JPS62234360A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体装置およびその製造方法Info
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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。
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〕
本発明は半導体および製造方法に係り、特に高容量、高
信頼性のキャパシタを有する半導体装置および製造方法
に関する。
信頼性のキャパシタを有する半導体装置および製造方法
に関する。
周知のように、各種半導体メモリのキャパシタは、二酸
化シリコン膜を絶縁膜とするキャパシタが広く用いられ
ている。
化シリコン膜を絶縁膜とするキャパシタが広く用いられ
ている。
しかし、半導体集積回路の集積密度が増大するにともな
い、キャパシタの面積も著るしく小さくなった。キャパ
シタiAの面積が小さくなると。
い、キャパシタの面積も著るしく小さくなった。キャパ
シタiAの面積が小さくなると。
容量が減少して、半導体メモリの信頼性が低下してしま
う。そのため、キャパシタの誘電体膜として、たとえば
Ta、Osなど、誘電率の大きい遷移金属酸化物を用い
て容量の低下を防止することが提案されている。
う。そのため、キャパシタの誘電体膜として、たとえば
Ta、Osなど、誘電率の大きい遷移金属酸化物を用い
て容量の低下を防止することが提案されている。
たとえば、特開昭59−4152号には、シリコン基板
上に酸化タンタル膜を形成した後、湿性酸素雰囲気にて
、熱処理して、酸化タンタル膜とシリコン基板の界面に
二酸化シリコン膜を成長させた後、高融点金属、或いは
高融点金属のシリサイドからなる上部電極を、上記酸化
タンタル膜上に形成してキャパシタを形成していた。
上に酸化タンタル膜を形成した後、湿性酸素雰囲気にて
、熱処理して、酸化タンタル膜とシリコン基板の界面に
二酸化シリコン膜を成長させた後、高融点金属、或いは
高融点金属のシリサイドからなる上部電極を、上記酸化
タンタル膜上に形成してキャパシタを形成していた。
しかし、本願発明者の検討によれば、このような方法に
よって形成されたキャパシタは、長期信頼性が低く、シ
かも、酸化タンタル膜とシリコン基板の間に形成される
二酸化シリコン膜の膜厚が大きくなってしまって容量が
低下し、酸化タンタルを誘電体膜として用いた効果が、
著るしく低くなってしまうことが見出された。
よって形成されたキャパシタは、長期信頼性が低く、シ
かも、酸化タンタル膜とシリコン基板の間に形成される
二酸化シリコン膜の膜厚が大きくなってしまって容量が
低下し、酸化タンタルを誘電体膜として用いた効果が、
著るしく低くなってしまうことが見出された。
すなわち、上記従来技術はシリコン基板と酸化タンタル
膜の間に二酸化シリコン膜を形成することにより、酸化
タンタル膜の欠陥密度が減少し、耐圧が向上するという
効果は有しているが単位面積当りの容量は著しく減少す
る。また、二酸化シリコン膜厚が40Å以上となると、
一定電圧を印加した場合の経時的絶縁破壊寿命は界面の
二酸化シリコン膜が破壊され寿命に依存しており、二酸
化シリコン膜をうわまわる長期信頼度を得ることはでき
なかった。
膜の間に二酸化シリコン膜を形成することにより、酸化
タンタル膜の欠陥密度が減少し、耐圧が向上するという
効果は有しているが単位面積当りの容量は著しく減少す
る。また、二酸化シリコン膜厚が40Å以上となると、
一定電圧を印加した場合の経時的絶縁破壊寿命は界面の
二酸化シリコン膜が破壊され寿命に依存しており、二酸
化シリコン膜をうわまわる長期信頼度を得ることはでき
なかった。
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、欠陥密度が
少なくて耐圧が十分大きく、長期信頼性が高く、容量の
大きなキャパシタを有する半導体装置およびその製造方
法を提供することである。
少なくて耐圧が十分大きく、長期信頼性が高く、容量の
大きなキャパシタを有する半導体装置およびその製造方
法を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明は、シリコン基板や下
部電極上に遷移金属の酸化物膜を形成した後、乾燥した
酸化性雰囲気中において熱処理を行なって、耐圧低下を
防止するものである。
部電極上に遷移金属の酸化物膜を形成した後、乾燥した
酸化性雰囲気中において熱処理を行なって、耐圧低下を
防止するものである。
シリコン基板や下部電極上に遷移金属の酸化物膜を形成
した後、乾燥した酸化性雰囲気中で熱処理を行なうと、
上記遷移金属酸化物膜の欠陥部分の下には厚く、他の部
分の下には薄く、下地材料の酸化物膜が形成される。こ
れによって、上記遷移金属酸化物膜の欠陥部分における
絶縁膜の合計の膜厚は十分厚くなり、耐圧の低下は効果
的に防止される。
した後、乾燥した酸化性雰囲気中で熱処理を行なうと、
上記遷移金属酸化物膜の欠陥部分の下には厚く、他の部
分の下には薄く、下地材料の酸化物膜が形成される。こ
れによって、上記遷移金属酸化物膜の欠陥部分における
絶縁膜の合計の膜厚は十分厚くなり、耐圧の低下は効果
