JPH073852B2 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

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、特に絶縁膜が半導体層又は導電体
層でサンドイッチ状に挟まれた３層積層体を含む半導体
装置に関し、特にその３層積層体で構成されるキャパシ
タの単位面積当たりのキャパシタンスが非常に大きな半
導体装置の特性改善に関するものである。

従来の技術 最近の半導体分野においては高集積化、小型化、高速動
作化などの動向がみられ、それに伴ってIC、LSIなどが
発展してきた。即ち、これらの使用によれば、システム
の小型化、高性能化、経済性の向上等各種の利益を期待
することができ、メモリー用、ロジック回路用、マイク
ロコンピュータ用等の広い適用分野を有している。

メモリー用ICとしては、バイポーラIC、MOSICなどがよ
く知られているが、特に後者は前者に比して高速動作性
の点では劣るものの、素子間のアイソレーションが不要
であり、MOSFETのエンハンスメント特性がスイッチング
に適しており、消費電力が少なく、ゲート容量の蓄積電
荷による一時メモリーの作用を有することからダイナミ
ックメモリー回路を得るために広く利用されている。

このように、半導体デバイスを中心とする電子デバイス
の進歩は著しく、それに伴って要求も一段と厳しくなっ
てきているが、これら要求を満たすためには、能動素子
部分に関る改良もさることながら、抵抗、キャパシタな
どの受動素子の改良も上記改良と並行して行わなければ
ならない重要な課題である。

従来、絶縁膜が半導体層又は導電体層でサンドイッチ状
に挟まれた３層積層体が、様々な半導体装置に使われて
いるが、最近特に注目されているのは上述のようなMOS
ダイナミックメモリの電荷蓄積用キャパシタとして用い
られるものである。即ち、この種のメモリの高集積化は
近年著しいが、それに伴って該キャパシタの面積も縮小
しなければならない。

ところが、面積を縮小しても該キャパシタのキャパシタ
ンスは回路動作上、それ程減少させることができない。
そこで、この問題を解決するための一方法として、該３
層積層体の絶縁膜として誘電率の高い、例えば酸化タン
タル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化
ジルコニウム、酸化アルミニウム等を用いることが検討
されている。

従来、このような用途に用いられていた絶縁膜は、リー
ク電流の大きいことが欠点であった。この欠点を克服す
るため、比較的リーク電流の小さい陽極酸化膜を使う方
法〔例えば、IEEEトランスアクションズ オン エレク
トロン．デバイスズ（Trans.Electron.Devices），第ED
-29巻,pp.368-376,1982.参照〕や、上記酸化物膜と、リ
ーク電流の極めて小さいシリコン熱酸化膜との２層膜を
使う方法〔例えば、プロシーディングズ オブ シンポ
ジウム オン VLSI テクノロジー（Proc.Symp.VLSI T
ech.）,pp.86-87,1983.参照〕等の検討が行なわれてい
る。

しかし、前者では電解液を用いているため、該電解液か
らの汚染の心配があり、また後者においてはシリコン熱
酸化膜の誘電率が低いため、実効的な誘電率が減少して
しまう等の欠点があり、いずれも満足できるものではな
かった。

発明が解決しようとする問題点 以上述べたように電子計算機用のMOSダイナミックメモ
リーなどにおいては、その小型化、高集積化の要求か
ら、キャパシタの面積の縮小する必要がある。しかしな
がら、そのキャパシタンスは回路動作上の理由からそれ
程小さくすることはできない。

そこで、単位面積当たりのキャパシタンスの大きなキャ
パシタを開発する必要が生じ、そのために上記のような
各種方法が提案されたが、今のところ満足し得るものは
得られていない。

一方、上記のような２つの文献に開示された解決法を利
用することなしに、通常のスパッタ法、蒸着法等で形成
した絶縁膜では、リーク電流が大きすぎ、実用化不可能
であった。

