JP3450463B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
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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、酸化物薄膜の熱処理方
法を含む半導体装置の製造方法に関する。
法を含む半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体記憶装置の容量絶縁膜として、小
面積で大容量を得るために、高誘電率絶縁膜であるＴａ
2Ｏ5（五酸化タンタル）膜を用いることが検討されてい
る。この場合、容量絶縁膜は、立体的な構造を有する電
極上に形成することを目的としているので、Ｔａ2Ｏ5膜
の製造方法としては段差被覆性がすぐれた方法を用いる
必要があり、タンタルの有機化合物を原料とした化学的
気相成長法（ＣＶＤ法）が、この理由から用いられてい
る。
面積で大容量を得るために、高誘電率絶縁膜であるＴａ
2Ｏ5（五酸化タンタル）膜を用いることが検討されてい
る。この場合、容量絶縁膜は、立体的な構造を有する電
極上に形成することを目的としているので、Ｔａ2Ｏ5膜
の製造方法としては段差被覆性がすぐれた方法を用いる
必要があり、タンタルの有機化合物を原料とした化学的
気相成長法（ＣＶＤ法）が、この理由から用いられてい
る。
【０００３】しかし、この方法によって形成されたＴａ
2Ｏ5膜は、原料から混入した不純物炭素や酸素欠損が多
く含まれ、リーク電流が極めて大きいので、Ｔａ2Ｏ5膜
を形成した後に熱処理を行って、上記不純物炭素や酸素
欠損を除去することが、不可欠である。
2Ｏ5膜は、原料から混入した不純物炭素や酸素欠損が多
く含まれ、リーク電流が極めて大きいので、Ｔａ2Ｏ5膜
を形成した後に熱処理を行って、上記不純物炭素や酸素
欠損を除去することが、不可欠である。
【０００４】上記Ｔａ２Ｏ５膜中の不純物炭素や酸素欠
損を除去するためには、酸化雰囲気中での熱処理が効果
的であり、特に酸化性の強い酸素ラジカルを用いる熱処
理方法が検討されている。例えば、酸素を低圧水銀ラン
プで活性化する方法（ＵＶ−Ｏ２アニール法）が、特開
平１−１２８５３１およびエクステンディッド・アブス
トラクツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ス
テイト・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、１９８
７年、２１９ページ（Extended Abstracts of Conferen
ce on Solid State Devices and Materials, p.219 (19
87)）に開示されている。また、他の方法として、オゾ
ンを低圧水銀ランプで活性化する方法（ＵＶ−Ｏ３アニ
ール法）が、特開平２−２８３０２２やテクニカル・ダ
イジェスト・オブ・シンポジウム・オン・ブイエルエス
アイ・テクノロジー、１９８９年、２５ページ（Techni
cal Digest of Symposium on VLSI Technology, p.25
(1989)）に開示されている。さらに、酸素をプラズマで
活性化する方法（Ｏ２プラズマアニール法）が、特開平
４−１９９８２８やエクステンディッド・アブストラク
ツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステイト
・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、１９９３年、
８６２ページ（Extended Abstracts of Conference on
Solid StateDevices and Materials, p.862 (1993)）に
開示されている。
損を除去するためには、酸化雰囲気中での熱処理が効果
的であり、特に酸化性の強い酸素ラジカルを用いる熱処
理方法が検討されている。例えば、酸素を低圧水銀ラン
プで活性化する方法（ＵＶ−Ｏ２アニール法）が、特開
平１−１２８５３１およびエクステンディッド・アブス
トラクツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ス
テイト・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、１９８
７年、２１９ページ（Extended Abstracts of Conferen
ce on Solid State Devices and Materials, p.219 (19
87)）に開示されている。また、他の方法として、オゾ
ンを低圧水銀ランプで活性化する方法（ＵＶ−Ｏ３アニ
ール法）が、特開平２−２８３０２２やテクニカル・ダ
イジェスト・オブ・シンポジウム・オン・ブイエルエス
アイ・テクノロジー、１９８９年、２５ページ（Techni
cal Digest of Symposium on VLSI Technology, p.25
(1989)）に開示されている。さらに、酸素をプラズマで
