(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極を形成する段階と、
前記下部電極上に非晶質酸化アルミニウム膜で誘電膜を形成する段階と、
前記誘電膜上に上部電極を形成する段階とを含み、前記非晶質酸化アルミニウム膜は気相反応物を順次に前記下部電極上に送る方法で形成され、
前記上部電極を形成する段階の後に、
前記非晶質酸化アルミニウム膜を８００〜８７０℃の温度で熱処理して第１緻密化する段階をさらに行い、
前記第１緻密化段階に付加して前記上部電極を形成する段階以前に前記非晶質酸化アルミニウム膜を１５０〜９００℃の温度で熱処理して第２緻密化する段階をさらに行うことを特徴とする半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項２】
前記下部電極は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項３】
前記下部電極はスタック型構造、半球型粒子シリコン構造及びシリンダ型構造よりなる群から選択される何れか１つの立体構造で形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項４】
前記誘電膜を形成する段階の前に、
前記下部電極上に反応防止膜を形成する段階をさらに行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項５】
前記反応防止膜はシリコン酸化物、シリコン窒化物及びシリコンオキシ窒化物よりなる群から選択される何れか一つの物質で形成されることを特徴とする請求項４に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項６】
前記反応防止膜は前記下部電極を３００℃乃至１２００℃の温度で熱処理して形成されることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項７】
前記熱処理は窒素ソースを含む雰囲気ガスで急速熱的窒化工程で行われることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項８】
前記非晶質酸化アルミニウム膜は１０Å乃至３００Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項９】
前記非晶質酸化アルミニウム膜は４０Å乃至８０Åの厚さで形成されることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１０】
前記気相反応物を順次に前記下部電極上に送る方法は原子膜蒸着方法であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１１】
前記原子膜蒸着方法はトリメチルアルミニウム及びアルミニウムクロライドよりなる群から選択される何れか１つの物質をアルミニウムソースとして用いて行われることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１２】
前記原子膜蒸着方法を行う前に、
前記下部電極を水素パッシベーション処理する段階をさらに行うことを特徴とする請求項１０または１１に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１３】
前記第１緻密化段階における前記熱処理が、酸素ガス、一酸化窒素ガス及び窒素ガスよりなる群から選択される何れか一つのガスを雰囲気ガスとして用いて行い、または真空で行うことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１４】
前記第２緻密化段階における前記熱処理が、酸素ガス、一酸化窒素ガス及び窒素ガスよりなる群から選択される何れか一つのガスを雰囲気ガスとして用いて行い、または真空で行うことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【請求項１５】
前記上部電極が、不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜、ＷＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＴｉＳｉ２、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｒ及びＴｉＮよりなる群から選択される何れか１つの導電膜で形成されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の半導体装置のキャパシタ形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置のキャパシタ及びその形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
