JPH03209869A

JPH03209869A - 容量絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JPH03209869A
Application number: JP2005510A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kamiyama; 聡神山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1991-09-12
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JP2611466B2

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〕本発明は半導体に用いる容量絶縁膜の形成方法に関し、
特に容量絶縁膜および導電性バリア膜からなる多層構造
膜を形成する化学気相成長法に関する。

〔従来の技術〕

６４Ｍｂ　ｉ　ｔＤＲＡＭ以上の超ＬＳＩメモリにおけ
る重要プロセス技術として、高誘電率容量絶縁膜と導電
性バリア膜との多層構造膜を用いる容量部の形成法があ
る。従来、これら高誘電率容量絶縁膜および導電性バリ
ア膜（以下バリア膜と略す）の成膜は別々の装置を用い
、以下に述べる方法で形成している。

高誘電率容量絶縁膜である酸化タンタル膜は、原料ガス
に有機物であるタンタルペンタエトキシド（Ｔａ　（Ｏ
Ｃ２Ｈ５）　５）あるいはタンタルペンタメトキシド（
Ｔａ　（ＯＣＨ３）５　＞と酸素ガスとを用いた熱化学
気相成長法により形成する。

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
図を第４図に示す。

酸素ガス、希釈用のアルゴンガスは酸素ガス導入管１６
．アルゴンガス導入管５からバルブ１５ｆ、１５ｄを通
して石英製の反応炉１２ａへ導入される。また、有機タ
ンタルガスは、気化室６においてヒータ７により原料の
有機タンタルを気化させ、これをキャリアガスであるア
ルゴンガスによりバルブ１．５　ｇを通して反応炉１２
ａ導入される。キャリアガスであるアルゴンガスはキャ
リアガスアルゴンの導入管１からバルブ１５を通して気
化室６に導入される。ヒータ８ａにより石英製の反応炉
１２ａは熱せられており、基板ホルダ１１上のウェハ１
０の表面上で導入された有機タンタルガスおよび酸素ガ
スが化学反応を起し、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７による原料の有機タンタルの加熱温度は１００℃、
ヒータ８ａによる反応炉１２ａ内の加熱温度は２Ｏ０〜
６００℃、酸素ガス導入管１６からの酸素ガスの流量は
０．１〜５．Ｏ３ＬＭ（ＳＴＤ、ＬＩＴＥＲ／旧ＮＩＪ
ＴＥ）　、キャリアガスであるアルゴンガスの流量は１
０〜２Ｏ０ｓｃｃｍ　（ｓｔｄ、ｃｃ／ｍ１ｎｕｔｅ　
）　、圧力は１Ｏ−１０２Ｐａで行なうのが一般的であ
る。

ウェハ１０に堆積されない未反応のガスは、反応炉１２
ａから真空ポンプ１３により排気口１４へ排気される。

一方、バリア膜である窒化チタンなどの形成方法として
は、スパッタ法が一般的に用いられている。

〔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高誘電率容量絶縁
膜およびスパッタ法によるバリア膜の形成方法では、以
下に述べる問題点がある。

まず、高誘電率容量絶縁膜およびバリア膜を別々の装置
で形成するところに問題がある。化学気相成長法により
高誘電率容量絶縁膜を形成した後、スバ・ツタ法により
バリア膜を形成する過程において、ウェハの持ち運びが
行なわれる。この持ち運びにより、ゴミやパーティクル
などによりウェハ表面が汚染される。そのため、これら
の汚染を除去する洗浄工程をバリア膜形成前に行なうが
、少なからず汚染物質がウェハ表面に残留するという問
題がある。

また、従来技術としてポリシリコンやシリコン基板上に
容量絶縁膜を形成しているが、ポリシリコンやシリコン
基板上には自然酸化膜が存在しており、６４ＭＤＲＡＭ
以上の超り、ＳＩメモリにおける容量絶縁膜においては
この自然酸化膜の存在が無視できなくなる。そのため、
この自然酸化膜を除去しなければならないという問題が
ある。

