JP3817621B2 - プラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体素子のキャパシタ誘電膜形成方法に関し、さらに詳細には、プラズマ原子層蒸着法によるタンタル酸化膜(Ta2O5)形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、DRAM(Dynamic Random Access Memory)などの半導体装置において集積度が高くなることに伴って、狭い空間で高い電極容量を有し、漏れ電流の影響が小さい、電気的特性に優れたキャパシタが必要となった。このために、タンタル酸化膜などの高誘電物質をキャパシタの誘電膜として使用されだしている。
一方、低圧化学気相蒸着法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition;LPCVD)により蒸着されたタンタル酸化膜は、段差被覆性(Step coverage)が良好でなく、キャパシタの電気的特性が劣化する。
【0003】
このような問題を解決するために、多層のモノ層(mono layer)を蒸着して段差被覆性を向上させることができる原子層蒸着法(Atomic Layer Deposition;ALD)が利用され始めている。
図1乃至図4は、従来の技術に係るキャパシタ製造工程を説明するための断面図である。
まず、図1に示すように、トランジスタ及びプラグを含む下部構造形成が完了した基板10上にキャパシタの下部電極をなすポリシリコン膜11を蒸着し、HFまたはBOE(Buffer Oxide Etchant)を利用してポリシリコン膜11表面の自然酸化膜(図示せず)を除去した後、アンモニア(NH3)雰囲気下でポリシリコン膜11の表面をRTP(Rapid Thermal Process)処理する。
【0004】
次に、図2に示すように、原子層蒸着(ALD)ステップとインシトゥ(in−situ)−酸素(O2)プラズマ処理ステップによりタンタル酸化膜12Aを蒸着する。
上記の2ステップからなるタンタルオキサイドモノ層形成周期を複数回繰り返して多層のタンタルオキサイドモノ層121〜12nを蒸着すれば、段差被覆性に優れたタンタル酸化膜12Aが形成される。
【0005】
図3に示すように、酸素(O2)プラズマ処理ステップは、タンタル酸化膜12Aを酸素雰囲気下で熱処理するためのものであって、これにより結晶化されたタンタル酸化膜12を形成することができる。
次に、図4に示すように、タンタル酸化膜12上に上部電極13を蒸着して、ポリシリコン膜11、タンタル酸化膜12及び上部電極13の積層構造からなるキャパシタを形成する。
【0006】
上述したようになされる従来の原子層蒸着方式(ALD)と、酸素プラズマを利用したタンタル酸化膜形成方法は、以下のような問題点がある。
第1に、酸素の反応性が小さいため、タンタル酸化膜12内に炭素(A)(図4)が残留することになり、第2に、酸素の活性化エネルギーが小さいため、タンタル酸化膜12内に酸素(B)(図4)の空乏が依然として残ることになって漏れ電流による電気的特性が劣化するという問題点があった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は上記従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、プラズマ原子層蒸着法を利用してタンタル酸化膜を形成することによって、膜質の改善と電気的特性の向上を図ることのできる、プラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法を提供することにその目的がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた、本発明によるプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法は、反応室内にペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)ソースガスを導入させ、プラズマを発生させる第1ステップと、
ペンタエトキシタンタルプラズマを利用してタンタルオキサイドモノ層を蒸着する第2ステップと、前記反応室をパージさせる第3ステップと、前記第1ステップ乃至前記第3ステップからなるタンタルオキサイドモノ層形成周期を少なくとも一回以上繰り返してタンタル酸化膜を形成する第4ステップと、酸素雰囲気下で前記タンタル酸化膜表面を熱処理する第5ステップと、前記タンタル酸化膜を結晶化させる第6ステップとを含むことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかるプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
図5乃至図9は、本発明に係るプラズマ原子層蒸着法を利用してタンタル酸化膜を形成する工程を説明するための断面図である。
【0010】
まず、図5に示すように、トランジスタ及びプラグを含む下部構造形成が完了した基板20上に、キャパシタの下部電極をなすポリシリコン膜21を蒸着し、HFまたはBOE(Buffer Oxide Etchant)を利用してポリシリコン膜21表面の自然酸化膜(図示せず)をエッチバックした後、アンモニア(NH3)雰囲気下でポリシリコン膜21表面をRTP(Rapid Thermal Process)処理する。
次に、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)ソースを反応室内に導入させ、プラズマを励起させて、図6に示すように、タンタル酸化膜22Aを形成する。
【0011】
以下では、プラズマ原子層蒸着法(Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition;PEALD)を利用したタンタル酸化膜22A蒸着工程について具体的に述べる。
基板温度が200℃乃至300℃に保持され、反応室圧力が、0.2Torr乃至10Torrに保持され、30W乃至500WのRF電力が印加された条件下で、170℃乃至190℃のペンタエトキシタンタルソースガスを0.006cc/min乃至0.1cc/minの速度で0.1秒乃至5秒間反応室内に導入させプラズマ化する。
【0012】
次いで、反応室の温度及び圧力条件をそのまま保持しながらプラズマ化したソースガスを、0.1秒乃至0.5秒間基板上部に蒸着してタンタルオキサイド一層のモノ層221を蒸着する。
次に、窒素またはアルゴンを利用して0.2秒乃至5秒間パージする。
上記の3ステップからなるタンタルオキサイドモノ層形成周期を、複数回繰り返すと、多層のタンタルオキサイドモノ層221〜22nが蒸着されるので、段差被覆性に優れたタンタル酸化膜22Aが形成される。
【0013】
