JP3563288B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、更に詳細には、半導体装置の一部として、金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を形成する際、誘電体膜のリーク電流が小さくなるようにCVD−高融点金属窒化膜を成膜するようにした、半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近の大容量DRAMでは、メモリセルの高集積化に伴い容量素子の所要面積を小さくするために、メモリセル選択用MOSFETの上部に容量素子を配置するスタクッド・キャパシタ構造が採用されると共に微小化された容量素子の蓄積電荷量を増大させるために、容量素子の容量絶縁膜として高誘電体材料の酸化タンタル(Ta2 O5 )が使用されている。
容量素子の容量絶縁膜としてTa2 O5 膜を採用する際には、通常、上部電極としてタングステン(W)等の高融点金属、ポリシリコン、リンドープト・ポリシリコンが使用され、CVD法により成膜される。そして、上部電極層を形成する際に、例えばSiH4 等の反応ガスがTa2 O5 膜に侵入してTa2 O5 膜の膜質を劣化させないように、Ta2 O5 膜上に保護膜としてTiN膜を成膜した後に、上部電極を形成している。
【0003】
ここで、特開平9−219501号公報を参照して、Ta2 O5 膜を容量絶縁膜として有する容量素子を作製する従来の方法を説明する。図8(a)から(c)は、従来の方法に従って容量素子を作製する際の基本的工程毎の基板断面を示す模式図である。
先ず、図8(a)に示すように、MOSFETが形成されているシリコン基板1上に絶縁膜2を成膜し、次いでMOSFETの拡散領域を露出させるコンタクトホールを絶縁膜2に開口する。続いて、コンタクトホールを埋め込みつつ絶縁膜2上に厚さ1000nm程度のポリシリコン膜からなる下部電極3を形成する。この下部電極3の表面をHSG化しても良い。
次いで、この下部電極3上にTa2 O5 膜からなる容量絶縁膜4をCVD法などで厚さ10nm程度成膜する。
【0004】
次いで、図8(b)に示すように、CVD成膜装置を使って、Ta2 O5 膜4上に保護膜としてCVD−TiN膜5を成膜する。
CVD−TiN膜5の成膜に次いで、図8(c)に示すように、ポリシリコン膜6を成長させた後に、CVD−TiN膜5及びポリシリコン膜6をパターニングしてプレート電極7を形成する。
【0005】
ここで、図9から図11を参照して、CVD−TiN膜の成膜工程を更に詳しく説明する。図9から図11は、それぞれ、CVD−TiN膜の成膜工程でのガスの導入スケジュールを示す。
CVD−TiN膜5の成膜工程は、基板加熱ステップ、成膜ステップ、及び還元ステップ、更に詳しくは、図9から図11に示すように、昇温ステップと、保護膜形成ステップ、成膜ステップ、及び降温ステップとから構成されている。
【0006】
図9に示すガス導入スケジュールでは、チャンバ内を所定の真空度に排気した後、基板を昇温させながら不活性ガスを導入し、基板温度がほぼ一定になったところで、チタン含有ソースガスを導入してこれを熱分解させることにより、Ta2 O5 膜5上にTiを主成分とする膜を形成する。
次いでチャンバ内に窒素含有還元性ガスを導入し、チタン含有ソースガスと反応させることにより、Tiを主成分とする膜上にTiN膜を成膜する。CVD−TiN膜5は、Tiを主成分とする膜とTiN膜との積層膜である。
【0007】
チタン含有ソースガスは、図10に示すように、基板の昇温時に不活性ガスとほぼ同時に導入するか、あるいは図11に示すように、不活性ガスを導入した後、窒素含有還元性ガスを導入する直前に導入する。いずれの場合にも、窒素含有還元性ガスに先立ってチタン含有ソースガスを導入する。
従来の技術では、以上のガス導入スケジュールにより、チタン含有ソースガスの熱分解によってTa2 O5 膜4上にTiを主成分とする膜が形成され、この膜がその後に導入される窒素含有還元性ガスとTa2 O5 膜4との接触を防ぐので、Ta2 O5 膜の劣化が防止されるとしている。
【0008】
通常、TiN膜の成膜に際しては、チタン含有ソースガスとして、四塩化チタン(TiCl4 )、テトラキス・ジエチル・アミノ・チタン(TDMAT)、テトラキス・ジエチル・アミン(TDEAT)等を使用し、窒素含有還元性ガスとして、アンモニア(NH3 )、MMH等のガスを使用し、不活性ガスとしはHe、Ar、N2 等を使用する。
