JPH04162527A

JPH04162527A - 容量絶縁膜の形成方法

Info

Publication number: JPH04162527A
Application number: JP2287805A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kamiyama; 聡神山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1992-06-08

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、半導体に用いる薄膜め形成方法に関し、特に
容量絶縁膜の形成方法に関している。゛〔従来の技術〕ＤＲＡＭ素子では、α線によるソフトエラーを防止する
ため、セル面積の微細化によるメモリセル当たりの信号
電荷量は、少なくとも３０ｆＦ／セル以上の値が必要と
される。６４ＭＤＲＡＭ以上の超ＬＳＩメモリにおいて
は、この信号電荷量を確保するため、スタック、トレン
チなどの三次元構造の導入および高誘電率膜の導入が必
須となる。

高誘電率膜の中で、特に酸化タンタル膜は多くの研究が
なされており、従来の酸化タンタル膜の形成技術の１つ
として、塩化タンタル（ＴａＣＩｓ　）ガスと亜酸化窒
素ガスによるプラズマ化学反応を用いた形成方法がある
。第１図に示す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。ヒータ１０７により熱せられ
た気化室１０６の塩化タンタルガスは、キャリアガスで
あるアルゴンガスと共に反応室１１２へ導入され、亜酸
化窒素ガスはバルブ１１６を通し反応室１１２べ導入さ
れる。

ヒータ１０８により基板オルダ１１１は熱せられており
、高周波＠　ｉ　１０９をオンすることによりこ導入し
た塩化タンタルガスと亜酸化窒素ガスのプラズマ化学反
応が生じ、ウェハ１１０それぞれの基板表面上で酸化タ
ンタル膜が形成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来のプラズマ化学反応による酸化タンタル膜
の形成方法では以下に述べる間顕点がある。

先にも述べたが、超ＬＳＩメモリの微細化に伴い、スタ
ックなど三次元ｍ造の導入および酸化タンタル膜など高
誘電率膜の導入が必須とされる。

６４Ｍ　Ｄ　ＲＡ　Ｍにおいては、セル面積当たり約３
０ｆＦ以上の信号電荷址を確保するには、少なくとも１
０ｆＦ／μｒｒｒ　（Ｓ　ｉＯ２換算膜厚にして３５人
）以上の容量値が得られる絶縁膜が必要とされる。しか
し、従来方法により単結晶シリコンあるいは多結晶シリ
コン上へ酸化タンタル膜を形成した場合、反応初期に単
結晶あるいは多結晶シリコン上で、酸化シリコン膜（Ｓ
　ｉ　０２　）が３０〜４０人形成され、容量値は最大
でも７ｆＦ／μｒｒｒ（ＳｉＯ□換算膜厚にして５０人
）程度しか達成されない、これは、膜形成にプラズマ化
学反応を用いているため、反応初期に単結晶シリコンあ
るいは多結晶シリコンのシリコンがプラズマ中のイオン
などによりスパッタリングされ、このスパッタリングさ
れたシリコンと亜酸化窒素ガスとが反応を起こし、酸化
シリコン膜が形成されるためである。したがって、従来
方法により形成される酸化タンタル膜の容量値は、６４
ＭＤＲＡＭ以上の超ＬＳＩメモリに適用することは困龍
である。

本発明の目的は、６４Ｍ　Ｄ　ＲＡ　Ｍ以上の超ＬＳＩ
メモリに適用することが可能な容量絶縁膜の形成方法を
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成するため、本発明に係る容量絶縁膜の形
成方法においては、窒化シリコン膜形成工程と、酸化タ
ンタル膜形成工程とを有する容量絶縁膜の形成方法であ
って、窒化シリコン膜形成工程は、シラン系の原料ガスとアン
モニア（ＮＨ３）ガスとを用いた熱化学反応により窒化
シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜を形成する工程であり、酸化タンタル膜形成工程は、ハロゲン系のタンタル原料
ガスと亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）ガスとを用いたプラズマ化
学反応により酸化タンタル膜を形成する工程である。

〔作用〕

シラン系の原料ガスとアンモニアガスとを用いて、熱化
学反応により窒化シリコン膜を形成し、続いてハロゲン
系のタンタル原料ガスと亜酸化窒素ガスとを用いて、プ
ラズマ化学反応により酸化タンタル膜を形成する。

