(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部物質層上に組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階と、
前記組成転移層上に前記下部物質層に含まれる元素以外の少なくとも一つの物質元素を含む上部物質層を形成する段階と、を含んで、
前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層を順次形成する段階を多数回繰り返して薄膜構造のための多重膜を製造する方法であって、
前記組成転移層は、前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素の両方を含んで導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きく、
前記下部物質層は、アルミニウム、ジルコニウム、シリコン、セリウム、チタニウム、イットリウム、タンタル、及びニオビウムのうち何れか一種の酸化物または窒化物よりなることを特徴とする薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項２】
下部物質層上に組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階と、
前記組成転移層上に前記下部物質層に含まれる元素以外の少なくとも一つの物質元素を含む上部物質層を形成する段階と、を含んで、
前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層を順次形成する段階を多数回繰り返して薄膜構造のための多重膜を製造する方法であって、
前記組成転移層は、前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素の両方を含んで導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きく、
前記上部物質層は、アルミニウム、ジルコニウム、シリコン、セリウム、チタニウム、イットリウム、タンタル、及びニオビウムのうち何れか一種の酸化物または窒化物よりなることを特徴とする薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項３】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、
前記上部物質層をなす元素を含む上部物質ソースを前記下部物質層上に与えて前記下部物質層上に吸着させる段階と、
前記残留する上部物質ソースを排出する第１パージ段階と、
前記下部物質層をなす元素を含む下部物質ソースを前記下部物質層上に与えて前記下部物質層上に吸着させる段階と、
前記残留する下部物質ソースを排出する第２パージ段階と、
前記吸着された上部物質ソース及び前記吸着された下部物質ソースに反応剤を与えて前記組成転移層をなす生成物を蒸着する段階と、
前記反応剤との反応によって発生する反応副産物を排出する第３パージ段階と、を含んでなる反応サイクルを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項４】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、
前記反応サイクルを多数回繰り返して行い、繰り返される各反応サイクルをそれぞれ順次変化する条件で行って、各反応サイクルによって生成する生成物の組成を各反応サイクル別に順次異ならしめて前記組成転移層に濃度勾配を持たせることを特徴とする請求項３に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項５】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、
前記上部物質層をなす元素を含む上部物質ソースを与える段階と、
前記上部物質ソースを与える段階前または後にパージ段階をさらに行い、前記下部物質層をなす元素を含む下部物質ソースを与える段階と、
前記下部物質ソースを与える段階後または前記上部物質ソースを与える段階後にパージ段階をさらに行い、前記下部物質ソース及び前記上部物質ソースと反応する反応剤を与える段階と、を含んでなる反応サイクルを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項６】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、前記反応サイクルを多数回繰り返し行うが、それぞれの繰り返される反応サイクルをそれぞれ順次変化する他の条件で行って、それぞれの反応サイクルによって生成する生成物の組成をそれぞれの反応サイクル別に順次異ならしめて前記組成転移層に濃度勾配を持たせることを特徴とする請求項５に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項７】
下部物質層上に組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階と、
前記組成転移層上に前記下部物質層に含まれる元素以外の少なくとも一つの物質元素を含む上部物質層を形成する段階と、を含んで、
前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層を順次形成する段階を多数回繰り返して薄膜構造のための多重膜を製造する方法であって、