活性化する方法（Ｏ２プラズマアニール法）が、特開平
４−１９９８２８やエクステンディッド・アブストラク
ツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステイト
・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、１９９３年、
８６２ページ（Extended Abstracts of Conference on
Solid StateDevices and Materials, p.862 (1993)）に
開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】酸素分子とオゾンの光
吸収係数の波長依存性を図２に示す。図２から明らかな
ように、酸素分子は２００ｎｍ以下の波長の光を吸収し
てオゾンになり、さらにオゾンは２００ｎｍ以上３００
ｎｍ以下の波長の光を吸収して酸素ラジカルになる。
吸収係数の波長依存性を図２に示す。図２から明らかな
ように、酸素分子は２００ｎｍ以下の波長の光を吸収し
てオゾンになり、さらにオゾンは２００ｎｍ以上３００
ｎｍ以下の波長の光を吸収して酸素ラジカルになる。
【０００６】ＵＶーＯ2アニール法に用いられる低圧水
銀ランプは、図３に示すように波長２５４ｎｍにピーク
をもつ光Ｌ1および波長１８５ｎｍにピークを有する光
Ｌ2を発光し、このうち、波長２５４ｎｍにピークをも
つ光Ｌ1によって、オゾンを酸素ラジカルまで励起する
ことが可能である。しかし、図２を参照すれば明らかな
ように、波長１８５ｎｍにピークをもつ光Ｌ2では酸素
分子の励起が極めて低いため、得られるオゾン濃度が低
く、その結果、酸素ラジカルを十分に供給することがで
きず、Ｔａ2Ｏ5膜中の酸素欠損を修復してリーク電流を
低減させる効果が不十分になる。
銀ランプは、図３に示すように波長２５４ｎｍにピーク
をもつ光Ｌ1および波長１８５ｎｍにピークを有する光
Ｌ2を発光し、このうち、波長２５４ｎｍにピークをも
つ光Ｌ1によって、オゾンを酸素ラジカルまで励起する
ことが可能である。しかし、図２を参照すれば明らかな
ように、波長１８５ｎｍにピークをもつ光Ｌ2では酸素
分子の励起が極めて低いため、得られるオゾン濃度が低
く、その結果、酸素ラジカルを十分に供給することがで
きず、Ｔａ2Ｏ5膜中の酸素欠損を修復してリーク電流を
低減させる効果が不十分になる。
【０００７】そこで、プラズマによってあらかじめ酸素
分子をオゾンに励起して熱処理室に輸送し、当該処理室
内において上記オゾンを低圧水銀ランプで励起して、酸
素ラジカルを生成させ、Ｔａ2Ｏ5膜を処理する方法が提
案されている（ＵＶーＯ3アニール法）。この方法に用
いられる装置の代表的な一例を図４に示した。しかし、
酸素欠損を十分に修復するためには、上記熱処理室内に
おける処理温度を十分高くする必要があるが、オゾンは
３００℃以上で容易に酸素分子に解離してしまうため、
熱処理時の基板温度を３００℃以上に高くすると、オゾ
ンが解離してリーク電流低減効果が小さくなってしま
う。
分子をオゾンに励起して熱処理室に輸送し、当該処理室
内において上記オゾンを低圧水銀ランプで励起して、酸
素ラジカルを生成させ、Ｔａ2Ｏ5膜を処理する方法が提
案されている（ＵＶーＯ3アニール法）。この方法に用
いられる装置の代表的な一例を図４に示した。しかし、
酸素欠損を十分に修復するためには、上記熱処理室内に
おける処理温度を十分高くする必要があるが、オゾンは
３００℃以上で容易に酸素分子に解離してしまうため、
熱処理時の基板温度を３００℃以上に高くすると、オゾ
ンが解離してリーク電流低減効果が小さくなってしま
う。
【０００８】一方、Ｔａ2Ｏ5膜を形成した後、酸素プラ
ズマに曝して熱処理を行う方法（Ｏ 2プラズマ・アニー
ル法）も提案されている。この方法に用いられる装置の
代表的な一例を図５に示した。この方法は、Ｔａ2Ｏ5膜
の表面において、酸素ラジカルが常に生成し続けられる
ので、基板温度を３００℃以上に高くしても、高温によ
る酸素ラジカルの解離は相殺され、Ｔａ2Ｏ5膜中の酸素
欠損に起因するリーク電流は効果的に低減される。
ズマに曝して熱処理を行う方法（Ｏ 2プラズマ・アニー
ル法）も提案されている。この方法に用いられる装置の
代表的な一例を図５に示した。この方法は、Ｔａ2Ｏ5膜
の表面において、酸素ラジカルが常に生成し続けられる
ので、基板温度を３００℃以上に高くしても、高温によ
る酸素ラジカルの解離は相殺され、Ｔａ2Ｏ5膜中の酸素
欠損に起因するリーク電流は効果的に低減される。
【０００９】しかし、この方法では、Ｔａ2Ｏ5膜がプラ
ズマによって損傷を受けて、リーク電流発生の新らしい
原因が生じてしまう。そのため、プラズマを用いること
なしに、光と熱のみでＴａ2Ｏ5膜のリーク電流を効果的
に低減できる熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置
が、強く求められていた。
ズマによって損傷を受けて、リーク電流発生の新らしい
原因が生じてしまう。そのため、プラズマを用いること
なしに、光と熱のみでＴａ2Ｏ5膜のリーク電流を効果的
