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JP2007129190A - 誘電膜形成方法、及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

誘電膜形成方法、及び半導体装置の製造方法 Download PDF

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JP2007129190A JP2006231523A JP2006231523A JP2007129190A JP 2007129190 A JP2007129190 A JP 2007129190A JP 2006231523 A JP2006231523 A JP 2006231523A JP 2006231523 A JP2006231523 A JP 2006231523A JP 2007129190 A JP2007129190 A JP 2007129190A
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Shigehiko Nakanishi
成彦 中西
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
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Abstract

【課題】キャパシタにおけるリーク電流を低減することができる半導体装置の製造方法を
提供すること。
【解決手段】本発明に係る半導体装置の製造方法は、(A)基板10上にキャパシタ60
の下部電極20を形成する工程と、(B)上記(A)工程の後、原子層蒸着装置内で、少
なくとも下部電極20を含む下地層1に対して熱処理を行う工程と、(C)上記(B)工
程に続いて、原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、原子層蒸着法によって
下地層1上に誘電膜40を形成する工程と、(D)誘電膜40上にキャパシタ60の上部
電極50を形成する工程とを有する。
【選択図】図2A

Description

本発明は、原子層蒸着(ALD: Atomic Layer Deposition)法によって薄膜を形成する技術に関する。特に、本発明は、原子層蒸着装置を用いた誘電膜形成方法、及び半導体装置の製造方法に関する。
DRAMにおいては、キャパシタがメモリセルとして用いられる。そのキャパシタからのリーク電流を低減することは、リフレッシュ動作を抑制し、DRAMの情報保持特性を向上させる上で重要である。キャパシタからのリーク電流を低減するためには、そのキャパシタの誘電膜として、欠陥が少ない誘電膜を提供することが必要である。
そのためには、先ず、誘電膜が化学的に安定に形成されることが必要である。タンタル酸化膜を誘電膜として使用するときの化学量論比(stoichiometry)の不安定の問題を特開2001−53254号公報(特許文献1)は述べている。このため、特許文献1では、タンタル酸化膜ではなく、(TaO)1−x(TiO)N膜を誘電膜として使用している。
また、製造中に、或いは使用中に誘電膜の酸素が下部電極に拡散すれば、誘電膜中の欠陥が増加し、リーク電流が増えることになる。そこで、特許文献1では、下部電極の表面処理が行われている。
また、DRAMの高集積化に伴い、キャパシタの誘電膜は、高アスペクト比形状の下部電極上に形成されるようになってきている。そのため、その誘電膜の形成方法として、従来の化学気相蒸着(CVD:Chemical Vapor Deposition)法に代わって、カバレジに優れている原子層蒸着(ALD:Atomic Layer Deposition)法が用いられるようになってきている。このALD法によれば、原子層を1層ずつ増やすことによって薄膜が形成される。これにより、均一な膜厚を有する数nm単位の薄膜を成長させることが可能となる。このようなALD法によるキャパシタの形成方法は、例えば、特開2004−56142号公報(特許文献2)に開示されている。
上記説明と関連して、特開2004−265973号公報(特許文献3)には、ゲート絶縁膜の形成方法が開示されている。ゲート電極にドープされたボロンがその後の熱処理により絶縁膜を突き抜けて基板側に移動してしまうという現象を防ぐために、基板上にシリコン窒化膜が形成され、その上に酸素を含有する高誘電体膜が形成されて、ゲート絶縁膜が形成されている。
特開2001−53254号公報 特開2004−56142号公報 特開2004−265973号公報
本発明の目的は、ALD法に基づいて欠陥の少ない誘電膜を形成することができる技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、キャパシタにおけるリーク電流を低減することができる技術を提供することにある。
本発明の更に他の目的は、DRAMの情報保持特性を向上させることができる技術を提供することにある。
