JP4531935B2 - 半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法 - Google Patents
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法に関し、詳しくは、TaON膜を誘電体膜として用いる半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近、半導体製造技術の発達に伴い、メモリ素子の需要が急増しつつある。これにより、メモリ素子は狭い面積に対する高いキャパシタンスが要求される。この様なキャパシタの静電容量(capacitance)は、下部電極の表面積を拡大すること、及び高誘電率を持つ絶縁体を用いることにより増大する。従来のキャパシタはNO(nitride−oxide)膜よりも高誘電率のタンタル酸化膜(Ta2O5)が誘電体として用いられることにより、下部電極の構造が3次的に形成される。
【0003】
図1は従来の半導体メモリ素子のキャパシタを示す断面図である。同図に示すように、下部にゲート絶縁膜12を含むゲート電極13は、フィールド酸化膜11が所定部分に形成された半導体基板10上に公知の方式によって形成される。接合領域14はゲート電極13の両側の半導体基板10に形成されてMOSトランジスタが形成される。第1層間絶縁膜16及び第2層間絶縁膜18は、MOSトランジスタの形成された半導体基板10上に形成される。
ストレージノードコンタクトホールhは、接合領域14が露出するように、第1及び第2層間絶縁膜16、18内に形成される。シリンダー形態の下部電極20が公知の方式により、露出した接合領域14とコンタクトされるように、ストレージノードコンタクトホールh内に形成される。HSG(Hemi Spherical Grain)膜21は、下部電極20の表面積を一層増大させる為に、下部電極20の表面に形成される。タンタル酸化膜23はHSG膜21表面に形成される。このとき、タンタル酸化膜23は後工程にて形成される。
まず、タンタル酸化膜23の形成前に、HSG膜21表面を洗浄後、ex−situ方式にてRTN(rapid thermal nitridation)工程を行う。RTN工程にてHSG膜21表面にシリコン窒化膜22が形成される。続いて、400乃至450℃の温度で53乃至57Å厚さで第1タンタル酸化膜が形成される。その後、低温でアニーリング工程を行った後、第1タンタル酸化膜と同じ工程及び同じ厚さで第2タンタル酸化膜が形成される。次いで、連続的に低温及び高温でアニーリング工程を行い、単一のタンタル酸化膜23が形成される。上部電極24はタンタル酸化膜23及び第2層間絶縁膜18上に蒸着され、キャパシタが完成する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、タンタル酸化膜を誘電体とする従来のキャパシタは、次のような問題点がある。
まず、一般的なタンタル酸化膜は、不安定な化学量論比(stoichimetry)を持つため、TaとOの造成比に差が発生する。このため、置換型Ta原子、すなわち空孔原子(vacancy atom)が薄膜内に発生する。この空孔原子は、酸素空孔(oxygen vacancy)であるから、リーク電流の原因になる。空孔原子の量はタンタル酸化膜を構成する構成要素の含有量と結合程度によって調節できるが、完全には除去し難い。
【0005】
現在は、タンタル酸化膜の不安定な化学量論比を安定化させる目的で、タンタル酸化膜内の置換型Ta原子を除去する為に、タンタル酸化膜を酸化させる。しかし、リーク電流の防止の為にタンタル酸化膜を酸化させると、次の様な問題点がある。すなわち、タンタル酸化膜はポリシリコンまたはTiN等で形成される上部及び下部電極と酸化反応性が大きい。よって、置換型Ta原子を酸化させるための酸化工程時、タンタル酸化膜と上部電極または下部電極との反応により、界面に低誘電率を持つ酸化膜が発生し、タンタル酸化膜と下部電極の界面に酸素が移動されて界面の均一性が低下する。
【0006】
また、前駆体(precusor)として用いられるTa(OC2H5)5の有機物とO2(またはN2O)ガスとの反応により、炭素原子(C)、炭素化合物(CH4、C2H4)及びH2Oの様な不純物がタンタル酸化膜内に発生する。この不純物はキャパシタのリーク電流を増大させ、タンタル酸化膜の誘電特性を低下させるため、大容量のキャパシタを得にくい。
【0007】
さらに、誘電体膜としてタンタル酸化膜を用いる方法は、タンタル酸化膜の形成前に洗浄工程を行ってから、別のex−situ工程を行う必要があることや、タンタル酸化膜を2段階に蒸着する必要があること、さらに、タンタル酸化膜を形成後、低温及び高温で2回に渡って熱処理工程を行う必要がある。このため、工程が複雑になる。
【0008】
