JP4812164B2 - 半導体素子のキャパシタ製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のキャパシタ製造方法に係り、特にTa2O5キャパシタの誘電体特性劣化を防止し且つ漏れ電流特性を改善することができる半導体素子のキャパシタ製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、Ta2O5キャパシタはMIS(Metal-Insulator-Silicon)構造を使用しており、上部電極としてTiN膜/ポリシリコン膜の積層構造を使用している。TiN膜/ポリシリコン膜の積層構造を使用するのはポリシリコン膜に比べてTiN膜の仕事関数(work function)値が高くて漏れ電流特性を改善することができるからである。
【0003】
ところが、TiN膜を上部電極として使用する際、次のような問題点がある。TiCl4+NH3混合ガスを用いたCVD-TiN膜形成工程はTa2O5にハロゲンガスによって漏れ電流を増加させ、約500℃でTa2O5誘電体膜とTiN膜との間に界面反応が起こってTa2O5誘電体膜内の酸素がTiN膜側に移動し、Ta2O5誘電体膜内に酸素空孔(vacancy)が生じてしまい、漏れ電流が増加する結果をもたらすことになる。TiN膜とTa2O5誘電体膜間の反応は次の式1で示される。このような反応によって形成されたTiO2膜がキャパシタの特性を劣化させる。
【0004】
【式1】
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、Ta2O5キャパシタにおいてTa2O5誘電体膜とTiN上部電極間の界面反応による誘電体特性劣化を防ぐために、上部電極としてTaNを用いてTa2O5キャパシタの誘電体特性劣化を防止することは勿論のこと、TaNの高い仕事関数によるTa2O5キャパシタの漏れ電流特性を改善することができる半導体素子のキャパシタ製造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】
前記目的を達成するための本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方法は、半導体基板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極上にTa2O5誘電体膜を形成する段階と、H 2TaF 7 を蒸発させて得たTa化合物蒸気ガスおよび反応ガスとしてのNH 3 ガスを表面反応させて、TaN膜からなる上部電極を前記Ta 2 O 5 誘電体膜上に形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図に基づいて詳細に説明する。
【0008】
図1a乃至図1dは本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するための素子の断面図である。
【0009】
図1aを参照すると、半導体素子を形成するためのいろいろな要素(図示せず)が形成された半導体基板11上に層間絶縁膜12を形成した後、キャパシタの下部電極13を形成する。
【0010】
ここで、下部電極13はドープトポリシリコンやドープト非晶質シリコンなどのシリコン系物質で形成するか、TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、RuO2、Ir、IrO2、Ptなどのような金属系物質で形成する。下部電極13は簡単なスタック構造(simple stacked structure)もしくは図示のシリンダ構造を基本とする二重及び3重構造のような3次元構造に形成して有効表面積を増大させるか、半球形ポリシリコン層をさらに形成して有効表面積を増大させることができる。
【0011】
図1bを参照すると、下部電極13の表面を窒化させてその表面に窒化膜14を薄く形成する。
【0012】
ここで、窒化膜14は、キャパシタの誘電体膜形成時または後続の熱工程によって誘電体膜と下部電極13との界面に低誘電自然酸化膜SiO2が生成されることを防止する役割を果たし、低圧化学気相成長(LPCVD)チャンバで誘電体膜の形成前にインサイチュ(In-situ)もしくはエクスサイチュ(Ex-situ)状態で200乃至600℃の温度でプラズマを放電させてNH3ガス、N2/H2ガス或いはN2Oガス雰囲気中で窒化させることにより形成される。プラズマを用いて窒化させる代わりに、急速熱工程(Rapid Thermal Process;RTP)を用いて650乃至950℃の温度及びNH3ガス雰囲気中でアニーリングして窒化膜14を形成するか、電気炉(furnace)を用いて650乃至950℃の温度及びNH3ガス雰囲気中で窒化膜14を形成することができる。
【0013】
図1cを参照すると、窒化膜14が形成されている全上面にTa2O5誘電体膜15を形成する。
【0014】
ここで、Ta2O5誘電体膜15は、300乃至600℃の温度と10torr以下の圧力に維持された低圧化学気相成長チャンバ内でTa化合物蒸気ガスと反応ガスとしてのO2ガス(10乃至1000sccm)をMFC(Mass Flow Controller)のような流量調節器を介して定量供給してウェーハ上から起こる表面化学反応(surface chemical reaction)を通して50乃至150Åの厚さに非晶質状態のTa2O5薄膜を形成した後、低温熱工程及び高温熱工程を行なうことにより形成される。
【0015】
Ta化合物蒸気ガスは99.999%以上のTa(OC2H5)5溶液をMFCのような流量調節器を用いて150乃至200℃の温度に維持されている蒸発器または蒸発管に定量供給して生成させるが、この際、オリフィスまたはノズルを含んだ蒸発器は勿論のこと、Ta蒸気の流路(flow path)となる供給管はTa蒸気の凝縮を防止するために150乃至200℃の温度範囲を常時維持させる。
【0016】
非晶質状態のTa2O5薄膜を形成した後で行なわれる低温熱工程は、プラズマを用いて200乃至600℃の温度とN2OまたはO2雰囲気下で行なって非晶質状態のTa2O5薄膜内の置換形Ta原子に残っている酸素空孔と炭素不純物を酸化させて漏れ電流発生要因を除去する。低温熱工程は300乃至500℃の温度でUV-O3を用いて実施することができる。
【0017】
低温熱工程後の高温熱工程は、650乃至950℃の温度とN2O、O2或いはN2ガス雰囲気中で電気炉或いは急速熱工程(rapid thermal process;RTP)を用いて実施するが、これは低温熱工程後にも非晶質状態のTa2O5薄膜内に残っている揮発性炭素化合物を除去して漏れ電流発生を防止すると共に、非晶質状態のTa2O5薄膜の結晶化を誘導して誘電率を増加させる。高温熱工程は非晶質状態のTa2O5薄膜を蒸着した後実施してもよく、上部電極を形成した後実施してもよい。
【0018】
図1dを参照すると、Ta2O5誘電体膜15上にTaN膜16及びポリシリコン膜17を順次形成して上部電極を形成する。
