(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜であるウェハを成膜温度まで昇温するウェハ昇温工程において、加熱ガスを吹き付けることなく非酸化性雰囲気中で前記ウェハを昇温し、引き続き酸化性ガスを含むガスと原料ガスを流し、所望の膜を成膜することを特徴とする有機金属気相成長法。
【請求項２】
上記所望の膜が、Ｐｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造膜であることを特徴とする請求項１記載の有機金属気相成長法。
【請求項３】
最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜であるウェハを成膜温度まで昇温するウェハ昇温工程において、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜を（１００）方向或いは（００１）方向に優先配向するために加熱ガスを吹き付けることなく非酸化性雰囲気中で前記ウェハを昇温し、引き続き酸化性ガスを含むガスと原料ガスを流し、（１００）方向或いは（００１）方向に優先配向したＰｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜を成膜することを特徴とする有機金属気相成長法。
【請求項４】
上記酸化されやすい金属膜が、Ｉｒ膜であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の有機金属気相成長法。
【請求項５】
上記の非酸化性雰囲気が、不活性ガスを流した状態の非酸化性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の有機金属気相成長法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は有機金属気相成長法に関するものであり、特に、２Ｔｒ＋２Ｃ型或いは１Ｔｒ＋１Ｃ型のＦｅＲＡＭ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＲＡＭ）等に用いられる強誘電体薄膜の成膜工程に特徴のある有機金属気相成長法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種の情報を記録するためにＤＲＡＭ（ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ）、ＳＲＡＭ（スタティック・ランダム・アクセス・メモリ）、或いは、ＦＬＡＳＨ（フラッシュ・メモリ）等の半導体記憶装置が用いられている。
【０００３】
しかし、これらの半導体記憶装置には各種の長所はあるものの、ＤＲＡＭの場合には揮発性であるという問題があり、ＳＲＡＭの場合には高集積化に向かないという問題があり、さらに、フラッシュメモリの場合には耐用年数が短いという問題がある。
【０００４】
そこで、近年、この様な各種の半導体記憶装置の問題点を全て解決するメモリとして、即ち、リフレッシュ動作の必要がなく、動作速度が速く、高集積化が可能で、且つ、耐用年数の長いメモリとして強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ：Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ＲＡＭ）が注目されている。
【０００５】
このＦｅＲＡＭは、強誘電体膜の分極特性を利用した不揮発性メモリであるためリフレッシュ動作を必要とせず、また、書込及び読出速度がＤＲＡＭと同程度であり、構造的にもＤＲＡＭと同様であるので高集積化が可能で、且つ、耐用年数も１０12回以上とＦＬＡＳＨより長いという特長がある。
【０００６】
現在、この様なＦｅＲＡＭの強誘電体キャパシタの構造としてはプレーナー型が使用されているが、強誘電体キャパシタの集積度が高まるにつれてスタックキャパシタ構造に移行しつつある。
【０００７】
その際、使用する強誘電体膜には立体キャパシタ構造を実現可能にするステップカバレッジの良好性と、キャパシタを微細化しても高い強誘電性を得るために高密度な結晶であることが必須となるため、強誘電体膜の形成方法として、従来のゾルゲル法やスパッタ法ではなく、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）が用いられることになるので、図５乃至図７を参照して、０．１８μｍデザインルールの２Ｔｒ＋２Ｃ型ＦｅＲＡＭの製造工程を説明する。
【０００８】
図５（ａ）参照
まず、従来と同様の工程で、ｎ型シリコン基板２１の所定領域に素子分離酸化膜２２を形成し、この素子分離酸化膜２２により分離された領域にｐ型ウエル領域２３を形成したのち、ゲート絶縁膜２４及びゲート電極２５を形成し、ゲート電極２５をマスクとしてＡｓをイオン注入することによってｎ- 型ＬＤＤ領域２６を形成する。
