JP2010192520A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電体膜を形成する工程と、酸化性ガスを供給して誘電体膜に対して酸化処理を行う工程を複数回、断続的に繰り返す熱処理工程と、を有する誘電体膜を備えた半導体装置の製造方法。
【選択図】図2
Description
下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に誘電体膜を形成する成膜工程と、
酸化性ガスを供給して前記誘電体膜に対して酸化処理を行う工程を複数回、断続的に繰り返す熱処理工程と、
前記熱処理工程後の誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
半導体基板上に誘電体膜を形成する成膜工程と、
酸化性ガスを供給して前記誘電体膜に対して酸化処理を行う工程を複数回、断続的に繰り返す熱処理工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法に関する。
本明細書において、「不活性ガス」とは、熱処理工程において誘電体膜と反応しないガスのことを表す。
以下に、第1実施例として、半導体装置であるキャパシタ素子の製造方法を説明する。図1A〜図1Dは、第1実施例のキャパシタ素子の製造方法を示した断面図である。
(1a)不活性ガス、例えば窒素ガスを、供給速度VN=2slm(standard liter/min;1atm、0℃における1分間当りの流量をリットルで表示した単位)で供給する。この窒素ガスの供給は、工程(1h)の前まで継続的に行う。
(1b)温度を、室温からTa=500℃まで昇温する。
(1c)Ta=500℃において、T1=5秒間、保持する。
(1d)酸化性ガスとして酸素ガスを、供給速度VO=0.2slm、時間T2=3秒間の条件で供給する。
(1e)酸素の供給を止めて、時間T3=7秒間、保持する。
(1f)工程(1d)及び(1e)のプロセスをn=20回繰り返す。
(1g)温度を室温まで降温する。
(1h)不活性ガスの供給を止める。
第2実施例に係る、半導体装置としてのキャパシタ素子の製造方法を説明する。第1実施例では、不活性ガス雰囲気の下で酸化処理を行っているが、不活性ガスでの熱処理を必要としない場合には、不活性ガスを供給しないで、酸化処理を行うことも可能である。
第3実施例による製造方法を説明する。本実施例の製造方法は、第1実施例の図1A、図1Bまでの工程は、第1実施例と同じである。
第4実施例による製造方法を説明する。この製造方法は、第1実施例の図1A、図1Bまでの工程は、第1実施例と同じである。誘電体膜の前熱処理工程及び熱処理工程である図1Cのタイムシーケンスは、図5に示すように行う。この熱処理は、下記に示す11の工程からなる。
(2b)温度を、室温からTb=650℃まで昇温する。
(2c)Tb=650℃において、時間T4=10秒の間、保持する。
(2d)温度を室温まで降温する。
(2e)温度をTa=500℃まで昇温する。
(2f)Ta=500℃において、時間T1=5秒間、保持する。
(2g)酸化性ガスとして、酸素ガスを、供給時間T2=3秒、供給速度VO=0.2slmで供給する。
(2h)酸素の供給を止めて、時間T3=7秒間、保持する。
(2i)(2g)及び(2h)のプロセスをn=20回、繰り返す。
(2j)温度を室温まで降温する。
(2k)不活性ガスの供給を止める。
本実施例の熱処理方法では、成膜直後の非晶質の誘電体膜の結晶化処理(前熱処理工程)の一部と、結晶化した後の酸化処理(熱処理工程)を異なる温度で行うことができる。すなわち、結晶化処理では結晶化が十分におこなえるような高い温度で行い、酸化処理は下部電極の酸化を抑止できる低温で行う。STO膜の結晶化処理は500℃より高温である例えば、650℃で行う。これにより、結晶化は500℃の場合に比べてより促進が行われ高誘電率化を行うことができる。また、酸化処理は、下部電極の酸化が進まない低温の500℃で行うことができる。
400℃以下の低温で成膜したTiO2膜は、非晶質又はアナターゼ構造を有する。このTiO2膜は700℃以上で熱処理するとルチル構造に変化する。アナターゼ構造では誘電率は20〜40であるが、ルチル構造では誘電率が100となる。
図6は、第5実施例に係るDRAMのメモリセルの製造方法を説明するメモリセルの断面図である。
図7は、第6実施例に係るMOSトランジスタの製造方法を説明するMOSトランジスタの断面図である。この製造方法を下記に示す。
上記第1〜第6実施例に適用可能な誘電体膜の材料は、上記説明で挙げた誘電体膜に限定されない。誘電体膜としては例えば、Hf、Zr,Al、La、Ce,Y、Ti、Nb、Pr、Ta、Biを含む酸素化合物、HfO2、ZrO2,Al2O3、La2O3、CeO2,Y2O3、TiO2、Nb2O5、Pr2O3、Ta2O5、HfSiO、HfSiON、ZrSiO、HfAlO、ZrAlO、SrTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O12などの酸素化合物、これらの積層膜などにも適用可能である。
2 誘電体膜
3 上部電極
4 キャパシタ絶縁膜
5 第2層間膜
6 キャパシタコンタクトプラグ
7 第1層間膜
8 素子分離領域
9 半導体基板
10 ゲート絶縁膜
11 ゲート電極
12 ビット線
13 ビットコンタクトプラグ
14 ソース・ドレイン領域
Claims (15)
- 下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に誘電体膜を形成する成膜工程と、
酸化性ガスを供給して前記誘電体膜に対して酸化処理を行う工程を複数回、断続的に繰り返す熱処理工程と、
