JPH08335682A - 電子デバイス製造方法 - Google Patents

電子デバイス製造方法

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JPH08335682A
JPH08335682A JP8143172A JP14317296A JPH08335682A JP H08335682 A JPH08335682 A JP H08335682A JP 8143172 A JP8143172 A JP 8143172A JP 14317296 A JP14317296 A JP 14317296A JP H08335682 A JPH08335682 A JP H08335682A
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high dielectric
electrode
nitride
electronic device
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JP8143172A
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Scott R Summerfelt
アール.サマーフェルト スコット
Howard R Beratan
アール.ベラタン ハワード
Robert Tsu
ツ ロバート
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Texas Instruments Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子デバイス(10)を製造するための高誘
電体材料を処理する方法。 【解決手段】 この電子デバイスには、内部電極(2
4)、高誘電体層(28)、および外側電極(30)が
設けられている。この高誘電体層(28)に対して、酸
素/オゾン環境の下で紫外線を照射して、不所望な水酸
化物および炭化物化合物を除去する。この層(28)
に、更に、外側電極(30)の堆積に先立って、高圧の
等方性反応イオンエッチング処理を施す。これら層(2
8)、(30)との間のインターフェイスを、反応性フ
ッ素および低圧プラズマに露出させることによって、こ
の層(28)に関連した正規の電気的特性および漏れ電
流を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、概して、電子デバ
イスの分野に関するもので、特に、高誘電率材料および
電子デバイスのプロセス方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】DRAM等の高密度容量構造に対する著
しい要求によって、例えば、バリウムストロンチウムチ
タン化合物等の高い誘電率材料の利用が促進されてい
る。これらの材料の高誘電率によって、極めて小さな面
積内で、極めて高い静電容量性記憶容量が得られるよう
になる。通常、これら高誘電率材料は、金属有機化学蒸
着技術を駆使して利用されており、これによって、水お
よび炭化水素材料による高誘電率材料の表面およびバル
ク(bulk)中に汚染が生じ、このため、重大な問題
が誘起されてしまう。これら汚染物によって、高誘電率
材料を利用して製造した電子デバイスの性能が著しく低
下してしまう。多くの場合には、誘電材料を堆積および
洗浄する時に用いられるプロセス(処理)技術は、これ
ら高誘電率材料をプロセスする場合には良好に利用でき
ない。その理由としては、これら高誘電率材料は水や炭
化水素による汚染に対する特に感染性を有しているため
である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従って、このような材
料を利用した電子デバイス中の高誘電率層を堆積および
浄化のためのプロセス技術に対する要望が発生してい
る。
【0004】高誘電率材料の層を処理する、本発明のプ
ロセス方法によれば、従来のデバイスや方法における問
題点を、相当程度、除去または抑制することができる。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施例の、高
