JPH01128531A - 酸化物薄膜の形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、半導体装置などの電子素子に使用する誘電材
料である酸化タンタル薄膜の形成方法に関する。

〈従来の技術及びその問題点〉 ＶＬＳＩ等のマイクロエレクトロニクス素子では、より
集積化を進めるために容量部に高い誘電率をもつ誘電膜
を導入する試みが行なわれている。

そのもっとも実用化に近い材料として、酸化タンタル膜
（Ｔａ２０ｓ）がある。この酸化タンタル膜の形成方法
には、従来、次の様な方法がとられてきた：（１）蒸着
物質を溶融、蒸発させて目的とする基板に付着させる真
空蒸着法、（２）陰極をターゲットとして陽イオンを衝
突させ、たたき出された原子を基板に付着させるスパッ
タリング法、（３）気相中の化学反応を用いて基板に膜
を成長させるＣＶＤ法０ このなかで、ｉｌ＋の真空蒸着法でタンタル酸化物を蒸
発させ、基板に付着させる場合、蒸気圧の低い低級酸化
物として基板に至ることが多く、化学的に安定な量論組
成からずれを生じ易い。また。

上記（２）のスパッタリング法ではタンタル酸化物がタ
ーゲットであり、該ターゲットを構成するタンタルと酸
素とではスパッタ効率が異なるため、得°られる酸化タ
ンタル薄膜は化学量論的組成からすれたものとなる。更
に、上記（３）のＣＶＤ法を用いても、高温下でしかも
特定の原料ガス混合比を選ばなければ安定な組成の酸化
タンタル薄膜は形成されず、実用に向かない。

また、上記ｔ１）〜（３）のいずれの方法を用いても、
低温下で形成された直後の酸化タンタル薄膜は通常多く
の欠陥を含む。

上述した組成のずれや欠陥は酸化タンタル薄膜の電気的
な絶縁性を悪化させてリーク電流を生じさせたシ、キャ
リアのトラップを作って電気的特性を劣化させるほか、
その化学的安定性を低下させる要因にもなる。

これを解決するために、酸化タンタル薄膜が形成された
基板を６００℃以上の高温の酸化雰囲気中に一定時間以
上保持して、酸化メンタル薄膜をより緻密にする方法が
ある。ところが、基板に高温熱処理を施すと、半導体素
子を構成する基板。

及び基板上の種々の薄膜の間での反応の発生成いは相転
移等により、所望の半導体素子の特性が失われるという
問題があり、半導体素子の信頼性を保つため６００℃以
上の高温熱処理は行なえない。

上記の欠点を解消し、良好な特性を得る目的で。

本発明の発明者らは、基板上に光ＣＶＤ法にて酸化タン
タル薄膜を成膜し、該成膜後、引き続き基板を一定の温
度に保持しながら酸素雰囲気中で紫外線を照射する方法
を提案した（昭和６２年春季応用物理学会）。この方法
を用いると、比較的低温の熱処理で膜質改善が行なえ、
酸化タンタル薄膜の電気的特性の向上が図れる。

しかし、光ＣＶＤによる成膜法では、光源と基板を対向
させる必要があり、スループットを向上させるために大
面積の基板や多数枚の基板を一度に処理しようとすると
、装置が非常に大型化して経済性が損われ、また、光の
照射窓に酸化タンタル薄膜が次第に付着して透過光強度
が低下し、成膜の制御が困難になるという問題点が生じ
る。したがってスパッタリング法や真空蒸着法のような
既に確立された成膜方法と比較すると、現時点で工業的
に実用化するのには困難をともなう。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は上述する問題点を解決するためになされたもの
で、基板上に酸化物薄膜を成膜させた後、前記基板を活
性化状態に励起された酸化剤を含む雰囲気中でアニール
してなる酸化物薄膜形成方法を提供するものである。

また１本発明は上記酸化物薄膜が高誘電率絶縁膜、或い
はシリコン酸化膜である酸化物薄膜形成方法を提供する
ものである。

く作用〉 上述の如く、高誘電率絶縁膜等の酸化物薄膜を成膜させ
た基板を、活性化状態に励起された酸化剤を含む雰囲気
中でアニールすることにより、スパッタ法、蒸着法、或
いは熱ＣＶＤ法で成膜され。

