JP4350318B2 - 半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法に関し、特にALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてアルミニウム酸化膜を形成する半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高集積メモリ素子製造工程中、キャパシタの誘電体膜としてAl2O3が広く適用されている。
【０００３】
ALD法によるアルミニウム酸化膜Al2O3形成方法は、基板を２００〜４５０℃に維持しつつ、アルミニウム(Ａｌ)ソース物質と酸素(Ｏ)を含む原料物質を交互に基板の表面に噴射し、原料物質注入途中にパージ(Purge)過程を挿入して残余ソース物質を除去する過程によって薄膜を蒸着する。一般に、アルミニウムソース物質としてAl(CH3)3(TriMethyl Aluminum;TMA)を酸素反応ガスとしてベーパー(Vapor)状態のH2Oを使用する。H2Oベーパーの場合、気化温度以上でも周囲の物質に吸着される特性が強いため、H2Oベーパーを反応炉に供給し、長い時間をかけてH2Oベーパーの流れ経路を浄化した後、H2Oベーパーの供給ラインをヒッティングしなければ、H2Oベーパーが除去されない。もしH2Oベーパーを供給ライン(Delivery line)などで完全に除去しなければ、後続に供給されるアルミニウムソースと反応して寄生的CVD法によるAl2O3薄膜が形成されるため、ALD法とCVD法とが混合されて不均一な薄膜が蒸着されてしまう。
【０００４】
酸素の原料物質であるH2Oベーパー原料物質の短所を克服するために、酸素を含む各種のアルコール類を代わりに使用する。しかし、この場合、アルコール類の分子サイズがH2Oベーパーに比べて相当大きいので、ALD法による蒸着時に単位サイクル当り薄膜の成長率(Growth rate)が非常に低下するという短所がある。また、金属有機原料物質であるTMA及びアルコール類の原料物質を使用すると、Al2O3薄膜内の炭素が含まれて薄膜の電気的特性劣化の原因として作用してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、H2Oベーパーの代わりに酸素を含むアルコール類物質を反応ガスとして、TMA及びMTMA(Modified TriMethyl Aluminum)のいずれか一種を用いたアルミニウムソースと活性化ガスNH3を互いに異なるラインで同時に供給してアルミニウム酸化膜を蒸着することにより、均一で且つカバレージ特性の良い、不純物の少ないアルミニウム酸化膜を形成することができる半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法は、アルミニウムソース及び活性化ガスを、個別ラインを介して、ウェーハを装着した反応炉へ同時に供給する第１段階と、未反応アルミニウムソースを前記反応炉で除去する第２段階と、酸素を含むアルコール類の反応ガス及び活性化ガスを、同一ラインを介して前記反応炉へ同時に供給する第３段階と、未反応アルコール類を前記反応炉で除去する第４段階と、前記第１乃至第４段階をアルミニウム酸化膜蒸着工程の１サイクルとして数回繰り返し行う段階とからなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を説明するために蒸着装備に原料物質を供給する方式を示す図である。
【０００９】
図１を参照すると、ALD法によってアルミニウム酸化膜Al2O3を形成するためには、排出ポンプ７０、アルミニウムソースを供給するための第１供給ライン４０、活性化ガスを供給するための第２供給ライン５０及びアルコール類ベーパーを供給するための第３供給ライン６０を備えた反応炉１０が必要である。アルミニウム酸化膜を蒸着するための条件としてはウェーハ２０を２００〜４５０℃の温度範囲に維持し、反応炉１０の圧力は５０〜３００ｍＴｏｒｒの範囲とする。次に、アルミニウム酸化膜を形成する段階について説明する。
【００１０】
アルミニウムソース注入段階Ａで第１供給ライン４０を介してTMA及びMTMA(Modified TMA)のいずれか一種をアルミニウムソースとして０.１〜３秒間反応炉１０に注入してウェーハ２０の表面にアルミニウムソースを吸着させる。この際、活性化ガスとして２０〜１０００ｓｃｃｍのNH3ガスを同時に供給するが、アルミニウムソースの供給ライン４０を介して一緒に供給する場合、供給ライン４０内で寄生的にパーティクル(Particle)が発生するため、これとは異なるライン、即ち第２供給ライン５０で供給しなければならない。アルミニウムソースはTMAとしてのAl(CH3)3またはMTMAとしてのAl(CH3)3N(CH2)5CH3を使用する。MTMAは室温では固体、３０℃以上では液体であり、５０〜１００℃の温度ではベーパー状態になるので、アルミニウムソースとしてMTMAを使用する場合にはソース容器(sourcebottle)の温度を５０〜１００℃の範囲とし、ソース供給ラインの温度を７０〜１８０℃の範囲とする。
