JP2009158539A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は一般に半導体装置に係り、特に強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention generally relates to semiconductor devices, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor.
強誘電体メモリは電圧駆動される不揮発性半導体メモリ素子であり、高速で動作し、消費電力が小さく、しかも電源を遮断しても保持している情報が消失しない好ましい特性を有している。強誘電体メモリは、すでにICカードや携帯電子機器に使われている。 A ferroelectric memory is a voltage-driven non-volatile semiconductor memory element, which operates at high speed, has low power consumption, and has preferable characteristics that do not lose stored information even when the power is turned off. Ferroelectric memories are already used in IC cards and portable electronic devices.
図1は、いわゆるスタック型とよばれる強誘電体メモリ装置10の構成を示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a so-called stack type
図1を参照するに、強誘電体メモリ装置10はいわゆる1T1C型の装置であり、シリコン基板11上に素子分離領域11Iにより画成された素子領域中11Aに二つのメモリセルトランジスタが、ビット線を共有して形成されている。
Referring to FIG. 1, a
より具体的には、前記シリコン基板11中には前記素子領域11Aとしてn型ウェルが形成されており、前記素子領域11A上には、ポリシリコンゲート電極13Aを有する第1のMOSトランジスタとポリシリコンゲート電極13Bを有する第2のMOSトランジスタが、それぞれゲート絶縁膜12Aおよび12Bを介して形成されている。
More specifically, an n-type well is formed as the
さらに前記シリコン基板11中には、前記ゲート電極13Aの両側壁面に対応してp−型のLDD領域11a,11bが形成されており、また前記ゲート電極13Bの両側壁面に対応してp−型のLDD領域11c,11dが形成されている。ここで前記第1および第2のMOSトランジスタは前記素子領域11A中に共通に形成されているため、同一のp−型拡散領域が、LDD領域11bとLDD領域11cとして共用されている。
The further in the
前記ポリシリコンゲート電極13A上には、シリサイド層14Aが、またポリシリコンゲート電極13B上にはシリサイド層14Bが、それぞれ形成されており、さらに前記ポリシリコンゲート電極13Aの両側壁面および前記ポリシリコンゲート電極13Bの両側壁面上には、それぞれの側壁絶縁膜が形成されている。
A
さらに前記シリコン基板11中には、前記ゲート電極13Aのそれぞれの側壁絶縁膜の外側に、p+型の拡散領域11eおよび11fが形成されており、また前記ゲート電極13Bのそれぞれの側壁絶縁膜の外側には、p+型の拡散領域11gおよび11hが形成されている。ただし、前記拡散領域11fと11gは、同一のp+型拡散領域より構成されている。
Further, in the
さらに前記シリコン基板11上には、前記シリサイド層14Aおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極13Aを覆うように、また前記シリサイド層14Bおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極13Bを覆うように、SiON膜15が形成されており、前記SiON膜15上にはSiO2よりなる層間絶縁膜16が形成されている。さらに前記層間絶縁膜16中には、前記拡散領域11e,11f(従って拡散領域11g),11hをそれぞれ露出するようにコンタクトホール16A,16B,16Cが形成され、前記コンタクトホール16A,16B,16Cには、Ti膜とTiN膜を積層した密着層17a,17b,17cを介して、W(タングステン)よりなるビアプラグ17A,17B,17Cが形成される。
Further, on the
さらに前記層間絶縁膜16上には、前記タングステンプラグ17Aにコンタクトして、下部電極18Aと多結晶強誘電体膜19Aと上部電極20Aを積層した第1の強誘電体キャパシタC1が、また前記タングステンプラグ17Cにコンタクトして、下部電極18Cと多結晶強誘電体膜19Cと上部電極20Cを積層した第2の強誘電体キャパシタC2が形成されている。
Further, on the interlayer
さらに前記層間絶縁膜16上には前記強誘電体キャパシタC1,C2を覆うようにAl2O3よりなる水素バリア膜21が形成され、さらに前記水素バリア膜21上には次の層間絶縁膜22が形成されている。
Further, a
さらに前記層間絶縁膜22中には、前記強誘電体キャパシタC1の上部電極20Aを露出するコンタクトホール22Aと、前記ビアプラグ17Bを露出するコンタクトホール22Bと、前記強誘電体キャパシタC2の上部電極20Cを露出するコンタクトホール22Cが形成され、前記コンタクトホール22A〜22CにはTi膜とTiN膜を積層した密着層23a,23b,23cをそれぞれ介してタングステンプラグ23A,23B,23Cがそれぞれ形成される。
Further, in the
さらに前記層間絶縁膜22上には、前記タングステンプラグ23A,23B,23Cにそれぞれ対応して、Ti/TiN積層構造のバリアメタル膜を伴って、Al配線パターン24A,24B,24Cが形成されている。
Further,
強誘電体メモリでは従来、前記多結晶強誘電体膜19A,19Cとして、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や、SrBi2Ta2O9(SBT、Y1)若しくはSrBi2(Ta、Nb)2O9(SBTN、YZ)、Bi4Ti3O9,(Bi,La)4Ti3O12,BiFeO3などのビスマス層状構造化合物などが使われている。
Conventionally, in the ferroelectric memory, as the polycrystalline
ところで図1のような強誘電体メモリでは、強誘電体キャパシタ絶縁膜となる多結晶強誘電体膜19A,19Cの結晶配向が非常に重要である。PZTなどの強誘電体は正方晶系のペロブスカイト構造を有し、TiやZrなどの金属原子がペロブスカイト構造中でc軸方向に変位することで強誘電性が発現する。そこで、図1の強誘電体メモリ10のように、強誘電体膜を上下電極間に挟持した構成の強誘電体キャパシタでは、電界方向が強誘電体のc軸方向に平行になるように強誘電体膜は(001)配向を有するのが理想的で、前記強誘電体膜が(100)配向を有する場合には、強誘電性は発現しない。
By the way, in the ferroelectric memory as shown in FIG. 1, the crystal orientation of the polycrystalline
しかし、ペロブスカイト膜では、正方晶系とは言っても、c軸とa軸の差はそれほど大きくなく、このため通常の製法で形成したPZT膜では、(001)配向した結晶粒と(100)配向した結晶粒がほぼ同数発生し、その他の方位のものも発生することを考えると、実際に強誘電体キャパシタの動作に寄与する結晶の割合はわずかであった。このような事情から、従来、強誘電体メモリの技術分野では、強誘電体膜19A,19Cを、全体として(111)配向膜として形成し、配向方位を<111>方向にそろえることで、大きなスイッチング電荷量QSWを確保することが行われている。
However, in the perovskite film, the difference between the c-axis and the a-axis is not so large even though it is tetragonal. Therefore, in the PZT film formed by a normal manufacturing method, the (001) -oriented crystal grains and (100) Considering that almost the same number of oriented crystal grains are generated and those with other orientations are also generated, the proportion of crystals that actually contribute to the operation of the ferroelectric capacitor was small. Under such circumstances, conventionally, in the technical field of ferroelectric memory, the
このような事情で強誘電体メモリでは、強誘電体キャパシタの下部電極としてPt膜を自己配向Ti膜などの配向制御膜上に、TiAlN膜などの導電性酸素拡散バリア膜を介して(111)配向で形成し、その上にPZTなどの強誘電体膜を(111)配向で形成している。ここで自己配向Ti膜は、(002)配向を示す。また前記TiAlN酸素拡散バリア膜は、強誘電体膜中の酸素がWプラグ中に侵入するのを抑制する。 Under these circumstances, in a ferroelectric memory, a Pt film as a lower electrode of a ferroelectric capacitor is placed on an orientation control film such as a self-orientation Ti film via a conductive oxygen diffusion barrier film such as a TiAlN film (111). A ferroelectric film such as PZT is formed on the (111) orientation. Here, the self-oriented Ti film exhibits a (002) orientation. Further, the TiAlN oxygen diffusion barrier film suppresses oxygen in the ferroelectric film from entering the W plug.
従来、強誘電体メモリにおいてはこのような多結晶強誘電体膜19A,19Cがスパッタ法あるいはゾルゲル法で形成されていたが、このような強誘電体メモリにおいても微細化および集積密度を向上させる要請が課せられており、このため強誘電体膜をステップカバレッジに優れた有機金属気相堆積法(MOCVD法)により形成する試みがなされている。
Conventionally, in the ferroelectric memory, such polycrystalline
ところがMOCVD法では、強い(111)配向を示す白金(Pt)やイリジウム(Ir)を下部電極18A,18Cに用いて、その上に単純にPZT膜などの多結晶強誘電体膜を成膜しても、前記多結晶強誘電体膜19A,19Cにおいて所望の(111)配向を得ることが出来ない。
However, in MOCVD, platinum (Pt) or iridium (Ir) having a strong (111) orientation is used for the
MOCVD法でPZTなどの強誘電体膜を成膜する場合、少なくとも原料の分解温度以上の温度への加熱が必要であるため、一般的に高温で成膜がなされ、またこれに伴い、形成された強誘電体が成膜と同時に結晶化されるが、図1の構成においてPt膜を下部電極18A,18Cに用いた場合には、MOCVD工程での熱により、下部電極18A,18C中のPtと特にPZT膜19A,19C中のPbが反応し、下部電極18A,18C表面のモフォロジが悪化し、前記多結晶強誘電体膜19A,19Cの(111)配向が妨げられる。
When a ferroelectric film such as PZT is formed by the MOCVD method, it is necessary to heat to a temperature at least higher than the decomposition temperature of the raw material. Therefore, the film is generally formed at a high temperature and is formed accordingly. 1 is crystallized at the same time as the film is formed, but when the Pt film is used for the
また、前記図1の構成において、上記の問題を回避するためIr膜を下部電極18A,18Cとして用いた場合には、Pt膜を使った場合に比べ下部電極18Aあるいは18Cと多結晶強誘電体膜19Aあるいは19Cとの界面での反応は抑制されるが、酸化剤として酸素ガス等を成膜チャンバーに導入するため、下部電極18A,18Cを構成するIr膜の表面が酸化してしまい、多結晶強誘電体膜19A,19Cは、せっかくのIr膜19A,19C(111)配向を引き継ぐことが出来ない。そこで、特許文献1では、初期層(シード層)を用いて、Ir膜よりなる下部電極18A,18C上にMOCVD法でPZT膜を成膜する際に、低い酸素分圧ないし酸素濃度を使い、前記シード層を優先的に(111)配向させている。かかるシード層を形成した後、PZT膜19A,19Cの主要部が、前記シード層の(111)配向を引き継いで、高い酸素分圧下、大きな成膜速度で成膜される。
ところで、このように(111)配向を示す多結晶強誘電体膜19A,19CをMOCVD法で形成する場合、本発明の発明者は、その(111)配向の度合い、すなわち配向率が、図2に示すように、ウェハ毎に大きくばらつく問題を発見した。
By the way, when the polycrystalline
図2を参照するに、縦軸はX線回折により求めた、前記多結晶強誘電体膜19A,19BのPZT(111)面からのX線回折積分強度を、横軸は、順次処理した被処理基板の番号を示しているが、前記PZT(111)のX線回折積分強度の値が、20%近くもばらつくことがわかる。このようなPZT(111)積分強度のばらつきは、前記多結晶強誘電体膜19A,19Cにおいて、(111)配向に大きなばらつきがあることを示している。
Referring to FIG. 2, the vertical axis represents the X-ray diffraction integrated intensity from the PZT (111) plane of the polycrystalline
一の側面によれば本発明は、強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法であって、排気装置により排気される処理容器と、前記処理容器中に原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記処理容器中に、少なくとも第1および第2の雰囲気ガスを混合ガスの形で供給する雰囲気ガスラインと、を備えた有機金属堆積装置を使って行われる有機金属気相堆積法による強誘電体膜の成膜工程を含み、前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、前記強誘電体膜の成膜工程は、(A)前記半導体装置が形成される被処理基板を保持した前記処理容器中の雰囲気を、第1の雰囲気から第2の雰囲気に切り替える工程と、(B)前記処理容器中、前記第2の雰囲気中において前記被処理基板上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインより供給された有機金属化合物を原料として、有機金属気相堆積法により成膜する工程と、を含み、前記工程(B)は、前記工程(A)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 According to one aspect, the present invention is a method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film, a processing container exhausted by an exhaust device, and a source gas supply line for supplying a source gas into the processing container; Ferroelectricity by metal organic vapor phase deposition performed using an organic metal deposition apparatus provided with an atmosphere gas line for supplying at least first and second atmosphere gases in the form of a mixed gas into the processing container A body film forming step, wherein the processing container is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and the source gas and the mixed gas are mixed to form a processing gas, and the processing gas is processed into the processing gas. A mixing / releasing part for discharging into the container, wherein the atmosphere gas line is supplied from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates; The ferroelectric film is formed by the step (A) of changing the atmosphere in the processing container holding the substrate to be processed on which the semiconductor device is formed from the first atmosphere to the second atmosphere. And (B) a ferroelectric film on the substrate to be processed in the second atmosphere in the processing container, using an organometallic compound supplied from the source gas supply line as a raw material, Forming a film by a metal organic vapor phase deposition method, and the step (B) includes a step of supplying the source gas to the processing container after a predetermined gas stabilization time after the step (A). The predetermined gas stabilization time is determined by calculating the total volume V of the atmosphere gas line and the volume of the mixing / releasing part by the flow rate L of the mixed gas in the atmosphere gas line. Less than the time obtained by dividing (V / L) It is set to provide a method of manufacturing a semiconductor device according to claim.
