(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子のキャパシタ製造方法において、
拡散防止膜を含む所定の構造が形成された半導体基板を反応炉に装着した後、前記反応炉を所定の温度と圧力に維持する段階と、
前記反応炉にＲｕの原料物質及び酸素を流入させて前記拡散防止膜を含む前記半導体基板上にＲｕ膜を所定の厚さで形成する過程と前記Ｒｕ膜にＮＨ３プラズマ処理を施し前記Ｒｕ膜内の酸素を除去する過程とを繰り返して前記Ｒｕ膜を所望の厚さで形成する段階と、
前記Ｒｕ膜をパターニングして下部電極を形成した後、全体構造上に誘電体膜及び上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項２】
前記反応炉は２５０〜３５０℃の温度と０．１〜１０Ｔｏｒｒの圧力に維持することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項３】
前記Ｒｕの原料物質は気相状態のトリ（２、４−オクタネジオネート）ルテニウムまたはビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項４】
前記酸素は５０〜８００ｓｃｃｍの量で流入させることを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項５】
前記ＮＨ３プラズマ処理はＲＦ電力を３０〜５００Ｗ印加し、ＮＨ３ガスを１０〜１０００ｓｃｃｍの量で流入させて１分〜５分間施すことを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項６】
前記誘電体膜はＴａ２Ｏ５膜を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項７】
前記Ｔａ２Ｏ５膜は前記半導体基板が装着された反応炉の温度を３００〜４５０℃に維持し、圧力を０．１〜２Ｔｏｒｒに維持した状態でタンタルエチラート（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）を気相状態で流入させ、１０〜１０００ｓｃｃｍの酸素を流入させて形成することを特徴とする請求項６記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項８】
前記誘電体膜を形成した後３００〜５００℃の温度でＮ２ＯプラズマまたはＵＶ／Ｏ３処理を施し、Ｎ２ガスとＯ２ガスを用いて急速熱処理工程を施す段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項９】
前記上部電極はＴｉＮ膜またはＲｕ膜のどちらかで形成することを特徴とする請求項１記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１０】
半導体素子のキャパシタ製造方法において、
拡散防止膜を含む所定の構造が形成された半導体基板を反応炉に装着した後、前記反応炉を所定の温度及び圧力に維持する段階と、
前記反応炉にＲｕの原料物質及び酸素及びＮＨ３ガスを流入させて酸素によって前記Ｒｕの原料物質を分解させて前記ＮＨ３ガスによって酸素を還元させて拡散防止膜を含む前記半導体基板上にＲｕ膜を所定の厚さで形成する過程と前記Ｒｕ膜にＮＨ３プラズマ処理を施し前記Ｒｕ膜内に存在する酸素を除去する過程とを繰り返して前記Ｒｕ膜を所望の厚さで形成する段階と、
前記Ｒｕ膜をパターニングして下部電極を形成した後、全体構造上に誘電体膜及び上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１１】
前記反応炉は２５０〜３５０℃の温度と０．１〜１０Ｔｏｒｒの圧力に維持することを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１２】
前記Ｒｕの原料物質は気相状態のトリ（２、４−オクタネジオネート）ルテニウムまたはビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムを含むことを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１３】
前記酸素は１０〜１００ｓｃｃｍの量で流入させることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１４】
前記ＮＨ３ガスは１００〜２０００ｓｃｃｍの量で流入させることを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１５】
