JP2605465B2 - 容量絶縁膜の形成方法 - Google Patents

容量絶縁膜の形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体記憶装置を構成する酸化タンタル膜か
らなる容量絶縁膜の形成方法に関する。
［従来の技術］ DRAM素子では、α線によるソフトエラーを防止するた
め、セル面積の微細化によりメモリセル当りの信号電荷
量（約30fF/セル前後）を減少させるということはでき
ない。このため、64MDRAM以上の超LSIメモリを実現させ
るには、スタック構造又はトレンチ構造等の三次元構造
の容量とするか、又は高誘電率膜を採用することが必要
となる。高誘電率膜としては、特に酸化タンタル膜が注
目されて多くの研究がなされている。従来、この酸化タ
ンタル膜は、塩化タンタル（TaCl5）ガスと亜酸化窒素
ガスとを使用したプラズマ化学反応により形成されてい
る。
第５図はこの従来の酸化タンタル膜の形成方法にて使
用する装置を示す。
反応室62内には、ヒータ58を内設した基板ホルダ61が
そのウエハ60の載置面を水平にして設置されている。ま
た、この基板ホルダ61に対向するようにしてガス供給部
72が反応室62内に設置されており、このガス供給部72は
配管71を介してキャリアガスとしてのアルゴンガスの導
入管51に連結されている。また、この配管71は亜酸化窒
素ガスの導入管52、水素ガスの導入管53、フロンガスの
導入管54及び他のアルゴンガスの導入管55にも連結され
ている。そして、これらの配管71及び導入管51,52,53,5
4,55には夫々開閉弁70,55,66,67,68,69が介装されてい
る。また、キャリアガス導入管51にはその開閉弁55より
もガス通流方向下流側の位置に、塩化タンタル（TaC
l5）の気化室56が連結されている。そして、この気化室
56並びに気化室56から反応室62に至る導入管51及び配管
71にはヒータ57が配設されている。一方、反応室62の底
壁には配管73が連結されていて、この配管73には真空ポ
ンプ63が連結されている。これにより、ポンプ63により
吸引された反応室62内のガスは配管73を介して排気口64
から排出される。基板ホルダ61は接地されており、これ
に対向するガス供給部72は高周波電源59に接続されてい
る。
次に、このように構成された装置を使用して酸化タン
タル膜を形成する従来方法について説明する。
ヒータ57により熱せられた気化室56内の塩化タンタル
ガスは、導入管51から与えられるキャリアガスであるア
ルゴンガスと共に反応室62内へ導入される。また、亜酸
化窒素ガスは開閉弁66を介して反応室62内へ導入され
る。ヒータ58により基板ホルダ61が加熱されており、ガ
ス供給部72から反応室62内に導入した塩化タンタルガス
と亜酸化窒素ガスの混合ガスにおいて、高周波電源59を
オンにすることによりプラズマ化学反応が生じ、ウエハ
60の各シリコン基板表面上に酸化タンタル膜が形成され
る。
成長条件としては、ヒータ57による塩化タンタルガス
配管の加熱温度は50乃至300℃、ヒータ58による反応室6
2の成長温度は100乃至600℃、亜酸化窒素ガス流量は0.1
乃至5.0SLM、キャリアガスであるアルゴンガス流量は５
乃至100SCCM、圧力は0.1乃至10.0Torr、プラズマ化学反
応を生じさせるための高周波電源の条件としては、周波
数50kHz乃至13.56MHz、電力30乃至500Wとするのが一般
的である。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述した従来のプラズマ化学反応によ
る酸化タンタル膜の形成方法においては以下に延べる問
題点がある。
前述の如く、超LSIメモリの微細化に伴い、スタック
構造等の三次元構造又は酸化タンタル膜等の高誘電率膜
の採用が必要とされる。64MDRAMにおいて、酸化タンタ
ル膜を使用する場合、セル面積当り約30fF前後の信号電
荷量を確保するには、少なくとも10fF/μm2（SiO2換算
膜厚にして35Å）以上の容量値が必要とされる。しか