他の側面によれば本発明は、排気装置により排気される処理容器と、前記処理容器中に原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記処理容器中に、少なくとも第1および第2の雰囲気ガスを混合ガスの形で供給する雰囲気ガスラインと、を備えた有機金属堆積装置を使って行われる有機金属気相堆積法による強誘電体膜の成膜工程を含む、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、(A)前記処理容器中に、下部電極を形成された被処理基板を導入する工程と、(B)前記工程(A)の後、前記被処理基板を、前記第1の雰囲気ガスの流量を第1の流量に、前記第2の雰囲気ガスの流量を、ゼロを含む第2の流量に設定した第1の雰囲気中において昇温する工程と、(C)前記工程(B)の後、前記第1の雰囲気ガスの流量を前記第1の流量から第3の流量に減少させ、前記第2の雰囲気ガスの流量を前記第2の流量から第4の流量に増加させることにより、前記第1の雰囲気を第2の雰囲気に切り替える工程と、(D)前記工程(C)の後、前記下部電極上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインから前記処理容器中に前記原料ガスを供給することにより成膜する工程と、を含み、前記工程(D)は、前記工程(C)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。 According to another aspect, the present invention provides a processing container exhausted by an exhaust device, a source gas supply line for supplying a source gas into the processing container, and at least first and second atmospheres in the processing container. A ferroelectric capacitor including a process for forming a ferroelectric film by a metal organic vapor deposition method performed using an organic metal deposition apparatus having an atmosphere gas line for supplying a gas in the form of a mixed gas; In the method of manufacturing a semiconductor device, the processing container is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and the source gas and the mixed gas are mixed to form a processing gas, and the processing gas is processed into the processing gas. A mixing / releasing unit for discharging into the container, wherein the atmosphere gas line is supplied from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates; / A process extending to the discharge part, and (A) introducing a substrate to be processed in which a lower electrode is formed in the processing container; and (B) after the step (A), the substrate to be processed Increasing the temperature in the first atmosphere in which the flow rate of the first atmospheric gas is set to the first flow rate and the flow rate of the second atmospheric gas is set to the second flow rate including zero; C) After the step (B), the flow rate of the first atmospheric gas is decreased from the first flow rate to the third flow rate, and the flow rate of the second atmospheric gas is changed from the second flow rate to the fourth flow rate. And (D) after the step (C), a ferroelectric film is formed on the lower electrode after the step of switching the first atmosphere to the second atmosphere. Forming a film by supplying the raw material gas into the processing container from The step (D) is started by starting the supply of the raw material gas to the processing container after the elapse of a predetermined gas stabilization time after the step (C), and the predetermined gas stabilization time is The volume V of the atmosphere gas line and the volume V of the mixing / discharge section are set to be equal to or longer than the time (V / L) obtained by dividing the sum V by the flow rate L of the mixture gas in the atmosphere gas line. A method of manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明によれば、前記第1および第2の流量制御手段から前記処理容器に供給される第1および第2の雰囲気ガスの流量が変化し、強誘電体膜成膜時の雰囲気が第1の雰囲気から第2の雰囲気に切り替えられる場合に、所定のガス安定化時間経過後に前記強誘電体膜の成膜を開始することにより、前記第1および第2のガスの混合の不均一に起因する膜特性の不均一が効果的に抑制され、被処理基板として多数のウェハを使い、順次強誘電体膜の成膜を行う場合にも、ウェハ毎の強誘電体膜特性、特に結晶配向性がばらつく問題を解消することができる。 According to the present invention, the flow rates of the first and second atmospheric gases supplied from the first and second flow rate control means to the processing vessel change, and the atmosphere during the formation of the ferroelectric film is the first. When the atmosphere is switched from the first atmosphere to the second atmosphere, the film formation of the ferroelectric film is started after a predetermined gas stabilization time has elapsed, resulting in non-uniform mixing of the first and second gases. Even when a large number of wafers are used as the substrate to be processed and the ferroelectric films are sequentially formed, the ferroelectric film characteristics for each wafer, especially the crystal orientation, are effectively suppressed. The problem of variability can be solved.
また本発明によれば、一の被処理基板の成膜が終了し、当該被処理基板が取り出された後、次の被処理基板を処理容器に導入するまでの間に前記処理容器中をパージすることにより、前記処理容器側壁面などに堆積したPbなど、前記強誘電体膜の構成元素のうち高い蒸気圧を有する成分元素が被処理基板の周辺部に堆積し、その上に形成される強誘電体膜の膜質、特に結晶配向を所望の(111)配向からずらしてしまう問題が解消する。 Further, according to the present invention, after the deposition of one substrate to be processed is completed and the substrate to be processed is taken out, the inside of the processing container is purged before the next substrate to be processed is introduced into the processing container. As a result, component elements having a high vapor pressure among the constituent elements of the ferroelectric film, such as Pb deposited on the side wall surface of the processing container, are deposited on the peripheral portion of the substrate to be processed and formed thereon. The problem of shifting the film quality of the ferroelectric film, particularly the crystal orientation, from the desired (111) orientation is solved.
[第1の実施形態]
以下、図3(A)〜(E)を参照しながら、本発明の発明者が行ったMOCVD法による強誘電体キャパシタの作製実験を、本発明の第1の実施形態による強電体キャパシタの製造工程として、説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, referring to FIGS. 3A to 3E, an experiment of manufacturing a ferroelectric capacitor by the MOCVD method performed by the inventor of the present invention will be described, and the manufacturing of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention will be described. The process will be described.
図3(A)を参照するに、図示しないシリコン基板を覆うシリコン酸化膜41上には、(002)配向を有するTi膜42が配向制御膜としてスパッタ法により形成されており、前記配向制御膜42上には、TiAlN膜43が、導電性酸素拡散バリア膜として、反応性スパッタ法により形成されている。なお前記シリコン酸化膜41は、その表面にAl2O3膜を担持していてもよい。
Referring to FIG. 3A, a Ti film 42 having (002) orientation is formed by sputtering as an orientation control film on a
例えば前記Ti膜42は、DCスパッタ装置中において被処理基板とターゲット間の距離を60mmに設定し、圧力が0.15PaのAr雰囲気中、20℃の基板温度で2.6kWのスパッタパワーを5秒間供給することにより形成される。また前記TiAlN膜43は、同じDCスパッタ装置中、TiおよびAlの合金ターゲットを使い、圧力が253.3PaのAr/N2雰囲気中、Arガスを40sccm、窒素ガスを10sccmの流量で供給しながら400℃の基板温度で、1.0kWのスパッタパワーを供給することにより、100nmの膜厚に形成される。
For example, the Ti film 42 has a sputtering power of 2.6 kW at a substrate temperature of 20 ° C. in an Ar atmosphere having a pressure of 0.15 Pa in a DC sputtering apparatus with a distance between the substrate to be processed and the target set to 60 mm. It is formed by supplying for 2 seconds. The
前記Ti膜42は、成膜後、一度窒化させるのが好ましい。Ti膜42をこのように窒化させることにより、後で行われる強誘電体膜の回復熱処理の際に、膜側面からのTiの酸化を抑制することができる。例えばかかる窒化処理を窒素雰囲気中、温度が650℃の急速熱処理で60秒間行うことにより、前記(002)配向を有するTi膜42から(111)配向のTiN下地導電膜42Nが得られる。
The Ti film 42 is preferably nitrided once after film formation. By nitriding the Ti film 42 in this way, oxidation of Ti from the side surface of the film can be suppressed during the subsequent recovery heat treatment of the ferroelectric film. For example, the nitriding treatment is performed in a nitrogen atmosphere by a rapid heat treatment at a temperature of 650 ° C. for 60 seconds, whereby the (111) -oriented TiN base
次に図3(B)の工程において、前記TiAlN膜43上に、厚さが約100nmのIr膜よりなる下部電極膜45が、例えば圧力が0.2PaのAr雰囲気中、550℃の基板温度で0.5kWのスパッタパワーを投入するスパッタ法により形成される。このようにして形成されたIr下部電極膜45は(111)配向を有する。
Next, in the step of FIG. 3B, a
さらに図3(B)の構造は、Ar雰囲気中、650℃の温度で60秒間の急速熱処理を行われ、前記Ir膜45の結晶性が改善され、さらに前記Ir膜45とその下のTiAlN膜との間の密着性が改善される。
Further, the structure of FIG. 3B is subjected to rapid heat treatment at a temperature of 650 ° C. for 60 seconds in an Ar atmosphere to improve the crystallinity of the
次に図3(C)の工程において、前記下部電極45上に、MOCVD法により、第1のPZT膜46がシード層として、約1〜10nm、好ましくは5nm程度の膜厚に形成される。
Next, in the step of FIG. 3C, a
図4は、図3(C)の工程で使われるダウンフロー型の有機金属堆積装置(MOCVD装置)1の概略的構成を示す。 FIG. 4 shows a schematic configuration of a downflow type metal organic deposition apparatus (MOCVD apparatus) 1 used in the process of FIG.
