(57)【要約】【課題】キャパシタの電気特性の向上と微細化の増進を図る。【解決手段】タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せにより構成された蓄積電極４と、この蓄積電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により形成された誘電体層５と、を有するキャパシタ３を具備している半導体装置１。【選択図】  図１
2005260091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せにより構成された電極と、
この電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により形成された誘電体層と、
を有するキャパシタを具備していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せよりなる電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により、この電極に誘電体層を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項３】
上記誘電体層を、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）の少なくとも一方を含む酸素のマイクロ波励起により発生させたラジカルにより形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
上記酸素にアンモニアガスまたは窒素を加えて窒素混合酸化層を上記誘電体層として形成することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
上記誘電体層を、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）を含むアンモニアまたは窒素のマイクロ波励起により生成させた窒素ラジカルにより形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
上記ラジカル酸化またはラジカル窒化を、５００℃以下の処理温度で行なうことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はキャパシタを有するＤＲＡＭ（Dynamic Randоm Access Memоry）等の半導体装置およびその製造方法に係り、特に、キャパシタの誘電体層の形成方法を改良した半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からコンデンサーとしては、その電極をタンタル（Ｔａ）やチタン（Ｔｉ）等により構成したタンタルコンデンサーやチタンコンデンサー等が知られている。
【０００３】
しかし、これらタンタルやチタン等の電極には、電気絶縁特性等、誘電体としての電気諸特性が良好な誘電体層を容易に形成することができなかったので、これらタンタルコンデンサーやチタンコンデンサーをＤＲＡＭ等半導体集積回路のキャパシタとして応用することはできなかった。
【０００４】
そこで、従来のＤＲＡＭ等の半導体装置では、電気諸特性の良好な誘電体層を容易に形成することができるうえに、ホットウォールＬＰＣＶＤ法により極めて再現性高く形成できるポリシリコン（多結晶シリコン）膜によりキャパシタの電極を構成したもの（例えば特許文献１，２参照）が知られている。
【特許文献１】特公昭６０−２７８４号公報
【特許文献２】特開平５−５５５０４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ポリシリコンは面方位が一定ではないので、その酸化または窒化により、その表面に厚さが均一な誘電体層を形成することが不可能であった。
【０００６】
そこで従来では、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapоr Depоsitiоn）法によりシリコンナイトライド（ＳｉＮ）を成長させ、これをベースに酸化を加えて信頼性の改善を図ってきた。
【０００７】
しかし、このＣＶＤ法は均一な膜厚を得る方法としては以前有効であるが、電気特性等質的には窒化したものよりも劣る。また、複雑な電極形状に対しては膜の厚さ分布も無視できない。
【０００８】
さらに、このＣＶＤ法では、約８００℃程度の加熱プロセスにより誘電体層を形成するので、微細トランジスタのドーピング材料が他に拡散し設計形状を維持できないという隘路に陥っている。
【０００９】
さらにまた、キャパシタの使用電圧を下げて消費電力を節電する方向で技術がシフトする場合には、いずれポリシリコンのデプレッション層の厚さが容量を減少させる方向に作用し始める。また、このデプレッション層はキャパシタが例えば１００ｎｍ以下に微細化される場合にも増大し、キャパシタ微細化の限界ともなっている。