半導体装置が高集積化されることによりキャパシタが占める面積の減少が要求されている。これにより、キャパシタンスの減少問題が深刻になっている。このような問題を解決するためにキャパシタの構造を変更したり、誘電定数の大きな物質を使用する研究が活発に進行している。例えば、現在ＤＲＡＭ装置に一般に用いられるＯＮＯ(Oxide/Nitride/Oxide layer）構造よりさらに高い誘電定数を有する酸化タンタル(Ta2O5)膜またはＢＳＴ(Ba(Sr、Ti)O3)膜を誘電膜として用いる方法が提示されている。
【０００３】
しかし、このような方法が実現されるには非常に複雑な工程が要求される。即ち、一般のキャパシタの構造は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜を上部電極及び下部電極として用いるＳＩＳ(Silicon/Insulator/Siliconlayer)構造である。しかし、前記酸化タンタルを用いる場合にはＭＩＳ(Metal/Insulator/Siliconlayer)構造またはＭＩＭ(Metal/Insulator/Metal)構造を導入する必要がある。また、前記ＢＳＴ膜を用いる場合にはＭＩＭ構造を導入する必要がある。即ち、キャパシタ構造の変換が要求されている。
【０００４】
酸化タンタル膜を用いる場合には低い段差被覆性を克服するために、表面運動学的領域(surface kinetic regine)の低温で化学気相蒸着（ＣＶＤ）方法を用いて膜質を形成する必要がある。しかしこれにより、酸素欠乏、炭化水素の膜質内の残留または結晶性低下などの問題が発生しうる。従って、誘電率が減少し、低絶縁特性を示すことになる。このような問題点を補完するために高温での乾式酸素アニーリング工程がさらに要求されている。これに関連して、乾式酸素アニーリング工程で生成される前記酸化タンタル膜下部の酸化膜を用いて酸化タンタル膜の絶縁特性を補完しようとする試みがある(Y.Ohyi,"Ta2O5 capacitor dielectric material for Giga-bit DRAMs",IEDM Tech.Dig.,1994,p831)。
【０００５】
一方、結晶粒界は原子配列の不連続性が発生する脆弱点から容易に拡散する。従って、厚い酸化膜を形成して前記酸化タンタル膜の電流漏れ特性を補完する際、前記結晶粒界に相対的に多量の酸素が拡散しうる。このように拡散される酸素によって下部の上部電極が酸化されうる。これにより、前記酸化タンタル膜とキャパシタの上部電極との間には前記酸化タンタル膜と上部電極との反応を防止するための反応防止膜が導入されるべきである（米国特許第４，８９１，６８４号）。
【０００６】
一方、ＢＳＴ膜は優秀な電流漏れ特性を具現するために電極との界面にショットキー障壁を形成する必要がある。このようなショットキー障壁を形成するためには仕事関数の大きな物質、例えば金属よりなる電極を導入すべきである(Soon Oh Park,"Fabrication and Electrical Characterization of Pt/(Ba,Sr)TiO3/Pt Capacitors for Ultralarge-Scale Integrated Dynamic Random Access Memory Applications",Jpn.J.Appl. Phys.Vol.35,1996,p1548-1552)。前記金属電極を導入するためには金属電極と不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜との界面にオームコンタクトを形成する必要がある。即ち、オームコンタクトをなす中間膜を形成し、障壁膜を導入する必要がある。
【０００７】
前述したように酸化タンタル膜またはＢＳＴ膜のような高誘電率の物質膜を導入するためには複雑な工程及び構造が要求される。即ち、ＭＩＭ構造またはＭＩＳ構造へのキャパシタの構造変更が要求される。しかし、このような構造変更には前述したような段差被覆性の問題及び界面におけるコンタクトの問題以外にも多様な工程上の難しさが存在する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これを解決すべく、本発明は、Ｓｉ系導電膜を下部電極として用いてキャパシタンスの増大を具現しうる半導体装置のキャパシタを提供するものである。
【０００９】
また、本発明は、Ｓｉ系導電膜を下部電極として用いてキャパシタンスの増大を具現しうる半導体装置のキャパシタ形成方法を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、下部電極と、誘電膜及び上部電極を含む半導体装置のキャパシタを提供する。前記下部電極としては不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜のようなシリコン系導電膜を用いる。また、前記下部電極はスタック型構造、半球状粒子シリコン膜型構造またはシリンダ型構造の立体構造を有することが好ましい。
