JP4230596B2 - 薄膜形成方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、鉛(Pb)とジルコニウム(Zr)とチタン(Ti)と酸素(O)からなる強誘電体膜であるPZTの薄膜を形成する薄膜形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体メモリ素子は、次世代の不揮発性メモリとして注目を集め、活発に研究開発がなされている。この強誘電体メモリ素子は、2つの電極の間に強誘電体膜を介在させた強誘電体キャパシタをメモリセルに用いた半導体素子である。強誘電体は、「自己分極」、つまり、一度電圧を加えると、電圧をゼロにしても分極が残っているという特性を持っており、強誘電体メモリ素子はこれを利用した不揮発性メモリである。
このような強誘電体メモリ素子の強誘電体膜としては、Pb(Zr,Ti)O3(PZT)膜が広く用いられている。
【0003】
ここで、そのPZT薄膜を用いた強誘電体メモリ素子の構成に関して説明する。これは、図8に示すように、基本的には、シリコン基板801上に形成されたMOSトランジスタに、強誘電体膜からなるスタック型のキャパシタが接続されているものである。そのMOSトランジスタは、半導体基板801上にゲート絶縁膜802を介して形成されたゲート電極803と、そのゲート電極803両脇に形成されたソース・ドレイン804とから構成されている。また、キャパシタは、Pt/TiNからなる下部電極821と、その上に形成された、PZTからなる誘電体膜822と、その上に形成されたIr/IrO2からなる上部電極823とから構成されている。
【0004】
また、層間絶縁膜805が、ゲート電極803を覆って形成され、また、その層間絶縁膜805上には、この図8の断面には現れないビット線となる配線層806が形成され、その上に、層間絶縁膜807が形成されている。また、その層間絶縁膜807上には、配線層808が形成されている。
そして、その配線層808を覆うように形成された層間絶縁膜809上に、上述したキャパシタが形成されている。そして、そのキャパシタを構成する下部電極821が、層間絶縁膜805,807,809を貫通して形成されたスルーホール内に形成されたタングステン(W)からなるプラグ810により、ソース・ドレイン804の一方に接続している。
【0005】
また、そのキャパシタを覆うように絶縁膜811が形成され、その上に、上部電極823に接続する配線層812が形成されている。
以上説明したように、PZTなどの強誘電体膜を用いる場合、その膜の形成は、集積回路のなるべく上層に配置するようにしている。これは、次に示す理由による。
PZTは酸化物であるため、還元性雰囲気に晒されると還元されてしまい、その強誘電特性が劣化してしまう。また、ドライエッチングなどの反応性の高い環境においても、やはりその強誘電特性が劣化しやすい状態となる。
【0006】
ところが、一般的な半導体装置の製造工程の中の特に初期段階で形成された部分は、その後の水素アニールなどの還元性雰囲気に晒されやすい。また、配線パターンの加工など、プラズマを用いる多くのドライプロセスがある。
一方、従来のDRAMのように、トランジスタの直上にキャパシタを配置する構成では、そのキャパシタの形成は半導体装置の初期段階に当たり、この上に配線構造などが形成されることになるため、キャパシタを構成するPZTの膜が、上述した特性が劣化しやすい環境となる多くのプロセスを経ることになる。
【0007】
したがって、PZT薄膜をキャパシタに用いる強誘電体メモリ素子の場合、そのキャパシタを半導体装置の例えば多層配線構造の上などの上層に配置し、その形成工程が半導体装置製造の後の方になるようにしている。
そして、そのように、配線構造の上層に配置するようにしているため、PZT薄膜の形成は、450℃以下の温度で行うようにしている。これは、下層に配置されている配線構造は、一般にはアルミニウムなどの金属材料を用いているため、450℃を越える高温に耐えられないからである。
【0008】
そこで、PZTの膜を450℃以下の温度で形成する技術が提案されている。このPZTの成膜方法について説明すると、まず、5mTorrと低い圧力下でPbとTiの各有機金属原料ガスと、NO2などの酸化ガスを、445℃とした基板上に供給する。この有機金属(MO)原料を用いた化学気相成長(CVD)法により、基板上に、PbTiO3の結晶核を形成する。次いで、その5mTorrと低い圧力を保ったまま、今度は、PbとZrとTiとの各有機金属原料ガスと、NO2などの酸化ガスを、445℃とした基板上に供給する。すると、基板上にはすでにPbTiO3の結晶核が存在しているので、445℃と低い温度であっても、PZTの結晶が成長し、基板上にペロブスカイト結晶のPZT薄膜が形成される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、基板全域に対して組成が均一な状態でPZT薄膜が形成できないという問題があった。このように、組成が均一な状態とならないと、形成されたPZT薄膜の強誘電特性が、形成された膜の中でばらついてしまう。その組成のバラツキは、MO原料の基板上への供給が分子流状態でなされているためと考えられる。従来では、前述したように数mTorrと低い圧力下(高い真空状態)でMO原料ガスを供給していたが、このような高真空状態では、各MO原料ガスの流れは分子流状態となる。そして、このように分子流状態では、各MO原料を基板上に均一に供給することが非常に困難である。
【0010】
