(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
(ａ)半導体基板の活性領域に電気的に連結されるポリシリコンからなる下部電極を形成する段階と、
(ｂ)前記下部電極の表面にシリコン酸化物、シリコン窒化物及びこれらの組合せよりなる群から選択される成分を含む前処理膜を形成する段階と、
(ｃ)Ｔａ前駆体を用いて４４０〜５００℃の温度範囲から選択される第１温度で蒸着された第１誘電膜と前記温度範囲から選択されて前記第１温度よりも低い第２温度で前記第１誘電膜上に蒸着された第２誘電膜とからなる誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階と、
(ｄ)前記誘電膜を酸素雰囲気で熱処理する段階とを含むことを特徴とする半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項２】
前記前処理膜形成段階において、前記前処理膜は、ＲＴＮ、ＲＴＯ、ＣＶＤまたはこれらを組み合せた方法によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項３】
前記前処理膜形成段階では、活性化エネルギーを低めるために、反応ガスをプラズマ状態で供給しつつ前記前処理膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項４】
前記前処理膜形成段階では、反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、紫外線を照射しつつ前記前処理膜を形成することを特徴とする請求項２に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項５】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、１３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）〜常圧で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項６】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階において、前記Ｔａ前駆体は、金属アルコキシド、有機金属物、金属ハロゲン化物及びこれらの組合せよりなる群から選択されるいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項７】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、枚葉式反応器で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項８】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、バッチ式反応器で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項９】
前記熱処理段階において、前記熱処理は、６５０〜８００℃で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項１０】
前記熱処理段階において、前記熱処理は、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ及びこれらの組合せよりなる群から選択されるいずれか一つの気体雰囲気で行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項１１】
前記熱処理段階では、反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ及びこれらの組合せよりなる群から選択される反応ガスをプラズマ状態で供給しつつ熱処理することを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項１２】
前記熱処理段階では、反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、紫外線を照射しつつ熱処理することを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項１３】
前記前処理膜形成段階の後であって前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階の前に、前記前処理膜で覆われた下部電極を前記誘電膜の形成に先立ってＴａ成分で予め覆うために、前記前処理膜で覆われた下部電極上に前記Ｔａ前駆体を流して、前記誘電膜が形成される部分の表面において酸素原子よりＴａが先に反応できる状態へと誘導する段階を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法。