基板温度は400℃〜700℃、特に窒素含有還元性ガスとしてNH3 を使用するときには400℃〜550℃である。CVD成膜装置の成膜チャンバ(以下、簡単に成膜チャンバと言う)内の圧力は、数torr〜20torrの範囲である。
成膜ステップに続いて、成膜チャンバのガスパージステップでは、TiCl4 ガス及びNH3 ガス以外の不活性ガスを用いて、成膜チャンバの反応生成ガス及び未反応ガスをパージする。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の方法で成膜したCVD−TiN膜を保護膜とする容量素子では、予期したレベル以上にTa2 O5 膜を流れるリーク電流が発生するために、静電容量を増加させることが難しいという問題があった。これでは、容量素子を微細化して高集積度の半導体装置を製造することは難しい。
上述の説明では、Ta2 O5 膜からなる容量絶縁膜上にCVD−TiN膜を成膜する例を上げて、CVD−TiN膜のリーク電流の問題を説明しているが、こに限らず、例えばTa2 O5 膜をゲート酸化膜とし、その上にゲート電極層としてTiN膜、及びポリシリコン層又はW層を順次成膜して積層膜を形成する際にも、ゲート酸化膜のリーク電流を減少させることが難しいという問題があった。これでは、トランジスタ特性の良好な半導体装置を製造することは難しい。
また、上述の説明では、、Ta2 O5 膜を誘電体膜の例とし、CVD−TiN膜をCVD−高融点金属窒化膜の例として説明しているが、他の金属酸化物からなる誘電体膜、或いは他のCVD−高融点金属窒化膜であっても、同じ問題を有する。
【0010】
そこで、本発明の目的は、金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を形成するに際し、リーク電流の小さい積層構造を形成するようにした、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】
本発明者は、従来の方法で容量素子を形成した際に容量絶縁膜のリーク電流が大きい原因を追求した過程で、従来のCVD−TiN膜の成膜方法では、Ta2 O5 膜上にCVD−TiN膜を成膜する際に、チタン含有ソースガスの導入後に、NH3 ガスを導入しているために、Ta2 O5 膜が劣化し、そのために、リーク電流が大きくなるのではないかと考え、次の実験を行った。
【0012】
実験例1
図3に示す処理ステップ、チャンバ圧力、ガス種、及びガス流量でCVD−TiN膜の成膜実験を行った。
(1)先ず、図12に示すように、6インチのシリコン・ウエハ上に膜厚5000ÅのDOPOS膜を下部電極として形成し、次いで膜厚100ÅのTa2 O5 膜を容量絶縁膜として成膜したウエハを試料とする。但し、試料ウエハは、Ta2 O5 膜の成膜後、TiN膜の成膜まで、1カ月保管されていたものである。
試料ウエハをCVD成膜装置に送入し、成膜チャンバを0.1mTorrになるように排気した。排気ステップの排気所要時間は、10〜60秒であった。
【0013】
(2)次いで、基板加熱ステップに移行し、400sccmの流量で成膜チャンバにNH3 ガスを導入して、NH3 ガスの分圧(この時点では、チャンバ圧力と同じ)を0.3Torrに保持し、600℃になるようにウエハを加熱し、その温度に保持した。基板加熱ステップの所要時間は50秒から70秒であった。
(3)次いで、ガス流量の安定化ステップに移行した。ガス流量の安定化ステップでは、チャンバに導入するガスの流量の変動を収束させて流量を安定させ、CVD−TiN膜の成膜ステップに移行するまでの暫定期間である。
3000sccmの流量でN2 ガスを成膜チャンバに導入すると共にNH3 ガスの流量を120sccmに低下させ、チャンバ圧力を20Torrに昇圧した。この時点のNH3 ガスの分圧は0.8Torrであった。また、ガス流量の安定化ステップの所要時間は10秒であった。
【0014】
(4)成膜ステップに移行し、チャンバ圧力を20Torrに保持しつつ40sccmの流量でTiCl4 ガスを成膜チャンバに導入して、CVD−Ti/TiN膜を成膜した。成膜ステップの所要時間は15秒から30秒であった。
(5)チャンバ圧力、及びN2 ガスの流量を成膜ステップと同じ条件に保持しつつ、TiCl4 ガスの流量はゼロとし、NH3 ガスの流量を1000sccmに増加して、NH3 ガスの分圧を5Torrに昇圧し、CVD−TiN膜にNH3 アニールを施し、膜厚100ÅのTiN膜を成膜した。NH3 アニール・ステップの所要時間は、30秒であった。
【0015】
(6)次いで、パージ・ステップに移行し、N2 ガス以外のガスの導入を停止し、真空吸引してチャンバ圧力を0.1mTorrに減圧した。パージ・ステップの所要時間は10秒から30秒であった。
