JPH0424431B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈技術分野〉 本発明は、半導体装置などの電子素子に使用す
る誘電材料である酸化タンタル薄膜の形成方法に
関する。

〈従来技術〉 VLSI等のマイクロエレクトロニクス素子では、
より集積化を進めるために容量部に高い誘電率を
もつ誘電膜を導入する試みが行なわれている。そ
のもつとも実用化に近い材料として、酸化タンタ
ル（Ta₂O₅）がある。この酸化タンタル膜の形成
方法には、従来、次の様な方法がとられてきた：
(1)スパツター法でTa膜を形成した後、熱酸化す
る方法、(2)スパツター法でTa膜を形成した後、
陽極酸化する方法、(3)反応性スパツター法（Ar
とO₂の混合ガスを使用）でタンタルターゲツト
からTa₂O₅を形成する方法、(4)RFスパツター法
でTa₂O₅ターゲツトより形成する方法、(5)減圧
CVD法で形成する方法。

このなかで、(1)〜(4)のようなスパツター法を用
いる場合、荷電粒子による基板への損傷を伴い最
終的な素子特性を劣化させる。また、スパツター
法は下地の凹凸に対する被覆性が悪く、複雑な形
状の基板には対処できない。上記(2)の陽極酸化で
は電解溶液中で酸化を行うが、この際に溶液中の
負イオンも膜中に取り込まれて不純物混入が避け
られない。また厚さ方向に均一な組成を得るのが
困難である。上記(5)の減圧CVD法では、原料の
分解、酸素との反応が不十分で得られた膜の特性
は実用に適さない。

上記の欠点を解消し、良好な特性を得る目的で
金属アルコキサイドを原料に光化学反応によつて
薄膜形成を行う方法が提案された（特願昭60−
28808号）。この方法を用いると、低温で膜形成が
行なえ、リーク電流などの特性もかなり改善され
る。

しかし、金属アルコキサイド（例えば、Ta
（OCH₃）₅）は成分として炭素（Ｃ）を含んでい
るため、これによつて形成された膜の内部に不純
物として含有されてしまう。膜中に入つた炭素は
絶縁体の電子のエネルギー禁制帯中に不純物準位
をつくり電気伝導を容易にする。この結果として
誘電材料として特に重要である絶縁特性が損なわ
れる面をもつている。

このことから炭素を成分に有する原料を用いる
限り、絶縁性を向上させるにも限度があつた。

〈発明の内容〉 上記問題を解決するには、炭素成分を含まない
原料を用いればよいのであるが、本発明者らは
種々の化合物を検討した結果、塩化物原料が半導
体の特性に悪影響を与えることがなく、しかも好
適な反応性を有していることを見い出だした。

即ち、本発明は塩化タンタルおよび酸素を含む
雰囲気下、光照射下に基板上に酸化タンタルの薄
膜を成長させることを特徴とする酸化タンタル薄
膜の製法を提供する。

五塩化タンタル（TaCl₅）と酸素（O₂）から酸
化タンタル（Ta₂O₅）の生成反応（2TaCl₅＋5O₂
→2Ta₂O₅）は、通常の熱CVD法では、少なくと
も400℃以下の温度ではで生じない。この系に紫
外光照射を行うと、その光エネルギーによつて、
O₂から活性なＯラジカルが、TaCl₅から活性な低
級塩化物分子種がそれぞれ生成し、低温において
Ta₂O₅の生成反応を生じ、成膜が可能となる。こ
の反応は、基板温度を上昇させると反応速度が増
加するような熱活性型の反応ではなく温度が上が
ると、 基板表面への吸着過程が膜成長を律速するよ
うになる。

解離した塩素によつて生成物がエツチングさ
れるようになる。

の２つの理由で膜成長速度は低下する。この結
果、250℃以下でのみ基板上への膜成長が可能と
なつている。しかし、金属アルコキサイド（Ta
（OCH₃）₅）を原料とした場合の結果も含めて、
一般に高温側で形成するほど膜は級密となり、特
性は良好になるので実用的な膜質を得るために
は、より高温での形成が望ましい。

