JP2764472B2 - 半導体の成膜方法 - Google Patents

半導体の成膜方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は半導体の成膜方法に関
するもので、更に詳細には、半導体基板の表面に電極薄
膜を積層状に形成する半導体の成膜方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】近年、半導体ディバイスの高性能化と高
集積化へ向って新しい工程が開発されており、その中の
１つとしてキャパシター形成技術が重要課題とされてい
る。
【０００３】一般に、真空の誘電率：ε0 、物質の比誘
電率：εr 、キャパシター表面積：Ｓ、キャパシター膜
厚：ｄとすると、キャパシター：Ｃは以下のように表さ
れる。
【０００４】 Ｃ＝ε0 ・εr ・Ｓ／ｄ したがって、キャパシターの容量の増大を図るにはキャ
パシター膜厚を減少すればよく、現在の１ＭＤＲＡＭの
ような小容量な半導体ディバイスにおいては微細化に伴
い減少するキャパシター容量を平板型のままで薄膜化、
すなわちキャパシター膜厚の減少で対応することができ
る。
【０００５】しかし、４Ｍ以上の微細化には、現在のＳ
ｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 誘電体積層膜のメモリーセルの薄膜
化は、物理的な限界に達しつつある。その理由は、こ
れらの薄膜化には被誘電率が低い（３．８）ことと、
５０オングストローム（Ａ）以下に薄膜化すると、リー
ク電流が増大することの２点に起因する。そこで、従来
では、容量不足を補うため、三次元構造化、すなわちキ
ャパシター表面積（Ｓ）の拡大化が図られてきている。
このキャパシター表面積の拡大化の初期にはトレンチ型
が研究されていたが、シリコン（Ｓｉ）の酸化膜により
Ｓ／Ｎ比が低下するという理由から、スタックト型が使
用されている。また、キャパシター形成でなく、Ｓｉの
トレンチにもスタックト型を設けたスタックトトレンチ
型も使用されている。
【０００６】一方、１６Ｍ、６４ＭＤＲＡＭにつれて一
層微細化、薄膜化が進み、例えば、６４ＭＤＲＡＭでは
キャパシターサイズが１．５μｍ2 、膜厚は酸化膜厚換
算で５０Ａ以下になると考えられている。その上、低消
費電力化の方向にあり、また、信号電荷容量は静電容量
と動作電圧の積であるから、電源電圧の低下は、静電容
量の増加で補わなくてはならない。したがって、キャパ
シター表面積Ｓを増すために、最近では、フィン型、ク
ラウン型、チムニー型等種々の工夫も提案されている
が、これらのものは形状が複雑であるため製造工程の困
難さは否めない。
【０００７】この問題を解決する手段として、以前から
高誘電体膜としてしられていた五酸化タンタル（Ｔａ2
Ｏ5 ）等の誘電率の高い材料が最近見直され、実用化へ
の研究が行われている（月刊Semiconductor World １９
９０ ５月号、月刊Semiconductor World １９８７ ３
月号、J.Electrochem,Soc.,Vol.136,No.3,March 1989参
照）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｔａ2
Ｏ5 はその誘電率の高さから、最も注目されている誘電
体材料の１つであるが、十分満足できる良質な膜が形成
されず、耐圧が低下してしまうという欠点があり、これ
が実用化の障壁になっている。
【０００９】良質な膜が形成されない大きな理由は、以
下の３点である。
【００１０】Ｔａ2 Ｏ5 は下地のＳｉによって還元さ
れ易く、酸素（Ｏ）原子が不足になり、耐圧が不足する
こと（すなわち、標準生成自由エネルギー；ＳｉＯ2 ＝
−０．８２４４Ｊ／mol 、Ｔａ2 Ｏ5 ＝−１．１９１Ｊ
／mol であるので、Ｔａ2 Ｏ5 中のＯはＳｉにより還元
され易い。）また、従来の有機系のＴａのガスソースと
酸化ガスとを混合して連続的に堆積するＣＶＤやスパッ
タ等の方法では、気相中で反応した成分が堆積するため
化学量論（ストイキオメトリー）からずれた酸素不足な
膜が形成され易い。これが誘電率の低下につながる。
【００１１】膜中にカーボン等の汚染があると、リー