前記ＮＨ３プラズマ処理はＲＦ電力を３０〜５００Ｗ印加し、ＮＨ３ガスを１０〜１０００ｓｃｃｍの量で流入させて１分〜５分間施すことを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１６】
前記誘電体膜はＴａ２Ｏ５膜を含むことを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１７】
前記Ｔａ２Ｏ５膜は前記半導体基板が装着された反応炉の温度を３００〜４５０℃に維持し、圧力を０．１〜２Ｔｏｒｒに維持した状態でタンタルエチラート（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）を気相状態で流入させ、１０〜１０００ｓｃｃｍの酸素を流入させて形成することを特徴とする請求項１６記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１８】
前記誘電体膜を形成した後、３００〜５００℃の温度でＮ２ＯプラズマまたはＵＶ／Ｏ３処理を施し、Ｎ２ガスとＯ２ガスを用いて急速熱処理工程を施す段階をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１９】
前記上部電極はＴｉＮ膜またはＲｕ膜のどちらかで形成することを特徴とする請求項１０記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のキャパシタ製造方法に係り、特にＴａ2Ｏ5膜を誘電体膜とするキャパシタの下部電極としてＲｕ膜をＲｕの原料物質と酸素及びＮＨ3を流入させて形成することにより酸素を還元するか、後続工程としてＮＨ3プラズマ処理を施してＲｕ膜の表面に存在する酸素を除去することにより、Ｔａ2Ｏ5膜を蒸着した後実施する熱処理工程においてＲｕ膜に存在する酸素によって拡散防止膜が酸化されることを防止して素子の信頼性を向上させることができる半導体素子のキャパシタ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
素子の集積度が増加するにつれて、Ｔａ2Ｏ5膜を誘電体膜として使用するキャパシタの静電容量を確保するためにはＴａ2Ｏ5膜の膜厚を薄くしなければならない。しかし、これは漏洩電流を増加させる原因となる。かかる問題を解決するために、キャパシタの下部電極を金属で形成することにより誘電体膜の膜厚を薄くして静電容量を確保するが、このような下部電極の膜質に応じて漏洩電流特性も改善することができる。
【０００３】
下部電極として多く用いられるＲｕ膜はトリ（２，３−オクタネジオネート）ルテニウム(Tri(2,4-octanedionato)ruthenium)を原料物質としてＬＰＣＶＤ法で蒸着する。この際、反応ガスとして酸素を用いるが、酸素ガスが原料物質としてのトリ（２，４−オクタネジオネート）ルテニウムの分子構造を破ってＲｕ蒸着を容易にする役割を果たす。しかし、反応ガスとして酸素を用いると、Ｒｕ膜内に酸素が存在することになって、Ｔａ2Ｏ5膜を蒸着した後熱処理工程を行うことにより、下部に形成された拡散防止膜としてのＴｉＮ膜を酸化させて二重キャパシタを形成するか、フィルムリフティング(film lifting)現象を発生させる虞がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、下部電極としてＲｕ膜を形成する際に、Ｒｕ膜を形成するための反応ガスとしての酸素を還元することにより、下部の拡散防止膜が酸化されることを防止することができる半導体素子のキャパシタ製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1実施例では、Ｒｕの原料物質と酸素及びＮＨ3を流入させてＲｕ膜内に酸素により原料物質を分解させ、ＮＨ3によって酸素を還元してＲｕ膜内に酸素が存在しないようにする。
【０００６】
また、本発明の第２実施例では、Ｒｕの原料物質と酸素を流入させてＲｕ膜を所定の厚さに蒸着した後、ＮＨ3プラズマ処理を行ってＲｕ膜内の酸素を除去する過程を所望の厚さとなるまで行う。
【０００７】
更に、本発明の第３実施例では、Ｒｕの原料物質と酸素及びＮＨ3ガスを流入させて酸素によって原料物質を分解させ、ＮＨ3によって酸素を還元してＲｕ膜を所定の厚さに蒸着した後、ＮＨ3プラズマ処理を行ってＲｕ膜内に存在する酸素を除去する過程を所望の厚さとなるまで行う。
【０００８】
