JPH08124923A - 酸化物薄膜の熱処理方法および熱処理装置 - Google Patents
酸化物薄膜の熱処理方法および熱処理装置Info
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- JPH08124923A JPH08124923A JP6257968A JP25796894A JPH08124923A JP H08124923 A JPH08124923 A JP H08124923A JP 6257968 A JP6257968 A JP 6257968A JP 25796894 A JP25796894 A JP 25796894A JP H08124923 A JPH08124923 A JP H08124923A
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- film
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Abstract
(57)【要約】
【目的】損傷を与えることなしに、リーク電流を低減さ
せることができる酸化物薄膜の熱処理方法およびこれに
用いる熱処理装置を提供する。 【構成】重水素ランプ1と低圧水銀ランプ2からの光を
照射しながら、酸化性ガス雰囲気中において酸化物薄膜
4を熱処理する。重水素ランプ1によって酸素がオゾン
に励起され、低圧水銀ランプ2によってオゾンが酸素ラ
ジカルに励起される。 【効果】プラズマを用いないため、酸化物薄膜に損傷が
生ぜず、さらに、酸素ラジカルが常に生成され続けるの
で、300℃以上の高温においても熱処理を行なうこと
ができ、高い絶縁耐圧を有する酸化物薄膜を作製でき
る。
せることができる酸化物薄膜の熱処理方法およびこれに
用いる熱処理装置を提供する。 【構成】重水素ランプ1と低圧水銀ランプ2からの光を
照射しながら、酸化性ガス雰囲気中において酸化物薄膜
4を熱処理する。重水素ランプ1によって酸素がオゾン
に励起され、低圧水銀ランプ2によってオゾンが酸素ラ
ジカルに励起される。 【効果】プラズマを用いないため、酸化物薄膜に損傷が
生ぜず、さらに、酸素ラジカルが常に生成され続けるの
で、300℃以上の高温においても熱処理を行なうこと
ができ、高い絶縁耐圧を有する酸化物薄膜を作製でき
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、酸化物薄膜の熱処理方
法およびこれに用いる熱処理装置に関し、詳しくは、上
記酸化物薄膜に損傷を与えることなしに、リーク電流を
効果的に減少させることのできる、酸化物薄膜の熱処理
方法およびこの熱処理方法に用いる熱処理装置に関す
る。
法およびこれに用いる熱処理装置に関し、詳しくは、上
記酸化物薄膜に損傷を与えることなしに、リーク電流を
効果的に減少させることのできる、酸化物薄膜の熱処理
方法およびこの熱処理方法に用いる熱処理装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体記憶装置の容量絶縁膜として、小
面積で大容量を得るために、高誘電率絶縁膜であるTa
2O5(五酸化タンタル)膜を用いることが検討されてい
る。この場合、容量絶縁膜は、立体的な構造を有する電
極上に形成することを目的としているので、Ta2O5膜
の製造方法としては段差被覆性がすぐれた方法を用いる
必要があり、タンタルの有機化合物を原料とした化学的
気相成長法(CVD法)が、この理由から用いられてい
る。
面積で大容量を得るために、高誘電率絶縁膜であるTa
2O5(五酸化タンタル)膜を用いることが検討されてい
る。この場合、容量絶縁膜は、立体的な構造を有する電
極上に形成することを目的としているので、Ta2O5膜
の製造方法としては段差被覆性がすぐれた方法を用いる
必要があり、タンタルの有機化合物を原料とした化学的
気相成長法(CVD法)が、この理由から用いられてい
