JPH0661449A - 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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Abstract

(57)【要約】 【目的】256MbitDRAM以降に用いられる半導
体装置の容量素子部を、より薄膜化し、リーク電流特性
の少ない良好な形成方法を提供する。 【構成】容量素子の下部電極であるポリシリコン電極3
表面の自然酸化膜4を除去し、容量絶縁膜である不純物
がドーピングされたタンタル酸化膜5を形成し、窒化チ
タンからなる上部電極6を形成する。

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】256MbitDRAM以降の超LSI
メモリデバイスの容量素子部においては、単位面積当た
りの容量値を大きくできる高誘電率容量絶縁膜の採用が
検討されている。この検討されている高誘電率容量絶縁
膜の中で、気相成長法(CVD)によるタンタル酸化膜
は、比誘電率εr が25〜30と大きく、優れたステッ
プカバレッジ特性を有しており、さらに膜形成法が他の
高誘電率容量絶縁膜と比較して非常に容易であるなどの
ことから多くの研究がなされている。
【0003】タンタル酸化膜を用いた一般的な容量素子
部の形成方法の工程順の断面図を図6に示す。ポリシリ
コンを表面にN型拡散層1aとN型拡散層に達する開口
部を有する素子分離領域2とが形成されたP型シリコン
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3を形成する〔図6(a)〕。この段階
で、ポリシリコン電極3の表面には自然酸化膜4が形成
される。この後、このポリシリコン下部電極3上に、エ
トキシタンタル(Ta(OC2 5 5 )ガスを主原料
とする減圧気相成長法によりタンタル酸化膜7を形成
し、タンタル酸化膜7のリーク電流を改善させるため酸
素雰囲気での600〜1000°Cの高温熱処理を行な
う〔図6(b)〕。このとき、自然酸化膜4はSiO2
膜4aとなる。続いて、上部電極6を形成する〔図6
(b)〕。上部電極6として、一般的にタングステン
(W)が用いられている。以上の形成工程により、容量
素子部が完了する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の容量構
造体において、以下に延べる問題点がある。従来の容量
素子プロセスでは、下部電極3であるポリシリコン上
に、タンタル酸化膜7を形成し、リーク電流を改善する
ための酸素雰囲気中での高温熱処理により形成される容
量部のキャパシタ値は、SiO2 膜換算膜厚(比誘電率
εr =3.9)にして約3nm厚程度(Cs=12fF
/μm2 )しか得られない。これは、タンタル酸化膜7
のリーク電流改善するための酸素雰囲気中での高温熱処
理により、タンタル酸化膜7とポリシリコン電極3との
界面に存在する自然酸化膜4の膜厚が増加してSiO2
膜4aとなるためである。この容量膜を256Mbit
DRAM以降の容量素子として適用した場合、十分なキ
ャパシタ値は得られない。また、従来技術で形成される
容量素子のリーク電流特性(10-8A/cm2 ) は、約
0.7Vと小さく、実デバイスに十分適用できる特性で
はない。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明においては、DR
AM等の超LSIに用いられる容量素子部の形成工程
が、下部電極であるポリシリコン表面の自然酸化膜を除
去した後、不純物ドーピングしたタンタル酸化膜を形成
し、さらに少なくとも底面が窒化チタンからなる上部電
極を形成する工程を、少なくとも含んでいる。
【0006】
【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。
【0007】図1は、本発明の第1の実施例を説明する
ための工程順の断面図である。まず、表面にN型拡散層
1aを有するP型シリコン基板1にLOCOS法により
素子分離領域2を形成する。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、燐(P)を熱拡散に
よりドープし、通常のリソグラフィ,およびエッチング
技術によりパターニングし、ポリシリコン電極3を形成
する。このとき、ポリシリコン電極3の表面には、自然
酸化膜4が形成される〔図1(a)〕。
