JP2001144272A - 半導体素子のキャパシタ製造方法 - Google Patents

半導体素子のキャパシタ製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ta25キャパシタにおいてTa25誘電体
膜とTiN上部電極間の界面反応による誘電体特性劣化
を防ぐために、上部電極としてTaNを用いてTa25
キャパシタの誘電体特性劣化を防止することは勿論のこ
と、TaNの高い仕事関数によるTa25キャパシタの
漏れ電流特性を改善することのできる半導体素子のキャ
パシタ製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明に係る半導体素子のキャパシタ製
造方法は、半導体素子を形成するためのいろいろな要素
が形成された基板上に下部電極を形成する段階と、前記
下部電極上にTa25誘電体膜を形成する段階と、前記
Ta25誘電体膜上にTaN膜からなる上部電極を形成
する段階とを含んでなることを特徴とする。

Description

【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のキャパ
シタ製造方法に係り、特にTa25キャパシタの誘電体
特性劣化を防止し且つ漏れ電流特性を改善することがで
きる半導体素子のキャパシタ製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、Ta25キャパシタはMIS(M
etal-Insulator-Silicon)構造を使用しており、上部電
極としてTiN膜/ポリシリコン膜の積層構造を使用し
ている。TiN膜/ポリシリコン膜の積層構造を使用す
るのはポリシリコン膜に比べてTiN膜の仕事関数(wor
k function)値が高くて漏れ電流特性を改善することが
できるからである。
【0003】ところが、TiN膜を上部電極として使用
する際、次のような問題点がある。TiCl4+NH3
合ガスを用いたCVD-TiN膜形成工程はTa25
ハロゲンガスによって漏れ電流を増加させ、約500℃
でTa25誘電体膜とTiN膜との間に界面反応が起こ
ってTa25誘電体膜内の酸素がTiN膜側に移動し、
Ta25誘電体膜内に酸素空孔(vacancy)が生じてしま
い、漏れ電流が増加する結果をもたらすことになる。T
iN膜とTa25誘電体膜間の反応は次の式1で示され
る。このような反応によって形成されたTiO2膜がキ
ャパシタの特性を劣化させる。
【0004】
【式1】
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、T
25キャパシタにおいてTa25誘電体膜とTiN上
部電極間の界面反応による誘電体特性劣化を防ぐため
に、上部電極としてTaNを用いてTa25キャパシタ
の誘電体特性劣化を防止することは勿論のこと、TaN
の高い仕事関数によるTa25キャパシタの漏れ電流特
性を改善することができる半導体素子のキャパシタ製造
方法を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明に係る半導体素子のキャパシタ製造方法は、半
導体素子を形成するためのいろいろな要素が形成された
基板上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極上に
Ta25誘電体膜を形成する段階と、前記Ta 25誘電
体膜上にTaN膜からなる上部電極を形成する段階とを
含んでなることを特徴とする。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図に基づいて
詳細に説明する。
【0008】図1a乃至図1dは本発明に係る半導体素
子のキャパシタ製造方法を説明するための素子の断面図
である。
【0009】図1aを参照すると、半導体素子を形成す
るためのいろいろな要素(図示せず)が形成された半導
体基板11上に層間絶縁膜12を形成した後、キャパシ
タの下部電極13を形成する。
【0010】ここで、下部電極13はドープトポリシリ
コンやドープト非晶質シリコンなどのシリコン系物質で
形成するか、TiN、TaN、W、WN、WSi、R
u、RuO2、Ir、IrO2、Ptなどのような金属系
物質で形成する。下部電極13は簡単なスタック構造(s
imple stacked structure)もしくは図示のシリンダ構造
を基本とする二重及び3重構造のような3次元構造に形
成して有効表面積を増大させるか、半球形ポリシリコン
層をさらに形成して有効表面積を増大させることができ
る。
【0011】図1bを参照すると、下部電極13の表面
を窒化させてその表面に窒化膜14を薄く形成する。
【0012】ここで、窒化膜14は、キャパシタの誘電
体膜形成時または後続の熱工程によって誘電体膜と下部
電極13との界面に低誘電自然酸化膜SiO2が生成さ
れることを防止する役割を果たし、低圧化学気相成長
(LPCVD)チャンバで誘電体膜の形成前にインサイ
チュ(In-situ)もしくはエクスサイチュ(Ex-situ)状態で
200乃至600℃の温度でプラズマを放電させてNH3