この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、450℃以下の温度で、PZTのペロブスカイト結晶膜を均一に形成できるようにすることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明の成膜方法は、反応器内に配置した基板に対向して設けられたシャワーヘッドの前記反応器側に配置された有機金属原料専用の複数の吐出ノズルから希釈ガスで希釈された鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料のガスを、前記シャワーヘッドの反応器側に配置された酸化ガス専用の複数の吐出ノズルから酸化ガスを、それぞれ前記基板上に供給し、前記反応器の全圧を0.1Torr以上としたなかで、有機金属原料のガス分圧を0.01Torrより低くした状態で、鉛とジルコニウムとチタンの酸化物からなるペロブスカイト結晶構造の強誘電体膜を前記基板の上に形成するPZT薄膜形成工程を有するようにした。
このように成膜するようにしたので、PZT薄膜形成工程では、有機金属原料ガスが中間流から粘性流の領域となった状態で供給されるようになる。
【0012】
上記成膜方法において、基板の上に鉛とチタンからなる酸化物のペロブスカイト構造の結晶核を形成する結晶核形成工程をさらに有し、PZT薄膜形成工程が結晶核形成工程の後に行われるようにしてもよい。ところで、結晶核形成工程では、基板を所定温度とし、かつ、0.001〜0.01Torrとした圧力下で鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを基板上に供給して基板上に結晶核を形成するようにしてもよい。
また、結晶核形成工程では、基板を所定温度とし、かつ、0.001〜0.01Torrとした圧力下で、希釈ガスで希釈された鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを基板上に供給して基板上に結晶核を形成するようにしてもよい。
また、結晶核形成工程では、基板を所定温度とし、かつ、0.1Torr以上とした圧力下で、希釈ガスで希釈された鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを基板上に供給して基板上に結晶核を形成するようにしてもよい。
【0013】
また、結晶核形成工程では、基板を所定温度とし、かつ、鉛とチタンの各有機金属原料の少なくとも1つ以上を有機溶媒に溶解し、これらを気化して供給することで、有機溶媒の気化ガスと他のガスとから構成された希釈ガスで希釈されたPbとTiの各有機金属原料のガスと酸化ガスを基板上に供給して基板上に結晶核を形成するようにしてもよい。
一方、第2の工程では、鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料の少なくとも1つ以上を有機溶媒に溶解し、これらを気化して供給することで、有機溶媒の気化ガスを含む希釈ガスで希釈された鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料のガスを供給するようにしても良い。また、上述した希釈ガスとしては、各有機金属原料およびそれらの分解生成物ならびに酸化ガスと反応しないガスを用いるようにした方がよい。そのガスとしては、例えば、不活性ガスを用いるようにすればよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図を参照して説明する。
実施の形態1
始めに、この発明の第1の実施の形態について説明する。この実施の形態1では、例えば、図1に示すような成膜装置を用いてPZTの薄膜を形成するようにした。この成膜装置は、反応器101内に、ウエハステージ102を備え、またこれに対向してシャワーヘッド103を備えている。ウエハステージ102にはヒータ102aが内蔵され、このヒータ102aによりウエハステージ102上に載置されたウエハ104を加熱する。このウエハ104は、例えば、シリコン基板からなり、表面に複数のトランジスタや配線層などの集積回路がすでに形成されているものである。
【0015】
その反応器101内には、2つのPb原料供給部105,106とZr原料供給部107とTi原料供給部108とより供給された各MO原料ガスが供給される。また、酸化ガス供給部109よりNO2やO2などの酸化ガスが供給される。
まず、Pb原料供給部105には、Pb(DPM)2が0.1モル濃度で溶解している酢酸ブチル溶液が用意されている。その、Pb原料供給部105より送り出されたPb原料が溶解している酢酸ブチル溶液は、流量制御手段(MFC)105aにより流量を制御されて気化器105bに供給される。そして、酢酸ブチル溶液が気化器105bで気化されることにより、酢酸ブチルの気体とPb(DPM)2の気体とが、シャワーヘッド103を介して反応器101内に導入される。なお、それら気体は、気化器105bにおいてヘリウムなどのキャリアガスとともにシャワーヘッド103に供給される。
【0016】
また、Pb原料供給部106には、Pb(DPM)2が用意され、これは170℃程度加熱されることで昇華し、Pbの原料ガスを生成する。また、Zr供給部107には、Zr(O−t−Bu)4が用意され、これは80℃程度に加熱されることで昇華し、Zrの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段107aにより流量を制御され、シャワーヘッド103を介して反応器101内に導入される。同様に、Ti原料供給部108には、Ti(O−i−Pr)4が用意され、これは75℃程度に加熱されることで昇華し、Tiの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段108aにより流量を制御され、シャワーヘッド103を介して反応器101内に導入される。