る。
【0003】しかし、この方法によって形成されたTa
2O5膜は、原料から混入した不純物炭素や酸素欠損が多
く含まれ、リーク電流が極めて大きいので、Ta2O5膜
を形成した後に熱処理を行って、上記不純物炭素や酸素
欠損を除去することが、不可欠である。
2O5膜は、原料から混入した不純物炭素や酸素欠損が多
く含まれ、リーク電流が極めて大きいので、Ta2O5膜
を形成した後に熱処理を行って、上記不純物炭素や酸素
欠損を除去することが、不可欠である。
【0004】上記Ta2O5膜中の不純物炭素や酸素欠損
を除去するためには、酸化雰囲気中での熱処理が効果的
であり、特に酸化性の強い酸素ラジカルを用いる熱処理
方法が検討されている。例えば、酸素を低圧水銀ランプ
で活性化する方法(UV−O2アニール法)が、特開平
1−128531およびエクステンディッド・アブスト
ラクツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステ
イト・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、1987
年、219ページ(Extended Abstracts of Conference
on Solid State Devides and Materials, p.219 (198
7))に開示されている。また、他の方法として、オゾン
を低圧水銀ランプで活性化する方法(UV−O3アニー
ル法)が、特開平2−283022や、「テクニカル・
ダイジェスト・オブ・シンポジウム・オン・ブイエルエ
スアイ・テクノロジー、1989年、25ページ(Tech
nical Digest of Symposium on VLSI Technology, p.25
(1989))に開示されている。さらに、酸素をプラズマ
で活性化する方法(O2プラズマアニール法)が、特開
平4−199828やエクステンディッド・アブストラ
クツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステイ
ト・デバイスイズ。アンド。マテリアルズ、1993
年、862ページ(Extended Abstracts of Conference
on Solid StateDevides and Materials, p.862 (199
3))に開示されている。
を除去するためには、酸化雰囲気中での熱処理が効果的
であり、特に酸化性の強い酸素ラジカルを用いる熱処理
方法が検討されている。例えば、酸素を低圧水銀ランプ
で活性化する方法(UV−O2アニール法)が、特開平
1−128531およびエクステンディッド・アブスト
ラクツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステ
イト・デバイスイズ・アンド・マテリアルズ、1987
年、219ページ(Extended Abstracts of Conference
on Solid State Devides and Materials, p.219 (198
7))に開示されている。また、他の方法として、オゾン
を低圧水銀ランプで活性化する方法(UV−O3アニー
ル法)が、特開平2−283022や、「テクニカル・
ダイジェスト・オブ・シンポジウム・オン・ブイエルエ
スアイ・テクノロジー、1989年、25ページ(Tech
nical Digest of Symposium on VLSI Technology, p.25
(1989))に開示されている。さらに、酸素をプラズマ
で活性化する方法(O2プラズマアニール法)が、特開
平4−199828やエクステンディッド・アブストラ
クツ・オブ・コンファレンス・オン・ソリッド・ステイ
ト・デバイスイズ。アンド。マテリアルズ、1993
年、862ページ(Extended Abstracts of Conference
on Solid StateDevides and Materials, p.862 (199
