JPH04199828A - 酸化物高誘電率薄膜の製造方法 - 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、エレクトロニクス用素子等に応用される高誘
電率薄膜の製造方法に関するものである。

従来の技術 ＤＲＡＭ等のＶＬＳＩの集積度の増大にともない、容量
（キャパシタ）部の占有する面積は無視できなくなって
きている。その占有面積の低減化のだめには、単位面積
当りの静電容量が高い、即ち、比誘電率か高い薄膜材料
を用いる必要がある。ざらにリーク電流が小さく、絶縁
耐圧の高い材料てなけれはならない。従来、キャパシタ
絶縁膜材料としては、比誘電率が約４の酸化シリ：］ン
（ＳｉＯ２）や、同じく比誘電率か約７の窒化シリコン
（Ｓｉ３Ｎ４）が用いられてきた。これらの絶縁膜材料
は、絶縁耐圧か大きく、リーク電流か小さいためこれま
で用いられてきたが、比誘電率か小さいため高集積化か
進むＶＬＳ　Ｉへの適用は今後困難になりつつある。

また、これらに代わる材料として、酸化タンタル（”Ｉ
”ａ２０ｓ）、酸化ハフニウム（Ｈｆ０２）等の誘電率
の高い材料か候補として考えられる。現在のところ、Ｔ
ａ２０５が有力材料として多くの研究機関で検討されて
いる。

発明が解決しようとする課題 この様に、次世代の超ＬＳＩを代表する６４Ｍ４Ｍヒラ
ＲＡＭ等のキャパシタ絶縁膜材料として、従来のＳｉＯ
２，５ｉ３ＮＡの摘要を考えた場合、リーク電流は非常
に小さく、信頼性も高いか、比誘電率か小さいため、集
積度の向上によるセル面積の減少で十分なメモリ容量を
確保することかできず、摘要は困難である。

また、Ｔａ２０５は２０〜２５程度の比誘電率を有し・
、反応性スパッタリンク法により、緻密で絶縁耐圧か高
い等の特性の優れた膜が形成されている。しかしなから
、ＬＳＩで必要とされる数十０１η以下の膜厚において
は、今のところ比誘電率が減少し、リーク電流か増加す
るものしか得られていない。また、段差被覆性を考えた
場合、ＣＶ　Ｄ法なとての膜形成か超ＬｓＩに朝み込む
技術としては有効である。しかし、ＣＶＤ法では、原料
の分解、酸素との反応か不十分なため、形成直後の膜は
絶縁耐圧が低く、リーク電流が大きく実用に供しない。

従って、通常８００℃程度の高温における酸化性雰囲気
中ての熱処理を行なうことにより絶縁耐圧の向上やリー
ク電流の低減が実現される。しかしなから、実際にＬＳ
Ｉの工程において、８００°Ｃ程度の高温で酸化処理を
行なうと、Ｆ地の材料間での相互拡散、熱的損傷等が起
こり、素子特性の劣化を引き起こしてしまっ課題があっ
た。

本発明は、この様な従来の課題を解決することを目的と
する。

課題を解決するための手段 請求項１０本発明にかかる酸化物高誘電率薄膜の製造方
法は、酸化タンタル薄膜などの酸化物被膜に対し、マイ
クロ波を用いたプラズマ分解によるプラズマ処理装置で
発生させた酸素イオンあるいは酸素プラズマを照射する
ことにより上記課題を解決するものである。

請求項２０本発明にかかる別の酸化物高誘電率薄膜の製
造方法は、酸化タンタル薄膜なとの酸化物被膜にヌ（し
、少なくとも酸素を含むカスに高周波電圧を印加して生
成したプラズマと酸化物被膜を設置した試料台との間に
所定の電位に設定した電極を設置して酸素イオンあるい
は酸素プラズマを照射することにより上記課題を解決す
るものである。

請求項３の本発明にかかる別の酸化物高誘電率′ｆｉＩ
ＩＩの製造方法は、少なくとも酸素を含むガスに高周波
電圧を印加して生成したプラズマ中に酸化タンタル薄膜
なとの酸化物被膜を設置することにより上記課題を解決
するものである。