【請求項１４】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、前記第１誘電膜形成の後であって第２誘電膜形成の前に前記第１誘電膜を酸素雰囲気で熱処理する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体メモリ装置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】
本発明は半導体メモリ装置の製造方法に係り、特にタンタル酸化膜よりなる誘電膜を備えたキャパシタ製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)の集積度が高くなるのに伴って、限られたセル面積内で蓄積される電荷量を増やすために、キャパシタの有効面積を増加する方法、誘電膜厚を薄くする方法、及び誘電膜の誘電定数を増加する方法が利用されている。その中の特に誘電膜厚を薄くする方法としては、現在の高集積メモリ素子において誘電膜として用いられるシリコン窒化膜／シリコン酸化膜の積層構造の場合、その積層構造の厚さを物理的に薄くすることによってその電気的有効厚さ（effective electrical thickness）を減少させる方法が多用されている。なお、「電気的有効厚さ」とは、膜の静電容量の測定結果から、当該膜の誘電率をシリコン酸化膜の誘電率とみなして計算された膜厚であり、有効酸化膜厚さ(Toxeq，effective oxide thickness)ともいう。
【０００３】
半導体メモリ素子の高集積化に伴って、キャパシタ誘電膜の電気的有効厚さを減少させることが可能になってきているが、シリコン窒化膜／シリコン酸化膜積層構造においては、電気的有効厚さを減少するのにも限界があり、その限界は、約４０Åと推定されている。実際に、４０Å以下の電気的有効厚さを有する誘電膜では、漏洩電流が大きくなるために実際の素子への適用が難しくなる。
【０００４】
前記のようなシリコン窒化膜／シリコン酸化膜の限界を克服するための試みの一つとして、シリコン窒化膜(約７の誘電定数)に比べて誘電定数が比較的大きいタンタル酸化膜(約２４の誘電定数)のような高誘電物質、または誘電定数が数百以上である強誘電体物質を用いる方法が提案されている。
【０００５】
新誘電物質の導入は、既存工程との適合性、安定した装置の製作可能性、量産性、経済性、素子動作の安全性などを総合的に考慮して決定しなければならない。この点に照らして見るとき、現状としては、タンタル酸化膜が最も商用化に適した物質として知られている。
【０００６】
しかしながら、タンタル酸化膜の電気的特性は、工程条件に大きく依存することが知られている。したがって、本発明では、キャパシタの誘電膜として使用されるタンタル酸化膜を形成するための最適な工程条件を求める必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、キャパシタの誘電膜として最適の電気的特性を達成するタンタル酸化膜を最適の工程条件にしたがって形成することが可能な半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明によれば、半導体メモリ装置のキャパシタ製造方法において、半導体基板の活性領域に電気的に連結されるポリシリコンからなる下部電極を形成する。前記下部電極の表面にシリコン酸化物、シリコン窒化物及びこれらの組合せよりなる群から選択される成分を含む前処理膜を形成する。Ｔａ前駆体(precursor)を用いて４４０〜５００℃の温度範囲において選択される第１温度で蒸着された第１誘電膜と前記温度範囲から選択されて前記第１温度よりも低い第２温度で前記第１誘電膜上に蒸着された第２誘電膜とからなる誘電膜を前記前処理膜上に形成する。前記誘電膜を酸素雰囲気で熱処理する段階を含む。
【００１０】
前記前処理膜はＲＴＮ(Rapid Thermal Nitridation、急速熱窒化法)、ＲＴＯ(Rapid Thermal Oxidation、急速熱酸化法)、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition、化学気相成長法)、またはこれらを組合せた方法によって形成される。
【００１１】
前記前処理膜形成段階では、活性化エネルギーを低めるために、反応ガスをプラズマ状態で供給しつつ前記前処理膜を形成し、あるいは反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、紫外線（Ultra Violet radiation）を照射しつつ前記前処理膜を形成することができる。