図4を参照するに、MOCVD装置1はAPC(自動圧力制御装置)2Aおよび真空ポンプ2Pを含む排気ライン2により排気される処理容器1Aを含み、前記処理容器1A中には前記図3(B)の状態の基板41を被処理基板Wとして保持するサセプタ1Bが設けられている。前記サセプタ1Bは、図示はしないがその上の被処理基板Wを加熱する加熱手段を含んでいる。
Referring to FIG. 4, the
さらに前記処理容器1A中には前記サセプタ1B上の被処理基板Wに対面してシャワーヘッド1Cが設けられ、前記シャワーヘッド1Cには、酸素ガスとPZTの各構成元素を含む原料ガスがライン3より供給され、前記各種原料ガスを前記処理容器中に放出することにより、前記PZT膜46の成膜がなされる。
Further, a
また前記図4のMOCVD装置1では、Pb,Zr,Tiの有機金属原料を有機溶媒中に溶解された液体状態で保持する原料容器3A〜3Cと溶媒のみを保持する容器3Dとが設けられ、それぞれの液体原料はライン3HからのHeガスにより加圧され、対応する質量流量制御装置3aおよびバルブ3v、対応する質量流量制御装置3bおよびバルブ3w、
対応する質量流量制御装置(MFC)3cおよびバルブ3x、および対応する質量流量制御装置(MFC)3dおよびバルブ3yを介して、ライン4Nより窒素キャリアガスを供給される気化器4に供給される。前記気化器4において前記液体原料が気化される結果、前記気化器4においてはPb,ZrおよびTiの気相原料が形成される。
Further, in the
The nitrogen carrier gas is supplied from the
このようにして形成された気相原料は、前記窒素キャリアガスとともに前記シャワーヘッド1Cに、バルブ4Aおよびライン3を介して供給される。また前記気化器3での気相原料の発生を安定化するため、前記気化器4にはさらにバルブ4Bが設けられ、前記処理容器1Aに前記気相原料を供給しない場合には、前記気相原料は前記切換バルブ4Bからプリフローライン4Pおよび前記真空ポンプ2Pを介して、図示しない除害装置へと捨てられる。
The vapor phase raw material thus formed is supplied to the
より具体的には、Pbの原料として式Pb(C11H19O2)2
であらわされるPb(DPM)2を使い、Zrの原料として式Zr(C9H15O2)4であらわされるZr(dmhd)4を使い、Tiの原料として式Ti(O−C3H7)2(C11H19O2)2であらわされるTi(O−iPr)2(DPM)2やTi(O−iPr)2(DMHD)2を使い、これらの原料を酢酸ブチルやTHF(テトラヒドロフラン)などの溶媒により、いずれも0.1〜0.3mol/lの濃度に溶解し、Pb,Zr,Tiの液体原料を形成する。
More specifically, as a raw material for Pb, the formula Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2
Pb (DPM) 2 represented by the formula, Zr (dmhd) 4 represented by the formula Zr (C 9 H 15 O 2 ) 4 as the Zr raw material, and the formula Ti (O—C 3 H 7 as the Ti raw material. ) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 represented by Ti (O—iPr) 2 (DPM) 2 or Ti (O—iPr) 2 (DMHD) 2 , and these raw materials are used as butyl acetate or THF (tetrahydrofuran). And the like are dissolved in a concentration of 0.1 to 0.3 mol / l to form liquid raw materials of Pb, Zr, and Ti.
さらに、このようにして形成した液体原料は、前記気化器4にて気化されてPb,Zr,Tiの気相原料が形成され、これらがそれぞれの質量流量制御装置5Aおよび5Bよりライン5を介して供給されるArガスおよび酸素ガスとともに前記シャワーヘッド1Cを介して前記処理容器1Aに供給され、前記Arガスおよび酸素ガスの比率により規定される雰囲気中において、前記PZT膜46の成膜がなされる。
Further, the liquid raw material thus formed is vaporized in the
その際、本実施形態では、最初に前記処理容器1A中に被処理基板W、すなわち図3(B)の状態のシリコン基板41を導入し、酸素ガスだけを533Paの圧力下、2000SCCMの流量で導入し、前記被処理基板Wの温度を所定の成膜温度、例えば約620℃の温度まで昇温させる。
At this time, in this embodiment, first, the substrate to be processed W, that is, the
この間は、前記各気相原料は前記バルブ4Bから前記プリフローライン4Pを介して排気ライン2へと捨てられているが、その後、前記バルブ4Bが閉じられると同時に前記バルブ4Aが開かれ、それまでプリフローライン4Pを介して捨てていた前記Pb,Zr,Tiの各気相原料を前記シャワーヘッド1Cへと供給し、前記処理容器1Aに導入する。これにより、前記処理容器1A中において前記被処理基板W上に、前記PZT膜46が、533Paの圧力下、620℃の温度で成膜される。
During this time, the respective vapor phase raw materials are discarded from the valve 4B to the
その際、図3(C)の工程では、前記処理容器1A中に前記ライン5より供給される酸素ガス流量を、成膜前の2000SCCMから625SCCMまで減少させ、同時に前記処理容器1A中に供給されるArガス流量を、成膜前の0SCCMから1375SCCMまで増加させ、前記PZT膜46の成膜を、低い酸素分圧において行う。
At that time, in the process of FIG. 3C, the flow rate of oxygen gas supplied from the
図4のMOCVD装置1の構成は公知であり、さらなる説明は省略する。
The configuration of the
次に、図3(D)の工程において、前記第1の強誘電体膜46上に第2の強誘電体膜47が、前記図4のMOCVD装置1を使ったMOCVD法により、533Paの圧力下、620℃の成膜温度で、ただし前記ライン5より供給される酸素ガス流量を2000SCCMに増加し、前記Arガス流量を0に減少させて形成される。前記PZT膜47は、その下のシード層、すなわち前記PZT膜46の配向を受け継ぎ、同じ配向で成長する。すなわち、PZT膜46が(111)配向していた場合、PZT膜47も(111)配向を有する。
Next, in the step of FIG. 3D, the second
次に図3(E)の工程において、前記PZT膜47上に、PZTとの間に良好な界面を形成するIrOxを使って、上部電極48が、スパッタ法により形成される。本実施形態では前記上部電極48として触媒作用にあるPtの使用を避けており、これにより活性化された水素によるPZT膜46,47の還元が抑制される。
Next, in the step of FIG. 3E, the
より具体的に説明すると、前記図3(D)の工程の後、前記PZT膜47上には、最初に厚さが50nmのIrOx膜がスパッタ法により、例えば300℃の基板温度でArガスおよび酸素ガスを、それぞれ120sccmおよび80sccmの流量で供給し、1〜2kWのスパッタパワーを投入することで、例えば50nmの膜厚に、また成膜時点ですでに結晶化した状態で、形成される。
More specifically, after the step of FIG. 3D, an IrOx film having a thickness of 50 nm is first sputtered on the
次にこのようにして形成されたIrOx膜は、酸素ガスを20sccm,Arガスを2000sccmの流量で供給しながら725℃の温度で60秒間急速熱処理され、完全に結晶化される。またこの急速熱処理により、前記PZT膜46,47中に上部電極48の形成に伴って生じた酸素欠損が補償される。
Next, the IrOx film thus formed is rapidly crystallized at a temperature of 725 ° C. for 60 seconds while supplying oxygen gas at a flow rate of 20 sccm and Ar gas at a flow rate of 2000 sccm, and is completely crystallized. In addition, this rapid heat treatment compensates oxygen vacancies caused by the formation of the
次に、このようにして形成された第1の酸化イリジウム膜(前記IrOx膜)上に、第2の酸化イリジウム膜(IrOy膜)がスパッタ法により、0.8PaのAr雰囲気中、1.0kWのスパッタパワーで100〜300nm、例えば200nmの厚さに形成される。このようにして形成された前記第2の酸化イリジウム膜は、IrO2の化学量論組成に近い組成を有し(x<y≦2)、水素あるいは水に対してIrやPtのような触媒作用を生じることがなく、図3(E)の構造上に多層配線構造を形成した場合にも、PZT膜46,47が、水分を含む層間絶縁膜から放出される水素により還元されてしまう問題が抑制され、強誘電体キャパシタの水素耐性が向上する。
Next, a second iridium oxide film (IrOy film) is formed on the first iridium oxide film (the IrOx film) thus formed by sputtering in an Ar atmosphere of 0.8 Pa by 1.0 kW. With a sputtering power of 100 to 300 nm, for example, a thickness of 200 nm is formed. The second iridium oxide film thus formed has a composition close to the stoichiometric composition of IrO 2 (x <y ≦ 2), and a catalyst such as Ir or Pt with respect to hydrogen or water. Even when the multilayer wiring structure is formed on the structure shown in FIG. 3E without causing an effect, the
前記上部電極48をこのように二層構造とすることにより、前記下層のIrOx膜とその下のPZT膜47との間に優れた密着性が確保され、前記上層のIrOy膜により、上に述べたように強誘電体キャパシタの水素耐性が向上する。
The
なお本実施形態において前記上部電極48として、IrOxの代りにIr,Ru,Rh,Re,Os,Pd、あるいはこれらの酸化物、さらにSrRuO3などの導電性酸化物を使うことも可能である。また前記上部電極48を、これらの金属または導電性酸化物層の積層構造とすることも可能である。
In the present embodiment, Ir, Ru, Rh, Re, Os, Pd, or an oxide thereof, or a conductive oxide such as SrRuO 3 can be used as the
本実施例では、さらに前記上部電極48の表面部分に、図示は省略するがIr膜を形成してもよい。これにより、前記上部電極48を介したH2Oの強誘電体膜46,47への侵入が抑制され、また配線パターンとのコンタクト特性が向上する。
In this embodiment, an Ir film may be formed on the surface of the
図5(A)〜5(C)は、前記図3(C)の工程を詳細に示す。 5 (A) to 5 (C) show the process of FIG. 3 (C) in detail.
図5(A)を参照するに、先に説明したように本実施形態では、最初に前記処理容器1A中に被処理基板W、すなわち図3(B)の状態のシリコン基板41を導入し、酸素ガスだけを533Paの圧力下、2000SCCMの流量で導入し、前記被処理基板Wの温度を所定の成膜温度、例えば約620℃の温度まで昇温させるが、その結果、前記被処理基板Wの表面の(111)配向したIr下部電極層45の表面には、組成がIrOxであらわされる非常に薄いIrの酸化膜45Oxが形成される。前記Ir酸化膜45Ox自体は非晶質であり、結晶配向はない。この状態では、前記図4のMOCVD装置1において前記バルブ4Aが閉じられ前記バルブ4Bが開かれており、前記気化器4で形成された気相原料は、前記プリフローライン4Pおよび前記ポンプを介して図示しない除害装置へと棄てられている。
Referring to FIG. 5A, as described above, in this embodiment, first, the substrate to be processed W, that is, the
次に、図5(B)に示すように前記図5(A)のIr酸化膜45Ox上に前記PZT膜46の成膜を、先に図3(C)で説明したように、前記処理容器1A中に前記ライン5より供給される酸素ガスの流量を、前記MFC5Bを制御して成膜前の2000SCCMから625SCCMまで減少させ、同時に前記処理容器1A中に供給されるArガス流量を、前記MFC5Aを制御して成膜前の0SCCMから1375SCCMまで増加させることにより、低い酸素分圧のAr/O2混合ガス雰囲気中において行う。この場合、図5(C)に示すように前記IrOx膜45Ox中の酸素原子が、酸素欠損を多く含む前記PZT膜46に移動し、前記IrOx膜45Oxが、前記Ir下部電極層45と一体の(111)面を露出したIr膜に変化し、前記PZT膜46が前記Ir膜の(111)面に接する構造が生じる。その際、前記PZT膜46の配向が、前記Ir下部電極45の(111)配向に整合し、PZT膜46は所望の(111)配向を有するようになる。
Next, as shown in FIG. 5 (B), the
このように、図3(C)の工程では、最初に図5(A)に示すように高い酸素分圧でIr下部電極層45表面にIr酸化膜45Oxを形成する必要があり、次いで図5(B)に示すように低い酸素分圧で前記Ir酸化膜45Ox上にPZT膜46を形成する必要がある。
Thus, in the process of FIG. 3C, it is necessary to first form the Ir oxide film 45Ox on the surface of the Ir
さらに図3(D)の工程では、このようにして形成された(111)配向のPZT膜46上に前記PZT膜47を、先にも説明したように前記ライン5より供給される酸素ガスの流量を、前記MFC5Bを制御して2000SCCMに増加させ、前記Arガスの流量を、前記MFC5Aを制御して0に減少させることにより、形成する。
Further, in the step of FIG. 3D, the
図6は、前記図5(A)〜(C)および図3(D)の工程に対応するプロセスレシピの例を示す。 FIG. 6 shows an example of a process recipe corresponding to the steps of FIGS. 5 (A) to 5 (C) and FIG. 3 (D).