誘電率材料の層を形成する方法によれば、高誘電率材料
の層を堆積するステップを具備している。また、この形
成方法には、この層に酸素およびオゾン雰囲気(環境)
の下で紫外線照射するステップが設けられている。次
に、上昇させた温度下で高圧の等方性反応性イオンエッ
チングを利用して、この層をエッチング処理する。次
に、低温環境の下でフッ素を包含した低圧プラズマ中
に、この層を露出させる。次に、外側電極層を、この高
誘電率層の外側から堆積する。
【0006】
【実施例】図1には、概して、参照番号10で表わされ
た電子デバイスが表わされており、このデバイス10が
半導体基板12上に形成されている。この半導体基板1
2には、シリコンのような適切な半導体材料が設けられ
ている。また、この基板12に、ゲルマニウムまたはダ
イヤモンドのような他の単一成分の半導体を設けること
もできる。更に、この基板12に、ゲルマニウムヒ素、
燐化インジウム、シリコンゲルマニウム、窒化ゲルマニ
ウムまたはシリコンカーバイト等の化合物半導体を設け
ることもできる。
【0007】この基板12に、これの外側表面16の近
傍に形成されたアクティブ(活性)領域14が設けられ
る。このアクティブ領域14には、基板12中に形成さ
れたアクティブ半導体の拡散および非拡散領域が設けら
れる。このアクティブ領域14に、導電性相互接続部
(インターコネクト)、抵抗、およびトランジスタを包
含することができる。上記外側表面16の大部分が、中
間レベル隔離層18によって包囲されており、この隔離
層には、例えば、二酸化けい素、ホウ素燐酸塩シリケイ
トガラス、またはスピン・オンガラスを含む。この中間
レベル隔離層18には、拡散バリア(障壁)を含んだ多
重層を設けることもでき、これら拡散バリアには、例え
ば、窒化けい素が含まれている。この中間レベル隔離層
18から外側から形成された層に、化合物が設けられ、
これら化合物がこの中間レベル隔離層18中に広がると
共に、アクティブ領域14中に拡散する場合に、特にこ
れら拡散バリアは有益なものである。例えば、外側層
に、鉛化合物が含まれている場合には、この中間レベル
隔離層18内の拡散バリアによって、このような鉛化合
物が、アクティブ領域14内に拡散するのを防止でき
る。
【0008】この電子デバイス10の製造中において、
中間レベル隔離層18中に開口を形成して、アクティブ
領域14の外側表面16の一部分を露出させる。次に、
導電性プラグ20を、この外側表面16と接触して開口
中に形成する。この導電性プラグ20は、例えば、多結
晶シリコンのような酸化可能な材料を有し、この多結晶
シリコンは、導電できるようにドープ(浸漬)処理され
ている。また、この導電性プラグ20は、窒化チタン、
シリサイドチタン、または、他の反応性金属化合物、例
えば、窒化ジルコルニア、タンタル、シリサイド、タン
グステンシリサイド、モリブデンシリサイド、ニッケル
シリサイド、タンタル炭化物、またはチタンほう化物更
に、導電性プラグ20は、他の単一化合物半導体を有
し、これら半導体は導電性を有するようにドープ処理さ
れており、例えば、単結晶、または多結晶シリコンまた
はゲルマニウムの半導体である。また、この導電性プラ
グ20は、タングステン、タンタル、またはモリブテン
のような反応性金属を有することもできる。導電性プラ
グ20は、例えばホウ素カーバイドのような導電性カー
バイドまたはホウ化物を有することもできる。また、導
電性プラグ20は、ゲルマニウムヒ素、ホウ化インジウ
ム、シリコンとゲルマニウムの組合せ、およびシリコン
カーバイドのようなドープ処理された化合物半導体を有
することもできる。また、導電性プラグ20は、上述し
た材料の種々の組合せを有することもできる。
【0009】バリア(障壁)層22もまた、この中間レ
ベル隔離層18中の開口中に、導電性プラグ20と電気
的に接触して形成される。このバリア層22の作用によ
って、導電性プラグ20が、内側電極24内の材料から
隔離されるようになる。この内側電極24が、このバリ
ア層22から外側に形成されると共に、このバリア層2
2を完全に包囲し、更に、図1に示すように、中間レベ
ル隔離層18の一部分から外側から形成される。
【0010】このバリア層22に、例えば、窒化チタン
を設けることもできる。更に、このバリア層22に、三
