JP2002190476A - 誘電体膜の成膜方法 - Google Patents
誘電体膜の成膜方法Info
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Landscapes
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Abstract
(57)【要約】
【課題】高誘電率で低ｔａｎδ、低リーク電流の誘電体
膜を低い成膜温度で成膜する方法を提供する。 【解決手段】基板６に第１層の誘電体の薄膜１０を成膜
後、該第１層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用
いて熱処理し、これに引き続いて該第１層の誘電体膜上
に第２層の誘電体の薄膜１１を成膜する。第２層の誘電
体薄膜の上面に上部電極１２を設けると共に上記第１層
の誘電体薄膜の下面に下部電極９を設け、これらの電極
をＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、又はＳｒＲｕＯ3、或いはこれら
を主成分とする合金から成る薄膜で形成し、該第１層及
び第２層の誘電体薄膜の合計厚さを１０ｎｍ〜１０００
ｎｍとする。誘電体の薄膜をチタン酸系酸化物またはチ
タン酸系酸化物を主成分とする酸化物の薄膜とする。
膜を低い成膜温度で成膜する方法を提供する。 【解決手段】基板６に第１層の誘電体の薄膜１０を成膜
後、該第１層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用
いて熱処理し、これに引き続いて該第１層の誘電体膜上
に第２層の誘電体の薄膜１１を成膜する。第２層の誘電
体薄膜の上面に上部電極１２を設けると共に上記第１層
の誘電体薄膜の下面に下部電極９を設け、これらの電極
をＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、又はＳｒＲｕＯ3、或いはこれら
を主成分とする合金から成る薄膜で形成し、該第１層及
び第２層の誘電体薄膜の合計厚さを１０ｎｍ〜１０００
ｎｍとする。誘電体の薄膜をチタン酸系酸化物またはチ
タン酸系酸化物を主成分とする酸化物の薄膜とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＲＡＭ、システ
ムＬＳＩ、薄膜コンデンサ等に使用される誘電体膜の成
膜方法に関する。
ムＬＳＩ、薄膜コンデンサ等に使用される誘電体膜の成
膜方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の誘電体膜は、図１に示し
たような、カセット室ｇと誘電体膜の成膜室ｈを備えた
装置により、必要な厚さにスパッタリング等で成膜され
るのが一般的であり、例えばＢＳＴ膜（（Ｂａ、Ｓｒ）
ＴｉＯ3-X膜）は、ＲＦスパッタリング法によりＡｒガ
スと酸素ガスの混合ガスをプロセスガスとして使用して
成膜される。ＢＳＴの誘電体膜の成膜例は図２の如くで
あり、シリコン基板ａ上にシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ2
膜）ｂを設け、その上にバリア膜であるＴｉＯ2膜ｃと
下部電極膜のＰｔ膜ｄを順次に形成したのち、誘電体膜
ｅを形成し、更にその上に上部電極のＰｔ膜ｆが形成さ
れる。
たような、カセット室ｇと誘電体膜の成膜室ｈを備えた
装置により、必要な厚さにスパッタリング等で成膜され
るのが一般的であり、例えばＢＳＴ膜（（Ｂａ、Ｓｒ）
ＴｉＯ3-X膜）は、ＲＦスパッタリング法によりＡｒガ
スと酸素ガスの混合ガスをプロセスガスとして使用して
成膜される。ＢＳＴの誘電体膜の成膜例は図２の如くで
あり、シリコン基板ａ上にシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ2
膜）ｂを設け、その上にバリア膜であるＴｉＯ2膜ｃと
下部電極膜のＰｔ膜ｄを順次に形成したのち、誘電体膜
ｅを形成し、更にその上に上部電極のＰｔ膜ｆが形成さ
