JP2847981B2 - 誘電体薄膜の製造方法 - Google Patents

誘電体薄膜の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はCVDによる誘電体薄膜
の堆積方法,とくにチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体
薄膜を製造する方法に関する。
【0002】半導体装置の微細化に伴い素子面積を減少
するために,誘電率の高い絶縁物が要求されており,こ
のため強誘電体物質であるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の
固溶体の多結晶薄膜の利用が期待されている。
【0003】かかる誘電体薄膜の製造には素子形成プロ
セスとの適合性からCVD法を用いた例があるが,かか
る方法で製造された誘電体薄膜は結晶粒子が大きく微細
加工が困難である。
【0004】そこで,素子の微細化に合わせてより微細
な加工を施すことができるように,結晶粒径の小さな誘
電体薄膜が要求されている。
【0005】
【従来の技術】従来のチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶
体薄膜の製造方法について図3を参照して説明する。
【0006】図3は従来技術の実施例説明図であり,C
VDによりチタン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体薄膜が堆
積する過程を断面で示している。従来の固溶体薄膜8の
堆積方法は,最終的に目標とする膜厚を一度に基板1上
に堆積していた。
【0007】しかし,かかる方法では固溶体薄膜8の結
晶粒は大きく,微細な多結晶膜を得ることができないの
である。その原因は,堆積初期の成長核4の発生にあ
る。
【0008】即ち図3(a)を参照して,CVDの初期
に,基板1上に堆積されたTa及びPtからなるバリア
層3の表面に,距離を置いて互いに孤立した成長核4が
生ずるのである。
【0009】その後,図3(b)を参照して,各個の成
長核8がそれぞれ成長して固溶体薄膜8の結晶粒とな
る。従って,結晶粒の大きさは成長核4の密度で決定さ
れるから,結晶粒は微細にならないのである。
【0010】従来の方法による結果は,Jpn.J.A
pplied Physics,vol.29,No
4,1990,p718によれば,CVDにより500
〜650℃の温度範囲で2μmの厚さに堆積したPb
(Zr0.48Ti0.53)O3 薄膜8は,粒径略1μmの四
角い形状をなしている。これは,図3(b)に示すよう
に成長核4から大きな結晶粒に成長する機構に基づくた
めと考えられる。
【0011】この様に大きな粒径持つ薄膜には,いわゆ
るサブミクロンの精度が要求される微細加工を施すこと
ができない。さらに,粒界を緻密に形成することが難し
く,不均質な膜となり易いことから高精度の加工ができ
ないのである。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述のように,従来の
方法は,CVDで堆積した誘電体の多結晶薄膜は大きな
粒径を有し,不均質となり易いことから,精密な加工が
必要とされる微細加工を施す用途には適用することがで
きないという欠点があった。
【0013】本発明は,結晶粒が微細なかつ緻密なチタ
ン酸鉛とジルコン酸鉛の固溶体多結晶薄膜を堆積するこ
とができるCVD強誘電体薄膜の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の実施例説
明図であって,図1(a)はその工程を示している。上
記課題を解決するために,本発明の構成は,図1を参照
して,第一の構成はCVD法により基板1上にチタン酸
鉛とジルコン酸鉛の固溶体薄膜を製造する方法におい
て,500℃以上の温度T2 で堆積した該固溶体薄膜を
300℃以下の温度T1 に冷却する堆積冷却サイクルG
1 〜G20を,2サイクル以上有することを特徴として構
成され,及び,第二の構成は,上記堆積冷却サイクルG
1 〜G20の温度昇降をランプアニールにより行うことを
特徴として構成される。
【0015】
【作用】本発明の構成では,目的とする膜厚より薄い固
溶体膜を堆積し,その後300℃以下の温度に冷却する
のであって,かかる堆積冷却サイクルを複数回繰り返す
ことにより目的の膜厚まで堆積するのである。
【0016】かかる構成の作用を,図1を参照して説明
する。図1(b)は,本発明の効果を説明するための工
程図であって,固溶体薄膜の堆積層の断面を表してい
る。
【0017】本発明における最初の堆積については,成