元またはそれ以上のアモルファス窒化物、例えば、Ta
−Si−N、Ta−B−N、またはTi−B−Nを設け
ることもできる。また、バリア層22に、種々のエキゾ
チック(exotic)導電性窒化物、例えば、Zr窒
化物、Hf窒化物、イットリウム窒化物、Si窒化物、
La窒化物、および他の希土類窒化物、例えば、Nデフ
ィシエント(deficient)、Al窒素物、ドー
プ処理したAl窒化物、Mg窒化物、Ca窒化物、Sr
窒化物、およびBa窒化物を設けることもできる。更に
また、バリア層22に、上述のエキゾチック導電性窒化
物と、共通のシリコン処理材料(例えば、窒化チタン、
窒化ゲルマニウム、窒化Ni、窒化Co、窒化Ta、窒
化W)との合金を設けることもできる。更に、このバリ
ア層22に、種々の貴金属絶縁体合金、例えば、Pt−
Si−N、Pd−Si−O、Pd−B−(O,N)、
Pd−Al−N、Ru−Si−(O,N)、Ir−Si
−O、Re−Si−N、Rh−Al−O、Au−Si−
NまたはAg−Si−Nを設けることもできる。また、
このバリア層22に、多重層と、上述した材料の組合せ
とを有する不均一(不均質)構造を設けることもでき
る。
【0011】内側電極24は、プラチナやルテニウム酸
化物のような酸素安定化材料を有している。更に、この
内側電極24は、他の貴金属またはプラチナ群金属、ま
たはそれらの合金を有することもできる。これらの金属
としては、例えば、パラジウム、イリジウム、レニウ
ム、ロジウム、金または銀がある。また、この内側電極
24は、導電性金属化合物、例えば、ルテニウム酸化
物、スズ酸化物、インジウム酸化物、レニウム酸化物、
オスミウム酸化物、ロジウム酸化物、イリジウム酸化
物、または、ドープ処理したスズ、インジウムまたは亜
鉛酸化物を有することもできる。更に、内側電極24
は、導電性ペロブスカイト状材料、例えば、YBa2
3 7-x ,(La,Sr)CoO3 、またはSiRu
3 を有することもできる。更に、内側電極24は、上
述した材料の組合せから成るヘテロ構造を有することも
できる。
【0012】内部電極24を形成するために利用した層
を堆積する前に、付着層26を、この内側電極24を形
成するために用いた層を堆積する場所であれば何処にで
も、堆積する。この付着層26は、チタン、タンタルま
たは他の適切な材料の極めて薄い層を有することもでき
る。この付着層26は、3〜50Åの厚さであれば何れ
の厚さでも良く、好適には、10〜20Å程度の厚さで
ある。内側電極24を形成するために利用した材料は、
空気中に露出されている誘電材料に対して、良好に付着
することはない。この付着層26を、誘電体層が元の位
置に形成されるように堆積し、この誘電体層上に、内側
電極24を付着させることができる。この付着層26
は、堆積後および内側電極24を形成するために利用し
た層の堆積前には、空気中に露出させない。内側電極2
4を形成するために用いた材料は、付着層26内のチタ
ンまたはタンタルに対して、良好に付着するものであ
り、この付着は、内側電極24が中間レベル隔離層18
に対して直接接触して配置された場合に比べて良好なも
のである。また、この付着層26を、バリア層22と内
側電極24との間に堆積させることもできる。このデバ
イスの動作中、チャージキャリアは、この付着層26を
介して内側電極24とバリア層22との間を通過させる
必要がある。例え、この付着層26が、処理中、誘電体
に成ったとしても、この層によってデバイス10の導電
度にはっきりした影響を与えるものではない。その理由
は、この層は5〜10Å程度の厚さを有するだけである
からである。
【0013】図2Aは、高誘電体層28の大きく拡大し
た図であ。この図2Aにおいて、高誘電体層28内の個
々の結晶粒(grains)の円柱状成長が表示されて
いる。この図2Aに示したように、単結晶粒の円柱状成
長は、この層28の外側表面34から内側表面36まで
延在する粒界によって特徴付けられている。
【0014】これに対して、図2Bは、層28内で等位
削減(equiaxed)された結晶粒成長を呈するこ
の層28の拡大図である。この等位削減された結晶粒成
長は、外側表面34から内側表面36まで全体に亘って
延在しない、より小さな単結晶粒によって特徴付けられ
ている。