前記組成転移層は、前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素の両方を含んで導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きく、
前記下部物質層は酸化アルミニウム層であり、前記上部物質層は酸化チタニウム層であることを特徴とする薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項８】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、
チタニウムソースを前記酸化アルミニウム層上に与えて吸着させる段階と、
前記残留するチタニウムソースを排出する第１パージ段階と、
アルミニウムソースを前記酸化アルミニウム層上に与えて前記チタニウムソースと反応させるか、あるいは前記酸化アルミニウム層上に吸着させる段階と、
前記残留するアルミニウムソース及び反応副産物を排出する第２パージ段階と、
前記吸着された前記チタニウムソースまたは反応されたチタニウムソース、及び吸着されたアルミニウムソースに酸化反応のための反応剤を与えて酸化チタニウム相及び酸化アルミニウム相の両方を含む組成転移層を蒸着する段階と、
前記反応剤との反応によって発生する反応副産物を排出する第３パージ段階とを含んでなる反応サイクルを含むことを特徴とする請求項７に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項９】
前記組成転移層をＡＬＤ法によって形成する段階は、
前記反応サイクルを多数回繰り返し行い、繰り返される各反応サイクルをそれぞれ異なる条件で行って、各反応サイクルによって生成する前記酸化アルミニウム相及び前記酸化チタニウム相の組成比を各反応サイクル別に異ならしめて前記組成転移層に濃度勾配を持たせることを特徴とする請求項８に記載の薄膜構造のための多重膜を製造する方法。
【請求項１０】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成されて誘電体として用いられ、相異なる物質元素を含んでなる下部物質層及び上部物質層と、
前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素を共に含有して導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きいＡＬＤ法によって形成された組成転移層を含む多重膜と、
前記多重膜上に形成された上部電極と、を含み、
前記多重膜は、前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層の順次積層された構造が多数回繰り返されてなり、
前記下部物質層は、アルミニウム、ジルコニウム、シリコン、セリウム、チタニウム、イットリウム、タンタル、及びニオビウムのうちいずれか一種の酸化物または窒化物よりなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ。
【請求項１１】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成されて誘電体として用いられ、相異なる物質元素を含んでなる下部物質層及び上部物質層と、
前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素を共に含有して導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きいＡＬＤ法によって形成された組成転移層を含む多重膜と、
前記多重膜上に形成された上部電極と、を含み、
前記多重膜は、前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層の順次積層された構造が多数回繰り返されてなり、
前記上部物質層は、アルミニウム、ジルコニウム、シリコン、セリウム、チタニウム、イットリウム、タンタル、及びニオビウムのうちいずれか一種の酸化物または窒化物よりなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ。
【請求項１２】
半導体基板上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成されて誘電体として用いられ、相異なる物質元素を含んでなる下部物質層及び上部物質層と、
前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素を共に含有して導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きいＡＬＤ法によって形成された組成転移層を含む多重膜と、
前記多重膜上に形成された上部電極と、を含み、
前記多重膜は、前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層の順次積層された構造が多数回繰り返されてなり、
前記下部物質層は酸化アルミニウム層であり、前記上部物質層は酸化チタニウム層であり、前記組成転移層は酸化チタニウム相及び酸化アルミニウム相が混合された固溶体よりなることを特徴とする半導体素子のキャパシタ。
【請求項１３】
前記組成転移層は、
前記酸化アルミニウム層上から前記酸化チタニウム層に至るまでの濃度勾配を持って、前記酸化チタニウム層に隣接する部分において前記酸化チタニウム相が相対的に大きい濃度で存在することを特徴とする請求項１２に記載の半導体素子のキャパシタ。
【請求項１４】
半導体基板上に下部電極を形成する段階と、