【００１３】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、１３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）〜常圧で行なわれる。
【００１４】
前記Ｔａ前駆体は、金属アルコキシド(metal alkoxide)、有機金属物、金属ハロゲン化物及びこれらの組合せよりなる群から選択されるいずれか一つである。
【００１５】
前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階は、枚葉式反応器またはバッチ式反応器で行なうことができる。
【００１７】
前記熱処理段階は、６５０〜８００℃で行なわれる。この時、前記熱処理はＯ2、Ｏ3、Ｎ2Ｏ及びこれらの組合せよりなる群から選択されるいずれか一つの気体雰囲気で行なわれる。
【００１８】
前記熱処理段階では、反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、Ｏ２、Ｏ３、Ｎ２Ｏ及びこれらの組合せよりなる群から選択される反応ガスをプラズマ状態で供給しつつ熱処理したり、反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、紫外線を照射しつつ熱処理したりすることができる。
【００１９】
前記前処理膜形成段階の後であって前記誘電膜を前記前処理膜上に形成する段階の前に、前記前処理膜で覆われた下部電極を前記誘電膜の形成に先立ってＴａ成分で予め覆うために、前記前処理膜で覆われた下部電極上に前記Ｔａ前駆体を流して、前記誘電膜が形成される部分の表面において酸素原子よりＴａが先に反応できる状態へと誘導する段階を含むことができる。
【００２０】
本発明によれば、欠陥密度を低減したタンタル酸化膜を形成することができ、そのようなタンタル酸化膜を誘電膜として採用することによって、キャパシタの電気的特性を改善できるとともに、タンタル酸化膜形成のための蒸着工程時におけるインキュベーションタイムを縮めて生産性を向上できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明をより詳しく説明する。
【００２２】
一般に、タンタル酸化膜を誘電膜として利用するキャパシタの製造工程は、下部電極を形成する段階、前記下部電極とタンタル酸化膜との間の反応または拡散を抑制するための前処理段階、タンタル酸化膜を蒸着する段階、蒸着されたタンタル酸化膜内の欠乏している酸素を補充して膜質を緻密化するための熱処理段階、及び上部電極を形成する段階とよりなる。
【００２３】
前記のような方法で製造されるキャパシタの電気的特性は、上述した、前処理条件、タンタル酸化膜の蒸着条件、熱処理条件、上部電極形成後に行われる後続の熱処理条件等によって影響を受ける。その中、タンタル酸化膜蒸着工程において電気的特性に影響を及ぼす因子としては、蒸着温度、蒸着圧力、ソースガス及びキャリアガスの流量、ガス供給ラインの温度等がある。
【００２４】
また、タンタル酸化膜は、蒸着の際の下地膜（前処理膜）の状態にしたがって、その蒸着される膜厚が変わる特性がある。すなわち、タンタル酸化膜の蒸着においては、下地膜の状態にしたがって、インキュベーションタイム(incubation time)に差が生じる。
【００２５】
本明細書全般に渡って用いられる「インキュベーションタイム」という用語は、蒸着工程の開始時間からタンタル酸化膜の蒸着速度が定常速度に至るまでの時間を意味し、シーディングタイム(seeding time)とも呼ばれる。
【００２６】
図１は、多様な前処理方法を経ることによって下地膜の状態すなわち下地膜の表面組成を多様に変化させた場合に、下地膜上に蒸着されるタンタル酸化膜厚(有効酸化膜厚ではなく実際の膜厚)の変化を示したグラフである。
【００２７】
図１の結果を得るために、下地膜として用いられたシリコンウェーハに対して前処理を全くしない場合(白丸で表示)、シリコンウェーハに対してＲＴＮ(Rapid Thermal Nitridation)処理を行なった場合(黒丸で表示)、及びシリコンウェーハに対してＲＴＮ処理をした後に更にＲＴＯ処理をした場合(黒三角で表示、「ＲＴＮ＋ＲＴＯ処理」という。）等の各々について、蒸着時間によるタンタル酸化膜厚の変化を測定した。
【００２８】
図１から分かるように、前処理を全くしない場合、及びＲＴＮ処理を行なった場合に下地膜上に蒸着されるタンタル酸化膜厚に比べて、ＲＴＮ+ＲＴＯ処理を行なった場合に下地膜上に蒸着されるタンタル酸化膜の厚さは、約６０Å薄い。