れる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の誘電体膜の成膜
方法では、下部電極のＰｔ膜ｄと誘電体膜ｅとの界面に
酸素欠損やアモルファス膜が形成されて成膜された誘電
体膜ｅの誘電率が下がり、ｔａｎδやリーク電流を増加
させるという不都合があった。この不都合は、誘電体膜
ｅを高温成膜することで解決はできるが、基板ａの耐熱
性の点から無制限に基板温度を高くすることはできな
い。
方法では、下部電極のＰｔ膜ｄと誘電体膜ｅとの界面に
酸素欠損やアモルファス膜が形成されて成膜された誘電
体膜ｅの誘電率が下がり、ｔａｎδやリーク電流を増加
させるという不都合があった。この不都合は、誘電体膜
ｅを高温成膜することで解決はできるが、基板ａの耐熱
性の点から無制限に基板温度を高くすることはできな
い。
【０００４】本発明は、高誘電率で低ｔａｎδ、低リー
ク電流の誘電体膜を低い成膜温度で成膜する方法を提供
することを目的とするものである。
ク電流の誘電体膜を低い成膜温度で成膜する方法を提供
することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明では、基板に第１
層の誘電体の薄膜を成膜後、該第１層の誘電体膜を酸素
を主成分とするガスを用いて熱処理し、これに引き続い
て該第１層の誘電体膜上に第２層の誘電体の薄膜を成膜
することにより、上記の目的を達成するようにした。該
第２層の誘電体薄膜の上面に上部電極を設けると共に該
第１層の誘電体薄膜の下面に下部電極を設け、これらの
電極をＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、又はＳｒＲｕＯ3、或いはこ
れらを主成分とする合金から成る薄膜で形成し、該第１
層及び第２層の誘電体薄膜の合計厚さを１０ｎｍ〜１０
００ｎｍとすることで、上記目的を的確に達成できる。
該誘電体の薄膜には、チタン酸系酸化物またはチタン酸
系酸化物を主成分とする酸化物の薄膜が適している。
層の誘電体の薄膜を成膜後、該第１層の誘電体膜を酸素
を主成分とするガスを用いて熱処理し、これに引き続い
て該第１層の誘電体膜上に第２層の誘電体の薄膜を成膜
することにより、上記の目的を達成するようにした。該
第２層の誘電体薄膜の上面に上部電極を設けると共に該
第１層の誘電体薄膜の下面に下部電極を設け、これらの
電極をＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、又はＳｒＲｕＯ3、或いはこ
れらを主成分とする合金から成る薄膜で形成し、該第１
層及び第２層の誘電体薄膜の合計厚さを１０ｎｍ〜１０
００ｎｍとすることで、上記目的を的確に達成できる。
該誘電体の薄膜には、チタン酸系酸化物またはチタン酸
系酸化物を主成分とする酸化物の薄膜が適している。
【０００６】
【発明の実施の形態】図３に示した装置を使用して実施
した本発明の形態を説明すると、同図に於いて、符号１
はシリコン基板を搭載したカセットケースを収容するカ
セット室、符号２は誘電体膜の成膜室、符号３は熱処理
室を示し、これら各室をゲートバルブ４を介して搬送室
５に連設した。該成膜室２及び搬送室５は、真空排気装
置（図示してない）により適当な圧力に排気され、基板
は該搬送室５に設置した搬送腕により該カセット室１か
ら取出され、成膜室２及び熱処理室３へ搬送され、誘電
体膜の成膜プロセスの全てにおいて大気暴露されないｉ
ｎ−ｓｉｔｕで処理されるようにした。該成膜室２に
は、基板に誘電体膜以外の膜を成膜するための成膜装置
が設置される。該カセット室１に搬入されて用意される
基板には、ＳｉＯ2の熱酸化膜付Ｓｉウエハ上に別装置
を用いてＴｉＯ2膜のバリヤ層と、該バリヤ層上にＰｔ
の下部電極を形成したものを用いた。
した本発明の形態を説明すると、同図に於いて、符号１
はシリコン基板を搭載したカセットケースを収容するカ
セット室、符号２は誘電体膜の成膜室、符号３は熱処理
室を示し、これら各室をゲートバルブ４を介して搬送室
