JPH04359557A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JPH04359557A
JPH04359557A JP3134533A JP13453391A JPH04359557A JP H04359557 A JPH04359557 A JP H04359557A JP 3134533 A JP3134533 A JP 3134533A JP 13453391 A JP13453391 A JP 13453391A JP H04359557 A JPH04359557 A JP H04359557A
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JP
Japan
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oxide film
semiconductor device
tantalum oxide
manufacturing
tantalum
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JP3134533A
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English (en)
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Satoshi Kamiyama
聡 神山
Yoichiro Numazawa
陽一郎 沼沢
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L28/00Passive two-terminal components without a potential-jump or surface barrier for integrated circuits; Details thereof; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L28/40Capacitors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66083Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by variation of the electric current supplied or the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched, e.g. two-terminal devices
    • H01L29/66181Conductor-insulator-semiconductor capacitors, e.g. trench capacitors

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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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に、ダイナミック  ランダム  アクセス
  メモリ(DRAM)等の超LSIに用いられる容量
素子部を形成する方法に関している。
【0002】
【従来の技術】64MbitDRAM等の超LSIメモ
リデバイスの容量素子部においては、単位面積あたりの
容量値を大きくできるタンタル酸化膜を用いることが提
案されている。そのような容量素子部の一般的な構造を
図5に示す。図5に示す容量素子部の形成工程を次に説
明する。ポリシリコンをN型基板1上に化学気相成長法
により堆積し、燐(P)を熱拡散させた後、通常のリソ
グラフィ技術によりポリシリコン下部電極6を形成する
。このポリシリコン下部電極6上に、エトキシタンタル
を主原料とする減圧化学気相成長法によりタンタル酸化
膜4を形成し、酸素雰囲気中で膜緻密化処理を行う。 続いて、上部電極5を形成することにより図5に示す容
量素子部が完成する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】タンタル酸化膜を用い
る従来の容量素子においては、解決しなければならない
大きな問題点がある。それは、従来の容量素子プロセス
で形成されるタンタル酸化膜のリーク耐圧が不充分であ
ることである。従来の容量素子プロセスでSiO2 換
算圧teff =30Aのタンタル酸化膜をもつ容量素
子を形成した場合のリーク耐圧(10−8A/cm2 
のリーク電流に対応する電圧)は、0.6Vと小さい。 そのため、信頼性等が悪く、実用には供せないものであ
った。
【0004】本発明者は、この問題を解決するために、
量産性の観点も含め詳細なプロセス検討を行った。その
結果、本発明に至ったものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明においては、DR
AM(ダイナミック  ランダム  アクセス  メモ
リ)等の超LSIに用いられる容量素子部の形成工程が
、タンタル酸化膜を形成させる工程および形成されたタ
ンタル酸化膜中にチタン(Ti)をイオン注入し続いて