【０００９】
次いで、ゲート電極２５の側面にサイドウォール２７を形成したのち、再び、Ａｓイオンを注入することによってｎ+ 型ソース２８及びｎ+ 型ドレイン領域２９を形成し、次いで、全面に、ＳｉＯ2 膜／ＳｉＮ膜からなるストッパ膜３０を介して層間絶縁膜３１を形成する。
【００１０】
次いで、ｎ+ 型ソース２８及びｎ+ 型ドレイン領域２９に達するプラグコンタクト開口部を形成したのち、Ｔｉ膜３２、ＴｉＮ膜３３、及び、Ｗ膜３４をプラグコンタクト開口部を完全に埋め込むように順次堆積し、次いで、ＣＭＰ（化学機械研磨）法によって層間絶縁膜３１上の堆積物を除去して平坦化することによってプラグ３５，３６を形成する。
【００１１】
図５（ｂ）参照
次いで、強誘電体キャパシタの下部電極となるＩｒ層３７、誘電体膜となるＰＺＴ層３８、及び、上部電極となるＩｒＯx 層３９を順次堆積させる。
【００１２】
図６（ｃ）参照
次いで、ＩｒＯ2 ／ＰＺＴ／Ｉｒ積膜構造をエッチングしてｎ+ 型ソース領域３８に接続しているプラグ３５に接続するように強誘電体キャパシタ４０を形成したのち、次いで、全面にＰＺＴ膜等を堆積させて強誘電体キャパシタ４０の保護膜４１とする。
【００１３】
図６（ｄ）参照
次いで、全面に第２層間絶縁膜４２を形成したのち、ＣＭＰ工程によって平坦化し、次いで、再び、ｎ+ 型ドレイン領域２９に接続するプラグ３６に達するプラグコンタクト開口部を形成したのち、Ｔｉ膜４３、ＴｉＮ膜４４、及び、Ｗ膜４５をプラグコンタクト開口部を完全に埋め込むように順次堆積し、次いで、ＣＭＰ工程によって第２層間絶縁膜４２上の堆積物を除去して平坦化することによってプラグ４６を形成する。
【００１４】
図７（ｅ）参照
次いで、強誘電体キャパシタ４０に達するコンタクトホールを形成したのち、Ｔｉ膜４７、ＴｉＮ膜４８、Ａｌ−Ｃｕ膜４９、Ｔｉ膜５０、及び、ＴｉＮ膜５１を順次成膜したのち、パターニングすることによって配線膜５２，５３を形成する。
【００１５】
以降は、この様な配線層の形成工程を必要とする回数だけ繰り返し行って多層配線構造を形成することによってＦｅＲＡＭの基本構造が完成する。
【００１６】
この様な製造工程の内、強誘電体膜の成膜工程としては、ＭＯＣＶＤ装置の成膜室に下部電極付きのウェハを搬送したのち、酸素雰囲気中でＰＺＴ〔Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 〕の成膜温度まで昇温し、所望のウェハ温度に達した後、Ｐｂ原料、Ｚｒ原料、Ｔｉ原料、及び、Ｏ2 ガスを流してＰＺＴ層３８を堆積させている。
【００１７】
なお、この場合、下部電極としてＰｔを用いると、ＰＺＴ層の成膜工程において、ＰＺＴ層中のＰｂとＰｔとが反応してＰｔＰｂx を形成してしまい、表面荒れを引き起こすため、Ｐｔは使用できない。
【００１８】
また、ＰＺＴ層の成膜時には、Ｐｂ原料、Ｚｒ原料、及び、Ｔｉ原料の溶剤である有機溶剤が分解して多量のＨ2 を発生させるために還元性雰囲気となり、そのため、ＩｒＯx 等の酸化物電極を用いると還元されるため、これも使用できず、そのため、上述のように下部電極としてＩｒ層３７を用いている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにして下部電極としてＩｒ層３７を用いて成膜したＰＺＴ層３８は、結晶の配向がランダムで制御できないため、安定したペロブスカイト結晶構造のＰＺＴ結晶を形成することができず、再現性の乏しい膜となる問題がある。
【００２０】
これは、ＰＺＴ層の成膜工程において、酸素雰囲気中で成膜温度まで昇温しているので、露出しているＩｒ層の表面が厚く酸化されてＩｒＯx になってしまい、ＩｒＯx はＰＺＴとの格子不整合が大きいため、その上に形成されるＰＺＴ膜の配向はランダムとなるためであり、配向の制御ができないばかりか再現性の乏しいものとなっていた。
【００２１】
したがって、本発明は、Ｐｂを含むペロブスカイト結晶構造膜を所定結晶方位に優先配向させることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明するが、図における符号１，２は、夫々ウェハの上層部を構成する層間絶縁膜及びプラグである。
図１（ａ）及び（ｂ）参照
上述の目的を達成するため、本発明は、有機金属気相成長法において、最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜３であるウェハを成膜温度まで昇温するウェハ昇温工程において、加熱ガスを吹き付けることなく非酸化性雰囲気４中でウェハを昇温し、引き続き酸化性ガスを含むガスと原料ガス５を流し、所望の膜６を成膜することを特徴とする。
【００２３】