3))に開示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】酸素分子とオゾンの光
吸収係数の波長依存性を図2に示す。図2から明らかな
ように、酸素分子は200nm以下の波長の光を吸収し
てオゾンになり、さらにオゾンは200nm以上300
nm以下の波長の光を吸収して酸素ラジカルになる。
吸収係数の波長依存性を図2に示す。図2から明らかな
ように、酸素分子は200nm以下の波長の光を吸収し
てオゾンになり、さらにオゾンは200nm以上300
nm以下の波長の光を吸収して酸素ラジカルになる。
【0006】UVーO2アニール法に用いられる低圧水
銀ランプは、図3に示すように波長254nmにピーク
をもつ光L1および波長185nmにピークを有する光
L2を発光し、このうち、波長254nmにピークをも
つ光L1によって、オゾンを酸素ラジカルまで励起する
ことが可能である。しかし、図2を参照すれば明らかな
ように、波長185nmにピークをもつ光L2では酸素
分子の励起が極めて低いため、得られるオゾン濃度が低
く、その結果、酸素ラジカルを十分に供給することがで
きず、Ta2O5膜中の酸素欠損を修復してリーク電流を
低減させる効果が不十分になる。
銀ランプは、図3に示すように波長254nmにピーク
をもつ光L1および波長185nmにピークを有する光
L2を発光し、このうち、波長254nmにピークをも
つ光L1によって、オゾンを酸素ラジカルまで励起する
ことが可能である。しかし、図2を参照すれば明らかな
ように、波長185nmにピークをもつ光L2では酸素
分子の励起が極めて低いため、得られるオゾン濃度が低
く、その結果、酸素ラジカルを十分に供給することがで
きず、Ta2O5膜中の酸素欠損を修復してリーク電流を
低減させる効果が不十分になる。
【0007】そこで、プラズマによってあらかじめ酸素
分子をオゾンに励起して熱処理室に輸送し、当該処理室
内において上記オゾンを低圧水銀ランプで励起して、酸
素ラジカルを生成させ、Ta2O5膜を処理する方法が提
案されている(UVーO3アニール法)。この方法に用
いられる装置の代表的な一例を図4に示した。しかし、
酸素欠損を十分に修復するためには、上記熱処理室内に
おける処理温度を十分高くする必要があるが、オゾンは
300℃以上で容易に酸素分子に解離してしまうため、
熱処理時の基板温度を300℃以上に高くすると、オゾ
ンが解離してリーク電流低減効果が小さくなってしま
う。
分子をオゾンに励起して熱処理室に輸送し、当該処理室
内において上記オゾンを低圧水銀ランプで励起して、酸
素ラジカルを生成させ、Ta2O5膜を処理する方法が提
案されている(UVーO3アニール法)。この方法に用
いられる装置の代表的な一例を図4に示した。しかし、
酸素欠損を十分に修復するためには、上記熱処理室内に
おける処理温度を十分高くする必要があるが、オゾンは
300℃以上で容易に酸素分子に解離してしまうため、
熱処理時の基板温度を300℃以上に高くすると、オゾ
ンが解離してリーク電流低減効果が小さくなってしま
う。
【0008】一方、Ta2O5膜を形成した後、酸素プラ
ズマに曝して熱処理を行う方法(O 2プラズマ・アニー
ル法)も提案されている。この方法に用いられる装置の
代表的な一例を図5に示した。この方法は、Ta2O5膜
の表面において、酸素ラジカルが常に生成し続けられる
ので、基板温度を300℃以上に高くしても、高温によ
る酸素ラジカルの解離は相殺され、Ta2O5膜中の酸素
欠損に起因するリーク電流は効果的に低減される。
ズマに曝して熱処理を行う方法(O 2プラズマ・アニー
ル法)も提案されている。この方法に用いられる装置の
代表的な一例を図5に示した。この方法は、Ta2O5膜
の表面において、酸素ラジカルが常に生成し続けられる
ので、基板温度を300℃以上に高くしても、高温によ
る酸素ラジカルの解離は相殺され、Ta2O5膜中の酸素