図6を参照するに、前記図5(A)の昇温工程では、前記図4に示すMOCVD装置1のMFC5Bより供給される酸素ガスの流量が2000SCCMに設定され、また前記MFC5Aより供給されるArガスの流量が0SCCMに設定、すなわち遮断されており、その結果、前記Ir下部電極層45の表面に、先に図5Aで説明したようにIr酸化膜45Oxが形成される。先にも説明した通り、この状態では前記図4のMOCVD装置1において前記バルブ4Aが閉じられ前記バルブ4Bが開かれており、前記気化器4で形成された気相原料は、前記プリフローライン4Pおよび前記ポンプを介して図示しない除害装置へと棄てられている。
Referring to FIG. 6, in the temperature raising step of FIG. 5A, the flow rate of the oxygen gas supplied from the MFC 5B of the
本実施形態では、さらに前記図5(B)の工程において前記PZT膜46の成膜を、前記MFC5Aより供給されるArのガス流量を、前記MFC5Bより供給される酸素ガスの流量よりも大きい、例えば1375SCCMの値に設定し、前記MFC5Bより供給される前記酸素ガスの流量を、例えば625SCCMの値に設定し、さらに前記気化器4で形成された原料ガスを、前記バルブ4Aを開き前記バルブ4Bを閉じて前記原料ライン3およびシャワーヘッド1Cを介して前記処理容器1Aに供給することにより行う。
In the present embodiment, the formation of the
本発明の発明者は、このような、前記Ir酸化膜45Ox中の酸素原子を前記PZT膜46に移動させることで前記Ir酸化膜45Oxを、その下のIr下部電極層45と一体の(111)配向Ir膜に変換し、さらにこのようにして形成された前記(111)配向Ir膜に接する前記PZT膜46の配向を所望の(111)配向に揃える一連のプロセスでは、前記Ar/O2混合ガス雰囲気の組成の安定が非常に重要であることを見出した。
The inventor of the present invention moves the oxygen atoms in the Ir oxide film 45Ox to the
そこで、前記図6のレシピでは、前記図5(A)の昇温工程(図6中「昇温工程」)と図5(B)のPZT膜46の堆積工程(図6中「第1の膜堆積工程」)の間に、ガス安定化工程(図6中「ガス安定工程1」)が所定時間にわたり設けられており、前記ガス安定化工程1において所定時間が経過するまでは、前記バルブ4Aを開いて前記気化器4から原料ガスを前記処理容器1Aに供給することをしない。
Therefore, in the recipe of FIG. 6, the temperature raising step in FIG. 5A (“temperature raising step” in FIG. 6) and the
すなわち図6のレシピでは、前記所定時間が経過し、前記ガスライン5およびシャワーヘッド1C内において前記Ar/O2混合ガス雰囲気の組成が安定してから、前記図4のMOCVD装置1において前記バルブ4Bを閉じると同時に前記バルブ4Aを開き、前記原料ガスのライン3およびシャワーヘッド1Cへの供給を開始し、前記PZT膜46の堆積を開始する。後で図8を参照しながら説明するが、このようなガス安定化工程1を設けることにより、先に図2で説明したPZT膜46、およびその上のPZT膜47の(111)配向のばらつきの問題を解消することができる。
That is, in the recipe of FIG. 6, after the predetermined time has elapsed and the composition of the Ar / O 2 mixed gas atmosphere is stabilized in the
さらに前記図5(C)の工程の後、図3(D)の工程が実行され、(111)配向を有する前記PZT膜46上に厚いPZT膜47が形成されるが、前記PZT膜47の成膜は、前記MFC5Bにおいて酸素ガス流量を2000SCCMに設定し、さらに前記MFC5AにおいてArガス流量を0SCCMに設定して、換言するとArガスを遮断して、行われるため、前記図6のレシピにおいては、前記「第1の堆積工程」と、前記PZT膜47を堆積する「第2の膜堆積工程」の間に、第2のガス安定化工程(「ガス安定工程2」)が所定時間設けられている。
Further, after the step of FIG. 5C, the step of FIG. 3D is executed to form a
すなわち前記「ガス安定化工程2」では、まず前記「第1の膜堆積工程」の終了と同時に前記図4のMOCVD装置において前記バルブ4Aが閉じられバルブ4Bが開かれ、前記気化器4で形成された原料ガスが、再び前記プリフローラインおよび真空ポンプ2Pを介して棄てられる。さらに前記「ガス安定化工程2」では前記MFC5AのArガス流量の設定が0SCCMに変更され、また前記MFC5Bの酸素ガス流量の設定が2000SCCMに変更される。
That is, in the “
この状態で前記「ガス安定工程2」は所定時間継続され、前記所定時間が経過し、前記PZT膜47の成膜雰囲気が、前記Ar/O2混合ガス雰囲気から酸素雰囲気に変化したところで、前記図4のMOCVD装置1において前記バルブ4Bを閉じると同時に前記バルブ4Aを開き、前記原料ガスのライン3およびシャワーヘッド1Cへの供給を開始し、前記図3(D)の工程に対応する前記PZT膜47の堆積が開始される。
In this state, the “
図7は、前記図6の「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」において、雰囲気の安定化に要する、「所定時間」の見積もりを示す図である。なお図7は、前記図4のMOCVD装置1の構成を簡略化して示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing an estimate of “predetermined time” required for the stabilization of the atmosphere in “
図7を参照するに、前記MFC5AおよびMFC5Bから前記シャワーヘッド1Cに至るライン5の容積をV1とし、さらに前記シャワーヘッド1Cの容積をV2とした場合、前記雰囲気の安定化には、前記ライン5およびシャワーヘッド1C中のガスが入れ替わる必要があることから、前記「所定時間」Tは、
T=(V1+V2)/L
と決定される。ただしLは、前記ライン5中を流れるAr/O2混合ガスあるいは酸素ガスの流量である。
Referring to FIG. 7, when the volume of the
T = (V 1 + V 2 ) / L
Is determined. Here, L is the flow rate of the Ar / O 2 mixed gas or oxygen gas flowing through the
そこで、前記「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」を、それぞれ前記時間T以上の期間にわたり行うことにより、前記PZT膜46の成膜あるいはPZT膜47の成膜を、制御された雰囲気中において行うことが可能となる。その結果、前記PZT膜46の配向が(111)配向に揃い、従ってその上に形成されるPZT膜47の配向も、所望の(111)配向に揃えることが可能となる。
Therefore, by performing the “
例えば、前記容積V1と容積V2の総和が830cm3で、前記ライン5を流れるガス、すなわち前記Ar/O2混合ガスあるいは酸素ガス、の総流量が2000SCCMである場合には、前記時間Tとして、約25秒(=830/2000×60sec)の値が得られ、前記「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」の各々を、25秒間以上の時間行うことにより、前記「第1の膜堆積工程」、「第2の膜堆積工程」の際の雰囲気を安定化することが可能となる。
For example, when the sum of the volume V 1 and the volume V 2 is 830 cm 3 and the total flow rate of the gas flowing through the
図8は、前記図6のレシピにおいて、前記「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」の期間を、以下の表1に示すプロセスシーケンス1〜3に示すように様々に変化させた場合における、前記PZT膜47からの(111)回折強度のウェハ毎の変化を、前記図2の結果と比較して示す図である。ただし図8中、実験「A」は前記図2の実験に対応し、前記表1のシーケンス1に示すように、前記「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」を、いずれも5秒間だけ行った場合を示す。一方、前記図8中、実験「B」および「C」は、それぞれ上記シーケンス2および3に対応し、シーケンス2では前記「ガス安定工程1」を30秒間、また前記「ガス安定工程2」を5秒間行っており、シーケンス3では前記「ガス安定工程1」を30秒間、また前記「ガス安定工程2」も30秒間行っている。前記シーケンス1〜3のいずれにおいても、前記PZT膜46および47の成膜を、前記「ガス安定工程1」および「ガス安定工程2」を除けば、先に図6のレシピに関連して説明したのと同じ条件で行っている。なお、先に説明した図2は、実際には、このように前記PZT膜46,47を、個々の強誘電体キャパシタC1,C2にパターニングする前の状態の膜について求めた結果である。
FIG. 8 shows a case where, in the recipe of FIG. 6, the periods of the “
すなわち、本実施形態によれば、図6のように雰囲気を一の雰囲気から次の雰囲気に切り替えながらPZT膜の成膜を行う場合、前記一の雰囲気と前記次の雰囲気との間に、それぞれの雰囲気ガスをMOCVD装置のシャワーヘッドに供給するガスラインおよびシャワーヘッドの混合室中のガスが入れ替わるに十分な時間だけ、ガス安定化工程を設けることにより、前記次の工程におけるPZT膜の成膜を安定に行うことが可能となり、高い配向率を実現することが可能となる。ここで配向率は、X線回折のθ−2θ法で前記PZT膜47の(001)/(100),(101)/(110)、および(222)面に対応するX線回折ピーク強度を測定し、(222)強度/{(001)/(100)強度+(101)/(110)強度+(222)強度}×100%、に従って計算した値であり、値が大きいほど、強い(111)配向が生じていることを意味する。
That is, according to the present embodiment, when the PZT film is formed while switching the atmosphere from one atmosphere to the next atmosphere as shown in FIG. 6, between the one atmosphere and the next atmosphere, respectively. Of the PZT film in the next step by providing a gas stabilization step for a time sufficient for the gas in the mixing chamber of the shower line and the gas line for supplying the atmospheric gas to the MOCVD apparatus to be replaced Can be stably performed, and a high orientation ratio can be realized. Here, the orientation ratio is the X-ray diffraction peak intensity corresponding to the (001) / (100), (101) / (110), and (222) planes of the
なお、以上の説明は、前記強誘電体膜46,47がPZT膜である場合に限定されるものではなく、ABO3型ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜より構成されていればよく、例えば前記A席を占有する金属元素として、Bi,Pb,Ba,Sr,Ca,Na,K、および希土類元素などを含み、前記B席を占有する金属元素として、Ti,Zr,Nb,Ta,W,Mn,Fe,Co,Crなどを含むものであってもよい。
Note that the above description is not limited to the case where the
また前記導電性酸素バリア膜71はTiAlN膜に限定されるものではなく、Ir膜あるいはRu膜を使うことも可能である。
The conductive