長初期に図3(b1)に示すように成長核4が発生し,
これらの核がそれぞれ成長して図3(b2)に示す様に
大きな粒径の多結晶層が堆積第一層5として形成される
のは従来法と同様である。
【0018】なお,かかる堆積時の温度は,本発明にお
いてはペロブスカイト相とする必要から,チタン酸鉛と
ジルコン酸鉛の固溶体がペロブスカイト相となる相転移
温度,略500℃以上の温度でなされる必要がある。
【0019】本発明では,次いで温度を300℃以下に
冷却する。この冷却により,堆積第一層5には多くの結
晶欠陥6が導入されるのである。従って,堆積第一層5
上に堆積する次の堆積層(堆積第二層)7は,堆積第一
層5の結晶欠陥6を引継ぎ,第一層5よりも小さな結晶
粒からなる多結晶層として堆積,成長するのである。
【0020】本発明者は実験により,上記相転移温度以
上の温度から300℃以下に冷却することにより,堆積
層へ十分な量の結晶欠陥が導入されることを明らかにし
たのである。
【0021】この様な結晶欠陥6が導入されるのは,相
転移温度の通過に伴う相転移,または温度昇降に伴う熱
応力に起因する応力が多結晶粒内に生ずるためと本発明
の発明者により推定されている。
【0022】上述の様に本発明では,かかる堆積と欠陥
の導入を繰り返すことにより,微細な結晶を堆積し,ま
た結晶粒の成長を防ぐことができるのである。
【0023】
【実施例】本発明の詳細を,図1に示した実施例により
説明する。図2は,本実施例に使用したCVD装置の断
面を示したもので,いわゆるRTP(Rapid Thermal Pro
cess) −CVD装置を表している。
【0024】シリコン基板1上にTa及び,Ptを拡散
防止のためのバリア層3として堆積する。CVD装置は
ガス導入口11と排気口12を設けた台9と円筒形のチ
ャンバー14からなり,内部はランプ室16と成長室1
7とに石英板15により仕切られている。
【0025】基板1は,ホルダー10上に置かれ,タン
グステンランプ13により加熱される。原料は,Pb
(C2 5 4 ,Zr(i−OC3 7 4 ,Ti(i
−OC3 7 4 にそれぞれ50cc/分のキャリアガ
スを通して供給した。
【0026】薄膜の成長は先ず,図1(a)中にG1で
示す工程即ち,基板1表面温度を650℃に昇温して膜
厚100nmのペロブスカイト構造をもつ堆積第一層5
を堆積したのち,ランプ13を消灯して基板1表面温度
を100℃まで降温する堆積降温サイクルG1を行う。
【0027】ついで,同様の堆積降温サイクルG2〜G
20を20回繰り返すことにより2μmの膜厚の誘電体薄
膜を形成した。かかる方法により形成された誘電体多結
晶膜の平均的な粒径は,略5nmであり,従来法の50
0分の一という微細な多結晶膜であった。
【0028】ついで,Ta膜及びPt膜を上部電極とし
て堆積することによりキャパシタが形成される。本発明
による誘電体膜は緻密であって結晶粒界の凹凸が小さ
い。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば,結晶粒の小さな多結晶
からなる強誘電体膜をCVDにより堆積することができ
るという効果を奏するから,微細なパターンを加工する
ことができる高誘電率の誘電体薄膜の製造方法を提供す
ることができ,半導体装置の性能向上に貢献するところ
が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例説明図
【図2】 本発明の実施例に使用したCVD装置
【図3】 従来の実施例説明図
【符号の説明】
1 基板 3 バリア層 4 成長核 5 堆積第一層 6 結晶欠陥 7 堆積第二層 8 固溶体薄膜 9 台 10 ホルダー 11 ガス導入口 12 排気口 13 ランプ 14 チャンバー 15 石英板 16 ランプ室 17 成長室
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CVD(Chemical Vaper phase Deposit
    ion )法により基板(1)上にチタン酸鉛とジルコン酸
    鉛の固溶体薄膜を製造する方法において,500℃以上
    の温度(T2 )で堆積した該固溶体薄膜を300℃以下
    の温度(T1 )に冷却する堆積冷却サイクル(G1 〜G
    20)を,2サイクル以上有することを特徴とする誘電体
    薄膜の製造方法。
  2. 【請求項2】 上記堆積冷却サイクル(G1 〜G20)の
    温度昇降をランプアニールにより行うことを特徴とする
    請求項1記載の誘電体薄膜の製造方法。
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