JP2011066262A

JP2011066262A - 半導体装置及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2011066262A
Application number: JP2009216450A
Authority: JP
Inventors: Arihito Ogawa; 有人小川; Sadayoshi Horii; 貞義堀井; Hideji Itaya; 秀治板谷
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】バンドギャップが狭い高誘電率膜を用いたキャパシタにおいて、リーク電流を低減するとともに、製造コストを削減することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】ウエハ２上に形成された下部電極としてのＴｉＮ膜１００と、ＴｉＮ膜１００上に形成された第１の高誘電率絶縁膜としてのＨｆＯ_２膜１１０と、ＨｆＯ_２膜１１０上に形成され、ＨｆＯ_２膜１１０のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の高誘電率絶縁膜としてのＴｉＯ_２膜１２０と、ＴｉＯ_２膜１２０上に形成され、非貴金属であって４．８ｅＶよりも高い仕事関数を有する上部電極膜としてのＣｏ膜１３０と、により構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置及び半導体装置の製造方法に関する。

ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の高集積化及び高性能化に伴い、ＤＲＡＭ（ＤｙｎａｍｉｃＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）キャパシタの絶縁膜として高誘電率絶縁膜が適用されている。また、ＤＲＡＭキャパシタの電極には、電極材料として窒化チタン（ＴｉＮ）やルテニウム（Ｒｕ）等が検討されている。

通常、ＤＲＡＭキャパシタ部の電極には、リーク電流低減の観点から高仕事関数を有する電極を用いる事が理想であるが、コスト面等を考慮すると、安価に成膜可能な金属膜で、かつ、絶縁膜とのバンドオフセットが十分に確保できる電極が選択される。
例えば、絶縁膜として、バンドギャップが広い酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）膜や酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）膜等を用いた場合には、電極として仕事関数が４．６ｅＶ程度のＴｉＮ膜が用いられる。一方、絶縁膜として、バンドギャップが狭い二酸化チタン（ＴｉＯ_２）や五酸化ニオブ（Ｎｂ_２Ｏ_５）を用いた場合には、電極としてＴｉＮ膜は用いられず、高価な、５．１ｅＶ程度の高い仕事関数を有する金（Ａｕ）やＲｕ等の貴金属が用いられる材料として候補に挙がっている。

特許文献１には、第一の電極薄膜及び第二の電極薄膜の導体材料として金（Ａｕ）やルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）等を用い、誘電体膜を酸化アルミニウム層及び酸化タンタル層で形成する薄膜キャパシタ及びその製造方法が開示されている。

特開２００５−９３５９７号公報

しかしながら、ＡｕやＲｕ等の貴金属を電極材料として用いた場合、材料が高価であること、また、成膜が困難であることなどの問題があり、実用化に至っていない。
一方、ＡｕやＲｕ等と比較して安価であり、成膜し易く、かつ、高仕事関数を有するニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）等の金属膜を下部電極として用いた場合、これらの膜は、下部電極上へのキャパシタ絶縁膜形成時やその後の熱処理（ＰＤＡ：ＰｏｓｔＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＡｎｎｅａｌｉｎｇ）時に酸化されやすく、酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ：ＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＯｘｉｄｅＴｈｉｃｋｎｅｓｓ）の増大に繋がる。

本発明は、バンドギャップが狭い高誘電率絶縁膜を用いたキャパシタにおいて、リーク電流を低減するとともに、製造コストを削減することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、基板上に形成された下部電極膜と、前記下部電極膜上に形成された第１の高誘電率絶縁膜と、前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され、前記第１の高誘電率絶縁膜のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の高誘電率絶縁膜と、前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成された上部電極膜と、を有し、前記上部電極膜は、非貴金属であって４．８ｅＶよりも高い仕事関数を有する金属膜により構成されていることを特徴とする半導体装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、基板上に下部電極膜を形成する工程と、前記下部電極膜上に第１の高誘電率絶縁膜を形成する工程と、前記第１の高誘電率絶縁膜上に、前記第１の高誘電率絶縁膜のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の高誘電率絶縁膜を形成する工程と、前記第２の高誘電率絶縁膜上に、非貴金属であって４．８ｅＶよりも高い仕事関数を有する金属膜により構成される上部電極膜を形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、バンドギャップが狭い高誘電率絶縁膜を用いたキャパシタにおいて、リーク電流を低減するとともに、製造コストを削減することができる半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる基板処理装置の構成図である。本発明の一実施形態にかかる一工程のシーケンスフローである。本発明の一実施形態にかかる一工程により形成される積層構造の模式図である。図４（ａ）は、本発明の一実施形態にかかるエネルギー準位図であり、図４（ｂ）は、上部電極にＴｉＮを用いた場合のエネルギー準位図である。仕事関数が４．８ｅＶよりも高い非貴金属である金属元素を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に即して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る基板処理システムとしての基板処理装置を示している。