そこで、本発明の第１の目的は、絶縁膜のリーク電流を
減少させることにより、単位面積当たりのキャパシタン
スが大巾に改善された、該絶縁膜を半導体層又は導電体
層でサンドイッチ状に挟んだ３層積層体をキャパシタと
して含む半導体装置を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は上記のようなキャパシタを
含む半導体装置の製造方法を提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明者等は上記のような３層積層構造のキャパシタを
有する半導体装置の上記のような現状に鑑みて、通常の
スパッタ法、蒸着法等で形成した絶縁膜のリーク電流を
小さくすべく種々検討した結果、該絶縁膜材料の純度を
高めることが極めて有利であることを見出し、本発明を
完成した。

即ち、本発明の半導体装置は、第１の半導体層又は導電
体層と、その上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に設
けられた第２の半導体層又は導電体層の３層積層体を含
む半導体装置において、前記絶縁膜がアルカリ金属、ア
ルカリ土類金属、重金属、半導体物質および放射性元素
を実質的に含まない高純度の膜であることを特徴とする
ものである。

本発明の半導体装置において有用な絶縁膜材料としては
誘電率の高い絶縁材料、例えば酸化タンタル、酸化ニオ
ブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、
酸化アルミニウム等が例示できる。これらにおいてキャ
パシタンスに対し有害な作用を及ぼす、即ちキャパシタ
ンスを下げる恐れのある不純物としてはナトリウム、カ
リウム等のアルカリ金属、カルシウム等のアルカリ土類
金属、クロム、鉄、ニッケル等の重金属の他、モリブデ
ン、ニオブ、タングステン、ジルコニウムなどの金属、
シリコン等の半導体あるいはウラン等の放射性元素など
である。

また、本発明における絶縁体膜は上記のような各種原料
の少なくとも１種の単層（複合層を含む）もしくは複数
の層からなる積層構造を有していてもよい。

このように本発明に従う高純度の絶縁膜は以下のように
して作製することができる。即ち、反応性スパッタ法、
熱酸化法、化学気相成長法、蒸着法等各種の方法を利用
できるが、絶縁膜の純度を高いものに維持し得るような
工夫が必要である。

例えば、反応性スパッタ法で行う場合、半導体基板上に
あるい導電体層上に、高純度の金属をターゲットとし、
アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で反応性スパッタ
して対応する酸化物絶縁膜を得るが、該金属ターゲット
としては金属を10^-4Torr以上の高真空条件下で電子ビー
ム溶解してインゴットを形成する。この際該金属の融点
よりも低い融点を有する不純物は蒸発により除去され
る。この操作を少なくとも１回行うことにより高純度の
金属インゴットが得られるので、これを圧延、加工して
ターゲットとする。このものを蒸着源として使用し、後
に熱酸化するなどの方法も当然可能である。

また、化学気相成長法ではハロゲン化物、例えば塩化物
などの他メチル、エチルなどの低級アルキル基を含む有
機金属化合物が原料として使用され、熱分解、光による
分解により、金属膜の形成後酸化するか、あるいは酸素
雰囲気下で分解・酸化させて直接金属酸化物を得ること
ができる。この方法においても高純度の原料を使用する
ことにより本発明の目的とする高純度絶縁膜を得ること
が可能となる。

以上の絶縁膜形成操作は、装置内を清浄に保ち、これが
汚染されないように十分に注意する必要がある。

作用 本発明で目的とする単位面積当たりの大きなキャパシタ
ンスを有するキャパシタを得るためには、絶縁膜のリー
ク電流を下げることが必要である。

即ち、本発明者等の知見によれば、既に述べた陽極酸化
膜を用いたり、シリコン熱酸化膜を併用したりする方法
を採用することなしに、通常のスパッタ法等で形成した
絶縁膜はリーク電流が大きく、その理由は該絶縁膜の純
度が低いことにあることがわかった。