なお、酸化ガス供給部109から供給される酸化ガスも、流量制御手段109aにより流量を制御され、シャワーヘッド103を介して反応器101内に導入される。
【0017】
また、上述の各原料ガスは、シャワーヘッド103において混合されてから反応器101内に供給される。そのシャワーヘッド103の反応器101側には複数の吐出ノズルが配置され、混合された各原料ガスは、その複数の吐出ノズルによりウエハステージ102上に載置されたウエハ104上に均一に供給される。一方、シャワーヘッド103に導入された酸化ガスは、シャワーヘッド103内においては原料ガスと混合することなく、別の経路を経てシャワーヘッド103の反応器101側に設けられた専用の複数の吐出ノズルより吐出される。そして、その吐出された酸化ガスは、ウエハステージ102上に載置されたウエハ104上で、各原料ガスと混合する。このようにすることで、シャワーヘッド内103においては、各原料ガスと酸化ガスとが混ざることがない。したがって、シャワーヘッド103内でそれらが反応して反応生成物を生成してしまうことを抑制できるので、各原料ガスを安定してウエハ104上に供給できるようになる。
【0018】
また、反応器101には、コールドトラップ110,圧力制御手段111を介して真空ポンプ112が連通されている。すなわち、反応器101内は、圧力制御手段111に制御された中で、真空ポンプ112により減圧状態が得られるように構成されている。その減圧状態は、例えば、0.001〜10Torr程度の範囲に制御される。なお、コールドトラップ110により、反応器101内より排出される低温で液化もしくは固化する物質が除去される。
【0019】
そして、この実施の形態1では、次に示すようにして、ウエハ104上にPZTの薄膜を形成するようにした。
始めに、PbTiO3の結晶核をウエハ104上に形成した。
まず、ウエハステージ102上にウエハ104を載置し、ヒータ102aによりウエハ104を400〜450℃の範囲とした。また、真空ポンプ112により排気するなどにより、反応器101内の真空度を0.001〜0.01Torrとした。
【0020】
一方、Pb原料供給部106から、Pb(DPM)2を昇華させたガス(Pb原料ガス)を0.4sccmの流量でシャワーヘッド103に供給し、また、同時に、Ti原料供給部108からTi(O−i−Pr)4を昇華させたガス(Ti原料ガス)を0.3sccmの流量でシャワーヘッド103に供給した。そして、それらとともに、酸化ガスとしてNO2を6sccmの流量でシャワーヘッド103に供給した。
【0021】
以上のことにより、それらシャワーヘッド103に供給されたPb原料ガスとTi原料ガスは、シャワーヘッド103内で混合されて反応器101内のウエハ104上に導入される。一方、NO2は、このシャワーヘッド103においてはそれらと混合されることなく、反応器101内のウエハ104上に導入される。
この結果、この実施の形態1では、反応器101内の圧力を0.01〜0.001Torr程度と高真空の状態で、加熱されているウエハ104上にPbTiO3の結晶核を形成した。この結晶核の形成は約50秒間行った。
【0022】
次に、その核形成に引き続き、次に示すようにしてPZT薄膜の形成を行った。
まず、ウエハ104の加熱温度は同一の状態に保持する。そして、反応器101内の真空度は、0.1Torrと低真空の状態とした。この状態で、Pb原料供給部106からのPb原料ガスの供給を停止し、Pb原料供給部105からの供給に切り換えた。すなわち、Pb原料供給部105より、Pb(DPM)2が0.1モル濃度で溶解している酢酸ブチル溶液を、流量制御手段105aで所定流量に流量制御して気化器105bに供給し、酢酸ブチルとともに溶解しているPb(DPM)2を気化器105bで気化する。そして、これらにヘリウムガスを流量「250sccm」で添加してシャワーヘッド103に供給した。このとき、気化器105bより供給されるPb原料ガス、すなわち気化したPb(DPM)2の供給流量は、標準状態で「0.4sccm」程度となるようにした。なお、気化した酢酸ブチルの供給流量は、約「27sccm」程度となっている。
【0023】
また、Ti原料ガスは、「0.35sccm」の流量でシャワーヘッド103に供給した。
そして、新たにZr原料ガスをウエハ104上に供給するようにした。ここでは、Zr供給部107からZr(O−t−Bu)4を昇華させたガスを「0.3sccm」の流量でシャワーヘッド103に供給した。この結果、シャワーヘッド103内では、Pb原料ガスとTi原料ガスに加え、新たに、酢酸ブチルとヘリウムおよび、Zr原料ガスが混合されることになる。そして、ウエハ104上には、Pb原料ガスとTi原料ガスとZr原料ガスおよび酢酸ブチルとヘリウムとが、あらかじめ混合された状態で供給され、また、それらとは別に、NO2も供給される。
【0024】
このとき、反応器101内のウエハ104上では、Pb原料ガスであるPb(DPM)2の分圧は、0.4/(0.4+27+250+0.3+0.35+6)≒0.00141となっており、また、Ti原料ガスであるTi(O−i−Pr)4の分圧は、0.3/(0.4+27+250+0.3+0.35+6)≒0.00105となっており、そして、Zr原料ガスであるZr(O−t−Bu)4の分圧は、0.35/(0.4+27+250+0.3+0.35+6)≒0.00123となっている。
