JPH0515308B2 - - Google Patents

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JPH0515308B2
JPH0515308B2 JP20711086A JP20711086A JPH0515308B2 JP H0515308 B2 JPH0515308 B2 JP H0515308B2 JP 20711086 A JP20711086 A JP 20711086A JP 20711086 A JP20711086 A JP 20711086A JP H0515308 B2 JPH0515308 B2 JP H0515308B2
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JP
Japan
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film
gas
reactor
vapor phase
electrode
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Masanobu Yoshiie
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Nippon Electric Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置に用いる容量素子を構成す
る薄膜の気相成長方法に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for vapor phase growth of a thin film constituting a capacitive element used in a semiconductor device.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

半導体基板、特にシリコン半導体基板上に形成
される集積回路は高集積化、大容量化の一途をた
どり、メモリー素子の様な集積回路では1Mビツ
ト又はそれ以上へと集積度が増大している。ダイ
ナミツクRAMの様に基本セルとして1つのトラ
ンジスタと1つの容量素子とから構成されるIC
メモリーを高集積化するには、特に容量素子部面
積の縮小が最も有効な手段になる。
Integrated circuits formed on semiconductor substrates, particularly silicon semiconductor substrates, are becoming increasingly highly integrated and have a large capacity, and the degree of integration of integrated circuits such as memory devices is increasing to 1M bits or more. An IC that consists of one transistor and one capacitive element as a basic cell, like dynamic RAM.
Reducing the area of the capacitive element is the most effective means for achieving high integration of memories.

しかし、容量素子部の面積を縮小し容量値が低
下すると、α線等によるソフトエラー(メモリの
誤動作)に対する信頼性が劣化することから、容
量値は50PF以上にする必要がある。そのため従
来は、面積縮少による容量値の減少を容量絶縁膜
の薄膜化で補つてきた。しかし、従来用いられて
いるシリコン酸化膜は100Å以下になると絶縁耐
圧は電源電圧5Vに耐えられず、使用不可能にな
る。
However, if the area of the capacitor element is reduced and the capacitance value decreases, reliability against soft errors (memory malfunctions) due to alpha rays etc. will deteriorate, so the capacitance value needs to be 50PF or more. Conventionally, therefore, the decrease in capacitance value due to area reduction has been compensated for by making the capacitor insulating film thinner. However, when the silicon oxide film conventionally used has a thickness of less than 100 Å, its dielectric strength cannot withstand a power supply voltage of 5V, making it unusable.

このため、基板に溝を形成し、この溝の内壁部
に容量素子を形成したり、容量素子を積層構造
(スタツクト構造)にしたりする方法で、従来と
同じ容量値を維持しながらも平面的には容量素子
部の面積を縮少し高集積化を行うことが検討され
ている。また、シリコン酸化膜の代わりにTa2
O5,TiO2,HfO2等の金属酸化物等の高誘電率材
料を容量膜に用いることも検討されている。
Therefore, by forming a groove in the substrate and forming a capacitive element on the inner wall of the groove, or by forming the capacitive element into a stacked structure (stack structure), it is possible to maintain the same capacitance value as before, while maintaining a planar structure. Consideration has been given to reducing the area of the capacitive element portion and achieving higher integration. Also, Ta 2 is used instead of silicon oxide film.
The use of high dielectric constant materials such as metal oxides such as O 5 , TiO 2 and HfO 2 for the capacitive film is also being considered.

16Mビツト以上の大容量ダイナミツクRAMで
は、電極材料としての層抵抗の小さなものが要求
され、現在のポリシリコン電極やポリサイド電極
の代わりにW,Ti,Mo,Pt等の高融点金属材料
が使用されると予想される。このため、現在Si基
板やポリシリコン電極上に形成されている容量膜
も高融点金属上に形成される必要がある。
Large-capacity dynamic RAM of 16 Mbit or more requires electrode materials with low layer resistance, and high-melting point metal materials such as W, Ti, Mo, and Pt are used in place of the current polysilicon electrodes and polycide electrodes. It is expected that For this reason, capacitive films currently formed on Si substrates and polysilicon electrodes also need to be formed on high-melting point metals.