［基板処理装置の構成］
まず、本発明の一実施形態に係る基板処理装置について説明する。
本実施形態において、基板処理装置は、構造的には図１に示されているようにクラスタ装置として構成されている。なお、本実施形態に係るクラスタ装置においては、ウエハ２を搬送するためのウエハ搬送用キャリア（基板収納容器）として、ＦＯＵＰ（ＦｒｏｎｔＯｐｅｎｉｎｇＵｎｉｆｉｅｄＰｏｄ、以下ポッドという）４が使用されている。

図１に示されているように、クラスタ装置１０は、大気圧未満の圧力（負圧）に耐える構造に構成された搬送室としての第一ウエハ移載室（以下、負圧移載室という）１２を備えており、負圧移載室１２の筐体（以下、負圧移載室筐体という）１４は、平面視が七角形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。
負圧移載室１２の中央部には、負圧下においてウエハ２を移載する搬送装置としてのウエハ移載装置（以下、負圧移載装置という）１６が設置されており、この負圧移載装置１６はスカラ形ロボット（ＳＣＡＲＡ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣｏｍｐｌｉａｎｃｅＡｓｓｅｍｂｌｙＲｏｂｏｔＡｒｍ）によって構成されている。

負圧移載室筐体１４の７枚の側壁のうち長い側壁には、搬入用予備室（以下、搬入室という）１８と搬出用予備室（以下、搬出室という）２０とが、それぞれ隣接して連結されている。搬入室１８の筐体と搬出室２０の筐体とは、それぞれ平面視が略菱形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されているとともに、負圧に耐え得るロードロックチャンバ構造に構成されている。

搬入室１８及び搬出室２０の負圧移載室１２と反対側には、大気圧以上の圧力（以下、正圧という）を維持可能な構造に構成された第二ウエハ移載室（以下、正圧移載室という）２２が隣接して連結されており、この正圧移載室２２の筐体は、平面視が横長の長方形で上下両端が閉塞した箱形状に形成されている。
搬入室１８と正圧移載室２２との境には、ゲートバルブ２４Ａが設置されており、搬入室１８と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ２４Ｂが設置されている。
搬出室２０と正圧移載室２２との境には、ゲートバルブ２６Ａが設置されており、搬出室２０と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ２６Ｂが設置されている。
正圧移載室２２には、正圧下でウエハ２を移載する第二ウエハ移載装置（以下、正圧移載装置という）２８が設置されており、この正圧移載装置２８はスカラ形ロボットによって構成されている。正圧移載装置２８は、正圧移載室２２に設置されたエレベータによって昇降されるように構成されているとともに、リニアアクチュエータによって左右方向に往復移動されるように構成されている。正圧移載室２２の左側端部には、ノッチ合わせ装置３０が設置されている。

正圧移載室２２の正面壁には、三つのウエハ搬入搬出口３２、３４、３６が、隣合わせに並べられて開設されており、これらのウエハ搬入搬出口３２、３４、３６は、ウエハ２を正圧移載室２２に対して搬入搬出し得るように設定されている。
これらのウエハ搬入搬出口３２、３４、３６には、ポッドオープナ４０がそれぞれ設置されている。ポッドオープナ４０は、ポッド４を載置する載置台４２と、載置台４２に載置されたポッド４のキャップを着脱するキャップ着脱機構４４とを備えており、載置台４２に載置されたポッド４のキャップをキャップ着脱機構４４によって着脱することにより、ポッド４のウエハ出し入れ口を開閉するようになっている。
ポッドオープナ４０の載置台４２に対してはポッド４が、図示しない工程内搬送装置（ＲＧＶ）によって供給及び排出されるようになっている。