従って、本発明の目的は、リーク電流の発生が少なくて高誘電率を持つ誘電体膜を備えることで、大容量を確保できる半導体素子のキャパシタを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に下部電極を形成する段階、前記下部電極表面の自然酸化膜の発生を抑制するための表面処理工程を行う段階、前記表面処理した下部電極上にTa化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの反応によってTaON膜を形成する段階、前記TaON膜を結晶化させる段階、及び、前記TaON膜上に上部電極を形成する段階を含み、前記TaON膜は、両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバであって、一側のインジェクタからTa化学蒸気及びO 2 ガスが噴射され、対向する他側のインジェクタからNH 3 ガスが噴射され、反応ガスをチャンバ中央部に載置されたウェーハ上で向流状態となるように噴射させるLPCVDチャンバで形成され、前記TaON膜は300乃至600℃及び0.1乃至10Torrで形成されることを特徴とする。
【0010】
また、本発明は、半導体基板上に下部電極を形成する段階、前記下部電極表面の自然酸化膜の発生を抑制するための表面処理工程を行う段階、前記表面処理した下部電極上にTa化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの反応によってTaON膜を形成する段階、前記TaON膜を結晶化させる段階、及び、前記TaON膜上に上部電極を形成する段階を含み、前記TaON膜は、両側下端に一対のインジェクタを備えるLPCVDチャンバであって、一方のインジェクタからTa化学蒸気及びO 2 ガスが噴射され、他方のインジェクタからNH 3 ガスが噴射され、反応ガスをチャンバ中央部に載置されたウェーハ上で放射線状となるように噴射させるLPCVDチャンバで形成され、前記TaON膜は300乃至600℃及び0.1乃至10Torrで形成されることを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例を詳細に説明する。
(実施例1)
図2を参照して、フィールド酸化膜31は、公知の方式にて所定の導電性を持つ半導体基板30の所定部分に形成される。底部にゲート絶縁膜32を含むゲート電極33が半導体基板30上の所定部分に形成され、スペーサ34はゲート電極33の両側壁に公知の方式にて形成される。
接合領域35は、ゲート電極33の両側の半導体基板30に形成されてMOSトランジスタが形成される。第1層間絶縁膜36及び第2層間絶縁膜38はMOSトランジスタの形成された半導体基板30に形成される。その後、接合領域35の何れかが露出するように第2及び第1層間絶縁膜38、36がパターニングされ、ストリージノードコンタクトホールHが形成される。
露出した接合領域35とコンタクトされるようにシリンダー形態またはスタック形態で下部電極40が形成される。HSG膜41は下部電極40の表面積を増大させる為に、公知の方法にて下部電極40の表面に形成される。その後、HSG膜41の表面すなわちHSG膜41を含む下部電極40と以後形成される誘電体膜(不図示)との間の界面に、低誘電自然酸化膜の発生を阻止する為に、下部電極40及び第2層間絶縁膜38の表面がHF蒸気(HF vapor)、HF溶液(solution)またはHFを含む化合物によって洗浄処理されることができる。
この様な洗浄処理は、下部電極の形成工程とin−situまたはex−situにて行うことができる。しかも、HF溶液の洗浄処理の前または後に界面の均一性を一層改善するために、下部電極の表面はNH 4 OH溶液またはH 2 SO 4 溶液により界面処理できる。
また、他の方法として、下部電極40の形成された半導体基板の結果物は、FTP(fast thermal process)電気炉(furnace)で700乃至900℃及びNH3ガス雰囲気で熱処理されて下部電極40の表面が窒化する。このような下部電極40表面の窒化処理によって自然酸化膜の発生を抑制できる。また、他の方法として、下部電極の形成工程とin−situにて下部電極40の形成された結果物は、600乃至950℃の温度及び窒素雰囲気でRTP(rapid thermal process)を行う事も出来る。
【0012】
図3を参照して、誘電体として非晶質TaON膜43が、表面処理された下部電極40上に50乃至150Åの厚さで形成される。このとき、非晶質TaON膜43は、in−situまたはex−situに形成できる。ここで、非晶質TaON膜43はLPCVDチャンバ内で前駆体から得られるTa化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの反応により形成される。非晶質TaON膜43の蒸着時、膜内のパティクルの発生を最小化するために、チャンバ内の気相反応(gas phase reaction)は抑制させながら、ウェーハ表面のみで化学反応するようにし、LPCVDチャンバ内の温度は300乃至600℃、圧力は0.1乃至10Torrで維持させることが望ましい。