本発明の第１実施例は、所定の構造が形成された半導体基板を反応炉に装着した後、前記反応炉を所定の温度と圧力に維持する段階と、前記反応炉にＲｕの原料物質、酸素及びＮＨ3ガスを流入させて前記半導体基板上にＲｕ膜を形成する段階と、前記Ｒｕ膜をパターニングして下部電極を形成した後、全体構造上に誘電体膜及び上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第２実施例は、所定の構造が形成された半導体基板を反応炉に装着した後、前記反応炉を所定の温度と圧力に維持する段階と、前記反応炉にＲｕの原料物質及び酸素を流入させて前記半導体基板上にＲｕ膜を形成した後、前記Ｒｕ膜にＮＨ3プラズマ処理を行う段階と、前記Ｒｕ膜をパターニングして下部電極を形成した後、全体構造上に誘電体膜及び上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【００１０】
更に、本発明の第３実施例は、所定の構造が形成された半導体基板を反応炉に装着した後、前記反応炉を所定の温度及び圧力に維持する段階と、前記反応炉にＲｕの原料物質、酸素及びＮＨ3ガスを流入させてＲｕ膜を形成した後、前記Ｒｕ膜にＮＨ3プラズマ処理を行う段階と、前記Ｒｕ膜をパターニングして下部電極を形成した後、全体構造上に誘電体膜及び上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴とする。
【００１１】
以下、添付図に基づいて本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１ａ〜図１ｃは本発明の第１実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【００１３】
図１ａを参照すると、所定の構造が形成された半導体基板１１上に層間絶縁膜１２を形成した後、層間絶縁膜１２の所定の領域をエッチングして半導体基板１１の所定の領域を露出させるコンタクトホールを形成する。コンタクトホールにコンタクトプラグ１３、オーミックコンタクト層１４及び拡散防止膜１５を順次積層して埋め込む。一般に、コンタクトプラグ１３としてはポリシリコン膜が、オーミックコンタクト層１４としてはＴｉ膜が、拡散防止膜１５としてはＴｉＮ膜が用いられる。全体構造上に酸化膜１６を形成した後、コンタクトホールが露出するようにパターニングする。
【００１４】
図１ｂを参照すると、ウェーハをチャンバに装着した後、２５０〜３５０℃程度の温度と０.１〜１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に維持する。チャンバ内にＲｕの原料物質である気相状態のトリ（２，４−オクタネジオネート）ルテニウムまたはビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムと酸素、そしてＮＨ3ガスを流入させてＲｕ膜１７を１００〜５００Åの厚さに蒸着する。この際、酸素は原料物質を分解させるための反応ガスであって１０〜１００ｓｃｃｍの量で流入させ、ＮＨ3ガスは酸素を還元するためのもので、１００〜２０００ｓｃｃｍの量で流入させる。
【００１５】
図１ｃを参照すると、酸化膜１６上に形成されたＲｕ膜１７を除去した後、酸化膜を除去してシリンダ型下部電極を形成する。下部電極を含む全体構造上にＴａ2Ｏ5膜１８を形成する。Ｔａ2Ｏ5膜１８はウェーハが装着されたチャンバの温度を３００〜４５０℃に維持し、圧力を０.１〜２Ｔｏｒｒに維持した状態で原料物質としてのタンタルエチラート（Ｔａ（ＯＣ2Ｈ5）5）を気相状態で流入させ、１０〜１０００ｓｃｃｍの酸素を流入させて形成する。タンタルエチレートは１７０〜１９０℃を維持する気化器で気相状態に作る。Ｔａ2Ｏ5膜１８に存在する炭素を除去するために、Ｎ2Ｏプラズマ、Ｏ2プラズマまたはＮ2とＯ2との混合プラズマ処理を施す。また、Ｔａ2Ｏ5膜１８を結晶化するために、５００〜７００℃の温度で１分〜５分間急速熱処理工程を行う。そして、全体構造上にＴｉＮ膜またはＲｕ膜を蒸着して上部電極１９を形成する。上部電極１９として用いられるＲｕ膜を蒸着するためには下部電極として用いられるＲｕ膜の形成方法と同様の方法で形成するか、別の一般的な方法で形成する。
【００１６】
図２ａ乃至図２ｄは本発明の第２実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【００１７】
図２ａを参照すると、所定の構造が形成された半導体基板２１上に層間絶縁膜２２を形成した後、層間絶縁膜２２の所定の領域をエッチングして半導体基板２１の所定の領域を露出させるコンタクトホールを形成する。コンタクトホールにコンタクトプラグ２３、オーミックコンタクト層２４及び拡散防止膜２５を順次積層して埋め込む。一般に、コンタクトプラグ２３としてはポリシリコン膜が、オーミックコンタクト層２４としてはＴｉ膜が、拡散防止膜２５としてはＴｉＮ膜が用いられる。全体構造上に酸化膜２６を形成した後、コンタクトホールが露出するようにパターニングする。