さらに前記配向制御膜70はTi膜あるいはTiN膜に限定されるものではなく、Pt膜、Ir膜、Re膜、Ru膜、Pd膜、Os膜、あるいはこれらの膜を構成する元素の合金より構成することも可能である。また前記配向制御膜70としては、Ti,Al,Ir,Pt,Ru,Pd,Os,Rh,PtOx,IrOx,RuOx,PdOxのいずれかよりなる単層膜または積層膜を使うことが可能である。
Further, the
さらに前記下部電極層45はIrに限定されるものではなく、RuやPtなどより構成することも可能である。
[第2の実施形態]
ところで、前記図8の結果は、20cm径のシリコンウェハ上に前記PZT膜46,47を含む強誘電体キャパシタ構造を、図3(A)〜3(E)の工程により形成した場合の、ウェハ中央部について得られた結果であったが、本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究において、前記PZT(111)面からのX線回折ピーク積分強度について、ウェハ面内分布を調査したところ、図9に示すように、ウェハ周辺部において(111)回折ピークの強度が低下する面内分布が生じていることを見出した。図9の結果は、前記図3(A)〜3(E)に示す工程において、前記図6の最適化されたレシピを使っても、ウェハ周辺部からとられる半導体チップでは、前記PZT膜46,47の配向性が、上記図8で説明したように最適化されているとは必ずしも限らないことを意味している。
Further, the
[Second Embodiment]
Incidentally, the result of FIG. 8 shows that the ferroelectric capacitor structure including the
本発明の発明者は、そこで上記図9のようなPZT膜の結晶配向に生じる面内分布の原因を鋭意調査したところ、図10に示すように、ウェハの周辺部20〜30cm程度の範囲にPb(鉛)よりなる不純物の堆積が生じており、かつ堆積しているPb不純物の量が、ウェハ外周縁に向かって増大する傾向があることを見出した。なお図10は、前記図4のMOCVD装置1においてPZT膜の成膜を、図8のレシピに従って繰り返し行った後、前記処理容器1Aから被処理基板Wを取り出し、新たな試験用ウェハWを導入し、前記図8の「昇温工程」だけを行った場合に、前記試験用ウェハ上に堆積したPb不純物の分布を示している。
The inventor of the present invention conducted an intensive investigation on the cause of the in-plane distribution generated in the crystal orientation of the PZT film as shown in FIG. 9 above, and as shown in FIG. It has been found that the deposition of impurities made of Pb (lead) occurs, and the amount of deposited Pb impurities tends to increase toward the outer periphery of the wafer. In FIG. 10, after the PZT film is formed repeatedly according to the recipe of FIG. 8 in the
図10の関係は、図4のMOCVD装置1において被処理基板W上にPZT膜など、蒸気圧の高いPbを含む強誘電体膜を堆積する際に、前記処理容器1Aの内壁面や、サセプタ1Bの上面のうち、被処理基板Wの周囲の露出部分にPbの堆積が生じ、このような部分に堆積したPbが被処理基板Wとなるウェハの周辺部を前記不純物として汚染していること、また前記PZT膜46や47がこのような不純物上に堆積する結果、その配向性が所望の(111)配向からずれることを示している。なおPbは、PZT膜の成膜につかわれる550℃の温度では、10-4Torr台の蒸気圧を有することに注意すべきである。
The relationship of FIG. 10 is that when depositing a ferroelectric film containing Pb having a high vapor pressure, such as a PZT film, on the substrate W to be processed in the
そこで本実施形態は、一のウェハの処理が終了し、ウェハが取り出された後で、かつ次のウェハ処理の開始前に、前記処理容器1Aの内部をパージにより清浄化する工程を設け、このようなパージ工程の後、次のウェハを前記処理容器1A中に導入する半導体装置の製造方法を提供する。
Therefore, in the present embodiment, after the processing of one wafer is completed and the wafer is taken out, and before the start of the next wafer processing, a process of purging the inside of the
図11は、このようなパージ工程を含む本実施形態によるPZT膜46,47の成膜工程で使われる圧力レシピの例を、図12は、図11のレシピが適用される前記図4のMOCVD装置1を、基板搬送系まで含めて示す。図12中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
FIG. 11 shows an example of a pressure recipe used in the film forming process of the
最初に図12を参照するに、本実施形態では前記MOCVD装置1の処理容器1Aは枚葉式基板処理装置の一部を構成し、ゲートバルブ6Gを介して真空搬送室6に結合されており、前記真空搬送室6にはロードロック室7に、ゲートバルブ7Gを介して結合されている。
First, referring to FIG. 12, in the present embodiment, the
図11のレシピを参照するに、最初に「ウェハ導入、O2ガス導入」工程において前記処理装置1の処理容器1Aに被処理基板Wが真空搬送室6より導入され、圧力が533Paまで昇圧され、前記図6の「昇温工程」が実行される。さらに図6の雰囲気切り替えおよび「ガス安定化工程1」に対応する「Ar/O2ガス切り替え+安定化」の工程の後、前記図6のレシピにおける「第1の膜堆積工程」、「ガス安定化工程2」および「」第2の膜堆積工程」に対応する「堆積工程第1、第2」が実行され、その後、前記図4あるいは図12のMOCVD装置1において前記バルブ4Aを閉じバルブ4Bを開くことにより原料ガスの処理容器1Aへの供給が遮断される。さらに「O2+Arガス停止、ウェハ取出し」の工程において、前記MFC5AおよびMFC5BからのArガスおよび酸素ガスの供給が遮断され、前記ゲートバルブ6Gを開き、前記処理容器1A中の被処理基板Wが前記真空搬送室6へと取り出される。取り出された被処理基板Wはさらにゲートバルブ7Gを開くことにより、前記真空搬送室6からロードロック室7に戻され、一方前記ロードロック室7で待機していた次の被処理基板W’が、前記ゲートバルブ7Gを通って真空搬送室6に導入され、待機する。
Referring to the recipe of FIG. 11, first, in the “wafer introduction, O 2 gas introduction” step, the substrate W to be processed is introduced into the
さらに、前記「ウェハ導入、O2ガス導入」工程から「O2+Arガス停止、ウェハ取出し」までの工程を、前記待機中の次の被処理基板W’に対して実行することにより、前記PZT膜46,47が、前記被処理基板W’の表面に形成される。
Furthermore, by performing the steps from the “wafer introduction, O 2 gas introduction” step to “O 2 + Ar gas stop, wafer removal” with respect to the next substrate to be processed W ′ on standby, the
さて、図11のレシピでは、前記「O2+Arガス停止、ウェハ取出し」工程において、このように被処理基板Wが取り出された後、前記ゲートバルブ6Gが閉じられ、前記処理容器1Aの内部が、前記真空ポンプ2Pにより、前記PZT膜46,47の堆積に使われた圧力(533Pa)よりも低い、例えば10-1Pa程度の圧力まで減圧され、前記処理容器1Aの内部を例えば60秒間以上排気することにより、前記処理容器1Aの真空パージ(「処理容器パージ工程」)が行われる。
In the recipe of FIG. 11, in the “O 2 + Ar gas stop, wafer removal” step, after the substrate W is taken out in this way, the gate valve 6G is closed, and the inside of the
図13は、このような真空パージを30秒間、60秒間および120秒間行った後、次の被処理基板W’を前記処理容器1Aに導入し、前記次の被処理基板W’上に前記PZT膜46および47の成膜を同様に行った場合の、PZT(111)面からのX線回折ピークの積分強度の面内分布を求めた結果を示す。なお、図中「30secパージ」とあるのは、前記図9に示した面内分布である。
In FIG. 13, after performing such vacuum purging for 30 seconds, 60 seconds and 120 seconds, the next substrate to be processed W ′ is introduced into the
図13を参照するに、図11のレシピにおける「処理容器パージ工程」が30秒間では、ウェハ周辺部の幅が30mm程度の領域においてPZT膜46,47の(111)配向率が大きく低下しており、この領域においては前記図14で示したようなPbの堆積が生じているものと考えられるが、前記「処理容器パージ工程」を60秒間行うだけで、前記面内不均一は大きく改善され、前記「処理容器パージ工程」を120秒間行うと、前記面内不均一は、実質的に完全に除去できることがわかる。
Referring to FIG. 13, when the “processing vessel purge process” in the recipe of FIG. 11 is performed for 30 seconds, the (111) orientation ratio of the
図14は、前記図11のレシピにおいて、前記「処理容器パージ工程」を120秒間行い、その後で前記次の被処理基板W’を前記処理容器1Aに導入し、「昇温工程」までを行った場合の、前記被処理基板W’表面におけるPbの分布を、先に図10で説明した分布と比較して示す図である。図10と同様に、図14はPbの分布を、幅が30mmの外周部について示している。
FIG. 14 shows the recipe of FIG. 11 in which the “processing container purging process” is performed for 120 seconds, and then the next substrate to be processed W ′ is introduced into the
図14を参照するに、「対照標準」とあるのは、前記図10に示した分布であり、前記「処理容器パージ工程」を行わない場合を、「本発明」とあるのは、前記「処理容器パージ工程」を120秒間、先に説明したように10-1Paの圧力で行った場合を示す。 Referring to FIG. 14, the “control standard” is the distribution shown in FIG. 10, and the “invention” is the case where the “processing vessel purge step” is not performed. The case where the “processing vessel purge step” is performed for 120 seconds at a pressure of 10 −1 Pa as described above is shown.
図14を参照するに、このようなパージ工程を行うことにより、被処理基板上に、PZT膜の成膜に先立って堆積してしまうPb粒子の割合を著しく低減させることが可能となることがわかる。 Referring to FIG. 14, by performing such a purging step, it is possible to significantly reduce the proportion of Pb particles that are deposited on the substrate to be processed prior to the formation of the PZT film. Recognize.