(7)次いで、N2 ガスの導入を停止し、続いて排気する。
(8)次いで、WSi膜の成膜工程に移行し、1100ÅのWSi膜を上部電極としてTiN膜上に成膜し、図12に示す容量素子を備えた試料ウエハを作製した。
(9)続いて、図12に示すようにして、得た試料ウエハのWSiとDOPOS膜との間に1.2Vの電圧を印加し、ウエハ面内の69点で電流計により電流値を測定してリーク電流とし、また、容量値を測定した。
【0016】
そして、リーク電流の測定結果を、面内分布最小値、面内分布50%の値、及び面内分布最大値で表示して、表1に示した。また、面内分布50%の容量値をTOXで表1に表示した。TOXが小さいほど、容量値が大きい。
TOXは、
ここで、ε0 :真空の誘電率、8.854×10−14
εr :SiO2 膜に比誘電率、3.82
S :電極面積
Q :容量値
【表1】
【0017】
実験例2から4
基板加熱ステップのNH3 ガスの分圧を1Torr、5Torr及び20Torrにしたことを除いて、実験例1と同様にして、容量素子を作製し、同様にしてリーク電流及び容量値を測定した。
測定結果は、表1に示す通りである。
【0018】
実験例5及び従来例
実験例5は、Ta2 O5 膜を成膜した後、経過時間が1日ないし2日のウエハ上に、実験例1と同様にして、TiN膜を成膜し、容量素子を作製した例である。
また、実験例6は、実験例5で使用したウエハと同じ条件のウエハに、特開平9−219501号公報に記載の成膜方法及び成膜条件に従ってTiN膜を成膜したことを除いて、実験例1と同様に容量素子を作製した例であって、いわゆる従来例に相当する。
実験例5及び実験例6とも、実験例1と同様にしてリーク電流及び容量値を測定し、その測定結果を表2に示した。
【表2】
【0019】
実験例1の面内分布の50%の値のリーク電流及びTOXの測定値を1とし、表1を整理したものが、表3である。また、実験例5の面内分布の50%の値のリーク電流及びTOXの測定値を1とし、表2を整理したものが、表4である。
【表3】
【表4】
【0020】
表3から判る通り、実験例3及び実験例4は、実験例1及び2に比べて、リーク電流が著しく増大し、容量値が低下する。即ち、NH3 ガスの分圧が1Torrを越えると、リーク電流が著しく増大し、容量値が低下する。従って、リーク電流の小さい容量素子を作製しようとすると、1TorrがNH3 ガスの分圧の臨界値であると解釈できる。
また、表4から判る通り、従来例は、NH3 ガスの分圧が1Torr以下の実験例1及び実験例2に比べて、容量値は同じであるものの、リーク電流が著しく高い。
更には、実験により、CVD−TiN膜の膜厚は、80Åから120Åの範囲、特に100Å位がリーク電流を抑制する上で最適であることを確認した。
また、CVD−TiN膜に限らず、高融点金属窒化膜のCVD法による成膜についても、基板加熱中のNH3 ガスの分圧に関し、CVD−TiN膜と同じ条件が適用できることを実験で確認した。
【0021】
上記目的を達成するために、上述の知見に基づいて、本発明に係る半導体装置の製造方法は、金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を備えた半導体装置の製造方法であって、高融点金属含有ソースガスを導入して、高融点金属窒化膜を誘電体膜上にCVD法により成膜する際、
高融点金属含有ソースガスを導入する前に、NH 3 ガスのみ、又は、NH 3 ガス及び不活性ガスのみからなる雰囲気で、且つ1.0Torr以下0.1Torr以上のNH3 ガス分圧のNH3 ガス雰囲気内で、誘電体膜が形成された基板を所定の加熱温度で加熱することを特徴としている。
【0022】
本発明で、金属酸化物からなる誘電体膜は、誘電体膜上に高融点金属窒化膜をCVD法により成膜する際に、損傷を受けるような誘電体膜である限り、制約はなく、例えば酸化タンタル(Ta2 O5 )膜である。
【0023】
本発明方法では、NH3 ガス雰囲気を生成するためのNH3 ガスは、高融点金属含有ソースガスを導入する前である限り、基板の加熱と同時に導入しても良く、また、不活性ガスを導入する際の流量安定化のステップで導入しても良い。
即ち、高融点金属含有ソースガスを導入する前に、基板を所定の加熱温度で加熱する基板加熱ステップと、基板温度を保持しつつ酸化タンタルに対する非反応性ガスを導入して、流量を安定化させる流量安定化ステップとを備え、
NH3 ガスを基板加熱ステップ又は流量安定化ステップで導入する。
好適には、流量安定化ステップに続いて、
高融点金属含有ソースガスを導入して、CVD−高融点金属窒化膜を成膜するステップと、