に低減できる熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置
が、強く求められていた。
【００１０】本発明の目的は、従来の熱処理方法の有す
る上記問題を解決し、酸化物薄膜に損傷を与えることな
しに、リーク電流を効果的に低減することのできる、酸
化物薄膜の熱処理方法を含む半導体装置の製造方法を提
供することである。
る上記問題を解決し、酸化物薄膜に損傷を与えることな
しに、リーク電流を効果的に低減することのできる、酸
化物薄膜の熱処理方法を含む半導体装置の製造方法を提
供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、酸素をオゾンに励起できる波長をもった
光を発光する第1の光源（例えば重水素ランプ）と、オ
ゾンを酸素ラジカルに励起できる波長をもった光を発光
する第２の光源（例えば低圧水銀ランプ）を用いて酸化
物薄膜を光照射して熱処理を行ない、酸素から酸素ラジ
カルを生成させるものである。
め、本発明は、酸素をオゾンに励起できる波長をもった
光を発光する第1の光源（例えば重水素ランプ）と、オ
ゾンを酸素ラジカルに励起できる波長をもった光を発光
する第２の光源（例えば低圧水銀ランプ）を用いて酸化
物薄膜を光照射して熱処理を行ない、酸素から酸素ラジ
カルを生成させるものである。
【００１２】
【作用】図３に示したように、重水素ランプは１６０ｎ
ｍ付近に特に大きな発光ピークを有しており、酸素分子
は、この波長領域における光吸収係数が大きいため、酸
素を効果的に吸収してオゾンが生成される。さらに、生
成されたオゾンは、低圧水銀ランプから発生された波長
２５４ｎｍの光Ｌ1によって酸素ラジカルに励起され
る。なお、重水素ランプも波長２００ｎｍ〜３００ｎｍ
の発光を有しているが、発光強度が低圧水銀ランプに比
べて５桁程度小さいため、重水素ランプのみではオゾン
を酸素ラジカルに励起させる効果が低く、第２の光源と
して低圧水銀ランプを用いた方が、オゾン生成の効果が
はるかに大きい。
ｍ付近に特に大きな発光ピークを有しており、酸素分子
は、この波長領域における光吸収係数が大きいため、酸
素を効果的に吸収してオゾンが生成される。さらに、生
成されたオゾンは、低圧水銀ランプから発生された波長
２５４ｎｍの光Ｌ1によって酸素ラジカルに励起され
る。なお、重水素ランプも波長２００ｎｍ〜３００ｎｍ
の発光を有しているが、発光強度が低圧水銀ランプに比
べて５桁程度小さいため、重水素ランプのみではオゾン
を酸素ラジカルに励起させる効果が低く、第２の光源と
して低圧水銀ランプを用いた方が、オゾン生成の効果が
はるかに大きい。
【００１３】従って、３００℃以上の温度に昇温された
基板の表面において、オゾンが解離されて酸素分子に戻
っても、重水素ランプからの励起光が常に照射されてい
るため、戻った酸素分子が再びオゾンに励起されて、十
分な量のオゾンが確保され、さらに、このオゾンは、上
記低圧水銀ランプからの波長２４５ｎｍの光Ｌ１によっ
て酸素ラジカルに励起されて、十分な量の酸素ラジカル
が生成される。
基板の表面において、オゾンが解離されて酸素分子に戻
っても、重水素ランプからの励起光が常に照射されてい
るため、戻った酸素分子が再びオゾンに励起されて、十
分な量のオゾンが確保され、さらに、このオゾンは、上
記低圧水銀ランプからの波長２４５ｎｍの光Ｌ１によっ
て酸素ラジカルに励起されて、十分な量の酸素ラジカル
が生成される。
【００１４】その結果、Ｏ2プラズマアニール法と同様
に、基板温度を３００℃以上に高温化することができ、
しかも、プラズマは使用されず、光と熱のみによる熱処
理であるため、上記プラズマによる損傷が起らず、リー
ク電流を発生させる要因が新しく生じることはない。
に、基板温度を３００℃以上に高温化することができ、
しかも、プラズマは使用されず、光と熱のみによる熱処
理であるため、上記プラズマによる損傷が起らず、リー
ク電流を発生させる要因が新しく生じることはない。
【００１５】本発明において、重水素ランプおよび低圧
水銀ランプの光強度は大きいほど好ましい。上記ランプ
の光強度が過度に小さいと、十分な効果を得るのが困難
になるので、重水素ランプの光強度は１０-2μＷ／ｃｍ
2、低圧水銀ランプの光虚度は１ｍＷ／ｃｍ2以上とした
方がよい。また、上記重水素ランプに対する低圧水銀ラ
ンプの光強度の比は、１〜１０5の範囲で実施すること
ができ、１〜１０2の範囲にすれば、極めて好ましい結
果が得られる。
水銀ランプの光強度は大きいほど好ましい。上記ランプ
の光強度が過度に小さいと、十分な効果を得るのが困難
になるので、重水素ランプの光強度は１０-2μＷ／ｃｍ
2、低圧水銀ランプの光虚度は１ｍＷ／ｃｍ2以上とした
方がよい。また、上記重水素ランプに対する低圧水銀ラ
ンプの光強度の比は、１〜１０5の範囲で実施すること
ができ、１〜１０2の範囲にすれば、極めて好ましい結
果が得られる。
【００１６】
〈実施例１〉本発明の実施に用いる熱処理装置の一例を
図１に示す。従来の熱処理装置と同様に、試料４を加熱
するためのヒータ（図示せず）を備えた試料台３が反応
容器１９内に設けられ、当該反応容器１９内に酸素ガス