なお、図11のレシピにおいて、前記「処理容器パージ工程」は、単純に前記処理容器11を真空パージするものから、図15に示すように、最初に処理容器内の圧力を、PZT膜46,47cの成膜時の圧力よりも一時的に増大させ、その後で前記図11のレシピのように減圧するように変形することも可能である。図11のレシピでは、前記「処理容器パージ工程」中において一時的に圧力が増大するため、真空ポンプ2Pによる排気効率が向上する。
In the recipe of FIG. 11, the “processing vessel purge step” starts from vacuum purging the
あるいは図11のレシピにおいて、図16に示すように、前記「処理容器パージ工程」の間、前記サセプタ1Bの温度を、前記PZT膜46,47の成膜時の温度、例えば620℃から、より高い、例えば650℃に昇温することも可能である。このように「処理容器パージ工程」の際にサセプタ温度を昇温させることにより、前記サセプタ上に堆積し、被処理基板を汚染するPb不純物の気化が促進され、パージ効率が向上する。
Alternatively, in the recipe of FIG. 11, as shown in FIG. 16, the temperature of the
あるいは図11のレシピにおいて、図17に示すように、前記「処理容器パージ工程」の間、前記処理容器1Aの圧力を、前記図11のレシピと同様に、PZT膜46,47の成膜時の533Pa以下の、例えば10-1Pa以下の圧力まで減圧すると同時に、前記MFC5AよりArガスを、例えば1000SCCMの流量で供給し、前記処理容器1A内部をArガスによりパージしてもよい。かかる構成によれば、前記処理容器1A内部のパージ効率を向上させることが可能となる。
[第3の実施形態]
以下、本発明の第3の実施形態による強誘電体メモリの製造工程を、図18A〜18Vを参照しながら説明する。
Alternatively, in the recipe of FIG. 11, as shown in FIG. 17, during the “processing container purge step”, the pressure of the
[Third Embodiment]
Hereinafter, a manufacturing process of the ferroelectric memory according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図18Aを参照するに、シリコン基板61中には素子領域61Aとしてn型ウェルが形成されており、前記素子領域61A上には、ポリシリコンゲート電極63Aを有する第1のMOSトランジスタとポリシリコンゲート電極63Bを有する第2のMOSトランジスタが、それぞれゲート絶縁膜62Aおよび62Bを介して形成されている。
Referring to FIG. 18A, an n-type well is formed as an
さらに前記シリコン基板61中には、前記ゲート電極63Aの両側壁面に対応してp−型のLDD領域61a,61bが形成されており、また前記ゲート電極13Bの両側壁面に対応してp−型のLDD領域61c,61dが形成されている。ここで前記第1および第2のMOSトランジスタは前記素子領域61A中に共通に形成されているため、同一のp−型拡散領域が、前記LDD領域61bとLDD領域61cとして共用されている。
The further in the
前記ポリシリコンゲート電極63A上には、シリサイド層64Aが、またポリシリコンゲート電極63B上にはシリサイド層64Bが、それぞれ形成されており、さらに前記ポリシリコンゲート電極63Aの両側壁面および前記ポリシリコンゲート電極63Bの両側壁面上には、それぞれの側壁絶縁膜が形成されている。
A
さらに前記シリコン基板61中には、前記ゲート電極63Aのそれぞれの側壁絶縁膜の外側に、p+型の拡散領域61eおよび61fが形成されており、また前記ゲート電極63Bのそれぞれの側壁絶縁膜の外側には、p+型の拡散領域61gおよび61hが形成されている。ただし、前記拡散領域61fと61gは、同一のp+型拡散領域より構成されている。
Further, in the
さらに前記シリコン基板61上には、前記シリサイド層64Aおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極63Aを覆うように、また前記シリサイド層64Bおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極63Bを覆うように、SiON膜65が例えば200nmの厚さに形成されており、前記SiON膜65上にはSiO2よりなる層間絶縁膜66が、TEOSを原料としたプラズマCVD法により、例えば1000nmの厚さに形成されている。さらに前記層間絶縁膜66はCMP法により平坦化され、さらに前記層間絶縁膜66中に、前記拡散領域61e,61f(従って拡散領域61g),61hをそれぞれ露出するようにコンタクトホール66A,66B,66Cが形成される。前記コンタクトホール66A,66B,66Cには、厚さが30nmのTi膜と厚さが20nmのTiN膜を積層した密着層67a,67b,67cを介して、W(タングステン)よりなるビアプラグ67A,67B,67Cが形成される。
Further, on the
さらに図18Aの構造では前記層間絶縁膜66上に、厚さが例えば130nmの別のSiON膜67を介してシリコン酸化膜よりなる次の層間絶縁膜68が、前記層間絶縁膜66と同様にしてTEOSを原料とするプラズマCVD法により、例えば300nmの厚さに形成されている。ここで前記SiON膜67に代わりにSiN膜あるいはAl2O3膜を使うことも可能である。
Further, in the structure of FIG. 18A, the next
次に図18Bの工程において前記層間絶縁膜68中に、前記ビアプラグ67A,67Cを露出するビアホール68A,68Cがそれぞれ形成され、前記ビアホール68Aにはタングステンよりなり前記ビアプラグ67Aとコンタクトするように、ビアプラグ69Aが、前記密着層67aと同様なTi膜とTiN膜を積層した密着層69aを介して形成される。また前記ビアホール68Cにはタングステンよりなり前記ビアプラグ67Cとコンタクトするようにビアプラグ69Cが、前記密着層67cと同様なTi膜とTiN膜を積層した密着層69cを介して形成される。
Next, in the step of FIG. 18B, via holes 68A and 68C that expose the via plugs 67A and 67C are formed in the
次に図18Cの工程において、前記層間絶縁膜68の表面をNH3プラズマで処理し、NH基を前記層間絶縁膜68表面の酸素原子に結合させ、次いでTi膜70がスパッタ法により、前記層間絶縁膜68上に前記ビアプラグ69A,69Bを覆うように、例えば先の図3(A)のTi膜42と同様な条件で、例えば20nmの厚さに形成される。前記層間絶縁膜68の表面をこのようにNH3プラズマで処理しておくことにより、前記層間絶縁膜68表面の酸素原子はNH基により終端され、Ti原子と優先的に結合してその配向を規制することがないため、前記Ti膜70は理想的な(002)配向を有する。
Next, in the step of FIG. 18C, the surface of the
さらに図18Cでは、前記Ti膜70を窒素雰囲気中、650℃の温度で急速熱処理し、(111)配向のTiN膜70に変換する。
Further, in FIG. 18C, the
次に図18Dの工程において、前記TiN膜70上にTiAlN膜71を、酸素拡散バリアとして、前記図3(A)のTiAlN膜43と同様な条件で形成し、さらに図14Eの工程で、前記TiAlN膜71上に前記図3(B)の下部電極45と同様に、厚さが約100nmのIr膜がスパッタ法により積層され、下部電極層73が形成される。
Next, in the process of FIG. 18D, a
次に前記図18Fの工程において、前記図14EのIr下部電極73上に、前記図3(C)、および図5(A)〜(C)の工程と同様にして第1のPZT膜74AがMOCVD法により、533Paの圧力下、620℃の成膜温度で、前記図6のレシピに従って、1〜50nmの膜厚に堆積される。
Next, in the step of FIG. 18F, the
さらに図18Gの工程において、前記第1のPZT膜74A上に第2のPZT膜74Bが、前記図3(D)のPZT膜47と同様にMOCVD法により、533Paの圧力下、620℃の成膜温度で、前記図6のレシピに従って、例えば80nmの膜厚に形成される。
Further, in the step of FIG. 18G, the
先にも説明したように、このようにして形成されたPZT膜74Aは強い(111)配向を示し、そのため、その上に形成されたPZT膜74Bも前記PZT膜74Aの強い(111)配向を継承する。
As described above, the
なお、先にも説明したように、前記下部電極層73はIr以外に、Pt,Ru,Rh,Re,Osなどの貴金属より形成されてもよく、その場合には、前記第1のPZT膜74A中には、前記下部電極膜73を構成する金属元素が含まれる。
As described above, the
次に図18Hの工程において、前記PZT膜74B上に、酸化イリジウムよりなる上部電極76を形成する。
Next, in the step of FIG. 18H, an upper electrode 76 made of iridium oxide is formed on the
より具体的には、最初に前記PZT膜74B上に厚さが50nmで非化学量論組成IrOx膜を有する第1の酸化イリジウム膜を、成膜の時点で結晶化するように、スパッタ法により形成する。たとえば、前記第1の酸化イリジウム膜の成膜は、300℃の成膜温度でArガスおよび酸素ガスをそれぞれ100SCCMの流量で供給しながら、Irターゲットを1〜2kWのパワーでスパッタすることにより実行される。前記第1の酸化イリジウム膜を非化学量論組成に形成することにより、その下のPZT膜74B中の過剰なPbが前記第1の酸化イリジウム膜中に吸収され、PZT膜74Bと上部電極76との界面での剥離の問題が解消される。
More specifically, first, a first iridium oxide film having a non-stoichiometric composition IrOx film on the
さらに図18Hの工程では、このようにして得られた第1の酸化イリジウム膜を、酸素ガスを20SCCMの流量で供給し、Arガスを2000SCCMの流量で供給した雰囲気中において、725℃の温度で60秒間急速熱処理し、前記第1の酸化イリジウム膜のプラズマダメージを回復させる。また同時に、前記PZT膜74A,74Bの酸素欠損が補償され、同時にPZT膜74A,74Bが完全に結晶化する。
Further, in the process of FIG. 18H, the first iridium oxide film thus obtained is supplied at a temperature of 725 ° C. in an atmosphere in which oxygen gas is supplied at a flow rate of 20 SCCM and Ar gas is supplied at a flow rate of 2000 SCCM. Rapid heat treatment is performed for 60 seconds to recover the plasma damage of the first iridium oxide film. At the same time, oxygen vacancies in the
さらに前記図18Hの工程では、このようにして形成された非化学量論組成の第1の酸化イリジウム膜上に第2の酸化イリジウム膜を、0.8Paの圧力下、1.0kWのパワーでスパッタすることにより、100〜300nmの膜厚を有するように、また前記第1の酸化イリジウム膜よりも化学量論組成に近い組成を有するように形成される。これにより、前記PZT膜74A,74BがIrの触媒作用により発生する水素ラジカルにより還元される問題が軽減され、形成される強誘電体キャパシタの水素耐性が向上する。なお、前記上部電極76としては、酸化イリジウムの代わりに、Ir,Ru,Rh,Re,Os,Pd、あるいはこれらの導電性酸化物、あるいはSrRuO3などの導電性酸化物、あるいはこれらの積層体を使うことが可能である。
Further, in the step of FIG. 18H, the second iridium oxide film is formed on the first iridium oxide film having the non-stoichiometric composition thus formed at a power of 1.0 kW under a pressure of 0.8 Pa. By sputtering, it is formed to have a film thickness of 100 to 300 nm and to have a composition closer to the stoichiometric composition than the first iridium oxide film. As a result, the problem that the
さらに図18Hの上部電極76では、図示はしないが前記第2の酸化イリジウム膜上に、水素バリア膜および導電性向上膜として、Ir膜が、スパッタ法により、Ar雰囲気中、1Paの圧力下、1.0kWのパワーで50〜100nmの膜厚に堆積されている。前記水素バリア膜としては、Ir膜の他にRu膜、Rh膜、Pd膜などを使うことも可能である。 Further, in the upper electrode 76 of FIG. 18H, although not shown, an Ir film as a hydrogen barrier film and a conductivity improving film is formed on the second iridium oxide film by sputtering in an Ar atmosphere under a pressure of 1 Pa. The film is deposited to a thickness of 50 to 100 nm with a power of 1.0 kW. As the hydrogen barrier film, it is possible to use a Ru film, a Rh film, a Pd film, or the like in addition to the Ir film.
次に、図18Hの工程の後、基板背面洗浄を行い、さらに図18Iの工程において、前記上部電極76上に、TiAlN膜77とシリコン酸化膜78が、それぞれ反応性スパッタ法およびTEOS原料を使ったプラズマCVD法により、ハードマスク層として形成される。 Next, after the step of FIG. 18H, the substrate back surface is cleaned, and in the step of FIG. 18I, the TiAlN film 77 and the silicon oxide film 78 are respectively formed on the upper electrode 76 using the reactive sputtering method and the TEOS raw material. A hard mask layer is formed by plasma CVD.