CVD−高融点金属窒化膜の成膜ステップの後半では、NH 3 ガスの分圧を高くして、NH 3 ガスによる熱処理を施すステップと
を有する。
また、酸化タンタルに対する非反応性ガスとして、アルゴンガスを含む希ガス、窒素ガス、水素ガス及びそれらの混合ガスのいずれかのガスを導入する。
【0024】
本発明に係る別の半導体装置の製造方法は、金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を備えた半導体装置の製造方法であって、高融点金属含有ソースガスを導入して、高融点金属窒化膜を誘電体膜上にCVD法により成膜する際、
高融点金属含有ソースガスを導入する前に、
基板を所定の加熱温度で加熱する基板加熱ステップと、
基板温度を保持しつつ不活性ガスを導入して、流量を安定化させる流量安定化ステップとを備え、更に
流量安定化ステップに続いて、高融点金属含有ソースガスを導入して、CVD−高融点金属窒化膜を成膜するステップと、
CVD−高融点金属窒化膜の成膜ステップの後半では、NH3 ガスの分圧を高くして、NH3 ガスによる熱処理を施すステップとを有し、
基板加熱ステップ又は流量安定化ステップでNH 3 ガスを導入して、1.0 Torr 以下0.1 Torr 以上のNH 3 ガス分圧のNH 3 ガス雰囲気内で、誘電体膜が形成された基板を所定の加熱温度で加熱することを特徴としている。
本発明の好適な実施態様では、誘電体膜が酸化タンタル膜であり、不活性ガスが酸化タンタルに対する非反応性ガスである。また、酸化タンタルに対する非反応性ガスとして、アルゴンガスを含む希ガス、窒素ガス、水素ガス及びそれらの混合ガスのいずれかのガスを導入する。
【0025】
本発明方法は、CVD−高融点金属窒化膜の成膜に制約なく適用でき、例えば高融点金属窒化膜としてCVD−TiN膜の成膜に好適である。その際には、高融点金属含有ソースガスとして、四塩化チタン(TiCl4 )、テトラキス・ジエチル・アミノ・チタン・(TDMAT)及びテトラキス・ジエチル・アミン(TDEAT)の少なくとも一種類のガスを導入する。
また、CVD−WN膜の成膜にも好適であって、その際には、高融点金属含有ソースガスとして、WF6 ガスを導入する。
本発明の好適な実施態様では、基板の加熱温度は、400℃以上700℃以下の温度である。
【0026】
本発明方法は、誘電体膜上にCVD−高融点金属窒化膜を有する積層構造を備えている限り、半導体装置の構成に制約なく適用できるが、好適には、例えば容量素子を備え、容量素子の容量絶縁膜が誘電体膜であり、容量絶縁膜と容量素子の上部電極との間に介在する容量絶縁膜の保護膜がCVD−高融点金属窒化膜である半導体装置であり、また、MOSFETを備え、MOSFETのゲート絶縁膜が誘電体膜であり、積層ゲート電極層の最下層がCVD−高融点金属窒化膜である半導体装置等である。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1
本実施形態例は、NMOSと容量素子を備えたDRAMのメモリセルの製造に、本発明に係る半導体装置の製造方法を適用した実施形態の一の例であって、図1(a)から(c)、及び図2(d)と(e)は、それぞれ、本実施形態例の製造方法を適用して、半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
本実施形態例の製造方法では、先ず、図1(a)に示すように、p型シリコン基板10にフィールド絶縁膜12を形成してフィールド領域を区画し、n型不純物をイオン注入して、ソース/ドレイン領域14A、Bを形成する。次いで、ゲート酸化膜として熱酸化SiO2 膜15を成膜し、CVD法によりポリシリコン層16及びSi3 N4 膜18を成膜し、パターニングして、ゲート電極(ワード線)20を形成する。
【0028】
次いで、図1(b)に示すように、ゲート電極20上にSi3 N4 膜をCVD法により成膜し、エッチバックして、Si3 N4 膜からなるサイドウォール22を形成する。
続いて、基板全面にCVD法によりSiO2 膜24を成膜し、更に、SiO2 膜24を貫通してソース/ドレイン領域A、Bの一方を露出させるコンタクトホールを開口する。次いで、基板全面にCVD法によりポリシリコン層を成膜し、エッチバックしてコンタクトホールを埋め込んだコンタクトプラグ26A、Bを形成する。
【0029】
次に、基板全面にBPSG膜28をCVD法により成膜し、更にBPSG膜28を貫通して、コンタクトプラグ26Aの上端面を露出させる接続孔30を開口する。続いて、下記の成膜条件で、膜厚7000Åのポリシリコン層32を基板全面にCVD法により成膜し、パターニングして容量素子の下部電極32を形成する。尚、下部電極32には、HSG化を施しても良い。