的に防止される。
本発明の最も代表的な例として、下部電極および遷移金
属の酸化物として、シリコン基板および酸化タンタル(
’razos)をそれぞれ用いた場合について説明する
。
属の酸化物として、シリコン基板および酸化タンタル(
’razos)をそれぞれ用いた場合について説明する
。
シリコン基板と酸化タンタル膜の間の界面の耐圧劣化が
生ずる原因となる領域では、他の領域よりも酸化タンタ
ル膜厚が薄い。本発明によれば、選択的にこの欠陥領域
に二酸化シリコンが成長し、合°計の膜厚が厚くなるの
で、耐圧が向上し、キャパシタの耐圧劣化を防止できる
。一方1本発明者の検討によれば二酸化シリコン膜厚が
40Å以上となると長期信頼度は40Å以下の場合より
低下する。そこで、上記欠陥領域以外の領域では、シリ
コンと酸化タンタル膜の界面の二酸化シリコン膜厚は4
0Å以下として、長期信頼度の低下を防止する。
生ずる原因となる領域では、他の領域よりも酸化タンタ
ル膜厚が薄い。本発明によれば、選択的にこの欠陥領域
に二酸化シリコンが成長し、合°計の膜厚が厚くなるの
で、耐圧が向上し、キャパシタの耐圧劣化を防止できる
。一方1本発明者の検討によれば二酸化シリコン膜厚が
40Å以上となると長期信頼度は40Å以下の場合より
低下する。そこで、上記欠陥領域以外の領域では、シリ
コンと酸化タンタル膜の界面の二酸化シリコン膜厚は4
0Å以下として、長期信頼度の低下を防止する。
一方、欠陥領域の下に形成される二酸化シリコン膜は、
膜厚が40Å以上となる部分もあるが。
膜厚が40Å以上となる部分もあるが。
この場合は後で説明するように、欠陥部分以外の領域の
耐圧よりも十分大きい耐圧となる様に二酸化シリコン膜
が成長するので、長期信頼度も他の隔部分の面積はキャ
パシタ全体の面積と比較して極めて小さいので、キャパ
シタの全容量に与える影響はほとんどなく、全体の容量
は、欠陥部分以外の領域の容量とほぼ等しい。欠陥領域
以外の領域では界面に形成された二酸化シリコン膜の膜
厚は40Å以下なので、極めて大きい容量を実現するこ
とができる。
耐圧よりも十分大きい耐圧となる様に二酸化シリコン膜
が成長するので、長期信頼度も他の隔部分の面積はキャ
パシタ全体の面積と比較して極めて小さいので、キャパ
シタの全容量に与える影響はほとんどなく、全体の容量
は、欠陥部分以外の領域の容量とほぼ等しい。欠陥領域
以外の領域では界面に形成された二酸化シリコン膜の膜
厚は40Å以下なので、極めて大きい容量を実現するこ
とができる。
酸化タンタル膜の下に他の部分よりも厚いSin、膜を
形成するには、酸化タンタル膜を形成した後、乾燥した
酸化性雰囲気中で熱処理する必要がある。もし湿った酸
化雰囲気中で熱処理を行なうと、上記欠陥領域の下部の
みでなく、酸化タンタル膜とシリコン基板の全界面に厚
いSin。
形成するには、酸化タンタル膜を形成した後、乾燥した
酸化性雰囲気中で熱処理する必要がある。もし湿った酸
化雰囲気中で熱処理を行なうと、上記欠陥領域の下部の
みでなく、酸化タンタル膜とシリコン基板の全界面に厚
いSin。
膜が形成され、大きな容量を得るのが不可能になってし
まう。
まう。
上記下部電極としては、シリコン基板のみでなく、多結
晶シリコン膜や、たとえばチタンシリサイドなどシリサ
イド膜を使用できることはいうまでももない。また、窒
化チタン、もしくはアルミニウム(アルミニウム合金で
も同じ)を用いても、上記シリコンを用いたときと同様
に乾燥した酸化性雰囲気中において熱処理することによ
って、酸化タンタル膜の欠陥領域の下に、酸化チタン膜
もしくは酸化アルミニウム膜を、他の部分よりも厚く形
成し、上記本発明の目的を達成できる。
晶シリコン膜や、たとえばチタンシリサイドなどシリサ
イド膜を使用できることはいうまでももない。また、窒
化チタン、もしくはアルミニウム(アルミニウム合金で
も同じ)を用いても、上記シリコンを用いたときと同様
に乾燥した酸化性雰囲気中において熱処理することによ
って、酸化タンタル膜の欠陥領域の下に、酸化チタン膜
もしくは酸化アルミニウム膜を、他の部分よりも厚く形
成し、上記本発明の目的を達成できる。
3を形成した後、800℃〜1000℃の乾燥酸化雰囲
気において熱処理して、酸化タンタル膜3とシリコン基
板1の界面に二酸化シリコン膜2をヤパシタの断面図で
ある。
気において熱処理して、酸化タンタル膜3とシリコン基
板1の界面に二酸化シリコン膜2をヤパシタの断面図で
ある。
ここで、シリコン基板1と酸化タンタル膜3の界面に形
成される二酸化シリコン膜2の膜厚は酸化タンタル膜3
の膜厚と上記酸化性雰囲気での熱処理の温度に依存して
いる。この関係を第3図を用いて以下説明する。第3図
では、横軸はシリコン基板1上に形成された酸化タンタ
ル膜3の膜厚を示している。縦軸は熱処理により酸化タ
ンタル膜3とシリコン基板1の界面に形成された二酸化
シリコン膜2の膜厚を示している。熱処理温度として8
00℃とした場合、酸化タンタル膜3の膜厚が10nm
以上であると、殆んど二酸化シリコンは界面に成長しな
いが、酸化タンタル膜3の膜厚が10nmよりも薄くな
るにつれて、二酸化シリコン膜2はより厚く成長するこ
とがわかった。
成される二酸化シリコン膜2の膜厚は酸化タンタル膜3
の膜厚と上記酸化性雰囲気での熱処理の温度に依存して
いる。この関係を第3図を用いて以下説明する。第3図