〔実施例〕

次に本発明について図面を参照して説明する。

（実施例１）第１図は、本発明に用いた酸化タンタル膜を形成する装
置を示す模式的梢遣図である。

図において、１０１は、キャリアガスであるアルゴンガ
スの導入管、１０２は、亜酸化♀素ガス導入管、１０３
は、水素ガスの導入管、１０４は、フロンガス導入管、
１０５は、アルゴンガス導入管である。

１０６は気化室、１０７　、１０８はヒータ、１０９は
高周波電源、１１０はウェハ、１１１は基板ホルダ、１
１２は反応室、１１３は真空ポンプ、１１４は排気口で
ある。　１１５　、１１６　、１１７　、１１８　、１
１９　、１２Ｏは、バルブである。

本発明に用いた容量絶縁膜の形成方法は、第１図の装置
を用いて以下の手順で行った。

まず、モノシラン（Ｓ　ｉ　Ｈ４）ガスおよびアンモニ
アガスあるいはジクロールシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２）ガ
スおよびアンモニアガスを用いた熱化学反応により、ウ
ェハ表面上へ２Ｏ〜３０又と非常に薄い窒化シリコン膜
を形成する０次に、同ウェハ表面上へ塩化タンタルガス
と亜酸化窒素ガスとを用いたプラズマ化学反応により酸
化タンタル膜を形成する。ここで、形成方法は、先の従
来技術で述べた方法を用いると良い、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、ハロゲン系のタンタル原料ガスと導入さ
れた水素とが化学反応を起こし、水素を用いない場合に
比べ、酸化タンタル膜中に含まれる不純物を少なくでき
るためである。

酸化タンタル膜の成長条件として、ヒーター０７による
塩化タンタルガス導入管の加熱温度は５０〜３００℃、
ヒーター０８による反応室１１２の成長温度は１００〜
６００℃、亜酸化窒素ガス流量は０．１〜ｓ、ｏｓｔＨ
、キャリアガスであるアルゴンガン流量は１〜１００８
ＣＣＨ１水素ガス流量は０．０〜３．（ＩｓＬＨ１圧力
は０．１〜１０．０Ｔｏｒｒ、プラズマ化学反応を生じ
させる高周波電源１０９の条件として周波数５０ｋＨｚ
〜１３．５６８Ｈ２、パワー３０〜５００Ｗで行うのが
一般的であるが、他の条件でも本発明の効果はある。

また、フロン（ＣＦ４）ガスなどフッ素系ハロゲン化合
物を用いたプラズマ化学反応により反応室内の洗浄を行
なうと、酸化タンタル膜を再現性良く形成できる。洗浄
法として、ＣＦ４ガスのみで行なう場合とＣＦ　　ガス
と酸素（０２）ガスとを用いた場合がある。条件として
、ＣＦ４ガスの流量は０．１〜５０ＳＬＨ、酸素ガスの
流量は０．０〜２．０３ＬＨ１さらにプラズマ化学反応
を生じさせる高周波電源は、周波数５０ｋＨｚ〜１３．
５６ＭＨｚ、パワー３０〜５００Ｗで行なうのが適して
いるが、他の条件でも本発明の効果はある。

本発明および従来方法により形成した容量絶縁膜の膜厚
に対する誘電率ε、の変化を第２図に示す、ここで、第
２図中のＡ曲線は本発明により形成した容量絶縁膜の膜
厚に対する誘電率ε、の変化、８曲線は従来方法により
形成された容量絶縁膜の膜厚に対する誘電率ε、の変化
をそれぞれ表している０図から本発明により形成された
容量絶縁膜のほうが、従来方法により形成された膜に比
べて、同じ膜厚に対する誘電率ε、は大きくなっている
。特に６４Ｍ　Ｄ　ＲＡ　Ｍ以上の実デバイスで適用さ
れる１００人程程度膜厚においては、誘電率ε、が約２
．０倍はど興なっている。これは、先にも述べたが従来
方法では酸化タンタル膜／シリコン基板界面で３０〜４
０人程度の程度酸化シリコン膜が反応初期に形成される
ため、誘電率ε、は小さくなるが、本発明により形成さ
れる容量絶縁膜では界面付近の酸化膜は１０Å以下と非
常に薄くしか形成されないため、誘電率ε−よ小さくな
らない。