【００１１】
前記誘電膜としては前記下部電極上に形成される非晶質酸化アルミニウム膜を用いる。ここで、前記非晶質酸化アルミニウム膜はそれぞれのソースから供給されるそれぞれの気相反応物を順次に反応させる膜質、即ち前記下部電極上に送る方法で形成する。例えば、前記誘電膜を原子膜蒸着方法で略１０Å乃至３００Åの厚さで形成することができる。前記非晶質酸化アルミニウム膜は略４０Å乃至７０Åの厚さで形成することが好ましい。また、前記下部電極及び前記誘電膜の間にはシリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンオキシ窒化物よりなる反応防止膜をさらに形成してもよい。
【００１２】
前記上部電極は前記誘電膜上に形成される。ここで、前記上部電極は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜、ＷＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＴｉＳｉ２、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｒ及びＴｉＮのような導電膜で形成することができる。
【００１３】
本発明の半導体装置のキャパシタは下部電極を形成する。ここで、前記下部電極は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜のようなシリコン系導電膜で形成される。また、前記下部電極はスタック型構造、半球状粒子シリコン膜型構造またはシリンダ型構造のような立体構造で形成される。
【００１４】
その後、前記下部電極上には非晶質酸化アルミニウム膜で誘電膜を形成する。この際、前記誘電膜を形成する段階の前に前記下部電極を熱処理して前記下部電極上に反応防止膜を形成する段階をさらに行う。この際、前記熱処理は略３００℃乃至１２００℃の温度で行う。好ましくは、８００〜９５０℃の温度でＮＨ３ガスのような窒素ソースを含む雰囲気ガスを用いる急速熱的窒化工程で熱処理する。これにより、前記下部電極上にシリコン酸化物、シリコン窒化物またはシリコンオキシ窒化物よりなる反応防止膜をさらに形成しうる。
【００１５】
また、前記非晶質酸化アルミニウム膜はそれぞれのソースから供給されるそれぞれの気相反応物を順次に反応させる膜質、即ち前記下部電極上に送る方法で形成される。例えば、原子膜蒸着方法で略１０Å乃至３００Åの厚さで形成される。詳しくは、前記非晶質酸化アルミニウム膜は４０Å乃至８０Åの厚さで形成される。ここで、前記原子膜蒸着方法はＡｌ（ＣＨ３）３またはＡｌＣｌ３をアルミニウムソースとして用いて行われる。また、前記原子膜蒸着方法を行う前に前記下部電極を水素パッシベーション処理する段階をさらに行う。
【００１６】
次いで、前記誘電膜上に上部電極を形成する。ここで、前記上部電極は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜、ＷＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＴｉＳｉ２、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｃｒ及びＴｉＮのような導電膜より形成する。さらに、前記上部電極を形成する段階後に前記非晶質酸化アルミニウム膜を第１緻密化する段階をさらに行う。この際、前記第１緻密化段階は前記非晶質酸化アルミニウム膜の結晶化温度以下に前記非晶質酸化アルミニウム膜を熱処理して行う。即ち、前記熱処理は１５０℃乃至９００℃の温度で行われる。また、前記熱処理は酸素ガス、一酸化窒素ガスまたは窒素ガスなどを雰囲気ガスとして用い、または真空で行う。好ましくは、８００〜８７０℃の温度で窒素ガスを雰囲気ガスとして用いて前記熱処理を行う。
【００１７】
また、前記第１緻密化する段階に付け加えて前記上部電極を形成する段階の前に前記非晶質酸化アルミニウム膜を第２緻密化する段階をさらに行う。ここで、前記第２緻密化段階は前記非晶質酸化アルミニウム膜の結晶化温度以下に前記非晶質酸化アルミニウム膜を熱処理して行う。即ち、前記熱処理は略１５０℃乃至９００℃の温度で行われる。また、前記熱処理は酸素ガス、一酸化窒素ガスまたは窒素ガスなどを雰囲気ガスとして用い、または真空で行う。好ましくは、３５０〜５５０℃の温度で酸素ガスを雰囲気ガスとして用いて前記熱処理を行う。
【００１８】
【実施例】
