JP2007123934A - 成膜方法及びキャパシタ形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、下部電極の金属膜の再結晶化を抑制できるＣＶＤ法による成膜方法の提供を目的とする。
【解決手段】本発明は、金属膜上に誘電膜を形成する成膜方法であって、金属膜を堆積する金属膜堆積工程と、前記金属膜上に誘電膜を堆積する誘電膜堆積工程と、前記金属膜及び前記誘電膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の前に、前記金属膜に対して該第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
【選択図】図２
【解決手段】本発明は、金属膜上に誘電膜を形成する成膜方法であって、金属膜を堆積する金属膜堆積工程と、前記金属膜上に誘電膜を堆積する誘電膜堆積工程と、前記金属膜及び前記誘電膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程の前に、前記金属膜に対して該第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
【選択図】図２
Description
本発明は一般に成膜技術に係り、特にＣＶＤ法による成膜方法及びキャパシタ形成方法に関する。
半導体装置の製造においては、半導体膜や絶縁膜をＣＶＤ法（化学気相成長法）により形成することが広く行われているが、最近では、金属膜や導電性金属化合物膜などの導体膜を、配線層以外の用途、例えばＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ）のメモリセルキャパシタや強誘電体メモリの強誘電体キャパシタの電極として、高誘電体膜あるいは強電極体膜と組み合わせて形成し、高誘電体あるいは強誘電体ＭＩＭキャパシタ構造を構成する技術が必要とされている。
この種のＣＶＤ法による成膜方法として、プラチナのボトム電極を形成した後、還元雰囲気中で約４００℃〜約５００℃の温度で約５〜６０分の期間にわたりアニーリングし、更に、４００℃〜６００℃の間の温度での酸化アニーリングが約５〜６０分の期間にわたりアニーリングし、その後、ボトム電極上にＢＳＴ層を形成した後、約６００℃〜約９００℃のアニーリング（誘電膜の熱処理）を行う構成が知られている（例えば特許文献１）。この特許文献１では、プラチナのボトム電極に対する熱処理として、上記の水素アニーリング後に酸化アニーリングを行う構成の他、水素アニーリングなしに酸化アニーリングを行う構成が開示されている。
特開２０００−３４９２５４号公報
ところで、酸化タンタル膜（Ｔａ２Ｏ５）などの高誘電体膜やＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）などの強誘電体膜を使ったＭＩＭキャパシタでは、膜形成が一般に酸化雰囲気で行われ、しかも所望の誘電率を得るべく従来のＳｉＯ2膜などと異なり結晶化した膜を使用するため、熱処理が不可欠と考えられている。例えば、酸化タンタル膜をＣＶＤ法で形成する場合、１００％の酸素雰囲気中、あるいは減圧の酸素雰囲気中、約４５０℃の基板温度で堆積を行った後、６００℃を越える温度で結晶化を行う必要がある。ＰＺＴ膜やＢＳＴ膜（チタン酸バリウムストロンチウム）などの強誘電体膜においても同様な処理が必要である。このため、高誘電体キャパシタを使うＤＲＡＭなどでは、下部電極として、酸化されても導電性が維持されるルテニウム（Ｒｕ）やイリジウム（Ｉｒ）、あるいは酸化されにくい白金（Ｐｔ）が使われている。
しかし、このような材料を下部電極に使用すると、上述の高誘電体膜や強誘電体膜（以下、これらを単に「誘電膜」と総称する）を結晶化させる熱処理において、誘電膜の結晶化のみならず、下部電極を形成する金属膜の結晶化も同時に引き起こされ、これに伴う金属膜と誘電膜との間の界面状態の変化により誘電膜の膜質が劣化する問題点が生じることがある。
即ち、誘電膜を６００℃よりも高い温度で結晶化させると、その下の下部電極を構成する金属膜に急激な結晶成長が生じ、上に堆積した誘電膜との間に応力を発生させ、脆弱な誘電膜にクラックなどの欠陥を引き起こしてしまう。特に、下部電極にルテニウムを使用する場合、ルテニウム膜は、加熱による結晶粒成長が大きく、誘電膜と金属膜のとの間の界面の平坦性の劣化や、巨大結晶粒の成長の一方で生じる空孔発生などの問題点があった。
そこで、本発明は前記の問題点を解決した、新規で有用な成膜方法及びキャパシタ形成方法を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、下部電極の金属膜の再結晶化を抑制できる成膜方法及びキャパシタ形成方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、第１の発明は、金属膜上に誘電膜を形成する成膜方法であって、