負圧移載室筐体１４の７枚の側壁のうち正圧移載室２２と反対側に位置する４枚の側壁には、第一処理ユニット５０と、第二処理ユニット５２と、第三処理ユニット５４と、第四処理ユニット５６とが、それぞれ隣接して連結されている。
第一処理ユニット５０には処理室５０ａが設けられ、第二処理ユニット５２には処理室５２ａが設けられ、第三処理ユニット５４には処理室５４ａが設けられ、第四処理ユニット５６には処理室５６ａが設けられている。
また、第一処理ユニット５０と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ６０が設置されている。第二処理ユニット５２と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ６２が設置されている。第三処理ユニット５４と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ６４が設置されている。第四処理ユニット５６と負圧移載室１２との間には、ゲートバルブ６６が設置されている。

負圧移載室筐体１４における７枚の側壁のうちの他の２枚の側壁には、第一クーリングユニット７２と、第二クーリングユニット７４とがそれぞれ連結されており、第一クーリングユニット７２及び第二クーリングユニット７４は、いずれも処理済みのウエハ２を冷却するように構成されている。

クラスタ装置１０は、後述するシーケンスフローを統括的に制御するためのコントローラ８０を備えている。

［基板処理工程］
次に、半導体装置の製造工程の一工程として、前記構成に係るクラスタ装置１０を使用して、基板を処理する方法について説明する。
図２は、本実施形態に係る一工程のシーケンスフローを示し、図３は、本実施形態に係る一工程により形成される積層構造の模式図を示す。なお、以下の説明において、クラスタ装置１０を構成する各部の動作はコントローラ８０により制御される。

まず、クラスタ装置１０の載置台４２に複数枚（例えば２５枚）のウエハ２を収容したポッド４が載置される。載置台４２に載置されたポッド４のキャップが、キャップ着脱機構４４によって取り外され、ポッド４のウエハ出し入れ口が開放される。ポッド４が開放されると、正圧移載室２２に設置された正圧移載装置２８は、ウエハ搬入搬出口３２（又は３４、３６）を通してポッド４からウエハ２を一枚ずつピックアップし、搬入室１８に投入し、ウエハ２を搬入室用仮置き台に移載して行く。
この移載作業中には、搬入室１８の正圧移載室２２側はゲートバルブ２４Ａによって開かれており、また、搬入室１８の負圧移載室１２側はゲートバルブ２４Ｂによって閉じられており、負圧移載室１２内の圧力は、例えば、１００Ｐａに維持されている。

続いて、搬入室１８の正圧移載室２２側がゲートバルブ２４Ａによって閉じられ、搬入室１８が排気装置（図示せず）によって負圧に排気される。搬入室１８内が予め設定された圧力値に減圧されると、搬入室１８の負圧移載室１２側がゲートバルブ２４Ｂによって開かれる。次に、負圧移載室１２の負圧移載装置１６は、搬入室用仮置き台からウエハ２を一枚ずつピックアップして負圧移載室１２に搬入する。その後、搬入室１８の負圧移載室１２側がゲートバルブ２４Ｂによって閉じられる。続いて、第一処理ユニット５０のゲートバルブ６０が開かれ、負圧移載装置１６はウエハ２を第一処理ユニット５０の処理室５０ａ内へ搬入（ウエハロード）する。その後ゲートバルブ６０が閉じられる。
なお、ウエハ２の処理室５０ａ内への搬入に際しては、搬入室１８及び負圧移載室１２が真空排気されることによって内部の酸素や水分が予め除去されているため、外部の酸素や水分がウエハ２の処理室５０ａ内への搬入に伴って処理室５０ａ内に侵入することが確実に防止される。

第一処理ユニット５０の処理室５０ａ内では、ウエハ２上に下部電極としての窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）１００がＡＬＤ法により形成される（Ｓ１０）。ステップ１０（Ｓ１０）において、ＴｉＮ膜１００は、処理室５０ａ内へのＴｉ原料の供給工程と、Ｔｉ原料を処理室５０ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５０ａ内のパージ工程と、処理室５０ａ内への窒化源の供給工程と、窒化源を処理室５０ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５０ａ内のパージ工程と、を１サイクルとして、このサイクルを所定回数実施することで形成される（ＴｉＮ膜形成工程）。
Ｔｉ原料としては、例えば塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）が用いられ、窒化源としては、例えばアンモニアガス（ＮＨ_３）が用いられ、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス（Ｎ_２）が用いられる。

