JP2002280380A - 半導体装置の成膜方法 - Google Patents
半導体装置の成膜方法Info
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Landscapes
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来、強誘電体の成膜法としてはスパッタ、
ＣＶＤ、ゾルゲル法等が用いられているが、通常、成膜
後に酸素雰囲気下で６５０℃の熱処理をされ、ポリマー
などの低融点材料の基板によっては品質に大きな影響が
生じる。 【解決手段】 強誘電体薄膜や高誘電体薄膜などの誘電
体薄膜を容量素子に用いる半導体装置の製造において、
誘電体薄膜の成膜後に、酸素存在下の雰囲気中で、１か
ら１００ＧＨｚのマイクロ波を照射して、その誘電加熱
により薄膜を熱処理するものである。具体例として、シ
リコン基板上に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利
用したプラズマスパッタ法により、チタン酸ストロンチ
ウム ＳrＴi Ｏ3 を数百ｎｍ成膜した後、大気中で２
８ＧＨｚのマイクロ波を照射してポストアニーリングし
たところ、緻密で数１０ｎｍの微細な結晶を発現でき
た。
ＣＶＤ、ゾルゲル法等が用いられているが、通常、成膜
後に酸素雰囲気下で６５０℃の熱処理をされ、ポリマー
などの低融点材料の基板によっては品質に大きな影響が
生じる。 【解決手段】 強誘電体薄膜や高誘電体薄膜などの誘電
体薄膜を容量素子に用いる半導体装置の製造において、
誘電体薄膜の成膜後に、酸素存在下の雰囲気中で、１か
ら１００ＧＨｚのマイクロ波を照射して、その誘電加熱
により薄膜を熱処理するものである。具体例として、シ
リコン基板上に電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利
用したプラズマスパッタ法により、チタン酸ストロンチ
ウム ＳrＴi Ｏ3 を数百ｎｍ成膜した後、大気中で２
８ＧＨｚのマイクロ波を照射してポストアニーリングし
たところ、緻密で数１０ｎｍの微細な結晶を発現でき
た。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜や高
誘電体薄膜などの誘電体薄膜を容量素子に用いるＤＲＡ
Ｍ、ＦＲＡＭ等の半導体装置の成膜方法に関する。特に
誘電体薄膜を成膜した後の熱処理を低温で行なう方法に
関する。
誘電体薄膜などの誘電体薄膜を容量素子に用いるＤＲＡ
Ｍ、ＦＲＡＭ等の半導体装置の成膜方法に関する。特に
誘電体薄膜を成膜した後の熱処理を低温で行なう方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、集積化、体容量化、高速化に伴う
次世代コンピュータのメインメモリであるギガビットＤ
ＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の情報蓄
積用キャパシター絶縁膜材料、あるいは携帯電話などの
移動体通信用ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integ
rated Circuit ）用キャパシター絶縁膜材料の候補の
一つとして、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3)薄
膜が大いに注目されている。ＳｒＴｉＯ3 は、ペロブス
カイト型結晶構造をとり、イオン半径が小さいチタンイ
オンは八面体を構成する６個の酸素イオンに取り囲まれ
ている。そのため、外部から電界を加えると酸素八面体
中のチタンイオンが容易に変位し、結果として高い誘電
率を示す。その比誘電率は現在ＤＲＡＭ材に用いられて
いるＳｉＯ 2(ε〜３．９）、Ｓｉ3 Ｎ4(ε〜７）、Ｔａ
2 Ｏ5(ε〜２３）と比べ、バルク単結晶で３００（参考
文献１）と非常に高い値を示す。
次世代コンピュータのメインメモリであるギガビットＤ
ＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の情報蓄
積用キャパシター絶縁膜材料、あるいは携帯電話などの
移動体通信用ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integ
rated Circuit ）用キャパシター絶縁膜材料の候補の
一つとして、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ3)薄
膜が大いに注目されている。ＳｒＴｉＯ3 は、ペロブス
カイト型結晶構造をとり、イオン半径が小さいチタンイ
オンは八面体を構成する６個の酸素イオンに取り囲まれ
ている。そのため、外部から電界を加えると酸素八面体
中のチタンイオンが容易に変位し、結果として高い誘電
率を示す。その比誘電率は現在ＤＲＡＭ材に用いられて
いるＳｉＯ 2(ε〜３．９）、Ｓｉ3 Ｎ4(ε〜７）、Ｔａ
2 Ｏ5(ε〜２３）と比べ、バルク単結晶で３００（参考