では、横軸はシリコン基板1上に形成された酸化タンタ
ル膜3の膜厚を示している。縦軸は熱処理により酸化タ
ンタル膜3とシリコン基板1の界面に形成された二酸化
シリコン膜2の膜厚を示している。熱処理温度として8
00℃とした場合、酸化タンタル膜3の膜厚が10nm
以上であると、殆んど二酸化シリコンは界面に成長しな
いが、酸化タンタル膜3の膜厚が10nmよりも薄くな
るにつれて、二酸化シリコン膜2はより厚く成長するこ
とがわかった。
同様に熱処理温度を1,000℃とした場合は、膜厚が
約10nm以上の酸化タンタル膜の下に形成される5i
02膜の膜厚は約2nm以下に過ぎないが、酸化タンタ
ル膜の膜厚が10nmより薄くなると、それ下に形成さ
れるS i O2膜の膜厚は急激に大きくなる。
約10nm以上の酸化タンタル膜の下に形成される5i
02膜の膜厚は約2nm以下に過ぎないが、酸化タンタ
ル膜の膜厚が10nmより薄くなると、それ下に形成さ
れるS i O2膜の膜厚は急激に大きくなる。
従って、シリコン基板や下部電極の上に酸化タンタル膜
を形成した後、乾燥した酸化性雰囲気中で熱処理を行な
えば、第1図に示したように、酸化タンタル膜3の欠陥
領域(膜厚の薄い部分)の下は膜厚が厚く、正常な領域
(膜厚が厚い部分)の下は膜厚が薄いSiO□膜2が形
成される。そなることによって生ずる耐圧低下はぼ果的
に防止され、極めて信頼性の高いキャパシタが形成され
る。
を形成した後、乾燥した酸化性雰囲気中で熱処理を行な
えば、第1図に示したように、酸化タンタル膜3の欠陥
領域(膜厚の薄い部分)の下は膜厚が厚く、正常な領域
(膜厚が厚い部分)の下は膜厚が薄いSiO□膜2が形
成される。そなることによって生ずる耐圧低下はぼ果的
に防止され、極めて信頼性の高いキャパシタが形成され
る。
酸化タンタル膜を形成した後、上記熱処理を行なわず、
上部電極4を形成して形成されたキャパFJti:iか
ら明らかなように、上記熱処理を行なわないと、膜厚が
全面にわたって等しい、薄いSin、膜2′が形成され
る。このSio2膜2′はシリコンの自然酸化膜であり
、酸化タンタル膜を酸化性雰囲気中におけるスパッタリ
ングによって形成した場合は、その際にも若干酸化され
る。
上部電極4を形成して形成されたキャパFJti:iか
ら明らかなように、上記熱処理を行なわないと、膜厚が
全面にわたって等しい、薄いSin、膜2′が形成され
る。このSio2膜2′はシリコンの自然酸化膜であり
、酸化タンタル膜を酸化性雰囲気中におけるスパッタリ
ングによって形成した場合は、その際にも若干酸化され
る。
このS i O,膜2′は膜厚が約15nmにすぎない
ため欠陥領域(酸化タンタル膜の膜厚の薄い部分)にお
いては誘電体膜の合計の膜厚(酸化タンタル膜3とSi
n、膜2′の膜厚の和)が不十分で耐圧不良の原因とな
る。
ため欠陥領域(酸化タンタル膜の膜厚の薄い部分)にお
いては誘電体膜の合計の膜厚(酸化タンタル膜3とSi
n、膜2′の膜厚の和)が不十分で耐圧不良の原因とな
る。
また、酸化タンタル膜を形成した後の熱処理を湿った酸
化性雰囲気中において行なうと、非常に厚いSin、膜
が、欠陥領域の下のみではなく酸化タンタル膜と下部電
極の界面の全面に形成されてしまい、高い容量を得るの
は不可能になる。
化性雰囲気中において行なうと、非常に厚いSin、膜
が、欠陥領域の下のみではなく酸化タンタル膜と下部電
極の界面の全面に形成されてしまい、高い容量を得るの
は不可能になる。
従って、酸化タンタル膜を形成した後には、乾燥した雰
囲気中での熱処理を行なって、第1図に示したように、
膜厚が部分的に異なるS’i 0.膜このように、酸化
タンタル膜3には、膜厚が局所的に薄い部分(欠陥領域
)が存在し、しかも、界面に形成されるSiO□膜の膜
厚が薄く均一であると、酸化タンタル膜の膜厚が薄い部
分において耐圧が低下し、信頼性が低下する。
囲気中での熱処理を行なって、第1図に示したように、
膜厚が部分的に異なるS’i 0.膜このように、酸化
タンタル膜3には、膜厚が局所的に薄い部分(欠陥領域
)が存在し、しかも、界面に形成されるSiO□膜の膜
厚が薄く均一であると、酸化タンタル膜の膜厚が薄い部
分において耐圧が低下し、信頼性が低下する。
本発明は、酸化タンタル膜と下部電極の間の界面に、膜
厚が部分的に異なる5in2膜を、乾燥雰囲気中におけ
る熱処理によって形成する点に特において、下部電極上
に形成された酸化タンタル膜3の膜厚が75人の場合に
ついて説明する。熱処理条件としては800℃、30分
の条件選んだ。
厚が部分的に異なる5in2膜を、乾燥雰囲気中におけ
る熱処理によって形成する点に特において、下部電極上
に形成された酸化タンタル膜3の膜厚が75人の場合に
ついて説明する。熱処理条件としては800℃、30分
の条件選んだ。
上記のように、下部電極であるシリコン基板表面上に形
成される酸化タンタル膜の膜厚は均一にな膜厚75人の
酸化タンタル膜の下には、厚さ約0.5nmのSiO□
膜が成長するので、上記熱処理前に形成されていたSi
n、膜と合わせて1合計約20nm膜厚を有するSiO
2膜が形成される。本発明は、酸化タンタル膜を形成し
た後に熱処理を行なうか、第4図に示す様に、縦軸に実
効電界強度をとり、横軸に酸化タンタル膜厚をとって、
酸化性雰囲気での熱処理効果を説明する。ここで、実効