【００１１】
第１浄化段階Ｂでは窒素N2ガスを０.１〜３秒間注入するか、真空パージ(Vacuum purge)を実施して、ウェーハ２０に吸着されることなく未反応状態にあるアルミニウムソースを排出ポンプ７０で除去する。未反応状態のアルミニウムソースを除去する理由は後続工程で注入されるガスとの反応によってパーティクルを形成することを防止することにある。
【００１２】
反応ガス注入段階Ｃでは酸素Ｏ反応ガスとして酸素を含むアルコール類を利用し、０.１〜３秒間第３供給ライン６０を介してベーパー状態で反応炉１０に注入してウェーハ２０の表面に吸着させる。酸素ソース物質として使用するアルコールはメタノール（CH3OH）、エタノール（C2H5OH）及びイソプロピルアルコール（CH3CH(OH)CH3）のいずれか一種を利用する。この際も、活性化ガスとして２０〜１０００ｓｃｃｍのNH3ガスをアルコール類供給ラインとしての第３供給ライン６０で同時に供給する。
【００１３】
第２浄化段階Ｄでは窒素N2ガスを０.１〜３秒間注入するか、真空パージを実施して、ウェーハ２０に吸着されず未反応状態にあるアルコール類を排出ポンプ７０で除去する。
【００１４】
前記４つの段階Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤがアルミニウム酸化膜３０を蒸着する１サイクルを成し、サイクルを数回繰り返して目標厚さのアルミニウム酸化膜を蒸着する。
【００１５】
前記段階でにおいて、活性化ガスのNH3ガス無しにアルコール類ベーパーのみ供給する場合、H2Oに比べてアルコール類物質の分子サイズが大きいので、下部のCH3が終端(termination)されているAl−CH3と交換反応する分子の個数が小さくなるサイクル当りアルミニウム酸化膜のカバレージが減少する。しかし、NH3ガスを一緒に供給することにより、アルコール類の配位子とNH3ガスの水素基とが反応してメタン（CH4）またはエタン（C2H5）、プロパン形態で除去され、アルコールのOHはCH3との交換反応が発生し、AlにOHが終端されているウェーハの表面を形成する。従って、アルコール類とNH3ガスを同時に流すと、ウェーハの表面で分子サイズの大きいアルコール類の分解反応が起こって、サイクル当りアルミニウム酸化膜の厚さがH2Oに比べて減少する現象を防ぐことができ、アルミニウム酸化膜内炭素や水素などの不純物の濃度を減少させることができる。
【００１６】
前記段階によって形成されたアルミニウム酸化膜はゲート誘電体、BSTキャパシタ、Y1キャパシタ、PZTキャパシタ、Ru/Ta2O5/Ru TiN/Ta2O5/Ru及びTiN/Ta2O5/Ruキャパシタを形成した後、H2防止膜としても使用する。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、活性化ガスを用いたALD法でアルミニウム酸化膜を形成することにより、薄膜内の不純物が減少して電気的特性の劣化を改善させる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を説明するために蒸着装備に原料物質を供給する方式を示す図である。
【符号の説明】
１０ 反応炉
２０ ウェーハ
３０ アルミニウム酸化膜
４０ 第１供給ライン
５０ 第２供給ライン
６０ 第３供給ライン
７０ 排出ポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法に関し、特にALD(Atomic Layer Deposition)法を用いてアルミニウム酸化膜を形成する半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、高集積メモリ素子製造工程中、キャパシタの誘電体膜としてAl2O3が広く適用されている。
【０００３】
ALD法によるアルミニウム酸化膜Al2O3形成方法は、基板を２００〜４５０℃に維持しつつ、アルミニウム(Ａｌ)ソース物質と酸素(Ｏ)を含む原料物質を交互に基板の表面に噴射し、原料物質注入途中にパージ(Purge)過程を挿入して残余ソース物質を除去する過程によって薄膜を蒸着する。一般に、アルミニウムソース物質としてAl(CH3)3(TriMethyl Aluminum;TMA)を酸素反応ガスとしてベーパー(Vapor)状態のH2Oを使用する。H2Oベーパーの場合、気化温度以上でも周囲の物質に吸着される特性が強いため、H2Oベーパーを反応炉に供給し、長い時間をかけてH2Oベーパーの流れ経路を浄化した後、H2Oベーパーの供給ラインをヒッティングしなければ、H2Oベーパーが除去されない。もしH2Oベーパーを供給ライン(Delivery line)などで完全に除去しなければ、後続に供給されるアルミニウムソースと反応して寄生的CVD法によるAl2O3薄膜が形成されるため、ALD法とCVD法とが混合されて不均一な薄膜が蒸着されてしまう。