前記熱処理工程後の誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1に記載の半導体装置の製造方法において、
前記下部電極及び前記上部電極は、TiN、Ti、TaN,Ta,Zr,IrN、Ir、IrO2、WN、W、Ru、RuO2、SrRuO3、Pt、ドープトシリコン及びシリコンからなる群から選択された少なくとも一種を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法において、
前記下部電極を形成する工程の前に更に、
電界効果型トランジスタを形成する工程と、
前記電界効果型トランジスタのソース・ドレイン領域の一方に電気的に接続されるように、ビットコンタクトプラグ及びビット線を形成する工程と、
前記電界効果型トランジスタのソース・ドレイン領域の他方に電気的に接続されるように、キャパシタコンタクトプラグを形成する工程と、
を有し、
前記下部電極を形成する工程において、前記キャパシタコンタクトプラグに電気的に接続されるように、前記下部電極を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 半導体基板上に誘電体膜を形成する成膜工程と、
酸化性ガスを供給して前記誘電体膜に対して酸化処理を行う工程を複数回、断続的に繰り返す熱処理工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項4に記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理工程の後に更に、
前記誘電体膜上にゲート電極を形成する工程と、
前記半導体基板内の、前記ゲート電極を挟んだ両側にソース・ドレイン領域を形成する工程と、
を有し、
前記誘電体膜をゲート絶縁膜、前記半導体装置を電界効果型トランジスタとして形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至5の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記誘電体膜は、酸素化合物を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至6の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記熱処理工程は下記工程(1)及び(2)を複数回、繰り返す工程であることを特徴 とする半導体装置の製造方法。
(1)第1の時間の間、酸化性ガスの供給を行う第1熱処理工程、
(2)第2の時間の間、不活性ガスを供給する第2熱処理工程。 - 請求項7に記載の半導体装置の製造方法において、
前記第1の時間よりも第2の時間の方が、長いことを特徴とする半導体装置の製造方法 。 - 請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法において、
前記不活性ガスは、N2、He,Ar及びNeからなる群から選択された少なくとも一 種のガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至9の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程において、非晶質膜の前記誘電体膜を成膜し、
前記熱処理工程において、前記成膜工程後の非晶質膜の誘電体膜を、結晶化された層を 含む誘電体膜とすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項10に記載の半導体装置の製造方法において、
前記誘電体膜はSrTiO3膜であり、
前記熱処理工程は400℃以上で行われることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至11の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記成膜工程と前記熱処理工程の間に更に、不活性ガス雰囲気下で熱処理を行う前熱処 理工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法 - 請求項1乃至12の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記酸化性ガスは、O2、O3、H2O、NO及びN2Oからなる群から選択された少なくとも一つのガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 請求項1乃至13の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記誘電体膜は、Hf、Zr、Al、La、Ce、Y、Ti、Nb、Pr、Ta及びB iからなる群から選択された少なくとも一種の元素を含むことを特徴とする半導体装置 の製造方法。 - 請求項1乃至13の何れか1項に記載の半導体装置の製造方法において、
前記誘電体膜は、HfO2、ZrO2、Al2O3、La2O3、CeO2、Y2O3、TiO2、Nb2O5、Pr2O3、Ta2O5、HfSiO、HfSiON、ZrSiO、HfAlO、ZrAlO、SrTiO3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、SrBi2Ta2O9及びBi4Ti3O12からなる群から選択された少なくとも一種を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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