金属膜を堆積する金属膜堆積工程と、
前記金属膜上に誘電膜を堆積する誘電膜堆積工程と、
前記金属膜及び前記誘電膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に、前記金属膜に対して該第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
金属膜を堆積する金属膜堆積工程と、
前記金属膜上に誘電膜を堆積する誘電膜堆積工程と、
前記金属膜及び前記誘電膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に、前記金属膜に対して該第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明に係る成膜方法において、
前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶粒径が８０ｎｍ以下になるように選択されることを特徴とする。
前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶粒径が８０ｎｍ以下になるように選択されることを特徴とする。
第４の発明は、第２の発明に係る成膜方法において、
前記第２の温度は５００℃以下であることを特徴とする。
前記第２の温度は５００℃以下であることを特徴とする。
第５の発明は、第１〜４のうちのいずれかの発明に係る成膜方法において、
前記熱処理工程では、前記第１の温度は前記金属膜が結晶配向して結晶成長するように選択され、前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶配向が変わらないように選択されることを特徴とする。
前記熱処理工程では、前記第１の温度は前記金属膜が結晶配向して結晶成長するように選択され、前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶配向が変わらないように選択されることを特徴とする。
第６の発明は、第１〜５のうちのいずれかの発明に係る成膜方法において、
前記非酸化雰囲気は、水素ガスを含むことを特徴とする。
前記非酸化雰囲気は、水素ガスを含むことを特徴とする。
第７の発明は、第１〜６のうちのいずれかの発明に係る成膜方法において、
前記金属膜堆積工程は、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程であることを特徴とする。
前記金属膜堆積工程は、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程であることを特徴とする。
第８の発明は、半導体基板にキャパシタを形成する方法であって、
前記キャパシタの下部電極として、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜上に前記キャパシタの誘電膜として金属酸化物膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜及び前記金属酸化物膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に前記ルテニウム膜に対して前記第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記熱処理工程は酸化雰囲気での熱処理からなり、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
前記キャパシタの下部電極として、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜上に前記キャパシタの誘電膜として金属酸化物膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜及び前記金属酸化物膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に前記ルテニウム膜に対して前記第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記熱処理工程は酸化雰囲気での熱処理からなり、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする。
本発明によれば、予備熱処理により金属膜の結晶粒が結晶成長して安定状態となり、誘電膜の熱処理時に結晶粒成長が抑制されるので、脆弱な誘電膜に歪みや欠陥が生じることなく、高品質の誘電膜を成膜することができる。特に予備熱処理により金属膜中に結晶粒の粒径が８０ｎｍを超えない等粒状の組織を形成することで、誘電膜の熱処理時における結晶粒成長が非常に効果的に抑制される。更に、予備熱処理を還元雰囲気中で実施すると、金属膜の結晶粒がすべり変形して結晶成長するので、誘電膜と金属膜との界面における応力が緩和され、脆弱な誘電膜中の欠陥の発生が効果的に防止される。