文献１）と非常に高い値を示す。
【０００３】ＳｒＴｉＯ3 薄膜の合成には、ＲＦマグネ
トロンスパッタリング（参考文献２）、イオンビームス
パッタリング（参考文献３）、ＰＬＤ（Pulsed Laser
Deposition）（参考文献４）、ＭＢＥ（Molecular −
Beam Epitaxy ）（参考文献５）ＭＯＣＶＤ（Metalorg
anic Chemical Vapor Deposition）（参考文献
６）、ゾル・ゲル（参考文献７）などの種々のプロセス
が試みられている。しかし、一般に高誘電率発現に必要
な薄膜の結晶化には６５０℃以上の成膜基板温度と成膜
後熱処理（post−annealing ）が必要であり、このまま
ではポリマーなどの低融点有機基板材への適用は不可能
であった。
トロンスパッタリング（参考文献２）、イオンビームス
パッタリング（参考文献３）、ＰＬＤ（Pulsed Laser
Deposition）（参考文献４）、ＭＢＥ（Molecular −
Beam Epitaxy ）（参考文献５）ＭＯＣＶＤ（Metalorg
anic Chemical Vapor Deposition）（参考文献
６）、ゾル・ゲル（参考文献７）などの種々のプロセス
が試みられている。しかし、一般に高誘電率発現に必要
な薄膜の結晶化には６５０℃以上の成膜基板温度と成膜
後熱処理（post−annealing ）が必要であり、このまま
ではポリマーなどの低融点有機基板材への適用は不可能
であった。
【０００４】＜参考文献＞ １：A.Linz.Jr;Phys.Rev.91(1953)753. ２：X.Wang,U.Helmersson,L.D.Madsen,I.P.Ivanov,P.Mu
nger,S.Rudner,B.Hjorvarsson and J.E.Sundgren;J.Va
c.Sci. ＆Technol.A17(1999)564. ３：Y.Gao,A.H.Mueller,E.A.Irene,O.Auciello,A.Kraus
s and J.A.Schultz;J.Vac.Sci.＆Technol.A 17(1999)18
80. ４：M.Tachiki,M.Noda,K.Yamada and T.Kobayashi;J.Ap
pl.Phys.83(1998)5351． ５：Y.Yoneda,T.Okabe,K.Sakaue,H.Terauchi.H.Kasatan
i and K.Deguchi;J.Appl.Phys.83(1998)2458. ６：Y.B.Hahn and D.O.Kim;J.Vac.Sci. ＆Technol.A17
(1999)1982. ７：T.Hubert,U.Beck and H.Kleinke;J.Non-Crystallin
e Solids,196(1996)150.
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【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ＤＲＡＭの高集積化に
伴い、チタン酸ストロンチウム・バリウム等の強誘電体
が必須の材料になり、その成膜法としてはスパッタ、Ｃ
ＶＤ、ゾルゲル法等が用いられている。しかしどの方法
においても、膜中の酸素欠損を補うために、通常、成膜
後に酸素雰囲気下で６５０℃の熱処理をすることが必要
とされる。そのため、ポリマーなどの低融点材料の基板
によっては品質に大きな影響が生じるので、薄膜の低温
合成方法の開発が待たれている。
伴い、チタン酸ストロンチウム・バリウム等の強誘電体
が必須の材料になり、その成膜法としてはスパッタ、Ｃ
ＶＤ、ゾルゲル法等が用いられている。しかしどの方法
においても、膜中の酸素欠損を補うために、通常、成膜
後に酸素雰囲気下で６５０℃の熱処理をすることが必要
とされる。そのため、ポリマーなどの低融点材料の基板
によっては品質に大きな影響が生じるので、薄膜の低温
合成方法の開発が待たれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、電子サイ
クロトン共鳴（ＥＣＲ）を利用したスパッタ法による成
膜開発研究において本発明を得た。本発明は、強誘電体
薄膜や高誘電体薄膜などの誘電体薄膜を容量素子に用い
る半導体装置の製造において、誘電体薄膜の成膜後に、
酸素存在下の雰囲気中で、１から１００ＧＨｚのマイク
ロ波を照射して、その誘電加熱により薄膜を熱処理する
ものである。
クロトン共鳴（ＥＣＲ）を利用したスパッタ法による成
膜開発研究において本発明を得た。本発明は、強誘電体
薄膜や高誘電体薄膜などの誘電体薄膜を容量素子に用い
る半導体装置の製造において、誘電体薄膜の成膜後に、
酸素存在下の雰囲気中で、１から１００ＧＨｚのマイク
ロ波を照射して、その誘電加熱により薄膜を熱処理する
ものである。
【０００７】具体例として、シリコン基板上に電子サイ
クロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用したプラズマスパッタ