従来、酸化性ガスを含むガスを用いて成膜する場合、昇温工程も酸化性ガスを含む雰囲気で行っていたが、この様に昇温工程を非酸化性雰囲気４で行うことにより、ウェハの最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜３であるである場合に、露出表面の不所望な酸化を防止することができ、設計通りの成膜構造を得ることができる。
【００２４】
この様な非酸化性雰囲気４としては、Ｎ2 、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、及び、Ｘｅのいずれかのガス、または、これらの混合ガスのいずれかのガスを流した状態の非酸化性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気のいずれかであることが望ましく、特に、成膜室の昇温時の圧力と成膜時の圧力を変動させないためには、非酸化性ガス雰囲気中での昇温が望ましい。
【００２５】
また、この工程は、ウェハの最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜３、特に、Ｉｒ膜である場合に特に有効であり、それによって、Ｉｒ膜の酸化を防止して（１１１）面を保つことができるので、その上に成長させる所望の膜６の結晶配向を制御することが可能になる。
【００２６】
また、所望の膜６としては、Ｐｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造膜、特に、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜が典型的なものであり、それによって、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜を（１００）方向或いは（００１）方向に優先配向することができる。
【００２７】
この様な成膜工程を、強誘電体キャパシタの製造工程、特に、強誘電体メモリの製造工程における強誘電体膜の成膜工程とすることによって、ステップカヴァレッジに優れた有機金属気相成長法によって高密の結晶からなる強誘電体膜を形成することができ、それによって、強誘電体キャパシタの特性の信頼性を向上することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ここで、図２を参照して、本発明の実施の形態の強誘電体キャパシタの製造工程を説明する。
なお、各図においては、図示を簡単にするために、層間絶縁膜及びソース領域に接続するプラグのみを示しているが、全体構成は上述の図５（ａ）に示した構成と同様である。
【００２９】
図２（ａ）参照
まず、各ｐ型ウエル領域にスイッチ素子となる一対のＩＧＦＥＴを形成したのち、ＳｉＯ2 膜及びＳｉＮ膜（いずれも図示を省略）を介して層間絶縁膜１１をを形成し、この層間絶縁膜１１介してｎ+ 型ソース領域及びｎ+ 型ドレイン領域と接続するＴｉ膜１３／ＴｉＮ膜１４／Ｗ膜１５からなるプラグ１２を形成したウェハ上に、ＤＣスパッタリング法を用いて、例えば、Ａｒガスを１９９ｓｃｃｍ流して１．１×１０-1Ｐａにした圧力条件で、基板温度を５５０℃とし、ターゲットを載置する電極に０．３ｋＷの直流電力を３３５秒印加することによって、下部電極となる厚さが、例えば、１６０ｎｍのＩｒ層１６を形成する。
【００３０】
図２（ｂ）参照
次いで、Ｉｒ層１６を形成したウェハを、ＭＯＣＶＤ装置の成膜室に搬送したのち、成膜室にＮ2 ガスを例えば、２５００ｓｃｃｍ流して、７×１０2 Ｐａの圧力にしたＮ2 ガス雰囲気１７中で、ＰＺＴの成膜温度である５８０℃まで昇温する。
因に、本発明の実施の形態においては、５８０℃まで昇温するのに要する時間は４分であった。
【００３１】
図２（ｃ）参照
５８０℃の成膜温度に達したのち、Ｎ2 ガスの供給を停止して、Ｐｂ原料、Ｚｒ原料、Ｔｉ原料、及び、酸素ガスを成膜室中に導入し、この酸素ガスを含む成長ガス雰囲気１８中で４２０秒成膜を行い、Ｉｒ層１６上に厚さが、例えば、１２０ｎｍのＰＺＴ層１９を堆積させる。
【００３２】
なお、この成膜工程において、Ｐｂ原料としてＰｂ（ＤＰＭ）2 を０．３２ｃｃ／分、Ｚｒ原料としてＺｒ（ｄｍｈｄ）4 を０．２ｃｃ／分、Ｔｉ原料としてＴｉ（Ｏ−ｉＰｒ）2 （ＤＰＭ）2 を０．２ｃｃ／分、酸素ガスを２５００ｓｃｃｍ流した。
【００３３】
以降は、説明を省略するが、従来と同様に、上部電極となるＩｒＯx 膜を成膜したのち、パターニングして強誘電体キャパシタを形成し、保護膜、第２層間絶縁膜、プラグ、配線層等を形成することによってＦｅＲＡＭの基本構成が完成する。
【００３４】
図３参照
図３は、上記の図２（ｃ）における成膜後のＰＺＴ膜を２θ／θ法により測定したＸＲＤ（Ｘ線回折）パターンであり、比較のために、昇温工程を従来と同様に酸素ガス雰囲気中で行った場合の結果も併せて示している。
【００３５】