ク電流発生の原因となり、耐絶縁性を低下させてしま
う。特に、有機系のＴａのガスソースは、プラズマＣＶ
Ｄ等のプロセス中で分解し、中間生成物としてのカーボ
ンが取り込まれ易くなる。
【００１２】容量を増大させるため、高アスペクト比
構造の溝に堆積しようとしても、コンフォーマル（段差
被覆度の大きい構造の穴や内壁へ均一）に堆積すること
が難しい。
【００１３】このように、Ｔａ2 Ｏ5 は強誘電体メモリ
ーとしての物理的性質が高いにもかかわらず実用化への
障壁が解消されていないのが現状である。
【００１４】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、未反応の中間生成物の取り込まれにくい、しかもス
トイキオメトリックに近い組成を有する高誘電率で耐圧
特性の良好なＴａ2 Ｏ5 膜を形成する半導体の成膜方法
を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の半導体の成膜方法は、半導体基板の表面
に誘電体膜を形成する半導体の成膜方法を前提とし、有
機タンタルを含むソースガスと水素ラジカルを反応させ
て上記基板表面にタンタルを均一に堆積させる工程と、
上記タンタルに酸素ラジカルを反応させて酸化させる工
程とを繰り返し行うことによって、積層状の酸化タンタ
ル膜の誘電体膜を形成することを特徴とするものである
（請求項１）。
【００１６】この発明において、上記誘電体膜は積層状
の酸化タンタル膜であれば任意のものでよく、例えば酸
化タンタル膜と、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化
タングステン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム及び酸化イ
ットリウム等の高誘電率の金属酸化膜の一部又は全部と
を交互に積層した積層膜とすることができる（請求項
２）。
【００１７】また、上記誘電体膜は上記積層構造であれ
ば任意のものでよく、更に、この誘電体膜と、この誘電
体膜中の酸素の還元防止用の還元防止膜とを積層するこ
ともできる（請求項３）。この場合、還元防止膜とし
て、シリコン窒化膜、タンタル窒化膜、チタン窒化膜又
はタングステン窒化膜のいずれかを使用することができ
る（請求項４）。
【００１８】
【作用】上記のように構成されるこの発明の半導体の成
膜方法によれば、ソースガスの有機タンタルと水素ラジ
カルとを反応させることにより、メチル基・エチル基等
の炭化水素基を含んだタンタル薄膜を半導体基板の深い
溝穴に均一に堆積することができる。次いで、例えばマ
イクロ波放電等によって生じた酸素ラジカルを反応させ
ることにより、充分なＯ原子の供給により化学量論的組
成をもったＴａ2Ｏ5 膜が形成できる。この際、同時に
メチル基・エチル基等の炭化水素基は、Ｏ原子により酸
化され、膜中からＣＯ又はＣＯ2 ガスとして抜け出てゆ
くので、カーボン汚染の少ない膜が形成できる。これを
繰り返すことにより、膜厚が制御された化学量論的な薄
膜が形成できる。
【００１９】
【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。
【００２０】図１はこの発明の成膜方法を実現する装置
の一例であるプラズマＣＶＤ装置の概略断面図が示され
ている。
【００２１】プラズマＣＶＤ装置は、試料である半導体
基板１を載置する載置台２を配設する反応室３に、ソー
スガスを供給するソースガス導入口４と水素ラジカル又
は酸素ラジカル等の反応媒体を供給する反応媒体導入口
５を形成すると共に、真空ポンプ６と連結する排気口７
を形成してなる。
【００２２】ソースガス導入口４には開閉弁８及び流量
制御弁９を介して例えばペンタジメチルアミノタンタリ
ウム（Ｔａ［Ｎ（ＣＨ3 ）2 ］5 ）等の有機タンタル
（Ｔａ）を収容するタンタル供給源１０が接続されてお
り、このソースガス導入口４とタンタル供給源１０とを
接続する管路１１の途中に、例えばジルコニウム（Ｚ
ｒ）、チタン（Ｔｉ）等のサブソースガスをそれぞれ収
容するジルコニウム供給源、チタン供給源（図示せず）
が開閉弁８及び流量制御弁９を介して連結されている。
なおこの場合、サブソースガスとしてジルコニウム源と
チタン源を使用しているが、必ずしもこれらのものに限