前記下部電極上に相異なる物質元素を含んでなる下部物質層及び上部物質層と、前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素を共に含有して導入されて前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまで濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分で前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きいＡＬＤ法によって形成された組成転移層を含む多重膜を誘電体として形成する段階と、
前記多重膜上に上部電極を形成する段階と、を含み、
前記多重膜は、前記下部物質層、前記組成転移層、及び前記上部物質層を順次形成する段階を多数回繰り返されてなり、
前記下部物質層は酸化アルミニウム層であり、前記上部物質層は酸化チタニウム層であ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１５】
前記多重膜を誘電体として形成する段階において、前記組成転移層は、
チタニウムソースを前記酸化アルミニウム層上に与えて吸着させる段階と、
前記残留するチタニウムソースを排出する第１パージ段階と、アルミニウムソースを前記酸化アルミニウム層上に与えて前記チタニウムソースと反応させるか、あるいは前記酸化アルミニウム層上に吸着させる段階と、前記残留するアルミニウムソース及び反応副産物を排出する第２パージ段階と、
前記吸着された前記チタニウムソースまたは反応されたチタニウムソース、及び吸着されたアルミニウムソースに酸化反応のための反応剤を与えて酸化チタニウム相及び酸化アルミニウム相の両方を含む組成転移層を蒸着する段階と、
前記反応剤との反応によって発生する反応副産物を排出する第３パージ段階と、
を含んでなる反応サイクルによって形成されることを特徴とする請求項１４に記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
【請求項１６】
前記組成転移層は、
前記反応サイクルを多数回繰り返して行い、繰り返される各反応サイクルをそれぞれ異なる条件で行って、それぞれの反応サイクルによって生成する前記酸化アルミニウム相及び前記酸化チタニウム相の組成比をそれぞれの反応サイクル別に異ならしめて前記組成転移層に濃度勾配を持たせることによって形成されることを特徴とする請求項１５に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に関し、特に、薄膜構造のための界面特性が改善された多重膜、このような多重膜を誘電体として用いるキャパシタ、及びそれらの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子では、要求される素子特性を得るために多重膜を用いる場合がある。特に、キャパシタの静電容量を増やすために、相異なる物質層を多数回積層してなる多重膜を誘電膜として利用できる。例えば、誘電膜としてＯＮＯ（Ｏｘｉｄｅ／Ｎｉｔｒｉｄｅ／Ｏｘｉｄｅ）膜またはＮＯ（Ｎｉｔｒｉｄｅ／Ｏｘｉｄｅ）膜などの多重膜を利用できる。さらに、半導体素子の高集積化に伴うキャパシタの容量増大の要求に応えるために、新しい誘電物質を複合的に積層して用いる方法が提案されている。
【０００３】
しかし、多重膜をなす異種物質層は相異なる相互作用パラメータをもつため、異種物質層間の異種接合界面特性が劣ってしまう。このため、ある物質層上に相互作用パラメータの異なる異種物質層が蒸着されるとき、異種物質層が一様に蒸着できなくなる場合がある。例えば、異種物質層は、図１及び図２に示したように、島状の成長形態で蒸着することができる。図１及び図２は、島状の成長形態の蒸着メカニズムを概略的に示すものである。
【０００４】
図１を参照すれば、下部物質層１０上に相互作用パラメータの異なる上部物質層２０が蒸着されるとき、異種接合界面特性により上部物質層２０は孤立した島状形態で核生成され、この核を中心として成長することになる。なぜなら、蒸着メカニズムは、上部物質層及び下部物質層を構成する物質の相互作用パラメータが異なる場合、表面エネルギーを減少するために下部物質層１０における一定の核生成位置において上部物質層２０を核生成させ成長させることを、均一な蒸着より優先するからである。
【０００５】
このような蒸着メカニズムは、下部物質層１０として酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）層を用い、上部物質層２０として酸化チタニウム（ＴｉＯ2）層を用いる場合にも適用できる。
【０００６】
図２を参照すれば、その蒸着中に、前記物質層２０は、核から島状に成長して接し合い、かつ連続した形で成長する。このため、蒸着された上部物質層２０は極めて粗い表面トポロジーを持つことになる。したがって、上部物質層２０がより薄く蒸着されると、このようなトポロジーの粗さは一層大きくなる。すなわち、上部物質層２０の厚さ偏差は極めて不均一なため、上部物質層２０の膜質特性もまた極めて不均一になる。
【０００７】
