JPH0660406B2 - ハフニウム酸化膜の気相成長法 - Google Patents

ハフニウム酸化膜の気相成長法

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JPH0660406B2
JPH0660406B2 JP7128987A JP7128987A JPH0660406B2 JP H0660406 B2 JPH0660406 B2 JP H0660406B2 JP 7128987 A JP7128987 A JP 7128987A JP 7128987 A JP7128987 A JP 7128987A JP H0660406 B2 JPH0660406 B2 JP H0660406B2
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hafnium oxide
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昌伸 善家
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はハフニウム酸化膜の気相成長法に関し、特に半
導体装置の容量素子に用いるハフニウム酸化膜の気相成
長法に関する。
〔従来の技術〕
半導体基板、特にシリコン半導体基板上に形成される集
積回路は高集積化・大容量化の一途をたどり、メモリー
素子の様な集積回路では4Mビットまたはそれ以上へと
集積度が増大している。ダイナミックランダムアクセス
メモリー(RAM)の様に基本セルとして1つのトランジ
スタと1つの容量素子とから構成されるICメモリーを
高集積化するには特に容量素子部面積の縮小が最も有効
な手段になる。
しかし、容量素子部の面積を縮小し容量値が低下する
と、α線等によるソフトエラー(メモリの誤動作)に対
する信頼性が劣化することから、容量値は50fF以上
にする必要がある。そのため従来は、面積縮小による容
量値の減少を容量絶縁膜の薄膜化で補ってきた。しか
し、従来用いられているシリコン酸化膜は100 Å以下に
なると絶縁耐圧は電源電圧5Vに耐えらず、使用不可能
になる。
このため、基板に溝を形成し、この溝の内壁部に容量素
子を形成したり、容量素子を積層構造(スタックト構
造)にしたりする方法で、従来と同じ容量値を維持しな
がらも平面的には容量素子部の面積を縮小し高集積化を
行うことが検討されている。また、シリコン酸化膜の代
わりにTa2O5,TiO2,HfO2,ZrO2等の高誘電率材料を
容量膜に用いることも検討されている。
16Mビット以上の大容量ダイナミックRAMでは、容
量素子を溝構造あるいは積層構造にしかつ高誘電材料を
容量膜に用いることが必須の技術である。Ta25,Ti
2,HfO2等の高誘電率材料を薄膜で溝内部あるいは積
層にして形成するためには凹凸部の被服性が優れている
必要があり、従って膜形成方法としては、気相成長法が
優れた方法である。また、Ta25,TiO2,HfO2
ZrO2等の高誘電率材料の中で、熱力学的に安定な性質
をもつHfO2が、容量膜としては有望である。
従来の化学気相成長によるHfO2膜形成の方法は、Hf
(OC49)4等のアルコラートやHf(OC(CH3)=CH
COCH3)4等のβ−ジケトナートを原料に用いて常圧
で成長するのが一般的である。例えばProc. 2nd Int. C
onf. on CVD, LosAngeles, P619(1970)やThin Solid Fi
lms, 41, 247(1977)に記述されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述した従来の気相成長法により形成したHfO2膜は、
例えば電界強度1MV/cm印加時に電流密度10-2A/
cm2流れるように、非常にクリーク電流が多いという欠
点を有する。そのため、従来の気相成長法によるHfO2
膜は、半導体装置の容量膜としては未だ実用化されてい
ない。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のハフニウム酸化膜の気相成長法はHf(OC3
7)を原料とし、減圧下で成長を行なう。原料として用
いるHf(OC37)は室温で固体であり、この原料を
100〜200℃に加熱し液体状態にしてAr,N2等の
不活性ガスを当該原料中に吹き込みバブリングを行うこ
とにより原料を反応炉内に導入する。0.1〜10torr
の減圧下、400〜600℃の成長温度でHfO2膜を気
相成長することが好ましい。
〔実施例〕
次に本発明について図面を参照して説明する。
第1図は、本発明の気相成長法の第1の実施例に用いる
気相成長装置の構造模式断面図である。この装置はガス
の導入管11,12,キャリヤーガスの導入管13,真
空ポンプ15,排気口16,バルブ21,22,23,
24,反応炉5,ヒータ6,7,ウェハー8,原料Hf
(OC37)を充てんした気化室9を有している。
本発明の気相成長法によりハウニウム酸化膜をシリコン
基板上に気相成長する手順を説明する。まず、気化室9
に充てんされた室温で固体である原料のHf(OC37)
をヒーター7で100〜200℃に加熱し液体状態に
する。また、反応炉内のウェハー8もヒータ6で400
〜600℃に真空中で加熱する。
Hf(OC37)及びウェハー8が充分に加熱されたな
らば、原料を運ぶキャリヤーガスとしてArを用い、ガ
ス導入管13から気化室9の液体状態にされているHf
(OC37)にキャリヤーガスArを吸き込みバブリン
グすることによりHf(OC37)を含むガス(以後原
料ガスと略す)を反応炉5内に導入し、反応炉5内の圧
力は0.1〜10Torrに、ウェハー8の温度は400〜
600℃に保った状態でウェハー8上にハフニウム酸化