欠損に起因するリーク電流は効果的に低減される。
【0009】しかし、この方法では、Ta2O5膜がプラ
ズマによって損傷を受けて、リーク電流発生の新らしい
原因が生じてしまう。そのため、プラズマを用いること
なしに、光と熱のみでTa2O5膜のリーク電流を効果的
に低減できる熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置
が、強く求められていた。
ズマによって損傷を受けて、リーク電流発生の新らしい
原因が生じてしまう。そのため、プラズマを用いること
なしに、光と熱のみでTa2O5膜のリーク電流を効果的
に低減できる熱処理方法およびそれに用いる熱処理装置
が、強く求められていた。
【0010】本発明の目的は、従来の熱処理方法の有す
る上記問題を解決し、酸化物薄膜に損傷を与えることな
しに、リーク電流を効果的に低減することのできる、酸
化物薄膜の熱処理方法およびこの熱処理方法を実施する
ための熱処理装置を提供することである。
る上記問題を解決し、酸化物薄膜に損傷を与えることな
しに、リーク電流を効果的に低減することのできる、酸
化物薄膜の熱処理方法およびこの熱処理方法を実施する
ための熱処理装置を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、酸素をオゾンに励起できる波長をもった
光を発光する第1の光源(例えば重水素ランプ)と、オ
ゾンを酸素ラジカルに励起できる波長をもった光を発光
する第2の光源(例えば低圧水銀ランプ)を用いて酸化
物薄膜を光照射して熱処理を行ない、酸素から酸素ラジ
カルを生成させるものである。
め、本発明は、酸素をオゾンに励起できる波長をもった
光を発光する第1の光源(例えば重水素ランプ)と、オ
ゾンを酸素ラジカルに励起できる波長をもった光を発光
する第2の光源(例えば低圧水銀ランプ)を用いて酸化
物薄膜を光照射して熱処理を行ない、酸素から酸素ラジ
カルを生成させるものである。
【0012】
【作用】図3に示したように、重水素ランプは160n
m付近に特に大きな発光ピークを有しており、酸素分子
は、この波長領域における光吸収係数が大きいため、酸
素を効果的に吸収してオゾンが生成される。さらに、生
成されたオゾンは、低圧水銀ランプから発生された波長
254nmの光L1によって酸素ラジカルに励起され
る。なお、重水素ランプも波長200nm〜300nm
の発光を有しているが、発光強度が低圧水銀ランプに比
べて5桁程度小さいため、重水素ランプのみではオゾン
を酸素ラジカルに励起させる効果が低く、第2の光源と
して低圧水銀ランプを用いた方が、オゾン生成の効果が
はるかに大きい。
m付近に特に大きな発光ピークを有しており、酸素分子
は、この波長領域における光吸収係数が大きいため、酸
素を効果的に吸収してオゾンが生成される。さらに、生
成されたオゾンは、低圧水銀ランプから発生された波長
254nmの光L1によって酸素ラジカルに励起され
る。なお、重水素ランプも波長200nm〜300nm
の発光を有しているが、発光強度が低圧水銀ランプに比
べて5桁程度小さいため、重水素ランプのみではオゾン
を酸素ラジカルに励起させる効果が低く、第2の光源と
して低圧水銀ランプを用いた方が、オゾン生成の効果が
はるかに大きい。
【0013】従って、300℃以上の温度に昇温された
基板の表面において、オゾンが解離されて酸素分子に戻
っても、重水素ランプからの励起光が常に照射されてい
るため、戻った酸素分子が再びオゾンに励起されて、十
分な量のオゾンが確保され、さらに、このオゾンは、上
記低圧水銀ランプからの波長245nmの光L1によっ
て酸素ラジカルに励起されて、十分な量の酸素プラズマ
が生成される。
基板の表面において、オゾンが解離されて酸素分子に戻
っても、重水素ランプからの励起光が常に照射されてい
るため、戻った酸素分子が再びオゾンに励起されて、十
分な量のオゾンが確保され、さらに、このオゾンは、上