このように多重膜をなすいずれか一つの物質層２０の膜質特性が不均一になれば、各種の不具合が生じてくる。例えば、前述したように、何れか一つの物質層の厚さ偏差が大きくなれば、多重膜の厚さが全体的に不均一になり得る。このことは、多重膜が誘電体として用いられる場合、全体の誘電率に影響を及ぼして多重膜の全体的な誘電率が不均一になる要因となる。このような誘電率の不均一は、結局キャパシタの特性を低下させる要因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、その目的は、相異なる物質よりなる層間の界面特性を改善して全体的に均一な膜質特性を示す多重膜、および当該多重膜の製造方法を提供するところにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、前述した多重膜を誘電体として用いるキャパシタ、および当該キャパシタの製造方法を提供するところにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の一形態は、相異なる物質元素をそれぞれ含んでなる下部物質層及び上部物質層の界面に組成転移層が導入される多重膜を提供する。組成転移層はＡＬＤ法によって形成され、前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素の両方を含み、前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を有する。すなわち、組成転移層は、前記上部物質層に隣接する部分において、前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きい。前記下部物質層または上部物質層は、アルミニウム、シリコン、ジルコニウム、セリウム、チタニウム、リットリウム、タンタルまたはニオビウムの酸化物または窒化物よりなり得る。
【００１１】
また、前記多重膜は、前記下部物質層、前記組成転移層及び前記上部物質層が順次積層されて多数回繰り返されてなる。
【００１２】
前記目的を達成するために、本発明の他の形態は、下部物質層上に組成転移層を形成する。次に、前記組成転移層上に前記下部物質層に含まれる元素及び少なくとも一つの他の物質を含む上部物質層を形成する。
【００１３】
このとき、前記組成転移層は、前記下部物質層及び前記上部物質層の界面に前記上部物質層をなす元素及び前記下部物質層をなす元素の両方を含む。また、前記下部物質層上から前記上部物質層に至るまでの濃度勾配を持って、前記上部物質層に隣接する部分において前記上部物質層を構成する元素の濃度が相対的に大きい。
【００１４】
前記組成転移層は、前記上部物質層をなす元素を含む上部物質ソースを前記下部物質層上に与えて前記下部物質層上に吸着させ、残留する前記上部物質ソースを排出する第１パージを行い、前記下部物質層をなす元素を含む下部物質ソースを前記下部物質層上に与えて前記下部物質層上に吸着させ、前記残留する下部物質ソースを排出する第２パージを行い、前記吸着された上部物質ソース及び前記吸着された下部物質ソースに反応剤を与えて前記組成転移層をなす生成物を蒸着し、前記反応剤との反応によって発生する反応副産物を排出する第３パージを行う反応サイクルを行って形成される。
【００１５】
このとき、繰り返される各反応サイクルをそれぞれ順次変化する条件で行って、各反応サイクルによって生成する生成物の組成を各反応サイクル別に順次異ならしめて前記組成転移層に濃度勾配を持たせる。
【００１６】
前記目的を達成するために、本発明の他の形態は、前述した多重膜を半導体素子のキャパシタの誘電体として用いる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面に基づき、本発明の望ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明の実施形態は各種の形態に変形でき、本発明の技術的思想の範囲は後述する実施形態によって限定されるものではない。本発明の実施形態は当業界における通常の知識を有した者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図中の要素の形状などはより明確な説明のために誇張されており、図中同一の符号で示された要素は同一の要素を意味する。また、ある層が他の層または半導体基板の“上”にあると記載される場合、前記ある層は前記他の層または半導体基板に直接的に接触して存在することもできれば、その間に第３の層が介在されることもできる。
【００１８】
本発明の実施形態は多層の相異なる物質層が順次積層された多重膜を形成するとき、相異なる物質層の界面に組成が変化する組成転移層を導入したものを含む。このように導入される組成転移層は、他の種類の物質層の構成元素を共に含む。また、組成転移層は、下部物質層に隣接する部分には下部物質層を構成する構成元素を相対的にたくさん含み、上部物質層に隣接する部分には上部物質層を構成する構成元素を相対的にたくさん含むように、膜質内に組成勾配を持つ。
【００１９】
このように組成転移層が下部物質層上に存在するので、蒸着される上部物質層の下部膜質依存性を抑制できる。上部物質層及び下部物質層を各々構成する元素は相異なる相互作用パラメータを持つため、上部物質層は蒸着される時に下部膜質依存性を示す。しかし、組成転移層は、上部物質層及び下部物質層間の相互作用パラメータの差を緩和させて、上部物質層の下部膜質依存性を抑制して均一な蒸着がなされるように誘導できる。
【００２０】
より詳細に説明すれば、上部物質層及び下部物質層を構成する物質のそれぞれは、相異なる相互作用パラメータを持つため、蒸着される上部物質層及び下部物質層の界面には異種接合界面が形成される。したがって、上部物質層の蒸着メカニズムはこのような異種接合界面による表面エネルギーを減少させるように行われる。すなわち、上部物質層は下部物質層の表面に均一に蒸着されず、一定の核生成位置で異種核生成をなし、当該位置において優先的に成長する。
【００２１】
しかし、下部物質層上に、前述した組成転移層を導入すれば、前述したような異種接合界面の生成を緩和できる。このことは、下部物質層と接する部分では下部物質層を構成する構成元素による組成が優越し、かつ、上部物質層と接する組成転移層の表面近傍では上部物質層を構成する構成元素による組成が優越するように組成転移層が形成されるからである。