し、従来方法により単結晶シリコン基板又は多結晶シリ
コン基板上へ酸化タンタル膜を形成した場合、反応初期
に酸化シリコン膜（SiO2）が30乃至40Å形成される。こ
れは、膜形成にプラズマ化学反応を使用しているため、
反応初期に単結晶シリコン基板又は多結晶シリコン基板
のシリコンがプラズマ中のイオン等によりスパッタリン
グされ、このスパッタリングされたシリコンと亜酸化窒
素ガスとが反応を起こし、酸化シリコン（SiO2）膜が形
成されるためである。従って、従来方法により形成され
る酸化タンタル膜の容量値は、最大でも7fF/μm2（SiO2
換算膜厚にして50Å）程度しか達成されない。このた
め、従来方法を64MDRAM以上の超LSIメモリに適用するこ
とはできない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであっ
て、容量値が大きい絶縁膜を形成することができ、超LS
Iメモリの製造を可能とする容量絶縁膜の形成方法を提
供することを目的とする。
［課題を解決するための手段］ 本発明に係る容量絶縁膜の形成方法は、有機系のタン
タル原料ガスと酸素（O2）ガスとを使用した熱化学反応
により酸化タンタル膜を形成する工程と、続いてハロゲ
ン系のタンタル原料ガスと亜酸化窒素（N2O）ガスとを
使用したプラズマ化学反応により酸化タンタル膜を形成
する工程とを同一装置内で行うことを特徴とする。
［作用］ 本発明においては、酸化タンタル膜と基板との界面付
近に形成される酸化膜の膜厚が極めて薄くなるため、誘
電率の低下が防止されて高誘電率の酸化タンタル膜を形
成することができる。
［実施例］ 次に、本発明の実施例について添付の図面を参照して
説明する。第１図は本発明の実施例に係る容量絶縁膜形
成方法にて使用する装置を示す模式図である。
容量絶縁膜形成装置の反応室は開閉可能の仕切りによ
り３つの部屋に分割されている。中央の部屋はロードロ
ック室19であり、このロードロック室19の両側に夫々反
応室17,18が設けられている。各反応室17,18及びロード
ロック室19は夫々真空ポンプ20,22及び真空ポンプ21に
より排気されるようになっている。
反応室17,18内には、夫々ヒータ11,13を内設した基板
ホルダ11a,13aが設置されており、この基板ホルダ11a,1
3aに夫々対向するようにしてガス供給部11b,13bが配設
されている。基板ホルダ11a,13aにはウエハ12が載置さ
れる。
ガス供給部11bには、基幹配管及び分岐配管25a,27a,2
9a,31a,23を介して夫々酸素ガス供給源１、N2Oガス供給
源２、H2ガス供給源３、CF4ガス供給源４及びArガス供
給源５が連結されている。但し、配管23にはTa（OC
2H5）５ガスの気化室７がその途中に介装されている。
そして、この気化室７及び気化室７から反応室17に至る
配管23にはヒータ８が配設されている。
一方、ガス供給部13bには、基幹配管及び分岐配管26
a,28a,30a,32a及び24を介して夫々酸素ガス供給源１、N
2Oガス供給源２、H2ガス供給源３、CF4ガス供給源４及
びArガス供給源６が連結されている。但し、配管24には
TaCl5ガスの気化室９がその途中に介装されている。そ
して、この気化室９及び気化室９から反応室18に至る配
管24にはヒータ10が配設されている。また、配管25a,26
a,27a,28a,29a,30a,31a,32aには夫々開閉弁25,26,27,2
8,29,30,31,32が介装されている。
更に、ガス供給部11b,13bは夫々高周波電源15,16に接
続されている。
次に、上述の如く構成された装置を使用した容量絶縁
膜の形成方法について説明する。
先ず、ウエハ12をロードロック室19を介して反応室17
へ搬送する。そして、ヒータ８により加熱した気化室７
内の有機系のタンタル原料［Ta（OC2H5）５］ガスを、
供給源５からのアルゴンガスをキャリアガスとして反応
室17内へ導入すると共に、供給源１からの酸素ガスをバ
ルブ25を開にして反応室17へ導入する。ウエハ12はヒー
タ12により加熱されているので、導入された有機タンタ