法により、チタン酸ストロンチウム Ｓr Ｔi Ｏ3 を数
百ｎｍ成膜した後、大気中で２８ＧＨｚのマイクロ波を
照射してポストアニーリングしたところ、緻密で数１０
ｎｍの微細な結晶を発現できた。図１に、本発明の基本
的な製造方法の概要を示す。
クロトロン共鳴（ＥＣＲ）を利用したプラズマスパッタ
法により、チタン酸ストロンチウム Ｓr Ｔi Ｏ3 を数
百ｎｍ成膜した後、大気中で２８ＧＨｚのマイクロ波を
照射してポストアニーリングしたところ、緻密で数１０
ｎｍの微細な結晶を発現できた。図１に、本発明の基本
的な製造方法の概要を示す。
【０００８】図１において、は、成膜前の状態のシリ
コン（Ｓi ）基板１の断面を示す。は、シリコン（Ｓ
i ）基板１上に、チタン酸ストロンチウム（Ｓr Ｔi Ｏ
3 ）薄膜２を、アルゴン雰囲気中で、ＥＣＲプラズマス
パッタ法により数百ｎｍの厚さに成膜した工程後の断面
である。は、成膜したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜２に、２８Ｇ
Ｈｚのマイクロ波を照射して、３００℃の熱処理を行っ
ているポストアニーリング工程を示す。熱処理時間は、
マイクロ波のパワーなどの条件により異なり、１〜６０
分間である。
コン（Ｓi ）基板１の断面を示す。は、シリコン（Ｓ
i ）基板１上に、チタン酸ストロンチウム（Ｓr Ｔi Ｏ
3 ）薄膜２を、アルゴン雰囲気中で、ＥＣＲプラズマス
パッタ法により数百ｎｍの厚さに成膜した工程後の断面
である。は、成膜したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜２に、２８Ｇ
Ｈｚのマイクロ波を照射して、３００℃の熱処理を行っ
ているポストアニーリング工程を示す。熱処理時間は、
マイクロ波のパワーなどの条件により異なり、１〜６０
分間である。
【０００９】このように、Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜２をマイク
ロ波照射により３００℃の低温で熱処理したことによ
り、誘電率としてバルク並の２６０を得ることができ
た。ＳrＴi Ｏ3 薄膜２は、マイクロ波を効率よく吸収
して、薄膜内部から温度を上げるので、急速加熱が可能
であり、短時間での熱処理が出来る。また、電磁波特有
の拡散増殖効果が働いた結果、大幅な低温化を達成出来
た。本発明の成膜方法は、原理的に、チタン酸バリウム
Ba Ti O3や、チタン酸ストロンチウム・バリウムBST 、
チタン酸ジルコニュウム・鉛PZT ，チタン酸ランタン・
ジルコニュウム・鉛PLZTなどの他の有用な酸化物誘電体
にも適用可能である。
ロ波照射により３００℃の低温で熱処理したことによ
り、誘電率としてバルク並の２６０を得ることができ
た。ＳrＴi Ｏ3 薄膜２は、マイクロ波を効率よく吸収
して、薄膜内部から温度を上げるので、急速加熱が可能
であり、短時間での熱処理が出来る。また、電磁波特有
の拡散増殖効果が働いた結果、大幅な低温化を達成出来
た。本発明の成膜方法は、原理的に、チタン酸バリウム
Ba Ti O3や、チタン酸ストロンチウム・バリウムBST 、
チタン酸ジルコニュウム・鉛PZT ，チタン酸ランタン・
ジルコニュウム・鉛PLZTなどの他の有用な酸化物誘電体
にも適用可能である。
【００１０】本発明は、以下の構成を有する。 （１） 基板上に強誘電体あるいは高誘電体の誘電体薄
膜を成膜し、その後、誘電体薄膜にマイクロ波を照射し
て誘電加熱し、熱処理することを特徴とする半導体装置
の成膜方法の構成。 （２） 前項（１）において、マイクロ波の周波数は、
１から１００ＧＨｚの範囲のものであることを特徴とす
る半導体装置の成膜方法の構成。 （３） 前項（１）または（２）において、熱処理の温
度は、４００℃以下の低温であることを特徴とする半導
体装置の成膜方法の構成。 （４） 前項（１）ないし（３）において、誘電体薄膜
の成膜は、電子サイクロトン共鳴を利用したプラズマス
パッタ法により酸素含有雰囲気中で行なうことを特徴と
する半導体装置の成膜方法の構成。 （５） 前項（１）ないし（４）において、基板は、S
i，Pt/ Si，Pt/ SiＯ2 /Si，Pt/ Ti/ SiO2/ Si，のいず
れかであることを特徴とする半導体装置の成膜方法の構
成の構成。 （６） 前項（１）ないし（５）において、 誘電体薄
膜は、Sr Ti O3，Ba TiO3，PZT ，PLZT のいずれかで
あることを特徴とする半導体装置の成膜方法の構成。
膜を成膜し、その後、誘電体薄膜にマイクロ波を照射し
て誘電加熱し、熱処理することを特徴とする半導体装置
の成膜方法の構成。 （２） 前項（１）において、マイクロ波の周波数は、
１から１００ＧＨｚの範囲のものであることを特徴とす
る半導体装置の成膜方法の構成。 （３） 前項（１）または（２）において、熱処理の温
度は、４００℃以下の低温であることを特徴とする半導
体装置の成膜方法の構成。 （４） 前項（１）ないし（３）において、誘電体薄膜
の成膜は、電子サイクロトン共鳴を利用したプラズマス