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用される番号・符号を用いて、[課題を解決するための手段]を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と[発明を実施するための最良の形態]との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、[特許請求の範囲]に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
本発明の第1の観点において、半導体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、(A)基板(10)上にキャパシタ(60)の下部電極(20)を形成する工程と、(B)上記(A)工程の後、原子層蒸着装置内で、少なくとも下部電極(20)を含む下地層(1)に対して熱処理を行う工程と、(C)上記(B)工程に続いて、原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、原子層蒸着法によって下地層(1)上に誘電膜(40)を形成する工程と、(D)誘電膜(40)上にキャパシタ(60)の上部電極(50)を形成する工程とを有する。
上記(B)工程において、熱処理は、500℃以上の温度で行われる。その熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる、又は、真空中で行われる。
上記下地層(1)の表面は、下部電極(20)であってもよい。その場合、キャパシタ(60)は、MIM(Metal−Insulator−Metal)構造を有する。あるいは、上記下地層(1)の表面は、酸化防止膜(30)であってもよい。その場合、上記(A)工程と上記(B)工程の間において、(E)下部電極(20)上に酸化防止膜(30)が形成される。酸化防止膜(30)としては、窒化シリコン膜やシリコンオキシ窒化膜が例示される。
ALD法によって形成される誘電膜(40)は、酸化アルミニウム,酸化ハフニウム,HfAlO,HfSiO,HfSiON,Ta,ZrO,Y,V,TiO,Nb,及びCeOからなるグループから選択される少なくとも1つの金属酸化物膜を含む。
本発明の第2の観点において、誘電膜の形成方法が提供される。その形成方法は、(a)下地層(1)を提供する工程と、(b)上記(a)工程の後に、原子層蒸着装置内で、下地層(1)に対して熱処理を行う工程と、(c)上記(b)工程に続いて、原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、原子層蒸着法によって下地層(1)上に誘電膜(6)を形成する工程とを有する。
上記(b)工程において、熱処理は、500℃以上の温度で行われる。その熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる、又は、真空中で行われる。
本発明によれば、ALD法によって誘電膜が形成される。ここで、その誘電膜の形成の前処理として、原子層蒸着装置内で下地層に対して熱処理が行われる。この熱処理によって、下地層表面に吸着した水分や有機物が除去される。その後連続して、大気開放を行うこと無く、下地層上に誘電膜が形成される。すなわち、清浄な下地層表面上に誘電膜が形成される。これにより、下地層と誘電膜との界面における欠陥の発生が防止される。
このように、本発明によれば、ALD法によって、欠陥の少ない誘電膜を形成することが可能となる。従って、その誘電膜を含むキャパシタにおけるリーク電流が低減される。そのキャパシタをメモリセルとして用いるDRAMにおいては、リフレッシュサイクルが小さくなり、情報保持特性が向上する。また、リフレッシュ動作が抑えられるため、DRAMの消費電力が低減される。
添付図面を参照して、本発明に係る誘電膜形成方法、及び半導体装置のキャパシタの製造方法を説明する。その半導体装置としてDRAMが例示され、本発明によって製造されるキャパシタは、そのDRAMのメモリセルとして用いられる。
(構造)
図1は、本発明の第1実施形態に係るDRAMのキャパシタの構造を示す断面図である。図1において、半導体基板10上に、キャパシタ60が形成されている。そのキャパシタ60は、層間絶縁膜15及び25によって囲まれている。キャパシタ60は、下部電極20、酸化防止膜30、誘電膜40、及び上部電極50から構成されている。具体的には、下部電極20上に、酸化防止膜30を介して誘電膜40が形成されており、その誘電膜40上に上部電極50が形成されている。
下部電極20は、例えばポリシリコンから形成されている。表面積を増大させるために、そのポリシリコンの下部電極20は、円筒状の立体構造を有している。酸化防止膜30としては、窒化シリコン膜等の窒素含有膜が例示される。上部電極50は、例えばTiN膜である。