を供給するラインおよび上記反応容器１９から排気する
ラインが設けられている。酸素の流量をマスフローコン
トローラー（図示せず）によって制御し、フルスケール
の異なるものを並列に設置することによって、１０ｃｃ
ｍから１０ｌ／分の範囲で制御できるようにした。排気
系としては、ターボモレキュラーポンプとロータリーポ
ンプを備え、コンダクタンスバルブによって圧力を０．
１Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒ程度の範囲内で制御できる
ようにした。排気をポンプ系に通さずに、排気ダクトに
流れるようにすれば、常圧での熱処理を行うことも可能
である。
図１に示す。従来の熱処理装置と同様に、試料４を加熱
するためのヒータ（図示せず）を備えた試料台３が反応
容器１９内に設けられ、当該反応容器１９内に酸素ガス
を供給するラインおよび上記反応容器１９から排気する
ラインが設けられている。酸素の流量をマスフローコン
トローラー（図示せず）によって制御し、フルスケール
の異なるものを並列に設置することによって、１０ｃｃ
ｍから１０ｌ／分の範囲で制御できるようにした。排気
系としては、ターボモレキュラーポンプとロータリーポ
ンプを備え、コンダクタンスバルブによって圧力を０．
１Ｔｏｒｒから１０Ｔｏｒｒ程度の範囲内で制御できる
ようにした。排気をポンプ系に通さずに、排気ダクトに
流れるようにすれば、常圧での熱処理を行うことも可能
である。
【００１７】酸素分子をオゾンに励起するための光源と
して重水素ランプ１、およびオゾンを酸素ラジカルに励
起するための光源として低圧水銀ランプ２を設けた。な
お、重水素ランプ１は口径が小さいので、試料（ウェ
ハ）４の全面を均一な輝度で照射するためには、重水素
ランプ１を複数本設けることが好ましく。本実施例では
８本使用した。使用される重水素ランプ１の数は、照射
の均一性からすれば、多いほど好ましいが、重水素ラン
プ１の種類、および試料４の大きさや数などによって適
宜選択される試料４と上記重水素ランプ１および低圧水
銀ランプ２との距離は、上記重水素ランプ１および低圧
水銀ランプ２の輝度と、雰囲気ガスの圧力によるが、十
分な酸素ラジカルを得るためには、ほぼ２０ｃｍ以内と
することが好ましい。しかし、あまり近過ぎると照射の
均一性が低下するので、試料４と上記重水素ランプ１お
よび低圧水銀ランプ２との距離を過度に近くするのは避
けた方がよい。最短の距離は、使用されるランプ１、２
の種類、数および試料４の大きさと数および雰囲気ガス
の圧力などによって適宜選択される。
して重水素ランプ１、およびオゾンを酸素ラジカルに励
起するための光源として低圧水銀ランプ２を設けた。な
お、重水素ランプ１は口径が小さいので、試料（ウェ
ハ）４の全面を均一な輝度で照射するためには、重水素
ランプ１を複数本設けることが好ましく。本実施例では
８本使用した。使用される重水素ランプ１の数は、照射
の均一性からすれば、多いほど好ましいが、重水素ラン
プ１の種類、および試料４の大きさや数などによって適
宜選択される試料４と上記重水素ランプ１および低圧水
銀ランプ２との距離は、上記重水素ランプ１および低圧
水銀ランプ２の輝度と、雰囲気ガスの圧力によるが、十
分な酸素ラジカルを得るためには、ほぼ２０ｃｍ以内と
することが好ましい。しかし、あまり近過ぎると照射の
均一性が低下するので、試料４と上記重水素ランプ１お
よび低圧水銀ランプ２との距離を過度に近くするのは避
けた方がよい。最短の距離は、使用されるランプ１、２
の種類、数および試料４の大きさと数および雰囲気ガス
の圧力などによって適宜選択される。
【００１８】また、本実施例では試料４を１枚ずつ処理
する枚葉式の装置を用いたが、試料台３の大きさを、そ
の上に試料４を複数枚置ける大きさにして、ランプの本
数を全試料に光を均一に照射できるように増やすことに
よって、バッチ式の装置にすることも可能である。
する枚葉式の装置を用いたが、試料台３の大きさを、そ
の上に試料４を複数枚置ける大きさにして、ランプの本
数を全試料に光を均一に照射できるように増やすことに
よって、バッチ式の装置にすることも可能である。
【００１９】図６に示したように、ｎ型、比抵抗０．０
１Ωｃｍ程度の低抵抗のシリコン基板６（直径１０ｃｍ
および１５ｃｍ）を、１／１０程度に希釈したフッ酸溶
液中に１分間浸して表面をエッチし、水切れを確認した
後、水洗および乾燥を行ない、次に、Ｔａ2Ｏ5膜７を化
学的気相成長法で形成した。当該化学的気相成長法は、
ペンタエトキシタンタル（原料容器を１２５℃に加熱、
キャリアガス：Ｎ2、流速：５０ｃｃｍ）と酸素（流
速：６００ｃｃｍ）を、反応ガスとして熱処理装置の反
応容器内に導入し、圧力０．２Ｔｏｒｒ、基板温度４２
０℃という条件で行なって、膜厚９ｎｍのＴａ2Ｏ5膜７
を形成した。なお、この場合における上記ペンタエトキ
シタンタルの流量は、キャリアガスとして用いたＮ2の
数分の一程度であった。
１Ωｃｍ程度の低抵抗のシリコン基板６（直径１０ｃｍ
および１５ｃｍ）を、１／１０程度に希釈したフッ酸溶
液中に１分間浸して表面をエッチし、水切れを確認した
後、水洗および乾燥を行ない、次に、Ｔａ2Ｏ5膜７を化