【0025】
このように、この実施の形態1では、核形成をした後では、反応器101内の圧力は0.1Torr程度と低真空であるが、有機溶媒の気化ガスやヘリウムなど成膜に関与しないガスを希釈ガスとして供給することで、供給している各原料ガスの分圧を低い状態としている。加えて、ウエハ104上には、すでに、PbTiO3の結晶核が形成されているので、それを種として、ウエハ104上にペロブスカイト結晶構造のPZT薄膜が形成された。そして、この実施の形態1では、PZT薄膜の形成において、反応器101内の真空度を0.1Torrと低真空状態としているので、反応器101内の導入された各ガスは、分子流状態ではなく、中間流から粘性流の領域となった状態で供給されるようになる。
【0026】
この結果、この実施の形態1によれば、ウエハ104上に供給した各ガスは、シャワーヘッド103を用いたことによるガスの均一供給効果が発揮され、ウエハ104上に組成が均一な状態でPZT薄膜が形成された。
以上の結果を、従来の手法により形成したPZT薄膜と比較した結果を図2に示す。まず、図2(a)は、形成されたPZT膜におけるPb/(Zr+Ti)比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図2(a)のグラフの縦軸は、Pb/(Zr+Ti)比を示している。また、図2(b)は、形成されたPZT膜におけるZr/Ti比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図2(b)のグラフの縦軸は、Zr/Ti比を示している。また、どちらにおいても、黒丸でこの実施の形態1の結果を示し、黒四角で従来の手法により形成されたPZT膜の結果を示している。
【0027】
それら図2(a),(b)に示す結果から明らかなように、この実施の形態1によれば、PZTのペロブスカイト結晶膜をウエハ内に均一組成で形成できるようになる。
なお、上記実施の形態1においては、有機溶媒の気化ガスを希釈ガスとして用いるようにしたが、有機溶媒の気化ガスはあまり多量に供給しないほうがよく、原料をガス化して供給するために必要な量だけを適宜用いるようにした方がよい。例えば、上述の場合、有機溶媒の気化ガスは、原料の100倍程度までとしておいた方がよい。また、希釈ガスとしてヘリウムガスを用いるようにしたが、これに限るものではなく、アルゴンガスなど他の不活性ガスを用いても良く、また、窒素ガスを用いるようにしても良い。
【0028】
実施の形態2
次に、この発明の第2の実施の形態について説明する。この実施の形態2では、例えば、図3に示すような成膜装置を用いてPZTの薄膜を形成するようにした。この成膜装置は、反応器301内に、ウエハステージ302を備え、またこれに対向してシャワーヘッド303を備えている。ウエハステージ302にはヒータ302aが内蔵され、このヒータ302aによりウエハステージ302上に載置されたウエハ304を加熱する。このウエハ304は、例えば、シリコン基板からなり、表面に複数のトランジスタや配線層などの集積回路がすでに形成されているものである。これらは、上述した実施の形態1とほぼ同様である。
【0029】
その反応器301内には、Pb原料供給部305,Zr原料供給部306,チタン原料供給部307より供給された各MO原料ガスが供給され、また酸化ガス供給部308よりNO2やO2などの酸化ガスが供給されるように構成されている。まず、Pb原料供給部305には、Pb(DPM)2が0.1モル濃度で溶解している酢酸ブチル溶液が用意されている。その、Pb原料供給部305より送り出されたPb原料が溶解している酢酸ブチル溶液は、流量制御手段(MFC)305aにより流量を制御されて気化器305bに供給される。そして、酢酸ブチル溶液が気化器305bで気化されることにより、酢酸ブチルの気体とPb(DPM)2の気体とが、シャワーヘッド303を介して反応器301内に導入される。なお、その気体は、気化器305bにおいてヘリウムなどのキャリアガスとともにシャワーヘッド303に供給される。
【0030】
また、Zr供給部306には、Zr(O−t−Bu)4が用意され、これは加熱されることで昇華して、Zrの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段306aにより流量を制御され、シャワーヘッド303を介して反応器301内に導入される。
同様に、Ti原料供給部307には、Ti(O−i−Pr)4が用意され、これも加熱されることで昇華して、Tiの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段307aにより流量を制御され、シャワーヘッド303を介して反応器301内に導入される。
なお、酸化ガス供給部308から供給される酸化ガスも、流量制御手段308aにより流量を制御され、シャワーヘッド303を介して反応器301内に導入される。
【0031】
また、上述の各原料ガスは、シャワーヘッド303において混合されてから反応器301内に供給される。そのシャワーヘッド303の反応器301側には複数の吐出ノズルが配置され、混合された各原料ガスは、その複数の吐出ノズルによりウエハステージ302上に載置されたウエハ304上に均一に供給される。一方、シャワーヘッド303に導入された酸化ガスは、シャワーヘッド303内においては原料ガスと混合することなく、別の経路を経てシャワーヘッド303の反応器301側に設けられた専用の複数の吐出ノズルより吐出される。そして、その吐出された酸化ガスは、ウエハステージ302上に載置されたウエハ304上で、各原料ガスと混合する。
