JP3202893B2 - 低温オゾン・プラズマ・アニールによる酸化タンタル薄膜製造方法 - Google Patents

低温オゾン・プラズマ・アニールによる酸化タンタル薄膜製造方法

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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、一般的に、高誘電率材
料を半導体基板上に製造する方法に関し、さらに詳細に
は、低温アニールによって五酸化タンタル（Ｔa2Ｏ5）
の品質を改善する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】高誘電率（ｄｃ）材料は、ダイナミック
・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）における蓄
積コンデンサのコンデンサ誘電体として有用である。高
誘電率Ｔa2Ｏ5膜は、６４Ｍビットないし２５６Ｍビッ
トのダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲ
ＡＭ) 、特にスタック・コンデンサ構造用の蓄積コンデ
ンサ誘電体として熱心に研究されてきた。このような膜
のほとんどは、低温 (すなわち４００〜４８０℃) で化
学蒸着（ＣＶＤ）によって付着される。しかしながら、
誘電率のより低い絶縁体と比較してＴa2Ｏ5の第一の欠
点は、化学量論的組成からの逸脱または欠陥のある結合
のために、かなり高い導電性を有し、大きな漏電を伴う
ことである。したがって、Ｔa2Ｏ5膜は、膜の電気的性
質を改善するためにより高温 (すなわち７５０〜８００
℃) のアニール・サイクルを実質的に必要とする。その
一方法が、急速熱酸化（ＲＴＯ）法である。この方法で
は、高温によって近傍のポリシリコンの酸化が引き起こ
され、誘電特性が低下する。もう一つの方法は、試料を
オゾン環境で紫外光に暴露する、紫外線（ＵＶ）オゾン
法である。ＵＶオゾンは、処理に長時間を要し、また局
部的に高温を生じる可能性がある。オゾン・プラズマ
は、優れたシリコン酸化薄膜を成長させるための「低温
プラズマ酸化法」として研究されてきた。しかしなが
ら、他の高誘電率材料の改善にはプラズマ酸化は利用さ
れていない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の一
目的は、Ｔa2Ｏ5膜のＣＶＤに伴って通常生じる漏電を
削減する方法を提供することである。
【０００４】本発明の他の目的は、シングル・ウェーハ
法による集積により好適なＴa2Ｏ5膜処理時間を短縮す
ることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、高誘電
率Ｔa2Ｏ5薄膜の低温オゾン・プラズマ・アニール（酸
化）方法が提供される。生成される膜は、特に６４Ｍビ
ットないし２５６ＭビットのＤＲＡＭ応用例に適用でき
る。
【０００６】本発明によるＴa2Ｏ5薄膜のためのオゾン
・プラズマ・アニール法では、処理温度が４００℃と低
く、しかも膜の品質は超大規模集積回路（ＵＬＳＩ）の
応用例（スタック・コンデンサ構造の６４Ｍビットない
し２５６ＭビットＤＲＡＭ用の蓄積コンデンサなど）ま
たは低温処理を要する他の応用例により好適なものであ
る。この低温法は、他に多くの応用例が可能な他の高誘
電率薄膜および圧電性薄膜にも拡張できる。
【０００７】
【実施例】本発明の方法では、処理時間がかなり短縮さ
れたプラズマ酸化アニール工程によって、Ｔa2Ｏ5膜の
特性が改善され、低い漏電と高い絶縁破壊がもたらされ
る。プラズマ・アニールは、温度が低いほど効果的であ
る。これは、通常のＵＶオゾン・アニールに比べてオゾ
ン・プラズマの酸化機構がより効果的なことによるもの
である。オゾン・プラズマでは、プラズマ放電中のイオ
ンとラジカルによるオゾンの連続的な再結合および生成
によって、オゾン濃度がはるかに高い。さらに、オゾン
・プラズマ中の酸素イオンとラジカルが酸化をも助長
し、Ｔa2Ｏ5膜の漏電と破壊を改善する。このため、オ
ゾン・プラズマ酸化／アニール処理は、ＵＶオゾン・ア
ニールより優れたものとなる。
【０００８】図面、より詳細には図１には、本発明の好
適な実施例による工程のフローチャートが示されてい
る。段階１０で、まず急速熱窒化によってｐ型シリコン
基板を作成する（１０−１１Å）。この急速熱窒化段階
は、その後の酸化アニール段階の間、シリコン基板（ｎ
型またはｐ型）の酸化を防ぐための窒化物薄膜を形成す
るためのものである。次に段階１１で、４６０℃でＴa
（ＯＥt）5＋Ｏ2を使用した低圧化学蒸着（ＬＰＣＶ
Ｄ）によって、基板にＴa2Ｏ5の薄膜を付着させる。比
較試験のため、段階１０および１１に従って２つの試料
を作成した。次の段階１２は酸化段階であるが、一方の
試料は急速熱酸化（ＲＴＯ）法を使ってアニールし、も
う一方の試料は本発明によるプラズマ強化酸化アニール
法によってアニールした。ＲＴＯアニールは、７５０℃
で２０００sccmのＯ2を用いて１２０秒間行った。この
Ｔa2Ｏ5膜の最初の厚さは、２４．１ｎｍであり、酸化
後の厚さは２２．６ｎｍとなった。本発明による強化プ
ラズマ・アニールは、４００℃で５トルで２０００sccm
Ｏ3＋２３０sccmのＯ2を用いて９５Ｗプラズマによって
５分間行った。このＴa2Ｏ5膜の最初の厚さは、１１．
４ｎｍであり、酸化後の厚さは９．６５ｎｍとなった。
次に段階１３で、４００℃３０分間の生成ガス・アニー
ルにより０．７６ｍｍ2のアルミニウム・ドットを、ア
ルミニウムの後部ブランケットを有する試料の前面に蒸
着させた。
【０００９】図２および図３は、それぞれＭＯＳ ＩＶ
測定による種々のアルミニウム・ドットについての急速
熱酸化（ＲＴＯ）アニールとプラズマ・オゾン・アニー
ルの２組の試料の測定結果を示している。図に示される
通り、ＲＴＯアニール試料の方が厚いにもかかわらず、
漏電はより悪かった。これは、ＲＴＯアニールの高温が
近傍シリコン（ポリシリコン）の酸化を引き起こし、誘
電特性を低下させたためである。高温酸化では、非常に
薄い窒化物表面は酸化防止に効果がない。
【００１０】図４では、両方の試料のデータを同じ印加
電界（ＭＶ／ｃｍ）に標準化した。プラズマ・オゾン・
アニールが優れていることは、このグラフから非常に明
らかである。漏電は、このプラズマ・オゾン・アニール
試料では、３ＭＶ／ｃｍで１０-4Ａ／ｃｍ2である。
【００１１】
【発明の効果】本発明の低温オゾン・プラズマ・アニー
ルによって、低い漏電と高い絶縁破壊を達成できる高品
質な高誘電率Ｔa2Ｏ5薄膜が製造された。この処理方法
は他の高誘電率薄膜および圧電薄膜の製造にも有用であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＲＴＯおよびプラズマ強化酸化のアニール工程
を示すフローチャートである。
【図２】ＲＴＯアニールの結果を示すグラフである。
【図３】本発明による強化プラズマ・アニールの結果を
示すグラフである。
【図４】図２および図３のデータを同じ印加電界に標準
化したグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/205 Ｈ０１Ｌ 21/205 (72)発明者 デーヴィッド・マーク・ドブジンスキ アメリカ合衆国12533 ニューヨーク州 ホープウェル・ジャンクション シェナ ンドー・ロード 29 (72)発明者 ソン・ヴァン・グエン アメリカ合衆国12533 ニューヨーク州 ホープウェル・ジャンクション クロー ヴ・コート ７ (72)発明者 トゥエ・グエン アメリカ合衆国98684 ワシントン州バ ンクーバー ワンハンドレッドアンドサ ーティーシクスス・アベニュー サウ ス・イースト 905 (56)参考文献 特開 平７−161827（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−14986（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−66369（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−57432（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−169917（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/316 H01L 21/318