学的気相成長法で形成した。当該化学的気相成長法は、
ペンタエトキシタンタル（原料容器を１２５℃に加熱、
キャリアガス：Ｎ2、流速：５０ｃｃｍ）と酸素（流
速：６００ｃｃｍ）を、反応ガスとして熱処理装置の反
応容器内に導入し、圧力０．２Ｔｏｒｒ、基板温度４２
０℃という条件で行なって、膜厚９ｎｍのＴａ2Ｏ5膜７
を形成した。なお、この場合における上記ペンタエトキ
シタンタルの流量は、キャリアガスとして用いたＮ2の
数分の一程度であった。
【００２０】次に、図１に示した装置を用い、重水素ラ
ンプ１を８本と低圧水銀ランプ２を１本を、試料４とラ
ンプ１、２の間隔２０ｃｍで照射しながら、酸素ガス雰
囲気中において、温度４００℃、１０分間の熱処理を行
なった。このようにして得られたＴａ2Ｏ5膜７の上に厚
さ１００ｎｍのＷ膜８を形成し、周知のホトエッチング
によって不要部分を除去して、一辺１００μｍの特性測
定用上部電極を形成した。
ンプ１を８本と低圧水銀ランプ２を１本を、試料４とラ
ンプ１、２の間隔２０ｃｍで照射しながら、酸素ガス雰
囲気中において、温度４００℃、１０分間の熱処理を行
なった。このようにして得られたＴａ2Ｏ5膜７の上に厚
さ１００ｎｍのＷ膜８を形成し、周知のホトエッチング
によって不要部分を除去して、一辺１００μｍの特性測
定用上部電極を形成した。
【００２１】比較のため、上記方法によって形成された
Ｔａ2Ｏ5膜７を、従来の熱処理方法（ＵＶ−Ｏ2アニー
ル法、ＵＶ−Ｏ3アニール法およびＯ2プラズマ法）に従
ってそれぞれ熱処理した後、同様にして特性測定用上部
電極８を各表面上に形成し、両者の電圧−電流特性を測
定した。なお、上記ＵＶ−Ｏ2アニール法は、熱処理室
に酸素ガスを導入し、低圧水素ランプのみで励起を行な
い、基板温度は２８０℃とした。上記ＵＶ−Ｏ3アニー
ル法は、マイクロ波プラズマによって、酸素分子をあら
かじめオゾンに励起した後、処理室内に輸送して、低圧
水銀ランプのみによって励起を行ない、基板温度は２８
０℃とした。また、上記Ｏ2プラズマアニール法は、圧
力１０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中において、周波数１３．
５６ＭＨｚの高周波電力を印加して酸素プラズマを形成
し、４００℃に加熱した試料を当該酸素プラズマ中に曝
した。本実施例および上記従来の熱処理方法のうち、Ｕ
Ｖ−Ｏ2アニール法とＵＶ−Ｏ3アニール法は、いずれも
反応容器内の圧力は常圧とし、反応時間は、Ｏ2プラズ
マアニール法を含めすべて１０分間として行なった。
Ｔａ2Ｏ5膜７を、従来の熱処理方法（ＵＶ−Ｏ2アニー
ル法、ＵＶ−Ｏ3アニール法およびＯ2プラズマ法）に従
ってそれぞれ熱処理した後、同様にして特性測定用上部
電極８を各表面上に形成し、両者の電圧−電流特性を測
定した。なお、上記ＵＶ−Ｏ2アニール法は、熱処理室
に酸素ガスを導入し、低圧水素ランプのみで励起を行な
い、基板温度は２８０℃とした。上記ＵＶ−Ｏ3アニー
ル法は、マイクロ波プラズマによって、酸素分子をあら
かじめオゾンに励起した後、処理室内に輸送して、低圧
水銀ランプのみによって励起を行ない、基板温度は２８
０℃とした。また、上記Ｏ2プラズマアニール法は、圧
力１０Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中において、周波数１３．
５６ＭＨｚの高周波電力を印加して酸素プラズマを形成
し、４００℃に加熱した試料を当該酸素プラズマ中に曝
した。本実施例および上記従来の熱処理方法のうち、Ｕ
Ｖ−Ｏ2アニール法とＵＶ−Ｏ3アニール法は、いずれも
反応容器内の圧力は常圧とし、反応時間は、Ｏ2プラズ
マアニール法を含めすべて１０分間として行なった。
【００２２】得られた結果を図７に示した。図７から明
らかなように、本実施例において得られたＴａ2Ｏ5膜
は、他の熱処理方法によって得られたＴａ2Ｏ5膜に比べ
てリーク電流密度が小さく、Ｔａ2Ｏ5膜のリーク電流密
度を低減させる効果が、他の従来の熱処理方法よりも大
きい。さらに、図８は、本実施例によって形成されたＴ
ａ2Ｏ5膜の絶縁耐圧（判定電流密度：１０-8Ａ／ｃ
ｍ2）の基板温度依存性を、従来のＵＶーＯ3アニール法
によって得られ結果と比較した図である。上記のよう
に、ＵＶ−Ｏ3アニール法の場合は、熱処理温度が３０
０℃以上になると、リーク電流低減効果がなくなって、
絶縁耐圧が著しく低下してしまうのに対し、本発明の場
合は、熱処理温度が３００℃以上であっても、絶縁耐圧
は単調に増加し、高温度においても高い耐圧が得られ、
４００℃程度が最適であることが認められた。ただし、
過度に高温になると、シリコン基板とＴａ2Ｏ5膜の界面
におけるシリコン酸化膜の成長が著しくなって、容量が
低下してしまう恐れがあり、また、Ｔａ2Ｏ5膜が結晶化
して、リークなど好ましくない障害が生ずる恐れがある
ので、熱処理温度を過度に高くするのは避けた方がよ
く、このような理由から、本発明の熱処理は、３００℃
〜７００℃の温度範囲で行なうことが好ましい。
らかなように、本実施例において得られたＴａ2Ｏ5膜
は、他の熱処理方法によって得られたＴａ2Ｏ5膜に比べ