パッタ法により酸素含有雰囲気中で行なうことを特徴と
する半導体装置の成膜方法の構成。 （５） 前項（１）ないし（４）において、基板は、S
i，Pt/ Si，Pt/ SiＯ2 /Si，Pt/ Ti/ SiO2/ Si，のいず
れかであることを特徴とする半導体装置の成膜方法の構
成の構成。 （６） 前項（１）ないし（５）において、 誘電体薄
膜は、Sr Ti O3，Ba TiO3，PZT ，PLZT のいずれかで
あることを特徴とする半導体装置の成膜方法の構成。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の１実施の形態として、 o
n PtSiについて、チタン酸ストロンチウムＳr Ｔi Ｏ3
の成膜とポストアニーリングを行なった。
n PtSiについて、チタン酸ストロンチウムＳr Ｔi Ｏ3
の成膜とポストアニーリングを行なった。
【００１２】図２は、Ｐt ／Ｓr Ｔi Ｏ3 ／Ｐt ／Ｔi
／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 構造により薄膜キャパシターを形成す
る工程を示す。は、成膜前の状態のシリコン（Ｓi ）
基板１１を示す。は、シリコン基板１１を酸化処理し
てＳi Ｏ2 層１２を形成した工程を示す。は、Ｓi Ｏ
2 層１２の上に、チタン（Ｔi ）層１３を５０ｎｍの厚
さでスパッタした工程を示す。チタン（Ｔi ）層１３
は、高温での金属拡散を防止するためのものである。
は、チタン（Ｔi ）層１３の上に白金（Ｐt ）電極層１
４を１００ｎｍの厚さでスパッタにより形成した工程を
示す。は、白金（Ｐt ）電極層１４の上に、Ｓr Ｔi
Ｏ3 薄膜１５をＥＣＲプラズマスパッタ法により数百ｎ
ｍの厚さに成膜した工程を示す。は、Ｓr Ｔi Ｏ3 薄
膜１５に、２８ＧＨｚのマイクロ波を照射して、約３０
０℃の熱処理を行ったポストアニーリング工程を示す。
は、熱処理したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜１５の上に、もう１
つの白金（Ｐt ）電極層１４をスパッタして、白金（Ｐ
t ）電極層１４との間にキャパシタを形成した工程を示
す。
／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 構造により薄膜キャパシターを形成す
る工程を示す。は、成膜前の状態のシリコン（Ｓi ）
基板１１を示す。は、シリコン基板１１を酸化処理し
てＳi Ｏ2 層１２を形成した工程を示す。は、Ｓi Ｏ
2 層１２の上に、チタン（Ｔi ）層１３を５０ｎｍの厚
さでスパッタした工程を示す。チタン（Ｔi ）層１３
は、高温での金属拡散を防止するためのものである。
は、チタン（Ｔi ）層１３の上に白金（Ｐt ）電極層１
４を１００ｎｍの厚さでスパッタにより形成した工程を
示す。は、白金（Ｐt ）電極層１４の上に、Ｓr Ｔi
Ｏ3 薄膜１５をＥＣＲプラズマスパッタ法により数百ｎ
ｍの厚さに成膜した工程を示す。は、Ｓr Ｔi Ｏ3 薄
膜１５に、２８ＧＨｚのマイクロ波を照射して、約３０
０℃の熱処理を行ったポストアニーリング工程を示す。
は、熱処理したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜１５の上に、もう１
つの白金（Ｐt ）電極層１４をスパッタして、白金（Ｐ
t ）電極層１４との間にキャパシタを形成した工程を示
す。
【００１３】このようにして、Ｐt ／Ｓr Ｔi Ｏ3 ／Ｐ
t ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 構造の薄膜キャパシタを形成
し、その電気特性を測った結果、as−depo薄膜でさえε
r ＝７０の誘電率を示し、３００℃でマイクロ波による
ポストアニーリングを施したキャパシタでは、単結晶で
の値である３００に近いεr ＝２６０という大きな値を
示した。
t ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 構造の薄膜キャパシタを形成
し、その電気特性を測った結果、as−depo薄膜でさえε
r ＝７０の誘電率を示し、３００℃でマイクロ波による
ポストアニーリングを施したキャパシタでは、単結晶で
の値である３００に近いεr ＝２６０という大きな値を
示した。
【００１４】図３（ａ）は、使用したミラー閉じ込め型
ＥＣＲプラズマスパッタリング成膜装置の概略構成を示
す。本成膜装置は、８００ｍｍ径の円筒状キャビテイ２
０を備えており、１．１×１０-4Pa以上の真空度まで排
気することができた。図に示すように、軟鋼製ヨーク２
１を有する２つの中空の円筒状電磁コイル２２をミラー
配置し、円形導波管２３を通じてマイクロ波を円柱状の
スパッタリングターゲット２４内に入射させてＥＣＲプ
ラズマを生成させた。図３（ｂ）は、軸方向ｚの磁束分
布を示す。円柱状のスパッタリングターゲット２４は、
ミラーの中央部に設置されている。基板は、基板ホール
ダー２６の先端にマウントされ、基板前面のシャッタ２
