JP4026908B2 - 半導体素子の製造方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、下部電極の上にキャパシタ絶縁膜を形成する際の半導体素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＶＬＳＩの高集積化や高密度化により、デバイスの寸法がますます微細化している。この結果、キャパシタ面積が減少してキャパシタ容量が減少し、デバイス信頼性の劣化が引き起こされている。この問題を改善するために、３次元構造化によるキャパシタ表面積の増加と高誘電率の絶縁膜の使用とが試みられている。このうち、下部電極ポリシリコン上にＴａ2 Ｏ5 膜をキャパシタ絶縁膜として形成するキャパシタ形成プロセスを図４に示し、この図を参照して、従来の形成方法につき説明する。
【０００３】
先ず、シリコン基板１００の上に層間絶縁膜１０２を形成し、この上にポリシリコンを材質とする任意の形状のストレージノード１０４を形成する（図４（Ａ））。次に、ストレージノード１０４のポリシリコン表面に対して、７００℃〜１０００℃の温度のＮＨ3 雰囲気中でＲＴＮ（Rapid Thermal Nitrization ）処理を施すことにより、下層窒化膜１０６を形成する（図４（Ｂ））。続いて、ＬＰＣＶＤ法によりＴａ2 Ｏ5 膜を堆積する。このＴａ2 Ｏ5 膜に対して６００℃以上の酸素雰囲気中でアニールを施して、キャパシタ絶縁膜としてのＴａ2 Ｏ5 膜１０８を形成する（図４（Ｃ））。そして、上部電極１１０として、ドープトポリシリコンまたはＴｉＮをＬＰＣＶＤ法により堆積してパターニングを施し、キャパシタを完成させる（図４（Ｄ））。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４を参照して説明した従来方法では、６００℃以上の酸素雰囲気中でアニールを施すとき（図４（Ｃ））、下層窒化膜１０６の耐酸化性が破れてしまい、下部電極（ストレージノード１０４）との界面にシリコン酸化膜が形成されてしまう。この結果、キャパシタ絶縁膜の実効膜厚が大きくなってしまうという問題があった。
【０００５】
図５は、キャパシタ絶縁膜周辺を拡大して示す要部断面図である。図５に示す構成は、図４（Ｄ）に示す破線ａ内の領域の構成に相当する。図５に示すように、ストレージノード１０４と下層窒化膜１０６との間にシリコン酸化膜（ＳｉＯ2 膜）１１２が形成されている。このように、下層窒化膜１０６の酸素に対するバリア特性が失われてしまっているので、酸素は下層窒化膜１０６を透過してストレージノード１０４の表面に達してしまう。その結果、ストレージノード１０４の表面の一部が酸化されてシリコン酸化膜１１２が形成される。発明者の実験によれば、下層窒化膜１０６の膜厚が比較的大きい場合には、このような耐酸化性の消失は見られない。下層窒化膜１０６の膜厚が２０〜３０Å以下になると、シリコン酸化膜１１２が形成されることが分かっている。
【０００６】
一方、高品質で高信頼性を有したＶＬＳＩを得るには、キャパシタ絶縁膜の実効膜厚は小さい方が望ましい。従って、従来より、なるべく薄い下層窒化膜により下部電極の酸化を防止することが可能な製造方法の出現が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
発明者は、下層窒化膜が比較的薄い場合に耐酸化性が破れることに着目し、このような場合には下層窒化膜が島構造になっているからではないかと推測した。すなわち、下層窒化膜は、窒化物が下部電極の表面上に一様に連続的に堆積されるのではなく、窒化物の凝集体が互いに島状に離間した状態に形成されているのではないかと考えた。このように考えれば、下部電極の表面の全てが下層窒化膜により覆われているわけではないので、下部電極表面の露出部分が酸素雰囲気にさらされ、従って、下部電極上に酸化膜が形成される。
【０００８】