【0015】高誘電体層28の堆積中、多数の不所望な
化合物が生成される。例えば、この高誘電体層28が、
バリウムストロンチウムチタンから形成される場合に
は、通常、MOCVDプロセスに利用される有機金属環
境によって、水酸化バリウム、炭化バリウム、水酸化ス
トロンチウム、および炭化ストロンチウムが形成され
る。これら水酸化物および炭化物の化合物は、この層2
8の外側表面34上、または、図2Aおよび図2Bで表
わされた粒界に沿って形成される。これら水酸化物およ
び炭化物の化合物によって、高誘電体材料の電気的特性
が低下してしまう。この外側電極層30の堆積の前に、
これら水酸化物および炭化物の化合物の存在を除去また
は減少させる数種類のプロセスステップを実行すること
が望ましいものである。
【0016】外側電極30の堆積に先立って、且つ、高
誘電体層28の堆積の後に実行する第1のプロセスステ
ップは、酸素および/またはオゾンおよび/またはN2
Oの混合雰囲気中で、この層28に対して、紫外線を照
射することである。このプロセスは、比較的広範な温度
範囲、例えば200℃〜600℃内で実行できる。この
照射は、400℃〜500℃程度の範囲内で最適に行う
ことができる。この紫外線の照射には、高誘電体材料の
バンドギャップより更に高いエネルギを有するフォトン
を含むように構成する必要がある。例えば、バリウムス
トロンチウムチタンを利用してこの層28を形成する場
合には、2,4エレクトロンボルトより大きなエネルギ
のフォトンを含む必要がある。更に好適な焼きなましで
は、酸素の混合気中の8%のオゾンを、500℃の基板
と共に、冷壁反応器中で、350nmより短かい波長に
対して、10-3w/cm2 以下の紫外線照射の下で利用
する。この紫外線は、1a+mO2 に対して、1cm以
下、または1TonO2 に対して、20cm以下で通過
する。
【0017】オゾンおよび紫外線照射によって、酸素の
ラジカル(遊離基)が生成されるようになる。更に、こ
の紫外線照射によって、層28の主要材料中および、こ
の層28内の粒界に沿った不純物の拡散が増大するよう
になる。この層28内の不所望な化合物は、酸素ラジカ
ルと反応すると共に、この層28の外へ拡散するように
なる。
【0018】層30の堆積に先立って、この高誘電体層
28を浄化するために利用される第2プロセスステップ
は、反応イオンエッチャーまたはイオンミル等のドライ
エッチングを利用して、外側表面をエッチング処理する
ものである。このエッチングには、O2 を含有させる必
要があると共に、可能ならば、例えば、Ar,He,N
e,XeまたはKrのようなエイブルガスを含有させる
必要がある。また、このエッチングでは、F,Cl,B
r,Ioのハロゲンを含んだガスも利用する必要があ
る。層28の表面に集中した不純物には、炭化物、水酸
化物、有機物、ならびに、可能ならば、アモルファスま
たは、非化学式的に堆積された材料が含まれている。こ
のエッチングは、室温またはそれより上昇した温度の下
で行なうことができる。このエッチングが低温(250
℃以下)で行われる場合には、フォトンまたはプラズマ
で純粋に熱的または強調された第2の焼なまし(アニー
ル)ステップを必要とする。第1の好適なエッチングで
は、400℃で100mTorrの圧力下で、Oz/A
r/ 1/2ガス混合気が利用され、50Åの層28が
除去される。第2の好適なエッチングでは、20〜10
0℃で100mTorrの圧力下で、O2 /Ar/C/
2(1/2/1)の混合気が利用され、層28の平均値1
00Åが600℃、O2 の1atm、アニール15分間
によって除去される。
【0019】反応性イオンエッチングプロセスを、層3
0を堆積させるのに使用したプロセスと共に、自然体
(in situ)またはクラスタツール(clust
ertool)構造で実行する必要があるので、この層
28のエッチング処理した外側表面が、層30を堆積す
る前に、空気に露らされることがなくなる。
【0020】この反応性イオンエッチングに続いて実行
できる、追加のプロセスステップは、層28のエッチン
グ処理された外側表面を、低圧プラズマ中のフッ素に対
して露出させることである。この追加プロセスステップ
は、フッ素、アルゴンおよび、追加例として、酸素を、