記低圧水銀ランプからの波長245nmの光L1によっ
て酸素ラジカルに励起されて、十分な量の酸素プラズマ
が生成される。
【0014】その結果、O2プラズマアニール法と同様
に、基板温度を300℃以上に高温化することができ、
しかも、プラズマは使用されず、光と熱のみによる熱処
理であるため、上記プラズマによる損傷が起らず、リー
ク電流を発生させる要因が新しく生じることはない。
に、基板温度を300℃以上に高温化することができ、
しかも、プラズマは使用されず、光と熱のみによる熱処
理であるため、上記プラズマによる損傷が起らず、リー
ク電流を発生させる要因が新しく生じることはない。
【0015】本発明において、重水素ランプおよび低圧
水銀ランプの光強度は大きいほど好ましい。上記ランプ
の光強度が過度に小さいと、十分な効果を得るのが困難
になるので、重水素ランプの光強度は10-2μW/cm
2、低圧水銀ランプの光虚度は1mW/cm2以上とした
方がよい。また、上記重水素ランプに対する低圧水銀ラ
ンプの光強度の比は、1〜105の範囲で実施すること
ができ、1〜102の範囲にすれば、極めて好ましい結
果が得られる。
水銀ランプの光強度は大きいほど好ましい。上記ランプ
の光強度が過度に小さいと、十分な効果を得るのが困難
になるので、重水素ランプの光強度は10-2μW/cm
2、低圧水銀ランプの光虚度は1mW/cm2以上とした
方がよい。また、上記重水素ランプに対する低圧水銀ラ
ンプの光強度の比は、1〜105の範囲で実施すること
ができ、1〜102の範囲にすれば、極めて好ましい結
果が得られる。
【0016】
〈実施例1〉本発明の実施に用いる熱処理装置の一例を
図1に示す。従来の熱処理装置と同様に、試料4を加熱
するためのヒータ(図示せず)を備えた試料台3が反応
容器19内に設けられ、当該反応容器19内に酸素ガス
を供給するラインおよび上記反応容器19から排気する
ラインが設けられている。酸素の流量をマスフローコン
トローラー(図示せず)によって制御し、フルスケール
の異なるものを並列に設置することによって、10cc
mから10l/分の範囲で制御できるようにした。排気
系としては、ターボモレキュラーポンプとロータリーポ
ンプを備え、コンダクタンスバルブによって圧力を0.
1Torrから10Torr程度の範囲内で制御できる
ようにした。排気をポンプ系に通さずに、排気ダクトに
流れるようにすれば、常圧での熱処理を行うことも可能
である。
図1に示す。従来の熱処理装置と同様に、試料4を加熱
するためのヒータ(図示せず)を備えた試料台3が反応
容器19内に設けられ、当該反応容器19内に酸素ガス
を供給するラインおよび上記反応容器19から排気する
ラインが設けられている。酸素の流量をマスフローコン
トローラー(図示せず)によって制御し、フルスケール
の異なるものを並列に設置することによって、10cc
mから10l/分の範囲で制御できるようにした。排気
系としては、ターボモレキュラーポンプとロータリーポ
ンプを備え、コンダクタンスバルブによって圧力を0.
1Torrから10Torr程度の範囲内で制御できる
ようにした。排気をポンプ系に通さずに、排気ダクトに
流れるようにすれば、常圧での熱処理を行うことも可能
である。
【0017】酸素分子をオゾンに励起するための光源と
して重水素ランプ1、およびオゾンを酸素ラジカルに励
起するための光源として低圧水銀ランプ2を設けた。な
お、重水素ランプ1は口径が小さいので、試料(ウェ
ハ)4の全面を均一な輝度で照射するためには、重水素
ランプ1を複数本設けることが好ましく。本実施例では
8本使用した。使用される重水素ランプ1の数は、照射
の均一性からすれば、多いほど好ましいが、重水素ラン
プ1の種類、および試料4の大きさや数などによって適
宜選択される試料4と上記重水素ランプ1および低圧水
銀ランプ2との距離は、上記重水素ランプ1および低圧
水銀ランプ2の輝度と、雰囲気ガスの圧力によるが、十
分な酸素ラジカルを得るためには、ほぼ20cm以内と