【００２９】
この結果によって、下地膜の成分がシリコン(Ｓｉ)またはシリコン窒化物(Ｓｉ−Ｎ)の場合に比べて、下地膜の成分がシリコン酸化物(Ｓｉ−Ｏ)の場合またはシリコン酸化窒化物(Ｓｉ−Ｏ−Ｎ)の場合に蒸着されるタンタル酸化膜厚は、薄くなることが分かる。言い換えれば、下地膜の成分がシリコン(Ｓｉ)またはシリコン窒化物(Ｓｉ−Ｎ)の場合に比べて、下地膜の成分がシリコン酸化物(Ｓｉ−Ｏ)またはシリコン酸化窒化物(Ｓｉ−Ｏ−Ｎ)の場合には、タンタル酸化膜の蒸着のためのインキュベーションタイムが増加する現像が生じる。
【００３０】
前記のような下地膜表面の成分によるインキュベーションタイムの差はタンタル酸化膜の蒸着の際におけるＴａソースガス(source gas)の表面吸着メカニズムの差に起因するものと推測される。すなわち、Ｓｉ−Ｏ成分の結合エネルギーはＳｉ−ＳｉまたはＳｉ−Ｎの結合エネルギーに比べて相対的に強いため、下地膜表面の成分がＳｉ−Ｏを含む場合にはタンタル酸化膜蒸着工程初期にＴａソースガスの分解が効果的に行われない結果、インキュベーションタイムが増えるものと判断される。
【００３１】
一方、図１の結果から分るように、前記３種類の異なる処理の場合において、蒸着速度、すなわちタンタル酸化膜の蒸着時間による蒸着厚さの変化率(図中のグラフの傾きに相当。）には、ほぼ差がない。したがって、各前処理後の下地膜表面の成分は、蒸着工程初期のインキュベーションタイムにのみ影響を及ぼす一方、蒸着速度には影響を及ぼさないことがわかる。
【００３２】
インキュベーションタイムが増加すると、タンタル酸化膜の蒸着時間が延びることとなり、その結果、製品のスループット(throughput)が低下する。したがって、製品の生産性を高めるためには、タンタル酸化膜蒸着時初期のインキュベーションタイムを縮める必要がある。
【００３３】
以上のように、インキュベーションタイムを縮めるためには下地膜表面の組成をＳｉ−Ｏ−ＮまたはＳｉ−Ｏ成分から、Ｓｉ−ＳｉまたはＳｉ−Ｎ成分に変化させる必要がある。
【００３４】
一方、下地膜表面の成分によるキャパシタの電気的特性は次のように評価される。
【００３５】
図２Ａ及び図２Ｂは、各々相異なる前処理によって相異なる表面成分を有することとなった下地膜上にタンタル酸化膜を形成して得られたキャパシタの有効酸化膜厚さ(Toxeq)及び漏洩電流特性を測定して示したグラフである。なお、図２Ａ及び図２Ｂ中に示した測定値は、測定対象の膜において多地点（１０地点）で測定し、測定値の値の大きな順に並び替えて示している。すなわち、横軸は、１０地点で測定したことを示している。
【００３６】
図２Ａ及び図２Ｂの結果を得るために、シリコンよりなる下地膜をＲＴＮ方法で前処理を行なった場合(黒丸で表示)、及びシリコンよりなる下地膜に対してＲＴＮ処理を行なった後に更にＲＴＯ処理をした場合(黒四角で表示)に対して有効酸化膜厚さ(Toxeq)及びキャパシタにおける漏洩電流を測定した。
【００３７】
図２Ａ及び図２Ｂから分かるように、漏洩電流特性については、各処理をした場合の間で互いに類似する傾向を示したが、有効酸化膜厚さに関して、ＲＴＮ+ＲＴＯ処理を行った場合は、ＲＴＮ処理のみを行った場合に比べて約４〜５Å低減した。有効酸化膜厚の測定値の低減は、大きなキャパシタンスを得ることができることを意味し、電気的特性が改善されたことを意味する。すなわち、ＲＴＮ+ＲＴＯ処理によって下地膜表面にＳｉ−Ｏ成分を含む場合には、ＲＴＮ処理によって下地膜表面にＳｉ−Ｎ成分を含む場合に比べて有効酸化膜厚の測定値からみた電気的特性が改善されたといえる。
【００３８】
このように下地膜表面にＳｉ−Ｏ成分を含む場合に、有効酸化膜厚の測定値からみた電気的特性が改善される理由は、タンタル酸化膜の蒸着の後に行われる酸素雰囲気中の熱処理時にタンタル酸化膜と下地膜の特性が劣化しないためであると判断される。
【００３９】
以上の結果から、下地膜表面にＳｉ−Ｏ成分を含む場合には下地膜上にタンタル酸化膜を形成する際にインキュベーションタイムが増加されて生産性は比較的落ちる反面、キャパシタの電気的特性面では、有利となることがわかる。
【００４０】
本発明では、前記結果に基づいて、タンタル酸化膜蒸着工程の際にキャパシタの電気的特性を劣化させずに、インキュベーションタイムを最小化できる最適の工程条件を提供しようとする。
【００４１】
タンタル酸化膜形成の際の蒸着工程におけるインキュベーションタイムはタンタル酸化膜が形成される下地膜表面の成分に依存するとともに、タンタル酸化膜を備えたキャパシタの電気的特性もその下地膜表面の成分に影響を受けるので、インキュベーションタイムはタンタル酸化膜形成のための蒸着工程条件、例えば、タンタル酸化膜形成のための蒸着工程に必要なＴａ前駆体、酸素ソースガス、運搬ガスなどの流れ順序や流量、反応チャンバ内の圧力、温度などを調節することによって変更できる。