定されるものではなく、例えばタングステン（Ｗ）源、
ニオブ（Ｎｂ）源、ハフニウム（Ｈｆ）源あるいはイッ
トリウム（Ｙ）源等を使用することもできる。
【００２３】一方、反応媒体導入口５にはプラズマ生成
室１２を介して互いに並列な水素ガスを収容する水素ガ
ス供給源１３と酸素ガスを収容する酸素ガス供給源１４
とがそれぞれ開閉弁８，８及び流量制御弁９，９を介し
て接続されており、水素ガスと酸素ガス，アンモニアガ
ス，シランガスとが選択的にプラズマ生成室１２内に送
られるようになっている。この場合、プラズマ生成室１
２にはマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）放電によるプラズ
マが用いられて、水素又は酸素のプラズマ化された電子
が発散磁界によって反応室３内に送り出されるようにな
っている。
【００２４】なお、反応室３内は、真空度１０-5Torr、
温度３００℃の雰囲気に設定されている。
【００２５】次に、この発明の成膜方法を図２に示すキ
ャパシターセルを形成する場合について図３に示すタイ
ムチャートを参照して説明する。
【００２６】まず、例えば希ＨＦ処理あるいは希ＨＦ処
理後の表面をＨｅＩ共鳴線で励起し、そこへイオン照射
してＨ／Ｆ除去を行う等して載置台２上に載置された半
導体基板１の表面の自然酸化膜を除去した後、例えばＴ
ｉ［Ｎ（ＣＨ3 ）2 ］4 とＨ2 の混合ガス（０．５Tor
r）をマイクロ波放電（４０Ｗ）によるダウンストリー
ムにて反応室３内に供給して、基板１上にＴｉ薄膜を堆
積する。次いで、ＮＨ3ガス（０．５Torr）をマイクロ
波放電（４０Ｗ）によるダウンストリームにてＴｉを窒
化して、ＴｉＮの下部電極１５を形成する。このとき、
基板１の温度は１００℃であり、下部電極１５の膜厚は
１００Ａである。
【００２７】次に、例えばＴａ［Ｎ（ＣＨ3 ）2 ］5 の
ような有機タンタルソースと水素（Ｈ2 ）ラジカルを例
えば１×１０-3Torr混合し、マイクロ波放電（４０Ｗ）
によるダウンストリームにて反応室３内に供給して、Ｔ
ａ薄膜を堆積する。次いで、マイクロ波放電（４０Ｗ）
によるダウンストリームにて酸素ラジカル（１．０Tor
r）と反応させて誘電体膜である酸化タンタル（Ｔａ2
Ｏ5 ）薄膜１６を形成する。このとき、酸化タンタル薄
膜１６の膜厚は４０Ａである。
【００２８】次に、ＮＨ3 とＳｉＨ4 ガスを例えば１To
rr混合し、マイクロ波放電（４０Ｗ）によるダウンスト
リームにて還元防止膜としての絶縁性のシリコン窒化膜
１７（Ｓｉ3 Ｈ4 ）を堆積する。このときのシリコン窒
化膜１７の膜厚は１０Ａである。
【００２９】以下、上記酸化タンタル薄膜１６とシリコ
ン窒化膜１７の成膜工程を繰り返して、Ｔａ2 Ｏ5 ／Ｓ
ｉ3 Ｎ4 の積層膜を形成する。これにより強誘電体キャ
パシターセルが形成される。また、シリコン窒化膜１７
によって酸化タンタル薄膜１６中の酸素の還元防止が図
れ、酸化タンタル薄膜１６のＳｉ界面におけるリーク電
流の発生が防止される。
【００３０】最後に、下部電極１５と同一の成膜工程を
行って、上部電極１８を形成すれば、成膜工程は完了す
る。
【００３１】以上の成膜工程は図３に示すようにデジタ
ル的に行われるので、未反応の中間生成物の取り込まれ
にくい、しかも化学量論的に近い組成をもった酸化タン
タル薄膜１６を形成することができる。したがって、高
誘電率を保ち、かつ耐圧特性の良好な膜を形成すること
ができる。また、異種の材料の多層構造膜が形成できる
ので、酸化タンタル薄膜１６とＳｉ界面との間にシリコ
ン窒化膜１７等の還元防止膜を積層することができ、リ
ーク電流の発生を防止することができる。
【００３２】なお、上記実施例では、酸化タンタル薄膜
１６とシリコン窒化膜１７とを２回積層した場合につい
て説明したが、必ずしもこの積層構造のものに限定され
るものではなく、３回以上積層した構造であってもよ
い。また、誘電体膜を、酸化タンタル膜と、酸化ジルコ
ニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化ニオブ、
酸化ハフニウム及び酸化イットリウム等の高誘電率の金
属酸化膜の一部又は全部とを交互に積層した積層膜とす