酸化防止膜30と上部電極50の間に形成される誘電膜40は、例えば酸化アルミニウム膜である。誘電膜40としては他に、酸化ハフニウム,Ta,ZrO,Y,V,TiO,Nb,CeOなどの金属酸化物膜の1つ、もしくはそれらの積層膜が挙げられる。また、誘電膜40は、HfAlO、HfSiO、HfSiONなどの金属酸化物膜であってもよい。上述の通り、下部電極20は円筒状の王冠構造を有しており、キャパシタ60の誘電膜40は、高アスペクト比形状の構造上に形成される。そのため、後述されるように、本実施形態に係る誘電膜40は、原子層蒸着(ALD)法によって形成される。
(製造方法)
図1に示された第1実施形態のキャパシタ60の製造方法は、次の通りである。まず、基板10上に、キャパシタ60の下部電極20が形成される。次に、下部電極20上に、酸化防止膜30として窒化シリコン膜等の窒素含有膜が、2nm程度の膜厚を有するように形成される。次に、ALD法を用いることによって、酸化防止膜30上に、誘電膜40として金属酸化物膜が形成される。次に、誘電膜40上に、上部電極50としてTiN膜が形成される。
本発明は、上記誘電膜40の形成工程に特徴を有しており、以下、その形成工程が詳しく説明される。本実施形態において、誘電膜40は、図示されない原子層蒸着装置を用いて形成される。この原子層蒸着装置は、ALD法に基づいてターゲット上に薄膜を形成することができる。また、その原子層蒸着装置は、ヒータを有しており、そのターゲットに高い温度を加えることができる。
図2A〜図2Fは、ALD法による誘電膜40の形成工程を模式的に示している。誘電膜40は、所定の下地層1上に形成される。本実施形態によれば、その下地層1は、下部電極20及び酸化防止膜30であり、その下地層1の表面は、酸化防止膜30である。
まず、下地層1が形成された半導体基板10が、原子層蒸着装置のチャンバ内に設置される。次に、図2Aに示されるように、原子層蒸着装置内で、下地層1に対して熱処理が行われる。その熱処理は、500℃以上600℃程度の温度で行われる。また、その熱処理は、窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行われる。あるいは、その熱処理は、真空中で行われてもよい。このように、この熱処理では、半導体基板10は酸素雰囲気に曝されることは無い。この熱処理によって、下地層1の表面に吸着した水分や有機物が除去され、水分および有機物の「脱ガス処理」が行われる。
上記熱処理の後、原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、連続して、誘電膜40の形成プロセスが実行される。つまり、上記熱処理に続いて、大気開放を行うことなく、誘電膜40が下地層1上に形成される。これにより、清浄な下地層1の表面上に誘電膜40が形成されることになる。
誘電膜40としては、例えば、酸化アルミニウム膜が形成される。その酸化アルミニウム膜は、原子層蒸着装置内で、400℃の温度条件下、ALD法によって形成される。酸化アルミニウムの材料化合物として、例えば、TMA(トリメチルアルミニウム)が用いられる。また、酸化反応に必要な材料ガスとして、例えば、Oガスが用いられる。
より具体的には、図2Bに示されるように、まずTMA(第1物質)2がチャンバ内に導入される。これにより、TMA2が、下地層1の表面上に化学的に吸着する。吸着しなかったTMA2は、パージあるいは真空パージによってチャンバから排出される。その結果、図2Cに示されるように、下地層1の表面上にTMA膜(第1物質膜)3が形成される。
次に、図2Dに示されるように、酸素ラジカルを発生させることができる材料ガスとして、Oガス(第2物質)4がチャンバ内に導入される。そのOガス4が上記TMA膜3と化学的に反応することによって、金属酸化物としての酸化アルミニウムが形成される。TMA2に含まれる水素や炭素等、下地層1に蒸着されない物質は、不活性ガスを用いたパージあるいは真空パージによってチャンバから排出される。その結果、図2Eに示されるように、下地層1の表面上に酸化アルミニウム膜(金属酸化物膜)5が形成される。この金属酸化物膜5は、所望の物質の原子サイズ程度の膜厚を有する原子層である。
以降、TMA2とOガス4を交互に供給し、同様のプロセスを繰り返すことによって、酸化アルミニウム膜5が順番に積みあがっていく。その結果、図2Fに示されるように、下地層1上に所望の膜厚を有する誘電膜6が形成される。
上記説明では、酸化アルミニウム膜が例示されたが、ALD法により形成される誘電膜6は、酸化ハフニウム,Ta,ZrO,Y,V,TiO,Nb,CeOなどの金属酸化物膜の1つ、もしくはそれらの積層膜であってもよい。また、ALD法により形成される誘電膜6は、HfAlO、HfSiO、HfSiONなどの金属酸化物膜であってもよい。
(効果)
本実施形態では、下部電極20の上には窒化シリコン膜が酸化防止膜30として予め形成されている。その後、誘電膜が形成されるとき、半導体基板が原子層蒸着装置内に載置され、そこで表面処理が行われて自然酸化膜等が取り除かれる。その後、大気に開放することなく、誘電膜が酸化防止膜の上に形成される。特開2001−53254号公報では、LPCVD装置内に基板が載置された後、表面処理が行われ、シリコン窒化膜が形成され、続いて誘電体膜が形成されている。また、特開2004−265973号公報も同様である。従って、本実施形態は、これらの従来技術とは製造工程が異なる。