７を回転させることでスパッタを制御している。Ｓr Ｔ
i Ｏ3 薄膜合成では, ターゲット材にＳr Ｔi Ｏ3 セラ
ミックスを用い、これに対して整合回路２５を介して１
３．５６ＭＨｚ，２００Ｗの高周波（ＲＦ）電圧を印加
した。プラズマスパッタリングの場合に印加したマイク
ロ波は、２．４５GHz ，２００Ｗであった。
ＥＣＲプラズマスパッタリング成膜装置の概略構成を示
す。本成膜装置は、８００ｍｍ径の円筒状キャビテイ２
０を備えており、１．１×１０-4Pa以上の真空度まで排
気することができた。図に示すように、軟鋼製ヨーク２
１を有する２つの中空の円筒状電磁コイル２２をミラー
配置し、円形導波管２３を通じてマイクロ波を円柱状の
スパッタリングターゲット２４内に入射させてＥＣＲプ
ラズマを生成させた。図３（ｂ）は、軸方向ｚの磁束分
布を示す。円柱状のスパッタリングターゲット２４は、
ミラーの中央部に設置されている。基板は、基板ホール
ダー２６の先端にマウントされ、基板前面のシャッタ２
７を回転させることでスパッタを制御している。Ｓr Ｔ
i Ｏ3 薄膜合成では, ターゲット材にＳr Ｔi Ｏ3 セラ
ミックスを用い、これに対して整合回路２５を介して１
３．５６ＭＨｚ，２００Ｗの高周波（ＲＦ）電圧を印加
した。プラズマスパッタリングの場合に印加したマイク
ロ波は、２．４５GHz ，２００Ｗであった。
【００１５】プラズマ生成において、on Siでは主とし
てアルゴンガスＡr を用いたが、Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜合成
においては、１：１のアルゴン／酸素混合気体Ａr ／Ｏ
2も使用した。その圧力は５×１０-3−３×１０-2Paの
範囲で変化させた。
てアルゴンガスＡr を用いたが、Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜合成
においては、１：１のアルゴン／酸素混合気体Ａr ／Ｏ
2も使用した。その圧力は５×１０-3−３×１０-2Paの
範囲で変化させた。
【００１６】１．３×１０-2Ｐａのアルゴンガス雰囲気
で発生させたプラズマパラメータの測定にはシングルプ
ローブ法を、プラズマ中の活性種の同定には発光分光法
（ＯＥＳ）を用いた。そしてスパッタリングターゲット
のセルフバイアス電圧は高圧プローブを用いて測定し
た。
で発生させたプラズマパラメータの測定にはシングルプ
ローブ法を、プラズマ中の活性種の同定には発光分光法
（ＯＥＳ）を用いた。そしてスパッタリングターゲット
のセルフバイアス電圧は高圧プローブを用いて測定し
た。
【００１７】本例のＳr Ｔi Ｏ3 の成膜は、２．６×１
０-2Paという低圧力のアルゴンあるいはアルゴン／酸素
混合（Ａｒ／Ｏ2 ＝１）プラズマ雰囲気中でシリコン単
結晶基板およびＰt （１００ｎｍ）／Ｔi （５０ｎｍ）
／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板に対して行った。またポストアニ
ーリングには、電気炉およびミリ波加熱装置を用いた。
図３（ａ），（ｂ）は、使用したミラー閉じこめ型Ｅ
ＣＲのアルゴンプラズマパラメータの軸方向分布を示
す。ｚ＝０ｃｍはミラー磁場の中心位置に相当する。図
３（ａ）に示す電子温度は、プラズマのミラー閉じこめ
のためにｚ＝０ｃｍすなわちプラズマ柱の中心付近で最
大値を示している。また、プラズマ密度はＥＣＲ共鳴付
近で最大値（〜１０11ｃｍ-3）を示している。この場合
プラズマ圧力（ｐ＝Ｔe Ｎe ）はｚ＜ｚECR で一定とな
っている。一方、図３（ｂ）に示すフローティングポテ
ンシャルは、ミラー中心付近で最低値を示し、ミラー中
心付近から遠ざかるにつれて増加している。しかし、プ
ラズマポテンシャルは、軸方向に関してほとんど変化し
ていない。すなわち成膜基板を例えばｚ＝１０ｃｍの位
置にフローティング状態で置いたとき、ミラー中心付近
のアルゴンイオンが減速されて基板に到達することを示
唆している。スパッタリングで高品質なＳr Ｔi Ｏ3 薄
膜を合成する際には、イオンフラックスのエネルギーは
適当に抑制する必要があり、本例のようなミラー閉じこ
め型ＥＣＲプラズマを用いたスパッタリングでは、Ｓr
Ｔi Ｏ3 を高品質に成膜できる可能性を持つものと考え
られる。
０-2Paという低圧力のアルゴンあるいはアルゴン／酸素
混合（Ａｒ／Ｏ2 ＝１）プラズマ雰囲気中でシリコン単
結晶基板およびＰt （１００ｎｍ）／Ｔi （５０ｎｍ）
／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板に対して行った。またポストアニ
ーリングには、電気炉およびミリ波加熱装置を用いた。
図３（ａ），（ｂ）は、使用したミラー閉じこめ型Ｅ
ＣＲのアルゴンプラズマパラメータの軸方向分布を示
す。ｚ＝０ｃｍはミラー磁場の中心位置に相当する。図
３（ａ）に示す電子温度は、プラズマのミラー閉じこめ
のためにｚ＝０ｃｍすなわちプラズマ柱の中心付近で最
大値を示している。また、プラズマ密度はＥＣＲ共鳴付