【００２２】
これにより、上部物質層は上部物質層をなす物質の相互作用パラメータと類似した相互作用パラメータを実質的に持つ組成転移層の表面上に蒸着される。したがって、上部物質層は、異種接合界面上の島状成長メカニズムよりは同種界面上で成長する均一な蒸着メカニズム従って組成転移層上に蒸着されるようになる。したがって、界面をよりシャープに形成できる。
【００２３】
また、本発明の実施形態では、前述したような多重膜を半導体素子のキャパシタの誘電体として用いる方法を提示する。このとき、多重膜は均一なサブ膜よりなるので、均一な誘電率を提供できる。
【００２４】
以下、本発明の実施形態を酸化アルミニウム層及び酸化チタニウム層を含む多重膜を例に取って具体的に説明する。図３を参照すれば、多重膜１００は、相異なる物質よりなる下部物質層１１０及び上部物質層１５０を含む。例えば、下部物質層１１０は酸化アルミニウム膜であり、上部物質層１５０は酸化チタニウム膜である。このとき、前記した下部物質層１１０及び上部物質層１５０の各々は数Å〜数十Åの厚さで形成できる。好ましくは、それぞれ約２Å〜５Åの厚さで形成する。
【００２５】
上部物質層１５０が下部物質層１１０の表面に接触するように蒸着される場合、すなわち、酸化チタニウムが酸化アルミニウム層の表面に接触するように蒸着される場合、蒸着される酸化チタニウムは、図１及び図２を参照して説明したように、島状成長メカニズムに優先的に従うと知られている。このことは、上部物質層１５０及び下部物質層１１０がそれぞれ酸化アルミニウム膜及び酸化チタニウム膜であって、差の大きい相互作用パラメータを持つからである。
【００２６】
もし、上部物質層１５０として用いられる酸化チタニウム層が酸化アルミニウムの下部物質層１１０に直接的に接触して蒸着されれば、蒸着される膜質の均一性が低下されて膜質内に短所を持つことになる。特に、酸化チタニウムは導電性をもつため、酸化アルミニウム層などの絶縁特性を持つ膜質と結合するよりも、同じ酸化チタニウム上に蒸着されて結合しやすい。したがって、酸化チタニウム層は極めて不均一な膜質特性を示すことになり、ひいては、酸化アルミニウム層の表面を完全に覆えない場合もある。
【００２７】
酸化アルミニウム層及び酸化チタニウム層を含む多重膜１００を半導体素子のキャパシタの誘電体として用いる場合、前記した酸化アルミニウム層及び酸化チタニウム層はそれぞれ約２Å〜５Åに極めて薄く形成されることが、静電容量の増大に有効である。しかし、酸化チタニウム層が前述したように島状成長メカニズムに優先的に従って蒸着されて不均一な膜質特性をもつと、キャパシタの静電容量の増大に極めて悪影響を及ぼす。
【００２８】
これを防止するために、異種物質よりなる上部物質層１５０及び下部物質層１１０間の界面特性を緩和する手段として、上部物質層１５０及び下部物質層１１０間の界面に組成転移層１３０を導入する。組成転移層１３０は異種物質よりなる上部物質層１５０及び下部物質層１１０間の表面相互作用パラメータの差を減少させる役目をする。すなわち、界面活性の役目をして表面エネルギーまたは界面エネルギーを減少させる役目をする。
【００２９】
このために、組成転移層１３０は、図４に示すように、下部物質層１１０及び上部物質層１５０をそれぞれなす構成元素を共に含んで、このような構成元素の濃度は組成転移層１３０の厚さに応じて変化する。すなわち、組成転移層１３０の厚さに応じて濃度勾配が形成されるのである。
【００３０】
図４を参照すれば、例えば、酸化アルミニウムの下部物質層１１０及び酸化チタニウムの上部物質層１５０の界面に形成される組成転移層１３０は、下部物質層１１０の膜質内で酸化アルミニウムの濃度は実質的に１００％になり、上部物質層１５０の膜質内で酸化チタニウムの濃度は実質的に１００％になる。これにより、組成転移層１３０は、下部物質層１１０から上部物質層１５０である酸化チタニウム層に至るまで、酸化アルミニウムの濃度が順次減少するような濃度勾配を持つ。これに対し、組成転移層１３０は、酸化アルミニウム層の下部物質層１１０で接触する部位から上部物質層１５０に至るまで酸化チタニウムの濃度が増加する濃度勾配を持つ。これにより、酸化チタニウム層である上部物質層１５０に接する組成転移層１３０の表面部位は、ほぼ酸化チタニウムにより組成されることになる。
【００３１】
したがって、組成転移層１３０の表面は実質的に酸化チタニウムをたくさん含むので、蒸着される酸化チタニウムは表面上に分布されたチタニウム相と優先的に結合することになる。したがって、全体的に均一な酸化チタニウム層の上部物質層１５０が形成できる。すなわち、酸化チタニウム層は島状成長メカニズムよりは均一な成長メカニズムに優先的に依存して成長できる。
【００３２】
このような組成転移層１３０は実質的に単純な固溶体の形態を有する。例えば、酸化アルミニウム及び酸化チタニウムは約１０１０℃の温度及び２．４９×１０-11Ｐａ（１．８７×１０-13Ｔｏｒｒ）以下の圧力条件で相互固溶できると知られている。したがって、酸化アルミニウム及び酸化チタニウムが固溶されて共に含む組成転移層１３０は、蒸着工程の温度及び圧力を調節することにより形成できる。
【００３３】
このような組成転移層１３０の形成を原子層蒸着（ＡＬＤ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方法に基づいて説明する。しかし、組成転移層１３０の形成は前述したＡＬＤ方法の他にも、前記したような固溶相を得る方法なら、いかなる方法であっても良い。
【００３４】