てリーク電流密度が小さく、Ｔａ2Ｏ5膜のリーク電流密
度を低減させる効果が、他の従来の熱処理方法よりも大
きい。さらに、図８は、本実施例によって形成されたＴ
ａ2Ｏ5膜の絶縁耐圧（判定電流密度：１０-8Ａ／ｃ
ｍ2）の基板温度依存性を、従来のＵＶーＯ3アニール法
によって得られ結果と比較した図である。上記のよう
に、ＵＶ−Ｏ3アニール法の場合は、熱処理温度が３０
０℃以上になると、リーク電流低減効果がなくなって、
絶縁耐圧が著しく低下してしまうのに対し、本発明の場
合は、熱処理温度が３００℃以上であっても、絶縁耐圧
は単調に増加し、高温度においても高い耐圧が得られ、
４００℃程度が最適であることが認められた。ただし、
過度に高温になると、シリコン基板とＴａ2Ｏ5膜の界面
におけるシリコン酸化膜の成長が著しくなって、容量が
低下してしまう恐れがあり、また、Ｔａ2Ｏ5膜が結晶化
して、リークなど好ましくない障害が生ずる恐れがある
ので、熱処理温度を過度に高くするのは避けた方がよ
く、このような理由から、本発明の熱処理は、３００℃
〜７００℃の温度範囲で行なうことが好ましい。
【００２３】本実施例において、Ｔａ2Ｏ5膜の形成法と
して、ペンタエトキシタンタルを原料とした化学的気相
成長法を用いたが、Ｔａの原料としては、上記ペンタエ
トキシタンタルのみではなく、ＴａＣｌ5、Ｔａ（ＯＣ
Ｈ3）5、Ｔａ（Ｎ（ＣＨ3）2）5など、各種Ｔａの有機
物ソースを用いることができ、さらに、酸素雰囲気中
（例えばＯ2／Ａｒ＝１０％、５ｍＴｏｒｒ）において
Ｔａターゲットを、ＲＦパワー１５０Ｗ程度のＲＦスパ
ッタによってＴａ2Ｏ5膜を形成してもよい。本発明によ
って得られた上記効果は、Ｔａ2Ｏ5膜の形成方法とは無
関係に、同様に得られることが確認された。また、Ｔａ
2Ｏ5膜の膜厚は、酸素ラジカルの拡散長を考慮すると、
２０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることがよ
い。しかし、あまり膜厚が小さいと、ピンホールの発生
など、好ましくない障害が発生する恐れがあるので、実
用上ほぼ５ｎｍ以下にするのは避けた方がよい。
して、ペンタエトキシタンタルを原料とした化学的気相
成長法を用いたが、Ｔａの原料としては、上記ペンタエ
トキシタンタルのみではなく、ＴａＣｌ5、Ｔａ（ＯＣ
Ｈ3）5、Ｔａ（Ｎ（ＣＨ3）2）5など、各種Ｔａの有機
物ソースを用いることができ、さらに、酸素雰囲気中
（例えばＯ2／Ａｒ＝１０％、５ｍＴｏｒｒ）において
Ｔａターゲットを、ＲＦパワー１５０Ｗ程度のＲＦスパ
ッタによってＴａ2Ｏ5膜を形成してもよい。本発明によ
って得られた上記効果は、Ｔａ2Ｏ5膜の形成方法とは無
関係に、同様に得られることが確認された。また、Ｔａ
2Ｏ5膜の膜厚は、酸素ラジカルの拡散長を考慮すると、
２０ｎｍ以下、好ましくは１０ｎｍ以下にすることがよ
い。しかし、あまり膜厚が小さいと、ピンホールの発生
など、好ましくない障害が発生する恐れがあるので、実
用上ほぼ５ｎｍ以下にするのは避けた方がよい。
【００２４】本実施例では、キャパシタの下部電極とし
てシリコン膜を用いたが、シリコン膜のみではなく、例
えばＷなどの各種金属材料や、それらのシリサイドから
なる膜を用いることができ、同様の効果が得られた。さ
らに、キャパシタ絶縁膜として本実施例ではＴａ2Ｏ5膜
を用いたが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ若しくはＮｂ
の酸化物膜、ＰｂＴｉＯ3膜、Ｐｂ（ＺｒXＴｉ1ーX）Ｏ3
膜、ＳｒＴｉＯ3膜、ＢａXＳｒ1-XＴｉＯ3膜、Ｂｉ系層
状強誘電体化合物薄膜等の酸化物の混合物からなる膜を
用いた場合でも、同様の効果が得られた。
てシリコン膜を用いたが、シリコン膜のみではなく、例
えばＷなどの各種金属材料や、それらのシリサイドから
なる膜を用いることができ、同様の効果が得られた。さ
らに、キャパシタ絶縁膜として本実施例ではＴａ2Ｏ5膜
を用いたが、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ若しくはＮｂ
の酸化物膜、ＰｂＴｉＯ3膜、Ｐｂ（ＺｒXＴｉ1ーX）Ｏ3
膜、ＳｒＴｉＯ3膜、ＢａXＳｒ1-XＴｉＯ3膜、Ｂｉ系層
状強誘電体化合物薄膜等の酸化物の混合物からなる膜を
用いた場合でも、同様の効果が得られた。
【００２５】本実施例においては、励起光源として重水
素ランプおよび低圧水銀ランプを用いた。しかし、重水
素ランプおよび低圧水銀ランプのみではなく、酸素の光
吸収係数が１０ｃｍ-1ａｔｍ-1以上になる、１３０ｎｍ
以上１７０ｎｍ以下の波長の光を発光できる第１の光源
と、オゾンの光吸収係数が１０ｃｍ-1ａｔｍ-1以上にな
る、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を発光で
きる第２の光源を、組み合わせて使用すれば同様の効果
が得られる。また、例えばシンクロトロン放射光のよう
に、上記１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下および２００ｎ
ｍ以上３００ｎｍ以下の、両波長を有する光を発光する
ことのできる光源を用いてもよい。