【0032】
また、反応器301には、コールドトラップ310,圧力制御手段311を介して真空ポンプ312が連通されている。すなわち、反応器301内は、圧力制御手段311に制御された中で、真空ポンプ312により減圧状態が得られるように構成されている。その減圧状態は、例えば、0.001〜10Torr程度の範囲に制御される。なお、コールドトラップ310により、反応器301内より排出される低温で液化する物質が除去される。
【0033】
そして、この実施の形態2では、次に示すようにして、ウエハ304上にPZTの薄膜を形成するようにした。
始めに、PbTiO3の結晶核をウエハ304上に形成した。
まず、ウエハステージ302上にウエハ304を載置し、ヒータ302aによりウエハ304を400〜450℃の範囲とした。また、真空ポンプ312により排気するなどにより、反応器301内の真空度を0.1Torrとした。
【0034】
一方、Pb原料供給部305より、Pb(DPM)2が0.1モル濃度で溶解している酢酸ブチル溶液を、流量制御手段305aで0.15g/minに流量制御して気化器305bに供給し、酢酸ブチルとともに溶解しているPb(DPM)2を気化器305bで気化する。そして、これらにヘリウムガスを流量「250sccm」で添加してシャワーヘッド303に供給した。このとき、気化器305bより供給されるPb原料ガス、すなわち気化したPb(DPM)2の供給流量は標準状態で「0.35sccm」程度となる。また、気化した酢酸ブチルの供給流量は、約「27sccm」程度となっている。
【0035】
また同時に、Ti原料供給部307からTi(O−i−Pr)4を昇華させたガス(Ti原料ガス)を「0.31sccm」の流量でシャワーヘッド303に供給するとともに、酸化ガスとしてNO2を「6sccm」の流量でシャワーヘッド303に供給した。
以上のことにより、それらシャワーヘッド303に供給されたPb原料ガスとTi原料ガスおよび酢酸ブチルとヘリウムは、シャワーヘッド303内で混合されて反応器301内のウエハ304上に導入される。一方、NO2は、このシャワーヘッド303においてはそれらと混合されることなく、反応器301内のウエハ304上に導入される。
【0036】
このとき、反応器301内のウエハ304上では、Pb原料ガスであるPb(DPM)2の分圧は、0.35/(0.35+27+250+6+0.31)≒0.00123となる。また、Ti原料ガスであるTi(O−i−Pr)4の分圧は、0.31/(0.35+27+250+6+0.31)≒0.00109となる。
このように、この実施の形態2では、反応器301内の圧力は0.1Torr程度と低真空であるが、供給している各原料ガスの分圧を低い状態としているので、加熱されているウエハ304上には、PbTiO3の結晶核が形成されるようになる。そして、この結晶核の形成は、約50秒間行った。
【0037】
次に、その核形成に引き続き、次に示すようにしてPZT薄膜の形成を行った。
まず、ウエハ304の加熱温度および反応器301内の真空度は同一の状態を保持したまま、新たにZr原料ガスをウエハ304上に供給するようにした。ここでは、Zr供給部306からZr(O−t−Bu)4を昇華させたガスを「0.33sccm」の流量でシャワーヘッド303に供給した。この結果、シャワーヘッド303内では、Pb原料ガスとTi原料ガスおよび酢酸ブチルとヘリウムに加え、Zr原料ガスも混合されることになる。そして、ウエハ304上には、Pb原料ガスとTi原料ガスとZr原料ガスおよび酢酸ブチルとヘリウムとが、あらかじめ混合された状態で供給され、また、それらとは別に、NO2も供給される。
【0038】
このとき、反応器301内のウエハ304上では、Pb原料ガスであるPb(DPM)2の分圧は、0.35/(0.35+27+250+0.31+0.33+6)≒0.00123となっており、また、Ti原料ガスであるTi(O−i−Pr)4の分圧は0.00109となっており、そして、Zr原料ガスであるZr(O−t−Bu)4の分圧は0.00116となっている。
【0039】
このように、この実施の形態2では、反応器301内の圧力は0.1Torr程度と低真空であるが、有機溶媒の気化ガスやヘリウムなど成膜に関与しないガスを希釈ガスとして供給することで、供給している各原料ガスの分圧を低い状態としている。加えて、ウエハ304上には、すでに、PbTiO3の結晶核が形成されているので、それを種として、ウエハ304上にペロブスカイト結晶構造のPZT薄膜が形成された。そして、この実施の形態2では、PZT薄膜の形成において、反応器301内の真空度を0.1Torrと低真空状態としているので、反応器301内の導入された各ガスは、分子流状態ではなく、中間流から粘性流の領域となった状態で供給されるようになる。
【0040】
この結果、この実施の形態2によれば、ウエハ304上に供給した各ガスは、シャワーヘッド303を用いたことによるガスの均一供給効果が発揮され、ウエハ304上に組成が均一な状態でPZT薄膜が形成された。
以上の結果を、従来の手法により形成したPZT薄膜と比較した結果を図4に示す。まず、図4(a)は、形成されたPZT膜におけるPb/(Zr+Ti)比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図4(a)のグラフの縦軸は、Pb/(Zr+Ti)比を示している。また、図4(b)は、形成されたPZT膜におけるZr/Ti比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図4(b)のグラフの縦軸は、Zr/Ti比を示している。また、どちらにおいても、黒丸でこの実施の形態1の結果を示し、黒四角で従来の手法により形成されたPZT膜の結果を示している。
