JPH02250970A - 酸化タンタル膜の化学気相成長法および化学気相成長装置 - Google Patents

酸化タンタル膜の化学気相成長法および化学気相成長装置

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JPH02250970A JP1071206A JP7120689A JPH02250970A JP H02250970 A JPH02250970 A JP H02250970A JP 1071206 A JP1071206 A JP 1071206A JP 7120689 A JP7120689 A JP 7120689A JP H02250970 A JPH02250970 A JP H02250970A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はプラズマ化学反応により酸化タンタル膜を形成
する化学気相成長方法および化学気相成長装置に関し、
特に容量絶縁膜として用いる酸化タンタル膜の形成方法
および形成装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、酸化タンタル膜の形成方法として、原料ガスに有
機物であるタンタルペンタエトキシド（Ｔ　ａ　（ＯＣ
２Ｈ５）りあるいはタンタルペンタメトキシド（Ｔ　ａ
　（ＯＣＨｓ）ａ）と酸素ガスとを用いて、酸化タンタ
ル膜を形成する熱化学気相成長法がある。第４図に従来
の形成方法に用いた化学気相成長装置の模式的構造図を
示す。この装置を用いた酸化タンタル膜の形成方法の手
順を以下に説明する。酸素ガスは酸素ガス導入管４０７
からバルブ４１２を通して石英製の反応炉へ導入され、
また有機タンタルガスはキャリアガスであるアルゴンガ
スな用いて熱せられた原料有機タンタルを反応炉４０１
へ導入する。ここで、原料有機タンタル原料はヒータ４
０３で加熱され、キャリアガスであるアルゴンガスはア
ルゴンガス導入管４０８から気化室４０５へ導入される
。ヒータ４０２により石英製の反応炉内は熱せらｈでお
り、ウェハー４０４のシリコン基板表面上で導入された
タンタルガスおよび酸素ガスが化学気相反応を起こし、
酸化タンタル膜が形成される。ここで酸化タンタル膜の
化学気相成長条件として、ヒータ４０３による有機タン
タルの加熱温度は１００〜２００℃、ヒータ４０２によ
る反応炉内の成長温度は２００〜６００℃、酸素ガス導
入管からの酸素流量はＯ１１〜５．Ｏ８ＬＭ、キャリア
ガスであるアルゴンガスの流量は１０〜２００ｓｅｃｍ
、圧力は０．１〜１．０Ｔｏｒｒで行うのが一般的であ
る。
〔発明が解決しようとする課題〕
上述した従来の化学気相成長法による容量絶縁膜用の形
成方法では以下に述べる問題点がある。
原料ガスとしてタンタルペンタエトキシド（Ｔａ（ＯＣ
ｘＨｓ）ａ）やタンタルペンタメトキシド（Ｔａ（ＯＣ
Ｈｓ）ｓ）などの有機タンタル材料ガスと酸素ガスとを
用いて形成した場合、酸化タンタル膜中に多量の炭素が
不純物として取り込まれ、ピンホールも多く存在し、ス
トイキオメトリでない酸素不足な膜になる。そのため従
来の技術により形成した酸化タンタル膜のリーク電流は
大きく、信頼性が悪い。
さらに、上記に述べた方法で形成した酸化タンタル膜の
リーク電流を抑えるためには、一般に酸化タンタル膜を
形成した後、通常の電気炉で酸素あるいはＨ２０２雰囲
気中による１０００℃の高温熱処理が必要とされ、超Ｌ
ＳＩには適用できない。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は塩化タンタル（ＴａＣ４７ｇ）ガスと酸化二窒
素（Ｎ２０）ガスとを用いて、プラズマ化学反応により
酸化タンタル膜を形成する方法であり、水素（Ｈ２）ガ
スを用いた成膜も可能であり、さらに酸化タンタル膜を
形成する化学気相成長装置においては、フロン（ＣＦ４
）ガスなどのフッ素系ハロゲン化合物ガスを用いたプラ
ズマ化学反応による反応室内の洗浄機能を有することを
特徴とする化学気相成長装置である。
〔実施例〕
次に本発明について図面を参照して説明する。
プラズマ化学反応による化学気相成長装置の模式的構造
図を第１図に示す。この装置を用いた酸化タンタル膜の
形成方法の手順は以下の通りである。
まずヒータ１０７で熱せられた気化室１０６で塩化タン
タル（ＴａＣβ、）ガスはキャリアガスであるアルゴン
ガスと共に反応室内に導入され、酸化二窒素（ＮｔＯ）
はパルプ１１６を通して反応室１１２へ導入される。ヒ
ータ１０８により基板ホルダ１１１は熱せられており、
高周波電源１０９をオンすることにより導入した塩化タ