作用 請求項１の本発明は、酸化タンタル′；ｉｉ膜なとの酸
化物被膜に対し照射する酸素イオンあるいは酸素プラズ
マとして、マイクロ波を用いた酸素ガス等のプラズマ分
解、特に電子サイクロトロン共鳴吸収条件を満たすよう
に磁界を印加したプラズマ分解で発生させた高電子唱度
で解離度が高いものを用いると、被照射領域の酸化を促
進し、その結果、膜特性の向上、特にリークを流の低減
、絶縁耐圧の向上か実現できる。さらに本発明は、イオ
ンあるいはプラズマの運動エネルギーを利用するため５
００℃以下という比較的低温にてダメージレスに処理で
きる酸化物高誘電率薄膜の製造方法を提供できる。

請求項２の本発明は、酸化物被膜に対し照射する酸素イ
オンあるいは酸素プラズマとして、少なくとも酸素を含
むカスに高周波電圧を印加して生成する活性度の高いも
のを用い、さらにプラズマと酸化物被膜を設置した試料
台との間に所定の低い電界を印加してプラズマ中の酸素
イオンを加速するため、被照射領域は酸化か促進され、
その結果、膜のリーク電流の低減、絶縁面・１圧の向上
か実現できる。また、本発明では、イオンの加速電界を
変化させることにより、被照射領域の酸化の度合を制御
することが可能である。ざらに本発明は、き イオンあるいはプラズマの運動エネルギーにより５００
℃以下の比較的低温にてダメージレスに処理することが
可能な酸化物高誘を率薄膜の製造方法を提供できる。

また、請求項３の本発明は、少なくとも酸素を含むカス
に高周波電圧を印加して生成した活性度の高い酸化性の
プラズマ中に直接さらすように酸化物被膜を設置するた
め、被膜ｉ、ｔｉ化が促進されて膜のリーク電流特性の
改善、絶縁耐圧の向トが実現できる。さらに本発明は、
プラズマの運動１ネルキーにより５００℃以下の比較的
低温にて処理できる酸化物高誘電率薄膜の製造方法を提
供できる。

実施例 以下に本発明の実施例を図面を参照して説明する。

請求項１の本発明における酸化物高誘電率薄膜の製造方
法に用いられる製造装置の略示断面図を第１図に示す。

酸化物被膜（例えは酸化タンタル蕩１ｌＮ）を形成した
基体１１を試料台１２上に設置し、ヒータ１３により所
定温度に加熱する。試料室１４内は真空ポンプ１５によ
り真空排気する。

酸素イオンあるいは酸素プラズマの発生は、プラズマ生
成室１６内に例えは酸素ガスを導入し、このガスに対し
、マイクロ波電源１７で発生させた周波数２．４５ＧＨ
ｚのマイクロ波を導波管１８を介して導入して放電させ
ることによりなされる。

この場合、プラズマ生成室１６の周囲に配置したソレノ
イド型の電磁石１９により中心磁界が８７５０ａｕｓｓ
程度となるように磁界をかけることにより、プラズマ生
成室１６因に電子サイクロトロン共鳴か生しる。プラズ
マ生成室１６内の酸素カス圧を１０−４〜１Ｏ−３Ｔｏ
ｒｒに設定することにより、高活性・高イオン化率・高
電子温度の酸素プラズマが得られる。この酸素プラズマ
は電磁石１９の発散磁界により試料室１６因に導入され
ると同時に酸素イオンか電位の差により導入され、それ
ぞれ試料室１６内の試料台１２に設置された酸化物被膜
１１に照射される。

最も典型的な処理条件は、酸素ガス流量５ｓｅｃｍｓ、
酸素カス圧ｌＸｌ０−３Ｔｏｒｒ、マイクロ波電力３０
０Ｗ、処理温度３００℃である。酸化物被膜１１の処理
温度が３００〜５００℃の間の所定の温度であれは、高
活性な酸素イオン・プラズマにより被膜は十分に酸化さ
れ、膜特性としてリーク電流は低下し、絶縁耐圧が向上
することを本発明者らは確認した。