５に連設した。該成膜室２及び搬送室５は、真空排気装
置（図示してない）により適当な圧力に排気され、基板
は該搬送室５に設置した搬送腕により該カセット室１か
ら取出され、成膜室２及び熱処理室３へ搬送され、誘電
体膜の成膜プロセスの全てにおいて大気暴露されないｉ
ｎ−ｓｉｔｕで処理されるようにした。該成膜室２に
は、基板に誘電体膜以外の膜を成膜するための成膜装置
が設置される。該カセット室１に搬入されて用意される
基板には、ＳｉＯ2の熱酸化膜付Ｓｉウエハ上に別装置
を用いてＴｉＯ2膜のバリヤ層と、該バリヤ層上にＰｔ
の下部電極を形成したものを用いた。
【０００７】この基板上に誘電体膜を形成すると、下部
電極と誘電体膜との界面に酸素欠損を生じたりアモルフ
ァス膜が形成されて誘電率が下がる不都合があったが、
本発明では、２度に分けて誘電体膜を形成し、先に形成
した第１層目の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用
いて熱処理し、続いて該第１層の上に第２層目の誘電体
の薄膜を形成することで、この不都合を解消するように
した。該誘電体膜には例えばＢＳＴ膜（（Ｂａ、Ｓｒ）
ＴｉＯ3-X膜）がＲＦスパッタリング法により形成さ
れ、その上にＰｔの上部電極がメタルマスクを用いた成
膜により形成される。
電極と誘電体膜との界面に酸素欠損を生じたりアモルフ
ァス膜が形成されて誘電率が下がる不都合があったが、
本発明では、２度に分けて誘電体膜を形成し、先に形成
した第１層目の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用
いて熱処理し、続いて該第１層の上に第２層目の誘電体
の薄膜を形成することで、この不都合を解消するように
した。該誘電体膜には例えばＢＳＴ膜（（Ｂａ、Ｓｒ）
ＴｉＯ3-X膜）がＲＦスパッタリング法により形成さ
れ、その上にＰｔの上部電極がメタルマスクを用いた成
膜により形成される。
【０００８】その具体的実施例は図４に示す如くであ
り、カセット室１内のＳｉＯ2膜の厚さ１００ｎｍの熱
酸化膜７、厚さ１０ｎｍのＴｉＯ2膜のバリヤ層８、厚
さ１００ｎｍのＰｔの下部電極９を順次形成したシリコ
ンの基板６に、第１層のＢＳＴ膜の誘電体膜１０を５０
Åの厚さで形成し、その上に第２層のＢＳＴ膜の誘電体
膜１１を２５０Åの厚さで形成し、更にその上に直径１
ｍｍのＰｔの上部電極１２を厚さ１００ｎｍに形成し
た。該第１層の誘電体膜１０は、カセット室１から基板
６を取り出して成膜室２へ搬入し、１３．５６ＭＨｚの
ＲＦ電力を１４００Ｗ印加し、プロセスガスとしてＡｒ
１０ｓｃｃｍ、Ｏ2１０ｓｃｃｍ、圧力０．１３Ｐａで
ＲＦスパッタリングにより成膜される。その成膜のあと
熱処理室３へ基板６を搬入して大気圧酸素雰囲気で４０
０℃、３０分の熱処理を行い、再び成膜室２へ基板６を
戻し、第２層の誘電体膜１１を第１層の場合と同条件で
成膜する。そして、別装置にてメタルマスクを用いて上
部電極１２を成膜した。
り、カセット室１内のＳｉＯ2膜の厚さ１００ｎｍの熱
酸化膜７、厚さ１０ｎｍのＴｉＯ2膜のバリヤ層８、厚
さ１００ｎｍのＰｔの下部電極９を順次形成したシリコ
ンの基板６に、第１層のＢＳＴ膜の誘電体膜１０を５０
Åの厚さで形成し、その上に第２層のＢＳＴ膜の誘電体
膜１１を２５０Åの厚さで形成し、更にその上に直径１
ｍｍのＰｔの上部電極１２を厚さ１００ｎｍに形成し
た。該第１層の誘電体膜１０は、カセット室１から基板
６を取り出して成膜室２へ搬入し、１３．５６ＭＨｚの
ＲＦ電力を１４００Ｗ印加し、プロセスガスとしてＡｒ
１０ｓｃｃｍ、Ｏ2１０ｓｃｃｍ、圧力０．１３Ｐａで
ＲＦスパッタリングにより成膜される。その成膜のあと
熱処理室３へ基板６を搬入して大気圧酸素雰囲気で４０
０℃、３０分の熱処理を行い、再び成膜室２へ基板６を
戻し、第２層の誘電体膜１１を第１層の場合と同条件で
成膜する。そして、別装置にてメタルマスクを用いて上
部電極１２を成膜した。
【０００９】こうして形成された誘電体膜１０、１１の