第一処理ユニット５０の処理室５０ａ内で、ＡＬＤ法により、ＴｉＮ膜１００を形成する際の処理条件としては、ウエハ温度：２００〜５００℃、処理室内圧力：１〜１０００Ｐａ、ＴｉＣｌ_４供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、ＮＨ_３供給流量：１〜５０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ、膜厚：５〜５０ｎｍが例示される。

下部電極としてのＴｉＮ膜１００の形成が終了すると、ゲートバルブ６０が開かれ、成膜済みのウエハ２は、負圧移載装置１６によって第一処理ユニット５０の処理室５０ａ内から負圧に維持された負圧移載室１２に搬出（ウエハアンロード）される。続いて、ゲートバルブ６０が閉じられた後に、ゲートバルブ６２が開かれ、負圧移載装置１６は、ウエハ２を第二処理ユニット５２の処理室５２ａ内へ搬入（ウエハロード）する。その後ゲートバルブ６２が閉じられる。

次いで、第二処理ユニット５２の処理室５２ａ内では、ウエハ２上に形成された下部電極としてのＴｉＮ膜１００上に、第１の高誘電率絶縁膜としての酸化ハフニウム膜（ＨｆＯ_２膜）１１０と、第２の高誘電率絶縁膜としての酸化チタン膜（ＴｉＯ_２膜）１２０が、ＡＬＤ法により形成される（Ｓ１２、Ｓ１４）。すなわち、処理室５２ａ内では、ＴｉＮ膜１００上にＨｆＯ_２膜１１０が形成され、このＨｆＯ_２膜１１０上にＴｉＯ_２膜１２０が形成される。

ステップ１２（Ｓ１２）において、ＨｆＯ_２膜１１０は、処理室５２ａ内へのＨｆ原料の供給工程と、Ｈｆ原料を処理室５２ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５２ａ内のパージ工程と、処理室５２ａ内への酸化源の供給工程と、酸化源を処理室５２ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５２ａ内のパージ工程と、を１サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施することで形成される（ＨｆＯ_２膜形成工程）。Ｈｆ原料としては、例えばＴＥＭＡＨｆ（Ｈｆ［Ｎ（ＣＨ_３）（Ｃ_２Ｈ_５）］_４）が用いられ、酸化源としては、例えば水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が用いられ、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス（Ｎ_２）が用いられる。

第二処理ユニット５２の処理室５２ａ内で、ＡＬＤ法により、ＨｆＯ_２膜１１０を形成する際の処理条件としては、ウエハ温度：１００〜４００℃、処理室内圧力：１〜１０００Ｐａ、ＴＥＭＡＨｆ供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、Ｈ_２Ｏ供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ、膜厚：２〜１２ｎｍが例示される。

ステップ１４（Ｓ１４）において、ＴｉＯ_２膜１２０は、処理室５２ａ内へのＴｉ原料の供給工程と、Ｔｉ原料を処理室５２ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５２ａ内のパージ工程と、処理室５２ａ内への酸化源の供給工程と、酸化源を処理室５２ａ内から除去するための不活性ガスによる処理室５２ａ内のパージ工程と、を１サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施することで形成される（ＴｉＯ_２膜形成工程）。Ｔｉ原料としては、例えばＴＤＭＡＴｉ（Ｔｉ［Ｎ（ＣＨ_３）_２］_４）が用いられ、酸化源としては、例えば水蒸気（Ｈ_２Ｏ）が用いられ、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス（Ｎ_２）が用いられる。

第二処理ユニット５２の処理室５２ａ内で、ＡＬＤ法により、ＴｉＯ_２膜１２０を形成する際の処理条件としては、ウエハ温度：１５０〜４５０℃、処理室内圧力：１〜１０００Ｐａ、ＴＤＭＡＴｉ供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、Ｈ_２Ｏ供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ、膜厚：１〜１２ｎｍが例示される。

高誘電率絶縁膜としてのＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０の形成が終了すると、ゲートバルブ６２が開かれ、ＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０が形成されたウエハ２は、負圧移載装置１６によって第二処理ユニット５２の処理室５２ａ内から負圧に維持された負圧移載室１２に搬出（ウエハアンロード）される。続いて、ゲートバルブ６２が閉じられた後に、ゲートバルブ６４が開かれて、負圧移載装置１６はウエハ２を、第三処理ユニット５４の処理室５４ａ内へ搬入（ウエハロード）する。その後ゲートバルブ６４が閉じられる。