300℃またはそれ以下の低下温度の下で、低圧プラズ
マ中で混合させて実現できる。低圧のプラズマによっ
て、反応性フッ素を生成するように作用し、これによっ
て、層28の外側表面34と、外側電極層30の内側表
面との間で、フッ素と一緒にインターフェイスをドープ
するようになる。このインターフェイスでのフッ素の利
用は、洩れ電流の減少が見られると共に、層28中に用
いられた高誘電体材料の強磁性体特性を改善するように
なる。
【0021】上述したプロセスステップは、特定の順序
でリストアップしたにすぎず、他の組合せや、他の順序
で、また独立して利用することも可能である。
【0022】以上、本発明を詳述したが、種々の変更、
交換、変形等を、本発明の技術的思想を逸脱することな
く実行できることは明らかである。
【0023】以上の説明に関して、更に以下の項を開示
する。 (1)電子デバイスを製造するに当り、高誘電率材料の
層を基板上に堆積させるステップと;この高誘電率材料
の層に、紫外線を照射するステップとを具備し、この紫
外線照射には、オゾンを含む環境の下で、前記高誘電体
材料のバンドギャップより大きなエネルギのフォトンが
包含されていることを特徴とする電子デバイス製造方
法。
【0024】(2)前記照射ステップには、紫外線で前
記高誘電体材料の層を照射するステップが設けられ、こ
の紫外線照射は、オゾンを含む周囲環境の下で、前記高
誘電体材料のバンドギャップより大きなエネルギのフォ
トンを包含する、第1項記載の方法。
【0025】(3)更に、酸素およびアルゴンを含んだ
反応性イオンエッチングプロセスで、前記高誘電率材料
の層の外側表面をエッチングするステップを設けた、第
1項記載の方法。 (4)前記エッチングステップに、300℃から600
℃の温度範囲で、エッチングするステップを設けた、第
3項記載の方法。 (5)更に、前記高誘電体材料の層の外側表面を、低圧
プラズマ中の反応性フッ素に露出させるステップを設け
た、第1項記載の方法。
【0026】(6)更に、前記高誘電率材料の外側表面
を空気環境の下に露出させることなく、この高誘電率材
料から外側に、外側電極材料の層を、この外側電極材料
の堆積に先立って堆積するステップを設けた、第3項記
載の方法。 (7)第1項記載の製造方法を利用して製造した電子デ
バイス。
【0027】(8)電子デバイスを製造するに当り、高
誘電率材料の層を基板上に堆積させるステップと;この
高誘電率材料の層に、紫外線を照射するステップと、こ
の紫外線照射には、オゾンを含む環境の下で、前記高誘
電体材料のバンドギャップより大きなエネルギのフォト
ンが包含されていることを特徴とする電子デバイス製造
方法であって、前記高誘電体材料の層の外側表面を、3
00℃から600℃までの温度範囲の下で酸素およびア
ルゴンを含有する反応性イオンエッチングプロセスでエ
ッチングするステップと;前記高誘電体材料の層の外側
表面を、低圧プラズマ中で反応性フッ素に露出させるス
テップと;この高誘電体材料層の外側表面から外側に、
外側電極材料の層を堆積させるステップとを具備し、こ
の外側電極材料の堆積に先立って、前記高誘電体材料の
外側表面を、空気環境の下で露出させないで、この外側
電極材料の層を堆積させることを特徴とする電子デバイ
ス製造方法。 (9)第8項記載の製造方法を用いて製造した電子デバ
イス。
【0028】(10)電子デバイス10を製造するため
の高誘電体材料を処理する方法。この電子デバイスに
は、内部電極24、高誘電体層28、および外側電極3
0が設けられている。この高誘電体層28に対して、酸
素/オゾン環境の下で紫外線を照射して、不所望な水酸
化物および炭化物化合物を除去する。この層28に、更
に、外側電極30の堆積に先立って、高圧の等方性反応
イオンエッチング処理を施す。これら層28,30との
間のインターフェイスを、反応性フッ素および低圧プラ
ズマに露出させることによって、この層28に関連した
正規の電気的特性および漏れ電流を改善する。
【0029】関連出願 本願は米国特許出願第 号、1995年6月
5日出願、名称“高誘電体材料および付着層を利用した
半導体構造およびこの半導体構造を製造する方法”(代
理人No.19508)、および米国特許出願第
号、1995年6月5日出願、名称“高密度、高
誘電体メモリデバイス中に内側電極を製造する方法”