【0041】
それら図4(a),(b)に示す結果から明らかなように、この実施の形態2においても、PZTのペロブスカイト結晶膜をウエハ内に均一組成で形成できるようになる。
なお、この実施の形態2においても、有機溶媒の気化ガスを希釈ガスとして用いるようにしたが、有機溶媒の気化ガスはあまり多量に供給しないほうがよく、原料をガス化して供給するために必要な量だけを適宜用いるようにした方がよい。例えば、上述の場合、有機溶媒の気化ガスは、原料の100倍程度までとしておいた方がよい。また、希釈ガスとしてヘリウムガスを用いるようにしたが、これに限るものではなく、アルゴンガスなど他の不活性ガスを用いても良く、また、窒素ガスを用いるようにしても良い。
【0042】
実施の形態3
次に、この発明の第3の実施の形態について説明する。この実施の形態3では、例えば、図5に示すような成膜装置を用いてPZTの薄膜を形成するようにした。この成膜装置は、反応器501内に、ウエハステージ502を備え、またこれに対向してシャワーヘッド503を備えている。ウエハステージ502にはヒータ502aが内蔵され、このヒータ502aによりウエハステージ502上に載置されたウエハ504を加熱する。このウエハ504は、例えば、シリコン基板からなり、表面に複数のトランジスタや配線層などの集積回路がすでに形成されているものである。これらは、上述した実施の形態1,2とほぼ同様である。
【0043】
その反応器501内には、Pb原料供給部505,Zr原料供給部506,チタン原料供給部507より供給された各MO原料ガスが供給され、また酸化ガス供給部508よりNO2やO2などの酸化ガスが供給されるように構成されている。
まず、Pb原料供給部505には、Pb(DPM)2が用意され、これを加熱して昇華させることで、Pbの原料ガスを生成させるようにしている。そして、その原料ガスは、流量制御手段505aにより流量を制御され、シャワーヘッド503を介して反応器501内に導入される。
【0044】
また、Zr供給部506には、Zr(O−t−Bu)4が用意され、これを加熱されることで昇華して、Zrの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段506aにより流量を制御され、シャワーヘッド503を介して反応器501内に導入される。
同様に、Ti原料供給部507には、Ti(O−i−Pr)4が用意され、これも加熱されることで昇華して、Tiの原料ガスを生成する。その原料ガスは、流量制御手段507aにより流量を制御され、シャワーヘッド503を介して反応器501内に導入される。
なお、酸化ガス供給部508から供給される酸化ガスも、流量制御手段508aにより流量を制御され、シャワーヘッド503を介して反応器501内に導入される。
【0045】
また、上述の各原料ガスは、シャワーヘッド503において混合されてから反応器501内に供給される。そのシャワーヘッド503の反応器501側には複数の吐出ノズルが配置され、混合された各原料ガスは、その複数の吐出ノズルによりウエハステージ502上に載置されたウエハ504上に均一に供給される。一方、シャワーヘッド503に導入された酸化ガスは、シャワーヘッド503内においては原料ガスと混合することなく、別の経路を経てシャワーヘッド503の反応器501側に設けられた専用の複数の吐出ノズルより吐出される。そして、その吐出された酸化ガスは、ウエハステージ502上に載置されたウエハ504上で、各原料ガスと混合する。
【0046】
そして、この実施の形態3で用いる成膜装置では、希釈ガス供給部509を新たに備え、流量制御手段509aにより流量制御した状態で、ヘリウムなどの不活性ガスからなる希釈ガスをシャワーヘッド503に導入するようにした。また、この希釈ガスは、シャワーヘッド503において、原料ガスと混合されて反応室501内に供給するようにした。
また、反応器501には、コールドトラップ510,圧力制御手段511を介して真空ポンプ512が連通されている。すなわち、反応器501内は、圧力制御手段511に制御された中で、真空ポンプ512により減圧状態が得られるように構成されている。その減圧状態は、例えば、0.001〜10Torr程度の範囲に制御される。なお、コールドトラップ510により、反応器501内より排出される低温で液化する物質が除去される。
【0047】
そして、この実施の形態3では、次に示すようにして、ウエハ504上にPZTの薄膜を形成するようにした。
始めに、PbTiO3の結晶核をウエハ504上に形成した。
まず、ウエハステージ502上にウエハ504を載置し、ヒータ502aによりウエハ504を400〜450℃の範囲とした。また、真空ポンプ512により排気するなどにより、反応器501内の真空度を0.1Torrとした。
それらの設定状態において、まず、Pb原料供給部505より、Pb(DPM)2を170℃に加熱することで昇華させたPb原料ガスを、流量「0.4sccm」でシャワーヘッド503に供給した。
【0048】
また同時に、Ti原料供給部507からTi(O−i−Pr)4を80℃に加熱することで昇華させたTi原料ガスを、流量「0.3sccm」でシャワーヘッド503に供給するとともに、酸化ガスとしてNO2を流量「5sccm」でシャワーヘッド503に供給した。