【0008】続いて、ポリシリコン電極3上にある自然
酸化膜4を無水フッ酸により除去する〔図1(b)〕。
【0009】次に、不純物ドーピングしたタンタル酸化
膜5を化学気相成長法により堆積する〔図1(c)〕。
【0010】続いて、上部電極6として窒化チタンを形
成する〔図1(d)〕。
【0011】不純物ドーピングしたタンタル酸化膜5の
形成には、図2に示すような装置を用いる。タンタル酸
化膜形成には、原料ガスとして有機タンタルガス(タン
タルペンタエトキシド(Ta(OC2 5 5 ))およ
び有機チタンガス(チタンテトラブトキシド(Ti(O
4 9 )4 ) )を用いる。これらの原料は、気化室12
および13でそれぞれ気化され、キャリアガスであるア
ルゴンガス9と共に反応室18へ導入される。同時に、
酸素ガスはバルブを通して反応室18へ導入される。ヒ
ータ16により反応室18内は熱せられており、導入さ
れた有機タンタルガス、有機チタンガスおよび酸素ガス
が化学気相反応を起こし、ウェハ14上でチタン不純物
ドープされた酸化タンタル膜が形成される。成長条件と
して、有機タンタル原料の気化室12の加熱温度は30
〜200℃、有機チタン原料の気化室13の加熱温度は
30〜200℃、ヒータ16による反応室18内の成長
温度は300〜800℃、キャリアガスであるアルゴン
ガスの流量は10〜1000SCCM、酸素ガスの流量
は0.1〜20.0SLM、圧力は0.1〜10Tor
rで行うのが適している。本実施例では、反応室18を
用いたチタン不純物ドーピングタンタル酸化膜5形成に
ついて述べたが、反応室19を用いた場合も同様な膜を
形成できる。また、本実施例では、不純物ドーピングと
してチタンの場合について述べたが、シリコン,ボロ
ン,リン,あるいはゲルモニウムなどからなる元素を少
なくとも1つをドーピングさせた場合もよい。
【0012】本実施例においては、上部電極として窒化
チタン単層を用いたが、タングステンあるいは窒化チタ
ン/タングステン、窒化チタン/モリブデン、窒化チタ
ン/タングステンシリサイド等複合膜を用いた場合でも
効果はある。
【0013】図3は、本発明の第2の実施例を説明する
ための工程順の断面図である。上記第1の実施例同様、
フッ酸処理により自然酸化膜4を除去したポリシリコン
電極3の表面に、アンモニア(NH3 )ガスを用いた急
速昇温熱処理によりシリコン窒化膜24を形成する〔図
3(a)〕。この窒化処理の温度として、800〜10
00℃で行なうのが適している。
【0014】次に、不純物ドーピングしたタンタル酸化
膜5を化学気相成長法により堆積する〔図3(b)〕。
この不純物ドーピングしたタンタル酸化膜5の形成に
は、上記第1の実施例と同条件で行なうのが適してい
る。
【0015】さらに、チタン不純物ドープされたタンタ
ル酸化膜5を堆積後、高温熱処理による緻密化処理を行
い、このタンタル酸化膜5を緻密化されたタンタル酸化
膜5aに変換する〔図3(C)〕。緻密化処理として、
電気炉あるいはランプ加熱による急速加熱方式を用い、
窒素あるいはアルゴンなど不活性雰囲気中で、温度60
0〜1000℃で行なうのが適している。
【0016】続いて、上部電極6として窒化チタンを形
成する〔図3(d)〕。本実施例においても、上部電極
6として窒化チタン単層を用いたが、タングステンある
いは窒化チタン/タングステン、窒化チタン/モリブデ
ン、窒化チタン/タングステンシリサイド等複合膜を用
いた場合でも効果はある。
【0017】本発明の第1,および第2の実施例に基づ
き製作したデバイスにおけるタンタル酸化膜の膜厚に対
するSiO2 換算膜厚の変化を図4に示す。このグラフ
において、第1の実施例,第2の実施例,および従来の
技術により製作されたデバイスのタンタル酸化膜の膜厚
に対するSiO2 換算膜厚の結果を示している。従来の
技術により形成されたデバイスのSiO2 換算膜厚と比
較して、第1の実施例,および第2の実施例により作成
された結果のほうが小さくなっている。さらに、第1の
実施例により形成された結果のほうが、第2の実施例に
より作成された結果よりも小さくなっているのがわか
る。これは、従来の技術の場合、タンタル酸化膜/ポリ
シリコン界面に約2nmのSiO2 膜が形成されるのに
対し、本発明における第2の実施例の場合、このSiO
2 膜厚が約1nm形成されており、さらに第1の実施例
の場合、このSiO2 膜厚がほとんど除去できるためで
ある。一例として、10nm厚のタンタル酸化膜を用い
た場合、従来の技術におけるSiO2 換算膜厚は約3.