以下、添付した図面に基づき本発明の実施例を詳しく説明する。しかし、本発明の実施例は多様な形に変形でき、本発明の範囲が後述する実施例によって限定されることではない。本発明の実施例は当業者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における膜の厚さはさらに明確な説明を強調するために誇張されたものであり、図面上同じ符号で示された要素は同じ要素を意味する。また、何れの膜が他の膜または半導体基板の「上」にあると記載される場合に、前記何れの膜は前記他の膜または半導体基板に直接接触して存在することもでき、またはその間に第３の膜を介在させてもよい。
【００１９】
図１を参照すれば、本発明の実施例によるキャパシタは下部電極２００と、誘電膜４００及び上部電極５００よりなる。この際、前記下部電極２００は半導体基板１００を覆う層間絶縁膜１５０に形成されたコンタクトホールを介して前記半導体基板１００の活性領域に電気的に連結される。前記下部電極２００では不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜のようなシリコン系導電膜を用いる。
【００２０】
前記下部電極２００を覆う誘電膜４００としては非晶質酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜を用いる。酸化アルミニウム膜はα−Ａｌ２Ｏ３及びγ−Ａｌ２Ｏ３のような結晶質相の時と非晶質相の時の誘電定数の差がほとんどなく略１０ほどの高い誘電定数を有する。しかし、結晶質相に比べて非晶質相は様々の優秀な利点を有している。例えば、非晶質相酸化アルミニウムはシリコン酸化物より酸化しやすく、低いアルカリイオンの透過率及び高絶縁特性を有する。また、非晶質相の酸化アルミニウム膜は柔軟なモルホロジ(morphology)を有し、結晶粒界を通した拡散が発生しない。また、前記非晶質酸化アルミニウム膜は酸素などの拡散度を低く抑制させうる。
【００２１】
また、本実施例において非晶質酸化アルミニウム膜はそれぞれのソースから供給されるそれぞれの気相反応物を順次に反応させる膜質、即ち前記下部電極２００上に送る方法で形成される。このような方法は微細な厚さで膜質を形成する段階を反復することにより所望の厚さの膜質を形成する方法である。このような方法の一例として原子膜蒸着（ＡＬＤ）方法があり、これに対しては後述する。
【００２２】
前述したような原子膜蒸着方法のようなそれぞれの気相反応物を順次に反応させる膜質上に送る方法を用いて前記非晶質酸化アルミニウム膜を形成するので、高い共形度(conformality)を具現しうる。従って、１００％に至る段差被覆性を具現しうる。また、前記ＡＬＤ工程の特性上、前記非晶質酸化アルミニウム膜内に不純物がほとんど残留しない。一般に、酸化アルミニウム膜をスパッタリング方法で形成すれば段差被覆性が不良であり、ＣＶＤ方法を用いると残留不純物の除去が困難で薄膜化しにくい。しかし、本実施例ではＡＬＤ方法で非晶質酸化アルミニウム膜を形成することにより高い段差被覆性及び高い非晶質度を具現しうる。この際、前記非晶質酸化アルミニウム膜は略１０Å乃至３００Åの厚さで形成される。望ましくは、略４０Å乃至８０Å程度の厚さで形成される。
【００２３】
また、前記下部電極２００及び前記誘電膜４００の間にはＳｉＯ２、ＳｉＮまたはＳｉＯＮよりなる反応防止膜３００をさらに形成しうる。しかし、前記非晶質酸化アルミニウム膜は酸素に対する拡散度が低いので、前記反応防止膜３００を導入しないことがある。また、誘電膜４００上に形成される上部電極５００は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜、ＷＳｉ２膜、ＭｏＳｉ２膜、ＴａＳｉ２膜、ＴｉＳｉ２膜、Ｗ膜、Ｍｏ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜またはＴｉＮ膜のような導電膜よりなる。
【００２４】
一方、図１〜４に示すように本発明によるキャパシタの下部電極２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃは立体構造を有しうる。例えば、図１に示されたようにスタック型構造の下部電極２００を有しうる。また、図２に示されたように電極の表面に半球状粒子シリコン膜を形成して凹凸構造で表面積を増大させた半球状粒子シリコン膜型構造の下部電極２００ａを有しうる。また、図３に示されたようにシリンダ型構造の下部電極２００ｂが利用でき、図４に示されたようにシリンダ型構造の電極表面に半球状粒子シリコン膜をさらに形成して表面積の増大を具現した下部電極２００ｃを用いることもできる。このような立体構造の下部電極２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃを導入しても、本実施例で用いられる非晶質酸化アルミニウム膜はＡＬＤ工程の特性上、高い共形度を具現しうる。即ち、高い共形度が具現できて段差被覆性の低下のような工程不良が抑制される。