TaON膜の形成前、下部電極40表面がHFのみによって洗浄された場合、TaON膜の蒸着時、LPCVDチャンバ内にNH3ガスのみが先に注入され、下部電極40表面を窒化させた後、残りの反応ガスが注入されて、TaON膜が蒸着される。また、前駆体はタンタルを含む有機金属物質例えばTa(OC2H5)5(tantalum ethylate)、Ta(N(CH3)2)5(penta−dimethyl−amino−tantalum)物質が用いられる。
Ta(OC 2H5)5、Ta(N(CH3)2)5の様な前駆体は、公知のように液状であるため、蒸気状すなわちTa化学蒸気に変換した後、LPCVDチャンバ内に供給されるべきである。すなわち、液状の前駆体は、MFC(Mass Flow Controller)の様な流量調節器を用いて定量化した後、オリフィス(orifice)またはノズル(nozzle)を含む蒸発器または蒸発管で蒸発されてTa化学蒸気となる。
また、Ta化学蒸気の凝縮が防止されるように蒸発器とTa蒸気の流路(flow path)となる供給管の温度は150乃至200℃で維持することが望ましい。このとき、Ta化学蒸気を作るための前駆体は、50乃至150mg/minで蒸発器または蒸発管に注入され、O2ガスはTa化学蒸気の量により変化するが、5乃至500sccmでLPCVDチャンバ内に注入され、NH3ガスは10乃至1000sccmでLPCVDチャンバ内に注入される。
本実施例のTaON膜は、図5に示すように、両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバ200内で形成される。ここで、一側のインジェクタ202ではTa化学蒸気及びO 2 ガスが噴射され、対向する他側のインジェクタ204ではNH 3 ガスが噴射される。このように、インジェクタ202、204が相対するように配置されるため、Ta化学蒸気及びO 2 ガスとNH 3 ガスはウェーハ表面で互いに向流される。これにより、気相反応をより抑制することができ、ウェーハ表面反応が促進される。ここで、説明しない図面符号205は、石英チューブ(qurtz tube)、207は石英チューブ205内に載置されるウェーハ、209は石英チューブ205を加熱する加熱部である。
【0013】
その後、図4に示すように、非晶質TaON膜43は、より安定した状態を持つ様に熱処理工程にて結晶化する。このとき、結晶化工程はin−situまたはex−situにてN 2 O、O2またはN 2 雰囲気及び600乃至950℃の温度を維持するチャンバまたは電気炉で熱処理される。この熱処理により、非晶質TaON膜43は結晶質TaON膜43aに変換されながら、非晶質TaON膜43内に残留する炭素化合物の様な不純物が全て放出される。その後、導電性バリア44は結晶化したTaON膜43a上に形成され、導電性バリア44は、TiN膜で形成される。上部電極45はドープトシリコン膜で形成され、導電性バリア44上に形成される。
【0014】
(実施例2)
本実施例は、Ta化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの噴射方法の以外は、実施例1と同様である。
実施例でのTaON膜は、図6に示すように、両側下端に一対のインジェクタ302、304を備えるLPCVDチャンバ300内で形成される。何れかのインジェクタ302ではTa化学蒸気及びO 2 ガスが、残りのインジェクタ304ではNH 3 ガスがチャンバ内へ放物線状に噴射される。このようなLPCVDチャンバ300は、注入ガスが放物線状に噴射されるようにドーム状に形成される。このように、インジェクタが一側下端に配列されているので、LPCVDチャンバ構造が簡単となる。尚、説明しない図面符号305は、LPCVDチャンバ300内に載置されるウェーハ、307はチャンバ300を加熱するための加熱ブロックである。ここで、インジェクタ302、304は一側壁に並設されても同様な効果を果たす。
【0015】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、TaON膜は両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバ内で形成されることにより、反応ガスらが向流されて、気相反応を抑制させ、かつウェーハ表面反応を促進させる。
【0016】
しかも、TaON膜が一対のインジェクタの両側に具備されたLPCVDチャンバ内で形成されることにより、反応ガスらがインジェクタを通してチャンバ内へ放物線状に噴射される。これにより、LPCVDチャンバ構造を単純化させることができ、製造費用が低減される。