図から明らかなように、破線で示す従来のＯ2 ガス雰囲気中で昇温した場合には、（１００）、（００１）、（１０１）、（１１１）の４つの結晶方向が観測され、且つ、各ピーク強度の非常に弱いものであった。
【００３６】
これに対して、実線で示すＮ2 ガス中で昇温した本発明の場合には、（１００）及び（００１）のピークが非常に強い強度で観測され、本発明におけるＰＺＴ膜が（１００）或いは（００１）に優先配向しているのが理解される。
なお、この場合には、（１００）配向と（００１）配向とが混在した状態となっているものである。
【００３７】
これは、Ｎ2 ガス雰囲気中で昇温を行うことによって、Ｉｒ層１６の表面に厚いＩｒＯx 膜が形成されるのを防止することができたために、（１１１）面が露出したＩｒ層１６上に格子不整合の小さいＰＺＴ（１００）（００１）が形成されるためと考えられる。
【００３８】
次に、上記の図２（ｃ）の工程において、ＰＺＴ膜の成膜初期における原料ガスの流量比と成膜中期における原料ガスの流量比を種々に変えた場合の各結晶方位への配向状態を調べたので図４を参照して説明する。
【００３９】
図４（ａ）参照
図４（ａ）は、昇温工程をＮ2 ガス雰囲気中で行った場合のＰＺＴ膜の配向率の初期層Ｐｂ量／コア層Ｐｂ量比依存性を示す図であり、いずれの流量比の場合にも、（１００）或いは（００１）方位に９９％以上優先配向しており、強い優先配向性が確認された。
【００４０】
図４（ｂ）参照
図４（ｂ）は、比較のために、昇温工程をＯ2 ガス雰囲気中で行った場合のＰＺＴ膜の配向率の初期層Ｐｂ量／コア層Ｐｂ量比依存性を示す図であり、いずれの流量比の場合にも、配向性にばらつきが見られ、再現性に乏しいものであった。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は実施の形態に記載した構成及び条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、昇温ガスとしてＮ2 ガスを用いているが、Ｎ2 ガスに限られるものではなく、ＩｒＯx の形成を抑制する効果を有する非酸化性雰囲気であれば良い。
【００４２】
例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｘｅ等の不活性ガスを用いても良いし、或いは、Ｎ2 ガスを含めた各種不活性ガスの混合ガスを用いても良く、流量や成膜室圧力も上記の実施の形態に記載した条件に限られるものではなく、任意に設定することが可能である。
【００４３】
さらに、この様な非酸化性雰囲気は、不活性ガス雰囲気に限られるものではなく、真空中、例えば、１×１０2 Ｐａ以上の高真空中で行っても良いものである。
【００４４】
また、上記の実施の形態においては、強誘電体膜をＰＺＴ膜として説明しているが、ＰＺＴ膜に限られるものではなく、ＰＴ（ＰｂＴｉＯ3 ）膜等のＰｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造の強誘電体膜に適用されるものであり、また、単層構造膜に限られるものではなく、組成の異なる積層膜を用いても良いものであり、図４（ａ）は、ＰＺＴの組成比を変えた場合の例である。
【００４５】
また、上記の実施の形態においては、２Ｔｒ＋２Ｃ型ＦｅＲＡＭの製造工程として説明しているが、１Ｔｒ＋１Ｃ型ＦｅＲＡＭの製造工程にも適用されるものであり、また、ＦｅＲＡＭ以外の強誘電体キャパシタ自体の製造工程にも適用されるものである。
【００４６】
さらには、本発明は、強誘電体キャパシタの成膜工程に限られるものではなく、成膜条件が酸素を含む成長ガス雰囲気で行うＭＯＣＶＤ工程において、堆積下地層が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属層である場合に適用されるものであり、それによって、堆積下地層を不所望に酸化することなく成膜することが可能になる。
【００４７】
ここで、再び、図１を参照して、改めて本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１（ａ）及び（ｂ）参照
（付記１）  最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜３であるウェハを成膜温度まで昇温するウェハ昇温工程において、加熱ガスを吹き付けることなく非酸化性雰囲気４中でウェハを昇温し、引き続き酸化性ガスを含むガスと原料ガス５を流し、所望の膜６を成膜することを特徴とする有機金属気相成長法。
（付記２）  上記所望の膜６が、Ｐｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造膜であることを特徴とする付記１記載の有機金属気相成長法。