図５を参照すれば、まず、下部物質層（図３の１１０）が形成された半導体基板（図示せず）を導入する。例えば、ＡＬＤ方法を用いて薄く蒸着された酸化アルミニウム層を下部物質層１１０として用いる。このとき、酸化アルミニウム層は約数Å〜数十Åの厚さで形成できるので、約２Å〜５Åの厚さで形成する。
【００３５】
次に、酸化アルミニウム層の下部物質層１１０上に後続する上部物質層１５０をなす酸化チタニウムを形成するのに用いられるチタニウムソースを供給する（図５の５０１）。このとき、半導体基板はＡＬＤ工程のために約２５０℃〜４５０℃の温度に保つことができるが、好ましくは、約３５０℃の温度に保つ。
【００３６】
前記したチタニウムソースとしては、四塩化チタニウム（ＴｉＣｌ4）などのチタニウムハロゲン化合物ガスを利用できる。このとき、四塩化チタニウムの供給量は要求される工程変数を考慮して変化できる。しかし、本発明の実施形態では四塩化チタニウムを半導体基板上に約０．４秒間供給する場合を例に取って説明する。供給された四塩化チタニウムは下部物質層１１０の酸化アルミニウム層上に吸着される。このような吸着は主として化学的吸着作用によって発生する。
【００３７】
次に、第１パージを約１秒間行う（５０２）。パージガスとしては窒素ガス（Ｎ2）を利用でき、窒素ガスは約４００ｓｃｃｍの流量で供給できる。このようなパージ段階によって、吸着されずに残留する四塩化チタニウムを排出できる。すなわち、パージと共にポンピングを行うこともできる。また、物理的に吸着された四塩化チタニウムを排出することもできる。
【００３８】
次に、前記したように四塩化チタニウムが吸着された下部物質層１１０の酸化アルミニウム層の表面にアルミニウムソースを約０．２秒間供給する（５０３）。例えば、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ；Ａｌ（ＣＨ3）3）またはトリエチルアルミニウム（ＴＥＡ；Ａｌ（Ｃ2Ｈ5）3）などのアルミニウムを含む前駆体として用いられるアルミニウムソースを供給する。このように供給されるアルミニウムソースは本発明の実施形態では約０．２秒間供給される場合を提示したが、ＡＬＤ工程の変数を考慮して変化できる。
【００３９】
供給されるアルミニウムソースは下部物質層１１０の酸化アルミニウム層の表面に吸着するか、あるいは吸着された四塩化チタニウムと次のように反応する。アルミニウムソースとしてＴＭＡを用いた場合を例に取ると、一部のＴＭＡは四塩化チタニウムが吸着されない下部物質層１１０の酸化アルミニウム層の表面に吸着される。主として化学的な吸着作用によるＴＭＡが以降に下部物質層１１０の表面に残留することになる。そして、一部のＴＭＡは酸化アルミニウム層に吸着されている四塩化チタニウムと次の反応式１に従って反応することになる。
【００４０】
３ＴｉＣｌ4＋４Ａｌ（ＣＨ3）3→３Ｔｉ（ＣＨ3）4＋４ＡｌＣｌ3（ｇ）  …反応式１
上記反応式１による反応によって、吸着されていた四塩化チタニウムは吸着された状態で四メチルチタニウム（Ｔｉ（ＣＨ3）4）に変わり、ＴＭＡは三塩化アルミニウム（ＡｌＣｌ3）に変わる。生成された三塩化アルミニウムは気相状態に残留する。したがって、酸化アルミニウム層の下部物質層１１０の表面には四メチルチタニウム及びＴＭＡが分布されて吸着された状態を示すことになる。
【００４１】
次に、第２パージを行い（５０４）、気相状態に残留する三塩化アルミニウムまたは吸着されずに残留したり物理的に吸着しているＴＭＡなどを排出する。このとき、第２パージ段階５０４は第１パージ段階５０１のように行われるが、必要ならばパージ時間を異にしても良い。例えば、本発明の実施形態では、第２パージ段階５０４のパージ持続時間を約２秒間とする。
【００４２】
次に、酸化剤を反応剤として供給する（５０５）。例えば、水蒸気（Ｈ2Ｏ）などを約０．２秒間供給する。水蒸気などは下部物質層１１０上に吸着されているＴＭＡ及び四メチルチタニウムと次の反応式２に示すように反応する。
【００４３】
Ｔｉ（ＣＨ3）4＋２Ａｌ（ＣＨ3）4＋５Ｈ2Ｏ→ＴｉＯ2（ｓ）＋Ａｌ2Ｏ3（ｓ）＋１０ＣＨ4…反応式２
すなわち、吸着された状態のＴＭＡ及び四メチルチタニウムは水蒸気と反応してそれぞれ酸化物の形に変わる。例えば、二酸化チタニウム（ＴｉＯ2）及び三酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）などの酸化チタニウム相及び酸化アルミニウム相に各々置換される。このような酸化チタニウム相及び酸化アルミニウム相は、下部物質層１１０の表面に蒸着された状態を保つことになる。
【００４４】
このとき、反応副産物としてメタンガス（ＣＨ4）が発生する。これを排出するために、第３パージを約３秒間行う（５０６）。こうして組成転移層１３０を形成するＡＬＤ工程の一つの反応サイクルが完了する。このような反応サイクルによって蒸着される酸化アルミニウム相及び酸化チタニウム相の両方を含む固溶層は約０．５Å〜３Åの厚さをもつことができる。
【００４５】
そして、このような反応サイクルを多数回繰り返すことにより組成転移層１３０の厚さを所望の厚さまで成長させることができる。また、それぞれの反応サイクルにおいて、パージ持続時間、チタニウムソースを与える段階（５０１）またはアルミニウムソースを与える段階（５０３）での持続時間、すなわち、パルシング時間を変えることで、組成転移層１３０に濃度勾配を与えつつ所望の厚さまで成長させることができる。
【００４６】
図６を参照すれば、前記したような反応サイクルを行うことにより、下部物質層１１０上に第１サブ組成転移層１３１を形成できる。次に、前述した反応サイクルを工程条件を異ならしめて行うことにより、第２サブ組成転移層１３２を第１サブ組成転移層１３１上に形成できる。例えば、四塩化チタニウムを与える段階（５０１）の持続時間を変えて供給される四塩化チタニウムの量を変化させたり、あるいはＴＭＡを与える段階（５０３）の持続時間を変えて供給されるＴＭＡの量を変えて第２サブ組成転移層１３２の組成比を第１サブ組成転移層１３１の組成比と異ならしめることができる。