(代理人No.TI−19507)に関連するものであ
る。
【0030】以下に示した、既出願は、本願発明に関連
している。即ち、米国特許出願第08/283,881
号“プラチナの簿層を有する改良された高誘電率材料電
極”(代理人No.TI−17950)、発明者:Su
mmerfelt,Beratan,Kirlinおよ
びGnade。米国特許出願第08/283,468号
“ペロブスカイト誘電体用の導電性プロブスカイト−シ
ード層を有する改良された電極”(代理人No.TI−
17952)、発明者:SummerfeltおよびB
eratan。米国特許出願第08/283,442号
“二酸化ルテニウムの簿層を有する、改良された高誘電
体材料”(代理人No.TI−19153)、発明者:
Summerfelt,Beratan,Kirlin
およびGnade。米国特許出願第08/283,46
7号、“予備酸化処理された高誘電体材料電極”(代理
人No.TI−19189)、発明者:Nishiok
a,Summerfelt,ParkおよびBhatt
acharya。米国特許出願第08/283,871
号、“サイドウォールスペーサを有する高誘電体材料電
極”(代理人No.TI−19272)、発明者:Ni
shioka,Park,Bhattacharyaお
よびSummerfelt。米国特許出願第08/28
3,441号、“高誘電体材料電極用アモルファス−窒
化物バリア層”(代理人No.TI−19554)、発
明者:Summerfelt。米国特許出願第08/2
83,873号、“高誘電体材料電極用導電性エキゾチ
ック−窒化物バリア層”(代理人No.TI−1955
5)、発明者:Summerfelt。米国特許出願第
08/276,191号、1994年7月15日出願、
“高誘電体材料用の軽度にドナーをドープ処理した電
極”(代理人No.TI−17660.1)、発明者:
Summerfelt,Beratan、およびGna
de。米国特許出願第08/009,521号、“誘電
体材料用電気的コネクション”(代理人No.TI−1
7339)、発明者:GnadeおよびSummerf
elt。米国特許出願第08/260,149号、“高
誘電体材料用軽度にドナーをドープ処理した電極”(代
理人No.TT−17339.1)、発明者:Summ
erfelt,Beratan、およびGnade。米
国特許出願第08/040,946号、“高誘電体材料
用軽度にドナーをドープ処理した電極”(代理人No.
TI−17660)、発明者:Summerfelt,
BeratanおよびGnade。米国特許出願第08
/041,025号、“高誘電体材料用電極インターフ
ェイス”(代理人No.TI−17661)、発明者:
SummerfeltおよびBeratan。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のプロセス技術を利用して製造したメモ
リセルの横断面拡大図。
【図2】Aは、高誘電体材料中で成長する結晶の一態様
を表わす横断面図。Bは、高誘電体材料中で成長する結
晶の他の態様を表わす横断面図。
【符号の説明】
10 電子デバイス 12 基板 14 アクティブ領域 16 中間レベル隔離層 22 バリア層 28 高誘電体層 30 堆積層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ツ アメリカ合衆国テキサス州プラノ,ラバカ ドライブ 4209

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子デバイスを製造する方法であって、 高誘電率材料の層を基板上に堆積させる工程と;前記高
    誘電率材料の層に、紫外線を照射する工程とを具備し、
    該紫外線照射には、オゾンを含む環境の下で、前記高誘
    電体材料のバンドギャップより大きなエネルギのフォト
    ンが包含されていることを特徴とする電子デバイス製造
    方法。
JP8143172A 1995-06-06 1996-06-05 電子デバイス製造方法 Pending JPH08335682A (ja)

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