誘電膜40の形成前の下地層1の表面には、水分および有機物が吸着している。このような水分や有機物は、500℃以下の低温熱処理では脱ガスされない。ALD法を用いた誘電膜の形成時の温度は一般に500℃以下であり、そのような低温下における通常プロセスでは、水分や有機物が除去されないことになる。この場合、誘電膜は、水分や有機物が吸着した下地層1の表面上に形成されることになる。このことは、下地層1と形成される誘電膜との界面に欠陥が発生する原因となる。
本実施形態によれば、誘電膜40の形成の前処理として、下地層1に対して500℃以上600℃程度の温度条件下で熱処理が行われる。この温度での熱処理によって、下地層1表面に吸着した水分や有機物が除去される。その後連続して、大気開放を行うこと無く、下地層1上に誘電膜40がALD法によって形成される。すなわち、清浄な下地層1の表面上に誘電膜40が形成される。これにより、下地層1と形成される誘電膜40との界面における欠陥の発生が防止される。
このように、本実施形態によれば、ALD法によって、欠陥の少ない誘電膜40を形成することが可能となる。従って、その誘電膜40を含むキャパシタ60におけるリーク電流が低減される。そのキャパシタ60をメモリセルとして用いるDRAMにおいては、リフレッシュサイクルが小さくなり、情報保持特性が向上する。また、リフレッシュ動作が抑えられるため、DRAMの消費電力が低減される。
(変形例)
キャパシタ60は、MIM(Metal−Insulator−Metal)構造を有していてもよい。そのようなMIM構造を有するキャパシタ60が、図3に示されている。図1に示された構造との比較において、酸化防止膜30が省かれている。すなわち、下部電極20上に誘電膜40が形成されており、その誘電膜40上に上部電極50が形成されている。下部電極20は、例えばTiN膜である。ALD法で形成される誘電膜40としては、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム,Ta,ZrO,Y,V,TiO,Nb,CeO,HfAlO、HfSiO、HfSiONなどの金属酸化物膜の1つ、もしくはそれらの積層膜が挙げられる。上部電極50は、例えばTiN膜である。
誘電膜40は、上記図2A〜図2Fで示されたプロセスと同様のプロセスに従って形成される。但し、本変形例によれば、下地層1の表面は下部電極20である。この場合であっても同様に、欠陥の少ない誘電膜40が形成される。従って、その誘電膜40を含むキャパシタ60におけるリーク電流が低減される。そのキャパシタ60をメモリセルとして用いるDRAMの情報保持特性が向上し、また、そのDRAMの消費電力が低減される。
次に、本発明の第2実施形態による半導体装置のキャパシタの製造方法について説明する。第2実施形態の半導体装置は、第1実施形態と同様の構造を有している。第2実施形態では、誘電膜からの酸素の拡散を防止するために、酸化防止膜30として酸化シリコン膜またはシリコンオキシ窒化膜が下部電極上に形成される。即ち、ALD法により酸化アルミニウム膜を形成する前処理として、原子層蒸着装置内で500℃以上600℃程度の温度で下地層を酸素雰囲気に曝した熱処理を行い、予め欠陥の少ない酸化シリコン膜を、下部電極を含む下地に、2nm程度の膜厚を有するように形成する。続いて、欠陥の少ない酸化酸化膜の上に、第1実施形態と同様にして、酸化アルミニウム膜が形成される。酸化アルミニウム膜は400℃で、上記のように、TMAとOガスを用いて形成される。本実施形態による熱処理には、酸素(O)ガスが用いられる。熱処理装置にはRTP(急速加熱装置)を用いることができる。これにより、リーク電流の低減が図れる。尚、酸素(酸化)雰囲気には、NOガス、NOガス、Oがスを用いてもよい。また、熱処理装置には、拡散炉を用いてもよい。
ALD法による誘電膜の形成前の下地表面には水分及び有機物が吸着していて、自然酸化膜が形成されている。このため、この自然酸化膜が形成された下地表面上に誘電膜が形成されることになり、下地/誘電膜界面では欠陥の多い酸化膜層が形成され、高い漏れ電流を有するキャパシタが形成され易い。或いは、誘電膜(酸化膜)形成時やその後の熱処理で誘電膜中の酸素が下地に拡散して下地/誘電膜界面に欠陥の多い酸化膜層が形成され易い。本実施形態では、ALD法による誘電膜の形成の前処理として、下地を酸素(酸化)雰囲気に曝した熱処理が行われる。この熱処理により下地/誘電膜界面には欠陥が少ない酸化膜が形成される。従って、誘電膜の酸素が下部電極に拡散することがほとんど無くなるので、低いリーク電流を有するキャパシタを形成することができる。
図1は、本発明の第1実施形態に係る半導体装置の構造を示す断面図である。 図2Aは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図2Bは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図2Cは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図2Dは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図2Eは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図2Fは、本実施の形態に係る原子層蒸着法による誘電膜の形成工程を示す模式図である。 図3は、本発明の実施の形態に係る半導体装置の変形例を示す断面図である。