第三処理ユニット５４の処理室５４ａ内では、ウエハ２上に形成されたＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０に対し熱処理としてのＰＤＡ（ＰｏｓｔＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＡｎｎｅａｌｉｎｇ）が施される（Ｓ１６）。ステップ１６（Ｓ１６）において、熱処理は、不活性ガス雰囲気下で、ＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０を、アニールにより緻密化もしくは結晶化するために行われる（ＰＤＡ工程）。不活性ガスとしては、例えば窒素ガス（Ｎ_２）が用いられる。

第三処理ユニット５４の処理室５４ａ内で、ＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０に対し熱処理を施す際の処理条件としては、ウエハ温度：４００〜７００℃、処理室内圧力：１〜１０００Ｐａ、Ｎ_２供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ、熱処理時間：１〜６０秒が例示される。

ＨｆＯ_２膜１１０及びＴｉＯ_２膜１２０の熱処理が終了すると、ゲートバルブ６４が開かれ、熱処理後のウエハ２は、負圧移載装置１６によって第三処理ユニット５４の処理室５４ａ内から負圧に維持された負圧移載室１２に搬出（ウエハアンロード）される。続いて、ゲートバルブ６４が閉じられた後に、ゲートバルブ６６が開かれて、負圧移載装置１６はウエハ２を、第四処理ユニット５６の処理室５６ａ内へ搬入（ウエハロード）する。その後ゲートバルブ６６が閉じられる。

第四処理ユニット５６の処理室５６ａ内では、ウエハ２上に形成されている熱処理後のＴｉＯ_２膜１２０上に、上部電極としてのコバルト膜（Ｃｏ膜）１３０がＣＶＤ法により形成される（Ｓ１８）。ステップ１８（Ｓ１８）において、Ｃｏ膜１３０は、処理室５６ａ内へのＣｏ原料の供給工程と、Ｃｏ原料を処理室内から除去するための不活性ガスによる処理室内のパージ工程と、を１サイクルとしてこのサイクルを所定回数実施することで形成される（Ｃｏ膜形成工程）。Ｃｏ原料としては、例えばＣｏ（Ｃ_５Ｈ_５）_２が用いられ、不活性ガスとしては、例えば窒素ガス（Ｎ_２）が用いられる。

第四処理ユニット５６の処理室５６ａ内で、ＣＶＤ法により、Ｃｏ膜１３０を形成する際の処理条件としては、ウエハ温度：１００〜５００℃、処理室内圧力：１〜１０００Ｐａ、Ｃｏ（Ｃ_５Ｈ_５）_２供給流量：１０〜２０００ｓｃｃｍ、Ｎ_２供給流量：１０〜１００００ｓｃｃｍ、膜厚：１〜５０ｎｍが例示される。

上部電極としてのＣｏ膜１３０の形成が終了すると、ゲートバルブ６６が開かれ、成膜済みのウエハ２は負圧移載装置１６によって第四処理ユニット５６の処理室５６ａ内から負圧に維持された負圧移載室１２に搬出（ウエハアンロード）される。

なお、下部電極（ＴｉＮ膜）形成工程（Ｓ１０）、ＨｆＯ_２膜形成工程（Ｓ１２）、ＴｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１４）、熱処理工程（Ｓ１６）、及び、上部電極（Ｃｏ膜）形成工程（Ｓ１８）実施後のウエハ２は、第一クーリングユニット７２又は第二クーリングユニット７４が使用されて、必要に応じて冷却される場合もある。

Ｃｏ膜１３０形成後のウエハ２が、第四処理ユニット５６の処理室５６ａ内から負圧移載室１２に搬出され、ゲートバルブ６６が閉じられた後、搬出室２０の負圧移載室１２側がゲートバルブ２６Ｂによって開かれ、負圧移載装置１６は処理済ウエハ２を負圧移載室１２から搬出室２０へ搬送し、搬出室２０の搬出室用仮置き台の上に移載する。この際には、事前に、搬出室２０の正圧移載室２２側がゲートバルブ２６Ａによって閉じられ、搬出室２０が排気装置（図示せず）により負圧に排気される。搬出室２０が予め設定された圧力値に減圧されると、搬出室２０の負圧移載室１２側がゲートバルブ２６Ｂによって開かれ、処理済ウエハ２が搬出されることとなる。処理済ウエハ搬出後に、ゲートバルブ２６Ｂは閉じられる。