【００２５】
図５を参照すれば、層間絶縁膜１５０の形成された半導体基板１００上に下部電極２００を形成する。この際、前記下部電極２００は本実施例ではスタック型構造を例として説明するが、図２乃至図４に基づいて説明したように半球状粒子シリコン膜型構造またはシリンダ型構造のような立体構造で形成しうる。また、前記下部電極２００は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜のようなシリコン系導電膜で形成される。
【００２６】
以降、前記下部電極２００を急速熱的工程(Rapid Thermal process:RTP)で熱処理して前記下部電極２００を覆う反応防止膜３００をさらに形成する。この際、前記熱処理は略３００℃乃至１２００℃の温度で行われる。好ましくは、８００〜９５０℃の温度で窒素ソースとしてＮＨ３等を用いて約６０秒間熱処理を行う。即ち、急速熱的窒化（ＲＴＮ）工程を行う。このような熱処理によって前記下部電極２００のシリコンは窒素と反応してシリコン窒化膜を形成する。このように形成されたシリコン窒化膜を反応防止膜３００として用いる。しかし、前記反応防止膜３００としてシリコン窒化物よりなる膜質以外にもシリコン酸化物またはシリコンオキシ窒化物よりなる膜質が用いられる。
【００２７】
このように形成される反応防止膜３００は後続の酸素雰囲気による熱処理工程で前記下部電極２００への酸素の拡散をさらに完全に防止する役割をする。即ち、酸素の拡散による等価酸化膜厚さ(Equivalent Thickness of Oxidelayer:ET)の増加を防止する。しかし、本実施例では前記ＲＴＰによるシリコン窒化膜の形成段階を実施しないことがある。これは後述されるが、非晶質酸化アルミニウム膜が酸素拡散度を低く保たせる特性に基づく。
【００２８】
図６を参照すれば、形成された下部電極２００に水素パッシベーション処理を行って前記下部電極２００上に残存する自然酸化膜を完全に除去する。このような水素パッシベーション処理は前記ＲＴＰ処理を導入しない場合にはさらに確実に行われるべきである。
【００２９】
以降、前記下部電極２００上にそれぞれのソースから供給されるそれぞれの気相反応物を順次に反応させる膜質、即ち、前記下部電極２００上に送る方法で非晶質酸化アルミニウム膜を形成する。このような方法は様々な名称で呼ばれる多様な方法があるが、ＡＬＤ方法を例として具体的に説明する。前記ＡＬＤ方法は前記下部電極２００上にアルミニウムソースを用いて原子の大きさ程度の厚さでアルミニウム膜を形成する。次いで、前記アルミニウム膜を酸化剤で処理して原子の大きさ程度の厚さ、例えば略０．５Å乃至５０Åの厚さの酸化アルミニウム膜を形成する。引続き、前記のような厚さの酸化アルミニウム膜を形成する段階をサイクルで反復行って略１０Å乃至３００Åの厚さで非晶質酸化アルミニウム膜を形成する。望ましくは、略４０Å乃至８０Åの厚さで非晶質酸化アルミニウム膜を形成する。
【００３０】
さらに具体的に説明すれば次の通りである。前記アルミニウムソースとしてはＡｌ（ＣＨ３）３またはＡｌＣｌ３を用いる。望ましくは、Ａｌ（ＣＨ３）３を用いて、酸化剤としては水蒸気を用いる。この際、前記酸化剤で前記アルミニウム膜を酸化させる段階は略１５０℃乃至４００℃の半導体基板１００の温度条件で行われる。好ましくは、３００〜３７０℃の半導体基板１００の温度条件で行われる。また、前記サイクルによって前記非晶質酸化アルミニウム膜は約２Åの厚さで成長される。このように形成される非晶質酸化アルミニウム膜は前記ＡＬＤ方法の工程特性によって非晶質相に具現される。また、このように形成される酸化アルミニウム膜は前記ＡＬＤ方法の工程特性によって高い共形度を示す。従って、１００％に至る高い段差被覆性を具現しうる。
【００３１】
次いで、前記誘電膜４００上に図１に示されたように上部電極５００を形成する。この際、前記上部電極５００は不純物のドーピングされた多結晶質シリコン膜、ＷＳｉ２膜、ＭｏＳｉ２膜、ＴａＳｉ２膜、ＴｉＳｉ２膜、Ｗ膜、Ｍｏ膜、Ｔａ膜、Ｃｒ膜またはＴｉＮ膜のような導電膜よりなる。
【００３２】
一方、前記非晶質酸化アルミニウム膜は成長直後に、略１．６４の屈折率（λ＝６３３．０ｎｍ）を示す。しかし、前記非晶質酸化アルミニウム膜は後続の熱処理によって緻密化されうる。このような緻密化程度は屈折率及び膜の厚さを測定して分かる。即ち、前記非晶質酸化アルミニウム膜を成長させた後、前記非晶質酸化アルミニウム膜をＯ２雰囲気ガスでアニーリングする方法で緻密化してその緻密化の程度を測定する。
【００３３】
【表１】
0004107731.tif 000002
【００３４】