【0017】
また、TaON膜は、20乃至30の高誘電率を持ちながら、Ta−O−Nの安定した結合構造を持つ。これにより、NO膜に比べて誘電特性が優秀で、タンタル酸化膜に比べて安定した化学量論比を持つ。よって、外部から印加される電気的衝撃にも耐えることができ、絶縁破壊電圧が高く、リーク電流が非常に低い。
【0018】
また、TaON膜内には、タンタル酸化膜のように置換型Ta原子が存在しないため、別の酸化工程が省略可能である。かつ、TaON膜は酸化反応性が非常に低いために、キャパシタの下部電極及び上部電極との酸化反応が殆どない。よって、等価誘電体膜厚を30Å未満と薄く制御可能である。
【0019】
また、TaON膜の蒸着後、結晶化工程により、膜内に残留する炭素化合物が全て除去されるので、誘電率が改善され、リーク電流も大きく低減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の半導体素子のキャパシタを示す断面図である。
【図2】 本発明の第1実施例による半導体素子のキャパシタを説明するための断面図である。
【図3】 本発明の第1実施例による半導体素子のキャパシタを説明するための断面図である。
【図4】 本発明の第1実施例による半導体素子のキャパシタを説明するための断面図である。
【図5】 本発明の第1実施例による両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバの断面図である。
【図6】 本発明の第2実施例による両側下端に一対のインジェクタを備えるLPCVDチャンバの断面図である。
【符号の説明】
30 半導体基板
33 ゲート電極
40 下部電極
41 HSG膜
43 非晶質TaON膜
43a 結晶質TaON膜
44 導電性バリア
200 両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバ
202、204、302、304 インジェクタ
300 両側下端に一対のインジェクタを備えるLPCVDチャンバ
Claims (24)
- 半導体基板上に下部電極を形成する段階、
前記下部電極表面の自然酸化膜の発生を抑制するための表面処理工程を行う段階、
前記表面処理した下部電極上にTa化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの反応によってTaON膜を形成する段階、
前記TaON膜を結晶化させる段階、及び、
前記TaON膜上に上部電極を形成する段階を含み、
前記TaON膜は、両側壁に互いに対向するインジェクタを備えるLPCVDチャンバであって、一側のインジェクタからTa化学蒸気及びO 2 ガスが噴射され、対向する他側のインジェクタからNH 3 ガスが噴射され、反応ガスをチャンバ中央部に載置されたウェーハ上で向流状態となるように噴射させるLPCVDチャンバで形成され、
前記TaON膜は300乃至600℃及び0.1乃至10Torrで形成されることを特徴とする、半導体メモリ素子のキャパシタの形成方法。 - 前記Ta化学蒸気は定量化した前駆体を蒸発器または蒸発管で蒸発させて得られることを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタの形成方法。
- 前記前駆体はTa(OC 2 H5)5またはTa(N(CH3)2)5であることを特徴とする、請求項2記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記前駆体は蒸発器または蒸発管に50乃至150mg/minで供給されることを特徴とする、請求項3記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記O2ガスは5乃至500sccmでLPCVDチャンバ内に注入され、NH3ガスは10乃至1000sccmでLPCVDチャンバ内に注入されることを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理工程は、下部電極の表面がHFを含む化合物により洗浄されることを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記HFを含む化合物による洗浄処理段階の前または後に、界面の均一性を一層改善するために、下部電極の表面はNH 4 OH溶液またはH 2 SO 4 溶液によりさらに界面処理することを特徴とする、請求項6記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記HFを含む化合物による洗浄処理段階の後、TaON膜の形成時、NH3ガスを先に供給して下部電極表面を窒化することを特徴とする、請求項6記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理は、下部電極の形成された半導体基板の結果物をFTP(fast