウェーハを装着した反応炉へ同時
    に供給する第１段階と、 未反応アルミニウムソースを前記反応炉で除去する第２
    段階と、 酸素を含むアルコール類の反応ガス及び活性化ガスを、
    同一ラインを介して前記反応炉へ同時に供給する第３段
    階と、 未反応アルコール類を前記反応炉で除去する第４段階
    と、 前記第１乃至第４段階をアルミニウム酸化膜蒸着工程の
    １サイクルとして数回繰り返し行う段階とからなること
    を特徴とする半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方
    法。
  2. 【請求項２】 前記反応炉は５０〜３００ｍＴｏｒｒの
    蒸着圧力を維持し、前記ウェーハは２００〜４５０℃の
    温度を維持することを特徴とする請求項１記載の半導体
    素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
  3. 【請求項３】 前記アルミニウムソースはTMA及びMTMA
    のいずれか一種を用いて前記反応炉へ０.１〜３秒間供
    給することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のア
    ルミニウム酸化膜形成方法。
  4. 【請求項４】 前記アルミニウムソースとしてMTMAを使
    用する場合には、アルミニウムソース容器の温度を５０
    〜１００℃とし、アルミニウムソース供給ラインの温度
    を７０〜１８０℃とすることを特徴とする請求項１記載
    の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
  5. 【請求項５】 前記活性化ガスはNH3ガスを用いて０.１
    〜３秒間２０〜１０００ｓｃｃｍの流量で前記反応炉へ
    供給することを特徴とする請求項１記載の半導体素子の
    アルミニウム酸化膜形成方法。
  6. 【請求項６】 前記アルコール類はメタノール(CH3O
    H)、エタノール(C2H5OH)及びイソプロピルアルコール(C
    H3CH(OH)CH3)のいずれか一種を用いて０.１〜３秒間前
    記反応炉へ供給することを特徴とする請求項１記載の半
    導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
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