JPH0424922A - 高誘電率薄膜の形成方法及びその形成装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は高誘電体薄膜の形成方法とその形成装置に係り
、特に、チタン酸ジルコン酸系酸化物の薄膜形成方法と
その形成装置に関する。

［従来の技術］ 現在、種々の集積回路がシリコンウェハ上に構成されて
おり、かかる集積回路中には容量素子２回路構成素子の
一部として頻繁に採用されていシ容量素子は上部および
下部の電極間に誘電膜シ介在させた構造を有しており、
容量素子の容量イ０は素子の幾何学的寸法だけでなく誘
電膜を形成づる誘電体の誘電率にも支配されている。近
年の４積回路における回路素子の縮小化にともない、γ
型素子の平面的幾何学寸法は減少の一途を辿っており、
かかる平面的寸法の減少に伴う容量値の湾少を高誘電体
で誘電膜を形成することで補う試６がなされている。

従来、シリコン系集積回路の誘電膜としては、シリコン
酸化膜が一般的であり、更に、数年来、タンタル酸化膜
も研究されてきた。シリコン酸化物の誘電率εは７〜８
てあり、タンタル酸化物のそれは５０程度である。しか
しながら、チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の誘電率はタ
ンタル酸化物の１０倍以上であり、将来のＵＬＳＩ（Ｕ
ｌｔｒａ−Ｌａｒｇｅ−５ｃａｌｅ−１ｎｔｅｇｒａｔ
ｉｏｎ）用誘電膜として様々な角度から研究開発の努力
がなされている。

第２図に従来研究で使用されている薄膜形成装置を示す
。第２図中、２０１はスパッタリング室２０３を有する
槽体を示しており、スパッタリング室２０３はアルゴン
ガス供給源２０５に流量制御弁２０７を介して連通して
いる。スパッタリング室２０３は更に排気装置２０９に
接続されており、アルゴンガス供給源２０５からスパッ
タリンク室２０３に供給されるアルゴンガスは後述する
ようにプラズマの発生に使用された後、排気装置２０９
によりスパッタリング室２０３外に排出される。

スパッタリング室２０３内には、ターゲット２１１がタ
ーゲット保持機構２１３に保持されており、ターゲット
２１１はチタン酸ジルコン酸鉛系（例えば、Ｐ　ｂ　＋
、ｅ　ＥＺ　ｒ　ａ、ｓＴ　ｉ　ａ、ｓコ０３）の高誘
電体で形成されている。ターゲット２１１とその保持機
構２１３とには電圧源２１５が接続されており、電圧源
２】５はターゲット２１１とターゲット保持機構２１３
との間に所定の電圧を印加する。アルゴンガスの供給さ
れたスパッタリング室２０３内でターゲット２１１とタ
ーゲット保持機構２１３間に高電圧が印加されるとプラ
ズマ２１７がターゲット２１】の表面近傍に生成される
。

基板保持機構２１９は基板としてのシリコンウェハ２２
１をターゲット２１１に対向させており、基板保持機構
２１９には加熱機構２２３が設けられている。この加熱
機構２２３はシリコンウェハ２２１を摂氏約６００度に
維持している。この温度は上記チタン酸ジルコン酸鉛系
の高誘電体がペロブスカイト結晶となるための遷移温度
（摂氏約６００度〜５００度）より高くなければならな
い。

かかる構成の薄膜形成装置を使用して高誘電体の薄膜を
シリコンウェハ２２１に被着するには、まず、ターゲッ
ト２１１とシリコンウェハ２２１とをターゲット保持機
構２１３と基板保持機構２１９とにそれぞれ固定し、加
熱機構を調整してシリコンウェハ２２１を摂氏約６００
度に維持する。

次に、アルゴンガスをスパッタリング室２０３に導入す
ると共に、排気装置２０９を起動してスパッタリング室
２０３を所定の圧力に調整する。電圧源２１５がターゲ
ット２１１とターゲット保持機構２１３との間に所定の
電圧を印加してプラズマ２１７を発生させると、アルゴ
ンイオンがターゲット２１１に射突して高誘電体のフラ
ックスを発生させ、該高誘電体のフラックスがシリコン
ウェハ２２１上に被着する。上述したように、シリコン
ウェハ２２１は遷移温度以上に加熱し“Ｃいるため、被
着したチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物はベロアスカイト
結晶となり、シリコンウェハ２２１上に高誘電体の薄膜
が形成される。