そこで、この発明の半導体素子の製造方法によれば、下部電極の上にキャパシタ絶縁膜を形成する際に、酸素に対するバリア層としての下層窒化膜を下部電極の上に形成するに当たり、ＣＶＤ法により下部電極の上に、膜厚が１〜３ｎｍであって、島構造のＣＶＤ窒化膜を形成し、続いて窒化雰囲気中で熱処理を施すことにより、島構造のＣＶＤ窒化膜で覆われていない下部電極の表面に熱窒化膜を形成することを特徴とする。
【０００９】
このように、先ず、ＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition ：化学気相成長法）により、下部電極の上にＣＶＤ窒化膜を形成する。このＣＶＤ窒化膜の膜厚は、膜が島構造となる程度に制御する。次に、窒化雰囲気中で熱処理を行う。この結果、下部電極の、ＣＶＤ窒化膜で覆われていない表面部分が窒化される。従って、従来は酸素の導入部分となっていた箇所に、選択的に熱窒化膜が形成される。よって、下部電極の上面を下層窒化膜により覆いつくすことができるので、続いて行われるキャパシタ絶縁膜の形成の際に、下部電極表面に酸化膜が形成されてしまうことがない。しかも、ＣＶＤ窒化膜の膜厚は島構造となる程度に薄くして良いので、下層窒化膜の極薄化が可能である。
【００１０】
この発明の半導体素子の製造方法において、好ましくは、上述の熱処理をＮＨ3 雰囲気中で行うと良い。
【００１１】
また、この発明の半導体素子の製造方法において、好ましくは、上述のＮＨ3 雰囲気の温度を７００℃〜１０００℃にすると良い。
【００１２】
このように、７００℃〜１０００℃の温度のＮＨ3 雰囲気中で熱処理を行うと、所定の熱窒化を行うことが可能である。
【００１３】
また、この発明の半導体素子の製造方法において、好ましくは、上述の熱処理をＮ2 Ｈ4 雰囲気中で行うと良い。
【００１４】
また、この発明の半導体素子の製造方法において、好ましくは、上述のＮ2 Ｈ4 雰囲気の温度を３００℃〜１０００℃にすると良い。
【００１５】
このように、３００℃〜１０００℃の温度のＮ2 Ｈ4 雰囲気中で熱処理を行うと、所定の熱窒化を行うことが可能である。
【００１６】
また、この発明の半導体素子の製造方法において、好ましくは、キャパシタ絶縁膜をタンタルオキサイド膜とすると良い。
【００１７】
このように、キャパシタ絶縁膜として一般的に多用されているタンタルオキサイド膜を形成する際にも酸素雰囲気中での熱処理を行う必要があるので、上述したように下層窒化膜を形成すれば、この下層窒化膜の耐酸化性が劣化してしまうことがない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明が理解できる程度に構成、大きさおよび配置関係が概略的に示されているに過ぎない。また、以下に記載する材料や数値等の条件は単なる一例に過ぎない。よって、この発明は、この実施の形態に何ら限定されることがない。
【００１９】
この実施の形態の半導体素子の製造方法につき、図１および図２を参照して説明する。図１および図２は、実施の形態の製造方法を示す工程図である。各図には、素子の要部断面構造が示してある。以下、ポリシリコンを材質とする３次元構造の下部電極を有したキャパシタを形成する場合を例に取り、この実施の形態の製造方法につき説明する。
【００２０】
図２（Ａ）に示すように、先ず、シリコン基板１０の上に層間絶縁膜１２を形成し、この層間絶縁膜１２に所定のコンタクトホールを形成する。下部電極としてのストレージノード１４は、このコンタクトホールを経てシリコン基板１０に接合される形で層間絶縁膜１２上に形成される。ストレージノード１４は、ポリシリコンを材料とした所定形状のものである。
【００２１】
次に、下部電極の上にキャパシタ絶縁膜を形成する際に、ストレージノード１４の表面に下層窒化膜１６を形成する（図２（Ｂ））。この下層窒化膜１６は、酸素に対するバリア層として形成される。図１に示すように、この工程は、下記の（１）および（２）の２段階のステップに分けて行う。
【００２２】