照射処理の行なわれる酸化物被膜として例えば酸化タン
タル薄膜を用いる。酸化タンタル薄膜は、例えは減圧Ｃ
ＶＤ法で形成する。代表的な形成条件を示す。多結晶シ
リコン２００　ｎ　ｍが形成されたシリコン基板を反応
管に設置し、４５０℃に保持する。ＣＶＤ用カスソース
としては、Ｔａ（ＯＣ２）１ｓ）ｓを用い、前記カスの
容器を１３０℃程度に保温し、流ｆｆｉ１５０ｓｃｃｍ
のＡ「カスてバフリンクしつつ、途中２００℃に保温し
たガス送給管を通しｊて反応管に送給する。また、酸化
ガスとして、酸素ガスを流ｔ１００ｓｃｃｍて反応管に
送給する。反応管内の真空度は０．５Ｔｏｒｒである。

−Ｆ記条件下で形成された２５０ｎｍの酸化タンタル？
Ｔｉ１ｌＷの比誘電率は２１．５　で、リーク電流密度
はＩ　Ｍ　Ｖ　／　ｃ　ｍの電界印加時て４．８Ｘ１０
−６Ａ／ｃｒｎ２てあった。この酸化タンタル薄膜を上
記酸素イオン・プラズマ照射処理を３０分行なうことに
より、Ｉ　Ｍ　Ｖ　／　ｃ　ｍにおけるリーク電流密度
は、６．５　Ｘ　１０−８Ａ／　ｃ　ｍ２と低減した。

第２−図に酸素イオン・プラズマ解剖処理前後のリーク
電流密度の電界依存性を示す。絶縁耐圧についても処理
後の改善は明かである。

次に、請求項２の本発明における酸化物高誘電率薄膜の
製造方法に用いられる製造装置の略示断面図を第３図に
示す。プラズマ生成室１６内に少なくとも酸素を含むガ
ス、例えは酸素カスを導入し、このカスをはさんで対向
配置した電極３１．３２に高周波信号（１３−５６ＭＨ
ｚ）を印加してプラズマを発生させる。酸化物被膜を形
成した基体１１を配置した試料台１２と上記プラズマと
の間に直流電圧を印加することにより、高活性な酸素イ
オンをプラズマ生成室１６より引き出し、試料台１２上
に設置された酸化物被膜１１に照射するというものであ
る。この方法では、加速電圧を変化させることにより酸
素イオンのエネルギーを制御することかでき、それによ
り、酸化促進の度合を制御することが可能である。

代表的な処理条件は、プラズマ生成室１６内の酸素カス
圧３　Ｘ　１０−’Ｔｏｒｒ、高周波電力２００Ｗ、イ
オンの加速電圧１ｋＶ、処理温度３００℃である。また
、酸化物被膜の形成条件は、第１の発明と同様である。

この場合も酸化物被膜の処理温度が３００〜５００℃の
間の所定の温度であれは、照射される高活性なイオン・
プラズマにより被膜を十分酸化させることができ、特性
の向−Ｌか実現できることを本発明者らは確認した。上
記条件下で３０分の処理を施すことにより、リーク電流
密度を処理前３．５　Ｘ　１０−５．Ａ／　ｃ　Ｉｎ２
てあったものを７Ｘ１０−８Ａ／、ｃｍ２にまで低減し
、絶縁面１圧を２−５ＭＶ／ＣＩｎまで向」ニさせるこ
とかできた。

請求項３の本発明における酸化物高誘電率薄膜の製造方
法に用いられる製造装置の略示断面図を第４図ζこ示す
。真空槽４１因に少なくとも酸素を含むカスとして例え
は酸素ガスを導入し、このカスに、１３．５６ＭＨｚの
高周波電界を平行電極に印加して放電させ、この放電プ
ラズマ中に所定の温度に加熱した酸化物被膜を配置して
酸素処理するものである。この方法では、酸素イオンを
含んだ活性度の高い酸素プラズマ中に直接さらすことに
より、被膜の酸化を促進できるところに特徴かある。