高誘電率膜の形成方法としては、Ta,Ti,Hf
などの金属を真空蒸着しこれを酸化する手法ある
いはこれら金属の真空蒸着時に酸素を少量導入し
酸化物として膜を堆積させるいわゆる反応性スパ
ツタ蒸着法、あるいはTa2O5,TiO2,HfO2など
の酸化物を真空蒸着(スパツタ蒸着)する手法、
さらには化学気相成長法を用いて膜を堆積する手
法などが検討されている。しかしながら、基板表
面に形成された溝内壁に容量膜を形成するために
は、上記した従来例の中では化学気相成長法によ
り高誘電率膜を形成する場合には、Ta,Ti,Hf
などを含む化合物の気体を反応炉に輸送してまず
金属電極膜を形成する必要があるが、低温で成長
できること、輸送する気体の制御が容易であるこ
との点で、有機材料であるアルコラートを酸素ガ
スと共に反応炉に導入し膜堆積を行う。酸素ガス
はアルコラートの熱分解の促進及び膜質の向上の
ため用いられている。
Methods for forming high dielectric constant films include Ta, Ti, Hf
A method in which metals such as metals are vacuum evaporated and oxidized, or a so-called reactive sputter evaporation method in which a small amount of oxygen is introduced during vacuum evaporation of these metals to deposit a film as an oxide, or a method in which metals such as Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , etc. are deposited as oxides. A method of vacuum deposition (sputter deposition) of the oxide of
Furthermore, methods of depositing films using chemical vapor deposition are being considered. However, in order to form a capacitive film on the inner wall of a groove formed on the substrate surface, among the conventional methods described above, when forming a high dielectric constant film by chemical vapor deposition, Ta, Ti, Hf
It is necessary to first form a metal electrode film by transporting the gas of a compound containing , etc. to a reactor, but alcoholate, an organic material, can be used because it can be grown at low temperatures and the gas to be transported can be easily controlled. It is introduced into a reactor together with oxygen gas to deposit a film. Oxygen gas is used to promote thermal decomposition of alcoholate and improve film quality.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、高融点金属を用いた電極上に気
相成長法により容量膜を形成する場合、雰囲気中
に酸素が含まれることから高融点金属が酸化され
る問題が生ずる。すなわち、気相成長温度として
は通常400〜600℃が用いられるが、かかる温度で
高融点金属を酸素にさらすと金属膜表面が酸化さ
れ数100Å以上の酸化膜がごく短時間に形成され
る。従つて、高誘電率の薄膜を形成し大きな容量
値を得ようとする目的のためには、電極表面が酸
化されることは極めて悪い結果をもたらす。
However, when a capacitive film is formed by vapor phase growth on an electrode using a high-melting point metal, a problem arises in that the high-melting point metal is oxidized because oxygen is included in the atmosphere. That is, a temperature of 400 to 600° C. is usually used as the vapor phase growth temperature, and when a high melting point metal is exposed to oxygen at such a temperature, the surface of the metal film is oxidized and an oxide film of several hundred Å or more is formed in a very short time. Therefore, for the purpose of forming a thin film with a high dielectric constant and obtaining a large capacitance value, oxidation of the electrode surface brings extremely bad results.

本発明の目的は、高融点金属電極表面の酸化を
おさえた高誘電率膜気相成長方法を提供すること
にある。
An object of the present invention is to provide a high dielectric constant film vapor phase growth method that suppresses oxidation of the surface of a high melting point metal electrode.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

W,Ti,Mo,Pt等の高融点金属膜表面の配化
を防止するには、酸化剤であるO2の導入をせず
に高誘電率膜を堆積すれば良い。しかし、O2
導入が無いと良質の膜形成は望めない。
In order to prevent alignment on the surface of a high melting point metal film such as W, Ti, Mo, Pt, etc., a high dielectric constant film may be deposited without introducing O 2 as an oxidizing agent. However, without the introduction of O 2 , high-quality film formation cannot be expected.