先ず、（１）ＣＶＤ法により下部電極１４の上にＣＶＤ窒化膜１６ａを形成する（図１（Ａ））。ここでは、蒸着をＬＰＣＶＤ法により行い、ジクロルシラン（ＳｉＨ2 Ｃｌ2 ）およびアンモニア（ＮＨ3 ）を原料ガスとして用いる。さらに、蒸着はシリコン基板１０の温度を６５０℃として行い、１ｎｍ〜３ｎｍの膜厚（エリプソメータによる測定値）のＣＶＤ窒化膜１６ａを形成する。
【００２３】
図１（Ａ）に示すように、この工程（１）で作成されたＣＶＤ窒化膜１６ａは島構造の膜体となる。すなわち、多数の窒化物（Ｓｉ3 Ｎ4 ）の凝集体が互いに離間した状態で、下部電極１４の表面上に分布した構造となる。
【００２４】
次に、（２）窒化雰囲気中で熱処理を施すことにより下部電極１４の上に熱窒化膜１６ｂを形成する（図１（Ｂ））。ここでは、７００℃〜１０００℃の温度のＮＨ3 雰囲気中でＲＴＮ処理を施すことにより、熱窒化膜１６ｂを形成する。
【００２５】
この工程（２）では、下部電極１４表面の露出部分（窒化物が堆積していない部分）が窒化雰囲気にさらされる。従って、図１（Ｂ）に示すように、熱窒化膜１６ｂは、ＣＶＤ窒化膜１６ａで覆われていない下部電極１４の上面部に形成される。このように、下部電極１４の表面部分を選択的に窒化させることができるので、窒化物が堆積していない箇所を窒化して、下部電極１４の表面を窒化物で覆いつくすことができる。
【００２６】
従って、この実施の形態の製造方法によれば、ＣＶＤ窒化膜１６ａの極薄化が可能である。また、下部電極１４の熱窒化部分も比較的小さい領域に制御することができる。よって、ＣＶＤ窒化膜１６ａおよび熱窒化膜１６ｂからなる下層窒化膜１６の極薄化が実現され、キャパシタ容量の増加に寄与する。
【００２７】
尚、上述の熱処理は、ＮＨ3 雰囲気の代わりにＮ2 Ｈ4 雰囲気を用いて、このＮ2 Ｈ4 雰囲気を３００℃〜１０００℃の温度に制御してＲＴＮ処理を行うものとしても良い。
【００２８】
下層窒化膜１６の形成工程に続いて、キャパシタ絶縁膜の形成が行われる。先ず、ＬＰＣＶＤ法により、下層窒化膜１６の上にＴａ2 Ｏ5 膜を形成する。さらに、このＴａ2 Ｏ5 膜に６００℃以上の温度の酸素雰囲気中でアニール処理を施すことにより、キャパシタ絶縁膜としてのタンタルオキサイド（Ｔａ2 Ｏ5 ）膜１８を形成する（図２（Ｃ））。この工程において、先の工程で形成した下層窒化膜１６が酸化ストッパ層（バリア層）として働く。上述した方法で下層窒化膜１６を形成してあるので、この膜を酸素は透過することができない。従って、下部電極１４と下層窒化膜１６との界面にシリコン酸化膜が形成されることを防止できる。
【００２９】
最後に、Ｔａ2 Ｏ5 膜１８の上に上部電極２０を形成する（図２（Ｄ））。上部電極２０は、ドープトポリシリコンやＴｉＮをＬＰＣＶＤ法により堆積して形成する。続いて、パターニングを施し、キャパシタを完成させる。
【００３０】
次に、図３を参照して、この実施の形態で作成した下層窒化膜の膜質を従来方法で作成したものと対比する。図３は、極薄窒化膜の耐酸化性を示すグラフである。横軸には窒化膜（Ｓｉ3 Ｎ4 膜）の膜厚を通常のエリプソメータを用いて測定した値を取り、Å単位で０〜８０Åの間を１０Åごとに目盛って示す。縦軸には酸化膜（図５を参照して説明したシリコン酸化膜１１２に相当する。）の膜厚値を取り、Å単位で０〜３００Åの間を１００Åごとに目盛って示す。この実施の形態の製造方法により作成した窒化膜のデータは、グラフ中に白抜きの四角記号で示してある。これら四角記号を破線ａにより結んで示してある。また、従来方法で作成した窒化膜のデータは、白丸記号により示してある。これら白丸記号を実線ｂにより結んで示してある。
【００３１】
図３に示すように、従来方法の場合には、窒化膜の膜厚が３５Å以下になると酸化膜の膜厚が上昇し、すなわち耐酸化性が劣化し始める。これに対して、実施の形態の方法の場合には、窒化膜の膜厚（下層窒化膜１６の膜厚）が１６Åの場合であっても酸化膜の膜厚の上昇が見られず、従って耐酸化性が劣化しないと言える。
【００３２】