膜を成長させる。
この時、ハフニウム酸化膜の成長速度や膜質の向上のた
めOガスをガス導入管12により反応炉5内に導入し
ても良い。さらに膜成長時の反応炉内の圧力を0.1〜
10torrに調節するためにベースガスArをガス導入管
11から反応炉内に導入しても良い。これらガスの流量
の一例として、原料輸送のキャリアガスが100〜20
0cc/分,Oガスが1/分,ベースArガスが1
/分である。全ガス流量は気相成長装置の排気能力によ
り異なるので反応炉内の圧力が0.1〜10torrになる
ように調節すればよい。なお、ベースArガスを用いず
にOガスで圧力を調節してもよい。
以上説明した本発明の気相成長法で形成されたハフニウ
ム酸化膜のリーク電流特性を第2図に示す。図におい
て、横軸はハフニウム酸化膜に印加されている電界強度
を、縦軸はハフニウム酸化膜中を流れる電流密度を示
す。また従来の気相成長法で形成された膜のリーク電流
特性も合わせて第2図に示す。本発明の気相成長法によ
り形成されたハフニウム酸化膜は、従来法に比較してリ
ーク電流を数桁以上大巾に低減させることができた。
また、得られたハフニウム酸化膜の比誘電率は20〜2
5であり、これは従来法による膜の比誘電率とほぼ同じ
値である。
このように本発明の気相成長法により高誘電率でかつリ
ーク電流の少ないハフニウム酸化膜が形成できる。
次に、本発明の第2の実施例として、シリコン基板上に
設けられた高融点金属電極上にハフニウム酸化膜を気相
成長する場合の成膜手順を説明する。第2の実施例に用
いる気相成長装置も、第1図に示す気相成長装置と同じ
ものを用いる。
第1の実施例と同様に、まず気化室9に充てんされてい
る原料のHf(OC37)をヒーター7で100〜20
0℃に加熱し液体状態にする。また反応炉内のウェハー
8もヒーター6で400〜600℃に真空中で加熱する。Hf
(OC37)及びウェハー8が充分に加熱されたなら
ば、原料を運ぶキャリヤーガスとしてArを用い、ガス
導入管13から気化室9内の液体状態にされているHf
(OC37)にキャリヤーガスArを吹き込みバブリン
グすることにより原料ガスを反応炉5内に導入し、反応
炉5内の圧力は0.1〜10Torrに、ウェハー8の温度
は400〜600℃に保った状態でウェハー8上の高融
点金属電極上にハフニウム酸化膜を成長させる。
本実施例では反応炉内にOガスが含まれていると高融
点金属がOガスで酸化されやすいため、第1の実施例
と異なり、Oガスを反応炉内に導入しないで膜成長を
行う。即ち、膜成長時の反応炉内の圧力を0.1〜10
torrに調節するためにベースガスArをガス導入管11
から導入すると共に原料ガスを反応炉内に導入して膜成
長を行う。
本実施例では、Oガスを膜成長に用いないため、膜の
成長速度や膜質が第1の実施例に比較するとやや落ちる
が、従来の気相成長法による膜のリーク電流に比較する
と、本実施例の膜のリーク電流は大巾に小さい。
本発明の気相成長法により第1の実施例と同様なリーク
電流の少なくかつ高誘電率のハフニウム酸化膜を高融点
金属電極上に形成できる。
また、高融点金属電極上にハフニウム酸化膜を形成する
場合、本実施例ではOガスを用いない気相成長法を説
明したが、高融点金属電極が酸化するのを防止するた
め、膜の成長初期にはOガスを反応炉には導入せずに
ベースArガスと原料ガスのみ導入することにより、ハ
フニウム酸化膜を50〜100Å程度気相成長後、前記
ガスに加えてOガスも反応炉に導入し膜質の良いハフ
ニウム酸化膜を気相成長することも一法である。さら
に、Oガスを反応炉に導入するタイミングを原料ガス
の導入タイミングより数秒遅らせても本発明の効果は変
わらない。
なお、第1及び第2の実施例ではハフニウム酸化膜をシ
リコン基板あるいは高融点金属上に形成したが、他の半
導体基板や多結晶シリコン,シリサイド,ポリサイド上
に形成しても、本発明の効果は同じである。また、本発
明の気相成長法ではキャリヤーガスとしてArを用いた
が、N2やHe等の不活性ガスを用いてもよい。また本発
明に用いる気相成長装置は、コールド・ウォール型及び
ホット・ウォール型のどちらの型でもよい。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明は、原料としてHf(OC3
7を用い、当該原料を100〜200℃に加熱
し、ArやN2等の不活性ガスを当該原料中に吹き込みバ
ブリングすることにより原料を反応炉内に導入し、0.
1〜10torrの減圧下で400〜600℃の成長温度でハフニ
ウム酸化膜を気相成長することで、ハフニウム酸化膜の
リーク電流を大巾に低減させ、低リーク電流でかつ高誘
電率の容量膜を形成できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の気相成長法に用いる気相成長装置の模
式縦断面図,第2図は本発明の気相成長法により形成さ
れたハフニウム酸化膜のリーク電流特性を示す図であ
る。11,12……ガスの導入管、13……キャリヤー
ガスの導入管、15……真空ポンプ、16……排気口、
21,22,23,24……バルブ、5……反応炉、
6,71……ヒーター、8……ウェハー、91……1原
料Hf(OC37)4を充てんした気化室。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】Hf(OC37)を原料とし、減圧下で成
    長を行なうことを特徴とするハフニウム酸化膜の気相成
    長法。
JP7128987A 1987-03-24 1987-03-24 ハフニウム酸化膜の気相成長法 Expired - Lifetime JPH0660406B2 (ja)

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