【００４７】
より詳細に説明すれば、第１サブ組成転移層１３１を前記図５のタイミング図の反応サイクルを従って形成した後に、第２サブ組成転移層１３２を形成する反応サイクルでは四塩化チタニウムを与える段階（５０１）の持続時間を増やす。そして、ＴＭＡを与える段階（５０３）の持続時間を短縮させる。また、第１パージ段階（５０２）または第２パージ段階（５０４）の持続時間を調節する。
【００４８】
こうすることによって、与えられる四塩化チタニウムの量が相対的に増えるので、結局、形成される第２サブ組成転移層１３２での酸化チタニウム相の量またはチタニウムの量を相対的に増加できる。結果として、第２サブ組成転移層１３２は、前記した第１サブ組成転移層１３１に比べて、酸化アルミニウムに対する酸化チタニウムの割合が大きい組成をもつことになる。
【００４９】
このように図５を参照して説明した反応サイクルを、前述したように関連した反応変数を制御しながら繰り返すことにより、酸化アルミニウムに対する酸化チタニウムの割合が順次大きくなるように第３サブ組成転移層１３３、第４サブ組成転移層１３４、第５サブ組成転移層１３５または第６サブ組成転移層１３６を順次形成することができる。したがって、組成転移層１３０が図４に示されたような濃度勾配を持つように誘導できる。一方、サブ組成転移層を形成するために反応サイクルの繰り返し回数を制御することにより、組成転移層１３０の全体的な厚さを制御できる。
【００５０】
なお、図５では、チタニウムソースを与える段階（５０１）がアルミニウムソースを与える段階（５０３）前に行われる場合を示しているが、アルミニウムソースを与える段階がチタニウムソースを与える段階前に行われても良い。または、チタニウムソースを与える段階（５０１）後であって、アルミニウムソースを与える段階（５０３）前に、酸化剤などの反応剤を与える段階（５０５）が行われても良い。この場合には、酸化チタニウム相が蒸着された下部物質層１１０（酸化アルミニウム層）上に、後続するアルミニウムソースを与える段階で供給されるアルミニウムソースが吸着されることになる。したがって、アルミニウムソースを供給する段階後に酸化剤を供給する段階がさらに追加されて酸化アルミニウム相を蒸着することになるので、結果としては、酸化アルミニウム相及び酸化チタニウム相の両方をもつサブ組成転移層が形成できる。
【００５１】
そして、以上のように組成転移層１３０を形成した後、その上に、図３を参照して説明したように、上部物質層１５０を形成できる。例えば、酸化チタニウム層の上部物質層１５０をＡＬＤ方法により形成できる。
【００５２】
このとき、上部物質層１５０に接する組成転移層１３０の部分、例えば、図６の第６サブ組成転移層１３６は、その下部のサブ組成転移層に比べて酸化チタニウムの含量が極めて高い。したがって、蒸着される上部物質層１５０の酸化チタニウム層は実質的に酸化チタニウム上に蒸着されることと同じような蒸着効果を得ることができる。したがって、島状成長メカニズムより均一な成長メカニズムに従って成長させることができる。これにより、上部物質層１５０はより均一な膜質に成長できる。
【００５３】
また、このような多重膜１００がキャパシタの誘電体として用いられる場合、前記したような下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０の構造が繰り返されるように多重膜１００を構成できる。
【００５４】
図７を参照すれば、下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０を順次形成した後、これらの段階をさらに繰り返すことができる。例えば、酸化アルミニウム層として下部物質層１１０を形成し、組成転移層１３０を導入した後、上部物質層１５０として酸化チタニウム層を形成し、酸化チタニウム層の上部物質層１５０上に酸化アルミニウム層の他の下部物質層１１０’を形成できる。
【００５５】
この場合、前記酸化チタニウム層の上部物質層１５０と酸化アルミニウム層の他の下部物質層１１０’との間にも他の組成転移層が導入できるが、一般的に酸化チタニウム層上で酸化アルミニウム層は均一に成長できると知られている。したがって、前記した酸化チタニウム層の上部物質層１５０と酸化アルミニウム層の他の下部物質層１１０’との間には組成転移層の導入が省略できる。
【００５６】
このように形成された酸化アルミニウム層の他の下部物質層１１０’上に他の組成転移層１３０’を導入し、その上にさらに酸化チタニウム層の他の上部物質層１５０’を導入できる。もちろん、他の上部物質層１５０’上にさらに他の下部物質層１１０”などを導入しても良い。このように、下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０を順次形成する段階を繰り返し行うことにより、より厚い多重膜１１０を形成できる。
【００５７】
一般的に、キャパシタの誘電体として前記多重膜１００を用いる場合、多重膜１００の全体の厚さは約２０Å〜１００Åに形成できる。好ましくは、約６０Åの厚さで形成する。この場合、前記した酸化アルミニウム層の下部物質層１１０または酸化チタニウム層の上部物質層１５０は各々約数Å、例えば、約２Å〜５Åに形成し、組成転移層１３０は約２Å〜５Åの厚さで形成する。なお、組成転移層１３０をなすサブ組成転移層は約０．５Å〜２Åの厚さで形成できる。
【００５８】