（実施例２）本発明に用いた酸化タンタル膜を容量デバイスに適用し
た場合のプロセスフローチャートを第３図（ａ）　、　
（ｂ）　、　（Ｃ）に示す。第３図において、３０１は
シリコン基板、３０２は不純物拡散層、３０３はゲート
電極、３０４は酸化膜、３０５はスタックポリシリコン
、３０６は素子分離用酸化膜、３０７は容量絶縁膜およ
び３０８はプレート電極である。第３図（ａ）に示すよ
うに、シリコン基板３０１上に素子分離用酸化膜３０６
および酸化膜３０４で覆われたゲート電極３０３を形成
後リンドープしたスタックポリシリコン３０５を堆積し
、パターン化する。

次に第３図（ｂ）に示すように、上述した試料上へ、モ
ノシランガスあるいはジクロールシランガスとアンモニ
アガスとを用いた熱化学反応により２Ｏ人程度の薄い窒
化シリコン膜を形成し、さらにハロゲン系のタンタル原
料ガスと亜酸化窒素ガスとを用い、プラズマ化学反応に
より酸化タンタル膜を形成する。ここで、容量絶縁膜の
形成条件は、上述したものと同一条件で行なった。

第３図（Ｃ）は上記の試料へプレート電極３０８として
、タングステン膜を形成したものである。

上述したプロセスフローにより作製した試料のセルサイ
ズに対する容量値の変化を第４図に示す。

ここで、第４図のＡ曲線は本発明により形成した容量絶
縁膜を用いた場合、８曲線は従来方法により形成した容
量絶縁膜を用いた場合の結果をそれぞれ示している。第
４図から本発明により形成した膜の容量値のほうが、従
来方法により形成した膜のそれと比べて約２．０倍程度
大きくなっており、６４Ｍ　Ｄ　ＲＡ　Ｍで用いられる
セルサイズ１．６μＭで３０ｆＦとａ線によるソフトエ
ラーを防止するのに必要な容量値が得られているのがわ
かる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明はシラン系の原料ガスとア
ンモニアガスとを用いた熱化学反応により窒化シリコン
膜を形成する工程と、続いてハロゲン系のタンタル原料
ガスと亜酸化窒素ガスとを用いて、プラズマ化学反応に
より酸化タンタル膜を形成する工程とからなる容量絶縁
膜の形成方法であり、従来技術と比較して容量値の大き
い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、本発明に用いた酸化タンタル膜を形成する装
置の模式的構造図、第２図は、本発明および従来技術に
より形成された酸化タンタル膜の膜厚に対する誘電率ε
　の変化を示す図、第３図「（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は、デバイス作製のプ
ロセスフローチャート、第４図は、本発明および従来技
術を用いて形成した容量絶縁膜をデバイスに適用した場
合のセルサイズに対する容量値の変化を示す図である。１０１・・・キャリアガスであるアルゴンガスの導入管
１０２・・・亜酸化窒素ガス導入管１０３・・・水素ガスの導入管１０４・・・フロンガス導入管１０５・・・アルゴンガス導入管１０６・・・気化室　　　　　　１０７　、１０８・・
・ヒーター０９・・・高周波電源　　　　１１０・・・
ウェハ１１１・・・基板ホルダ　　　　１１２・・・反
応室１１３・・・真空ポンプ　　　　１１４・・・排気
口１１５　、１１６　、１１７　、１１８　、１１９　
、１２Ｏ・・・バルブ３０１・・・シリコン基板　　　
３０２・・・不純物拡散層３０３・・・ゲート電極　　
　　３０４・・・酸化膜３０５・・・スタックポリシリ
コン３０６・・・素子分離用酸化膜３０７・・・容量絶縁膜　　　　３０８・・・プレート
電極特許出願人　　　日本電気株式会社０　　　　　　　　　５００　　　　　　　　　ｙ００
０容童杷殊膜厚（ス）第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）窒化シリコン膜形成工程と、酸化タンタル膜形成
工程とを有する容量絶縁膜の形成方法であって、窒化シリコン膜形成工程は、シラン系の原料ガスとアン
モニア（ＮＨ＿３）ガスとを用いた熱化学反応により窒
化シリコン（Ｓｉ＿３Ｎ＿４）膜を形成する工程であり
、酸化タンタル膜形成工程は、ハロゲン系のタンタル原料
ガスと亜酸化窒素（Ｎ＿２Ｏ）ガスとを用いたプラズマ
化学反応により酸化タンタル膜を形成する工程であるこ
とを特徴とする容量絶縁膜の形成方法。