ガス、N2/Hガス或いはN2Oガス雰囲気中で窒化さ
せることにより形成される。プラズマを用いて窒化させ
る代わりに、急速熱工程(Rapid Thermal Process;RT
P)を用いて650乃至950℃の温度及びNH3ガス雰
囲気中でアニーリングして窒化膜14を形成するか、電
気炉(furnace)を用いて650乃至950℃の温度及び
NH3ガス雰囲気中で窒化膜14を形成することができ
る。
【0013】図1cを参照すると、窒化膜14が形成さ
れている全上面にTa25誘電体膜15を形成する。
【0014】ここで、Ta25誘電体膜15は、300
乃至600℃の温度と10torr以下の圧力に維持さ
れた低圧化学気相成長チャンバ内でTa化合物蒸気ガス
と反応ガスとしてのO2ガス(10乃至1000scc
m)をMFC(Mass Flow Controller)のような流量調節
器を介して定量供給してウェーハ上から起こる表面化学
反応(surface chemical reaction)を通して50乃至1
50Åの厚さに非晶質状態のTa25薄膜を形成した
後、低温熱工程及び高温熱工程を行なうことにより形成
される。
【0015】Ta化合物蒸気ガスは99.999%以上
のTa(OC255溶液をMFCのような流量調節器
を用いて150乃至200℃の温度に維持されている蒸
発器または蒸発管に定量供給して生成させるが、この
際、オリフィスまたはノズルを含んだ蒸発器は勿論のこ
と、Ta蒸気の流路(flow path)となる供給管はTa蒸気
の凝縮を防止するために150乃至200℃の温度範囲
を常時維持させる。
【0016】非晶質状態のTa25薄膜を形成した後で
行なわれる低温熱工程は、プラズマを用いて200乃至
600℃の温度とN2OまたはO2雰囲気下で行なって非
晶質状態のTa25薄膜内の置換形Ta原子に残ってい
る酸素空孔と炭素不純物を酸化させて漏れ電流発生要因
を除去する。低温熱工程は300乃至500℃の温度で
UV-O3を用いて実施することができる。
【0017】低温熱工程後の高温熱工程は、650乃至
950℃の温度とN2O、O2或いはN2ガス雰囲気中で
電気炉或いは急速熱工程(rapid thermal process;RT
P)を用いて実施するが、これは低温熱工程後にも非晶
質状態のTa25薄膜内に残っている揮発性炭素化合物
を除去して漏れ電流発生を防止すると共に、非晶質状態
のTa25薄膜の結晶化を誘導して誘電率を増加させ
る。高温熱工程は非晶質状態のTa25薄膜を蒸着した
後実施してもよく、上部電極を形成した後実施してもよ
い。
【0018】図1dを参照すると、Ta25誘電体膜1
5上にTaN膜16及びポリシリコン膜17を順次形成
して上部電極を形成する。
【0019】ここで、TaN膜16はTa化合物蒸気ガ
ス及び反応ガスとしてのNH3ガスを10乃至1000
sccmの流量で供給した後300乃至600℃の低圧
化学気相成長チャンバ内で表面反応させて形成する。こ
の際、反応性を向上させるためにプラズマを励起して進
行することができる。
【0020】Ta化合物蒸気ガスは300乃至600℃
の低圧化学気相成長チャンバでH2TaF7をLMFC(L
iquid Mass Flow Controller) のような流量調節器を介
して定量された量を蒸発器もしくは蒸発管に供給した
後、一定量を120乃至200℃の温度で蒸発させて得
る。
【0021】一方、上述した本発明の実施例では非晶質
状態のTa25薄膜形成時に反応ソースガスとしてO2
ガスを使用したが、H2TaF7及びO2ガスを使用する
ことができる。反応ソースガスとしてH2TaF7及びO
2ガスを使用する場合、反応ソースガス内に炭素がな
く、上部電極としてTaN膜16を使用するので、Ta
25薄膜内の酸素がTaN膜と反応しないため酸素空孔
(vacancy)が形成されず、低温熱工程を省略することが
できるとともに、インサイチュでTaN膜16を蒸着し
た後高温熱工程を行なって非晶質状態のTa25薄膜の
結晶化を誘導することができる。
【0022】なお、本発明は、基板上に下部電極を形成
する段階と、前記下部電極上にTa 25誘電体膜を形成
する段階と、前記Ta25誘電体膜上にTaN膜からな
る上部電極を形成する段階とを含んでなることを特徴と
する半導体素子のキャパシタ製造方法にも関する。
【0023】
【発明の効果】上述したように、本発明はTa25キャ
パシタにおいてTaN薄膜が既存の上部電極として用い
られたTiN薄膜より仕事関数値が大きくて漏れ電流特
性を改善することができ、Ta25誘電体膜とTaN上
部電極との界面反応がないため誘電体の特性劣化を防止
することができると共に、本発明に用いられるH2Ta
7ガスはTa25誘電体膜蒸着のソースガスとしても
使用可能であってTa2 5誘電体膜とTaN上部電極を
同一のチャンバでインサイチュで形成することができ、
工程時間の節約と新しいTaN蒸着装備の投資費用を節
減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1a乃至図1dは本発明に係る半導体素子の
キャパシタ製造方法を説明するための素子の断面図であ
る。
【符号の説明】
