(57)【要約】      （修正有）【課題】成長温度が低温でも反応速度が早く、生産性の高いゲート絶縁膜やキャパシタンスの容量絶縁膜等に用いられる半導体装置用絶縁膜、特に酸化タンタル膜の形成方法を提供する。【解決手段】ウェット酸化法により２００〜４００℃の温度範囲でＣＶＤ法等を用いて成膜した窒化タンタル膜を熱酸化することにより、非化学量論的組成膜とアモルファス構造を有する化学量論的組成膜との積層構造を有する酸化タンタル膜を上記絶縁膜として形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置に用いられる絶縁膜を形成する方法であって、
ウェット酸化法により２００〜４００℃の温度範囲で窒化タンタル膜を熱酸化することにより、酸化タンタル膜を前記絶縁膜として形成することを特徴とする絶縁膜形成方法。
【請求項２】
請求項１に記載の絶縁膜形成方法において、
前記熱酸化は、大気雰囲気中で実行される絶縁膜形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の絶縁膜形成方法において、
前記酸化タンタル膜は、アモルファス構造を有する絶縁膜形成方法。
【請求項４】
請求項３に記載の絶縁膜形成方法において、
前記窒化タンタル膜を導電性金属窒化物上に形成し、当該窒化タンタル膜を表面酸化することにより、前記アモルファス構造を得る絶縁膜形成方法。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の絶縁膜形成方法において、
前記酸化タンタル膜は、非化学量論的組成をもつ第１の膜と化学量論的組成をもつ第２の膜との積層構造を有する絶縁膜形成方法。
【請求項６】
請求項５に記載の絶縁膜形成方法において、
前記第１および第２の膜は、それぞれタンタルサブオキサイド膜およびアモルファスＴａ２Ｏ５膜である絶縁膜形成方法。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の絶縁膜形成方法において、
前記酸化タンタル膜は、前記半導体装置中のキャパシタの容量絶縁膜として用いられる絶縁膜形成方法。
【請求項８】
請求項１乃至７いずれかに記載の絶縁膜形成方法を用いて前記酸化タンタル膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に用いられる絶縁膜の形成方法、および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｔａ２Ｏ５（酸化タンタル）を代表とする高誘電率膜は、ＤＲＡＭ等における次世代ゲート酸化膜の材料として有望である。また、ＣＭＯＳデバイスの進化に付随して生じる数多くの問題に対する解決方法の１つとして、半導体チップにＭＩＭ（Metal Insulator Metal）デカップリングコンデンサを内蔵することが挙げられる。それにより、より効果的にチップ供給用の過渡電圧を除去することができる。９０ｎｍプロセスおよびそれ以降のプロセスでは、実効周波数および瞬時需要電力の観点から、オンチップキャパシタの有効性が高まってきている。
【０００３】
そのＭＩＭデカップリングコンデンサに用いる容量絶縁膜は、誘電率が高いほど有用である。誘電率の高い材料としては、Ｔａ２Ｏ５、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２等が挙げられる。これらの製法の代表的なものとしては、ＣＶＤ、ＡＬＤ、Ｏ２プラズマ酸化法、ドライＯ２熱酸化法等が挙げられる。中でもドライＯ２熱酸化法には、手法が簡便であり、且つ装置が比較的安価であるという利点がある。
【０００４】
Ｔａ２Ｏ５の従来の形成方法は、例えば特許文献１に開示されている。同文献には、反応性ＤＣスパッタリング法またはＣＶＤ法によって形成したＴａＮ０．８を３００〜６００℃の温度範囲でドライＯ２酸化することでＴａ２Ｏ５を形成することが記載されている。
【０００５】
なお、本発明に関連する先行技術文献としては、特許文献１の他に、特許文献２が挙げられる。
【特許文献１】特開平８−２９３４９４号公報
【特許文献２】特開平５−１３６３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の形成方法では、３００〜６００℃の温度範囲でドライＯ２酸化を実行しているため、リーク特性はある程度改善するものの、反応速度が低いという問題がある。このことは、酸化タンタル膜の形成時間、ひいてはそれを備える半導体装置の製造時間の増大につながってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による絶縁膜形成方法は、半導体装置に用いられる絶縁膜を形成する方法であって、ウェット酸化法により２００〜４００℃の温度範囲で窒化タンタル膜を熱酸化することにより、酸化タンタル膜を上記絶縁膜として形成することを特徴とする。