次に、図7に示すように、酸素またはN2Oをプラズマ化してタンタル酸化膜22Aの表面を処理することによって、表面処理されたタンタル酸化膜22Bを形成する。この場合、表面処理されたタンタル酸化膜22B内部に残留する炭素は、反応性が大きいN2OプラズマによりCOやCO2に反応してパージにより除去される。また、表面処理されたタンタル酸化膜22B内部の酸素空乏は、活性化エネルギーが大きいN2Oプラズマにより抑制される。
次に、表面処理されたタンタル酸化膜22Bを、N2Oまたは酸素雰囲気下及び650℃乃至800℃下で10分乃至30分間アニールして、図8に示すように、結晶化されたタンタル酸化膜22を形成する。
【0014】
次に、図9に示すように、結晶化されたタンタル酸化膜22上に、上部電極23を形成してポリシリコン膜21、結晶化されたタンタル酸化膜22及び上部電極23の積層構造からなるキャパシタの形成を完了する。
上述したように、本発明のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法を用いたキャパシタ製造方法は、プラズマ原子層蒸着法を利用してタンタル酸化膜を形成することによって、段差被覆性を向上させてタンタル酸化膜の膜質を改善して電気的特性を向上させることができる。
【0015】
尚、本発明は、本実施例に限られるものではない。本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【0016】
【発明の効果】
上述したように、本発明によるプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法によれば、プラズマ原子層蒸着法によるタンタル酸化膜形成方法において、タンタル酸化膜の膜質を改善して段差被覆性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の技術に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図2】従来の技術に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図3】従来の技術に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図4】従来の技術に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図5】本発明の実施例に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図6】本発明の実施例に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図7】本発明の実施例に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図8】本発明の実施例に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【図9】本発明の実施例に係るタンタル酸化膜形成工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
20 基板
21 ポリシリコン膜
221〜22n タンタルオキサイドモノ層
22、22A、22B タンタル酸化膜
23 上部電極
Claims (15)
- 反応室内にペンタエトキシタンタル(Ta(OC2H5)5)ソースガスを導入させ、プラズマを発生させる第1ステップと、
ペンタエトキシタンタルプラズマを利用してタンタルオキサイドモノ層を蒸着する第2ステップと、
前記反応室をパージさせる第3ステップと、
前記第1ステップ乃至前記第3ステップからなるタンタルオキサイドモノ層形成周期を少なくとも一回以上繰り返してタンタル酸化膜を形成する第4ステップと、
酸素雰囲気下で前記タンタル酸化膜表面を熱処理する第5ステップと、
前記タンタル酸化膜を結晶化させる第6ステップとを含むことを特徴とするプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。 - 前記第1ステップは、基板温度が200℃乃至300℃に保持された条件下で実施することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第1ステップは、前記反応室圧力が、0.2Torr乃至10Torrに保持された条件下で実施することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第1ステップは、30W乃至500WのRF電力が印加された条件下で実施することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第1ステップで、前記ペンタエトキシタンタルソースガスの温度は、170℃乃至190℃であることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第1ステップで、前記ペンタエトキシタンタルソースガスを0.006cc/min乃至0.1cc/minの速度で導入させることを特徴とする請求項5に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記ペンタエトキシタンタルソースガスを0.1秒乃至5秒の間導入させることを特徴とする請求項5又は6に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第2ステップは、基板温度が170℃乃至190℃に保持され、前記反応室圧力が0.2Torr乃至10Torrに保持された条件下で実施することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第2ステップは、0.1秒乃至0.5秒間実施することを特徴とする請求項8に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第3ステップで、窒素またはアルゴンを利用して前記反応室をパージさせることを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記反応室を0.2秒乃至5秒間パージさせることを特徴とする請求項10に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第5ステップで、酸素またはN2Oをプラズマ化して前記タンタル酸化膜の表面を処理することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第6ステップは、N2Oまたは酸素雰囲気下で実施することを特徴とする請求項1に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第6ステップは、650℃乃至800℃で実施することを特徴とする請求項13に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
- 前記第6ステップは、10分乃至30分間実施することを特徴とする請求項13又は14に記載のプラズマ原子層蒸着法を利用したタンタル酸化膜形成方法。
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