さらに図18Jの工程で前記シリコン酸化膜78がパターニングされ、所望の強誘電体キャパシタC1,C2に対応したハードマスクパターン78A,78Cが形成される。
Further, in the step of FIG. 18J, the silicon oxide film 78 is patterned to form
さらに次の図18Kの工程において、前記ハードマスクパターン78A,78Bをマスクに、その下のTiAlN膜77,上部電極層76,PZT膜74,75、下部電極層73、およびAl2O3膜が、前記TiAlN膜71が露出するまで、HBr,O2,ArおよびC4F8を使ったドライエッチングによりパターニングされ、前記ハードマスクパターン78Aの下に前記強誘電体キャパシタC1に対応して、下部電極層73,PZT膜74A,74B,上部電極層76およびTiAlNマスクパターン77Aを積層した構造が、また前記ハードマスクパターン76Cの下に前記強誘電体キャパシタC2に対応して、下部電極パターン層73,PZT膜74A,74B,上部電極層76およびTiAlNマスクパターン77Cを積層した構造が得られる。
In the next step of FIG. 18K, the TiAlN film 77, the upper electrode layer 76, the PZT films 74 and 75, the
次に図18Lの工程で、前記ハードマスクパターン78A,78Cがドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去され、図18Mの工程において前記強誘電体キャパシタC1,C2をマスクに、前記層間絶縁膜68上のTiN膜70およびその上のTiAlN膜71がドライエッチングにより除去され、前記キャパシタC1、C2の各々において、前記下部電極層73の下に、TiNパターン70AおよびTiAlNパターン71Aを積層した構造が形成される。
Next, in the step of FIG. 18L, the
さらに図18Nの工程で、前記図18Mの工程で露出した前記層間絶縁膜68上に、前記強誘電体キャパシタC1およびC2の側壁面および上面を連続して覆うように非常に薄い、膜厚が20nm以下のAl2O3膜79が、水素バリア膜としてスパッタ法あるいはALD法により形成され、次いで図18Oの工程で、酸素雰囲気中、550〜750℃、例えば650℃で熱処理を行うことにより、前記強誘電体キャパシタC1,C2中のPZT膜74A,74Bにおいて、図18Mのドライエッチング工程などで生じたダメージを回復させる。
Further, in the step of FIG. 18N, the
さらに図18Pの工程において前記図18OのAl2O3膜79上に次のAl2O3膜80がMOCVD法により例えば20nmの膜厚に、やはり水素バリア膜として形成され、さらに図18Qの工程において、このようにして形成されたAl2O3水素バリア膜79,80を覆うように、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜81が、TEOSと酸素とヘリウムの混合ガスを原料としたプラズマCVD法により1500nmの膜厚に形成される。図18Qの工程では、このようにして形成された層間絶縁膜81の表面をCMP法により平坦化した後、N2Oまたは窒素ガスを用いたプラズマ中で熱処理し、前記層間絶縁膜81中の水分を除去する。さらに図18Qの工程では、前記層間絶縁膜81上にAl2O3膜82が水素バリア膜として、スパッタまたはMOCVD法により20〜100nmの厚さに形成される。図18Qの工程では前記層間絶縁膜81は、CMP法による平坦化工程の結果、例えば700nmの膜厚を有する。
Further, in the step of FIG. 18P, the next Al 2 O 3 film 80 is formed on the Al 2 O 3 film 79 of FIG. 18O to a film thickness of, for example, 20 nm by the MOCVD method. In the plasma CVD method, an interlayer insulating film 81 made of a silicon oxide film is formed by using a mixed gas of TEOS, oxygen and helium so as to cover the Al 2 O 3
次に図18Rの工程において前記水素バリア膜82上には、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜83が、TEOS原料のプラズマCVD法により300〜500nmの膜厚に形成され、図18Sの工程において、前記層間絶縁膜83中に前記強誘電体キャパシタC1の上部電極76Aを露出するビアホール83Aおよび前記強誘電体キャパシタC2の上部電極76Cを露出するビアホール83Cが形成される。
Next, in the step of FIG. 18R, an
さらに図18Sの工程では、このようにして形成されたビアホール83Aおよび83Cを介して酸化雰囲気中で熱処理を行い、前記PZT膜74A,75A,および74C,75Cに、かかるビアホール形成工程に伴って生じた酸素欠損を補償する。
Further, in the step of FIG. 18S, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere through the via
次いで前記ビアホール83A,83Cの底面および内壁面を、TiNの単層膜よりなるバリアメタル膜84a,84cによりそれぞれ覆い、さらに前記ビアホール83Aをタングステンプラグ84Aにより、また前記ビアホール83Cをタングステンプラグ84Cにより充填する。
Next, the bottom and inner wall surfaces of the via holes 83A and 83C are respectively covered with
さらに前記タングステンプラグ84A,84Cの形成の後、前記層間絶縁膜83中に前記ビアプラグ67Bを露出するビアホール83Bを形成し、これをタングステンビアプラグ84Bで充填する。なお前記タングステンビアプラグ84Bは通常のように、Ti/TiN積層構造の密着膜84bを伴っている。
Further, after the formation of the tungsten plugs 84A and 84C, a via
さらに図18Tの工程において、前記層間絶縁膜83上に、前記ビアプラグ84Aに対応してAlCu合金よりなる配線パターン85Aが、Ti/TiN積層構造の密着膜85a,85dに挟持された形で、前記ビアプラグ84Bに対応してAlCu合金よりなる配線パターン85Bが、Ti/TiN積層構造の密着膜85b,85eに挟持された形で、さらに前記ビアプラグ85Cに対応してAlCu合金よりなる配線パターン85Cが、Ti/TiN積層構造の密着膜85c,85fに挟持された形で、形成される。
Further, in the step of FIG. 18T, a
また前記図18Tの構造上に、必要に応じてさらなる配線層が形成される。 Further, a further wiring layer is formed on the structure of FIG. 18T as necessary.
先にも述べたように、前記第1のPZT膜74Aに含まれる金属元素はIrに限定されることはなく、ペロブスカイト構造のB席に入り正方晶系のPZT単位格子をより立方晶系に近づけるようなイオン半径を有するRu、Rh,Re,Os,Pdなどを使うことも可能である。
As described above, the metal element contained in the
またその際、前記PZT膜74Aへのこれら金属元素の導入は、下部電極からの拡散に限定されるものではなく、例えばイオン注入や、前記第1の実施形態の変形例で説明したように、成膜時にIr原料を同時に供給することで導入することも可能である。
At this time, the introduction of these metal elements into the
なお本実施形態において強誘電体膜74A,74BはPZT膜としたが、Laを含むPLZT膜であってもよい。
In this embodiment, the
さらに前記強誘電体膜74A,74BはPZT膜に限定されることはなく、Pbを含むABO3型ペロブスカイト構造を有する強誘電体膜より構成されていればよく、例えば前記A席を占有する金属元素として、Bi,Pb,Ba,Sr,Ca,Na,K、および希土類元素などを含み、前記B席を占有する金属元素として、Ti,Zr,Nb,Ta,W,Mn,Fe,Co,Crなどを含むものであってもよい。
Further, the
また前記導電性酸素バリア膜71はTiAlN膜に限定されるものではなく、Ir膜あるいはRu膜を使うことも可能である。
The conductive
さらに前記配向制御膜70はTi膜あるいはTiN膜に限定されるものではなく、Pt膜、Ir膜、Re膜、Ru膜、Pd膜、Os膜、あるいはこれらの膜を構成する元素の合金より構成することも可能である。また前記配向制御膜70としては、Ti,Al,Ir,Pt,Ru,Pd,Os,Rh,PtOx,IrOx,RuOx,PdOxのいずれかよりなる単層膜または積層膜を使うことが可能である。
Further, the
さらに、このような強誘電体メモリの製造を、前記図4および図12で説明したMOCVD装置1を使って多数のシリコンウェハ上に次々と実施する場合、一のシリコンウェハの処理が終了し、前記シリコンウェハが取り出された時点で、前記MOCVD装置1の処理容器を、前記図11あるいは図15〜17のレシピに従ってパージすることにより、次に処理されるシリコンウェハ上におけるPZT膜46,47において、(111)配向の面内分布を向上させることが可能となる。
Further, when such a ferroelectric memory is manufactured one after another on a large number of silicon wafers using the
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法であって、
排気装置により排気される処理容器と、前記処理容器中に原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記処理容器中に、少なくとも第1および第2の雰囲気ガスを混合ガスの形で供給する雰囲気ガスラインと、を備えた有機金属堆積装置を使って行われる有機金属気相堆積法による強誘電体膜の成膜工程を含み、
前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、
前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、
前記強誘電体膜の成膜工程は、
(A)前記半導体装置が形成される被処理基板を保持した前記処理容器中の雰囲気を、第1の雰囲気から第2の雰囲気に切り替える工程と、
(B)前記処理容器中、前記第2の雰囲気中において前記被処理基板上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインより供給された有機金属化合物を原料として、有機金属気相堆積法により成膜する工程と、を含み、
前記工程(B)は、前記工程(A)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、
前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2)
排気装置により排気される処理容器と、前記処理容器中に原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記処理容器中に、少なくとも第1および第2の雰囲気ガスを混合ガスの形で供給する雰囲気ガスラインと、を備えた有機金属堆積装置を使って行われる有機金属気相堆積法による強誘電体膜の成膜工程を含む、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、
前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、
(A)前記処理容器中に、下部電極を形成された被処理基板を導入する工程と、
(B)前記工程(A)の後、前記被処理基板を、前記第1の雰囲気ガスの流量を第1の流量に、前記第2の雰囲気ガスの流量を、ゼロを含む第2の流量に設定した第1の雰囲気中において昇温する工程と、
(C)前記工程(B)の後、前記第1の雰囲気ガスの流量を前記第1の流量から第3の流量に減少させ、前記第2の雰囲気ガスの流量を前記第2の流量から第4の流量に増加させることにより、前記第1の雰囲気を第2の雰囲気に切り替える工程と、
(D)前記工程(C)の後、前記下部電極上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインから前記処理容器中に前記原料ガスを供給することにより成膜する工程と、を含み、
前記工程(D)は、前記工程(C)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、
前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記3)
さらに前記工程(D)の後、(E)前記第1の雰囲気ガスの流量を前記第3の流量から第5の流量に増加させ、前記第2の雰囲気ガスの流量を前記第4の流量からゼロを含む第6の流量に減少させることにより、前記第2の雰囲気を第3の雰囲気に切り替える工程と、(F)前記工程(E)の後、前記強誘電体膜上に別の強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインから前記処理容器中に前記原料ガスを供給することにより成膜する工程と、を含み、前記工程(F)は、前記工程(E)の後、前記所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始されることを特徴とする付記2記載の半導体装置の製造方法。
(付記4)
前記第1の雰囲気ガスは酸素ガスであり、前記第2の雰囲気ガスはArガスであることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記5)
前記工程(D)および工程(F)においては、前記原料ガスの供給経路を、前記排気装置に接続されたプリフローラインから前記原料ガスラインに切り替えることを特徴とする付記2〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記6)
前記混合/放出部はシャワーヘッドであることを特徴とする付記2〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記7)
前記原料ガスはPb(鉛)を含み、さらに前記工程(F)の後、(G)前記処理容器から前記被処理基板を取り出す工程と、(H)前記工程(G)の後、前記処理容器を排気する工程と、前記工程(H)の後、前記工程(A)〜(F)を繰り返すことを特徴とする付記3記載の半導体装置の製造方法。
(付記8)
前記工程(H)は、前記処理容器中の圧力を、前記工程(F)におけるよりも低く設定して実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記9)
前記工程(H)では、前記処理容器中の圧力を、最初に前記工程(F)におけるよりも高く、次いで前記工程(F)におけるよりも低く設定して実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記10)
前記工程(H)は、前記処理容器中に不活性ガスをパージガスとして導入して実行されることを特徴とする付記9記載の半導体装置の製造方法。
(付記11)
前記工程(H)では、前記処理容器中において前記被処理基板を保持するサセプタの温度を、前記工程(F)におけるよりも高く設定して実行されることを特徴とする付記7記載の半導体装置の製造方法。
(付記12)
前記処理容器は真空搬送室に結合されており、前項工程(A)では前記被処理基板は前記処理容器に前記真空搬送室から導入され、前記工程(G)では前記被処理基板は前記処理容器から前記真空搬送室に戻されることを特徴とする付記3記載の半導体装置の製造方法。
As mentioned above, although this invention was described about preferable embodiment, this invention is not limited to this specific embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the summary described in the claim.