従来使用に耐えなかった酸化物薄膜の組成安定化。

及びトラップ密度低減が図れて、リーク電流の低減等酸
化物薄膜の特性が改善できる。

〈実施例〉 以下１図面を用いて本発明の実施例を詳述するが、本発
明はこれに限定されるものではない。

第１図は本発明の一実施例を製造するための装置断面図
である。先ず、五酸化タンタルをターゲットとする高周
波マグネトロンスパッタ装置（図示せず）を用い、従来
公知の技術にて基板５上に酸化タンタル薄膜を形成する
。該基板５を第１図に示す装置のホットプレートベルト
４上に載置し、該ベルト４を動かすことにより基板５を
反応器１内に搬送させる。この反応器１内部は流量コン
トローラ７により毎分ｌｌ！の流量に制御された酸素が
流入されて１気圧に保たれる。反応器ｌ内、に搬送され
た基板５はホットプレートベルト４下の加熱用ヒータ６
により加熱されて、４００℃に保持巳 されたまま、約６０分間で反応器ｌから搬送される。こ
の時、反応器ｌのホットプレートベルト４上部は合成石
英４で構成されており、合成石英４上に低圧水銀ランプ
３が配置されて反応器ｌ内部に紫外光が供給され、酸素
を活性化状態に励起する。

スパッタ法で形成された酸化タンタル薄膜は、成膜直後
ではタンタルと酸素の原子比が、安定は２：５よりも酸
素欠損側にずれており、この欠損がキャリアのトラップ
をして作用してその絶縁性を悪化させる。そこでこの酸
素が欠損した酸化タンタル薄膜を上述の如き反応器ｌ内
に搬入すると、反応器１内部で次の光化学反応により生
じた活性ｚ な酸素ラジカルによ与前記酸化タンタル薄膜の酸化が進
行する。

３０２　→２０３　　　（＜１９５℃ｍ）０３−＋Ｏ＋
０２　　（２００＝３００ｎｍ）これによって酸化タン
タル薄膜の酸素欠損は新たな酸素原子で埋められ、化学
量論組成に近い安定な状態が得られる。

上記本実施例において酸化タンタル薄膜成膜装置として
高周波マグネトロンスパッタ装置を用いたが、本発明は
これに限定されるものではなく、高周波マグネトロンス
パッタ装置の如く既に量産可能な市販の装置であって短
時間で多数枚の処理が可能で≧邂で他のスパッタ装置、
或いは真空蒸着装置、熱ＣＶＤ装置等他の装置を採用し
てもよい○ また上記本実施例において反応器内に供給するガスとし
て酸素を用いたが１本発明はこれに限定されるものでは
なく、光源の波長によって活性化状態に励起される酸化
剤（酸素ラジカル、オゾン。

酸素イオン等）となるガスであれば、亜酸化窒素等信の
ガスを適用してもよい。

ここで、上述の如く酸化タンタル薄膜を活性な酸化剤に
晒す際、酸化タンタル薄膜を支える下地にシリコン原子
が含まれると、該シリコン原子が酸化タンタル薄膜表面
の向かう拡散が促進されて酸化タンタル薄膜中の酸素欠
損部にシリコン原子が結合し、トラップを消滅できる。

したがって。

酸化タンタル薄膜の下地として多結晶シリコン或いは高
融点金属シリサイド（例えばタングステンシリサイド）
等シリコンを成分として含む材料を用いると、本発明は
尚−層効果的である。

本発明は、これらの作用によって酸素欠損に起因する特
性劣化、特に絶縁性に関して顕著な改善を与えることが
可能となる。

口 第２４は酸化タンタル薄膜のリーク電流について本実施
例と従来例とを比較したもので、図中ａは成膜直後の酸
化タンタル薄膜の特性、図中すは成膜後室素中で２時間
光照射アニールを行なった酸化タンタル薄膜の特性、図
中Ｃは成膜後酸素中で２時間熱アニール（光照射せず）
を行なった酸化タンタル薄膜の特性９図中ｄは成膜後酸
素中で２時間光照射アニールを行なった本実施例による
酸化タンタル薄膜の特性を示す。同図から明らかなよう
に、酸素中で光照射アニールを行なった酸化タンタル薄
膜はリーク電流が著しく低減し、誘電体として好ましい
特性となっていることがわかる。