そして、この実施の形態3では、希釈ガス供給部509より、希釈ガスとして窒素ガスを流量「250sccm」でシャワーヘッド503に供給した。
以上のことにより、それらシャワーヘッド503に供給されたPb原料ガスとTi原料ガスおよび希釈ガスが、シャワーヘッド503内で混合されて反応器501内のウエハ504上に導入される。一方、NO2は、このシャワーヘッド503においてはそれらと混合されることなく、反応器501内のウエハ504上に導入される。
【0049】
このとき、反応器501内のウエハ504上では、Pb原料ガスであるPb(DPM)2の分圧は、0.4/(0.4+0.3+250+5)≒0.00156となる。また、Ti原料ガスであるTi(O−i−Pr)4の分圧は、0.3/(0.4+0.3+250+5)≒0.00117となる。
このように、この実施の形態3では、反応器501内の圧力は0.1Torr程度と低真空であるが、希釈ガスを加えることで供給している各原料ガスの分圧を低い状態としているので、加熱されているウエハ504上には、PbTiO3の結晶核が形成されるようになる。そして、この結晶核の形成は、約50秒間行った。
【0050】
次に、その核形成に引き続き、次に示すようにしてPZT薄膜の形成を行った。
まず、ウエハ504の加熱温度および反応器501内の真空度は同一の状態を保持したまま、新たにZr原料ガスをウエハ504上に供給するようにした。ここでは、Zr供給部506からZr(O−t−Bu)4を昇華させたガス(Zr原料ガス)を、流量「0.3sccm」でシャワーヘッド303に供給した。また、Ti原料ガスの供給流量を、「0.35sccm」とした。
【0051】
この結果、シャワーヘッド303内では、Pb原料ガスとTi原料ガスおよび希釈ガスに加え、Zr原料ガスも混合されることになる。そして、ウエハ304上には、Pb原料ガスとTi原料ガスとZr原料ガスおよび希釈ガスとが、あらかじめ混合された状態で供給され、また、それらとは別に、NO2も供給される。
このとき、反応器301内のウエハ304上では、Pb原料ガスであるPb(DPM)2の分圧は、0.4/(0.4+0.35+0.3+250+5)≒0.00156となっており、また、Ti原料ガスであるTi(O−i−Pr)4の分圧は0.00137となっており、そして、Zr原料ガスであるZr(O−t−Bu)4の分圧は0.00117となっている。
【0052】
このように、この実施の形態3では、反応器301内の圧力は0.1Torr程度と低真空であるが、成膜に関与しない窒素ガスを希釈ガスとして供給することで、供給している各原料ガスの分圧を低い状態としている。加えて、ウエハ304上には、すでに、PbTiO3の結晶核が形成されるので、それを種として、ウエハ304上にペロブスカイト結晶構造のPZT薄膜が形成された。
そして、この実施の形態3では、PZT薄膜の形成において、反応器301内の真空度を0.1Torrと低真空状態としているので、反応器301内の導入された各ガスは、分子流状態ではなく、中間流から粘性流の領域となった状態で供給されるようになる。
【0053】
この結果、この実施の形態3によれば、ウエハ304上に供給した各ガスは、シャワーヘッド303を用いたことによるガスの均一供給効果が発揮され、ウエハ304上に組成が均一な状態でPZT薄膜が形成された。
以上の結果を、従来の手法により形成したPZT薄膜と比較した結果を図6に示す。まず、図6(a)は、形成されたPZT膜におけるPb/(Zr+Ti)比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図6(a)のグラフの縦軸は、Pb/(Zr+Ti)比を示している。また、図6(b)は、形成されたPZT膜におけるZr/Ti比のウエハ内のバラツキを示している。すなわち、図6(b)のグラフの縦軸は、Zr/Ti比を示している。また、どちらにおいても、黒丸でこの実施の形態1の結果を示し、黒四角で従来の手法により形成されたPZT膜の結果を示している。
【0054】
それら図6(a),(b)に示す結果から明らかなように、この実施の形態3においても、PZTのペロブスカイト結晶膜をウエハ内に均一組成で形成できるようになる。
なお、この実施の形態3でも、希釈ガスとしてヘリウムガスを用いるようにしたが、これに限るものではなく、アルゴンガスなど他の不活性ガスを用いても良く、また、窒素ガスを用いるようにしても良い。
【0055】
ところで、上述した実施の形態1〜3に示したこの発明の成膜方法では、PZTの薄膜を形成する段階においては、0.1Torr程度と低真空の状態としているため、反応機内に原料ガスなど原料ガスをより多く供給することが可能となる。そして、このようにより多くの原料ガスを送り込むことができるので、PZTの成膜速度を向上させることができる。
図7は、原料ガスの供給量と成膜速度との相関を示すものであり、これらから明らかなように、原料ガスの供給量を増加させることで、成膜速度を増加させることができる。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、希釈ガスで希釈された鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを基板上に供給し、0.1Torr以上とした圧力下で、鉛とジルコニウムとチタンの酸化物からなるペロブスカイト結晶構造の強誘電体膜を基板上に形成するようにした。
【0057】