近で最大値（〜１０11ｃｍ-3）を示している。この場合
プラズマ圧力（ｐ＝Ｔe Ｎe ）はｚ＜ｚECR で一定とな
っている。一方、図３（ｂ）に示すフローティングポテ
ンシャルは、ミラー中心付近で最低値を示し、ミラー中
心付近から遠ざかるにつれて増加している。しかし、プ
ラズマポテンシャルは、軸方向に関してほとんど変化し
ていない。すなわち成膜基板を例えばｚ＝１０ｃｍの位
置にフローティング状態で置いたとき、ミラー中心付近
のアルゴンイオンが減速されて基板に到達することを示
唆している。スパッタリングで高品質なＳr Ｔi Ｏ3 薄
膜を合成する際には、イオンフラックスのエネルギーは
適当に抑制する必要があり、本例のようなミラー閉じこ
め型ＥＣＲプラズマを用いたスパッタリングでは、Ｓr
Ｔi Ｏ3 を高品質に成膜できる可能性を持つものと考え
られる。
【００１８】図５は、プラズマにＲＦパワーを印加した
ときの、ｚ＝１２ｃｍの位置でのプローブのイオン飽和
電流とアルゴンの発光分光強度比（Ａr Ｉ／Ａr II）を
示している。イオン飽和電流はプラズマ密度に比例する
が、図から分かるように、スパッタリングのためにＲＦ
パワーを印加しても形成されたプラズマにはほとんど影
響を与えていない。このことはＥＣＲプラズマ内のイオ
ンフラックスとスパッタ粒子フラックスの量を独立に制
御できることを意味し、成膜の際のパラメータ制御が容
易になるものと考えられる。
ときの、ｚ＝１２ｃｍの位置でのプローブのイオン飽和
電流とアルゴンの発光分光強度比（Ａr Ｉ／Ａr II）を
示している。イオン飽和電流はプラズマ密度に比例する
が、図から分かるように、スパッタリングのためにＲＦ
パワーを印加しても形成されたプラズマにはほとんど影
響を与えていない。このことはＥＣＲプラズマ内のイオ
ンフラックスとスパッタ粒子フラックスの量を独立に制
御できることを意味し、成膜の際のパラメータ制御が容
易になるものと考えられる。
【００１９】図６は、基板加熱を行わないでＳi 基板上
にＳr Ｔi Ｏ3 の成膜を行った後、比較のため従来法の
電気炉を用いてポストアニーリングを施した場合の、膜
のＸＲＤプロファイルを示している。as-depo では、Ｓ
r Ｔi Ｏ3 （ＳＴＯ）ピークは現れず、形成された薄膜
はアモルファスであると考えられる。しかし、４００℃
以上のポストアニーリングを行うとＳＴＯピークが得ら
れた。従来、結晶化には６５０℃以上のポストアニーリ
ングが必要であることから考えると、本例では、適度の
イオンフラックス照射によって薄膜内に多量の再結晶核
が形成され、その結果として比較的低い温度で薄膜全体
の結晶化が進んだものと考えられる。
にＳr Ｔi Ｏ3 の成膜を行った後、比較のため従来法の
電気炉を用いてポストアニーリングを施した場合の、膜
のＸＲＤプロファイルを示している。as-depo では、Ｓ
r Ｔi Ｏ3 （ＳＴＯ）ピークは現れず、形成された薄膜
はアモルファスであると考えられる。しかし、４００℃
以上のポストアニーリングを行うとＳＴＯピークが得ら
れた。従来、結晶化には６５０℃以上のポストアニーリ
ングが必要であることから考えると、本例では、適度の
イオンフラックス照射によって薄膜内に多量の再結晶核
が形成され、その結果として比較的低い温度で薄膜全体
の結晶化が進んだものと考えられる。
【００２０】図７は、ポストアニーリングプロセスを、
従来法の電気炉ではなく、本発明のマイクロ波照射によ
って行った場合の、膜のＸＲＤプロファイルを示す。図
から分かるように、これによってＳr Ｔi Ｏ3 薄膜の結
晶化温度をさらに３００℃まで低温化させることができ
た。
従来法の電気炉ではなく、本発明のマイクロ波照射によ
って行った場合の、膜のＸＲＤプロファイルを示す。図
から分かるように、これによってＳr Ｔi Ｏ3 薄膜の結
晶化温度をさらに３００℃まで低温化させることができ
た。
【００２１】次に、基板をＰt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi
にし、アルゴン・酸素混合ガスを用いてＳr Ｔi Ｏ3 の
成膜を行った。基板はＳi 基板のときと同様にフローテ
ィング状態でかつ加熱は行っておらず、その温度はプラ
ズマ照射によってのみ上がるが２００℃以下の温度であ
る。
にし、アルゴン・酸素混合ガスを用いてＳr Ｔi Ｏ3 の
成膜を行った。基板はＳi 基板のときと同様にフローテ
ィング状態でかつ加熱は行っておらず、その温度はプラ
ズマ照射によってのみ上がるが２００℃以下の温度であ
る。
【００２２】図８は、Ｐt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板
（ａ）およびＳi 基板（ｂ）上にそれぞれ成膜したas-d
epo の薄膜のＸＲＤプロファイルを示す。図から明らか
なように、as-depo でもＰt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基
板上に成膜したＳr Ｔi Ｏ3薄膜は十分に結晶化してい
ることが分かる。