前記表１に示されたように非晶質酸化アルミニウム膜はＯ２アニーリングによりその厚さが減少し、屈折率が増加することが分かる。このような結果は前記熱処理によって前記非晶質酸化アルミニウム膜が緻密化されることを示す。これにより、前記非晶質酸化アルミニウム膜の誘電率が上昇する効果が具現される。また、このような熱処理による前記非晶質酸化アルミニウム膜の厚さの減少及び誘電率の上昇は、前記熱処理によって等価酸化膜の厚さ（ＥＴ）の最小化を具現しうることを意味する。
【００３５】
また、前記非晶質酸化アルミニウム膜の酸素拡散度を膜形成のない半導体基板に形成されるシリコン酸化膜の厚さを測定して評価する。即ち、標準洗浄液Ｉ(Standard CleaningＩ)及びＨＦで処理された半導体基板に様々な厚さの非晶質酸化アルミニウム膜を形成した後、約８００℃の温度でＯ２雰囲気でアニーリングする。引続き、形成されるシリコン酸化膜の厚さを分光エリプソメータ(spectroscopic elipsometer)を用いて測定した結果を表２に示す。
【００３６】
表２に示されたように非晶質酸化アルミニウム膜は酸素の拡散を抑制する効果を示す。即ち、非晶質酸化アルミニウム膜の形成されていない場合には約６６．６Åの厚さでシリコン酸化膜が形成されたが、非晶質酸化アルミニウム膜が導入される場合には形成されるシリコン酸化膜の厚さが大きく減少することが分かる。
【００３７】
また、約１００Åの非晶質酸化アルミニウム膜を導入する場合には約２Åの微小な厚さのシリコン酸化膜が形成されることが分かる。このように本実施例による非晶質酸化アルミニウム膜は酸素拡散が抑制でき、前記ＲＴＰ処理による反応防止膜３００を導入しなくても優秀なキャパシタ特性を具現しうる。しかし、後続熱処理時、前記酸素の拡散をさらに完全に防止するために前記反応防止膜３００を導入することが好ましい。
【００３８】
【表２】
0004107731.tif 000003
【００３９】
このように前記非晶質酸化アルミニウム膜を緻密化させて誘電率を向上させるために、前記非晶質酸化アルミニウム膜を熱処理して第１緻密化する。この際、前記熱処理は前記非晶質酸化アルミニウム膜を形成した後、何れの時点で行ってもよい。望ましくは、前記上部電極５００の形成後に前記熱処理を行って第１緻密化する。この際、前記第１緻密化の熱処理は前記非晶質酸化アルミニウム膜の結晶化温度以下の温度条件、例えば略１５０℃乃至９００℃の温度で行われる。好ましくは、８００〜８７０℃の温度で前記第１緻密化の熱処理を行う。この際、前記熱処理は酸素ガス、一酸化窒素ガスまたは窒素ガスなどを雰囲気ガスとして用いたり真空で行われる。望ましくは、窒素ガス雰囲気で約３０分間熱処理する。これに対する効果は後述する。
【００４０】
前記第１緻密化によって前記非晶質酸化アルミニウム膜は理論的なＥＴ値、例えば約６０Åの前記非晶質酸化アルミニウム膜の厚さより略２６Å（Ａｌ２Ｏ３の誘電定数を９で仮定）の理論的なＥＴ値に近接するＥＴ値を具現しうる。しかし、前記理論的なＥＴ値により近接する値を具現するために前記熱処理をさらに行える。即ち、前記第１緻密化段階の前処理として前記非晶質酸化アルミニウム膜を形成した直後に熱処理を行って第２緻密化を行う。
【００４１】
ここで、前記第２緻密化段階は前記非晶質酸化アルミニウム膜の結晶化温度以下、例えば１５０℃乃至９００℃の温度で熱処理する方法で行われる。好ましくは、３５０〜５５０℃の温度で前記第２緻密化を行う。また、前記熱処理は酸素ガス、一酸化窒素ガスまたは窒素ガスなどを雰囲気ガスとして用いたり真空で行われる。この際、望ましくは酸素ガスを雰囲気ガスとして用いて約３０分間熱処理して第２緻密化を行う。
【００４２】
前述したような第２緻密化段階を行う効果を説明するために、様々な条件を分けて設定し、様々な電気的特性を測定して表３に示す。即ち、半導体基板１００に下部電極２００を多結晶質シリコン膜で形成し、非晶質酸化アルミニウム膜を形成した後、キャパシタの電気的特性を測定する。
【００４３】
この際、前記条件等は次の通りである。即ち、ＲＴＮ工程（９００℃、ＮＨ３、６０秒）の実行有無条件、形成される非晶質酸化アルミニウム膜の６０Å乃至３００Åの厚さ条件、第２緻密化段階の実行有無及び第２緻密化段階を約４５０℃、Ｏ２、３０分条件で行う条件と、第２緻密化段階を約８００℃、Ｏ２、３０分条件で行う条件とを分けて設定し、１０回に亙って測定された結果を表３に示す。
【００４４】
示した表３によれば、Ａｌ２Ｏ３膜が約３００Åの厚さでは他の条件に関係なく漏れ電流密度が２０ｎＡ／ｃｍ２以下に示される。しかし、前記Ａｌ２Ｏ３膜が約６０Åの厚さでは他の条件により敏感に漏れ電流の特性が変化することが分かる。即ち、Ａｌ２Ｏ３膜が６０Åであり、ＲＴＮ処理しなく約８００℃の第２緻密化温度条件の場合（Ｎｏ．７）にはＥＴが最も厚くて約５７Åを示す。ＲＴＮ処理を行った場合（Ｎｏ．１）にも約４７ÅのＥＴを示して理論的なＥＴ値、即ちＲＴＮ  ４Å＋Ａｌ２Ｏ３  ２６Åの３０Åに比べて相当大きい。即ち、前記した場合には等価酸化膜が相当成長することがわかる。