【００１０】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、電気特性が良好でさらなる微細化が可能なキャパシタを具備した半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、キャパシタの電極材料であるタンタル、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム自体が金属であるので、デプレッション層の生成を防止ないし低減することができ、そのために、キャパシタの容量変化を防止ないし低減することができる点と、これらタンタルやチタン等の電極表面にはラジカル酸化やラジカル窒化により、酸化膜や窒化膜等を低温度で直接形成できるという新しい知見に着目してなされたものであり、次のように構成される。
【００１２】
請求項１記載の発明は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せにより構成された電極と、この電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により形成された誘電体層と、を有するキャパシタを具備していることを特徴とする半導体装置である。
【００１３】
請求項２記載の発明は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せよりなる電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により、この電極に誘電体層を形成する工程、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【００１４】
請求項３記載の発明は、上記誘電体層を、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）の少なくとも一方を含む酸素のマイクロ波励起により発生させたラジカルにより形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法である。
【００１５】
請求項４記載の発明は、上記酸素にアンモニアガスまたは窒素を加えて窒素混合酸化層を上記誘電体層として形成することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法である。
【００１６】
請求項５記載の発明は、上記誘電体層を、クリプトン（Ｋｒ）またはキセノン（Ｘｅ）を含むアンモニアまたは窒素のマイクロ波励起により生成させた窒素ラジカルにより形成することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の製造方法である。
【００１７】
請求項６記載の発明は、上記ラジカル酸化またはラジカル窒化を、５００℃以下の処理温度で行なうことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、キャパシタの電極材料であるタンタル、チタン、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウム自体が金属であるので、この電極にデプレッション層が生成するのを防止ないし低減できるうえに、この電極のラジカル酸化またはラジカル窒化により、この電極に直接誘電体層を形成することができるので、キャパシタのさらなる微細化と誘電体層の電気絶縁性等の電気特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、これらの添付図面中、同一または相当部分には同一符号を付している。
【００２０】
図１は本発明の第１実施形態に係る半導体装置１の要部縦断面図である。この半導体装置１はシリコン（Ｓｉ）ウエハ等の半導体基板２の一面上に例えばスタックト型のキャパシタ３を形成している。
【００２１】
キャパシタ３は半導体基板２上に、蓄積電極４を積層形成し、この蓄積電極４の表面に、誘電体層５を形成し、さらに、この誘電体層５の外面をポリシリコンよりなるプレート電極６により被覆している。
【００２２】
上記蓄積電極４はタンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）のいずれか、またはこれらの２種以上の組合せの合金からなる電極材料により形成されている。誘電体層５は蓄積電極４の表面の後述するラジカル酸化またはラジカル窒化により、Ｔａ２Ｏ６等上記電極材料の酸化物や窒化物、酸窒化物に形成されている。
【００２３】