成膜条件
基板温度:550℃
圧力 :2Torr
ガス流量:SiH4 /1600sccm、PH3 /60sccm
【0030】
次いで、図2(d)に示すように、下部電極32上に以下の条件で20Å〜200Åの膜厚、例えば膜厚100ÅのTa2 O5 膜34をCVD法により成膜する。
成膜条件
基板温度:450℃
圧力 :0.5Torr
ガス流量:Ta2 O5 ガス/0.1ml/分、O2 ガス/2SLM
【0031】
次に、前述の実験例1と同じ条件及び同じ導入ガスのスケジュールでCVD法によりTiN膜36を成膜する。即ち、図3のフローチャートに従って、
(1)基板をCVD成膜装置に送入し、成膜チャンバを0.1mTorrになるように排気する。排気ステップの排気所要時間は、10〜60秒である。
(2)次いで、基板加熱ステップに移行し、400sccmの流量で成膜チャンバにNH3 ガスを導入して、NH3 ガスの分圧(この時点では、チャンバ圧力と同じ)を0.3Torrに保持し、600℃になるように基板を加熱し、その温度に保持する。基板加熱ステップの所要時間は50秒から70秒である。
尚、本実施形態例では、基板加熱ステップでNH3 ガスを導入しているが、必ずしもこれに限らず、成膜ステップの前であれば良く、流量安定化ステップでNH3 ガスを導入してもよい。
【0032】
(3)次いで、ガス流量の安定化ステップに移行する。ガス流量の安定化ステップでは、チャンバに導入するガスの流量の変動を収束させて流量を安定させ、CVD−TiN膜の成膜に移行するまでの暫定期間である。3000sccmの流量でN2 ガスを成膜チャンバに導入すると共にNH3 ガスの流量を120sccmに低下させ、チャンバ圧力を20Torrに昇圧する。NH3 ガスの分圧は0.8Torrである。また、ガス流量の安定化ステップの所要時間は10秒である。
【0033】
(4)成膜ステップに移行し、チャンバ圧力を20Torrに保持しつつ40sccmの流量でTiCl4 ガスを成膜チャンバに導入して、CVD−TiN膜を成膜する。成膜ステップの所要時間は15秒から30秒である。
(5)チャンバ圧力、及びN2 ガスの流量を成膜ステップと同じ条件に保持しつつ、TiCl4 ガスの流量は0として、NH3 ガスの流量を1000sccmに増加して、NH3 ガスの分圧を5Torrに昇圧し、CVD−TiN膜にNH3 アニールを施し、膜厚100ÅのTiN膜を成膜する。NH3 アニール・ステップの所要時間は、30秒である。
(6)次いで、パージ・ステップに移行し、N2 ガス以外のガスの導入を停止し、真空吸引してチャンバ圧力を0.1mTorrに減圧する。パージ・ステップの所要時間は10秒から30秒である。
(7)次いで、N2 ガスの導入を停止し、続いて排気する。
【0034】
次いで、TiN膜36上に、CVD法により次の成膜条件で膜厚1800ÅのDOPOS(リンドープト・ポリシリコン)膜38を成膜する。
基板温度:550℃
圧力 :2Torr
ガス流量:SiH4 /1600sccm、PH3 /60sccm
以上の工程を経て、図2(d)に示す層構造の基板を得ることができる。
【0035】
次いで、図2(e)に示すように、Ta2 O5 膜34、TiN膜36及びDOPOS膜38をパターニングして容量素子40を形成する。次いで、基板全面にBPSG膜42をCVD法により成膜し、平坦化する。BPSG膜42に代えて、PSG膜、BSG膜、又はSiO2 膜でも良い。平坦化は、リフロー、エッチバック、又はCMP法のいずれかの方法により行う。
次いで、BPSG膜42を貫通して、コンタクトプラグ26Bの上端面を露出させる接続孔44を開口する。更に基板全面にタングステン(W)膜をCVD法により成膜し、エッチバック又はCMP法でBPSG膜42上のW膜を除去して接続孔44を埋め込んだWプラグ46を形成する。
【0036】
続いて、CVD−W膜又はAl膜、Au膜を基板全面に堆積して、ビット線48を形成し、必要に応じてその上にパッシベーション膜(図示せず)を成膜する。これにより、図2(e)に示す、容量素子とNMOSとを備えた半導体装置49を作製することができる。
【0037】
実施形態例2
本実施形態例は、Ta2 O5 膜からなるゲート絶縁膜と、TiN膜及びDOPOS膜の積層膜からなるゲート電極とを有するNMOSを備えた備えた半導体装置の製造に、本発明に係る半導体装置の製造方法を適用した実施形態の一の例である。図4(a)及び(b)と図5(c)及び(d)は、それぞれ、本実施形態例の製造方法を適用して、上述の半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