処理済ウエハ２についてのクラスタ装置１０における第四処理ユニット５６から負圧移載室１２を介して行なわれる搬出室２０へのアンローディング作業は、真空下に維持された第四処理ユニット５６、負圧移載室１２及び搬出室２０において実施される。このため、ウエハ２の第四処理ユニット５６から搬出室２０への搬出作業に際して、このウエハ２に形成された膜の表面に自然酸化膜が生成したり、有機物等の不純物や異物等が付着したりすることが防止される。
同様に、搬入室１８から第一処理ユニット５０へ、第一処理ユニット５０から第二処理ユニット５２へ、第二処理ユニット５２から第三処理ユニット５４へ、第三処理ユニット５４から第四処理ユニット５６へウエハ２をそれぞれ搬送する場合においても、搬送作業はいずれも真空下に維持された状態で実施されるため、ウエハ２に形成された膜の表面に自然酸化膜が生成したり、有機物等の不純物や異物等が付着したりすることが防止される。

以上の作動が繰り返されることにより、搬入室１８に一括して搬入された２５枚のウエハ２について、第一処理ユニット５０による下部電極（ＴｉＮ膜）形成工程（Ｓ１０）、第二処理ユニット５２によるＨｆＯ_２膜形成工程（Ｓ１２）、及び、ＴｉＯ_２膜形成工程（Ｓ１４）、第三処理ユニット５４によるＰＤＡ工程（１６）、第四処理ユニット５６による上部電極（Ｃｏ膜）形成工程（Ｓ１８）が順次に実施されて行く。

なお、先に処理されているウエハ２が第一処理ユニット５０での処理を終了し、第二処理ユニット５２に搬入された後に、次のウエハ２を第一処理ユニット５０に搬送し、処理することが可能である。つまり、一連の処理順序の中で、それぞれの処理ユニットが空き状態になったら、次のウエハ２を搬入して、並列で複数のウエハを処理することが可能である。２５枚のウエハ２について一連の所定の処理が完了すると、処理済のウエハ２は搬出室２０の仮置き台に溜められた状態になる。

２５枚のウエハ２に対する一連の処理が完了し、処理済の２５枚のウエハ２が搬出室２０の仮置き台に収容されると、負圧に維持された搬出室２０内に窒素ガスが供給され、搬出室２０内が大気圧となった後に、搬出室２０の正圧移載室２２側が、ゲートバルブ２６Ａによって開かれる。次いで、載置台４２に載置された空のポッド４のキャップが、ポッドオープナ４０のキャップ着脱機構４４によって開かれる。
続いて、正圧移載室２２の正圧移載装置２８は搬出室２０からウエハ２をピックアップして正圧移載室２２に搬出し、正圧移載室２２のウエハ搬入搬出口３２（又は３４、３６）を通してポッド４に収納して行く。処理済みの２５枚のウエハ２のポッド４への収納が完了すると、ポッド４のキャップがポッドオープナ４０のキャップ着脱機構４４によってウエハ出し入れ口に装着され、ポッド４が閉じられる。処理済みの２５枚のウエハ２を収納したポッド４は載置台４２の上から次の工程へ工程内搬送装置によって搬送されて行く。

次に、上記実施形態により形成された積層構造のエネルギー準位について説明する。
図４は、エネルギー準位図を示す図である。図４（ａ）は、本実施形態に係る積層構造として上部電極にＣｏ膜を用いた場合のエネルギー準位を示す図であり、図４（ｂ）は、比較として上部電極にＴｉＮ膜を用いた場合のエネルギー準位を示す図である。

上記実施形態では、リーク電流の低減と高容量化の両立のために、絶縁膜として、界面におけるポテンシャル障壁であるバンドオフセットが高いＨｆＯ_２膜と、誘電率が高いＴｉＯ_２膜を用いた場合の積層構造について説明した。
ここで、ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）構造におけるリーク電流は、おもに金属電極の仕事関数と、絶縁膜の伝導帯側のバンドオフセットによって決定される。また、一般的にキャパシタは、±１Ｖの電圧が印加されて使用される。したがって、リーク電流を低減するために、電極の仕事関数と絶縁膜の伝導帯側のバンドオフセットは、１．０ｅＶよりも高い値であることが望ましい。