thermal process)電気炉(furnace)で700乃至900℃及びNH3ガス雰囲気で熱処理することを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理は、下部電極の形成された結果物を600乃至950℃の温度及び窒素雰囲気でRTPが行われることを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記結晶化工程は、N2O、O2またはN2ガス雰囲気及び600乃至950℃の温度を維持するチャンバで熱処理することを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記結晶化工程は、N2O、O2またはN2ガス雰囲気及び600乃至950℃の温度を維持する電気炉で熱処理することを特徴とする、請求項1記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 半導体基板上に下部電極を形成する段階、
前記下部電極表面の自然酸化膜の発生を抑制するための表面処理工程を行う段階、
前記表面処理した下部電極上にTa化学蒸気、O2ガス及びNH3ガスの反応によってTaON膜を形成する段階、
前記TaON膜を結晶化させる段階、及び、
前記TaON膜上に上部電極を形成する段階を含み、
前記TaON膜は、両側下端に一対のインジェクタを備えるLPCVDチャンバであって、一方のインジェクタからTa化学蒸気及びO 2 ガスが噴射され、他方のインジェクタからNH 3 ガスが噴射され、反応ガスをチャンバ中央部に載置されたウェーハ上で放射線状となるように噴射させるLPCVDチャンバで形成され、
前記TaON膜は300乃至600℃及び0.1乃至10Torrで形成されることを特徴とする、半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。 - 前記Ta化学蒸気は定量化した前駆体を蒸発器または蒸発管で蒸発させて得られることを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記前駆体はTa(OC2H5)5またはTa(N(CH3)2)5であることを特徴とする、請求項14記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記前駆体は蒸発器または蒸発管に50乃至150mg/minで供給されることを特徴とする、請求項15記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記O2ガスは5乃至500sccmでLPCVDチャンバ内に注入され、NH3ガスは10乃至1000sccmでLPCVDチャンバ内に注入されることを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理工程は、下部電極の表面がHFを含む化合物により洗浄されることを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記HFを含む化合物による洗浄処理段階の前または後に、界面の均一性を一層改善するために、下部電極の表面はNH 4 OH溶液またはH 2 SO 4 溶液によりさらに界面処理することを特徴とする、請求項18記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記HFを含む化合物による洗浄処理段階の後、TaON膜の形成時、NH3ガスを先に供給して下部電極表面を窒化することを特徴とする、請求項18記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理は、下部電極の形成された半導体基板の結果物をFTP(fast thermal process)電気炉(furnace)で700乃至900℃及びNH3ガス雰囲気で熱処理することを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記下部電極の表面処理は、下部電極の形成された結果物を600乃至950℃の温度及び窒素雰囲気でRTPが行われることを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記結晶化工程は、N2O、O2またはN2ガス雰囲気及び600乃至950℃の温度を維持するチャンバで熱処理することを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
- 前記結晶化工程は、N2O、O2またはN2ガス雰囲気及び600乃至950℃の温度を維持する電気炉で熱処理することを特徴とする、請求項13記載の半導体メモリ素子のキャパシタ形成方法。
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