このように成膜するようにしたので、各有機金属原料ガスなどが、中間流から粘性流の領域となった状態で供給されるようになる。また、各有機金属原料ガスは、希釈ガスで希釈して供給するので、それらの基板上での分圧は0.01Torrに満たない低い値となっている。すなわち、高真空で成膜しているような状態となっている。この結果、この発明によれば、各有機金属原料などを基板上に均一に供給できるようになるため、PZTのペロブスカイト結晶膜を450℃以下の低温で均一に形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施の形態において用いる成膜装置の構成を示す構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1における成膜状態と従来の成膜状態とを比較する特性図である。
【図3】 この発明の第2の実施の形態において用いる成膜装置の構成を示す構成図である。
【図4】 この発明の実施の形態2における成膜状態と従来の成膜状態とを比較する特性図である。
【図5】 この発明の第3の実施の形態において用いる成膜装置の構成を示す構成図である。
【図6】 この発明の実施の形態3における成膜状態と従来の成膜状態とを比較する特性図である。
【図7】 原料ガスの供給量と成膜速度との相関を示す特性図である。
【図8】 強誘電体メモリ素子の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
101…反応器、102…ウエハステージ、103…シャワーヘッド、104…ウエハ、105,106…Pb原料供給部、107…Zr原料供給部、108…Ti原料供給部、109…酸化ガス供給部、110…コールドトラップ、111…圧力制御手段、112…真空ポンプ。
Claims (9)
- 反応器内に配置した基板に対向して設けられたシャワーヘッドの前記反応器側に配置された有機金属原料専用の複数の吐出ノズルから希釈ガスで希釈された鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料のガスを、前記シャワーヘッドの反応器側に配置された酸化ガス専用の複数の吐出ノズルから酸化ガスを、それぞれ前記基板上に供給し、前記反応器の全圧を0.1Torr以上としたなかで、有機金属原料のガス分圧を0.01Torrより低くした状態で、鉛とジルコニウムとチタンの酸化物からなるペロブスカイト結晶構造の強誘電体膜を前記基板の上に形成するPZT薄膜形成工程を有することを特徴とする薄膜形成方法。
- 請求項1記載の薄膜形成方法において、
前記基板の上に鉛とチタンからなる酸化物のペロブスカイト構造の結晶核を形成する結晶核形成工程をさらに有し、
前記PZT薄膜形成工程が前記結晶核形成工程の後に行われる
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項2記載の薄膜形成方法において、
前記結晶核形成工程では、
前記基板を400〜450℃の範囲とし、かつ、0.001〜0.01Torrとした圧力下で鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを前記基板上に供給して前記基板上に前記結晶核を形成する
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項2記載の薄膜形成方法において、
前記結晶核形成工程では、
前記基板を400〜450℃の範囲とし、かつ、0.001〜0.01Torrとした圧力下で、前記希釈ガスで希釈された鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを前記基板上に供給して前記基板上に前記結晶核を形成する
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項2記載の薄膜形成方法において、
前記結晶核形成工程では、
前記基板を400〜450℃の範囲とし、かつ、0.1Torr以上とした圧力下で、前記希釈ガスで希釈された鉛とチタンの各有機金属原料のガスおよび酸化ガスを前記基板上に供給して前記基板上に前記結晶核を形成する
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項2記載の薄膜形成方法において、
前記結晶核形成工程では、
前記基板を400〜450℃の範囲とし、かつ、前記鉛とチタンの各有機金属原料の少なくとも1つ以上を有機溶媒に溶解し、これらを気化して供給することで、前記有機溶媒の気化ガスと他のガスとから構成された希釈ガスで希釈されたPbとTiの各有機金属原料のガスと前記酸化ガスを前記基板上に供給して前記基板上に前記結晶核を形成することを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1〜6いずれか1項記載の薄膜形成方法において、
前記PZT薄膜形成工程では、
前記鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料の少なくとも1つ以上を有機溶媒に溶解し、これらを気化して供給することで、前記有機溶媒の気化ガスが加わった前記希釈ガスで希釈された鉛とジルコニウムとチタンの各有機金属原料のガスを供給する
ことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項1〜7いずれか1項記載の薄膜形成方法において、
前記希釈ガスは、強誘電体膜の形成に関与しないことを特徴とする薄膜形成方法。 - 請求項8記載の薄膜形成方法において、
前記希釈ガスは不活性ガスであることを特徴とする薄膜形成方法。
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