符号の説明
1 下地層
2 第1物質
3 第1物質膜
4 第2物質
5 金属酸化物薄膜
6 誘電膜
10 半導体基板
15 層間絶縁膜
20 下部電極
25 層間絶縁膜
30 酸化防止膜
40 誘電膜
50 上部電極
60 キャパシタ

Claims (15)

  1. (A)基板上にキャパシタの下部電極を形成する工程と、
    (B)前記(A)工程の後、原子層蒸着装置内で、少なくとも前記下部電極を含む下地層に対して熱処理を行う工程と、
    (C)前記(B)工程に続いて、前記原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、原子層蒸着法によって前記下地層上に誘電膜を形成する工程と、
    (D)前記誘電膜上に前記キャパシタの上部電極を形成する工程と
    を有する
    半導体装置の製造方法。
  2. 請求項1に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記(B)工程において、前記熱処理は、500℃以上の温度で行われる
    半導体装置の製造方法。
  3. 請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記(B)工程において、前記熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる
    半導体装置の製造方法。
  4. 請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記(B)工程において、前記熱処理は、真空中で行われる
    半導体装置の製造方法。
  5. 請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記(B)工程において、前記熱処理は、酸化雰囲気中で行われる
    半導体装置の製造方法。
  6. 請求項1乃至5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記下地層の表面は、前記下部電極である
    半導体装置の製造方法。
  7. 請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    (E)前記(A)工程と前記(B)工程の間に、前記下部電極上に酸化防止膜を形成する工程を更に有し、
    前記下地層の表面は、前記酸化防止膜である
    半導体装置の製造方法。
  8. 請求項5に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記(B)工程は、前記下部電極上に酸化膜を形成する工程を有し、
    前記下地層の表面は、前記酸化防止膜としての前記酸化膜である
    半導体装置の製造方法。
  9. 請求項7又は8に記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記酸化防止膜は、窒化シリコン膜、又はシリコンオキシ窒化膜である
    半導体装置の製造方法。
  10. 請求項1乃至9のいずれかに記載の半導体装置の製造方法であって、
    前記誘電膜は、酸化アルミニウム,酸化ハフニウム,HfAlO,HfSiO,HfSiON,Ta,ZrO,Y,V,TiO,Nb,及びCeOからなるグループから選択される少なくとも1つの金属酸化物膜を含む
    半導体装置の製造方法。
  11. (a)下地層を提供する工程と、
    (b)前記(a)工程の後に、原子層蒸着装置内で、前記下地層に対して熱処理を行う工程と、
    (c)前記(b)工程に続いて、前記原子層蒸着装置のチャンバを大気開放することなく、原子層蒸着法によって前記下地層上に誘電膜を形成する工程と
    を有する
    誘電膜形成方法。
  12. 請求項11に記載の誘電膜形成方法であって、
    前記(b)工程において、前記熱処理は、500℃以上の温度で行われる
    誘電膜形成方法。
  13. 請求項11又は12に記載の誘電膜形成方法であって、
    前記(b)工程において、前記熱処理は、不活性ガス雰囲気中で行われる
    誘電膜形成方法。
  14. 請求項11又は12に記載の誘電膜形成方法であって、
    前記(b)工程において、前記熱処理は、真空中で行われる
    誘電膜形成方法。
  15. 請求項11又は12に記載の誘電膜形成方法であって、
    前記(b)工程において、前記熱処理は、酸化雰囲気中で行われる
    誘電膜形成方法。
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