【０００８】
この方法においては、窒化タンタル膜を２００〜４００℃の温度範囲でウェット熱酸化することで酸化タンタル膜を形成している。これにより、後に詳述するように、窒化タンタル膜を用いた比較的低温での酸化タンタル膜の形成において、その反応速度を充分に高めることができる。
また、本発明による半導体装置の製造方法は、上記絶縁膜形成方法を用いて上記酸化タンタル膜を形成する工程を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、酸化タンタル膜を短時間で得ることが可能な絶縁膜形成方法、および半導体装置の製造方法が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ、本発明による絶縁膜形成方法および半導体装置の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１〜図３を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。本実施形態においては、例として、酸化タンタル膜を容量絶縁膜として有するＭＩＭキャパシタを備える半導体装置を製造する。上記酸化タンタル膜の形成には、本発明の一実施形態に係る絶縁膜形成方法を用いる。
【００１２】
まず、スパッタリング法またはＣＶＤ法等を用いて、窒化チタン等の導電性金属窒化物からなる下部電極１１を成膜する。その上に、スパッタリング法またはＣＶＤ法等を用いて、窒化タンタル（ＴａＮ）膜１２を成膜する。下部電極１１および窒化タンタル膜１２の厚みは、例えば、それぞれ１５０ｎｍ程度および２０ｎｍ程度とされる（図１）。
【００１３】
次に、湿度が計測できる水分を含んだ酸素雰囲気の炉を用いて、２００〜４００℃の温度範囲で窒化タンタル膜１２の表面を酸化させる。このように水分を含み湿度が計測される雰囲気中で酸化させる手法をウェット熱酸化と呼ぶ。ただし、この酸化は、大気雰囲気（ROOM Air）中で実行してもよい。このとき、成膜した窒化タンタル膜１２の全てを酸化させるが、タンタル成分が残留してもよい。これにより得られる酸化タンタル膜１０は、非化学量論的組成をもつタンタルサブオキサイド膜１４（第１の膜）と、化学量論的組成をもつアモルファスＴａ２Ｏ５膜１３（第２の膜）との積層構造を有する。つまり、表面付近にＴａ２Ｏ５の化学量論的なアモルファス（非晶質）性のタンタル酸化物が形成され、下部電極１１側に薄く非化学量論的組成のタンタルサブオキサイドが形成される（図２）。
【００１４】
次に、酸化タンタル膜１０上に、金属または導電性金属窒化物からなる上部電極１５を形成する。その後、酸化タンタル膜１０の上下にある導電性の膜（上部電極１５および下部電極１１）を相異なるパターンでドライエッチングする。続いて、全面にシリコン酸化膜１６を堆積させた後、ＣＭＰで平坦化する。さらに、スルーホール１７をドライエッチングで形成し、その中にタングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）等からなる導電材料を埋め込む。
【００１５】
次に、そのスルーホール１７に接続するように、配線１８を形成する。配線１８の材料としては、上記導電材料を用いることができる。例えば、配線１８が銅配線である場合、シリコン酸化膜１６を成膜後に配線用の溝をドライエッチングで形成し、当該溝に銅めっきにより銅を埋め込んだ後にＣＭＰを施すことで配線１８を形成することができる。以上により、図３に示す半導体装置が得られる。なお、図１〜図３においては図示を省略しているが、各図に示された構造物は、実際にはシリコン基板等の半導体基板上に形成される。
【００１６】
この半導体装置においては、下部電極１１、酸化タンタル膜１０および上部電極１５によってＭＩＭキャパシタが構成されており、下部電極１１および上部電極１５に相異なる電位を与えると、酸化タンタル膜１０が容量絶縁膜として動作する。また、上記ＭＩＭキャパシタは、当該半導体装置において例えばデカップリングコンデンサとして利用される。
【００１７】
本実施形態の効果を説明する。本実施形態においては、窒化タンタル膜を２００〜４００℃の温度範囲でウェット熱酸化することで酸化タンタル膜を形成している。温度範囲をこのように設定した理由を説明する。まず、上限については、酸化タンタル膜１０のアモルファス性を保つために５００℃以下にする必要がある。さらに、先端ＬＳＩプロセス条件の規定温度に従う必要がある。上記ＭＩＭキャパシタが、トランジスタ上は勿論のことＣｕ配線上に形成される場合があることに鑑みれば、Ｃｕ凝集現象とＣＭＯＳゲート電極のＮｉＳｉの形成温度とを考慮しなければならない。かかる観点から、温度範囲の上限を４００℃以下にする必要がある。