［発明が解決しようとする問題点コ しかしながら、上記形成方法では、シリコンウェハ２２
１が遷移温度以上の所定温度に加熱されているので、シ
リコンウェハ２２１上に被着したチタン酸ジルコン酸鉛
系の酸化物はベロブスヵイト結晶を形成するものの、か
かる高温では、シリコンウェハ２２１と被着した酸化物
との界面でシリコンとチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物と
が化学反応し、シリコン−チタニウム系の酸化物が生成
される。この反応生成物であるシリコン−チタニウム系
の酸化物の誘電率はほぼ「０」であり、高誘電率のチタ
ン酸ジルコン酸鉛系の酸化物を被着しても、全体として
は低誘電率の薄膜しか形成できないという問題点があっ
た。

一方、シリコンウェハ２２１の加熱温度を低下させると
、シリコンとチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物との化学反
応は抑制できるものの、被着したチタン酸ジルコン酸鉛
系酸化物はペロブスカイト結晶にはならず、高誘電率は
やはり達成できなかった。

［問題点を解決するための手段］ 本発明者は上記問題点に鑑み、基板温度を低下させても
基板上にペロブスカイト結晶を成長させられる方法を研
究したところ、レーザー光照射下てアブレーションを実
施すれば、基板温度を低下させてもペロブスカイト結晶
が成長することを発見した。

上記知見に基づく本願第１発明は、所定の遷移温度以下
に保持されたスパッタリング室内でシリコン系の層が露
出した基板を高誘電体のターゲットに対向させる工程と
、酸素含有ガスをスパッタリング室に導入するとともに
上記シリコン系の層が露出した基板に負電位を印加する
工程と、レーザー光線をターゲットに照射して高誘電体
と活性酸素とのフラックスを発生させる工程と、上記高
誘電体と活性酸素とのフラックスを上記負電位の印加さ
れたシリコン系の層が露出した基板に向かって移動させ
該シリコン系の層が露出した基板上に被着させる工程と
を含む高誘電率薄膜の形成方法である。

また、本願第２発明は、スパッタリング室を有する槽体
と、上記スパッタリング室内に設けられたターゲット保
持機構と、上記スパッタリング室内に設けられた基板保
持機構と、上記ターゲット保持機構に保持されたターゲ
ットにレーザー光線を照射するレーザー発生源と、上記
スパッタリング室に連通したガス供給管とを有する薄膜
形成装置であって、上記ガス供給管が酸素含有ガス源に
更に連通しており、上記基板保持機構に保持されるシリ
コン系の層が露出した基板に負電位を印加する電圧供給
源を更に有しており、上記ターゲット保持機構には高誘
電体のターゲットが装着されることを特徴とする薄膜形
成装置である。

［発明の作用コ 上記高誘電体薄膜の形成方法では、レーザーの照射によ
り発生した高誘電体と活性酸素とのフラックスは基板に
印加されている負電位に誘引されてシリコン系の層が露
出した基板に向かって移動し、シリコン系の層上に被着
する。

基板は遷移温度以下の所定温度に維持されているものの
、高誘電体はレーザー光線からエネルギーを得ているほ
か、基板の負電位により形成される電界から運動エネル
ギーを得ており、化学的に活性化された状態で基板に到
着する。更に、フラックス中には活性酸素（レーザーに
より活性化されている）が含まれているので、高誘電体
は基板から熱エネルギーを多量に得なくてもペロブスカ
イト構造の結晶となり、高誘電率の薄膜が得られる。

［実施例コ 第１図は本発明に係る薄膜形成装置の概略構成を示す。

図において、１０１はスパッタリング室１０３を有する
槽体てあり、このスパッタリング室１０３はアルゴンと
酸素との混合ガスが充填されたガス供給源」０５と流量
制御弁１０７を介して連通しており、スパッタリング室
１０３は更に排気装置１０９にも接続されている。スパ
ッタリング中はガス供給源１０５と排気装置１０９との
作動によりスパッタリング室１０３を１　ｍ　ｔ　ｏ　
ｒｒ〜１　ｔｏｒｒに保持する。