緻密化熱処理を行う工程とを少なくとも含む工程から構
成されている。
【0006】タンタル酸化膜を形成後チタンをイオン注
入し続いて緻密化熱処理を行った場合リーク耐性が向上
するメカニズムとしては、(1)タンタル酸化膜中に存
在しているタンタルのダングリングボンドがTi−O結
合により補完される、(2)緻密化熱処理時に起こる結
晶化がチタンにより抑止される、の二つが考えられる。
【0007】
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を用いて
説明する。
【0008】図1は、本発明第一実施例の工程フローで
ある。(1)−aはN型シリコン単結晶基板1にLOC
OS(Local  Oxidetion  Sepa
ration)と呼ばれる素子分離領域2と素子形成部
3とを形成したところを示している。次に、素子形成部
3上にある自然酸化膜を除去後直ちにタンタル酸化膜4
を化学気相成長する((1)−b)。
【0009】タンタル酸か膜4の化学気相成長工程にお
いては、通常の縦型LPCVD(減圧化学気相成長)装
置を用いた。タンタル原料としては、エトキシタンタル
[Ta(OC2H5)5]を用いた。液体材料(室温)
であるエトキシタンタルを気化する手段としては、一般
的なN2バブリング方式を用いた。タンタル酸化膜の成
長条件としては、エトキシタンタルガス流量10scc
m、酸素ガス流量100sccm、反応ガス圧力0.5
Torr、成長温度450℃を用いた。この成長条件で
の膜堆積速度は5A/minであり、本実施例では50
−200Aのタンタル酸化膜が堆積された。但し、他の
成長条件でタンタル酸化膜を形成した場合においても本
発明の効果には変わりはない。
【0010】タンタル酸化膜4を堆積後、(1)−cに
示す様に、チタンのイオン注入を行った。チタンのイオ
ン注入ドーズ量としては1012−1016cm−2の
範囲で、イオン注入エネルギィとしては数KeV−数百
KeVの範囲でその効果を得ることができるが、本実施
例では1015cm−2のドーズ量条件を用いた。イオ
ン注入エネルギィとしては、10KeVを用いた。この
チタンイオン注入に続いて、(1)−dに示すように酸
素雰囲気で緻密化熱処理を行った。このO2熱処理工程
においては、通常の縦型炉心管が用いられた。熱処理温
度としては、600−1000℃の範囲で本発明の目的
を達成するが、本実施例では、制御しやすい800℃3
0分間のO2熱処理が行われた。続いて、上部電極5と
して窒化チタン(TiN)あるいはタングステン(W)
をスパッタ法で堆積し、通常のリソグラフィ/エッチン
グ技術によりTiN/Ta2O5あるいはW/Ta2O
5の2層を同時にパターニングして、(1)−eに示す
ところの第一実施例の容量素子を形成した。
【0011】本発明の効果を確認するために、形成され
た容量素子を用いてタンタル酸化膜の電流−電界特性を
測定し、チタンイオン注入が無い従来の方法で形成され
る膜の特性と比較した。その結果を図2に示す。図2か
ら、本発明により形成されるタンタル酸化膜のリーク耐
性が優れていることが判る。この効果は、(1)タンタ
ル酸化膜中に存在しているタンタルのダングリングボン
ドがTi−O結合により補完されたこと、あるいは(2
)緻密化熱処理時に起こる結晶化がチタンにより抑止さ
れたことにより得られた、と考えられる。
【0012】次に、ポリシリコン電極上にタンタル酸化
膜を形成する本発明の第2実施例について図面を用いて
説明する。図3は、本実施例の工程フローチャートであ
る。(3)−aはN型シリコン単結晶基板1にLOCO
Sと呼ばれる素子分離領域2と素子形成部3とを形成し
たところを示している。次に、基板上に化学気相成長法
によりポリシリコン膜を堆積し、通常のリソグラフィ/
エッチング技術によりパターニングし、燐(P)を熱拡
散法でドープして(3)−bに示すポリシリコン下部電
極6を形成する。続いて、ポリシリコン下部電極6上に
ある自然酸化膜を除去後直ちにポリシリコン表面の窒化
処理を行った((3)−c)。この窒化処理は、ポリシ
リコン表面にある自然酸化膜を窒化膜に変えることを目
的としている。この実施例においては、窒化処理のため
に、ロードロック機構を持ちかつ10−9Torrの真
空度のバックプレッシャである熱処理装置を用いた。窒
化のためのガスとしては、99.9999%の高純度の
アンモニア(NH3 )ガスを用いた。窒化処理温度お
よび時間としては、800℃、30分間が用いられた。
【0013】ポリシリコン表面窒化処理後、タンタル酸
化膜4を化学気相成長する((3)−d)。このタンタ
ル酸化膜4の化学気相成長工程は第1実施例に記憶した
ものに同じである。タンタル酸化膜を堆積後、(3)−
eに示す様に、チタンのイオン注入を行った。チタンの
イオン注入ドーズ量としては、第二実施例においても1
015cm−2のドーズ量条件を用いた。イオン注入エ
ネルギィとしては、10KeVを用いた。このチタンイ
オン注入に続いて、第一実施例に同様、酸素雰囲気での
緻密化熱処理を行った((3)−f)。続いて、上部電
極5として窒化チタンあるいはタングステンをスパッタ
法で堆積し、通常のリソグラフィ/エッチング技術によ
りTiN/Ta205あるいはW/Ta205の2層を
同時にパターニングして、(3)−gに示すところの第
