JPH0680656B2 - 酸化物薄膜の形成方法 - Google Patents
酸化物薄膜の形成方法Info
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- JPH0680656B2 JPH0680656B2 JP62287622A JP28762287A JPH0680656B2 JP H0680656 B2 JPH0680656 B2 JP H0680656B2 JP 62287622 A JP62287622 A JP 62287622A JP 28762287 A JP28762287 A JP 28762287A JP H0680656 B2 JPH0680656 B2 JP H0680656B2
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- Japan
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- tantalum oxide
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- Formation Of Insulating Films (AREA)
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。
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(Ta2O5)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。
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(Ta2O5)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。
このなかで、(1)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
成からずれたものとなる。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。
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
成からずれたものとなる。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(1)〜(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。
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り、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。
な絶縁性を悪化させてリーク電流を生じさせたり、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、酸化タ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
の発生或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。
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、酸化タ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
の発生或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。
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。
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。
〈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、スパッタリング法、真空蒸着法、又は熱CVD法を用
いて、基板上に高誘電率を有する重金属酸化物薄膜を形
成させた後、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 〈作用〉 上述の如く、高誘電率を有する重金属酸化物薄膜を成膜
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。
で、スパッタリング法、真空蒸着法、又は熱CVD法を用
いて、基板上に高誘電率を有する重金属酸化物薄膜を形
成させた後、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 〈作用〉 上述の如く、高誘電率を有する重金属酸化物薄膜を成膜
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、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。
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1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1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℃に保持されたまま、約60分間で
反応器1から搬出される。この時、反応器1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1内
部に紫外光が供給され、酸素を活性化状態に励起する。
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1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1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℃に保持されたまま、約60分間で
反応器1から搬出される。この時、反応器1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1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、安定な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1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
た活性な酸素ラジカルによって前記酸化タンタル薄膜の
酸化が進行する。
ではタンタルと酸素の原子比が、安定な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1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
た活性な酸素ラジカルによって前記酸化タンタル薄膜の
酸化が進行する。
3O2→2O3 (<195nm) O3→O+O2 (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。
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あれば、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。
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あれば、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、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、亜酸化窒素等他のガスを適用してもよい。
て酸素を用いたが、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、亜酸化窒素等他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
に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、本発明は尚一層効果的である。
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
に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、本発明は尚一層効果的である。
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を
可能にする。
性劣化、特に絶縁性に関して顕著な改善を与えることを
可能にする。
第2図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bは成膜後窒素中で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,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。
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bは成膜後窒素中で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,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、
図中aは成膜直後の酸化タンタル薄膜の特性、図中b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。
対する酸化タンタル薄膜のリーク電流量の関係を示し、
図中aは成膜直後の酸化タンタル薄膜の特性、図中b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、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
て行なう等他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b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ッシュを設ける等
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。
状態に励起したが、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
て行なう等他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b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ッシュを設ける等
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、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他の高
誘電率絶縁膜においても同様の効果が得られる。
が、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他の高
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。
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を有す
る重金属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。
る重金属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。
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。 1……反応器、2……石成石英、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。
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。 1……反応器、2……石成石英、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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−252961(JP,A) 特開 昭59−78553(JP,A) 特開 昭57−199227(JP,A) 特開 昭59−168643(JP,A) 特開 昭62−219528(JP,A)
Claims (1)
- 【請求項1】スパッタリング法、真空蒸着法、又は熱CV
D法を用いて、基板上に高誘電率を有する重金属酸化物
薄膜を形成させた後、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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62287622A JPH0680656B2 (ja) | 1987-11-13 | 1987-11-13 | 酸化物薄膜の形成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62287622A JPH0680656B2 (ja) | 1987-11-13 | 1987-11-13 | 酸化物薄膜の形成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01128531A JPH01128531A (ja) | 1989-05-22 |
| JPH0680656B2 true JPH0680656B2 (ja) | 1994-10-12 |
Family
ID=17719636
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62287622A Expired - Fee Related JPH0680656B2 (ja) | 1987-11-13 | 1987-11-13 | 酸化物薄膜の形成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0680656B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3664033B2 (ja) * | 2000-03-29 | 2005-06-22 | セイコーエプソン株式会社 | セラミックスの製造方法およびその製造装置 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57199227A (en) * | 1981-06-03 | 1982-12-07 | Hitachi Ltd | Manufacture of semiconductor device |
| JPS5978553A (ja) * | 1982-10-27 | 1984-05-07 | Hitachi Ltd | キヤパシタおよびその製造方法 |
| JPS59168643A (ja) * | 1983-03-15 | 1984-09-22 | Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd | 酸化膜の緻密化処理法 |
| JPS62252961A (ja) * | 1985-11-22 | 1987-11-04 | Hitachi Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| JPS62219528A (ja) * | 1986-03-19 | 1987-09-26 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体装置の製造方法 |
-
1987
- 1987-11-13 JP JP62287622A patent/JPH0680656B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01128531A (ja) | 1989-05-22 |
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