ンタルガスおよび酸化二窒素ガスのプラズマ化学反応が
生じ、ウェハー１１０それぞれのシリコン基板表面上で
酸化タンタル膜が形成される。
また、上記の酸化タンタル膜の形成方法において、水素
（Ｈ２）ガスを成膜形成時に導入することにより、酸化
タンタル膜の膜質を向上できる。これは導入した水素（
Ｈ３）により、塩化タンタル（ＴａＣβ、）材料ガスの
塩素（Ｃｕ２）と化学反応を起こすため、水素（Ｈ７）
を用いない場合と比べて酸化タンタル膜中に含まれる塩
素ＣＣＩ！”）などの不純物を少なくできるためである
。
成長条件として、ヒータ１０７による塩化タンタルガス
配管の加熱温度は５０〜２００℃、ヒータ１０８による
反応室内の成長温度は１００〜６００℃、酸化二窒素流
量は０．１〜５．Ｏ８ＬＭ、キャリアガスであるアルゴ
ンガスの流量はｌＯ〜２００　ＳＣＣ＠、圧力は０．１
〜Ｉ　Ｏ，ＯＴｏｒｒ、また水素（Ｈ２）ガス流量は０
．１〜３．Ｏ８ＬＭ、、さらにプラズマ化学反応を生じ
させる高周波電源の条件として周波数５０ｋＨｚ〜１３
．５６ＭＨｚ、パワー３０〜５００Ｗで行うのが適して
いるが他の条件でも本発明の効果はある。
また材料ガスとしてフッ化タンタル（ＴａＦｓ）ガスな
どのタンタル材料ガスおよび酸素（０，）、酸化窒素（
ＮＯ）、−酸化炭素（ＣＯ）や二酸化炭素（Ｃｏ□）な
どを用いても本発明には有効である。
また、フロン（ＣＦ４）ガスなどフッ素系ハロゲン化合
物ガスを用いたプラズマ化学反応により反応室内の洗浄
を行うと、酸化タンタル膜の膜質および膜厚などを再現
性良く形成することができる。
その理由は塩素（Ｃｉ７）などの汚染が除去されるから
である。洗浄法の一例として、フロン（ＣＦ’４）ガス
と酸素（０□）ガスとを用いた場合があり、条件はフロ
ンガス流量０．１〜５．Ｏ８ＬＭ、酸素ガス流量０．１
〜２．Ｏ３ＬＭ、さらにプラズマ化学反応を生じさせる
高周波電源の条件として周波数５０ｋＨｚ〜１３．５６
ＭＨｚ、パワー３０〜５００Ｗで行うのが適しているが
他の条件でも本発明の効果はある。
本発明に用いた容量酸化タンタル膜を容量デバイスに適
用した場合の工程フローチャートを第２図に示す。第２
図において、２０１はＳｉ基板、２０２は５ｉ（ｈ膜、
２０３は容量ポリシリコン膜、２０４は容量絶縁膜およ
び２０５はプレート電極を示す。
第２図（ａ）はＳｉ基板２０１上に熱Ｓ　ｉ　Ｏ２膜２
０２を形成した後、フンタクトホールを開け、リンドー
プした容量ポリシリコン膜２０３を堆積しパターン化し
た図である。次に上述した試料上へ原料として塩化タン
タル（Ｔ　ａ　ＣＩＩ　ｓ）　材料ガスと酸化二窒素（
Ｎ２Ｏ）ガスとを用い１．プラズマ化学反応により酸化
タンタル膜２０４を形成したものを第２図（ｂ）に示゛
す、ここで、酸化タンタル膜２０４の成長条件は、上述
したものと同一条件で行った。
第２図（ｃ）は上記の試料にプレート電極２０５として
タングステンシリサイド膜を形成した図である。
次に、本発明に基づき作製したデバイスのリーク電流特
性を第３図に示す。ここで、有機タンタルガスを原料と
して従来の熱化学気相成長法により形成した酸化タンタ
ル膜のリーク電流特性と合わせて示す。図において、横
軸は容量絶縁膜に印加した電界、縦軸は容量絶縁膜に流
れるリーク電流を示す。
本発明により形成された容量絶縁膜では従来法により形
成された容量絶縁膜と比較してリーク電流が数桁以上も
大幅に減少できる。この理由は以下の２つがある。■プ
ラズマ化学反応を用いているため、酸化タンタル膜の形
成時にタンクルイオンや酸素イオンなどにより膜表面が
たたかれ、緻密な酸化タンタル膜が形成される。■有機
タンタル材料ガスの代わりに、塩化タンタル（ＴａＣρ
、）材料ガスを用いているため、膜中に炭素などの不純
物やピンホールなどが少なく、形成した酸化タンタル膜
の組成がストイキオメトリに近いＴ　ａ２０　ｇになっ
ている。
以上、実施例では酸化タンタル膜を容量ポリシリコン膜
上に形成する方法について説明したが、ポリシリコン以
外にＳｉ基板上、他の半導体基板上、タングステンシリ
サイド膜などのシリサイド膜上、ポリシリコンとシリサ
イド膜を積層にしたポリサイド膜上、窒化チタン膜など
の窒化金属膜上あるいはタングステンなどの高融点金属
膜上にも本発明では有効である。
また実施例では、容量ポリシリコン膜上に酸化タンタル
膜を形成する方法を説明したが、酸化膜（Ｓｉｎｓ）や
窒化膜（ＳｉｓＮ４）など他の絶縁膜上に形成した場合
、例えば酸化タンタル膜／酸化膜（Ｓｉ（ｈ）、酸化タ
ンタル膜／窒化膜（Ｓ　ｉ　３Ｎ４）などの積層膜の場
合にも本発明を用いることができる。