【0019】
ここで、TaN膜16はTa化合物蒸気ガス及び反応ガスとしてのNH3ガスを10乃至1000sccmの流量で供給した後300乃至600℃の低圧化学気相成長チャンバ内で表面反応させて形成する。この際、反応性を向上させるためにプラズマを励起して進行することができる。
【0020】
Ta化合物蒸気ガスは300乃至600℃の低圧化学気相成長チャンバでH2TaF7をLMFC(Liquid Mass Flow Controller) のような流量調節器を介して定量された量を蒸発器もしくは蒸発管に供給した後、一定量を120乃至200℃の温度で蒸発させて得る。
【0021】
一方、上述した本発明の実施例では非晶質状態のTa2O5薄膜形成時に反応ソースガスとしてO2ガスを使用したが、H2TaF7及びO2ガスを使用することができる。反応ソースガスとしてH2TaF7及びO2ガスを使用する場合、反応ソースガス内に炭素がなく、上部電極としてTaN膜16を使用するので、Ta2O5薄膜内の酸素がTaN膜と反応しないため酸素空孔(vacancy)が形成されず、低温熱工程を省略することができるとともに、インサイチュでTaN膜16を蒸着した後高温熱工程を行なって非晶質状態のTa2O5薄膜の結晶化を誘導することができる。
【0022】
なお、本発明は、基板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極上にTa2O5誘電体膜を形成する段階と、前記Ta2O5誘電体膜上にTaN膜からなる上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ製造方法にも関する。
【0023】
【発明の効果】
上述したように、本発明はTa2O5キャパシタにおいてTaN薄膜が既存の上部電極として用いられたTiN薄膜より仕事関数値が大きくて漏れ電流特性を改善することができ、Ta2O5誘電体膜とTaN上部電極との界面反応がないため誘電体の特性劣化を防止することができると共に、本発明に用いられるH2TaF7ガスはTa2O5誘電体膜蒸着のソースガスとしても使用可能であってTa2O5誘電体膜とTaN上部電極を同一のチャンバでインサイチュで形成することができ、工程時間の節約と新しいTaN蒸着装備の投資費用を節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1a乃至図1dは本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するための素子の断面図である。
【符号の説明】
11 半導体基板
12 層間絶縁膜
13 下部電極
14 窒化膜
15 Ta2O5誘電体膜
16 TaN膜
17 ポリシリコン膜
Claims (13)
- 半導体基板上に下部電極を形成する段階と、
前記下部電極上にTa2O5誘電体膜を形成する段階と、
H 2TaF 7 を蒸発させて得たTa化合物蒸気ガスおよび反応ガスとしてのNH 3 ガスを表面反応させて、TaN膜からなる上部電極を前記Ta 2 O 5 誘電体膜上に形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ製造方法。 - 前記Ta2O5誘電体膜形成前に前記下部電極の表面を窒化させて窒化膜を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記窒化膜は、低圧化学気相成長チャンバでプラズマを放電させてNH3ガス、N2/H2ガスまたはN2Oガス雰囲気中で窒化させることにより形成されることを特徴とする請求項2記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記窒化膜は、650乃至950℃の温度及びNH3ガス雰囲気中で急速熱工程または電気炉を用いて形成することを特徴とする請求項2記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記Ta2O5誘電体膜は、300乃至600℃の温度に維持された低圧化学気相成長チャンバ内でTa化合物蒸気ガス及び反応ガスとしてのO2ガスを、流量調節器を介して定量供給してウェーハ上で起こる表面化学反応を通して非晶質状態のTa2O5薄膜を形成した後、第1熱工程及び前記第1熱工程の温度範囲より高い温度範囲の第2熱工程を行なうことにより形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記Ta化合物蒸気ガスは、Ta(OC2H5)5溶液を、流量調節器を用いて150乃至200℃の温度に維持されている蒸発器または蒸発管に定量供給して生成させることを特徴とする請求項5記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記第1熱工程は、プラズマを用いて200乃至600℃の温度とN2OまたはO2雰囲気中で実施することを特徴とする請求項5記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記第1熱工程は、300乃至500℃の温度でUV-O3を用いて実施することを特徴とする請求項5記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記第2熱工程は、650乃至950℃の温度とN2O、O2またはN2ガス雰囲気中で電気炉または急速熱工程を用いて実施することを特徴とする請求項5記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記上部電極は、前記TaN膜上にドープトポリシリコンを積層して形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記TaN膜は、前記Ta化合物蒸気ガス及び反応ガスとしてのNH3ガスを用いて、300乃至600℃の低圧化学気相成長チャンバ内で表面反応させて形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記Ta化合物蒸気ガスは、300乃至600℃の前記低圧化学気相成長チャンバ内で、流量調節器を介して定量された量を蒸発器または蒸発管に供給した後、一定量を120乃至200℃の温度で蒸発させて生成することを特徴とする請求項11記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
- 前記Ta2O5誘電体膜は、反応ソースガスとしてH2TaF7及びO2ガスを用いて非晶質状態のTa2O5薄膜を形成した後、インサイチュで前記TaN膜を蒸着した後、650乃至950℃の温度で熱工程を行なって非晶質状態のTa2O5薄膜の結晶化を誘導することを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
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