図４（ａ）に示すように、本実施形態において、下部電極として用いたＴｉＮ膜の仕事関数は、４．６ｅＶ程度とあまり高い値でない。しかし、このＴｉＮ膜（下部電極）と接する絶縁膜としてＨｆＯ_２膜を用いているため、ＨｆＯ_２膜の伝導帯側のバンドオフセットは２．６ｅＶと十分な値が確保され、リーク電流が低減される。
一方、上部電極と接する絶縁膜であるＴｉＯ_２膜の伝導帯側のバンドエネルギーはＨｆＯ_２膜よりも１．６ｅＶ程度低い。ここで、Ｃｏ膜は５．０ｅＶ程度の仕事関数を有する。このため、上部電極としてＣｏ膜を用いた場合、ＴｉＯ_２膜の伝導帯側のバンドオフセットは１．４ｅＶとなり、リーク電流が低減される。

比較として、図４（ｂ）に示すように、上部電極にＴｉＮ膜を用いた場合、ＴｉＯ_２膜の伝導帯側のバンドオフセットは１．０ｅＶと低い値となり、リーク電流が増大する。

なお、上記実施形態では、高容量化のための高誘電率絶縁膜としてＴｉＯ_２膜を、上部電極としてＣｏ膜を、それぞれ用いた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、高誘電率絶縁膜としてＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴiＯ）、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢａＳｒＴｉＯ）、又は、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）等を用いた場合にも適用でき、上部電極として、図５に示すように、Ｎｉ、ベリリウム（Ｂｅ）、炭素（Ｃ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）、又は、レニウム（Ｒｅ）等、仕事関数が４．８ｅＶよりも高い貴金属以外の金属膜、すなわち非貴金属の金属膜を用いた場合にも適用できる。なお、貴金属とは、Ａｕ、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、Ｒｕ、及び、オスミウム（Ｏｓ）の元素を指す。

［本発明の好ましい態様］
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。

好ましくは、前記下部電極膜が窒化チタン膜であり、前記第１の高誘電率絶縁膜が、酸化ハフニウム膜又は酸化ジルコニウム膜であり、前記第２の高誘電率絶縁膜が、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化チタン膜、酸化ニオブ膜、酸化タンタル膜、チタン酸ストロンチウム膜、チタン酸バリウムストロンチウム膜、又は、チタン酸ジルコン酸鉛膜であり、前記上部電極膜が、コバルト膜、ニッケル膜、ベリリウム膜、カーボン膜、セレン膜、テルル膜、又は、レニウム膜である。

２ウエハ
４ポッド
１０クラスタ装置
１２負圧移載室
１８搬入室
２０搬出室
４０ポッドオープナ
５０第一処理ユニット
５２第二処理ユニット
５４第三処理ユニット
５６第四処理ユニット
８０コントローラ
１００下部電極（ＴｉＮ膜）
１１０ＨｆＯ_２膜
１２０ＴｉＯ_２膜
１３０上部電極（Ｃｏ膜）

Claims

基板上に形成された下部電極膜と、
前記下部電極膜上に形成された第１の高誘電率絶縁膜と、
前記第１の高誘電率絶縁膜上に形成され、前記第１の高誘電率絶縁膜のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の高誘電率絶縁膜と、
前記第２の高誘電率絶縁膜上に形成された上部電極膜と、
を有し、
前記上部電極膜は、非貴金属であって４．８ｅＶよりも高い仕事関数を有する金属膜により構成されていることを特徴とする半導体装置。
前記下部電極膜が窒化チタン膜であり、
前記第１の高誘電率絶縁膜が、酸化ハフニウム膜又は酸化ジルコニウム膜であり、
前記第２の高誘電率絶縁膜が、酸化ハフニウム膜、酸化ジルコニウム膜、酸化チタン膜、酸化ニオブ膜、酸化タンタル膜、チタン酸ストロンチウム膜、チタン酸バリウムストロンチウム膜、又は、チタン酸ジルコン酸鉛膜であり、
前記上部電極膜が、コバルト膜、ニッケル膜、ベリリウム膜、カーボン膜、セレン膜、テルル膜、又は、レニウム膜であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
基板上に下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に第１の高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の高誘電率絶縁膜上に、前記第１の高誘電率絶縁膜のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有する第２の高誘電率絶縁膜を形成する工程と、
前記第２の高誘電率絶縁膜上に、非貴金属であって４．８ｅＶよりも高い仕事関数を有する金属膜により構成される上部電極膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。