本実施形態例の製造方法では、先ず、実施形態例1と同様にして、図4(a)に示すように、p型シリコン基板50にフィールド絶縁膜52を形成してフィールド領域を区画し、n型不純物をイオン注入して、ソース/ドレイン領域54A、Bを形成する。p型シリコン基板50は、シリコン基板中に設けられたp型ウェルでも良い。
【0038】
次いで、ゲート酸化膜として熱酸化SiO2 膜55を成膜し、CVD法によりポリシリコン層56を成膜し、パターニングして、ゲート電極(ワード線)形成領域60を形成する。
ポリシリコン層56は、ゲート長を規定するためのダミーであって、後述するように、熱酸化SiO2 膜55及びポリシリコン層56を除去して、ワード線とは別構成のゲート電極を形成する。
次いで、ゲート形成領域60上にSi3 N4 膜をCVD法により成膜し、エッチバックして、Si3 N4 膜からなるサイドウォール62を形成し、更に基板全面にCVD法によりSiO2 膜64を成膜する。
続いて、ポリシリコン層56が露出するようにSiO2 膜64をエッチバックして、図4(a)に示す基板を得る。
【0039】
次に、図4(b)に示すように、ウェットエッチング法により、熱酸化SiO2 膜55及びポリシリコン層56を除去して、ゲート形成領域60を開口する。
【0040】
次いで、図5(c)に示すように、実施形態例1と同様にして、Ta2 O5 膜66及びTiN膜68を成膜する。続いて、TiN膜68上にDOPOS膜70を成膜する。尚、DOPOS膜70に代えて、W−CVD膜、ポリサイド膜でも良い。
【0041】
次いで、図5(d)に示すように、DOPOS膜70、TiN膜68、及びTa2 O5 膜66をエッチングして、ゲート電極72を形成する。DOPOS膜70上にBPSG膜74を成膜し、続いてBPSG膜74を貫通してソース/ドレイン領域54A、Bをそれぞれ露出させるコンタクトホールを開口し、次いで実施形態例1と同様にWプラグ76及びW配線78を形成する。
これにより、図5(d)に示すように、ゲート絶縁膜としてTa2 O5 膜66を、ゲート電極としてTiN膜68とDOPOS膜70との積層膜を備えたNMOSを有する半導体装置79を得ることができる。
尚、BPSG膜74に代えて、PSG膜、BSG膜、又はSiO2 膜でも良い。配線74は、Wに代えてAlやAuでも良い。
【0042】
実施形態例3
本実施形態例は、本発明に係る半導体装置の製造方法の実施形態の更に別の例であって、図6は本実施形態例の方法で製造した半導体装置の断面を示す模式図である。図7は、本実施形態例でCVD−WN膜を成膜する際のチャンバ圧力及び導入ガスのスケジュールを示すフローチャートである。
実施形態例1の製造方法では、TiN膜36に代えてWN膜80、及び、DOPOS膜38に代えてW膜82を成膜することを除いて、実施形態例1と同様にして、半導体装置を製造する。これにより、容量絶縁膜としてTa2 O5 膜34を有する容量素子と、NMOSとを備えた半導体装置84を製造することができる。
【0043】
尚、WN膜80を成膜する際には、図7に示すフローチャートに従って、CVD法により成膜する。
(1)基板をCVD成膜装置に送入し、成膜チャンバを0.1mTorrになるように排気する。排気ステップの排気所要時間は、10〜60秒である。
(2)次いで、基板加熱ステップに移行し、100sccmの流量で成膜チャンバにNH3 ガスを導入して、NH3 ガスの分圧(この時点では、チャンバ圧力と同じ)を0.3Torrに保持し、400℃から500℃、例えば450℃になるように基板を加熱し、その温度に保持する。基板加熱ステップの所要時間は50秒から70秒である。
尚、本実施形態例では、基板加熱ステップでNH3 ガスを導入しているが、必ずしもこれに限らず、成膜ステップの前であれば良く、流量安定化ステップでNH3 ガスを導入してもよい。
【0044】
(3)次いで、ガス流量の安定化ステップに移行する。ガス流量の安定化ステップでは、チャンバに導入するガスの流量の変動を収束させて流量を安定させ、CVD−WN膜の成膜に移行するまでの暫定期間である。1000sccmの流量でN2 ガスを成膜チャンバに導入すると共にNH3 ガスの流量を100sccmに保持し、チャンバ圧力を3Torrに昇圧する。NH3 ガスの分圧は0.3Torrである。また、ガス流量の安定化ステップの所要時間は10秒である。
【0045】
(4)成膜ステップに移行し、チャンバ圧力を3Torrに保持しつつ10sccmの流量でWF6 ガスを成膜チャンバに導入して、CVD−WN膜を成膜する。成膜ステップの所要時間は15秒から30秒である。