また、実施例ではプレート電極としてタングステンシリ
サイド膜について説明したが、それ以外にタングステン
シリサイド膜以外のシリサイド膜、ポリシリコン膜、ポ
リシリコンとシリサイド膜を積層にしたポリサイド膜、
窒化チタン膜などの窒化金属膜、タングステンなどの高
融点金属膜あるいはそれらの積層膜にも本発明は有効で
ある。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は塩化タンタル（ＴａＣ１ｌ
ｓ）ガスと酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）とを用いたプラズマ化
学反応で酸化タンタル膜を形成することにより、従来の
形成方法と比較して緻密で酸化タンタル膜中に存在する
不純物やピンホールが少なく、しかもストイキオメトリ
なＴ　＆　ｔ　Ｏｓになり、リーク電流の少ない良質な
容量絶縁膜を形成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例に用いた酸化タンタル膜形成の
プラズマ化学反応による化学気相成長装置の模式的構造
図、第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施例に用いた容
量酸化タンタル膜をデバイスとした場合の形成手順を示
す図、第３図は本発明により形成された酸化タンタル膜
のリーク電流特性図、第４図は従来の酸化タンタル膜形
成に用いた化学気相成長装置の模式的構造図である。 １０１．４０８・・・・・・キャリアガスであるアルゴ
ンの導入管、１０２・・・・・・酸化二窒素ガスの導入
管、１０３・・・・・・水素ガスの導入管、１０４・・
・・・・フロンガスの導入管、１０５，４０７・・・・
・・酸素ガスの導入管、１０６，４０５・・・・・・気
化室、１０７，１０８゜４０２．４０３・・・・・・ヒ
ータ、１０９・・・・・・高周波電源、１１０，４０４
・・・・・・ウェハー　１１１・・・・・・基板ホルダ
、１１２・・・・・・反応室、１１３，４０９・・・・
・・真空ポンプ、１１４．４１０・・・・・・排気口、
１１５゜１１６．１１７，１１８，１１９，１２０，４
１１゜４１２．４１３，４１４・・・・・・パルプ、４
０１・・・・・・石英製の反応炉、４０６・・・・・・
アルゴン導入管、２０１・・・・・・Ｓｉ基板、２０２
・・・・・・５ｉｆｔ膜、２０３・・・・・・容量ポリ
シリコン膜、２０４・・・・・・容量絶縁膜、２０５・
・・・・・プレート電極。 代理人　弁理士　　内　原　　　晋 電１ｆ−ａ＆　（ＭＶ／ｃｙｙｔ） 蛸 図

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）塩化タンタル（ＴａＣｌ＿５）ガスと酸化二窒素
    （Ｎ＿２Ｏ）ガスとを用いてプラズマ化学反応により酸
    化タンタルを成膜することを特徴とする酸化タンタル膜
    の化学気相成長法
  2. （２）塩化タンタル（ＴｉＣｌ＿５）ガスと酸化二窒素
    （Ｎ＿２Ｏ）ガスと水素ガスとを用いてプラズマ化学反
    応により酸化タンタル膜を成膜することを特徴とする酸
    化タンタル膜の化学気相成長法
  3. （３）反応室内に塩化タンタル（ＴａＣｌ＿５）材料ガ
    スと酸化二窒素（Ｎ＿２Ｏ）ガスとを導入し、酸化タン
    タル膜を形成する化学気相成長装置において、グロー放
    電によるプラズマ化学反応機構を有することを特徴とす
    る酸化タンタル膜の化学気相成長装置
  4. （４）塩化タンタル（ＴａＣｌ＿５）材料ガスと酸化二
    窒素（Ｎ＿２Ｏ）ガスとを導入し、プラズマ化学反応を
    用いて酸化タンタル膜を形成する請求項３記載の化学気
    相成長装置において、さらに水素（Ｈ＿２）ガス導入機
    構を有することを特徴とする酸化タンタル膜の化学気相
    成長装置
  5. （５）塩化タンタル（ＴａＣｌ＿５）材料ガスと酸化二
    窒素（Ｎ＿２Ｏ）ガスとを導入し、プラズマ化学反応を
    用いて酸化タンタル膜を形成する請求項３又は４記載の
    化学気相成長装置において、フッ素系ハロゲン化合物ガ
    スを用いたプラズマ化学反応による反応室内の洗浄機能
    を有することを特徴とする酸化タンタル膜の化学気相成
    長装置
JP1071206A 1989-03-22 1989-03-22 酸化タンタル膜の化学気相成長法および化学気相成長装置 Expired - Lifetime JPH0641631B2 (ja)

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