（ａ）およびＳi 基板（ｂ）上にそれぞれ成膜したas-d
epo の薄膜のＸＲＤプロファイルを示す。図から明らか
なように、as-depo でもＰt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基
板上に成膜したＳr Ｔi Ｏ3薄膜は十分に結晶化してい
ることが分かる。
【００２３】図９は、、Ｐt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基
板上に成膜したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜のモルフォロジーを走
査電子顕微鏡観察により観察した結果を示す。Ｐt 薄膜
は,ＸＲＤ観察では（１１１）に優先配向しており、柱
状晶を示していた。Ｓr ＴiＯ3 薄膜は、緻密で数１０
ｎｍの微細な結晶粒を有した粒状晶を示している。
板上に成膜したＳr Ｔi Ｏ3 薄膜のモルフォロジーを走
査電子顕微鏡観察により観察した結果を示す。Ｐt 薄膜
は,ＸＲＤ観察では（１１１）に優先配向しており、柱
状晶を示していた。Ｓr ＴiＯ3 薄膜は、緻密で数１０
ｎｍの微細な結晶粒を有した粒状晶を示している。
【００２４】ちなみに電気特性を粗悪にする要因のひと
つに結晶粒界が挙げられる。すなわちに結晶粒界はリー
クパスになると考えられ、結晶粒界が複雑な経路を示す
粒状晶は粒状晶よりも電気特性が優れていると考えられ
る。
つに結晶粒界が挙げられる。すなわちに結晶粒界はリー
クパスになると考えられ、結晶粒界が複雑な経路を示す
粒状晶は粒状晶よりも電気特性が優れていると考えられ
る。
【００２５】一方、図１０は、マイクロ波によるポスト
アニーリングの時間を変化させた場合のＸＲＤによるＳ
ＴＯ（１１０）ピークのナロースキャンプロファイルを
示している。１０ｍｉｎから６０ｍｉｎまで時間を変化
してもピーク位置はほとんど変化していないことが分か
る。このことは電磁波によるポストアニーリングが、薄
膜の結晶化温度の低温化だけでなく、処理時間の短縮化
にも有効であることを示している。
アニーリングの時間を変化させた場合のＸＲＤによるＳ
ＴＯ（１１０）ピークのナロースキャンプロファイルを
示している。１０ｍｉｎから６０ｍｉｎまで時間を変化
してもピーク位置はほとんど変化していないことが分か
る。このことは電磁波によるポストアニーリングが、薄
膜の結晶化温度の低温化だけでなく、処理時間の短縮化
にも有効であることを示している。
【００２６】
【発明の効果】以上のように、ミラー閉じこめ型ＥＣＲ
プラズマスパッタリングを用いてＳrＴi Ｏ3 薄膜の低
温合成を行った結果、スパッタリングのためのＲＦパワ
ーの印加はプラズマパラメータにほとんど影響を与えな
いために、イオンフラックスとスパッタ粒子フラックス
の独立制御が可能である。また、アルゴンプラズマによ
るスパッタリングを用いてＳi 基板上に成膜した薄膜
は、従来法の電気炉では４００℃のポストアニーリング
で結晶化したが、本発明のマイクロ波によるポストアニ
ーリングでは、３００℃まで結晶化温度を引き下げるこ
とができた。さらにアルゴン・酸素混合プラズマを用い
てＰt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板上に成膜した薄膜
は、as−depoでも十分に結晶化し、そのモルフォロジー
は優れた電気特性を示すと考えられる柱状晶であった。
これにマイクロ波照射を行うと、ポストアニーリングの
処理温度を低減するだけでなく処理時間も短縮でき、半
導体プロセスの改善に寄与するところは大きい。
プラズマスパッタリングを用いてＳrＴi Ｏ3 薄膜の低
温合成を行った結果、スパッタリングのためのＲＦパワ
ーの印加はプラズマパラメータにほとんど影響を与えな
いために、イオンフラックスとスパッタ粒子フラックス
の独立制御が可能である。また、アルゴンプラズマによ
るスパッタリングを用いてＳi 基板上に成膜した薄膜
は、従来法の電気炉では４００℃のポストアニーリング
で結晶化したが、本発明のマイクロ波によるポストアニ
ーリングでは、３００℃まで結晶化温度を引き下げるこ
とができた。さらにアルゴン・酸素混合プラズマを用い
てＰt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板上に成膜した薄膜
は、as−depoでも十分に結晶化し、そのモルフォロジー
は優れた電気特性を示すと考えられる柱状晶であった。
これにマイクロ波照射を行うと、ポストアニーリングの
処理温度を低減するだけでなく処理時間も短縮でき、半
導体プロセスの改善に寄与するところは大きい。
【図１】本発明による成膜方法の概要説明図である。
【図２】本発明による成膜工程の１実施の形態の説明図
である。
である。
【図３】本発明で用いたミラー閉じ込め型ＥＣＲプラズ
マスパッタリング成膜装置の概略構成図である。
マスパッタリング成膜装置の概略構成図である。
【図４】発明で用いたミラー閉じ込め型ＥＣＲプラズマ
スパッタリング成膜装置のプラズマパラメータの軸方向