(5)チャンバ圧力、及びN2 ガスの流量を成膜ステップと同じ条件に保持しつつ、WF6 ガスの流量は0として、NH3 ガスの流量を1000sccmに増加して、NH3 ガスの分圧を5Torrに昇圧し、CVD−WN膜にNH3 アニールを施し、膜厚100ÅのWN膜を成膜する。NH3 アニール・ステップの所要時間は、30秒である。
(6)次いで、パージ・ステップに移行し、N2 ガス以外のガスの導入を停止し、真空吸引してチャンバ圧力を0.1mTorrに減圧する。パージ・ステップの所要時間は10秒から30秒である。
(7)次いで、N2 ガスの導入を停止し、続いて排気する。
【0046】
実施形態例1から3の製造方法に従って、半導体装置49、79、84と同じ構成の試料半導体装置を作製し、リーク電流を測定したところ、実験例1及び実験例5と同様にリーク電流が小さいことが確認できた。
【0047】
【発明の効果】
本発明によれば、高融点金属含有ソースガスを導入して、高融点金属窒化膜を誘電体膜上にCVD法により成膜する際、高融点金属含有ソースガスを導入する前に、1.0Torr以下0.1Torr以上のNH3 ガス分圧のNH3 ガス雰囲気内で、誘電体膜が形成された基板を所定の加熱温度で加熱することにより、誘電体膜のリーク電流を小さくし、特性の良好な半導体装置を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例1の製造方法を適用して、半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
【図2】図2(d)と(e)は、それぞれ、図1(c)に続いて、実施形態例1の製造方法を適用して、半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
【図3】実施形態例1でCVD−TiN膜を成膜する際のチャンバ圧力及び導入ガスのスケジュールを示すフローチャートである。
【図4】図4(a)及び(b)は、それぞれ、実施形態例2の製造方法を適用して、半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
【図5】図5(c)及び(d)は、それぞれ、図4(b)に続いて、実施形態例2の製造方法を適用して、半導体装置を製造する際の基板の断面図である。
【図6】実施形態例3の方法で製造した半導体装置の断面を示す模式図である。
【図7】実施形態例3でCVD−WN膜を成膜する際のチャンバ圧力及び導入ガスのスケジュールを示すフローチャートである。
【図8】図8(a)から(c)は、それぞれ、従来の方法に従って、Ta2 O5 膜を容量絶縁膜とする容量素子を作製する際の基本的工程毎の基板断面を示す模式図である。
【図9】従来の方法に従ってCVD−TiN膜を成膜する際のガスの導入スケジュールを示すグラフである。
【図10】従来の方法に従ってCVD−TiN膜を成膜する際のガスの別の導入スケジュールを示すグラフである。
【図11】従来の方法に従ってCVD−TiN膜を成膜する際のガスの更に別の導入スケジュールを示すグラフである。
【図12】実験例での試料ウェルの断面構成を示し、かつ実験方法を示す模式図である。
【符号の説明】
1 シリコン基板
2 絶縁膜
3 下部電極
4 容量絶縁膜
5 CVD−TiN膜
6 ポリシリコン膜
7 プレート電極
10 p型シリコン基板
12 フィールド絶縁膜
14 ソース/ドレイン領域
15 熱酸化SiO2 膜
16 ポリシリコン層
18 Si3 N4 膜
20 ゲート電極(ワード線)
22 サイドウォール
24 SiO2 膜
26 コンタクトプラグ
28 BPSG膜
30 接続孔
32 ポリシリコン層/下部電極
34 Ta2 O5 膜
36 TiN膜
38 DOPOS膜
40 容量素子
42 BPSG膜
44 接続孔
46 Wプラグ
48 ビット線
49 半導体装置
50 p型シリコン基板
52 フィールド絶縁膜
54 ソース/ドレイン領域
55 熱酸化SiO2 膜
56 ポリシリコン層
60 ゲート形成領域
62 サイドウォール
64 SiO2 膜
66 Ta2 O5 膜
68 TiN膜
70 DOPOS膜
72 ゲート電極
74 BPSG膜
76 Wプラグ
78 W配線
79 半導体装置
80 WN膜
82 W膜
Claims (12)
- 金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を備えた半導体装置の製造方法であって、高融点金属含有ソースガスを導入して、高融点金属窒化膜を誘電体膜上にCVD法により成膜する際、