5nmであるのに対し、第1の実施例を用いた場合約
1.5nm,第2の実施例を用いた場合約2nmと非常
に薄膜化できる。
【0018】本発明の第1,および第2の実施例に基づ
き作成したデバイスにおけるタンタル酸化膜のリーク電
流特性を図5に示す。このグラフにおいて、第1の実施
例,第2の実施例,および従来の技術により作成された
タンタル酸化膜のリーク電流特性を示している。第1の
実施例により形成されたタンタル酸化膜のリーク電流特
性は、従来の技術により形成された特性と比較した場
合、良好な特性が得られている。これは、タンタル酸化
膜形成中にチタン不純物をドーピングすることにより、
タンタル酸化膜中のダングリングボンドをチタンにより
埋められ、電気的トラップサイトを減少できたためであ
る。さらに、第2の実施例により形成されたタンタル酸
化膜のリーク電流特性においては、第1の実施例により
形成された特性より良好な結果が得られている。これ
は、チタン不純物ドーピングタンタル酸化膜を形成後、
高温熱処理による緻密化処理を行なうことにより、タン
タル酸化膜中に含まれるカーボンあるいは水分などが外
方拡散されたためである。本発明の第1,および第2の
実施例により形成されたタンタル酸化膜のリーク電流特
性は、実デバイスに十分適用できる特性である。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、DRAM
等の超LSIに用いられる容量素子部の形成を、下部電
極であるポリシリコン表面の自然酸化膜を除去する工
程,不純物ドーピングしたタンタル酸化膜を形成する工
程,および少なくとも底面が窒化チタンからなる上部電
極を形成する工程により形成することにより、従来の技
術と比較して容量絶縁膜を薄膜化でき、さらにリーク電
流特性の少ない、良好な容量デバイスが形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための工程順
の断面図である。
【図2】上記第1の実施例に使用する製造装置の模式図
である。
【図3】本発明の第2の実施例を説明するための工程順
の断面図である。
【図4】上記第1,および第2の実施例を説明するため
の図であり、タンタル酸化膜厚のSiO2 換酸膜厚を示
すグラフである。
【図5】上記第1,および第2の実施例の効果を説明す
るための図であり、リーク電流特性を示すグラフであ
る。
【図6】従来の半導体装置の製造方法を説明するための
工程順の断面図である。
【符号の説明】
1 P型シリコン基板 1a N型拡散層 2 素子分離領域 3 ポリシリコン電極 4a SiO2 膜 5,5a,7 タンタル酸化膜 6 上部電極 8 酸素ガス導入口 9,10 アルゴンガス導入口 11,16,17 ヒータ 12,13 気化室 14,15 ウェハ 18,19 反応室 20 ロードロック 21,22,23 ポンプ 24 シリコン窒化膜

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 DRAM等の超LSIに用いられる容量
    素子部の形成工程が、 下部電極であるポリシリコン表面の自然酸化膜の除去工
    程と、 不純物をドーピングしたタンタル酸化膜の成膜工程と、 少なくとも底面が窒化チタンからなる上部電極の形成工
    程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記除去工程として、無水フッ酸を用い
    た処理を行なうことを特徴とする請求項1記載の半導体
    装置の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記不純物が、チタン,シリコン,ボロ
    ン,リン,あるいはゲルマニウムからなる元素を少なく
    とも1つ含むこと特徴とする請求項1記載の半導体装置
    の製造方法。
  4. 【請求項4】 前記形成工程が、有機系のタンタル原料
    を用いた化学気相反応により行なわれることを特徴とす
    る請求項1記載の半導体層置の製造方法。
  5. 【請求項5】 前記成膜工程における前記不純物のドー
    ピングが、有機系の原料を用いた化学気相反応により行
    なわれることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の
    製造方法。
  6. 【請求項6】 前記除去工程の後に、前記ポリシリコン
    表面を窒化する工程を有することと、 前記成膜工程の後に、前記タンタル酸化膜を緻密化する
    ための高温熱処理工程を有することとを併せて特徴とす
    る請求項1記載の半導体装置の製造方法。
  7. 【請求項7】 前記ポリシリコン表面を窒化する工程
    が、アンモニアガスを用いた急速昇温熱処理により行な
    われることを特徴とする請求項6記載の半導体装置の製
    造方法。
  8. 【請求項8】 前記高温熱処理工程が電気炉あるいはラ
    ンプ加熱による急速加熱方式により行なわれることを特
    徴とする請求項6記載の半導体装置の製造方法。
  9. 【請求項9】 前記高温熱処理工程が不活性ガス雰囲気
    中で行なわれることを特徴とする請求項6記載の半導体
    装置の製造方法。
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