スパッタリング室１０３内には、ターゲット保持機構１
１１に保持されたチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物の直径
４インチのターゲット１１３が、基板保持機構１１５に
保持された基板としてのシリコンウェハ１１７に対向し
ている。本実施例では、チタン酸ジルコン酸鉛系酸化物
は組成式ｐｂＴ　ｉ　Ｏａで表されているが、かかるチ
タン酸ジルコン酸鉛系酸化物としては、上記組成式で表
される酸化物のＢサイト置換物（例えば、ＰＺＴ酸化物
ただしＰは鉛、Ｚはジルコニウム、Ｔはチタニウムをそ
れぞれ表す）およびＡサイト置換物（ＰＬＺＴ、　　た
だし、Ｐは鉛、Ｌはランタノイド、Ｚはジルコニウム、
Ｔはチタニウムをそれぞれ表す）を含んでいる。Ｂサイ
ト置換物は一般式、Ｐｂ［Ｚ　ｒ　ｘＴ　１１−ｘコ０
３（ただし、Ｏ＜Ｘ＜１）で表され、更にＡサイト置換
物は一般式、Ｐ　ｂ　＋−ｙＬ　＆。

［Ｚ　ｒｘＴ　ｊＩ−ｘコ０３（ただし、０＜ｙ＜０．
２０で表される。

本実施例では基板は単結晶シリコンのウェハ１１７であ
るが、多結晶シリコン層またはシリコン酸化膜層の露出
した半導体または絶縁体基板であってもよい。また、混
合ガスは酸素を０．０１〜１％（０２／　（Ａ　ｒ　＋
０２）容量比）含んでイル。

なお、酸素分子に代えて、オゾンを使用することもてき
る。

基板保持機構１１５は加熱装置１１９を装備しており、
シリコンウェハ１１７は負電圧供給源１２１に接続され
ている。加熱装置１１９はシリコンウェハ１１７をチタ
ン酸ジルコン酸鉛系酸化物の遷移温度（摂氏約６００度
〜５００度）以下に維持し、負電圧供給Ｒ１２１はシリ
コンウェハ１１７に−０，５ボルト〜−１００ボルト、
典型的には一１０ボルトを印加する。本実施例では負電
圧供給源１２１は直流負電圧をシリコンウェハ１１７に
印加する。

屠体１０１にはレーザー光源１２３が取り付けられてお
り、レーザー光源１２３は紫外線領域の波長を有するレ
ーザー光１２５をターゲットに向けて照射する。本実施
例の場合、レーザー光源１２３は、波長０．１９３ミク
ロン、強度０．ＩＪ／Ｃｍ２〜１００Ｊ／Ｃｍ２のＡｒ
Ｆｍキシマレーザーを発生させる。

次に、第１図に示された薄膜形成装置を使用してシリコ
ンウェハ１１７上にチタン酸ジルコン酸鉛系酸化物（Ｐ
　ｂ＋、ｓＺ　ｒｅ、ｓＴ　ｉｅ、ｓ）　０３）を被着
させる工程を説明する。まず、上記組成のターゲット１
１３とシリコンウェハ１１３とを準備し、ターゲット保
持機構１１１と基板保持機構１１５とにそれぞれ固定す
る。次に、加熱装置１１９を起動してシリコンウェハ１
１７を遷移温度以下の所定温度（例えば、摂氏４８０度
）に加熱する。

負電圧供給源１２１はシリコンウェハ１１７に上述の交
流負電圧を印加する。流量制御弁１０７を制御しつつ混
合ガスをスパッタリング室１０３に導入し、排気装置１
０９でスパッタリング室１０３の圧力を上記範囲に調整
する。

レーザー源１２３からレーザー光１２５をターゲラ）１
１３に照射すると、ターゲット１１３からチタン酸ジル
コン酸鉛系酸化物のフラックスが発生し、更に、混合ガ
ス中の酸素が活性化されて活性酸素となる。この活性酸
素は上記フラックスと共にシリコンウェハ１１７に印加
されている負電圧により形成される電界に加速されシリ
コンウェハ１１７に向かって移動し、シリコンウェハ１
１７上に被着する。かかる、レーザー照射下のスパッタ
リングでは約３０分当り１ミクロンの薄膜１３１が形成
された。