【００４２】
すなわち、反応チャンバ内でタンタル酸化膜を蒸着する前にタンタル酸化膜が蒸着される下地膜、すなわち下部電極表面を、Ｔａ前駆体、酸素ソース、運搬気体等のようなタンタル酸化膜蒸着工程に必要なガスにあらかじめ露出させて下部電極表面状態を変化させることにより、インキュベーションタイムの減少に寄与できる。また、前記下部電極表面をあらかじめ酸素雰囲気に露出させることによって下部電極表面を多少の酸素で覆うとキャパシタの電気的特性に寄与できるものと判断される。ここで、下部電極を工程ガスにあらかじめ露出させることは下部電極の表面にのみ影響を及ぼすのでインキュベーションタイムには影響を及ぼすが、キャパシタの電気的特性にはほとんど影響を及ぼさない。その理由は図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したように、キャパシタの電気的特性変化は、後続する高温熱処理の際のタンタル酸化膜内のタンタル成分とその下地膜内のシリコン成分との反応によって決定されるためである。
【００４３】
本出願人はまたタンタル酸化膜形成のための蒸着工程時の蒸着温度を高めるとインキュベーションタイムが縮まるということを実験を通して確認した。
【００４４】
図３は、タンタル酸化膜形成時の蒸着温度の違いによるインキュベーションタイムの変化の具合を示したグラフである。
【００４５】
図３の結果を得るために、タンタル酸化膜を形成する下地膜表面にＳｉ−Ｎ成分を含むように下地膜表面をＲＴＮ方法によって前処理した状態で蒸着温度を各々４４０℃、４６０℃、４８０℃及び５００℃にしてタンタル酸化膜を蒸着した。
【００４６】
その結果、蒸着温度を４４０℃にした場合にはインキュベーションタイムが２００秒であり、蒸着温度を５００℃にした場合にはインキュベーションタイムが約１０秒であって、蒸着温度４４０℃の場合と同５００℃の場合とのインキュベーションタイムの差は、１９０秒になる。
【００４７】
このように、蒸着温度が高まるにしたがってインキュベーションタイムが縮まる理由は、蒸着温度の違いによって、蒸着メカニズムが変わるためであると判断される。すなわち、低温での蒸着時には、反応律速(reaction limited region)に該当する。つまり、気相での反応物の供給は十分な状態であり、ウェーハ表面における反応速度が全体の反応速度を左右する主要要素となる。一方、高温での蒸着時には、拡散律速に該当する。つまり、ウェーハ表面における反応速度は反応物の拡散速度に比べて十分に速いため、全体の反応速度は、反応物の拡散速度に依存するようになる。
【００４８】
したがって、高温での蒸着時には、下地膜表面における反応速度が拡散速度に比べて相対的に速いので、蒸着段階初期にタンタル前駆体の反応物が分解されて下地膜表面に吸着されることになってインキュベーションタイムが縮まる。この結果、蒸着温度が高まると蒸着初期のインキュベーションタイムが縮まることになる。
【００４９】
前記のような結果は、タンタル酸化膜を形成する下地膜表面がＳｉ−ＯまたはＳｉ−Ｏ−Ｎ成分を含む場合にも同様に観察される。したがって、タンタル酸化膜の蒸着温度を変化させることによってインキュベーションタイムを調節できる。
【００５０】
図４は、タンタル酸化膜形成時の蒸着温度の違いによるキャパシタの電気的特性の変化の具合を評価したグラフであって、蒸着温度を各々４６０℃、４８０℃及び５００℃に変化させながらタンタル酸化膜を形成した場合の有効酸化膜厚さ(Toxeq)と印加電圧３．０Ｖにおける漏洩電流とを測定した結果である。
【００５１】
図４に示した結果によると、有効酸化膜厚さは１３〜１９Åの範囲に分布し、漏洩電流は０．１〜０．３ｍＡ／ｃｍ2の範囲に分する。各場合は、互いに電気的に類似した特性を示している。すなわち、有効酸化膜厚さが減少すると漏洩電流が増加し、有効酸化膜厚さが増加すると漏洩電流が減少する傾向が示される。このような結果は、タンタル酸化膜の蒸着温度の違いによって電気的特性は大きく変化しないことを示している。
【００５２】
また、本発明では、タンタル酸化膜形成時蒸着温度によるタンタル酸化膜内の欠陥の程度を評価するために、次のような実験をした。
【００５３】
まず、蒸着温度を各々４６０℃、４８０℃及び５００℃にしてポリシリコン膜上にタンタル酸化膜を形成したサンプルを準備した後、ポリシリコンに対して選択的に反応するエッチング液内に前記サンプルを一定時間ディッピング(浸漬、dipping)した。その後、前記サンプルを前記エッチング液から取り出して前記ポリシリコン膜内のボイド(void)欠陥をＳＥＭ(走査型電子顕微鏡、Scanning Electron Microscope)で観察した。