11 半導体基板 12 層間絶縁膜 13 下部電極 14 窒化膜 15 Ta25誘電体膜 16 TaN膜 17 ポリシリコン膜

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体素子を形成するためのいろいろな
    要素が形成された基板上に下部電極を形成する段階と、 前記下部電極上にTa25誘電体膜を形成する段階と、 前記Ta25誘電体膜上にTaN膜からなる上部電極を
    形成する段階とを含んでなることを特徴とする半導体素
    子のキャパシタ製造方法。
  2. 【請求項2】 前記下部電極はドープトポリシリコンや
    ドープト非晶質シリコンのようなシリコン系物質で形成
    するか、TiN、TaN、W、WN、WSi、Ru、R
    uO2、Ir、IrO2、Ptのような金属系物質で形成
    することを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャ
    パシタ製造方法。
  3. 【請求項3】 前記Ta25誘電体膜形成前に前記下部
    電極の表面を窒化させて窒化膜を形成する段階をさらに
    含むことを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキャ
    パシタ製造方法。
  4. 【請求項4】 前記窒化膜は、低圧化学気相成長チャン
    バでプラズマを放電させてNH3ガス、N2/H2ガスま
    たはN2Oガス雰囲気中で窒化させることにより形成さ
    れることを特徴とする請求項3記載の半導体素子のキャ
    パシタ製造方法。
  5. 【請求項5】 前記窒化膜は、650乃至950℃の温
    度及びNH3ガス雰囲気中で急速熱工程または電気炉を
    用いて形成することを特徴とする請求項3記載の半導体
    素子のキャパシタ製造方法。
  6. 【請求項6】 Ta25誘電体膜は、300乃至600
    ℃の温度に維持された低圧化学気相成長チャンバ内でT
    a化合物蒸気ガス及び反応ガスとしてのO2ガスを、流
    量調節器を介して定量供給してウェーハ上で起こる表面
    化学反応を通して非晶質状態のTa25薄膜を形成した
    後、低温熱工程及び高温熱工程を行なうことにより形成
    されることを特徴とする請求項1記載の半導体素子のキ
    ャパシタ製造方法。
  7. 【請求項7】 前記Ta化合物蒸気ガスは、Ta(OC
    255溶液を、流量調節器を用いて150乃至200
    ℃の温度に維持されている蒸発器または蒸発管に定量供
    給して生成させることを特徴とする請求項6記載の半導
    体素子のキャパシタ製造方法。
  8. 【請求項8】 前記低温熱工程は、プラズマを用いて2
    00乃至600℃の温度とN2OまたはO2雰囲気中で実
    施することを特徴とする請求項6記載の半導体素子のキ
    ャパシタ製造方法。
  9. 【請求項9】 前記低温熱工程は、300乃至500℃
    の温度でUV-O3を用いて実施することを特徴とする請
    求項6記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
  10. 【請求項10】 前記高温熱工程は、650乃至950
    ℃の温度とN2O、O2またはN2ガス雰囲気中で電気炉
    または急速熱工程を用いて実施することを特徴とする請
    求項6記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
  11. 【請求項11】 前記上部電極は、前記TaN膜上にド
    ープトポリシリコンを積層して形成することを特徴とす
    る請求項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
  12. 【請求項12】 前記TaN膜は、Ta化合物蒸気ガス
    及び反応ガスとしてのNH3ガスを用いて300乃至6
    00℃の低圧化学気相成長チャンバ内で表面反応させて
    形成することを特徴とする請求項1記載の半導体素子の
    キャパシタ製造方法。
  13. 【請求項13】 前記Ta化合物蒸気ガスは、300乃
    至600℃の低圧化学気相成長チャンバでH2TaF
    7を、流量調節器を介して定量された量を蒸発器または
    蒸発管に供給した後、一定量を120乃至200℃の温
    度で蒸発させて生成することを特徴とする請求項12記
    載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
  14. 【請求項14】 前記Ta25誘電体膜は、反応ソース
    ガスとしてH2TaF7及びO2ガスを用いて非晶質状態
    のTa25薄膜を形成した後、インサイチュで前記Ta
    N膜を蒸着した後、高温熱工程を行なって非晶質状態の
    Ta25薄膜の結晶化を誘導することを特徴とする請求
    項1記載の半導体素子のキャパシタ製造方法。
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