誘電率ｋ及びｔａｎδを、図５のようにインピーダンス
アナライザー１３を使用して測定し、図６のように電流
計１４を使用してリーク電流を測定したところ、図７の
曲線Ａ、図８の点Ｃ、図９の点Ｅの結果が得られた。図
７の曲線Ｂ、図８の点Ｄ、図９の点Ｆは、図１の装置で
図２の層構成の誘電体膜の電気特性で、この場合の成膜
条件は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力で１４００Ｗを投
入し、プロセスガスとしてＡｒ１０ｓｃｃｍ、Ｏ2１０
ｓｃｃｍ、成膜室の圧力０．１３Ｐａで、ＢＳＴの誘電
体膜を３０ｎｍの厚さに成膜したものである。これの熱
酸化膜（ＳｉＯ2膜）の厚さは１００ｎｍ、ＴｉＯ２バ
リヤ層の厚さは１０ｎｍ、上下のＰｔの電極の厚さは１
００ｎｍである。
誘電率ｋ及びｔａｎδを、図５のようにインピーダンス
アナライザー１３を使用して測定し、図６のように電流
計１４を使用してリーク電流を測定したところ、図７の
曲線Ａ、図８の点Ｃ、図９の点Ｅの結果が得られた。図
７の曲線Ｂ、図８の点Ｄ、図９の点Ｆは、図１の装置で
図２の層構成の誘電体膜の電気特性で、この場合の成膜
条件は、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力で１４００Ｗを投
入し、プロセスガスとしてＡｒ１０ｓｃｃｍ、Ｏ2１０
ｓｃｃｍ、成膜室の圧力０．１３Ｐａで、ＢＳＴの誘電
体膜を３０ｎｍの厚さに成膜したものである。これの熱
酸化膜（ＳｉＯ2膜）の厚さは１００ｎｍ、ＴｉＯ２バ
リヤ層の厚さは１０ｎｍ、上下のＰｔの電極の厚さは１
００ｎｍである。
【００１０】本発明の成膜方法では、第２層よりも第１
層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用いて熱処理
することで、下部電極との界面に於ける酸素欠損を補
い、結晶性の高い層が形成され、この結晶性の高い第１
層の誘電体膜上に成膜された第２層目の誘電体膜は高い
結晶を示すようになる。そのため誘電体膜は４００℃程
度の低温で従来のものより高い誘電率が得られ、更に酸
素欠損が補われたことでｔａｎδ、リーク電流特性が良
好になり、良好なキャパシタ特性を有する半導体メモリ
素子や薄膜コンデンサの実現が可能になる。
層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用いて熱処理
することで、下部電極との界面に於ける酸素欠損を補
い、結晶性の高い層が形成され、この結晶性の高い第１
層の誘電体膜上に成膜された第２層目の誘電体膜は高い
結晶を示すようになる。そのため誘電体膜は４００℃程
度の低温で従来のものより高い誘電率が得られ、更に酸
素欠損が補われたことでｔａｎδ、リーク電流特性が良
好になり、良好なキャパシタ特性を有する半導体メモリ
素子や薄膜コンデンサの実現が可能になる。
【００１１】該バリア層８は、誘電体膜の電気特性に影
響を与えなければ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＮな
どの酸素バリア性を有する膜を使用できる。また、上下
電極９、１２の厚さを１００ｎｍとしたが、表面のラフ
ネスが大きくなり、誘電体の電気特性に影響を与えない
厚さであれば特に制限はない。上下電極９、１２の材料
として、Ｐｔ以外にＲｕ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ3等の金属
やこれらの合金からなる金属或いは酸化物導電体を用い
ても良い。また、第１層の誘電体膜の熱処理の圧力を、
大気圧から減圧０．４Ｐａで熱処理しても、図１０の曲
線Ｇのように同様の効果が得られた。図７〜図９にみら
れるように、低温では、誘電率ｋが従来のものより３倍
ほど増加し、リーク電流の増加が抑制され、誘電損失の
増加も抑制することができる。尚、該第１層は酸素を補
充できる１〜１０ｎｍの厚さが好ましく、第２層は半導
体素子や薄膜コンデンサの構造上要求される容量値を満