そこで、低温で光化学反応によつて膜形成を行
い、それに続いて基板に悪影響を与えない範囲の
比較的高温に一定時間保持することにより膜を緻
密化する。

この処理によつて、高温で形成した薄膜なみの
特性を得ることができるようになる。

本発明は、このような方法でTaCl₅，O₂を原料
に良好な特性の酸化タンタル薄膜を提供するもの
である。

〈実施例〉 以下、実施例に従つて詳細に説明する。

第１図は、本発明を実施した薄膜の形成及び熱
処理のための装置の概略図である。

基板５（例えば、Siウエハ）は、サセプター６
上に装填され所定温度に加熱される。反応器１内
は真空ポンプ４によつて真空排気され、その後、
所定流量のTaCl₅，O₂混合ガスが導入されて所定
の圧力に保持される。基板に対して、合成石英製
の窓１０を通して対抗している紫外光源（例え
ば、低圧Hgランプ：発光波長185nm、254nm）
から紫外光の照射を行う。これによつて熱CVD
では形成不可能であるTa₂O₅が基板上に成長す
る。

最も典型的な成膜条件は、基板温度150〜200
℃、圧力１〜3Torr、O₂流量50〜200sccm、
TaCl₅発生温度100〜130℃、キヤリヤN₂10〜
20sccmである。

第２図にTa₂O₅薄膜の成長速度の温度依存性を
示す。前述したように基板温度が高くなると、 基板表面における反応種の吸着、脱離のバラ
ンスが脱離側になる。

TaCl₅から塩素によるTa₂O₅のエツチングが
活発となる。

の２点から成長速度は低下し、250℃以上では膜
成長がみられなくなる。このため、実際の成膜の
条件は200℃程度となる。しかし、150〜200℃で
得られたTa₂O₅膜は膜密度が低く誘電膜としては
絶縁性が不十分である。

従つて、以上のように低温で薄膜を形成した
後、酸素雰囲気中で比較的高温（基板に悪影響を
与えない範囲）に保持し膜の緻密化を行う。

この時の典型的な処理条件は以下のとおりであ
る。

温度400℃、圧力1atm（酸素分圧1atm）処理時
間２時間。

第３図は、この処理によるリーク電流の経時的
な変化のようすを示したものである。第３図にお
いて曲線ａは150℃で成長直後のものを示し、曲
線ｂは酸素中（1atm）で１時間緻密化処理した
もの、曲線ｃは同条件で２時間緻密化処理したも
のを示す。２時間の処理（曲線ｃ）で数桁のリー
ク電流の減少がえられる。

この時、雰囲気はかならずしも酸素雰囲気であ
る必要はないがTa／０の組成比を安定化するた
めと、反応器内に残留している塩素などにより成
長したTa₂O₅薄膜をエツチングされることを防止
するために酸素を雰囲気ガスに用いることが望ま
しい。

〈発明の効果〉 本発明は、(1)TaCl₅−O₂系において、光、特に
紫外光を照射することにより酸化タンタル膜を低
温で成長させる。(2)得られた薄膜を酸素雰囲気中
形成温度に所定時間保持することによつて膜密度
を高める。

以上の工程を行うことによつて、良好な特性の
酸化タンタル薄膜を提供することが可能となつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の酸化タンタル薄膜製造のため
の装置の概略図である。第２図は酸化タンタル薄
膜の成長速度の基板温度依存性を示す。第３図は
酸化タンタル薄膜形成後の加熱処理によるリーク
電流の経時的な変化を示す。曲線ａは150℃で成
長直後のものを示し、曲線ｂは酸素中（1atm）
で１時間緻密化処理したもの、曲線ｃは同条件で
２時間緻密化処理したものを示す。 図中の番号は以下の通りである。１…反応器、
２…低圧Hgランプ、３…発生槽、４…真空排気、
５…基板、６…サセプター、７…ヒーター、８…
ヒーター、９…TaCl₅、１０…合成石英窓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 塩化タンタルおよび酸素を含む雰囲気下、光
   照射下に基板上に酸化タンタルの薄膜を成長させ
   ることを特徴とする酸化タンタル薄膜の製法。 ２ 基板の温度が250℃以下である第１項記載の
   酸化タンタル薄膜の製法。 ３ 成長した薄膜を300〜500℃の温度で30分以上
   保持する第１項記載の酸化タンタル薄膜の製法。