さらに、従来の酸化タンタル膜の形成方法は、例えば、
タンクルペンタエトキシドあるいはタンタルペンタメト
キシドなどの有機タンタルガスと酸素ガスとを用いた場
合、酸化タンタル膜中に多量の炭素か不純物として取り
込まれ、ストイキオメ１〜りでない酸素不足でダングリ
ングボンドが多く存在し、さらにはピンホールも多く存
在する酸化タンタル膜が形成される。これら酸化タンタ
ル膜中に多量の炭素が取り込まれ、酸素不足でダングリ
ングボンドが多く存在し、さらにはピンホールも多く存
在する酸化タンタル膜のリーク電流は大きく、ＴＤＤＢ
特性評価による信頼性は悪い結果になる。

一方、バリア膜形成の従来技術であるスパッタ法にはス
テップカバレッジが悪いという問題がある。このため、
微細な設計ルールを用いる超ＬＳＩには適用できない。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は酸化タンタル容量絶縁膜を形成する工程と、基
板あるいは電極と酸化タンタル容量絶縁膜との熱処理に
よる反応を抑制するための導電性バリア膜を形成する工
程とが同一チャンバー内で連続して行なわれることによ
り酸化タンタル容量絶縁膜と導電性バリア膜とからなる
多層構造膜を形成する方法を有している。

〔実施例〕

次に本発明について図面を参照して説明する。

本発明の一実施例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を第１図に示す。

この装置を用いた高誘電率容量絶縁膜、バリア膜の２層
構造膜の形成方法の手順は以下の通りである。

まず、希釈用のアルゴンガスをアルゴンガス導入管５か
らバルブ１５ｄ、１５ｅを通して反応室１２に導入し、
高周波電源９をオンすることにより導入したアルゴンガ
スのプラズマ化学反応が生じ、ウェハ１０おのおのの基
板表面上の自然酸化膜が除去される。

次に、ヒータ７で熱せられた気化室６で塩化タンタル（
ＴａＣρ５）ガスは、キャリアガスアルゴンの導入管１
．バルブ１５を通って導入されたキャリアガスのアルゴ
ンガスとともにバルブ１５ｅを通って反応室１２に導入
され、酸化二窒素（Ｎ２Ｏ）ガスは酸化二窒素ガス導入
管２．バルブ１５ａ、１５ｅを通して反応室１２へ導入
される。ヒータ８により基板ホルダ１１は熱せられてお
り、高周波電源９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１０それぞれの表面上で酸化タンタル膜が
形成される。

ウェハ１０に堆積されない未反応のガスは、反応室１２
から真空ポンプ１３により排気口１４へ排気される。

また、上記の酸化タンタル膜の形成方法において、水素
ガス導入管３．バルブ１５ｂ、１５ｅを通して水素（Ｈ
２）ガスを成膜形成時に反応室１２へ導入することによ
り、酸化タンタル膜の膜質を向上できる。これは導入し
た水素ガスにより、塩化タンタルガスの塩素（Ｃ，１７
）と化学反応を起し１、水素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などの不純物を少なくす
ることができるためである。

成長条件として、ヒータ７による気化室６．塩化タンタ
ルガス配管の加熱温度は５０〜２Ｏ０℃、ヒータ８によ
る反応室１２内の加熱温度は１００〜６００℃、酸化二
窒素ガスの流量は０．１〜５．Ｏ３ＬＭ、キャリアガス
であるアルゴンガスの流量は１０〜２Ｏ０ｓｃｃｍ、圧
力は０．１〜１０．０Ｔｏｒｒ、また水素ガス流量は０
．１〜３．　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は、周波数５０ｋＨｚ
〜１３．５６ＭＨｚ、パワー３０〜５００Ｗで行なうの
が適しているが、他の条件でもよい。

なお、塩化タンタルガスの代りに弗化タンタル（ＴａＦ
５　）ガスを、酸化二窒素ガスの代りに酸素（０２）ガ
ス、酸化窒素（Ｎｏ）ガスを用いてもよい。

次に、上述した方法により酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ３）
膜を形成した後、同一チャンバ内でバリア膜を形成する
工程について説明する。ここでは窒化タンタル膜を形成
する場合の手順について述べる。