しかる後に、金の上部電極１３３を蒸着して第３図に示
す容量素子を完成させた。容量素子の平面寸法は縦０．
１ミリメートル、横０．１ミリメートルであり、厚さは
約０．３ミクロンである。

かかる構造の容を素子をシリコンウェハの加熱温度（摂
氏Ｔ度）、シリコンウェハのバイアス条件（−Ｂボルト
）、レーザーの照射条件（波長Ｌミクロン、強度Ｅ　ｊ
　／　ｃ　ｍす、酸素の含有率（Ｃ容量％）を変化させ
て多数制作し、誘電率（ε）を測定すると共に、結晶構
造をＸＲＤ分析した。

かようにして制作した多数の容量素子について得られた
分析結果等を表１（高誘電体としてｐｂＴｉＯ３を使用
）、表２（高誘電体としてＰｂ＋、５ｃｚｒｓ、ｓＴ　
ｊｅ、ｓ］　０３を使用）および表３（高誘電体とｌ）
てＰ　ｂｓ９Ｌ　ａｅ、＋　ｃｚ　ｒｅ、ｓＴ　ｉｓ、
ｓ］　Ｏ３を使用）にそれぞれ示す。なお、ＸＲＤ分析
てペロブスカイト構造が確認できた例にはｒＰｖＪを付
し、それ以外は「Ｎ」で表した。

（以下余白） 表１ 表１ （続き） （以下、 余白） 表２ 表２ （続き） （以下、 余白） 表３ 表３ （続き） ［発明の効果コ 以上説明してきたように、本発明に係る薄膜形成方法に
よると、高誘電体のフラックスがレーザー光照射および
電界からのエネルギーを得て化学的に活性化される上、
活性酸素の支援を受けるので、基板をペロブスカイト構
造の結晶成長の遷移温度以下に保持してもベロアスカイ
ト構造の高誘電体がシリコン系の層が露出した基板上に
成長する。しかも、基板が低温に保たれているので、高
誘電体とシリコンの化合物が発生しにくく、高誘電率の
薄膜を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る薄膜形成装置の概略構
成を示す図、 第２図は従来の薄膜形成装置を示す図、第３図は一実施
例により制作された容量素子の構造を示す断面図である
。 １０１、、、槽体、 １０３、、、スパッタリング室、 １１１、、、ターゲット保持機構、 １１３、、、　ターゲット、 １１５、、、混合ガス供給源、 １１７、、、基板、 １１９、、、加熱装置、 １２１、、、負電圧供給源、 １２３．、、　　レーザー源、 １２５、、、　レーザー光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所定の遷移温度以下に保持されたスパッタリング室
   内でシリコン系の層が露出した基板を高誘電体のターゲ
   ットに対向させる工程と、 酸素含有ガスをスパッタリング室に導入するとともに、
   上記シリコン系の層が露出した基板に負電位を印加する
   工程と、 レーザー光線をターゲットに照射して高誘電体と活性酸
   素とのフラックスを発生させる工程と、上記高誘電体と
   活性酸素とのフラックスを上記負電位の印加されたシリ
   コン系の層が露出した基板に向かって移動させ該シリコ
   ン系の層が露出した基板上に被着させる工程とを含む高
   誘電率薄膜の形成方法。 ２、スパッタリング室を有する槽体と、 上記スパッタリング室内に設けられたターゲット保持機
   構と、 上記スパッタリング室内に設けられた基板保持機構と、 上記ターゲット保持機構に保持されたターゲットにレー
   ザー光線を照射するレーザー発生源と、上記スパッタリ
   ング室に連通したガス供給管とを有する薄膜形成装置に
   おいて、 上記ガス供給管が酸素含有ガス源に更に連通しており、 上記基板保持機構に保持されるシリコン系の層が露出し
   た基板に負電位を印加する電圧供給源を更に有しており
   、 上記ターゲット保持機構には高誘電体のターゲットが装
   着されることを特徴とする薄膜形成装置。