【００１８】
図２ｂを参照すると、ウェーハをチャンバに装着した後、２５０〜３５０℃程度の温度と０.１〜１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に維持する。チャンバ内にＲｕの原料物質である気相状態のトリ（２，４−オクタネジオネート）ルテニウムまたはビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムと酸素を流入させてＲｕ膜２７を１００〜５００Åの厚さに蒸着する。この際、酸素は原料物質を分解させるための反応ガスであって５０〜８００ｓｃｃｍの量で流入させる。
【００１９】
図２ｃを参照すると、Ｒｕの原料物質と酸素の流入を中止した状態でＲｕ膜２７にＮＨ3プラズマ処理を行ってＲｕ膜２７の表面に存在する酸素を除去する。この際、ＮＨ3プラズマ処理はＲＦ電力を３０〜５００Ｗとし、ＮＨ3ガスの注入量を１０〜１０００ｓｃｃｍ程度として１分〜５分間行う。このようなＲｕ膜２７の蒸着及びプラズマ処理を繰り返し行って所望の厚さにＲｕ膜２７を形成する。
【００２０】
図２ｄを参照すると、酸化膜２６上に形成されたＲｕ膜２７を除去した後、酸化膜を除去してシリンダ形下部電極を形成する。下部電極を含む全体構造上にＴａ２Ｏ５膜２８を形成する。Ｔａ２Ｏ５膜２８はウェーハが装着されたチャンバの温度を３００〜４５０℃に維持し、圧力を０．１〜２Ｔｏｒｒに維持した状態で原料物質としてのタンタルエチラート（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５を気相状態で流入させ、１０〜１０００ｓｃｃｍの酸素を流入させて形成する。タンタルエチラートは１７０〜１９０℃を維持する気化器で気相状態に作る。Ｔａ２Ｏ５膜２８に存在する炭素を除去するために、３００〜５００℃程度の温度でＮ２ＯプラズマまたはＵＶ／Ｏ３処理を行う。また、Ｔａ２Ｏ５膜２８をＮ２ガスとＯ２ガスを用いて急速熱処理工程を行う。そして、全体構造上にＴｉＮ膜またはＲｕ膜を蒸着して上部電極２９を形成する。上部電極２９として用いられるＲｕ膜を蒸着するためには下部電極として用いられるＲｕ膜の形成方法と同様の方法で形成するか、別の一般的な方法で形成する。
【００２１】
図３ａ〜図３ｄは本発明の第３実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【００２２】
図３ａを参照すると、所定の構造が形成された半導体基板３１上に層間絶縁膜３２を形成した後、層間絶縁膜３２の所定の領域をエッチングして半導体基板３１の所定の領域を露出させるコンタクトホールを形成する。コンタクトホールにコンタクトプラグ３３、オーミックコンタクト層３４及び拡散防止膜３５を順次積層して埋め込む。一般に、コンタクトプラグ３３としてはポリシリコン膜が、オーミックコンタクト層３４としてはＴｉ膜が、拡散防止膜３５としてはＴｉＮ膜が用いられる。全体構造上に酸化膜３６を形成した後、コンタクトホールが露出するようにパターニングする。
【００２３】
図３ｂを参照すると、ウェーハをチャンバに装着した後、２５０〜３５０℃程度の温度と０.１〜１０Ｔｏｒｒ程度の圧力に維持する。チャンバ内にＲｕの原料物質である気相状態のトリ（２，４−オクタネジオネート）ルテニウムまたはビス（エチルシクロペンタジエニル）ルテニウムと酸素、そしてＮＨ3ガスを流入させてＲｕ膜３７を蒸着する。この際、酸素は原料物質を分解させるための反応ガスであって１０〜１００ｓｃｃｍの量で流入させ、ＮＨ3ガスは酸素を還元するためのもので、１００〜２０００ｓｃｃｍの量で流入させる。
【００２４】
図３ｃを参照すると、Ｒｕの原料物質と酸素の流入を中止した状態でＲｕ膜３７にＮＨ3プラズマ処理を施してＲｕ膜３７の表面に存在する酸素を除去する。この際、ＮＨ3プラズマ処理はＲＦ電力を３０〜５００Ｗとし、ＮＨ3ガスの注入量を１０〜１０００ｓｃｃｍ程度として１分〜５分間施す。このようなＲｕ膜の蒸着及びプラズマ処理を繰り返し行って所望の厚さにＲｕ膜３７を形成する。
【００２５】
図３ｄを参照すると、酸化膜３６上に形成されたＲｕ膜３７を除去した後、酸化膜を除去してシリンダ型下部電極を形成する。下部電極を含む全体構造上にＴａ２Ｏ５膜３８を形成する。Ｔａ２Ｏ５膜３８はウェーハが装着されたチャンバの温度を３００〜４５０℃に維持し、圧力を０．１〜２Ｔｏｒｒに維持した状態で原料物質としてのタンタルエチラート（Ｔａ（ＯＣ２Ｈ５）５）を気相状態で流入させ、１０〜１０００ｓｃｃｍの酸素を流入させて形成する。タンタルエチレートは１７０〜１９０℃を維持する気化器で気相状態に作る。Ｔａ２Ｏ５膜３８に存在する炭素を除去するために３００〜５００℃程度の温度でＮ２ＯプラズマまたはＵＶ／Ｏ３処理を施す。また、Ｔａ２Ｏ５膜３８をＮ２ガスとＯ２ガスを用いて急速熱処理工程を行う。そして、全体構造上にＴＩＮ膜またはＲｕ膜を蒸着して上部電極３９を形成する。上部電極３９として用いられるＲｕ膜を蒸着するためには下部電極として用いられるＲｕ膜の形成方法と同様の方法で形成するか、別の一般的な方法で形成する。