（付記３）  上記Ｐｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造膜が、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜であることを特徴とする付記３記載の有機金属気相成長法。
（付記４）  最表面に形成されている膜が、その酸化物が導電性を有するとともに酸化されやすい金属膜３であるウェハを成膜温度まで昇温するウェハ昇温工程において、Ｐｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜を（１００）方向或いは（００１）方向に優先配向するために加熱ガスを吹き付けることなく非酸化性雰囲気４中でウェハを昇温し、引き続き酸化性ガスを含むガスと原料ガス５を流し、（１００）方向或いは（００１）方向に優先配向したＰｂ（Ｚｒx Ｔｉ1-x ）Ｏ3 膜を成膜することを特徴とする有機金属気相成長法。
（付記５）  上記酸化されやすい金属膜３が、Ｉｒ膜であることを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の有機金属気相成長法。
（付記６）  上記の非酸化性雰囲気４が、不活性ガスを流した状態の非酸化性ガス雰囲気、或いは、真空雰囲気のいずれかであることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１に記載の有機金属気相成長法。
（付記７）  上記の非酸化性ガス雰囲気が、Ｎ2 、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、及び、Ｘｅのいずれかのガス、または、これらの混合ガスのいずれかのガスを流した状態の不活性ガス雰囲気のいずれかであることを特徴とする付記６記載の有機金属気相成長法。
（付記８）  上記の所望の膜６の成膜工程が、強誘電体キャパシタの誘電体膜の成膜工程であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１に記載の有機金属気相成長法。
（付記９）  上記強誘電体キャパシタが強誘電体メモリの蓄積キャパシタであることを特徴とする付記８記載の有機金属気相成長法。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、ステップカヴァレッジに優れる有機金属気相成長法によってＰＺＴ等のＰｂを構成元素とするペロブスカイト結晶構造を成膜する際に、ウェハ昇温工程をＮ2 ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気で行っているので、ペロブスカイト結晶構造を（１００）（００１）方位に優先配向させることが可能になり、それによって、強誘電体キャパシタの特性を向上することができ、ひいては、ＦｅＲＡＭ等の半導体集積回路装置の信頼性を向上することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の強誘電体キャパシタの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の実施の形態により成膜したＰＺＴ膜の結晶配向性の説明図である。
【図４】ＰＺＴ膜の配向率の初期層Ｐｂ量／コア層Ｐｂ量比依存性の説明図である。
【図５】従来のＦｅＲＡＭの途中までの製造工程の説明図である。
【図６】従来のＦｅＲＡＭの図５以降の途中までの製造工程の説明図である。
【図７】従来のＦｅＲＡＭの図６以降の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
１  層間絶縁膜
２  プラグ
３  酸化されやすい金属膜
４  非酸化性雰囲気
５  原料ガス
６  所望の膜
１１  層間絶縁膜
１２  プラグ
１３  Ｔｉ膜
１４  ＴｉＮ膜
１５  Ｗ膜
１６  Ｉｒ層
１７  Ｎ2 ガス雰囲気
１８  成長ガス雰囲気
１９  ＰＺＴ層
２１  ｎ型シリコン基板
２２  素子分離酸化膜
２３  ｐ型ウエル領域
２４  ゲート絶縁膜
２５  ゲート電極
２６  ｎ- 型ＬＤＤ領域
２７  サイドウォール
２８  ｎ+ 型ソース領域
２９  ｎ+ 型ドレイン領域
３０  ストッパ膜
３１  層間絶縁膜
３２  Ｔｉ膜
３３  ＴｉＮ膜
３４  Ｗ膜
３５  プラグ
３６  プラグ
３７  Ｉｒ層
３８  ＰＺＴ層
３９  ＩｒＯx 層
４０  強誘電体キャパシタ
４１  保護膜
４２  第２層間絶縁膜
４３  Ｔｉ膜
４４  ＴｉＮ膜
４５  Ｗ膜
４６  プラグ
４７  Ｔｉ膜
４８  ＴｉＮ膜
４９  Ａｌ−Ｃｕ膜
５０  Ｔｉ膜
５１  ＴｉＮ膜
５２  配線層
５３  配線層
【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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