ル［Ta（OC2H5）５］ガスと酸素ガスとが熱による化学
反応を起こす。これにより、ウエハ12の表面上に酸化タ
ンタル膜が形成される。
次に、このウエハ12を高真空に保持されたロードロッ
ク室19を介して、反応室18へ移送する。この反応室18内
にはヒータ10により加熱された気化室９内のハロゲン系
のタンタル原料（TaCl5）ガスが供給源６からのアルゴ
ンガスをキャリアガスとして導入されると共に、開閉弁
28を開にすることにより供給源２からの亜酸化窒素ガス
が反応室18内へ導入される。ヒータ13によりウエハ14は
加熱されているので、高周波電源16をオンすることによ
り、反応室18内のハロゲン系のタンタル原料（TaCl5）
ガスの亜酸化窒素ガスとがプラズマ化学反応を起こし、
ウエハ12の表面上に酸化タンタル膜が形成される。
なお、上述の酸化タンタル膜の形成方法において、水
素ガスを成膜形成時に導入することにより、酸化タンタ
ル膜の膜質を向上できる。これは、有機系又はハロゲン
系のタンタル原料ガスと導入された水素ガスとが化学反
応を起こし、水素ガスを使用しない場合に比して、酸化
タンタル膜中に含まれる不純物を少なくできるためであ
る。
酸化タンタル膜の成長条件の一例は以下のとおりであ
る。ヒータ８及びヒータ10によるタンクルガス配管系の
加熱温度は50乃至300℃、ヒータ11による反応室17の成
長温度及びヒータ13による反応室18の成長温度はいずれ
も100乃至600℃である。酸素ガスの流量は0.1乃至5.0SL
M、亜酸化窒素ガスの流量は0.1乃至5.0SLM、キャリアガ
スであるアルゴンガスの流量は10乃至500SCCM、また水
素ガスの流量は0.1乃至3.0SLMである。更に、プラズマ
化学反応を生じさせる高周波電源の条件としては、周波
数が50kHz乃至13.56MHz、電力が30乃至500Wである。し
かし、成膜条件は上述のものに限らず、他の条件でも本
発明の効果を得ることはできる。
また、フロン（CF4）ガス等のフッ素系ハロゲン化合
物を使用したプラズマ化学反応により反応室内の洗浄を
行うと、酸化タンタル膜を再現性良く形成できる。洗浄
法としては、CF4ガスののみで行う場合と、CF4ガス及び
酸素ガスの混合ガスを使用する場合とがある。洗浄条件
の一例としては、CF4ガスの流量が0.1乃至50SLM、酸素
ガスの流量が0.1乃至2.0SLM、プラズマ化学反応を生じ
させる高周波電源の周波数が50kHZ乃至13.56MHz、同じ
く電力が30乃至500Wで行うのが好ましい。しかし、この
洗浄条件はこれに限らず他の条件でも本発明の効果は奏
される。
第２図は本発明の実施例方法及び従来方法により形成
した酸化タンク膜の膜厚と誘電率εｒとの関係を示すグ
ラフ図である。第２図において曲線Ａは本実施例方法に
より形成した酸化タンタル膜の膜厚に対する誘電率εｒ
の変化を示し、曲線Ｂは従来方法により形成した酸化タ
ンタル膜のそれを示す。この第２図から明らかなよう
に、本実施例方法により形成した酸化タンタル膜の法
が、従来方法により形成した酸化タンタル膜に比して誘
電率εｒが大きい。特に、64MDRAM以上の超LSIデバイス
で必要とされる。100Å程度の極めて薄い膜厚では、本
実施例の酸化タンタル膜は従来の約1.5倍も誘電率εｒ
が高くなっている。これは、前述の如く従来方法では酸
化タンタル膜とシリコン基板との界面で30乃至40Å程度
の厚い酸化膜（SiO2）が反応初期に形成されるため、誘
電率εｒが小さくなるのに対し、本実施例により形成し
た酸化タンタル膜においては、界面付近の酸化膜の膜厚
が10Å以下と極めて薄いため、誘電率εｒの低下が抑制
されるからである。
次に、本発明を容量デバイスの製造に適用した実施例
について説明する。第３図（ａ）乃至（ｃ）はこの製造
方法を工程順に示すデバイスの断面図である。
第３図（ａ）に示すように、シリコン基板31の表面に
は素子分離用酸化膜36が形成されており、この素子分離
用酸化膜36に囲まれた素子領域にゲート電極33が酸化膜
34に覆われた状態で配置されている。また、シリコン基
板31の表面にはゲート電極33に自己整合的に不純物拡散
層32が形成されている。また、シリコン基板31上にはリ