足する厚さであればよく、第１層と第２層の誘電体薄膜
の合計厚さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが製作
上好ましい。また、本実施例では誘電体材料として（Ｂ
ａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3膜を用いたが、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）
Ｏ3等のチタン酸素酸化膜を用いてもよい。
響を与えなければ、ＴｉＡｌＮ、ＴｉＳｉＮ、ＴａＮな
どの酸素バリア性を有する膜を使用できる。また、上下
電極９、１２の厚さを１００ｎｍとしたが、表面のラフ
ネスが大きくなり、誘電体の電気特性に影響を与えない
厚さであれば特に制限はない。上下電極９、１２の材料
として、Ｐｔ以外にＲｕ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ3等の金属
やこれらの合金からなる金属或いは酸化物導電体を用い
ても良い。また、第１層の誘電体膜の熱処理の圧力を、
大気圧から減圧０．４Ｐａで熱処理しても、図１０の曲
線Ｇのように同様の効果が得られた。図７〜図９にみら
れるように、低温では、誘電率ｋが従来のものより３倍
ほど増加し、リーク電流の増加が抑制され、誘電損失の
増加も抑制することができる。尚、該第１層は酸素を補
充できる１〜１０ｎｍの厚さが好ましく、第２層は半導
体素子や薄膜コンデンサの構造上要求される容量値を満
足する厚さであればよく、第１層と第２層の誘電体薄膜
の合計厚さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍとすることが製作
上好ましい。また、本実施例では誘電体材料として（Ｂ
ａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3膜を用いたが、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）
Ｏ3等のチタン酸素酸化膜を用いてもよい。
【００１２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、基板に形
成される誘電体膜を第１層と第２層に分けて成膜し、そ
の第１層の誘電体膜を成膜後に該第１層の誘電体膜を酸
素を主成分とするガスを用いて熱処理し、次いで該第１
層上に第２層の誘電体の薄膜を成膜するので、高誘電率
で低ｔａｎδ、低リーク電流の誘電体膜を基板などを損
傷させない低い成膜温度で成膜できる等の効果がある。
成される誘電体膜を第１層と第２層に分けて成膜し、そ
の第１層の誘電体膜を成膜後に該第１層の誘電体膜を酸
素を主成分とするガスを用いて熱処理し、次いで該第１
層上に第２層の誘電体の薄膜を成膜するので、高誘電率
で低ｔａｎδ、低リーク電流の誘電体膜を基板などを損
傷させない低い成膜温度で成膜できる等の効果がある。
【図１】従来の誘電体膜の成膜装置の説明図
【図２】従来の誘電体膜の膜構成の模式図
【図３】本発明の成膜方法に使用した装置の説明図
【図４】本発明の方法による誘電体膜の膜構成の模式図
【図５】誘電率およびｔａｎδの測定法の説明図
【図６】リーク電流の測定法の説明図
【図７】本発明の方法による誘電膜の誘電率の測定図
【図８】本発明の方法による誘電膜のリーク電流の測定
図
図
【図９】本発明の方法による誘電膜のｔａｎδの測定図
【図１０】本発明の方法に於ける熱処理の圧力と誘電率
の関係図
の関係図
６ 基板、９ 下部電極、１０・１１ 誘電体膜、１２
上部電極、