素ランプおよび低圧水銀ランプを用いた。しかし、重水
素ランプおよび低圧水銀ランプのみではなく、酸素の光
吸収係数が１０ｃｍ-1ａｔｍ-1以上になる、１３０ｎｍ
以上１７０ｎｍ以下の波長の光を発光できる第１の光源
と、オゾンの光吸収係数が１０ｃｍ-1ａｔｍ-1以上にな
る、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の波長の光を発光で
きる第２の光源を、組み合わせて使用すれば同様の効果
が得られる。また、例えばシンクロトロン放射光のよう
に、上記１３０ｎｍ以上１７０ｎｍ以下および２００ｎ
ｍ以上３００ｎｍ以下の、両波長を有する光を発光する
ことのできる光源を用いてもよい。
【００２６】〈実施例２〉本実施例は、本発明による熱
処理方法を、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ（ＤＲＡＭ）の作製に適用した例である。メモリセル
の断面図を図９に示す。ここで、容量絶縁膜は膜厚９ｎ
ｍのＴａ2Ｏ5膜９であり、ペンタエトキシタンタルを原
料とした上記実施例１と同じ化学的気相成長法を用い
て、多結晶シリコン膜１３の上に形成し、重水素ランプ
および低圧水銀ランプを用いて照射を行ないながら、酸
素雰囲気中で、４００℃、１０分間の熱処理を行なっ
た。使用された低圧水銀ランプおよび重水素ランプの数
は、それぞれ１および８である。
処理方法を、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ（ＤＲＡＭ）の作製に適用した例である。メモリセル
の断面図を図９に示す。ここで、容量絶縁膜は膜厚９ｎ
ｍのＴａ2Ｏ5膜９であり、ペンタエトキシタンタルを原
料とした上記実施例１と同じ化学的気相成長法を用い
て、多結晶シリコン膜１３の上に形成し、重水素ランプ
および低圧水銀ランプを用いて照射を行ないながら、酸
素雰囲気中で、４００℃、１０分間の熱処理を行なっ
た。使用された低圧水銀ランプおよび重水素ランプの数
は、それぞれ１および８である。
【００２７】このようにして形成されたＴａ2Ｏ5膜９の
ＳｉＯ2換算膜厚は２．５ｎｍであり、耐圧は２Ｖ（判
定電流密度１０-8Ａ／ｃｍ2）であり、このＴａ2Ｏ5膜
９を有し、図９に示す断面構造を有する半導体装置はＤ
ＲＡＭとして動作できることが確認された。また、本発
明によって形成されたＴａ2Ｏ5膜９は、ＤＲＡＭのみで
はなく、通信用ＬＳＩなど、大容量を必要とするコンデ
ンサー部分に適用するできることはいうまでもない。ま
た、容量素子としてだけでなく、ＭＯＳトランジスタの
ゲート酸化膜の形成に適用しても、従来方法よりも高い
絶縁耐圧を有する酸化膜が得られる。
ＳｉＯ2換算膜厚は２．５ｎｍであり、耐圧は２Ｖ（判
定電流密度１０-8Ａ／ｃｍ2）であり、このＴａ2Ｏ5膜
９を有し、図９に示す断面構造を有する半導体装置はＤ
ＲＡＭとして動作できることが確認された。また、本発
明によって形成されたＴａ2Ｏ5膜９は、ＤＲＡＭのみで
はなく、通信用ＬＳＩなど、大容量を必要とするコンデ
ンサー部分に適用するできることはいうまでもない。ま
た、容量素子としてだけでなく、ＭＯＳトランジスタの
ゲート酸化膜の形成に適用しても、従来方法よりも高い
絶縁耐圧を有する酸化膜が得られる。
【００２８】なお、図９において、記号１０はＳｉ基
板、１１はＳｉＯ2膜、１２はＴｉＮ膜、１４はｎ+領域
（ソース・ドレイン領域）、１５は多結晶シリコン膜
（ワード線）、１６はＰＳＧ／ＳＯＧ／ＰＳＧ膜、１７
はＷＳｉ2膜、１８はＢＰＳＧ／ＨＬＤ膜を、それぞれ
表わし、Ｔａ2Ｏ5膜９以外の部分は、すべて従来周知の
方法を用いて形成した。
板、１１はＳｉＯ2膜、１２はＴｉＮ膜、１４はｎ+領域
（ソース・ドレイン領域）、１５は多結晶シリコン膜
（ワード線）、１６はＰＳＧ／ＳＯＧ／ＰＳＧ膜、１７
はＷＳｉ2膜、１８はＢＰＳＧ／ＨＬＤ膜を、それぞれ
表わし、Ｔａ2Ｏ5膜９以外の部分は、すべて従来周知の
方法を用いて形成した。
【００２９】
【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、高い絶縁耐圧を有する高誘電率酸化物膜を作製
することが可能になり、ＤＲＡＭなど、各種半導体装置
の微細化および集積密度の向上に極めて有用である。
よれば、高い絶縁耐圧を有する高誘電率酸化物膜を作製
することが可能になり、ＤＲＡＭなど、各種半導体装置
の微細化および集積密度の向上に極めて有用である。
【図１】本発明による熱処理装置の一例を示す断面図お
よび平面図、
よび平面図、
【図２】酸素とオゾンの光吸収係数の波長依存性を示す
図、
図、
【図３】重水素ランプと低圧水銀ランプの発光スペクト
ルを示す図、
ルを示す図、
【図４】従来の熱処理装置の一例を示す図、
【図５】従来の熱処理装置の他の例を示す図
【図６】第１の実施例において用いた試料の構造を示す
図、
図、
【図７】本発明および従来方法によって得られた電圧−
電流密度特性を比較した図、
電流密度特性を比較した図、
【図８】本発明および従来方法における耐圧の熱処理温
度依存性を比較した図、
度依存性を比較した図、