高融点金属含有ソースガスを導入する前に、NH 3 ガスのみ、又は、NH 3 ガス及び不活性ガスのみからなる雰囲気で、且つ1.0Torr以下0.1Torr以上のNH3ガス分圧の雰囲気内で、誘電体膜が形成された基板を所定の加熱温度で加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 誘電体膜が、酸化タンタル(Ta2 O5 )膜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。
- 高融点金属含有ソースガスを導入する前に、
基板を所定の加熱温度で加熱する基板加熱ステップと、
基板温度を保持しつつ酸化タンタルに対する非反応性ガスを導入して、流量を安定化させる流量安定化ステップと
を備え、前記基板加熱ステップ又は前記流量安定化ステップでNH3 ガスを導入することを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の製造方法。 - 流量安定化ステップに続いて、
高融点金属含有ソースガスを導入して、CVD−高融点金属窒化膜を成膜するステップと、
CVD−高融点金属窒化膜の成膜ステップの後半では、NH3 ガスの分圧を高くして、NH3 ガスによる熱処理を施すステップと
を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。 - 金属酸化物からなる誘電体膜と、誘電体膜上に成膜されたCVD−高融点金属窒化膜との積層構造を備えた半導体装置の製造方法であって、高融点金属含有ソースガスを導入して、高融点金属窒化膜を誘電体膜上にCVD法により成膜する際、
高融点金属含有ソースガスを導入する前に、
基板を所定の加熱温度で加熱する基板加熱ステップと、
基板温度を保持しつつ不活性ガスを導入して、流量を安定化させる流量安定化ステップとを備え、更に
流量安定化ステップに続いて、高融点金属含有ソースガスを導入して、CVD−高融点金属窒化膜を成膜するステップと、
CVD−高融点金属窒化膜の成膜ステップの後半では、NH3 ガスの分圧を高くして、NH3 ガスによる熱処理を施すステップとを有し、
基板加熱ステップ又は流量安定化ステップでNH 3 ガスを導入して、1.0 Torr 以下0.1 Torr 以上のNH 3 ガス分圧のNH 3 ガス雰囲気内で、誘電体膜が形成された基板を所定の加熱温度で加熱することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 誘電体膜が酸化タンタル膜であり、不活性ガスが酸化タンタルに対する非反応性ガスである請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 酸化タンタルに対する非反応性ガスとして、アルゴンガスを含む希ガス、窒素ガス、水素ガス及びそれらの混合ガスのいずれかのガスを導入することを特徴とする請求項3又は6に記載の半導体装置の製造方法。
- 高融点金属窒化膜がTiN膜であって、高融点金属含有ソースガスとして、四塩化チタン(TiCl4 )、テトラキス・ジエチル・アミノ・チタン・(TDMAT)及びテトラキス・ジエチル・アミン(TDEAT)の少なくとも一種類のガスを導入することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 高融点金属窒化膜がWN膜であって、高融点金属含有ソースガスとして、WF6 ガスを導入することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 基板の加熱温度は、400℃以上700℃以下の温度であることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体装置が容量素子を備え、誘電体膜が容量素子の容量絶縁膜であり、CVD−高融点金属窒化膜が、容量絶縁膜と容量素子の上部電極との間に介在する容量絶縁膜の保護膜であることを特徴とする請求項1から10のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体装置がMOSFETを備え、誘電体膜がMOSFETのゲート絶縁膜、CVD−高融点金属窒化膜がゲート絶縁膜上に形成されている積層ゲート電極層の最下層であることを特徴とする請求項1から10のうちのいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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