電界強度は、酸化タンタルと二酸化シリコンの二層膜の
単位面積当りの容量に等しい二酸化シリコン膜の膜厚で
キャパシタに印加される電圧で割った値であり、二酸化
シリコン膜厚換算の電界強度である。第2図において酸
化タンタル膜3の膜厚が75人である領域で実効電界強
度13 M V /cmを印加すると、熱処理を行なわ
抗ない場合には、酸化タンタル膜厚が75人よりも薄い
領域では、13MV/cmより大きい高電界が印加され
る。例えば、酸化タンタル膜3の膜厚が20人である領
域には、約19MV/cmの実効電界強度が印加されて
しまう、一方、800℃、30分の酸化性雰囲気での熱
処理を行うと、実効電界強度は酸化タンタルが75人よ
りも薄く形成されている領域では、酸化タンタルが75
A形成されている領域に13MV/cmの実効電界強度
が印加されるのに対し、それよりも低い実効電界強度が
印加される。第3図に示したように、酸化タンタル膜の
膜厚が20人である領域では上記熱処理によって約40
人の厚さS i O2膜が生長するので印加される実効
電界強度は約8MV/amに過ぎない。従って、酸化タ
ンタル膜が局所的に薄く形成されている部分では実効的
に耐圧が向上する。
成される酸化タンタル膜の膜厚は均一にな膜厚75人の
酸化タンタル膜の下には、厚さ約0.5nmのSiO□
膜が成長するので、上記熱処理前に形成されていたSi
n、膜と合わせて1合計約20nm膜厚を有するSiO
2膜が形成される。本発明は、酸化タンタル膜を形成し
た後に熱処理を行なうか、第4図に示す様に、縦軸に実
効電界強度をとり、横軸に酸化タンタル膜厚をとって、
酸化性雰囲気での熱処理効果を説明する。ここで、実効
電界強度は、酸化タンタルと二酸化シリコンの二層膜の
単位面積当りの容量に等しい二酸化シリコン膜の膜厚で
キャパシタに印加される電圧で割った値であり、二酸化
シリコン膜厚換算の電界強度である。第2図において酸
化タンタル膜3の膜厚が75人である領域で実効電界強
度13 M V /cmを印加すると、熱処理を行なわ
抗ない場合には、酸化タンタル膜厚が75人よりも薄い
領域では、13MV/cmより大きい高電界が印加され
る。例えば、酸化タンタル膜3の膜厚が20人である領
域には、約19MV/cmの実効電界強度が印加されて
しまう、一方、800℃、30分の酸化性雰囲気での熱
処理を行うと、実効電界強度は酸化タンタルが75人よ
りも薄く形成されている領域では、酸化タンタルが75
A形成されている領域に13MV/cmの実効電界強度
が印加されるのに対し、それよりも低い実効電界強度が
印加される。第3図に示したように、酸化タンタル膜の
膜厚が20人である領域では上記熱処理によって約40
人の厚さS i O2膜が生長するので印加される実効
電界強度は約8MV/amに過ぎない。従って、酸化タ
ンタル膜が局所的に薄く形成されている部分では実効的
に耐圧が向上する。
一方、誘電体膜が酸化タンタル膜と二酸化シリコン膜の
2層膜からなるキャパシタの長期信頼度については、第
5図に示す結果が得キ覧。この結果は、キャパシタに一
定の電界を印加して、キャh庚 タンタル膜とシリコン基板の界面に形成された二酸化シ
リコン膜の膜厚が50Å以上となると、キャパシタは被
壊されやすくなるが、膜厚が40Å以下の場合は、平均
寿命はかるかに長くなる。従って、酸化タンタル膜と二
酸化シリコン膜の2層膜を誘電体膜として用いたキャパ
シタにおいては、二酸化シリコン膜の膜厚を40Å以下
にすれば極めてよい結果が得られる。
2層膜からなるキャパシタの長期信頼度については、第
5図に示す結果が得キ覧。この結果は、キャパシタに一
定の電界を印加して、キャh庚 タンタル膜とシリコン基板の界面に形成された二酸化シ
リコン膜の膜厚が50Å以上となると、キャパシタは被
壊されやすくなるが、膜厚が40Å以下の場合は、平均
寿命はかるかに長くなる。従って、酸化タンタル膜と二
酸化シリコン膜の2層膜を誘電体膜として用いたキャパ
シタにおいては、二酸化シリコン膜の膜厚を40Å以下
にすれば極めてよい結果が得られる。
第6図は、膜厚75人の酸化タンタル膜およびシリコン
基板と酸化タンタル界面に形成された二酸化シリコン膜
からなる二層膜を誘電体とするキャパシタに、実効電界
強度13 M V /amを印加した場合の絶縁破壊に
至る寿命を上記二酸化シリコン膜の膜厚を20人〜60
人の範囲で変えて測定した結果を示している。第6図か
ら明らかなように、二酸化シリコン膜厚が40Å以下と
なると急激に寿命が長くなることがわかる。この原因は
、二酸化シリコン膜厚が薄くなると、電子の伝導機構が
より多く直接トンネル成分を含む様になり二酸化シリコ
ンがダメージを受けにくくなり被壊しなくなるためであ
る。酸化タンタン膜の膜厚が75人以外の場合でも同様
の結果が得られた。
基板と酸化タンタル界面に形成された二酸化シリコン膜
からなる二層膜を誘電体とするキャパシタに、実効電界
強度13 M V /amを印加した場合の絶縁破壊に
至る寿命を上記二酸化シリコン膜の膜厚を20人〜60
人の範囲で変えて測定した結果を示している。第6図か
ら明らかなように、二酸化シリコン膜厚が40Å以下と
なると急激に寿命が長くなることがわかる。この原因は
、二酸化シリコン膜厚が薄くなると、電子の伝導機構が
より多く直接トンネル成分を含む様になり二酸化シリコ
ンがダメージを受けにくくなり被壊しなくなるためであ