(Appendix 1)
A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
A processing container exhausted by an exhaust device, a raw material gas supply line for supplying a raw material gas into the processing container, and an atmosphere for supplying at least first and second atmospheric gases into the processing container in the form of a mixed gas A process for forming a ferroelectric film by a metal organic vapor phase deposition method performed using a metal metal deposition apparatus equipped with a gas line,
The processing vessel is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and mixes the source gas and the mixed gas to form a processing gas, and releases the processing gas into the processing vessel. With
The atmosphere gas line extends from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates to the mixing / releasing unit,
The film formation process of the ferroelectric film includes:
(A) switching the atmosphere in the processing container holding the substrate to be processed on which the semiconductor device is formed from a first atmosphere to a second atmosphere;
(B) In the processing container, in the second atmosphere, a ferroelectric film is formed on the substrate to be processed by using an organic metal compound supplied from the source gas supply line as a raw material by a metal organic vapor deposition method. Forming a film, and
The step (B) is started by starting the supply of the source gas to the processing container after a predetermined gas stabilization time after the step (A),
The predetermined gas stabilization time is obtained by dividing the total volume V of the volume of the atmospheric gas line and the volume of the mixing / releasing portion by the flow rate L of the mixed gas in the atmospheric gas line (V / L) A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being set to the above.
(Appendix 2)
A processing container exhausted by an exhaust device, a raw material gas supply line for supplying a raw material gas into the processing container, and an atmosphere for supplying at least first and second atmospheric gases into the processing container in the form of a mixed gas A method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, including a film formation process of a ferroelectric film by a metal organic vapor phase deposition method performed using an organic metal deposition apparatus including a gas line,
The processing vessel is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and mixes the source gas and the mixed gas to form a processing gas, and releases the processing gas into the processing vessel. With
The atmosphere gas line extends from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates to the mixing / releasing unit,
(A) introducing a substrate to be processed in which a lower electrode is formed into the processing container;
(B) After the step (A), the flow rate of the first atmosphere gas is set to the first flow rate and the flow rate of the second atmosphere gas is set to the second flow rate including zero after the step (A). A step of raising the temperature in the set first atmosphere;
(C) After the step (B), the flow rate of the first atmospheric gas is decreased from the first flow rate to the third flow rate, and the flow rate of the second atmospheric gas is changed from the second flow rate to the second flow rate. Changing the first atmosphere to a second atmosphere by increasing the flow rate to 4;
(D) after the step (C), forming a ferroelectric film on the lower electrode by supplying the source gas into the processing vessel from the source gas supply line,
The step (D) is started by starting the supply of the source gas to the processing container after a predetermined gas stabilization time after the step (C),
The predetermined gas stabilization time is obtained by dividing the total volume V of the volume of the atmospheric gas line and the volume of the mixing / releasing portion by the flow rate L of the mixed gas in the atmospheric gas line (V / L) A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being set to the above.
(Appendix 3)
Further, after the step (D), (E) the flow rate of the first atmospheric gas is increased from the third flow rate to the fifth flow rate, and the flow rate of the second atmospheric gas is increased from the fourth flow rate. A step of switching the second atmosphere to a third atmosphere by reducing the flow rate to a sixth flow rate including zero; (F) after the step (E), another ferroelectric on the ferroelectric film; Forming a body film by supplying the source gas into the processing vessel from the source gas supply line, and the step (F) includes the predetermined step after the step (E). 3. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 4)
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 5)
Of the
(Appendix 6)
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of
(Appendix 7)
The source gas contains Pb (lead), and after the step (F), (G) a step of taking out the substrate to be processed from the processing vessel, and (H) after the step (G), the processing vessel The method for manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 8)
The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 9)
The process (H) is performed by setting the pressure in the processing container to be higher than that in the process (F) first and then lower than that in the process (F). The manufacturing method of the semiconductor device of description.
(Appendix 10)
The method of manufacturing a semiconductor device according to
(Appendix 11)
8. The semiconductor device according to
(Appendix 12)
The processing container is coupled to a vacuum transfer chamber. In the step (A), the substrate to be processed is introduced from the vacuum transfer chamber into the processing container. In the step (G), the substrate to be processed is the processing container. Returning to the said vacuum conveyance chamber, The manufacturing method of the semiconductor device of
41 絶縁層
42,70 Ti膜
43,71 TiAlN膜
45,73 下部電極
46,74A 第1のPZT膜
47,74B 第2のPZT膜
48,76 上部電極
61 基板
61A 素子領域
61I 素子分離構造
61a〜61f 拡散領域
62A,62B ゲート絶縁膜
63A,63B ゲート電極
64A,64B ゲートシリサイド層
65,67 SiON膜
66,68,81,83 層間絶縁膜
66A,66B,66C,68A,68C,83A,83B,83C ビアホール
67A〜67C,69A,69C,84A〜84C ビアプラグ
67a,67b,67c,69a,69c,84a,84b,84c 密着膜
78 ハードマスク膜
78A,78B ハードマスクパターン
79,80 Al2O3水素バリア膜
85A,85B,85C 配線パタ―ン
41 Insulating
Claims (6)
排気装置により排気される処理容器と、前記処理容器中に原料ガスを供給する原料ガス供給ラインと、前記処理容器中に、少なくとも第1および第2の雰囲気ガスを混合ガスの形で供給する雰囲気ガスラインと、を備えた有機金属堆積装置を使って行われる有機金属気相堆積法による強誘電体膜の成膜工程を含み、
前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、
前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、
前記強誘電体膜の成膜工程は、
(A)前記半導体装置が形成される被処理基板を保持した前記処理容器中の雰囲気を、第1の雰囲気から第2の雰囲気に切り替える工程と、
(B)前記処理容器中、前記第2の雰囲気中において前記被処理基板上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインより供給された有機金属化合物を原料として、有機金属気相堆積法により成膜する工程と、を含み、
前記工程(B)は、前記工程(A)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、
前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
A processing container exhausted by an exhaust device, a raw material gas supply line for supplying a raw material gas into the processing container, and an atmosphere for supplying at least first and second atmospheric gases into the processing container in the form of a mixed gas A process for forming a ferroelectric film by a metal organic vapor phase deposition method performed using an organic metal deposition apparatus equipped with a gas line,
The processing vessel is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and mixes the source gas and the mixed gas to form a processing gas, and releases the processing gas into the processing vessel. With
The atmosphere gas line extends from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates to the mixing / releasing unit,
The film formation process of the ferroelectric film includes:
(A) switching the atmosphere in the processing container holding the substrate to be processed on which the semiconductor device is formed from a first atmosphere to a second atmosphere;
(B) In the processing container, in the second atmosphere, a ferroelectric film is formed on the substrate to be processed by using an organic metal compound supplied from the source gas supply line as a raw material by a metal organic vapor deposition method. Forming a film, and
The step (B) is started by starting the supply of the source gas to the processing container after a predetermined gas stabilization time after the step (A),
The predetermined gas stabilization time is obtained by dividing the total volume V of the volume of the atmospheric gas line and the volume of the mixing / releasing portion by the flow rate L of the mixed gas in the atmospheric gas line (V / L) A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being set to the above.
前記処理容器は、前記原料ガスラインおよび前記雰囲気ガスラインを接続され、前記原料ガスと前記混合ガスを混合して処理ガスを形成し、前記処理ガスを前記処理容器中に放出する混合/放出部を備え、
前記雰囲気ガスラインは、前記第1および第2の雰囲気ガスをそれぞれの流量で供給する第1および第2の流量制御手段から前記混合/放出部までの間を延在し、
(A)前記処理容器中に、下部電極を形成された被処理基板を導入する工程と、
(B)前記工程(A)の後、前記被処理基板を、前記第1の雰囲気ガスの流量を第1の流量に、前記第2の雰囲気ガスの流量を、ゼロを含む第2の流量に設定した第1の雰囲気中において昇温する工程と、
(C)前記工程(B)の後、前記第1の雰囲気ガスの流量を前記第1の流量から第3の流量に減少させ、前記第2の雰囲気ガスの流量を前記第2の流量から第4の流量に増加させることにより、前記第1の雰囲気を第2の雰囲気に切り替える工程と、
(D)前記工程(C)の後、前記下部電極上に強誘電体膜を、前記原料ガス供給ラインから前記処理容器中に前記原料ガスを供給することにより成膜する工程と、を含み、
前記工程(D)は、前記工程(C)の後、所定のガス安定化時間の経過後に、前記原料ガスの前記処理容器への供給を開始することで開始され、
前記所定のガス安定化時間は、前記雰囲気ガスラインの容積と前記混合/放出部の容積の総和Vを、前記雰囲気ガスライン中における前記混合ガスの流量Lで除して得られる時間(V/L)以上に設定されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 A processing container exhausted by an exhaust device, a raw material gas supply line for supplying a raw material gas into the processing container, and an atmosphere for supplying at least first and second atmospheric gases into the processing container in the form of a mixed gas A method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, including a film formation process of a ferroelectric film by a metal organic vapor phase deposition method performed using an organic metal deposition apparatus including a gas line,
The processing vessel is connected to the source gas line and the atmosphere gas line, and mixes the source gas and the mixed gas to form a processing gas, and releases the processing gas into the processing vessel. With
The atmosphere gas line extends from the first and second flow rate control means for supplying the first and second atmosphere gases at respective flow rates to the mixing / releasing unit,
(A) introducing a substrate to be processed in which a lower electrode is formed into the processing container;
(B) After the step (A), the flow rate of the first atmosphere gas is set to the first flow rate and the flow rate of the second atmosphere gas is set to the second flow rate including zero after the step (A). A step of raising the temperature in the set first atmosphere;
(C) After the step (B), the flow rate of the first atmospheric gas is decreased from the first flow rate to the third flow rate, and the flow rate of the second atmospheric gas is changed from the second flow rate to the second flow rate. Changing the first atmosphere to a second atmosphere by increasing the flow rate to 4;
(D) after the step (C), forming a ferroelectric film on the lower electrode by supplying the source gas into the processing vessel from the source gas supply line,
The step (D) is started by starting the supply of the source gas to the processing container after a predetermined gas stabilization time after the step (C),
The predetermined gas stabilization time is obtained by dividing the total volume V of the volume of the atmospheric gas line and the volume of the mixing / releasing portion by the flow rate L of the mixed gas in the atmospheric gas line (V / L) A method for manufacturing a semiconductor device, characterized by being set to the above.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2012039107A1 (en) * | 2010-09-21 | 2012-03-29 | 株式会社アルバック | Thin film production process and thin film production device |
JP2020123729A (en) * | 2013-02-11 | 2020-08-13 | 日本テキサス・インスツルメンツ合同会社 | Multi-step deposition of ferroelectric dielectric material |
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2007
- 2007-12-25 JP JP2007331945A patent/JP2009158539A/en active Pending
Cited By (5)
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WO2012039107A1 (en) * | 2010-09-21 | 2012-03-29 | 株式会社アルバック | Thin film production process and thin film production device |
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