従つて、本発明によれば、高融点金属がむき出
しである膜堆積の初期はO2導入をせずに、原料
に含まれる酸素成分のみを用いてTaXOYあるいは
HfOX等の膜を薄く堆積し、しかる後に反応炉に
O2を導入し所望の膜厚まで膜堆積を行なう気相
成長方法を得る。
Therefore, according to the present invention, Ta X O Y or Ta
Deposit a thin film of HfO
A vapor phase growth method is obtained in which O 2 is introduced and a film is deposited to a desired thickness.

〔実施例〕〔Example〕

次に、本発明について図面を参照してより詳細
に説明する。
Next, the present invention will be explained in more detail with reference to the drawings.

第1図は、本発明の一実施例による高融点金属
上に金属酸化膜を気相成長法を用いて堆積する場
合の反応炉へのガスの導入の順序及び反応炉温度
順序の一実施例である。図において、横軸に堆積
開始時間を零とした時間、縦軸にガスの種類をと
り、実線はガスが反応炉に導入されている状態
を、破線はガスが反応炉に導入されない状態を、
○印はガスが反応炉内に導入される開始時点を示
している。
FIG. 1 shows an example of the order of gas introduction into a reactor and the order of reactor temperature when a metal oxide film is deposited on a high melting point metal using a vapor phase growth method according to an embodiment of the present invention. It is. In the figure, the horizontal axis represents time with the deposition start time being zero, and the vertical axis represents the type of gas. The solid line represents the state in which gas is introduced into the reactor, and the broken line represents the state in which gas is not introduced into the reactor.
The circle indicates the starting point at which gas is introduced into the reactor.

本実施例ではタングステン電極上に本発明を用
いてTa2O5膜を形成することとして膜堆積の手順
を説明する。用いるガスとしては、液体原料の
Ta(OC2H55をバブリングしたArガス(以下こ
れを原料ガスと称す)、膜堆積時の反応炉内圧力
を調節するためのベースガスとしてのArガス、
及びTa2O5膜の堆積速度、膜質を向上させるため
にO2ガスを用いる。まず、反応炉内の基板が300
〜500℃に加熱された状態でベースガスおよび原
料ガスを反応炉内に導入する。Ta(OC2H55の熱
分解によりタングステン電極上にTa2O5膜が形成
される。次に、Ta2O5膜が20〜50Å形成された後
に、前記したガスに加えてO2ガスを導入し、引
き続いてTa2O5膜を所定の膜厚まで形成する。な
お、反応炉の温度はTa2O5膜形成のはじまりから
終了まで一定の温度に保たれている。
In this example, a film deposition procedure will be described assuming that a Ta 2 O 5 film is formed on a tungsten electrode using the present invention. The gas used is liquid raw material.
Ar gas bubbled with Ta (OC 2 H 5 ) 5 (hereinafter referred to as raw material gas), Ar gas as a base gas for adjusting the pressure inside the reactor during film deposition,
And O 2 gas is used to improve the deposition rate and quality of the Ta 2 O 5 film. First, there are 300 substrates in the reactor.
The base gas and raw material gas are introduced into the reactor while being heated to ~500°C. Thermal decomposition of Ta(OC 2 H 5 ) 5 forms a Ta 2 O 5 film on the tungsten electrode. Next, after the Ta 2 O 5 film is formed to a thickness of 20 to 50 Å, O 2 gas is introduced in addition to the above gases, and the Ta 2 O 5 film is subsequently formed to a predetermined thickness. Note that the temperature of the reactor is kept constant from the beginning to the end of Ta 2 O 5 film formation.

第2図aは上述した気相成長法を用いてタング
ステン電極上に形成したTa2O5膜の膜組成の深さ
プロフアイルを示している。第2図bは従来の気
相成長方法により形成したTa2O5膜の組成の深さ
プロフアイルを示す。第2図bに示される従来方
法の場合には、Ta2O5膜とタングステン電極との
間にタングステン酸化膜が形成されているが、第
2図aの本発明による方法の場合はタングステン
酸化膜がほとんど形成されていないことがわか
る。このことは、高誘電率材料であるTa2O5膜の
みで容量膜を形成できることを示しており、本発
明によれば誘電率の高い容量膜が形成できること
は明らかである。
FIG. 2a shows the depth profile of the film composition of a Ta 2 O 5 film formed on a tungsten electrode using the above-mentioned vapor phase growth method. FIG. 2b shows the compositional depth profile of a Ta 2 O 5 film formed by a conventional vapor phase growth method. In the conventional method shown in FIG. 2b, a tungsten oxide film is formed between the Ta 2 O 5 film and the tungsten electrode, but in the method according to the present invention shown in FIG. It can be seen that almost no film is formed. This shows that a capacitive film can be formed using only the Ta 2 O 5 film, which is a high dielectric constant material, and it is clear that a capacitive film with a high dielectric constant can be formed according to the present invention.