従って、通常の成膜法によっても、その純度さえ確保す
れば、特別な成膜法を利用したり、他の膜を併用したり
しなくとも、十分な単位面積当たりの大きなキャパシタ
ンスを得ることができる。このような観点からキャパシ
タの改良を試みた例は今のところ知られていない。

例えば、通常市販のタンタルターゲットをアルゴンと酸
素とを含む雰囲気中でスパッタして酸化タンタルをシリ
コン基板上に形成し、その上にアルミニウム層を形成し
た３層積層体からなるキャパシタのリーク電流特性は第
２図の曲線ａに示すようになり、このとき使用したタン
タルターゲット中の主な不純物の濃度は以下の表の「従
来のターゲット」の欄に示すようなものであった。

上記表の結果はタンタルに関する分析結果であるが、不
純物元素の許容存在率の上限が該表の「本発明のターゲ
ット」の欄に示す数値であって、これについてはタンタ
ル以外のニオブ、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、
アルミニウムについても同様である。勿論、ターゲット
元素と不純物とが一致する（例えばニオブ、ジルコニウ
ム）場合には前記不純物としての要件を満たす必要はな
い。

本発明において上記不純物の上限は臨界的であり、目的
とする性能の絶縁膜、ひいては所定物性の半導体装置を
得るためには必須の要件である。

実施例 以下、実施例により本発明を更に具体的に説明すると共
に、その効果を実証するが、本発明の範囲はこれら実施
例により何等制限されない。

第１図に本発明により製作した３層積層体の断面図を示
す。シリコン基板１上に高純度タンタルをターゲットと
し、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中で反応性スパ
ッタし、酸化タンタル膜２を形成する。次に、酸化タン
タル膜２上にアルミニウムを蒸着により形成し、ホトリ
ソグラフィによりパターニングして上部電極３を形成す
る。こうしてできた半導体装置は、半導体層であるシリ
コン基板１と導電体層であるアルミニウム上部電極３
に、高純度な絶縁膜である酸化タンタル膜２が挟まれて
いる３層積層体を含む半導体装置を構成している。

このとき使用したタンタルターゲットは以下の手順で製
造した。まずタンタル粉末を焼結した後、この焼結体を
10^-4Torrの高真空中で電子ビーム溶解して、インゴット
を形成した。このときタンタルの融点より低い融点を持
つ不純物は蒸発してしまい除去された。電子ビーム溶解
は１回でも効果があるが、繰返すごとに純度は向上する
ので、本実施例では３回行なった。その後、該インゴッ
トを圧延し、加工してターゲットを形成した。該ターゲ
ット中の主な不純物の濃度は前記表の「本発明のターゲ
ット」の欄に示す通りであった。即ち、カルシウム、ナ
トリウム、カリウム等のアルカリ金属もしくはアルカリ
土類金属は0.1ppm以下であり、従来のターゲットよりも
１桁以上減少している。又、クロム、鉄、ニッケル等の
重金属は0.5ppm以下であり、従来のターゲットよりも２
桁程度減少している。シリコン等の半導体は0.05ppm以
下であり、従来のターゲットよりも２桁以上減少してい
る。ウラン等の放射性元素に至っては0.0005ppm以下で
あり、従来のターゲットより３桁程度減少している。酸
化タンタル膜２の不純物濃度も概ね同様であった。これ
はスパッタ装置内を清浄に保ち、シリコン基板１を汚染
のないように極めて慎重に扱うことで達成できた。

さて該３層積層体よりなるキャパシタのリーク電流特性
を第２図の曲線ｂに示す。この図より従来のキャパシタ
に比して格段にリーク電流が減少していることは明らか
である。

第２図のリーク電流特性によれば、従来例のキャパシタ
のリーク電流を示す曲線ａも本実施例のキャパシタのリ
ーク電流を示す曲線ｂも、曲線の傾き自体にはそれ程違
いがない。いずれも絶縁膜中のトラップを介しての電子
のホッピング伝導による電流であるプール−フレンケル
型の電流と考えられる。従って本実施例のリーク電流が
小さいのはアルカリ金属、重金属、半導体等の不純物濃
度が低くなったため、絶縁膜中のトラップ密度が減った
ことによると考えられる。