る。酸化タンタン膜の膜厚が75人以外の場合でも同様
の結果が得られた。
従って、酸化タンタル膜の欠陥領域以外の部分の下に形
成される二酸化シリコン膜の膜厚は40Å以下にするこ
とが好ましい。
成される二酸化シリコン膜の膜厚は40Å以下にするこ
とが好ましい。
第4図で示した様に、酸化タンタル膜3の膜厚が40人
より薄い領域では、酸化タンタル膜3とシリコン基板1
の界面に形成される二酸化シリコン膜2の膜厚は40Å
以上となる。しかし、第4図に示す様にこの領域に印加
される実効電界強度は9.5MV/amより小さくなる
。この場合、第5図に示す様に105秒以上の寿命を示
し、酸化タンタルが75人の厚さに形成されている領域
の寿命と比較しても劣らないことがわかる。従って、酸
化タンタル膜の欠陥領域の下に膜厚が40Å以上の二酸
化シリコン膜が形成されても、耐圧や平均寿命が低下す
る恐れはない。酸化タンタルのみではなく、Ti、Hf
、NbもしくはZrの酸化物についても同様な効果が認
められた。
より薄い領域では、酸化タンタル膜3とシリコン基板1
の界面に形成される二酸化シリコン膜2の膜厚は40Å
以上となる。しかし、第4図に示す様にこの領域に印加
される実効電界強度は9.5MV/amより小さくなる
。この場合、第5図に示す様に105秒以上の寿命を示
し、酸化タンタルが75人の厚さに形成されている領域
の寿命と比較しても劣らないことがわかる。従って、酸
化タンタル膜の欠陥領域の下に膜厚が40Å以上の二酸
化シリコン膜が形成されても、耐圧や平均寿命が低下す
る恐れはない。酸化タンタルのみではなく、Ti、Hf
、NbもしくはZrの酸化物についても同様な効果が認
められた。
〔実施例2〕
本実施例は、キャパシタの下部電極を多結晶シリコン膜
厚として、分離絶縁膜や素子領域上に形成することので
きる信頼度の優れたキャパシタを有°する半導体デバイ
スの例である。
厚として、分離絶縁膜や素子領域上に形成することので
きる信頼度の優れたキャパシタを有°する半導体デバイ
スの例である。
第7図は、蓄積キャパシタと転送トランジスタを有する
メモリセルの断面図を示している。第7図において記号
5はP型シリコン基板、6はゲート絶縁膜、7はフィー
ルド絶縁膜、8,9はソース、ドレインとなるn゛領域
10はキャパシタの第1の電極(下部電極)である多結
晶シリコン膜5,4はタングステン電極、12は層間絶
縁膜、11はアルミニウム配線である。13および14
は、それぞれ多結晶シリコンからなる第1のワード線お
よび第2のワード線である。ここでアルミニウム配線1
1はビット線となっている。以上の様なメモリセルで、
蓄積キャパシタの第1の電極は多結晶シリコン膜10で
あり、この多結晶シリ五 コン膜10上に、木酸化タンタル膜3と二酸化シリコン
膜2の二層膜からなる誘電体膜が形成されている。第7
図に示されているように、酸化タンタル膜3の局所的に
薄くなっている領域の下の二酸化シリコン膜2は、他の
部分よりも厚く形成されている。酸化タンタルが局所的
に薄くなっている領域以外の領域では、酸化タンタル膜
3の下の二酸化シリコン膜2の膜厚は40Å以下である
。
メモリセルの断面図を示している。第7図において記号
5はP型シリコン基板、6はゲート絶縁膜、7はフィー
ルド絶縁膜、8,9はソース、ドレインとなるn゛領域
10はキャパシタの第1の電極(下部電極)である多結
晶シリコン膜5,4はタングステン電極、12は層間絶
縁膜、11はアルミニウム配線である。13および14
は、それぞれ多結晶シリコンからなる第1のワード線お
よび第2のワード線である。ここでアルミニウム配線1
1はビット線となっている。以上の様なメモリセルで、
蓄積キャパシタの第1の電極は多結晶シリコン膜10で
あり、この多結晶シリ五 コン膜10上に、木酸化タンタル膜3と二酸化シリコン
膜2の二層膜からなる誘電体膜が形成されている。第7
図に示されているように、酸化タンタル膜3の局所的に
薄くなっている領域の下の二酸化シリコン膜2は、他の
部分よりも厚く形成されている。酸化タンタルが局所的
に薄くなっている領域以外の領域では、酸化タンタル膜
3の下の二酸化シリコン膜2の膜厚は40Å以下である
。
上部電極としてタングステン膜4を形成して形成された
キャパシタの性能は、実施例1に示したシリコン基板上
に形成したキャパシタと等しい特性を示した。第7図に
示したように、本実施例によるキャパシタは、素子領域
(転送トランジスタ)や、素子分離絶縁膜領域(厚いS
in、膜7)上にキャパシタを形成することができるの
で、高集積メモリの製造において極めて有効である。
キャパシタの性能は、実施例1に示したシリコン基板上
に形成したキャパシタと等しい特性を示した。第7図に
示したように、本実施例によるキャパシタは、素子領域
(転送トランジスタ)や、素子分離絶縁膜領域(厚いS
in、膜7)上にキャパシタを形成することができるの
で、高集積メモリの製造において極めて有効である。
酸化タンタルのみではなく、Ti、Hff Nbもしく
はZr4の酸化物を用いても同様な効果が認められた。
はZr4の酸化物を用いても同様な効果が認められた。
〔実施例3〕
第8図に示すように、表面に急峻な段差を有するシリコ
ン基板5上に、周知のスパッタリング法によって酸化タ
ンタル膜3およびタングステン膜からなる上部電極4を