第3図は、本発明の他の実施例による高融点金
属上に金属酸化膜を気相成長法を用いて形成する
場合の反応炉へ導入するガスの順序及び反応炉温
度の順序を示している。ここでは、チタン電極上
にHfO2を形成する方法を例にとり膜堆積の手法
を説明する。用いるガスとしては液体原料である
Hf(OC2H54をバブリングしたArガス(原料ガ
ス)、膜堆積時の反応炉内圧力を調節するベース
ガスとしてArガス及び、HfO2の堆積速度及び膜
質を向上するためにO2ガスを用いる。反応炉内
の基板温度を100〜300℃に加熱した状態でベース
ガスおよび原料ガスを反応炉内に導入する。Hf
(OC2H55の熱分解により、チタン電極上にHfOX
が形成される。そしてHfO膜が20〜50A程度形成
された後に、基板温度を400〜500℃に上昇すると
共に前記したガスに加えて反応炉内とO2ガスを
導入して、HfO2膜の形成を引き続いて所定の膜
厚まで行なう。膜堆積の初期に基板温度を低く設
定するのは、原料であるHf(OC2H54中に含まれ
る酸素原子によるチタン金属電極表面の酸化をよ
り抑えるためである。本実施例によれば、第1図
に示した一実施例同様に高融点金属電極表面を酸
化することなく高誘電率膜であるTa2O5,HfO2
膜を再現性良く形成できる。
FIG. 3 shows the order of gases introduced into the reactor and the order of reactor temperatures when forming a metal oxide film on a high-melting point metal using a vapor phase growth method according to another embodiment of the present invention. There is. Here, we will explain the film deposition method, taking as an example a method for forming HfO 2 on a titanium electrode. The gas used is a liquid raw material.
Ar gas (raw material gas) bubbled with Hf(OC 2 H 5 ) 4 , Ar gas as a base gas to adjust the pressure inside the reactor during film deposition, and O 2 to improve the HfO 2 deposition rate and film quality. Use gas. Base gas and raw material gas are introduced into the reactor while the substrate temperature in the reactor is heated to 100 to 300°C. Hf
Thermal decomposition of (OC 2 H 5 ) 5 produces HfO
is formed. After the HfO film was formed at about 20 to 50 A, the substrate temperature was raised to 400 to 500°C, and in addition to the above gases, O 2 gas was introduced into the reactor to continue forming the HfO 2 film. Repeat until the desired film thickness is reached. The reason why the substrate temperature is set low at the beginning of film deposition is to further suppress oxidation of the titanium metal electrode surface by oxygen atoms contained in the raw material Hf(OC 2 H 5 ) 4 . According to this example, similar to the example shown in FIG .
Films can be formed with good reproducibility.