上記蓄積電極４は、その半導体基板２側の一面の一部を埋込電極７に接続している。埋込電極７は半導体基板２内に埋設されたポリシリコン等からなり、半導体基板２内にて板厚方向に埋設されたタングステン（Ｗ）製等のノード電極（タングステン（Ｗ）よりなる接続孔）８の図中上端に当接され、このノード電極８の図２中下端は半導体基板２の図中下底面まで延在している。したがって、ノード電極８の図中下底面は埋込電極７を介してキャパシタ３の蓄積電極４に電気的に接続されている。また、埋込電極７の平面積がノード電極８の平面積よりも大きいので、仮に蓄積電極４のパターン位置が仮にずれても、この蓄積電極４とノード電極８との接続をその両者間に介在されている埋込電極７により低減することができる。
【００２４】
また、この半導体装置１によれば、蓄積電極４の電極材料として使用したＴａ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ自体が金属であるので、この蓄積電極４を１００ｎｍ以下に微細化した場合や低電圧動作の環境下においても、蓄積電極４にデプレッション層が発生するのを防止ないし低減することができる。
【００２５】
これにより、デプレッション層の増大によるキャパシタ３の容量の減少を防止することができるので、さらなる微細化が可能である。
【００２６】
さらに、蓄積電極４のラジカル酸化またはラジカル窒化により、この蓄積電極４に直接誘電体層５を形成することができるので、酸化と窒化が蓄積電極４の面方位に無関係に均質に進行して均質な高誘電体層を得ることができる。
【００２７】
ちなみに、蓄積電極４の電極材料がＴａの場合、そのラジカル酸化により誘電体層５としてはＴａ２Ｏ５が形成されるが、従来はＣＶＤ法によりＴａ２Ｏ５を成長させて形成していたために電気絶縁性等の電気特性が良好な誘電体層を形成することができなかった。このために、蓄積電極４の電極材料としてＴａが使用されていなかった。
【００２８】
次に、このように構成された半導体装置１の製造方法（第２の実施形態）を説明する。
【００２９】
（１）まず、半導体基板２上に、上記蓄積電極４を所要形に形成する前の角柱状等所要形状の蓄積電極４のブロック（ノード）を、減圧ＣＶＤ（Chemical Vapоr Depоsitiоn）法により成長させて形成し、その後、紫外線やＡｒＦ光、ＫｒＦ光等の通常光により露光する露光工程を含むホトリソグラフィー工程によりパターニングする。
【００３０】
（２）次に、上記蓄積電極４のブロックの露光面にホトレジストを塗布し、その後、この蓄積電極ブロックに、所要の露光パターンを形成したホトマスクを介して波長２００ｎｍ以下のＸ線または電子線を照射して露光する。
【００３１】
すなわち、上記通常光では蓄積電極ブロックの厚さむらや表面高さが高すぎると、焦点を合せられないので、露光不可能であるが、Ｘ線は平行光線であるので、焦点深度は原理的には無限であるので、露光可能である。
【００３２】
（３）この後、蓄積電極ブロックをドライエッチング等によりエッチングして露光した部分を除去する。
【００３３】
（４）しかる後、アッシングにより露光部分の残渣とホトレジストを除去し、さらに、これらの残渣をクリーニングにより除去して十字形の蓄積電極４を成形する。ここまでが蓄積電極４を形成するためのリソグラフィー工程となる。
【００３４】
（５）次に、上記蓄積電極４の外表面に、例えば図３で示す酸・窒化処理装置１４によりラジカル酸化またはラジカル窒化してＴａ２Ｏ３等の酸化物や窒化物，酸窒化物の誘電体層５を形成する。
【００３５】
（６）この後、減圧ＣＶＤ法により誘電体層５の外表面にポリシリコン等よりなるプレート電極６を成長させて形成する。
【００３６】
これにより、半導体基板２上にスタックト型のキャパシタ３が形成される。なお、埋込電極７やノード電極８は予めキャパシタ３の形成前に半導体基板２に形成されている。
【００３７】
したがって、この半導体装置１の製造方法によれば、Ｔａ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆ等からなる蓄積電極４の表面をラジカル酸化やラジカル窒化処理を施すので、この蓄積電極４の表面に電気絶縁性等誘電体層として電気特性の優れた酸化物や窒化物の誘電体層５を形成することができる。また、キャパシタ３の蓄積電極４のブロックを、波長２００ｎｍ以下のＸ線または電子線により所要形に露光するので、１回の露光により所要形に微細加工することができる。このために、蓄積電極４自体ひいてはキャパシタ３の微細化を図ることができる。例えば、蓄積電極４の平面大きさを１００ｎｍ以下に形成することができる。
【００３８】
図３は酸・窒化処理装置１４の縦断面図である。この酸・窒化処理装置１４は上記蓄積電極４の表面をラジカル酸化またはラジカル窒化して酸化物または窒化物の誘電体層５を形成するための処理装置である。
【００３９】