ることもできる。更に、上記シリコン窒化膜に代えて例
えばタンタル窒化膜、チタン窒化膜又はタングステン窒
化膜等の絶縁性の還元防止膜を上部及び下部電極膜とし
て使用することができる。
【００３３】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明の半導
体の成膜方法によれば、未反応の中間生成物の取り込ま
れにくい、しかも化学量論的に近い組成をもった酸化タ
ンタル薄膜を容易に形成することができる。その結果、
高誘電率を保ち、かつ耐圧特性の良好な膜を形成するこ
とができる。また、異種の材料の多層構造膜が形成でき
るので、酸化タンタル薄膜とＳｉ界面との間にＳｉ窒化
膜等の絶縁性の還元防止膜を積層することができ、リー
ク電流の発生を防止することができる等の優れた効果が
得られ、その利用価値は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の成膜方法を実施するプラズマＣＶＤ
装置の概略断面図である。
【図２】キャパシターセルの成膜状態を示す拡大断面図
である。
【図３】成膜工程の一例を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 半導体基板 ３ 反応室 １０ タンタル供給源 １２ プラズマ生成室 １３ 水素供給源 １４ 酸素供給源 １６ 酸化タンタル薄膜（誘電体膜） １７ シリコン窒化膜（還元防止膜）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−215764（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−38248（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−145854（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−118559（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94645（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−226754（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−196427（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−128460（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−128531（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/04 H01L 21/316

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体基板の表面に誘電体膜を形成する
    半導体の成膜方法において、 有機タンタルを含むソースガスと水素ラジカルを反応さ
    せて上記基板表面にタンタルを均一に堆積させる工程
    と、上記タンタルに酸素ラジカルを反応させて酸化させ
    る工程とを繰り返し行うことによって、積層状の酸化タ
    ンタルの誘電体膜を形成することを特徴とする半導体の
    成膜方法。
  2. 【請求項２】 誘電体膜を、酸化タンタル膜と、酸化ジ
    ルコニウム、酸化チタン、酸化タングステン、酸化ニオ
    ブ、酸化ハフニウム及び酸化イットリウム等の金属酸化
    膜の一部又は全部とを交互に積層した積層膜としたこと
    を特徴とする請求項１記載の半導体の成膜方法。
  3. 【請求項３】 誘電体膜と、この誘電体膜中の酸素の還
    元防止用の還元防止膜とを積層したことを特徴とする請
    求項１又は２記載の半導体の成膜方法。
  4. 【請求項４】 還元防止膜が、シリコン窒化膜、タンタ
    ル窒化膜、チタン窒化膜又はタングステン窒化膜のいず
    れかであることを特徴とする請求項３記載の半導体の成
    膜方法。
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