よって、この実施の形態によれば、Ｔａ2 Ｏ5 膜をキャパシタ絶縁膜として用いるキャパシタ形成プロセスにおいて、下層窒化膜はその膜厚が薄いまま膜質が向上する。そして、６００℃以上の酸素雰囲気アニール時に下層窒化膜の耐酸化性が破れて、下部電極ポリシリコンとの界面にシリコン酸化膜が形成され、実効膜厚が大きくなってしまうという問題が回避される。しかも、キャパシタ容量の増加が実現される。
【００３３】
尚、この実施の形態では、この発明を特定の材料を用い、特定の条件で構成した例についてのみ説明したが、この発明は多くの変更および変形を行うことができる。例えば、キャパシタ絶縁膜としてタンタルオキサイド膜を用いたが、酸素雰囲気中でアニールを行う処理により形成される他の絶縁膜を用いても良い。また、熱処理時の雰囲気や温度等も材料に応じて適当に変更して良い。さらに、キャパシタを形成する場合に限らず、他の素子形成に対しても適用することができる。
【００３４】
【発明の効果】
この発明の半導体素子の製造方法によれば、ＣＶＤ法により下部電極の上にＣＶＤ窒化膜を形成し、続いて窒化雰囲気中で熱処理を施すことにより下部電極の上に熱窒化膜を形成する。ＣＶＤ窒化膜の膜厚は、膜が島構造となる程度に制御する。従って、続く熱処理では、下部電極の、ＣＶＤ窒化膜で覆われていない表面部分が選択的に窒化される。よって、下部電極の上面を下層窒化膜により覆いつくすことができるので、続いて行われるキャパシタ絶縁膜の形成の際に、下部電極表面に酸化膜が形成されてしまうことがない。しかも、ＣＶＤ窒化膜の膜厚は島構造となる程度にして良いので、下層窒化膜の極薄化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の製造方法を示す図である。
【図２】実施の形態の製造方法を示す図である。
【図３】極薄窒化膜の耐酸化性を示す図である。
【図４】従来の製造方法を示す図である。
【図５】キャパシタの要部構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：シリコン基板 １２：層間絶縁膜
１４：ストレージノード １６：下層窒化膜
１６ａ：ＣＶＤ窒化膜 １６ｂ：熱窒化膜
１８：Ｔａ2 Ｏ5 膜 ２０：上部電極

Claims (6)

  1. 下部電極の上にキャパシタ絶縁膜を形成する際に、酸素に対するバリア層としての下層窒化膜を前記下部電極の上に形成するに当たり、
    ＣＶＤ法により前記下部電極の上に、膜厚が１〜３ｎｍであって、島構造のＣＶＤ窒化膜を形成し、続いて
    窒化雰囲気中で熱処理を施すことにより、前記島構造のＣＶＤ窒化膜で覆われていない前記下部電極の表面に熱窒化膜を形成すること
    を特徴とする半導体素子の製造方法。
  2. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記熱処理をＮＨ3雰囲気中で行うこと
    を特徴とする半導体素子の製造方法。
  3. 請求項２に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記ＮＨ3雰囲気の温度を７００℃〜１０００℃にすることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  4. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記熱処理をＮ2Ｈ4雰囲気中で行うこと
    を特徴とする半導体素子の製造方法。
  5. 請求項４に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記Ｎ2Ｈ4雰囲気の温度を３００℃〜１０００℃にすることを特徴とする半導体素子の製造方法。
  6. 請求項１に記載の半導体素子の製造方法において、
    前記キャパシタ絶縁膜をタンタルオキサイド膜とすることを特徴とする半導体素子の製造方法。
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