【０００４】
酸素の原料物質であるH2Oベーパー原料物質の短所を克服するために、酸素を含む各種のアルコール類を代わりに使用する。しかし、この場合、アルコール類の分子サイズがH2Oベーパーに比べて相当大きいので、ALD法による蒸着時に単位サイクル当り薄膜の成長率(Growth rate)が非常に低下するという短所がある。また、金属有機原料物質であるTMA及びアルコール類の原料物質を使用すると、Al2O3薄膜内の炭素が含まれて薄膜の電気的特性劣化の原因として作用してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、H2Oベーパーの代わりに酸素を含むアルコール類物質を反応ガスとして、TMA及びMTMA(Modified TriMethyl Aluminum)のいずれか一種を用いたアルミニウムソースと活性化ガスNH3を互いに異なるラインで同時に供給してアルミニウム酸化膜を蒸着することにより、均一で且つカバレージ特性の良い、不純物の少ないアルミニウム酸化膜を形成することができる半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法は、アルミニウムソース及び活性化ガスを、個別ラインを介して、ウェーハを装着した反応炉へ同時に供給する第１段階と、未反応アルミニウムソースを前記反応炉で除去する第２段階と、酸素を含むアルコール類の反応ガス及び活性化ガスを、同一ラインを介して前記反応炉へ同時に供給する第３段階と、未反応アルコール類を前記反応炉で除去する第４段階と、前記第１乃至第４段階をアルミニウム酸化膜蒸着工程の１サイクルとして数回繰り返し行う段階とからなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。
【０００８】
図１は本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を説明するために蒸着装備に原料物質を供給する方式を示す図である。
【０００９】
図１を参照すると、ALD法によってアルミニウム酸化膜Al2O3を形成するためには、排出ポンプ７０、アルミニウムソースを供給するための第１供給ライン４０、活性化ガスを供給するための第２供給ライン５０及びアルコール類ベーパーを供給するための第３供給ライン６０を備えた反応炉１０が必要である。アルミニウム酸化膜を蒸着するための条件としてはウェーハ２０を２００〜４５０℃の温度範囲に維持し、反応炉１０の圧力は５０〜３００ｍＴｏｒｒの範囲とする。次に、アルミニウム酸化膜を形成する段階について説明する。
【００１０】
アルミニウムソース注入段階Ａで第１供給ライン４０を介してTMA及びMTMA(Modified TMA)のいずれか一種をアルミニウムソースとして０.１〜３秒間反応炉１０に注入してウェーハ２０の表面にアルミニウムソースを吸着させる。この際、活性化ガスとして２０〜１０００ｓｃｃｍのNH3ガスを同時に供給するが、アルミニウムソースの供給ライン４０を介して一緒に供給する場合、供給ライン４０内で寄生的にパーティクル(Particle)が発生するため、これとは異なるライン、即ち第２供給ライン５０で供給しなければならない。アルミニウムソースはTMAとしてのAl(CH3)3またはMTMAとしてのAl(CH3)3N(CH2)5CH3を使用する。MTMAは室温では固体、３０℃以上では液体であり、５０〜１００℃の温度ではベーパー状態になるので、アルミニウムソースとしてMTMAを使用する場合にはソース容器(sourcebottle)の温度を５０〜１００℃の範囲とし、ソース供給ラインの温度を７０〜１８０℃の範囲とする。
【００１１】
第１浄化段階Ｂでは窒素N2ガスを０.１〜３秒間注入するか、真空パージ(Vacuum purge)を実施して、ウェーハ２０に吸着されることなく未反応状態にあるアルミニウムソースを排出ポンプ７０で除去する。未反応状態のアルミニウムソースを除去する理由は後続工程で注入されるガスとの反応によってパーティクルを形成することを防止することにある。
【００１２】
反応ガス注入段階Ｃでは酸素Ｏ反応ガスとして酸素を含むアルコール類を利用し、０.１〜３秒間第３供給ライン６０を介してベーパー状態で反応炉１０に注入してウェーハ２０の表面に吸着させる。酸素ソース物質として使用するアルコールはメタノール（CH3OH）、エタノール（C2H5OH）及びイソプロピルアルコール（CH3CH(OH)CH3）のいずれか一種を利用する。この際も、活性化ガスとして２０〜１０００ｓｃｃｍのNH3ガスをアルコール類供給ラインとしての第３供給ライン６０で同時に供給する。