まず、ヒータ７で熱せられた気化室６で塩化タンタル（
ＴａＣρ５）ガスは、キャリアガスアルゴンの導入管１
．バルブ１５を通って導入されたキャリアガスのアルゴ
ンガスとともにバルブ１５ｅを通って反応室１２に導入
され、アンモニア（ＮＨ８）ガスはアンモニアガス導入
管４．バルブ１５ｃ、４５ｅを通して反応室１２に導入
される。ヒータ８により基板ホルダ１１は熱せられてお
り、高周波電源９をオンすることにより導入した塩化タ
ンタルガスおよびアンモニアガスのプラズマ化学反応が
生じ、ウェハ１０それぞれの表面上で窒化タンタル膜が
形成される。

成長条件として、ヒータ７による気化室６．塩化タンタ
ルガス配管の加熱温度は５０〜２Ｏ０℃、ヒータ８によ
る反応室１２内の加熱温度は１００〜６００℃、アンモ
ニアガスの流量は０．１〜５．Ｏ８ＬＭ、キャリアガス
であるアルゴンガスの流量は１０〜２Ｏ０８ｃｃｍ、圧
力は０．１〜１０．０Ｔｏｒｒ、ブ、ラズマ化学反応を
生じさせる高周波電源の条件としては、周波数５０ｋＨ
ｚ〜１３．５６ＭＨｚ、パワー３０〜５０ｏＷで行なう
のが適しているが、他の条件でもよい。

なお、塩化タンタルガスの代りに弗化タンタル　１０ガスを、アンモニアガスの代りに窒素（Ｎ２）ガスを用
いてもよい。

゛この方法により形成した窒化タンタル膜は、従来技術
であるスパッタ法と比較して著しくステップカバレッジ
が良好である。

バリア膜として塩化チタン（ＴｉＣ，＆４）ガスとアン
モニアガスとを用いてプラズマ化学反応により窒化チタ
ン膜を形成する場合も、原料ガスとして塩化タンタルガ
スの代りに塩化チタンガスを用い、上述と同じ方法によ
り形成が可能である。

また、材料ガスとして弗化チタンガスなどのチタンガス
および窒素（Ｎ２）ガスなどを用いてもよい。

本実施例を容量デバイスの作成に適用した場合の工程順
断面図を第２図に示す。

まず、第２図（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１７上に熱
５ｉ０２膜１８を形成し、コンタクトホールを開口し、
りんをドープした容量ポリシリコン膜１９を堆積、形成
する。

次に、第２図（ｂ）に示すように、第１図に示１したプラズマ化学気相成長装置内で、アルゴンガスを用
いて容量ポリシリコン膜１９上に存在する自然酸化膜を
除去した後、前述の成長条件の下ての塩化タンタルガス
とアンモニアガスとを用いたプラズマ化学反応により、
下層バリア膜２Ｏとなる窒化タンタル膜を形成する。

次に、第２図（ｃ）に示すように、下層バリア膜２Ｏの
形成に引続き、下層バリア膜２Ｏ上に、前述の成長条件
の下での塩化タンタルガスと酸化二窒素ガスとを用いた
プラズマ化学反応により、高誘電率容量絶縁膜２１とな
る酸化タンタル膜を形成する。さらに、高誘電率容量絶
縁膜２１上に、前述の成長条件の下での塩化タンタルガ
スとアンモニアガスとを用いたプラズマ化学反応により
、上１層バリア膜２２となる窒化タンタル膜を形成する
。最後に、第１図に示したプラズマ化学気相成長装置内
から試料を取り出し、上層バリア膜２２上にプレート電
極２３としてタングステンシリサイド膜を形成する。

次に、本実施例に基すき作成したデバイスの　２ＴＤＤＢに関する特性図を、第３図に示す。

ここで、従来技術である有機タンタルガスを原料とした
熱化学気相成長法により形成した酸化タンタル膜のＴＤ
ＤＢ特性も合せて示す。同図において、横軸は経時時間
（秒）、縦軸は故障率（％）を示す。

本実施例の適用により形成された容量デバイスのゴ’Ｄ
ＤＢ特性は従来法により形成された容量デバイスのそれ
と比較して優れている。

上述の本実施例の適用例では、高誘電率容量絶縁膜２１
である酸化タンタル膜の下層バリア膜２Ｏ、上層バリア
膜２２として窒化タンタル膜を形成する方法を用いたが
、バリア膜として窒化チタン膜を形成した場合にも第３
図に示しなのと同様の効果が得られる。また、プレート
電極２３として、タングステンシリサイド膜の代りにタ
ングステン以外のシリサイド膜、ポリシリコン膜、ポリ
サイド膜、タングステンなどの高融点金属膜。