上部電極、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/822 Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ 27/108 21/8242 (72)発明者 谷 典明 千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技 術株式会社千葉超材料研究所内 (72)発明者 小松 孝 千葉県山武郡山武町横田523 日本真空技 術株式会社千葉超材料研究所内 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA48 BA50 BB02 BC00 BD01 CA05 EA01 GA01 5F038 AC15 AC18 DF05 DF11 EZ17 EZ20 5F058 BA20 BC03 BC04 BC20 BF13 BF29 BH01 BH03 BJ01 5F083 FR01 JA13 JA14 JA15 JA38 JA45 PR22 PR33 5F103 AA08 BB49 DD30 HH03 LL14 NN06 PP03 RR05
Claims (4)
- 【請求項１】基板に第１層の誘電体の薄膜を成膜後、該
第１層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用いて熱
処理し、これに引き続いて該第１層の誘電体膜上に第２
層の誘電体の薄膜を成膜することを特徴とする誘電体膜
の成膜方法。 - 【請求項２】上記第２層の誘電体薄膜の上面に上部電極
を設けると共に上記第１層の誘電体薄膜の下面に下部電
極を設け、これらの電極をＰｔ、Ｒｕ、Ｉｒ、又はＳｒ
ＲｕＯ3、或いはこれらを主成分とする合金から成る薄
膜で形成し、該第１層及び第２層の誘電体薄膜の合計厚
さを１０ｎｍ〜１０００ｎｍとしたことを特徴とする請
求項１に記載の誘電体膜の成膜方法。 - 【請求項３】基板に第１層の誘電体の薄膜を成膜後、該
第１層の誘電体膜を酸素を主成分とするガスを用いて熱
処理し、これに引き続いて該第１層の誘電体膜上に第２
層の誘電体の薄膜を成膜して形成したことを特徴とする
誘電体膜。 - 【請求項４】上記誘電体の薄膜がチタン酸系酸化物また
はチタン酸系酸化物を主成分とする酸化物の薄膜である
ことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載の誘電体
膜又は誘電体膜の成膜方法。
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|---|---|---|---|
| JP2000386878A JP2002190476A (ja) | 2000-12-20 | 2000-12-20 | 誘電体膜の成膜方法 |
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| JP (1) | JP2002190476A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014520404A (ja) * | 2011-06-20 | 2014-08-21 | アドバンスド テクノロジー マテリアルズ，インコーポレイテッド | 高誘電率ペロブスカイト材料ならびにその作製および使用方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08264526A (ja) * | 1995-03-20 | 1996-10-11 | Olympus Optical Co Ltd | 強誘電体薄膜の製造方法 |
| JPH11243177A (ja) * | 1998-02-25 | 1999-09-07 | Nec Corp | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP2000077616A (ja) * | 1998-09-03 | 2000-03-14 | Hitachi Ltd | 誘電体素子およびその製造方法並びに半導体装置 |
-
2000
- 2000-12-20 JP JP2000386878A patent/JP2002190476A/ja active Pending
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