【００１３】
第２浄化段階Ｄでは窒素N2ガスを０.１〜３秒間注入するか、真空パージを実施して、ウェーハ２０に吸着されず未反応状態にあるアルコール類を排出ポンプ７０で除去する。
【００１４】
前記４つの段階Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤがアルミニウム酸化膜３０を蒸着する１サイクルを成し、サイクルを数回繰り返して目標厚さのアルミニウム酸化膜を蒸着する。
【００１５】
前記段階でにおいて、活性化ガスのNH3ガス無しにアルコール類ベーパーのみ供給する場合、H2Oに比べてアルコール類物質の分子サイズが大きいので、下部のCH3が終端(termination)されているAl−CH3と交換反応する分子の個数が小さくなるサイクル当りアルミニウム酸化膜のカバレージが減少する。しかし、NH3ガスを一緒に供給することにより、アルコール類の配位子とNH3ガスの水素基とが反応してメタン（CH4）またはエタン（C2H5）、プロパン形態で除去され、アルコールのOHはCH3との交換反応が発生し、AlにOHが終端されているウェーハの表面を形成する。従って、アルコール類とNH3ガスを同時に流すと、ウェーハの表面で分子サイズの大きいアルコール類の分解反応が起こって、サイクル当りアルミニウム酸化膜の厚さがH2Oに比べて減少する現象を防ぐことができ、アルミニウム酸化膜内炭素や水素などの不純物の濃度を減少させることができる。
【００１６】
前記段階によって形成されたアルミニウム酸化膜はゲート誘電体、BSTキャパシタ、Y1キャパシタ、PZTキャパシタ、Ru/Ta2O5/Ru TiN/Ta2O5/Ru及びTiN/Ta2O5/Ruキャパシタを形成した後、H2防止膜としても使用する。
【００１７】
【発明の効果】
上述したように、本発明は、活性化ガスを用いたALD法でアルミニウム酸化膜を形成することにより、薄膜内の不純物が減少して電気的特性の劣化を改善させる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法を説明するために蒸着装備に原料物質を供給する方式を示す図である。
【符号の説明】
１０ 反応炉
２０ ウェーハ
３０ アルミニウム酸化膜
４０ 第１供給ライン
５０ 第２供給ライン
６０ 第３供給ライン
７０ 排出ポンプ
Claims (6)
- アルミニウムソース及び活性化ガスを、個別ラインを介して、ウェーハを装着した反応炉へ同時に供給する第１段階と、
未反応アルミニウムソースを前記反応炉で除去する第２段階と、
酸素を含むアルコール類の反応ガス及び活性化ガスを、同一ラインを介して前記反応炉へ同時に供給する第３段階と、
未反応アルコール類を前記反応炉で除去する第４段階と、
前記第１乃至第４段階をアルミニウム酸化膜蒸着工程の１サイクルとして数回繰り返し行う段階とからなることを特徴とする半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。 - 前記反応炉は５０〜３００ｍＴｏｒｒの蒸着圧力を維持し、前記ウェーハは２００〜４５０℃の温度を維持することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
- 前記アルミニウムソースはTMA及びMTMAのいずれか一種を用いて前記反応炉へ０.１〜３秒間供給することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
- 前記アルミニウムソースとしてMTMAを使用する場合には、アルミニウムソース容器の温度を５０〜１００℃とし、アルミニウムソース供給ラインの温度を７０〜１８０℃とすることを特徴とする請求項１記載の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
- 前記活性化ガスはNH3ガスを用いて０.１〜３秒間２０〜１０００ｓｃｃｍの流量で前記反応炉へ供給することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
- 前記アルコール類はメタノール(CH3OH)、エタノール(C2H5OH)及びイソプロピルアルコール(CH3CH(OH)CH3)のいずれか一種を用いて０.１〜３秒間前記反応炉へ供給することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のアルミニウム酸化膜形成方法。
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