以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。
［実験］
先ず、本発明の発明者が行った、本発明の基礎となる実験について説明する。
先ず、本発明の発明者が行った、本発明の基礎となる実験について説明する。
図１は、本発明の発明者が使ったＣＶＤ成膜装置１００の構成を概略的に示す断面図である。
図１を参照するに、成膜装置１００は、この成膜装置１００は、シャワーヘッド１１０と、シャワーヘッド１１０を内部に設けられた気密構造の処理容器１２０と、処理容器１２０内の中央部に配設され、半導体基板１０１を保持し、半導体基板１０１の基板温度を調整するための加熱機構１３２を備えた載置台１３０と、処理容器１２０を排気する排気管１４０とを備えている。尚、ソースガスやキャリアガスは、処理容器１２０内にシャワーヘッド１１０から図示しないマスフローコントローラを介して所定の流量で供給される。また、処理容器１２０は、図示しない真空ポンプにより所定の圧力に維持される。
図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、本発明の発明者が行った、本発明の基礎となる実験を示す。
図２（Ａ）を参照するに、第１工程として、ルテニウム膜３をＲｕ（ＥｔＣｐ）２を原料としたＣＶＤ法により形成した。このとき、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２ガス及び酸素ガスをそれぞれ分圧０．２３Ｐａ及び３．８Ｐａで、ＰＶＤ法によるＰＶＤ・Ｒｕ膜（膜厚１０ｎｍ）とＳｉＯ膜（膜厚１００ｎｍ）を予め形成してあるＳｉ基板１上に供給し、基板温度を３００℃とした。この結果、Ｓｉ基板１の表面に、ＳｉＯ２膜２を介して厚さ３０ｎｍのルテニウム膜３が堆積された。
図２（Ｂ）を参照するに、第２工程として、処理容器内を非酸化雰囲気とし、予備熱処理を行った。本発明の発明者は、基板温度をパラメータとして、３５０℃〜７００℃の基板温度で様々な予備熱処理を行った。同様に、本発明の発明者は、処理時間をパラメータとして様々な予備熱処理を行った。
図２（Ｃ）を参照するに、第３工程として、酸化タンタル膜やＰＺＴ膜の結晶化熱処理で一般的に使われる熱処理（以下、これを「誘電膜用熱処理」という）を行った。即ち、常圧Ｎ２雰囲気の下、基板温度を７００℃の温度とし、処理時間を６０秒とした。
図３の各図及び図４の各図は、前記実験の結果を示す。
図３（Ａ）は、試料を約３０℃傾けてルテニウム膜を観察した、第１工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図３（Ａ）に示すように、成膜時のルテニウム膜は、微細な結晶組織となっている。
図３（Ｂ）は、常圧Ｎ２雰囲気の下、処理温度を４５５℃、処理時間を１８０秒とした第２工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図３（Ｂ）に示すように、予備熱処理後のルテニウム膜は、当該予備熱処理により結晶化し、３０ｎｍ程度の略同一な結晶粒径を有した等粒状の結晶組織となっている。また、図示は省略するが、基板温度を３５０℃〜５００℃とした場合にも、同様の等粒状の結晶組織が確認され、その結晶粒径は８０ｎｍを超えることはなかった。
図３（Ｄ）は、減圧Ｎ２雰囲気０．１Ｔｏｒｒ（１３．３Ｐａ）の下、処理温度を４５０℃、処理時間を１時間とした第２工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図３（Ｄ）から、基板温度を維持し処理時間を長くした場合であっても、ルテニウム膜の結晶は、ある程度結晶成長した段階で安定化し、等粒状の組織を維持することがわかる。
図３（Ｃ）は、予備熱処理を、常圧Ｎ２雰囲気の下、基板温度４５０℃で行った場合の、第３工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図３（Ｃ）から、ルテニウム膜の結晶は、予備熱処理後の状態（図３（Ｂ）参照）から僅かに成長するものの、急激に結晶成長していないことがわかる。
一方、図４（Ａ）は、予備熱処理を行わない場合の、第３工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図４（Ａ）から、ルテニウム膜の結晶が急激に成長して、大きさが不均一な結晶組織となることがわかる。このときの結晶粒は、約１００ｎｍ程度の結晶粒径であり、図３（Ｃ）に示す結晶粒径の大きさと比較して、非常に大きな結晶粒径となっていることがわかる。