第３図は酸素中、４００℃での光照射アニール処理時間
に対する酸化タンタル薄膜のリーク電流量の関係を示し
１図中ａは成膜直後の酸化タンタル薄膜の特性、図中す
は１０分間上記処理を行なった酸化タンタル薄膜の特性
、図中Ｃは３０分間上記処理を行なった酸化タンタル薄
膜の特性、図中ｄは６０分間上記処理を行なった酸化タ
ンタル薄膜の特性、図中ｅは９０分間上記処理を行なっ
た酸化タンタル薄膜の特性、図中ｆは１２０分間上記処
理を行なった酸化タンタル薄膜の特性を示す。同図から
明らかなように、４００℃の処理温度においては６０分
間の処理でリーク電流の大幅な低減が見られ、１２０分
間の処理でリーク電流が数桁低減されほぼ飽和している
ことがわかる。

このように活性化状態に励起された酸化剤を含む雰囲気
中で酸化タンタル薄膜を６０分以上アニールすることに
より、酸化タンタル薄膜の実用に際して最も問題となっ
ていたリーク電流を実用的なレベルまで低減することが
可能になる。

また、上記本実施例では紫外線を用いて酸化剤を活性化
状態に励起したが１本発明はこれに限定されるものでは
なく、直流、交流放電、或いは高周波放電（マイクロ波
放電を含む）を利用して行なったり、磁場と高周波（マ
イクロ波を含む）の相互作用によりプラズマを発生させ
て行なう等地の方式を用いてもよい。第４図は直流放電
型のプラズマ発生装置で酸素プラズマを発生させ、該酸
素プラズマ中でアニールを行なった酸化タンタル薄膜の
リーク電流の変化を示したものである。同図中ａは従来
の成膜直後の酸化タンタル薄膜の特性、同図中すは酸素
プラズマ中、４００℃下で１２０分間アニールを行なっ
た酸化タンタル薄膜の特性を示す。酸素プラズマ中でア
ニールする場合、放電により高エネルギーの粒子も同時
に発生して膜中に欠陥を生じさせ、逆に特性劣化を招く
こともあるため、放電領域から酸化タンタル薄膜に到る
空間に適当なバイアスを印加した導電性のメツシュを設
ける等の方法を用いて高エネルギー粒子が酸化タンタル
薄膜に到達するのを防ぐとよい。同図から明らかなよう
にプラズマ酸素中のアニールによっても光照射アニール
と同様の効果が得られることがわかる。

上記本実施例では酸化タンタル薄膜を用いて説明したが
１本発明はこれに限定されるものではなく、二酸化チタ
ン、二酸化ハフニウム、二酸化ジルコニウム等地の高誘
電率絶縁膜においても同様の効果が得られる。

また、シリコン酸化膜においては通常上記高誘電率絶縁
膜のような酸素欠損は生じ難いが、膜厚が比較的薄い場
合や成膜方法によっては酸素欠損が導入されることがあ
り、このようなとき上述の処理を行なうことによって、
同様の効果が認められる。

〈発明の効果〉 本発明により、従来使用に耐えなかった高誘電率絶縁膜
等の酸化物薄膜の膜質を改善することが可能になるため
、量産的な成膜手法を用いながら優れた特性を有する重
金属酸化薄膜を形成することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を製造する装置断面図、第２
図乃至第４図は本発明の実施例と従来例との特性比較図
である。 ｌ・・・反応器、２・・・５成石英、３・・・低圧水銀
ランプ、４・・・ホットプレートベルト、５・・・基板
％６・・・加熱用ヒータ、７・・・流量コントローラ。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）礪２　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）基板上に酸化物薄膜を成膜させた後、前記基板を活
   性化状態に励起された酸化剤を含む雰囲気中でアニール
   してなることを特徴とする酸化物薄膜の形成方法。 ２）上記酸化物薄膜は高誘電率絶縁膜であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の酸化物薄膜の形成方
   法。 ３）上記酸化物薄膜はシリコン酸化膜であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の酸化物薄膜の形成方
   法。