あるいはこれらの積層膜を用いてもよい。

〔発明の効果〕

　３− 以上説明したように本発明の一実施例では、塩化タンタ
ルガスとアンモニアガスとを用いたプラズマ化学反応に
よりバリア膜である窒化タンタル膜を形成し、続いて同
一チャンバー内で塩化タンタルガスと酸化二窒素ガスと
を用いたプラズマ化学反応により高誘電率容量絶縁膜で
ある酸化タンタル膜を形成すること、あるいは上記高誘
電率容量絶縁膜を形成後、続いて同一チャンバー内で塩
化チタンガスとアンモニアガスとを用いたプラズマ化学
反応によりバリア膜である窒化チタン膜を形成すること
により、高誘電率容量絶縁膜およびバリア膜からなる容
量絶縁膜としての多層構造膜を形成する。

その結果として、本発明では同一チャンバー内での成膜
形成方法であるため、従来のような容量絶縁膜としての
多層構造膜の形成に伴なうゴミやパーティクルによるデ
バイス表面の汚染は避けることができる。また、本発明
では、成膜の前にアルゴンガスのプラズマ化学反応によ
りデバイス表面の自然酸化膜を除去することができる。

成膜力　１４法がプラズマ化学反応であることから、バリア膜等のス
テップカバリッジは良好である。

さらに、プラズマ化学反応に用いる材料カスの成分中に
は炭素が存在しないことから、反応生成物としても炭素
は存在せず、従って本発明ては、ピンホールの発生を低
減しリーク電流の増大を防ぐことできるため、ＴＤＤＢ
特性の優れた信頼性の高い容量デバイスを実現すること
ができる。

以上のことから、本発明は微細な設計ルールの超ＬＳＩ
に適用することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いたプラズマ化学気相成
長装置の模式的構造図、第２図（ａ）〜（ｃ）は本発明
の一実施例を容量デバイスの作成に適用した工程順断面
図、第３図は本発明の一実施例を適用した容量デバイス
および従来技術による容量デバイスを比べたＴＤＤＢの
特性図、第４図は従来技術に用いたプラズマ化学気相成
長装置の模式的構造図である。１・・・キャリアガスアルゴンの導入管、２・・・酸化
二窒素ガス導入管、３・・・水素ガス導入管、４・・・
アンモニアガス導入管、５・・・希釈用アルゴンガスの
導入管、６・・・気化室、７，８．８ａ・・・ヒータ、
９・・・高周波電源、１０・・・ウェハ、１１・・・基
板ホルダ、１２・・・反応室、１２ａ・・・石英製の反
応炉、１３・・・真空ポンプ、１４・・・排気口、１５
．１５ａ１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ。１５ｇ・・・バルブ、１６・・・酸素ガス導入管、１７
・・Ｓｉ基板、１８・・・熱５ｉ０２膜、１９・・・容
量ポリシリコン膜、２Ｏ・・・下層バリア膜、２１・・
・高誘電率容量絶縁膜、２２・・・上層バリア膜、２３
・・・プレート電極。

Claims

【特許請求の範囲】１、酸化タンタル容量絶縁膜を形成する工程と、基板あ
るいは電極と前記酸化タンタル容量絶縁膜との熱処理に
よる反応を抑制するための導電性バリア膜を形成する工
程とが同一チャンバー内で連続して行なわれることによ
り前記酸化タンタル容量絶縁膜と前記導電性バリア膜と
からなる多層構造膜を形成することを特徴とする容量絶
縁膜の形成方法。２、前記酸化タンタル容量絶縁膜を形成する工程が塩化
タンタル（Ｔ＿ａＣ＿ｌ＿５）ガスと酸化二窒素（Ｎ＿
２＿Ｏ）ガスとを用いたプラズマ化学反応であることを
特徴とする請求項１記載の容量絶縁膜の形成方法。３、前記導電性バリア膜を形成する工程が塩化タンタル
（Ｔ＿ａＣ＿ｌ＿５）ガスとアンモニア（ＮＨ＿３）ガ
スとを用いたプラズマ化学反応であることを特徴とする
請求項１記載の容量絶縁膜の形成方法。