上記実施例では、本発明の概念を下部電極としてはシリ
コン基板、上部電極としてはアルミニウムを用いて説明
したが、下部電極、上部電極共別の半導体、金属あるい
は他の導電性材料であっても同様の結果を与えることを
確認した。又、中間の絶縁膜として酸化タンタルを用い
て説明したが、要は高誘電率の絶縁膜であればよく、そ
の他に酸化ニオブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化
ジルコニウム、酸化アルミニウム等でも可能であり、も
ちろん、これらの膜のうちのいくつかによる多層膜ある
いは複合膜であっても同様の効果が得られることも確認
した。又、該絶縁膜の形成法として反応性スパッタ法を
用いて説明したが、該絶縁膜の純度が高純度に保たれる
形成法であれば熱酸化法、化学気相成長法、蒸着法のい
かなる方法であろうとも本発明の概念に含まれ、同様に
優れた結果を与える。

さらに上記実施例では、本発明の概念を単純なキャパシ
タを用いて説明したが、絶縁膜が半導体層又は導電体層
に挟まれた３層積層体を含む半導体装置であれば、いか
なる装置にも本発明の概念を損なうことなく本発明を適
用できることは明らかであり、もちろん溝型MOSキャパ
シタにも適用できる。さらにMOS型FETのゲート部分であ
ってもよいことは言うまでもない。

又、本発明によればリーク電流が減少することに加え
て、絶縁膜中にアルカリ金属、いいかえれば可動電荷が
少ないため、半導体装置の電気特性の経時変化が少な
い、又、放射性元素が殆ど含まれないため半導体装置が
いわゆるソフトエラーを起こさない等の効果もあり、半
導体装置の一層の特性向上がはかれる。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば絶縁膜のリーク電流
を大幅に減少させることができるので、単位面積当たり
のキャパシタンスが非常に大きく、かつ絶縁性に優れ
た、半導体層又は導電体層−絶縁膜−半導体層又は導電
体層の３層積層体が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はキャパシタを構成する３層積層体の断面図であ
り、 第２図は本発明及び従来例において形成された、第１図
に示す如きキャパシタのリーク電流特性図である。 （主な参照番号） １……シリコン基板、２……酸化タンタル膜、３……ア
ルミニウム上部電極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の半導体層又は導電体層と、その上に
   形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第２の半
   導体層又は導電体層の３層積層体を含む半導体装置にお
   いて、 前記絶縁膜がシリコン熱酸化膜よりも高い誘電率をもつ
   材料を少なくとも１種類は構成物質として含み、 かつ前記絶縁膜が以下の元素を以下のような量を上限と
   して含有するものであることを特徴とする上記半導体装
   置。
2. 【請求項２】前記絶縁膜が酸化タンタル、酸化ニオブ、
   酸化チタン、酸化ハフニウムまたは酸化アルミニウムの
   うち少なくとも１種類を構成物質として含んだ膜である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置。
3. 【請求項３】第１の半導体層又は導電体層上に絶縁膜と
   第２の半導体層又は導電体層をこの順序で形成すること
   により得られる３層積層体を含む半導体装置の製造方法
   において、 前記絶縁膜がシリコン熱酸化膜よりも高い誘電率をもつ
   材料を少なくとも１種類は構成物質として含む膜であ
   り、かつ以下の元素を以下のような量を上限として含有
   する原料を用いて反応性スパッタ法、熱酸化法、蒸着法
   または化学気相成長法により形成されることを特徴とす
   る上記半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】前記絶縁膜原料金属の精製が、高真空条件
   下での少なくとも１回の電子ビーム溶解処理により行な
   われることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の方
   法。