図３（Ｃ）の結果から、予備熱処理を施されたルテニウム膜は、誘電膜用熱処理時に急激に結晶成長することはない、即ち再結晶化が効果的に抑制されていることがわかる。これは、ルテニウム膜の結晶が、予備熱処理により等粒状の結晶組織となった段階で安定化したためであると考えられる。尚、予備熱処理の基板温度を３５０℃〜５００℃とした場合にも、図示しない実験結果から、略同等の結果が得られることが確認された。
一方、図４（Ａ）の結果から、予備熱処理を施されていないルテニウム膜は、誘電膜用熱処理時に急激に結晶成長し、当該ルテニウム膜の上に堆積する酸化タンタル膜等の誘電膜の膜質を低下させてしまうことがわかる。
図４（Ｂ）は、予備熱処理を基板温度７００℃で行った場合の、第３工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。図４（Ｂ）に示すように、ルテニウム膜の結晶は、図４（Ａ）に示す結晶組織と略同様に大きさが不均一な結晶組織となり、大きな結晶粒の粒径は約１００ｎｍ程度である。この結果から、予備熱処理の温度が５００℃を超えて高い側に不適正な場合、再結晶は抑制されるが、予備熱処理後の段階で既に大きさが不均一な組織になっているため、平滑性が劣り、誘電膜の下地に平滑性を求めるときには不適切であることがわかる。
尚、図４（Ｃ）は、４５５℃の予備熱処理をＨ２分圧０．５Ｔｏｒｒ（６６．５Ｐａ）の還元雰囲気で３０分行った場合の、第３工程後のルテニウム膜の結晶組織を示すＳＥＭ写真である。この第３工程後のルテニウム膜の結晶には、すべり線が確認された（ＳＥＭ写真の丸印内の部位を図式化した下側の図参照）。これは、還元雰囲気により誘電膜用熱処理することによって、ルテニウム膜の結晶成長の際に発生する歪みが、すべり変形により解放されることを意味する。
図５は、ルテニウム膜の結晶配向のＸＲＤ（Ｘ線回折装置）による計測結果を示し、図５（Ａ）は図３（Ａ）に対応し、図５（Ｂ）は図３（Ｃ）に対応し、図５（Ｃ）は図４（Ａ）に対応する。図５（Ａ）、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）から、誘電膜用熱処理前に予備熱処理を施した場合のルテニウム膜の結晶は、予備熱処理を施すことなく誘電膜用熱処理を施した場合のルテニウム膜の結晶と同様に、（００２）面のピークは何れも十分な強度を保っていることがわかった。即ち、誘電膜用熱処理前に予備熱処理を施すことは、ルテニウム膜の結晶配向に実質的に影響を及ぼさないことが確認された。
［成膜方法］
図６及び図７は、本発明による成膜方法の第１の実施例を示す図である。図６（Ａ）に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１０上に、ゲート絶縁膜１１を介してゲート電極１３を形成し、このゲート電極１３の両脇にソース１４、ドレイン１５を形成する。次いで、ゲート電極１３を覆って半導体基板１０上に層間絶縁膜１６を形成し、この層間絶縁膜１６を貫通して例えばソース１４に接続されるコンタクトプラグ１７を形成する。次いで、この層間絶縁膜１６上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜１８を形成する。
［成膜方法］
図６及び図７は、本発明による成膜方法の第１の実施例を示す図である。図６（Ａ）に示すように、例えばシリコンからなる半導体基板１０上に、ゲート絶縁膜１１を介してゲート電極１３を形成し、このゲート電極１３の両脇にソース１４、ドレイン１５を形成する。次いで、ゲート電極１３を覆って半導体基板１０上に層間絶縁膜１６を形成し、この層間絶縁膜１６を貫通して例えばソース１４に接続されるコンタクトプラグ１７を形成する。次いで、この層間絶縁膜１６上に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁膜１８を形成する。
次いで、所定の処理容器内にこの半導体基板１０を載置し、図６（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜１６上に、例えばルテニウムのような遷移金属、イリジウム若しくは白金からなる金属薄膜層１９を形成する。この金属薄膜層１９は、スパッタリング法等のＰＶＤ法（物理気相成長法）により、金属薄膜層１９の下地として当該金属の薄い層を形成した後、ＣＶＤ法（化学気相成長法）により所望の膜厚まで形成される。
尚、前記金属薄膜層１９としてルテニウム膜を形成する場合、Ｒｕ（ＥｔＣｐ）２ガスをソースガスに用いてよく、或いは、ルテノセン（Ｒｕ（Ｃ５Ｈ５）２）等の他のメタロセン構造を有するルテニウムの有機金属化合物（ビスシクロペンタジエニル鎖塩）や、他のシクロペンタジエニル鎖塩や、これらの誘導体をソースガスに用いてもよい。これらのソースガスは、ＣＶＤ法による成膜時、酸素ガス等と共に、例えば３００℃に加熱された半導体基板１０上に供給される。