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ｐ型またはｎ型シリコン基板を急速熱窒化
    させる段階と、 低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によって上記窒化基板上に
    Ｔa２Ｏ５薄膜を付着させる段階と、 上記Ｔa２Ｏ５膜を低温のオゾンおよび酸素プラズマで
    アニールする段階とを含み、 該アニールする段階が、２０００sccmのＯ３および２３
    ０sccmのＯ２を用いて５トルで５分間実施されることを
    特徴とする、高誘電率Ｔa２Ｏ５薄膜を製造する方法。
  2. 【請求項２】上記アニール段階が、４００℃で実施され
    ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】上記アニールされたＴa２Ｏ５膜上に金属
    ドットを蒸着して、コンデンサ構造を形成する段階をさ
    らに含む、請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】上記Ｔa２Ｏ５薄膜が１０Åであることを
    特徴とする請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】ｐ型またはｎ型シリコン基板を急速熱窒化
    させる段階と、 低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によってその窒化基板上に
    薄い誘電膜を付着させる段階と、 上記薄い誘電膜を低温のオゾンおよび酸素プラズマでア
    ニールする段階とを含み、 該アニールする段階が、２０００sccmのＯ３および２３
    ０sccmのＯ２を用いて５トルで５分間実施されることを
    特徴とする、高誘電率薄膜を製造する方法。
  6. 【請求項６】上記アニール段階が、４００℃で実施され
    ることを特徴とする請求項５に記載の方法。
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