形成して、キャパシタを形成する。このようにすると、
酸化タンタル膜3のうち、段差の側面上に形成された酸
化部分の膜厚は、水平部上に形成された部分の膜厚より
薄くなり、耐圧不良が生じやすい。
ン基板5上に、周知のスパッタリング法によって酸化タ
ンタル膜3およびタングステン膜からなる上部電極4を
形成して、キャパシタを形成する。このようにすると、
酸化タンタル膜3のうち、段差の側面上に形成された酸
化部分の膜厚は、水平部上に形成された部分の膜厚より
薄くなり、耐圧不良が生じやすい。
しかし、Ta205膜を段差部上に形成した後、900
℃の乾燥酸化雰囲気でのアニールを行なうと、第9図に
示したように、Ta、Os膜3の膜厚が薄い側面部では
、Ta205膜3とシリコン基板5の界面に平面部より
厚く5i02膜が形成されるので、側面部の耐圧は劣化
しないため、第8図に示すキャパシタの耐圧よりも大き
い耐圧が得られる。一方、平面部に形成されたTa20
5膜3とSi基板5の界面に形成される5in2膜は極
めて薄いので、平面部の容量は第8図に示すキャパシタ
と殆んど変わらない。従って1本発明によれば、シリコ
ン基板の段差がある領域でも、高容量、高信頼で、かつ
十分な耐圧のあるキャパシタを形成することが可能であ
る。
℃の乾燥酸化雰囲気でのアニールを行なうと、第9図に
示したように、Ta、Os膜3の膜厚が薄い側面部では
、Ta205膜3とシリコン基板5の界面に平面部より
厚く5i02膜が形成されるので、側面部の耐圧は劣化
しないため、第8図に示すキャパシタの耐圧よりも大き
い耐圧が得られる。一方、平面部に形成されたTa20
5膜3とSi基板5の界面に形成される5in2膜は極
めて薄いので、平面部の容量は第8図に示すキャパシタ
と殆んど変わらない。従って1本発明によれば、シリコ
ン基板の段差がある領域でも、高容量、高信頼で、かつ
十分な耐圧のあるキャパシタを形成することが可能であ
る。
〔実施例4〕
上記実施例では、キャパシタの下部電極として。
シリコン基板もしくは多結晶シリコン膜を用いたが1本
実施例では、下部電極として、窒化チンタン(T i
N)膜を用いた。
実施例では、下部電極として、窒化チンタン(T i
N)膜を用いた。
第10図において、記号1はシリコン基板であり、15
はキャパシタの第1の電極であるTiN膜であり、16
は酸化チタン膜であり、3は酸化タンタル膜であり、4
はキャパシタの第2の電極であるタングステン膜をそれ
ぞれ示している。本実施例では、まず、TiN膜1膜製
5リコン膜1上にTiをターゲットとして用い、N2−
Ar混合ガスによる周知の反応性スパッタリング法によ
り500人の膜厚で形成する。このTiN膜1膜上5上
ンタルをターゲットとしてAr−〇□混合ガス中での反
応性スパッタリング法により厚さ100人の酸化タンタ
ル膜3を形成した後、600℃の高温乾燥酸化性雰囲気
で熱処理を行った。この熱処理によって酸化タ、ンタル
膜3と第1の電極であるTiN膜1膜製5界面に酸化チ
タン膜16が成長する。酸化タンタル膜3上にタングス
テン膜からなる第2の(上部)電極4を形成してキャパ
シタとした。第10図に示したように、酸化タンタル膜
3の膜厚が薄くなっている領域では、この領域の下の酸
化チタン膜16の膜厚は他の部分よりも厚い。従って、
この部分は耐圧劣化の原因とならない。もし、酸化を行
なわないとすると、この部分には厚い酸化チタン膜が形
成されないので、耐圧劣化の原因となる。酸化タンタル
膜を形成した後に酸化処理を行った場合と、しない場合
での耐圧を比較したヒストグラフを第11図に示す。上
記酸化処理をすることにより、著しく耐圧が向上してい
ることがわかる。また、酸化チタンの誘電率は、5in
2よりも大きいので、キャパシタの誘電体膜の一部とし
て、酸化チタン膜を用いても、容量の低下は無視するこ
とができ、この点も極めて有利である。なお、TiNを
用いた場合、好ましい熱処理温度の範囲は500〜80
0℃である。
はキャパシタの第1の電極であるTiN膜であり、16
は酸化チタン膜であり、3は酸化タンタル膜であり、4
はキャパシタの第2の電極であるタングステン膜をそれ
ぞれ示している。本実施例では、まず、TiN膜1膜製
5リコン膜1上にTiをターゲットとして用い、N2−
Ar混合ガスによる周知の反応性スパッタリング法によ
り500人の膜厚で形成する。このTiN膜1膜上5上
ンタルをターゲットとしてAr−〇□混合ガス中での反
応性スパッタリング法により厚さ100人の酸化タンタ
ル膜3を形成した後、600℃の高温乾燥酸化性雰囲気
で熱処理を行った。この熱処理によって酸化タ、ンタル
膜3と第1の電極であるTiN膜1膜製5界面に酸化チ
タン膜16が成長する。酸化タンタル膜3上にタングス
テン膜からなる第2の(上部)電極4を形成してキャパ
シタとした。第10図に示したように、酸化タンタル膜
3の膜厚が薄くなっている領域では、この領域の下の酸
化チタン膜16の膜厚は他の部分よりも厚い。従って、
この部分は耐圧劣化の原因とならない。もし、酸化を行
なわないとすると、この部分には厚い酸化チタン膜が形
成されないので、耐圧劣化の原因となる。酸化タンタル
膜を形成した後に酸化処理を行った場合と、しない場合
での耐圧を比較したヒストグラフを第11図に示す。上
記酸化処理をすることにより、著しく耐圧が向上してい
ることがわかる。また、酸化チタンの誘電率は、5in