【００５４】
前記ボイド欠陥は、前記ディッピング段階で前記エッチング液がタンタル酸化膜の脆弱な部分を通してポリシリコン膜の内部まで浸透してタンタル酸化膜下部のポリシリコンを溶解させることによって形成される。
【００５５】
ＳＥＭ観察した結果、蒸着温度が４６０℃及び４８０℃の場合にはボイド欠陥の密度が同程度であったが、蒸着温度が５００℃の場合にはボイド欠陥の密度が急激に増加することが確認された。
【００５６】
前記結果から、５００℃の高温で形成されたタンタル酸化膜は４６０℃及び４８０℃で形成されたタンタル酸化膜に比べて脆弱な部分が多いことが分かる。このように脆弱な部分は、有効酸化膜厚さや漏洩電流のような電気的特性には影響を及ぼさないとしても、長期的な信頼性といった側面では不利な影響を及ぼすものと判断される。
【００５７】
本発明では、以上述べた実験結果を基にして、タンタル酸化膜の電気的特性を改善し、欠陥密度を低めることができ、インキュベーションタイムを縮めることによって生産性を向上できる蒸着方法によって、キャパシタ誘電膜として用いられるタンタル酸化膜を形成する方法を提供しようとする。
【００５８】
図５ないし図１０は、本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した断面図である。
【００５９】
図５に示すように、半導体基板１０上にポリシリコンよりなる下部電極２０を前記半導体基板１０の活性領域と電気的に連結形成する。
【００６１】
図６に示すように、前記下部電極２０の表面を前処理して前記下部電極２０の表面にＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯｘＮｙまたはこれらの組合せで構成された成分を含有する前処理膜２２を形成する。
【００６２】
前記前処理膜２２を前記下部電極２０の表面に形成する理由は下部電極２０を構成するシリコン成分と、後続する工程で形成される誘電膜を構成するタンタル酸化物とが反応してＳｉＯ2が形成されることを抑制するためである。
【００６３】
前記前処理膜２２を形成するために、ＲＴＮ、ＲＴＯ、ＣＶＤ方法またはこれらを組合せた方法を利用することができる。
【００６４】
前記前処理膜２２をＲＴＮ方法によって形成する場合には、前記前処理工程はＮＨ3雰囲気下で５００〜９００℃の温度で行われ、ＲＴＯ方法によって形成する場合にはＯ2、Ｎ2Ｏまたはこれらの混合ガス雰囲気下で５００〜９００℃の温度で行われる。
【００６５】
前記前処理膜２２を形成する前処理工程の際に用いられる反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、工程ガスをプラズマ状態で供給する工程、またはＮ2またはＯ2のプラズマを共に供給する工程を設けることができる。一方、プラズマを利用する代わりに紫外線を照射して反応ガスの活性化エネルギーを低めることもできる。
【００６６】
図７に示すように、表面に前記前処理膜２２が形成された下部電極２０上にＴａ前駆体２５を流す（フローさせる）ことによって、誘電膜が形成される部分の表面において酸素原子よりタンタルが先に反応できる状態へと誘導される。その結果、前記前処理膜２２で覆われた下部電極２０が誘電膜の蒸着に先だってタンタル成分であらかじめ覆われることとなる。このため、キャパシタの電気的特性には影響を及ぼさずに、インキュベーションタイムを縮める効果を奏することとなる。
【００６７】
前記Ｔａ前駆体２５としては、例えばＴａ(ＯＣ2Ｈ5)5のような金属アルコキシド、金属ベータ-ジケトネート(β-diketonate)のような有機金属物、またはＴａＣｌ5のような金属ハロゲン化物などを単独で用いたりまたはこれらを組合せて用いることができる。
【００６８】
図８は、図７の結果物上にタンタル酸化膜よりなる誘電膜３０を形成する段階を示す。
【００６９】
具体的に説明すると、本発明では前記前処理膜２２で覆われた下部電極２０上にタンタル酸化膜よりなる誘電膜３０を２段階に形成する。すなわち、まず４４０〜５００℃の範囲内で選択された第１温度Ｔ１で第１誘電膜３０ａをＣＶＤ方法によって形成した後、続いて４４０〜５００℃の範囲内で選択されて前記第１温度Ｔ１よりも低い第２温度Ｔ２(すなわち、Ｔ１＞Ｔ２)で前記第１誘電膜３０ａ上に連続的に第２誘電膜３０ｂをＣＶＤ方法によって形成して前記誘電膜３０を完成する。
【００７０】
前記第１誘電膜３０ａを形成した後、前記第２誘電膜３０ｂを形成する前に前記第１誘電膜３０ａを酸素雰囲気で熱処理する場合もある。
【００７１】