ンドープしたスタックポリシリコン膜35が堆積された
後、所定の形状にパターニングされている。
次に、この第３図（ａ）に示すデバイスを第１図に示
す形成装置内に装入し、有機系のタンタル原料ガスと酸
素ガスとを使用して、熱化学反応により酸化タンタル膜
を形成した後、更に、ハロゲン系のタンタル原料ガスと
亜酸化窒素ガスとを用い、プラズマ化学反応により酸化
タンタル膜を形成する。その結果、第３図（ｂ）に示す
ように全面に容量絶縁膜37が形成される。
なお、容量絶縁膜の形成条件は前述のとおりである。
次に、第３図（ｃ）に示すように、全面にタングステ
ン膜を被着した後、これをパターニングしてプレート電
極38を形成する。そして、このプレート電極38をマスク
にして容量絶縁膜37を選択的に除去する。このようにし
て、容量メモリセルが製造される。
第４図は上述した工程により製造したメモリセルのセ
ルサイズに対する容量値の変化を示すグラフ図である。
なお、第４図の曲線Ａは本実施例方法により形成した容
量絶縁膜を使用した場合、曲線Ｂは従来方法により形成
した容量絶縁膜を使用した場合の容量値変化を表してい
る。第４図から明らかなように、本実施例方法により形
成した酸化タンタル膜の容量値の方が、従来方法により
形成した膜のそれと比して約1.5倍大きくなっている。
そして、64MDRAMで使用しているセルサイズ1.6μm2にお
いて、容量値が30fFと、α線によるソフトエラーを防止
するのに必要とする容量値が得られている。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明は有機系のタンタル原料
ガスと酸素ガスとを使用して、熱化学反応により酸化タ
ンタル膜を形成する工程と、続いてハロゲン系のタンタ
ル原料ガスと亜酸化窒素ガスとを使用して、プラズマ化
学反応により酸化タンタル膜を形成する工程とを同一装
置内で行うので、容量値が大きい容量絶縁膜を形成する
ことができ、例えば、64MDRAM以上の超LSIのメモリの実
現に多大の貢献をなす。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例方法にて使用する容量絶
縁膜の形成装置を示す模式図、第２図は本実施例及び従
来技術により形成された酸化タンタル膜の膜厚に対する
誘電率εｒの変化を示すグラフ図、第３図（ａ）乃至
（ｃ）は容量デバイスの製造方法を工程順に示す断面
図、第４図はこの実施例により製造した容量絶縁膜をデ
バイスに適用した場合のセルサイズに対する容量値の変
化を示すグラフ図、第５図は従来の容量絶縁膜の形成方
法に使用するプラズマ化学気相成長装置を示す模式図で
ある。 7,9,56;気化室、8,10,11,13,57,58;ヒータ、15,16,59;
高周波電源、12,60;ウエハ、11a,13a,61;基板ホルダ、1
7,18,62;反応室、19;ロードロック室、20,21,22,63;真
空ポンプ、31;シリコン基板、32;不純物拡散層、33;ゲ
ート電極、34;酸化膜、35;スタックポリシリコン膜、3
6;素子分離用酸化膜、37;容量絶縁膜、38;プレート電極

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】有機系のタンタル原料ガスと酸素（O2）ガ
    スとを使用した熱化学反応により酸化タンタル膜を形成
    する工程と、続いてハロゲン系のタンタル原料ガスと亜
    酸化窒素（N2O）ガスとを使用したプラズマ化学反応に
    より酸化タンタル膜を形成する工程とを同一装置内で行
    うことを特徴とする容量絶縁膜の形成方法。
  2. 【請求項２】前記酸素ガス及び亜酸化窒素ガスに水素ガ
    スを併用することを特徴とする請求項１に記載の容量絶
    縁膜の形成方法。
  3. 【請求項３】フッ素系ハロゲン化合物ガスを用いたプラ
    ズマ化学反応により反応室内を洗浄することを特徴とす
    る請求項１に記載の容量絶縁膜の形成方法。
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