分布を示すグラフである。
スパッタリング成膜装置のプラズマパラメータの軸方向
分布を示すグラフである。
【図５】ＲＦパワー印加時のプローブのイオン飽和電流
とアルゴンの発光分光強度比を示すグラフである。
とアルゴンの発光分光強度比を示すグラフである。
【図６】従来法の電気炉を用いてＳr Ｔi Ｏ3 薄膜にポ
ストアニーリングを施した場合のＸＲＤプロファイル図
である。
ストアニーリングを施した場合のＸＲＤプロファイル図
である。
【図７】本発明のマイクロ波による誘電加熱により薄膜
にポストアニーリングを施した場合のＸＲＤプロファイ
ル図である。
にポストアニーリングを施した場合のＸＲＤプロファイ
ル図である。
【図８】Ｐt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板およびＳi 基
板に成膜したas-depo の薄膜のＸＲＤプロファイル図で
ある。
板に成膜したas-depo の薄膜のＸＲＤプロファイル図で
ある。
【図９】Ｐt ／Ｔi ／Ｓi Ｏ2 ／Ｓi 基板上に成膜した
Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜の断面組織の電子顕微鏡写真である。
Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜の断面組織の電子顕微鏡写真である。
【図１０】マイクロ波によるポストアニーリングの時間
を変化させた場合のＸＲＤによるＳＴＯ（１１０）ピー
クのナロースキャンプロファイル図である。
を変化させた場合のＸＲＤによるＳＴＯ（１１０）ピー
クのナロースキャンプロファイル図である。
１： シリコン（Ｓi ）基板 ２： Ｓr Ｔi Ｏ3 薄膜
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/8242 Ｆターム(参考） 4K029 AA06 BA13 BA17 BA43 BB02 BD01 CA06 DC48 EA08 GA01 5F058 BA11 BC03 BF12 BF29 BH01 5F083 AD11 FR01 JA14 JA38 JA39 PR22 PR33
Claims (6)
- 【請求項１】 基板上に強誘電体あるいは高誘電体の誘
電体薄膜を成膜し、その後、誘電体薄膜にマイクロ波を
照射して誘電加熱し、熱処理することを特徴とする半導
体装置の成膜方法。 - 【請求項２】 請求項１において、マイクロ波の周波数
は、１から１００ＧＨｚの範囲のものであることを特徴
とする半導体装置の成膜方法。 - 【請求項３】 請求項１または請求項２において、熱処
理の温度は、４００℃以下の低温であることを特徴とす
る半導体装置の成膜方法。 - 【請求項４】 請求項１ないし請求項３において、誘電
体薄膜の成膜は、電子サイクロトン共鳴を利用したプラ
ズマスパッタ法により酸素含有雰囲気中で行なうことを
特徴とする半導体装置の成膜方法。 - 【請求項５】 請求項１ないし請求項４において、基板
は、Si，Pt/ Si，Pt/ SiＯ2 / Si，Pt/ Ti/ SiO2/ Si，
のいずれかであることを特徴とする半導体装置の成膜方
法。 - 【請求項６】 請求項１ないし請求項５において、誘電
体薄膜は、Sr Ti O3，Ba Ti O3，PZT ，PLZT のいずれ
かであることを特徴とする半導体装置の成膜方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001079267A JP2002280380A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 半導体装置の成膜方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001079267A JP2002280380A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 半導体装置の成膜方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002280380A true JP2002280380A (ja) | 2002-09-27 |
Family
ID=18935750
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001079267A Pending JP2002280380A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 半導体装置の成膜方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| JP (1) | JP2002280380A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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