このようにして形成された下部電極２０は、後述する誘電膜２１を下部電極２０上に形成する前に、本発明による予備熱処理を施される。この予備熱処理は、好ましくは３５０℃以上５００℃以下の温度条件の下、水素ガスやＮＨ３ガス、若しくはＡｒガスのような不活性ガスを含む非酸化雰囲気（若しくは還元雰囲気）において実施される。この予備熱処理により、下部電極２０（即ち、金属薄膜層１９）を形成する金属（例えば、ルテニウム）の結晶粒は、結晶成長を起こすが、この結晶成長の速度は、結晶粒がある程度の粒径に達した段階で低下する。
次に、図７（Ａ）に示すように、予備熱処理を施された下部電極２０の底面、側面及び絶縁膜１８上に、酸化タンタル膜（Ｔａ２Ｏ５）、ＢＳＴ膜（チタン酸バリウムストロンチウム）、ＰＺＴ膜（ジルコン酸チタン酸鉛）等のような誘電膜２１を、ＣＶＤ法により形成する。このようにして形成された誘電膜２１は、後述する上部電極２３を誘電膜２１上に形成する前に、上述したような誘電膜用熱処理（酸化タンタル膜やＰＺＴ膜の結晶化熱処理で一般的に使われる熱処理）を施される。この誘電膜用熱処理は、およそ６００℃〜７００℃の温度範囲で、Ａｒガスのような不活性ガスを含む不活性雰囲気、若しくは、酸素やＮＯ２等含む酸化雰囲気で実施される。
次いで、図７（Ｂ）に示すように、誘電膜２１上に、上述の図６（Ｂ）と同様に、ルテニウム膜のような金属薄膜層２２を形成する。この後、公知のドライエッチング技術により、金属薄膜層１９、誘電膜２１及び金属薄膜層２２を除去し、図７（Ｃ）に示すように、下部電極２０と、誘電膜２１と、上部電極２３とからなるキャパシタ７０が形成されることになる。
図８及び図９は、本発明による成膜方法の第２の実施例を示す図である。図８（Ａ）に示すように、半導体基板１０上に、ゲート絶縁膜１１を介してゲート電極１３を形成し、このゲート電極１３の両脇にソース１４、ドレイン１５を形成する。次いで、ゲート電極１３を覆って半導体基板１０上に層間絶縁膜１６を形成し、この層間絶縁膜１６を貫通して例えばソース１４に接続されるコンタクトプラグ１７を形成する。次いで、この層間絶縁膜１６上に酸化シリコンからなる絶縁膜１８を形成し、コンタクトプラグ１７上の領域に、公知のフォトリソグラフィ及びエッチング技術により、開口部１８ａを形成する。
次いで、所定の処理容器内にこの半導体基板１０を載置し、図８（Ｂ）に示すように、層間絶縁膜１６上及び開口部１８ａの側面、底面（絶縁膜１８上）に、例えばルテニウムからなる金属薄膜層１９を形成する。この金属薄膜層１９は、例えばリモートプラズマ発生器等により活性化した酸素ガス若しくはＡｒガスを、層間絶縁膜１６及び絶縁膜１８の表面に接触させた後、ＣＶＤ法により所望の膜厚まで形成される。かかる場合、アスペクト比が大きい微細な開口部１８ａの側面に、段差被膜性の良好な金属薄膜層１９が形成される。
このようにして金属薄膜層１９を形成した後、開口部１８ａ以外の絶縁膜１８上の金属薄膜層１９を除去し、図８（Ｃ）に示すように、円筒形状の下部電極２０が、コンタクトプラグ１７上部に接触して開口部１８ａ内に形成されることになる。尚、金属薄膜層１９の除去は、例えばエッチバックや化学的機械的研磨等により実行されてよい。
このようにして形成された下部電極２０は、金属薄膜層１９として形成された後、或いは、下部電極２０として加工された後であって、後述する誘電膜２１を下部電極２０上に形成する前に、第１の実施例と同様に、本発明による予備熱処理を施される。
次に、図９（Ａ）に示すように、予備熱処理を施された下部電極２０の底面、側面及び絶縁膜１８上に誘電膜２１をＣＶＤ法により形成する。このようにして形成された誘電膜２１は、後述する上部電極２３を誘電膜２１上に形成する前に、第１の実施例と同様に、誘電膜用熱処理を施される。
次いで、図９（Ｂ）に示すように、誘電膜２１上に、上述の図８（Ｂ）と同様に、ルテニウム膜のような金属薄膜層２２を形成する。この後、開口部１８ａ上部を覆うレジストパターンを形成し、これをマスクとして誘電膜２１及び金属薄膜層２２を除去し、図９（Ｃ）に示すように、下部電極２０と、誘電膜２１と、上部電極２３とからなる円筒形状のキャパシタ７０が形成されることになる。
以上の各成膜方法において、上述した誘電膜用熱処理は、通常的には、金属薄膜層１９を形成する金属の結晶粒の結晶成長を引き起こすが、上述したように、予備熱処理により金属薄膜層１９の結晶粒は等粒状の構造となり安定化しているので（図３（Ｂ）、図３（Ｃ）参照）、誘電膜用熱処理に起因した結晶成長が大幅に抑制されることになる（図３（Ｄ）参照）。これにより、金属薄膜層１９と誘電膜２１との界面状態の劣化、及び、金属薄膜層１９の結晶成長に伴う金属薄膜層１９上の誘電膜２１の欠陥等が防止される。