2よりも大きいので、キャパシタの誘電体膜の一部とし
て、酸化チタン膜を用いても、容量の低下は無視するこ
とができ、この点も極めて有利である。なお、TiNを
用いた場合、好ましい熱処理温度の範囲は500〜80
0℃である。
TiNのみではなく、NbNもしくはTaNを下部電極
として用い、酸化タンタル膜を形成した後、乾燥した酸
化性雰囲気中で500〜800℃の熱処理を行なうこと
により、キャパシタの耐圧と長期安定性を著るしく向上
できた。AQやAQ金合金AQ−Si合金など)を下部
電極として用い、上記熱処理を300〜500℃で行な
っても、良好な結果を得ることができた。また、たとえ
ば、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もしくはチタンシリサイドなど
、各種シリサイドをキャパシタの下部電極として用いる
ことができる。この場合の熱処理温度の範囲は、単結晶
シリコン基板や多結晶シリコン膜を用いたときほぼ同じ
であり、600〜1.000℃の範囲で熱処理を行なえ
ば良好な結果が得られる。上記上部電極(第2の電極′
)としては、AQ、AQ−SiなどのAQ金合金多結晶
シリコン、W、Mo、W−シリサイド、Ta−シリサイ
ド、Mo−シリサイド、Ti−シリサイドなど、電極や
配線として用いられる多くの材料を用い得ることはいう
までもない。
として用い、酸化タンタル膜を形成した後、乾燥した酸
化性雰囲気中で500〜800℃の熱処理を行なうこと
により、キャパシタの耐圧と長期安定性を著るしく向上
できた。AQやAQ金合金AQ−Si合金など)を下部
電極として用い、上記熱処理を300〜500℃で行な
っても、良好な結果を得ることができた。また、たとえ
ば、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もしくはチタンシリサイドなど
、各種シリサイドをキャパシタの下部電極として用いる
ことができる。この場合の熱処理温度の範囲は、単結晶
シリコン基板や多結晶シリコン膜を用いたときほぼ同じ
であり、600〜1.000℃の範囲で熱処理を行なえ
ば良好な結果が得られる。上記上部電極(第2の電極′
)としては、AQ、AQ−SiなどのAQ金合金多結晶
シリコン、W、Mo、W−シリサイド、Ta−シリサイ
ド、Mo−シリサイド、Ti−シリサイドなど、電極や
配線として用いられる多くの材料を用い得ることはいう
までもない。
上記熱処理が行なわれる雰囲気は、水蒸気含有量が約1
.OOOppm以下であることが好ましい。
.OOOppm以下であることが好ましい。
雰囲気中の水蒸気含有量が多いと、上記のように、欠陥
部以外の部分の下にも、厚い酸化膜が形成されてしまう
が、水蒸気含有量を1.OOOppm以下にすれば、好
ましい結果を得ることができる。
部以外の部分の下にも、厚い酸化膜が形成されてしまう
が、水蒸気含有量を1.OOOppm以下にすれば、好
ましい結果を得ることができる。
上記説明から明らかなように、本発明によれば、耐圧や
長期寿命を低下させることなしに、キャパシタの容量を
著るしく大きくすることができるので、半導体集積回路
の集積密度の向上に極めて有用である。
長期寿命を低下させることなしに、キャパシタの容量を
著るしく大きくすることができるので、半導体集積回路
の集積密度の向上に極めて有用である。
第1図は本発明の詳細な説明するための断面図、第2図
は熱処理を行なわなかったときに生ずるSin、膜の構
造を示す断面図、第3図乃至第6図は、それぞれ、本発
明の詳細な説明するための図、第7図は本発明の一実施
例を示す断面図、第8図および第9図は本発明の他の実
施例を説明するための図、第10図および第11図は、
それぞれ、本発明さらに他の実施例を説明するための断
面図およびヒストグラムである。 1・・・シリコン基板、2・・・二酸化リシコン、3・
・・酸化タンタル、4・・・タングステン、5・・・P
型シリコン、6・・・ゲート絶縁膜、7・・・フィール
ド絶縁膜、8・・・ソース、9・・・ドレイン、10・
・・多結晶シリコン、11・・・アルミニウム(ビット
線)、12・・・層間絶縁膜、13・・・多結晶シリコ
ン(ワード線)、14・・・多結晶シリコン(ワード線
)。
は熱処理を行なわなかったときに生ずるSin、膜の構
造を示す断面図、第3図乃至第6図は、それぞれ、本発
明の詳細な説明するための図、第7図は本発明の一実施
例を示す断面図、第8図および第9図は本発明の他の実
施例を説明するための図、第10図および第11図は、
それぞれ、本発明さらに他の実施例を説明するための断
面図およびヒストグラムである。 1・・・シリコン基板、2・・・二酸化リシコン、3・
・・酸化タンタル、4・・・タングステン、5・・・P
型シリコン、6・・・ゲート絶縁膜、7・・・フィール
ド絶縁膜、8・・・ソース、9・・・ドレイン、10・
・・多結晶シリコン、11・・・アルミニウム(ビット
線)、12・・・層間絶縁膜、13・・・多結晶シリコ
ン(ワード線)、14・・・多結晶シリコン(ワード線
)。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1、導電性物質からなる第1の電極と、該第1の電極上
に形成された第1の誘電体と、該第1の誘電体膜上に形
成された導電性物質からなる第2の電極と、上記第1の