この酸・窒化処理装置１４は真空容器１５内のほぼ中央部に、上記半導体基板２を載置する試料台１６を配設している。試料台１６には、真空容器１５内のイオンを吸引加速させる高周波電場を形成させるための所定周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）の電圧を印加するように構成されている。真空容器１５は、その上蓋部に、この真空容器１５内に均一なマイクロ波（例えば２．４５ＧＨｚ）を放射する平板状のマイクロ波アンテナ１７を配設する一方、このマイクロ波アンテナ１７と所定の間隔を置いて、真空容器１５内上部には、所要の処理用ガスを真空容器１５内にほぼ均一に供給する環状平板状のシャワープレート１８を配設している。また、真空容器１５の底部には試料台１６周りのガスを排気する排気孔１９を穿設している。
【００４０】
次に、この酸・窒化処理装置１４により蓄積電極４の表面にラジカル酸化またはラジカル窒化による誘電体層５を形成する方法について説明する。
【００４１】
（１）まず、真空容器１５内を所定の真空度（例えば約１×１０−５Tоrr程度）になるように排気すると共に、シャワープレート１８から真空容器１５内に、例えばＫｒガスとＯ２ガス等の所要の処理ガスを供給し、この真空容器１５内の圧力を所定圧（例えば約１Tоrr程度）に設定する。
【００４２】
（２）次に、蓄積電極４を形成した半導体基板２を試料台１６上に置き、試料台１６に所要周波数の電圧を印加して高周波電場を形成させる。
【００４３】
（３）この後、マイクロ波アンテナ１７から真空容器１５内へ、例えば２．４５ＧＨｚの所定電力のマイクロ波を照射し、真空容器１５に高密度のプラズマを生成させる。但し、照射するマイクロ波の周波数は９００ＭＨｚ以上１０ＧＨｚ以下の範囲内で制御可能である。
【００４４】
このように真空容器１５内にマイクロ波が供給されると、真空容器１５内のＫｒガスがプラズマ励起され、ＫｒガスとＯ２ガスとが混合された高密度励起プラズマ中で、中間励起状態にあるＫｒとＯ２分子が衝突し、原子状酸素Ｏ＊が高効率で発生する。
【００４５】
この原子状酸素Ｏ＊により半導体基板２上のＴａ等の蓄積電極４の表面がラジカル酸化され、Ｔａ２Ｏ５の誘電体層５が形成される。ちなみに、従来のシリコン表面の酸化はＨ２Ｏ分子、Ｏ２分子により行なわれ、処理温度が８００℃以上と極めて高かったが、本実施形態のラジカル酸化の処理温度は４００℃等５００℃以下の十分に低い温度で可能である。このために、上述した微細トランジスタのドーピング材料が他に拡散し設計形状を維持できないという課題を解決することができるうえに、処理ガスの過剰解離を抑制することができる。
【００４６】
ところで、上記Ｋｒガスに代えてＸｅガスを真空容器１５へ供給しても例えば４００℃の処理温度で蓄積電極４の表面に誘電体層５を形成することも可能である。
【００４７】
また、上記処理ガスとしてＡｒガス、Ｎ２ガス、Ｈ２ガスの混合ガスを使用することにより窒化物の誘電体層５を４００℃の処理温度で形成することができる。
【００４８】
さらに、上記処理ガスとしてＸｅガス、Ｏ２ガス、ＨＮ３ガスの処理ガスを使用することにより酸窒化物の誘電体層（窒素混合酸化層）５を４００℃の処理温度で形成することができる。
【００４９】
そして、このような酸・窒化処理装置１４を使用したラジカル酸化またはラジカル窒化を、上記Ｔｉ，Ａｌ，Ｚｒ，Ｈｆのいずれか、またはこれらの２種以上の合金よりなる蓄積電極４についても行なうことにより、この蓄積電極４に、酸化物や窒化物、酸窒化物の誘電体層５を形成することができる。
【００５０】
また、マイクロ波アンテナ１７とシャワープレート１８とを共に平板状に形成すると共に、これら両者間を近接（例えば６ｃｍ間隔で）配置したので、マイクロ波と処理ガスを半導体基板２に対してほぼ均一に供給することができると共に、これら両者１７，１８を半導体基板２に近づけたので、大面積に亘って高密度高均一の誘電体層５を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の要部縦断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るＤＲＡＭの概略縦断面図。
【図３】図１，図２で示すキャパシタの蓄積電極をラジカル酸化またはラジカル窒化して誘電体層を形成するための酸・窒化処理装置の縦断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１  半導体装置
２  半導体基板
３  キャパシタ
４  蓄積電極
５  誘電体層
６  プレート電極
７  埋込電極
８  ノード電極
９  ＤＲＡＭ
１０  転送トランジスタ
１１  ドレイン
１２  ソース
１４  酸・窒化処理装置
１５  真空容器
１６  試料台
１７  マイクロ波アンテナ
１８  シャワープレート
１９  排気孔
【図１】
2005260091.tif 000003
【図２】
2005260091.tif 000004
【図３】
2005260091.tif 000005