また、予備熱処理を還元雰囲気により実施すると、結晶成長に伴う結晶粒のひずみが結晶内の遷移線に沿ったすべりにより除去されるので（図４（Ｃ）参照）、金属薄膜層１９と誘電膜２１との界面状態の劣化、及び、金属薄膜層１９の結晶粒間における空孔の発生が防止される。
尚、前記第１及び第２の実施例の双方において、本発明による予備熱処理は、代替的に、誘電膜２１を下部電極２０上に形成した後に行われてもよい。即ち、本発明による予備熱処理が、誘電膜用熱処理を行う前に実施されている限り、上述したような効果を同等に得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、上述した実施例は、主として下部電極用にルテニウム膜を成膜する成膜装置及び成膜方法に関するものであったが、下部電極にイリジウムを使用する場合にも適用できる。
また、上述した実施例において、予備熱処理の処理時間を例示したが、この処理時間は、予備熱処理の温度や膜の厚さ等に依存するので、本発明はかかる処理時間に限定されるものでないことに注意されたい。
また、上述した実施例の成膜装置は、連続処理が可能なクラスタツール装置に適用してもよい。かかる場合、クラスタツール装置の各処理室は、ルテニウム膜を形成し予備熱処理を実施するための処理室、誘電膜を形成し誘電膜用熱処理を実施するための処理室、その他水分除去室等により構成されてよい。
１０ 半導体基板
１１ ゲート絶縁膜
１３ ゲート電極
１４ ソース
１５ ドレイン
１６ 層間絶縁膜
１７ コンタクトプラグ
１８ 絶縁膜
１８ａ 開口部
１９ 金属薄膜層
２０ 下部電極
２１ 誘電膜
２２ 金属薄膜層
２３ 上部電極
７０ キャパシタ
１００ 成膜装置
１１０ シャワーヘッド
１２０ 処理容器
１３０ 載置台
１３２ 加熱機構
１４０ 排気管
１０１ 半導体基板
１１ ゲート絶縁膜
１３ ゲート電極
１４ ソース
１５ ドレイン
１６ 層間絶縁膜
１７ コンタクトプラグ
１８ 絶縁膜
１８ａ 開口部
１９ 金属薄膜層
２０ 下部電極
２１ 誘電膜
２２ 金属薄膜層
２３ 上部電極
７０ キャパシタ
１００ 成膜装置
１１０ シャワーヘッド
１２０ 処理容器
１３０ 載置台
１３２ 加熱機構
１４０ 排気管
１０１ 半導体基板
Claims (8)
- 金属膜上に誘電膜を形成する成膜方法であって、
金属膜を堆積する金属膜堆積工程と、
前記金属膜上に誘電膜を堆積する誘電膜堆積工程と、
前記金属膜及び前記誘電膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に、前記金属膜に対して該第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする、成膜方法。 - 前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶粒径が略同一に揃って結晶成長するように選択される、請求項１記載の成膜方法。
- 前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶粒径が８０ｎｍ以下になるように選択される、請求項２記載の成膜方法。
- 前記第２の温度は５００℃以下である、請求項３記載の成膜方法。
- 前記熱処理工程では、前記第１の温度は前記金属膜が結晶配向して結晶成長するように選択され、前記予備熱処理工程では、前記第２の温度は前記金属膜の結晶配向が変わらないように選択される、請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の成膜方法。
- 前記非酸化雰囲気は、水素ガスを含む、請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の成膜方法。
- 前記金属膜堆積工程は、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程である、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の成膜方法。
- 半導体基板にキャパシタを形成する方法であって、
前記キャパシタの下部電極として、有機ルテニウム化合物からなる原料ガスと酸素ガスとを用いてルテニウム膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜上に前記キャパシタの誘電膜として金属酸化物膜を化学気相成長する工程と、
前記ルテニウム膜及び前記金属酸化物膜を第１の温度で熱処理する熱処理工程と、
前記熱処理工程の前に前記ルテニウム膜に対して前記第１の温度よりも低い第２の温度で熱処理する予備熱処理工程とを含み、
前記熱処理工程は酸化雰囲気での熱処理からなり、
前記予備熱処理工程は非酸化雰囲気での熱処理のみからなることを特徴とする、キャパシタ形成方法。
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