このように、前記誘電膜３０を形成する際の工程温度を前と後で第１温度Ｔ１から第２温度Ｔ２（但し、Ｔ１＞Ｔ２）に変化させることによって、前記誘電膜３０形成時のインキュベーションタイムを縮めるとともに、高温工程に起因する電気的特性の低下現像を抑制できる。
【００７３】
前記誘電膜３０形成工程は、先に定義したような群から選択されるＴａ前駆体を気体状にした後、運搬ガスを利用して酸素と反応させることによって行なわれる。この時の工程圧力は１３Ｐａ（１００ｍＴｏｒｒ）ないし常圧に維持し、雰囲気ガスとしては不活性ガスを用いる。
【００７４】
前記誘電膜３０形成の際には、枚葉式(single wafer type)またはバッチ式(batch type)の反応器を用いることができる。
【００７６】
図９に示すように、前記誘電膜３０を酸素雰囲気で約６５０〜８００℃の温度で熱処理する。その結果、前記誘電膜３０内で欠乏した酸素を補充でき、前記誘電膜３０を構成するタンタル酸化膜の構造をさらに緻密化することにより漏洩電流に脆弱な部分を除去できる。
【００７７】
前記熱処理は酸素含有ガス４０、例えばＯ2、Ｏ3またはＮ2Ｏが含まれた気体雰囲気で行なう。
【００７８】
この時、用いられる反応ガスの活性化エネルギーを低めるために、前記酸素含有ガス４０をプラズマ状で供給したり、Ｎ2またはＯ2のプラズマを同時に供給する工程を設けることができる。一方、プラズマを利用する代わり紫外線を照射して反応ガスの活性化エネルギーを低める場合もある。
【００７９】
図１０に示すように、前記誘電膜３０上に上部電極５０を形成することによってキャパシタを完成させる。前記上部電極５０は、例えばポリシリコン膜、金属膜、金属酸化膜、金属窒化膜、金属酸化窒化膜等のような伝導性物質膜で形成する。
【００８０】
【発明の効果】
前記のように、本発明によるとタンタル酸化膜形成のための蒸着工程を相異なる温度状態で行うといった２段階蒸着工程を用いて行なうことによって、タンタル酸化膜蒸着のための工程条件を前段階と後段階とで変化させながらキャパシタ誘電膜を形成する。その結果、欠陥密度を低減したタンタル酸化膜を形成でき、そのようなタンタル酸化膜を誘電膜として採用することによって、キャパシタの電気的特性を改善できるとともに、タンタル酸化膜形成のための蒸着工程時におけるインキュベーションタイムを縮めて生産性を向上できる。
【００８１】
また、誘電膜は、Ｔａ前駆体によってあらかじめ前処理された下部電極表面上に形成されるので、キャパシタの電気的特性を劣化させない一方、インキュベーションタイムを効果的に縮められる。
【００８２】
以上、本発明を望ましい実施例を挙げて詳しく説明したが、本発明は前記実施例に限らず、本発明の技術的思想の範囲内で当分野で通常の知識を有する者によって多様な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  下地膜の前処理方法によるタンタル酸化膜の蒸着厚さ変化を示したグラフである。
【図２】  図２Ａ及び図２Ｂは、相異なる前処理後に形成されたタンタル酸化膜を誘電膜として採用した場合のキャパシタの電気的特性を各々有効酸化膜厚さ及び漏洩電流で評価したグラフである。
【図３】  タンタル酸化膜形成時の蒸着温度の違いによるインキュベーションタイムの変化を示したグラフである。
【図４】  タンタル酸化膜形成時の蒸着温度の違いによる漏洩電流特性の変化の具合を示したグラフである。
【図５】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した断面図である。
【図６】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した後続する断面図である。
【図７】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した後続する断面図である。
【図８】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した後続する断面図である。
【図９】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した後続する断面図である。
【図１０】  本発明の望ましい実施例におけるキャパシタ製造方法を説明するために工程順序にしたがって示した後続する断面図である。
【符号の説明】
１０…半導体基板、
２０…下部電極、
２２…前処理膜、
２５…Ｔａ前駆体、
３０…誘電膜、
３０ａ…第１誘電膜、
３０ｂ…第２誘電膜、
４０…酸素含有ガス、
５０…上部電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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