代表的な処理条件は、真空槽内の酸素カス圧１Ｔ　ｏ　
ｒ　ｒ、高周波電力２００Ｗ、処理温度３００℃である
。酸化物被膜の形成は、第１、第２の発明と同様である
。この場合も、酸化物被膜の処理温度が３００〜５００
℃の間の所定の温度であれば、被膜は十分に酸化され、
リーク電流特性や絶縁耐圧の改善が実現できる。上記条
件下で２０〜３０分の酸素処理により、リーク電流密度
を処理前５　Ｘ　１０−５Ａ／　ｃ　ｍ２てあったもの
を８．５Ｘ１０−８Ａ　／　ｃ　ｍ２にまで低減し、絶
縁耐圧は１．２ＭＶ／ｃｍであったものを２．３ＭＶ／
ｃｍにまで改善することができた。

発明の詳細 な説明したように、請求項１．２あるいは３の本発明の
酸化物高誘電率薄膜の製造方法は、いずれにおいても、
活性度の高い酸素のイオン・プラズマを用いるため、酸
化タンタルなとの高誘電率を有する酸化物被膜の膜中の
酸素濃度の不足分を満たすことができ、それにより、リ
ーク電流が低減し、絶縁耐圧が向上するなとの膜特性の
改善を実現できるとともに、酸素のイオン・プラズマの
運動エネルギーを利用することにより、５００℃以下と
いう低温度領域での処理が可能な方法を提供できる。

本発明の酸化物高誘電率薄膜の製造方法は、１６Ｍビッ
ト以上のＤＲＡＭ等の次世代超ＬＳＩの絶縁膜材料の形
成方法として極めて有用で、本発明の工業的価値は高い
。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１にかかる本発明の酸化物高誘電率薄膜
の製造方法に用いられる製造装置の略示断面図、第２図
は請求項１にかかる本発明の酸化物高誘電率薄膜の酸素
イオン・プラズマ照射処理前後のリークを流密度の電界
依存特性グラフ、第３図は請求項２にかかる本発明の酸
化物高誘電率薄膜の製造方法に用いられる製造装置の略
示断面図、第４図は請求項３にかかる本発明の酸化物高
誘電率薄膜の製造方法に用いられる製造装置の略示断面
図である。 １１・・・酸化物被膜を形成（）た基体、１２・・・試
料台、　１３・・・ヒータ、　１４・・・試料室、　１
５・・・真空ポンプ、１６・・・プラズマ生成室、１７
・・・マイクロ波電源、１８・・・導波管、１９・・・
電磁石、３】、　３２・・・電極、　４】・・・真空槽
。 代理人　弁理士　松　１）正　道 第　１　図 第２図 第　３　図 １′３ 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）酸化物被膜に対し、マイクロ波を用いたプラズマ
   分解によるプラズマ処理装置で発生させた酸素イオンあ
   るいは酸素プラズマを照射することによって酸化物高誘
   電率薄膜を形成することを特徴とする酸化物高誘電率薄
   膜の製造方法。（２）酸化物被膜に対し、少なくとも酸
   素を含むガスに高周波電圧を印加して生成したプラズマ
   と前記酸化物被膜を設置した試料台との間に所定の電位
   に設定した電極を設置して、酸素イオンあるいは酸素プ
   ラズマを照射することによって酸化物高誘電率薄膜を形
   成することを特徴とする酸化物高誘電率薄膜の製造方法
   。 （３）少なくとも酸素を含むガスに高周波電圧を印加し
   て生成したプラズマ中に、酸化物被膜を設置することに
   よって酸化物高誘電率薄膜を形成することを特徴とする
   酸化物高誘電率薄膜の製造（４）酸化物被膜として、酸
   化タンタル薄膜を用いることを特徴とする請求項１、２
   または３記載の酸化物高誘電率薄膜の製造方法。 （５）酸素イオンあるいは酸素プラズマ照射時の酸化物
   被膜を３００から５００℃までの所定の温度に保持する
   ことを特徴とする請求項１、２または３記載の酸化物高
   誘電率薄膜の製造方法。（６）プラズマ処理装置として
   、電子サイクロトロン共鳴吸収条件を満たすように磁界
   を印加する方法を用いることを特徴とする請求項１記載
   の酸化物高誘電率薄膜の製造方法。