【００４５】
しかし、Ａｌ２Ｏ３膜が６０Åであり、約４５０℃の第２緻密化温度条件の場合に、ＲＴＮ処理を行った場合（Ｎｏ．３）は４０Å、ＲＴＮ処理のない場合（Ｎｏ．６）では約３７ÅのＥＴ値を示す。また、前記ＲＴＮ処理のない場合（Ｎｏ．６）には漏れ電流の密度が７００ｎＡ／ｃｍ２と高く示される。これにより、第２緻密化を約４５０℃の温度条件で行う時、キャパシタの電気的特性が優れていることが分かる。また、下部電極２００と誘電膜４００との間にＲＴＮ処理のような熱処理によって形成されるシリコン窒化膜、シリコン酸化膜またはシリコンオキシ窒化膜のような反応防止膜３００が存在する時、キャパシタの電気的特性が優れていることが分かる。
【００４６】
【表３】
0004107731.tif 000004
【００４７】
前述したように非晶質酸化アルミニウム膜を誘電膜４００として導入する際、第２緻密化を行うことにより、キャパシタの電気的特性を向上させうることが分かる。しかし、前記条件で具現されるＥＴ値は理論的な値３０Åに及ばない。そこで前記上部電極５００を形成した後、第１緻密化段階を行う効果に対して説明する。即ち、前記表３のような条件で進行した後、上部電極５００を形成してから約８５０℃、Ｎ２、３０分間アニーリングして第１緻密化した後、キャパシタの電気的特性を１０回に亙って測定して表４に示す。
【００４８】
【表４】
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【００４９】
表４においてＣはセンター、Ｂは下、Ｔは上、Ｌは左側及びＲは右側の半導体基板上の位置を示す。第１緻密化段階を行うことにより、表４に示されたように全ての条件でＥＴ値の減少を具現しうる。特に、第２緻密化段階において約４５０℃の温度で熱処理された場合には、ＲＴＮ処理された場合（Ｎｏ．３−Ｃ）に３５ÅのＥＴ値を、ＲＴＮ処理されない場合（Ｎｏ．６−Ｃ）には約３１ÅのＥＴ値を示して理論的なＥＴ値の３０Åに近接している。この結果から本実施例では後続の熱処理による劣化が防止され、非晶質酸化アルミニウム膜の緻密化によるキャパシタンスの増大を具現しうる。
【００５０】
表４における非晶質酸化アルミニウム膜の６０Åの厚さ条件の場合におけるＥＴを印加される電圧に応じて図７に示す。即ち、図７における部材番号７１０は表４におけるＮｏ．１の場合、７１５はＮｏ．７の場合、７３０はＮｏ．３の場合、７３５はＮｏ．６の場合における電圧によるＥＴ値を示す。図７に示されたように約４５０℃の温度条件でＯ２で３０分間第２緻密化し、８５０℃でＮ２で３０分間第１緻密化した場合７３０、７３５、即ち表４におけるＮｏ．３及びＮｏ．６の場合におけるＥＴ値が理論的なＥＴ値３０Åにより近接することが分かる。
【００５１】
図８を参照すれば、部材番号８１０は表４のＮｏ．７、８１５はＮｏ．１、８３０はＮｏ．６、８３５はＮｏ．３の場合における電圧による漏れ電流の密度を示す。図８に示されたように図７の理論的なＥＴ値に近接する条件の場合７３０、７３５のうち、即ち表４のＮｏ．３及びＮｏ．４の場合において、２Ｖ以下の駆動電圧下で漏れ電流の密度が低い場合は部材番号８３５のグラフ、即ちＮｏ．３の場合のグラフであることが分かる。これにより、表４のＮｏ．３の条件、即ちＲＴＮ処理を行なった後、約４５０℃の温度条件でＯ２で３０分間第２緻密化し、８５０℃、Ｎ２で３０分間第１緻密化した場合がキャパシタの電気的特性が優れていることが分かる。
【００５２】
第２緻密化段階を行う効果について説明する。まず、第２緻密化段階を行う熱処理温度条件を前述したような優れたキャパシタの電気的特性を具現しうる約４５０℃の条件で設定する。そして、第２緻密化段階を行う雰囲気ガスをＯ２以外の他のガス、例えばＮ２ガスを用いる場合、または第２緻密化段階を行わない場合を変数条件で設定する。また、第２緻密化段階を行う時間及び非晶質酸化アルミニウム膜の厚さを変数条件として設定してＥＴ値及び漏れ電流の密度を測定して示す。具体的な条件を表５に示す。
【００５３】
図９を参照すれば、ＥＴの場合は９４０の場合が最も低い。しかし、漏れ電流密度の場合に最高値を示す。そして、約６０Åの非晶質酸化アルミニウム膜の場合９５０、９６０、９７０、９８０には略同じ値のＥＴ及び漏れ電流密度を示す。また、非晶質酸化アルミニウム膜の厚さが４０Åの場合９１０に近接するほどＥＴは同じ値を示すが、漏れ電流の密度が高まる傾向を示す。これにより、約６０Åの厚さを有する非晶質酸化アルミニウム膜では前記第２緻密化段階を行わなかったり、または実行時間及び雰囲気ガスによってキャパシタの特性に大きな変化を起こさないことが分かる。このような結果は、前記第２緻密化段階が必須的ではないことを意味する。これにより、前記第２緻密化段階は第１緻密化段階を補完するための工程であることがわかり、前記第２緻密化段階を行わなく、上部電極５００を誘電膜４００上に形成しても優秀なキャパシタ特性を具現しうることを意味する。即ち、下部電極２００にＲＴＮ処理を行ってから非晶質酸化アルミニウム膜及び上部電極５００を形成した後、約８５０℃、Ｎ２、３０分間第１緻密化を行った場合がキャパシタの電気的特性に優れることが分かる。