【図９】本発明の第２の実施例を示すＤＲＡＭ要部の断
面図。
面図。
１…重水素ランプ、 ２…低圧水銀ランプ、 ３…試料
台、 ４…試料、５…プラズマ発生器、 ６…シリコン
基板、 ７…Ｔａ2Ｏ5膜、 ８…Ｗ膜、９…Ｔａ2Ｏ
5膜、 １０…Ｓｉ基板、 １１…ＳｉＯ2膜、 １２…
ＴｉＮ膜、１３…多結晶シリコン膜、 １４…ｎ+ーＳ
ｉ（ソース・ドレイン領域）、１５…多結晶シリコン膜
（ワード線）、 １６…ＰＳＧ／ＳＯＧ／ＰＳＧ膜（層
間絶縁膜）、 １７…ＷＳｉ2膜（ビット線）、 １８
…ＢＰＳＧ／ＨＬＤ膜（層間絶縁膜）、 １９…反応容
器。
台、 ４…試料、５…プラズマ発生器、 ６…シリコン
基板、 ７…Ｔａ2Ｏ5膜、 ８…Ｗ膜、９…Ｔａ2Ｏ
5膜、 １０…Ｓｉ基板、 １１…ＳｉＯ2膜、 １２…
ＴｉＮ膜、１３…多結晶シリコン膜、 １４…ｎ+ーＳ
ｉ（ソース・ドレイン領域）、１５…多結晶シリコン膜
（ワード線）、 １６…ＰＳＧ／ＳＯＧ／ＰＳＧ膜（層
間絶縁膜）、 １７…ＷＳｉ2膜（ビット線）、 １８
…ＢＰＳＧ／ＨＬＤ膜（層間絶縁膜）、 １９…反応容
器。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大路 譲
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(72)発明者 飯島 晋平
東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地
株式会社日立製作所中央研究所内
(56)参考文献 特開 平２−283022（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−199639（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−264719（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−210286（ＪＰ，Ａ)
特表 平８−504539（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 21/312
H01L 21/314
H01L 21/316
H01L 21/318
H01L 21/22 511
H01L 21/8242
H01L 27/108
Claims (4)
- 【請求項１】基板上に形成された酸化物薄膜を酸化性雰
囲気中で熱処理する工程を含む半導体装置の製造方法で
あって、前記熱処理する工程は、１３０ｎｍ以上で１７
０ｎｍ以下の範囲に発光波長を有する第１の光照射によ
り酸素をオゾンに励起する工程と、２００ｎｍ以上で３
００ｎｍ以下の範囲に発光波長を有する第２の光照射に
より前記オゾンを酸素ラジカルに励起する工程とを有
し、前記酸化物薄膜に前記第１の光と第２の光を照射し
ながら前記基板を３００℃以上、７００℃以下の温度に
保ちながら熱処理する工程を含むことを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項２】前記酸化物薄膜は、Ｓｉ、Ｔａ、Ｔｉ、Ｚ
ｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｐｂ、Ｎｂ、Ｓｒ、Ｂａ、ＬａおよびＢ
ｉからなる群から選ばれた少なくとも一種の酸化物若し
くは当該酸化物の混合物であることを特徴とする請求項
１に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項３】前記第１の光照射は重水素ランプにより照
射し、前記第２の光照射は低圧水銀ランプにより照射す
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項４】基板上に形成されたタンタル酸化膜を熱処
理する工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記
熱処理する工程は、酸化性雰囲気中において、重水素ラ
ンプの光を照射して酸素をオゾンに励起する工程と、低
圧水銀ランプの光を照射して前記オゾンを酸素ラジカル
に励起する工程とを有し、前記基板を３００℃以上、７
００℃以下の温度に保持しながら熱処理する工程を含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25796894A JP3450463B2 (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25796894A JP3450463B2 (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08124923A JPH08124923A (ja) | 1996-05-17 |
| JP3450463B2 true JP3450463B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=17313721
Family Applications (1)
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