一実施例の容量素子を形成した。
【0014】本発明の効果を確認するために、形成され
た容量素子を用いてタンタル酸化膜の電流−電界特性を
測定し、チタンイオン注入が無い従来の方法で形成され
る容量素子における膜の特性と比較した。その結果、第
一実施例と同様、本実施例においても、形成されるタン
タル酸化膜のリーク耐性が優れた容量素子の形成が実現
されていた。
【0015】次に、本発明の第三実施例について説明す
る。第三実施例においては、第二実施例におけるポリシ
リコン表面の窒化処理が、ランプ加熱装置を用いた急速
加熱短時間処理方式であることを特徴としている。
【0016】第三実施例においても、工程フローは第二
実施例の場合と同じである。但し、第三実施例において
は、ポリシリコン表面窒化処理に急速加熱短時間処理方
式を用いた。急速加熱短時間処理に用いたランプ加熱装
置を図4に示す。この装置は、基本的には枚葉型石英チ
ャンバ7と加熱ランプ8とから構成されている。
【0017】基板は、石英チャンバー7を通して光によ
り加熱される。急速加熱短時間処理方式を用いる場合も
、処理温度としては600℃以上が必要になる。本実施
例では、窒化ガスとして高純度NH3 (99.999
9%)ガスを用い900℃、20秒で行った。続いて、
第一実施例と同様にタンタル酸化膜を形成し、チタンの
イオン注入をし、緻密化熱処理を行い、続いてTiN上
部電極を形成し、本発明第三実施例の容量素子を作製し
た。
【0018】第三実施例で形成された容量素子について
も容量特性等を測定した。その結果、第一、二実施例と
同様、本発明の効果が確認された。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
DRAM(ダイナミックランダムアクセス  メモリ)
等の超LSIに用いられる容量素子部の形成工程が、タ
ンタル酸化膜を形成させる工程および形成されたタンタ
ル酸化膜中にチタン(Ti)をイオン注入し続いて緻密
化熱処理を行う工程とを少なくとも含む工程から構成さ
れているので、リーク耐性の優れたタンタル酸化膜をも
つ容量素子が形成される。従って、本発明は64MDR
AMのみならず、256M−1GDRAM等の超高集積
回路素子の製造に役立つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施例の工程フローチャートであ
る。
【図2】第一実施例の容量素子のリーク特性を示す図で
ある。
【図3】本発明の第二実施例の工程フローチャートであ
る。
【図4】第三実施例で用いた枚葉型ランプ加熱処理装置
の概念図である。
【図5】従来の容量素子形成の工程フローチャートであ
る。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  半導体基板上の容量素子部の形成工程
    が、タンタル酸化膜を形成させる工程および形成された
    タンタル酸化膜にチタン(Ti)をイオン注入し続いて
    緻密化熱処理を行う工程とを少なくとも含んでいること
    を特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】  半導体基板上の容量素子部が、ポリシ
    リコン下部電極を形成、その表面を窒化処理し、タンタ
    ル酸化膜を形成後チタンをイオン注入し、熱処理を施し
    、続いて上部電極を形成して、構成されることを特徴と
    する半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】  前記下部電極ポリシリコンに燐(P)
    がドープされていることを特徴とする請求項2記載の半
    導体装置の製造方法。
  4. 【請求項4】  前記窒化処理にランプ加熱による急速
    加熱方式を用いることを特徴とする請求項2又は3記載
    の半導体装置の製造方法。
  5. 【請求項5】  前記タンタル酸化膜が、有機タンタル
    を原料とする化学気相成長法で形成されることを特徴と
    する請求項2,3または4記載の半導体装置の製造方法
  6. 【請求項6】  前記チタンのイオン注入のドーズ量が
    1012−1016cm−2の範囲にあることを特徴と
    する請求項1又は2記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】  前記熱処理の雰囲気が酸素雰囲気であ
    ることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製造方
    法。
  8. 【請求項8】  前記熱処理の温度が600−1000
    ℃であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置の
    製造方法。
  9. 【請求項9】  前記上部電極が、窒化チタン,タング
    ステン,モリブデン等の単層膜、あるいは窒化チタン/
    タングステン,窒化チタン/モリブデン等の複合膜であ
    り、その形成方法がスパッタ法あるいは化学気相成長法
    であることを特徴とする請求項2記載の半導体装置の製
    造方法。
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