【００１８】
次に、下限について説明すると、Ｔａのドライ熱酸化については１００〜７００℃の範囲で報告がある。５００℃未満の範囲では、アモルファスで結晶粒界の影響が少なく、その反応速度は自然対数で表現できる。３００℃におけるドライ熱酸化については、イリノイ大学の実験から次のような反応速度式が報告されている。
Thickness(nm)=4.7923・ln(t+1)  …（１）
ここで、tは反応時間（分）である。
【００１９】
この温度においてドライ酸化手法により、１５ｎｍの酸化タンタル膜を得ようとする場合、２１．９分を要する。ウェット酸化であれば、これよりも短時間で形成可能であると考えられる。Ｔ＝１５０℃を想定し、単純に係数が半減すると考える場合、同じく１５ｎｍの酸化タンタル膜を得ようとすると、５２４分を要することになる。１５０℃でも酸化は可能であるが、反応時間がこのように非現実的になってしまう。よって、温度範囲の下限を２００℃とした。
【００２０】
本実施形態によれば、以上の理由で設定された２００〜４００℃という温度範囲でウェット酸化を行うことにより、窒化タンタル膜を用いた比較的低温での酸化タンタル膜の形成において、その反応速度を充分に高めることができる。
【００２１】
また、本実施形態におけるウェット酸化法は、上述したドライＯ２熱酸化法と同様の利点、すなわち手法が簡便であり且つ装置が比較的安価であるという利点を有している。これに加えて、このウェット酸化法は、優れたリーク特性をもつアモルファス性の酸化タンタル膜を低コスト且つ高効率で形成できるという利点を有する。
【００２２】
このウェット酸化法を大気雰囲気中で実行する場合、使用する炉はドライＯ２条件よりも管理が簡便である。また、Ｏ２ガスボンベを準備する必要がないため、一層の低コスト化を図ることができる。
【００２３】
ところで、アモルファス化を目的とした低温化によって、タンタルの酸化反応速度が著しく低下してしまうことが懸念される。高温域でも酸化速度が遅いタンタル窒化物の酸化では、特にその対策は重要となる。そこで、本実施形態では、この対策として、水分を含み湿度が計測される雰囲気中で酸化を実行している。これにより、反応速度を１．５倍以上（状況に依存するが）に向上させることができる。
【００２４】
さらに、タンタル膜を導電性金属窒化物上に形成することも、タンタルの酸化反応速度の低下に対する対策の一つである。導電性金属窒化物上にスパッタリング法またはＣＶＤ法でタンタル膜を形成した場合、その結晶構造はαタンタル（bcc）になる傾向が強い。一方、例えばシリコン酸化膜上にタンタル膜を形成した場合、βタンタル（tetragonal）の方が優先的に形成される。αタンタルは、βタンタルよりも酸化効率が高いことが知られている。つまり、導電性金属窒化物上のタンタルは、他の材料上に形成したタンタルよりも酸化に対する抵抗が小さく、表面酸化に最適なタンタルであると言える。例として、窒化チタン（導電性金属窒化物）上に形成されたタンタル膜について測定された、ＸＲＤ（Ｘ線回折）による散乱スペクトルを図４に示す。このタンタル膜は、αタンタルであることがわかる。
【００２５】
本発明による絶縁膜形成方法および半導体装置の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本発明による絶縁膜形成方法は、容量絶縁膜に限らず、半導体装置に用いられる種々の絶縁膜の形成に適用することができる。例えば、ゲート絶縁膜の形成に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。
【図４】窒化チタン上に形成されたタンタル膜について測定された、ＸＲＤによる散乱スペクトルを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１０    酸化タンタル膜
１１    下部電極
１２    窒化タンタル膜
１３    アモルファスＴａ２Ｏ５膜
１４    タンタルサブオキサイド膜
１５    上部電極
１６    シリコン酸化膜
１７    スルーホール
１８    配線
【図１】
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【図２】
2008053318.tif 000004
【図３】
2008053318.tif 000005
【図４】
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