電極と上記第1の誘電体膜の間に形成された第2の誘電
体膜をそなえ、上記第2の誘電体膜は、上記第1の電極
を構成する金属もしくは半導体物質の酸化物からなり、
かつ、上記第1の誘電体膜の膜厚の薄い領域の下の部分
における上記第2の誘電体膜の膜厚は、他の部分におけ
る上記第2の誘電体膜の膜厚より厚いキャパシタをそな
えた半導体装置。 2、上記第1の電極は、単結晶シリコン基板、多結晶シ
リコン膜、シリサイド膜、窒化チタン膜、アルミニウム
膜およびアルミニウム・合金膜からなる群から選ばれる
特許請求の範囲第1項記載の半導体装置。 3、上記シリサイドは、タングステン・シリサイド、モ
リブデン・シリサイド、チタン・シリサイドおよびタン
タルシリサイドから選ばれる特許請求の範囲第2項記載
の半導体装置。 4、上記第1の誘電体膜は、酸化タンタル、酸化チタン
、酸化ハフニウム、酸化ネオビウムおよび酸化ジルコニ
ウムからなる群から選ばれた材料の膜である特許請求の
範囲第1項乃至第3項記載の半導体装置。 5、上記第1の誘電体膜の膜厚が薄い領域以外の部分の
下における上記第2の誘電体膜の膜厚は40Å以下であ
る特許請求範囲第1項乃至第4項記載の半導体装置。 6、上記第2の電極は、多結晶シリコン、アルミニウム
、アルミニウム合金、タングステン、モリブデン、タン
グステン・シリサイド、モリブデン・シリサイドおよび
チタン・シリサイドなる群から選ばれた材料の膜である
特許請求の範囲第1項乃至第5項記載の半導体装置。 7、上記半導体装置はMOSトランジスタとキヤパシタ
を有する半導体記憶装置である特許請求の範囲第1項乃
至第6項記載の半導体装置。 8、上記キャパシタは上記MOSトランジスタのゲート
電極の上方から、素子分離用の厚い絶縁膜上へ延伸して
形成されている特許請求の範囲第7項記載の半導体装置
。 9、第1の電極上に第1の誘電体膜を形成する工程と乾
燥した酸化性雰囲気中で熱処理し、上記第1の誘電体膜
の膜厚の薄い部分の下では厚く、上記第1の誘電体膜の
膜厚の厚い部分の下では薄い第2の誘電体膜を上記第1
の電極と上記第1の誘電体膜の間に形成する工程および
上記第1の誘電体膜上に第2の電極を形成する工程を含
む半導体装置の製造方法。 10、上記酸化性雰囲気中の水蒸気含有量は1,000
ppm以下である特許請求の範囲第9項記載の半導体装
置の製造方法。 11、上記第1の誘電体膜はスパッタリングによって形
成される特許請求の範囲第9項乃至第10項記載の半導
体装置の製造方法。 12、上記第1の電極は単結晶シリコン基板もしくは多
結晶シリコン膜であり、上記熱処理の温度は600℃〜
1,000℃である特許請求の範囲第9項乃至第11項
記載の半導体装置の製造方法。 13、上記第1の電極はシリサイドであり上記熱処理の
温度は600℃〜1,000℃である特許請求の範囲第
9項乃至第12項記載の半導体装置の製造方法。 14、上記シリサイドは、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・シリサイドおよびチ
タン・シリサイドからなる群から選ばれる特許請求の範
囲第9項乃至第13項記載の半導体装置の製造方法。 15、上記第1の電極は窒化チタン膜、窒化ネオビウム
膜もしくは窒化タンタル膜であり、上記熱処理の温度は
500℃〜800℃である特許請求の範囲第9項乃至第
11項記載の半導体装置の製造方法。 16、上記第1の電極はアルミニウム膜もしくはアルミ
ニウム合金膜であり、上記熱処理の温度は300℃〜5
00℃である特許請求の範囲第9項乃至第11項記載の
半導体装置の製造方法。 17、上記第1の誘電体膜は、酸化 タンタル、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ネオビウ
ムおよび酸化ジルコニウムからなる群から選ばれた材料
の膜である特許請求の範囲第9項乃至第16項記載の半
導体装置の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP60-267113 | 1985-11-29 | ||
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JP2617457B2 JP2617457B2 (ja) | 1997-06-04 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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---|---|
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- 1986-11-22 KR KR1019860009883A patent/KR930010089B1/ko not_active IP Right Cessation
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1988
- 1988-09-21 US US07/247,343 patent/US4937650A/en not_active Expired - Lifetime
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