【００２６】
図４は従来の方法で形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフであり、反応ガスとして酸素とアルゴンを流入させた場合、スパッタ時間による原子分布を示す。ここで、ＡはＲｕ、ＢはＲｕに含まれた酸素、Ｃはシリコン、Ｄはシリコンに含まれた酸素である。
【００２７】
図５は本発明の第１実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフであり、反応ガスとして酸素と酸素を還元するためのＮＨ3ガスを流入させてＲｕ膜を蒸着した場合、スパッタ時間による原子分布を示す。ここで、１はＲｕ、２はシリコン、３はＲｕに含まれた酸素、４はＲｕに含まれた窒素である。
【００２８】
図６は本発明の第２実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフであり、酸素を反応ガスとしてＲｕを一部蒸着した後、ＮＨ3プラズマ処理を施してＲｕ内に含まれた酸素を除去する過程を繰り返し行ってＲｕ膜を蒸着した場合、スパッタ時間による原子分布を示す。ここで、１０はＲｕ、２０はシリコン、３０はＲｕに含まれた酸素、４０はＲｕに含まれた窒素である。
【００２９】
図７は本発明の第３実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフであり、反応ガスとして酸素と酸素を還元するためのＮＨ3ガスとを流入させてＲｕ膜を一部蒸着した後、ＮＨ3プラズマ処理を施してＲｕ内に含まれた酸素を除去する過程を繰り返し行ってＲｕ膜を蒸着した場合、スパッタ時間による原子分布を示す。ここで、１００はＲｕ、２００はシリコン、３００はＲｕに含まれた酸素、４００はＲｕに含まれた窒素である。
【００３０】
前記図４と図５、図６及び図７とをそれぞれ比較すると、本発明の実施例に係る方法によって形成されたＲｕ膜内には酸素が殆ど含有されておらず、熱処理過程で拡散防止膜を酸化させる可能性を完全に排除することができることが分かる。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、下部電極として用いられるＲｕ膜内に酸素が含有されないようにすることにより、後の熱処理工程で酸素による拡散防止膜の酸化を防止することができて素子の信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａ乃至図１ｃは本発明の第１実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図２】図２ａ乃至図２ｄは本発明の第２実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図３】図３ａ乃至図３ｄは本発明の第３実施例に係る半導体素子のキャパシタ製造方法を説明するために順次示した素子の断面図である。
【図４】従来の方法で形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフである。
【図５】本発明の第1実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフである。
【図６】本発明の第２実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフである。
【図７】本発明の第３実施例によって形成されたＲｕ膜に含まれた酸素の量を示すＡＥＳグラフである。
【符号の説明】
１１，２１，３１  半導体基板
１２，２２，３２  層間絶縁膜
１３，２３，３３  コンタクトプラグ
１４，２４，３４  オーミックコンタクト層
１５，２５，３５  拡散防止膜
１６，２６，３６  酸化膜
１７，２７，３７  Ｒｕ膜
１８，２８，３８  Ｔａ2Ｏ5膜
１９，２９，３９  上部電極
【図１】
0004642280.tif 000002
【図２】
0004642280.tif 000003
【図３】
0004642280.tif 000004
【図４】
0004642280.tif 000005
【図５】
0004642280.tif 000006
【図６】
0004642280.tif 000007
【図７】
0004642280.tif 000008