【００５４】
【表５】
0004107731.tif 000006
【００５５】
【発明の効果】
前述した本発明によれば、下部電極上に気相反応物を順次に反応させる膜質、即ち前記下部電極上に送る方法、例えばＡＬＤ方法を用いて誘電膜の非晶質酸化アルミニウム膜を形成する。また、非晶質酸化アルミニウム膜の形成時、前記気相反応物を順次に反応させる膜質上に送る方法を用いることにより非晶質相を具現しうる。また、前記気相反物を順次に反応させる膜質上に送る方法の工程特性上、前記非晶質酸化アルミニウム内の不純物の残留が抑制される。この際、前記非晶質酸化アルミニウム膜は非晶質相の特性によって低い酸素拡散度を示す。これにより、シリコン系導電膜を下部電極として導入する際、等価酸化膜の過度成長を抑制しうる。即ち、ＯＮＯ構造のキャパシタのようにＳＩＳ構造のキャパシタを具現しうる。従って、ＭＩＳ構造やＭＩＭ構造のようなキャパシタ構造の変更による困難性を解決できる。
【００５６】
また、非晶質酸化アルミニウムは柔軟なモルホロジ及び高い共形度を有して略１００％の段差被覆性を具現しうる。これにより、前記下部構造をスタック型構造だけでなくシリンダ型構造または半球状粒子シリコン構造で形成しうる。これにより、キャパシタンスをさらに増大させうる。また、非晶質酸化アルミニウム膜は結晶質相のアルミニウム膜と対等な誘電定数を有する。これにより高いキャパシタンスを具現しうる。
【００５７】
また、前記非晶質酸化アルミニウム膜上に上部電極を形成した後、前記非晶質酸化アルミニウム膜を酸化アルミニウムの結晶化温度以下の温度、例えば約８５０℃の温度で熱処理して緻密化させうる。このような緻密化により非晶質酸化アルミニウム膜の厚さを減少させ、屈折率を増加させうる。即ち、非晶質酸化アルミニウム膜が発現する誘電率を増加させうる。また、等価酸化膜の厚さを減少させ、理論的な等価酸化膜の厚さ、例えば約３０Åの厚さに近接な等価酸化膜を具現しうる。これにより、キャパシタンスの増大を具現しうる。
【００５８】
等価酸化膜の厚さをさらに減少させ、キャパシタの安定した作動のために非晶質酸化アルミニウム膜と下部電極との間に反応防止膜を形成しうる。また、前記非晶質酸化アルミニウム膜を緻密化する段階を補完するために緻密化段階をさらに行える。これにより、等価酸化膜の厚さを理論的な等価酸化膜の厚さにさらに接近させうる。これにより、キャパシタンスの増大を具現しうる。従って、本発明によれば、Ｓｉ系導電膜を下部電極として用いてキャパシタンスの増大を具現しうる。
【００５９】
以上、図面及び明細書で本発明の具体的な実施例を詳しく説明した。ここで、特定の用語を使用したがこれは本発明をさらに明確に説明するためのものに過ぎなく、意味の限定や特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を制限するものではない。従って、本発明の技術的思想内で当業者によりその変形や改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、本発明によるキャパシタの実施例を説明するために概略的に示す断面図である。
【図２】は、本実施例のキャパシタに用いられる下部電極構造の例を概略的に示す断面図である。
【図３】は、本実施例のキャパシタに用いられる下部電極構造の例を概略的に示す断面図である。
【図４】は、本実施例のキャパシタに用いられる下部電極構造の例を概略的に示す断面図である。
【図５】は、半導体基板上に下部電極を形成する段階を概略的に示す断面図である。
【図６】は、下部電極上に誘電膜を形成する段階を概略的に示す断面図である。
【図７】は、６０Åの厚さの非晶質酸化アルミニウム膜から印加される駆動電圧に対して測定された等価酸化膜の厚さを示すグラフである。
【図８】は、６０Åの厚さの非晶質酸化アルミニウム膜から印加される駆動電圧に対して測定された漏れ電流の密度を示すグラフである。
【図９】は、非晶質酸化アルミニウム膜を形成した直後、約４５０℃の温度で熱処理を行う際、様々な条件変数に応じて測定されたキャパシタの電気的特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１００  半導体基板
１５０  層間絶縁膜
２００、２００ａ、２００ｂ、２００ｃ  下部電極
３００  反応防止膜
４００  誘電膜
５００  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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