上記実施例では、高融金属電極としてタングス
テン及びチタンを用いたが、モリブデン、白金、
タンタル等を用いるのも自由である。また、金属
酸化膜としてTa2O5及びHfO2を用いたが、ZrO2
TiO2等を用いるのも自由である。また、上述し
た一実施例の組み合せ(タングステンとTa2O5
を他の実施例の方法で形成しても効果は同じで、
その逆も効果はある。
In the above example, tungsten and titanium were used as the refractory metal electrode, but molybdenum, platinum,
It is also free to use tantalum or the like. In addition, although Ta 2 O 5 and HfO 2 were used as the metal oxide film, ZrO 2 ,
It is also free to use TiO 2 or the like. In addition, a combination of the above-mentioned embodiment (tungsten and Ta 2 O 5 )
Even if formed by the method of other embodiments, the effect is the same,
The opposite effect also exists.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明は、高融点金属電極
表面に容量膜としての金属酸化膜を気相成長する
方法で、最初に原料ガスを反応炉に導入し膜を気
相成長後、さらに酸素ガスを追加導入し原料ガス
と混合した雰囲気中で膜を引き続いて膜を成長す
ることにより、当該電極表面の酸化を防止できる
ので、高誘電率の容量膜を気相成長できる効果が
ある。
As explained above, the present invention is a method of growing a metal oxide film as a capacitive film on the surface of a high-melting point metal electrode in a vapor phase. By additionally introducing and subsequently growing films in an atmosphere mixed with the source gas, oxidation of the electrode surface can be prevented, which has the effect of vapor phase growth of a capacitive film with a high dielectric constant.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例による高融点金属電
極上に、金属酸化膜を気相成長する場合の反応炉
へのガス導入の順序及び反応炉の温度順序を示す
図である。同図において、横軸は堆積開始時間を
0とした時間、縦軸は基板の温度及びガスの種類
を示し、実線はガスが反応炉に導入されている状
態を、破線はガスが反応炉に導入されない状態を
○印はガスが反応炉内に導入される開始時点を示
す。第2図aは、本発明の一実施例により高融点
金属電極(W電極)上に形成したTa2O5膜の組成
の深さプロフアイル、第2図bは従来の気相成長
法によるTa2O5膜組成の深さプロフアイルを示す
図である。同図において、横軸はTa2O5膜表面か
らの深さ、縦軸は組成を示す。 第3図は本発明の他の実施例による高融点金属
電極上に、金属酸化膜を気相成長する場合の反応
炉へのガス導入の順序及び反応炉の温度順序を示
す図である。図の各部分は第1図と同じである。
FIG. 1 is a diagram showing the order of gas introduction into a reactor and the temperature order of the reactor when a metal oxide film is grown in vapor phase on a high melting point metal electrode according to an embodiment of the present invention. In the figure, the horizontal axis shows the time when the deposition start time is 0, the vertical axis shows the temperature of the substrate and the type of gas, the solid line shows the state in which gas is introduced into the reactor, and the broken line shows the state in which gas is introduced into the reactor. The state where gas is not introduced is indicated by the circle mark, which indicates the starting point at which gas is introduced into the reactor. Figure 2a shows the composition depth profile of a Ta 2 O 5 film formed on a high melting point metal electrode (W electrode) according to an embodiment of the present invention, and Figure 2b shows the composition depth profile of a Ta 2 O 5 film formed on a high melting point metal electrode (W electrode) according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing the depth profile of Ta 2 O 5 film composition. In the figure, the horizontal axis represents the depth from the surface of the Ta 2 O 5 film, and the vertical axis represents the composition. FIG. 3 is a diagram showing the order of gas introduction into the reactor and the temperature order of the reactor when a metal oxide film is vapor-phase grown on a high-melting point metal electrode according to another embodiment of the present invention. Each part of the figure is the same as in FIG.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 W,Ti,Mo,Pt等の高融点金属の電極上
に、Ta,Ti,Zr,Hf等のうちのいずれか1つの
金属と酸素原子とを組成に含む金属酸化膜を気相
成長する方法において、前記金属酸化膜の堆積の
初期には酸素を導入せず、その後続いて酸素ガス
を導入して原料ガスと混合した雰囲気中で金属酸
化膜を引き続いて気相成長することを特徴とする
容量素子膜の気相成長方法。
1. A metal oxide film containing any one of Ta, Ti, Zr, Hf, etc. and oxygen atoms in its composition is grown in a vapor phase on an electrode of a high melting point metal such as W, Ti, Mo, Pt, etc. The method is characterized in that oxygen is not introduced at the initial stage of deposition of the metal oxide film, and then oxygen gas is introduced to continuously grow the metal oxide film in a vapor phase in an atmosphere mixed with the source gas. A method for vapor phase growth of capacitive element films.
JP20711086A 1986-09-02 1986-09-02 Vapor growth method for capacity element film Granted JPS6362262A (en)

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