多重膜１００は、前述したように、下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０を順次形成した後、これらの段階を繰り返して所望の厚さに成長できる。したがって、下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０のそれぞれの厚さはその物質固有の特性を保てる最小限の厚さで形成されることが好ましい。なぜなら、多重膜１００が誘電体として用いられる場合、前記した下部物質層１１０、組成転移層１３０及び上部物質層１５０のそれぞれの厚さが最小化するとき、最大の誘電率を示すからである。
【００５９】
本発明の実施形態による半導体素子のキャパシタは、本発明の実施形態による多重膜１００がキャパシタの誘電体として利用できることを示す。しかし、本発明の実施形態による多重膜１００は、キャパシタの誘電体としてのみ用いられるものではない。
【００６０】
図８を参照すれば、半導体基板８１０及び絶縁膜８２０とが絶縁され、半導体基板８１０の活性領域に導電性プラグ８３０により電気的に接続される下部電極８４０が形成される。下部電極８４０はキャパシタの誘電体の有効面積を増やすために、図示されたように、円筒形構造のような３次元的な形状を持つことが好ましい。
【００６１】
下部電極８４０上に、前述したような多重膜１００を誘電体として導入する。このような多重膜１００は、図３または図７に示されたように、二つの膜質の間に組成転移層（図３または図７の１３０）が導入されるので、均一な膜質特性を示すことができる。
【００６２】
また、多重膜１００をなす下部物質層１１０に酸化アルミニウム層を導入し、かつ、上部物質層１５０として酸化チタニウム層を導入する場合、多重膜１００全体は、増加した有効誘電定数を有することができる。すなわち、酸化アルミニウム層は誘電物質であり、酸化チタニウムは導電物質であるから、多重膜１００は、酸化アルミニウム層または酸化チタニウム層のそれぞれの固有の誘電率よりも高い誘電率を具現できる。酸化アルミニウム層または酸化チタニウム層のそれぞれの固有の誘電率よりも約３倍高い誘電率を多重膜１００は具現できる。
【００６３】
その一方、このような多重膜１００は、前述したように、ＡＬＤ方法により蒸着できる。したがって、ＡＬＤ方法の特性に起因する高い段差塗布性を多重膜１００は示すことができる。したがって、下部電極８４０が高い段差をもつ３次元構造よりなるとしても、下部電極８４０の表面に沿って均一に多重膜１００を蒸着できる。
【００６４】
このような多重膜１００上に上部電極８５０が導入されて半導体素子のキャパシタが完成される。
【００６５】
前述したように、本発明の実施形態を酸化アルミニウム層及び酸化チタニウム層を各々多重膜に含まれる下部物質層及び上部物質層の例として説明した。しかし、本発明の実施形態で説明された相異なる物質層の間に前記両物質を含む組成転移層は、相異なる物質よりなる下部物質層及び上部物質層の間に導入できる。例えば、下部物質層及び上部物質層は、それぞれアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、セリウム（Ｃｅ）、チタニウム、イットリウム（Ｙ）、タンタル（Ｔａ）またはニオビウム（Ｎｂ）などの酸化物または窒化物よりなり得る。このとき、前記下部物質層及び上部物質層の各々は相異なる化合物よりなり、その界面に導入される組成転移層は前記化合物をいずれも含むように形成される。
【００６６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、相異なる作用パラメータをもつ下部物質層及び上部物質層の界面に組成転移層を導入することにより、上部物質層が均一な膜質特性を示すように誘導できる。したがって、前記下部物質層、組成転移層及び上部物質層が多数回繰り返し積層された多重膜をキャパシタの誘電体として用いることにより、キャパシタの静電容量を増やすことができる。
【００６７】
以上、本発明を具体的な実施形態を通じて詳細に説明したが、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的な思想内において当分野の通常の知識を有する者によってその変形や改良が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  島状成長メカニズムを説明するための概略断面図である。
【図２】  島状成長メカニズムを説明するための概略断面図である。
【図３】  本発明の実施形態による多重膜を説明するための断面図である。
【図４】  図３の多重膜内の組成変化を説明するための濃度プロファイルである。
【図５】  本発明の実施形態による組成転移層を形成する方法を説明するための概略タイミング図である。
【図６】  図５に示した反応サイクルを繰り返し行って形成される組成転移層を説明するための概略断面図である。
【図７】  本発明の実施形態による下部物質層、組成転移層及び上部物質層の構造が繰り返される多重膜を説明するための概略断面図である。
【図８】  本発明の実施形態による半導体素子のキャパシタを説明するための断面図である。
【符号の説明】
１００…多重膜、
１１０（１１０’１１０”）…下部物質層、
１３０（１３０’）…組成転移層、
１３１〜１３６…サブ組成転移層、
１５０（１５０’）…上部物質層、
８１０…半導体基盤、
８２０…絶縁膜、
８３０…導電性プラグ、
８４０…下部電極、
８５０…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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