することが好ましい。しかし、あまり近過ぎると照射の
均一性が低下するので、試料4と上記重水素ランプ1お
よび低圧水銀ランプ2との距離を過度に近くするのは避
けた方がよい。最短の距離は、使用されるランプ1、2
の種類、数および試料4の大きさと数および雰囲気ガス
の圧力などによって適宜選択される。
して重水素ランプ1、およびオゾンを酸素ラジカルに励
起するための光源として低圧水銀ランプ2を設けた。な
お、重水素ランプ1は口径が小さいので、試料(ウェ
ハ)4の全面を均一な輝度で照射するためには、重水素
ランプ1を複数本設けることが好ましく。本実施例では
8本使用した。使用される重水素ランプ1の数は、照射
の均一性からすれば、多いほど好ましいが、重水素ラン
プ1の種類、および試料4の大きさや数などによって適
宜選択される試料4と上記重水素ランプ1および低圧水
銀ランプ2との距離は、上記重水素ランプ1および低圧
水銀ランプ2の輝度と、雰囲気ガスの圧力によるが、十
分な酸素ラジカルを得るためには、ほぼ20cm以内と
することが好ましい。しかし、あまり近過ぎると照射の
均一性が低下するので、試料4と上記重水素ランプ1お
よび低圧水銀ランプ2との距離を過度に近くするのは避
けた方がよい。最短の距離は、使用されるランプ1、2
の種類、数および試料4の大きさと数および雰囲気ガス
の圧力などによって適宜選択される。
【0018】また、本実施例では試料4を1枚ずつ処理
する枚葉式の装置を用いたが、試料台3の大きさを、そ
の上に試料4を複数枚置ける大きさにして、ランプの本
数を全試料に光を均一に照射できるように増やすことに
よって、バッチ式の装置にすることも可能である。
する枚葉式の装置を用いたが、試料台3の大きさを、そ
の上に試料4を複数枚置ける大きさにして、ランプの本
数を全試料に光を均一に照射できるように増やすことに
よって、バッチ式の装置にすることも可能である。
【0019】図6に示したように、n型、比抵抗0.0
1Ωcm程度の低抵抗のシリコン基板6(直径10cm
および15cm)を、1/10程度に希釈したフッ酸溶
液中に1分間浸して表面をエッチし、水切れを確認した
後、水洗および乾燥を行ない、次に、Ta2O5膜7を化
学的気相成長法で形成した。当該化学的気相成長法は、
ペンタエトキシタンタル(原料容器を125℃に加熱、
キャリアガス:N2、流速:50ccm)と酸素(流
速:600ccm)を、反応ガスとして熱処理装置の反
応容器内に導入し、圧力0.2Torr、基板温度42
0℃という条件で行なって、膜厚9nmのTa2O5膜7
を形成した。なお、この場合における上記ペンタエトキ
シタンタルの流量は、キャリアガスとして用いたN2の
数分の一程度であった。
1Ωcm程度の低抵抗のシリコン基板6(直径10cm
および15cm)を、1/10程度に希釈したフッ酸溶
液中に1分間浸して表面をエッチし、水切れを確認した
後、水洗および乾燥を行ない、次に、Ta2O5膜7を化
学的気相成長法で形成した。当該化学的気相成長法は、
ペンタエトキシタンタル(原料容器を125℃に加熱、
キャリアガス:N2、流速:50ccm)と酸素(流
速:600ccm)を、反応ガスとして熱処理装置の反
応容器内に導入し、圧力0.2Torr、基板温度42
0℃という条件で行なって、膜厚9nmのTa2O5膜7
を形成した。なお、この場合における上記ペンタエトキ
シタンタルの流量は、キャリアガスとして用いたN2の
数分の一程度であった。
【0020】次に、図1に示した装置を用い、重水素ラ
ンプ1を8本と低圧水銀ランプ2を1本を、試料4とラ
ンプ1、2の間隔20cmで照射しながら、酸素ガス雰
囲気中において、温度400℃、10分間の熱処理を行
なった。このようにして得られたTa2O5膜7の上に厚
さ100nmのW膜8を形成し、周知のホトエッチング
によって不要部分を除去して、一辺100μmの特性測
定用上部電極を形成した。
ンプ1を8本と低圧水銀ランプ2を1本を、試料4とラ
ンプ1、2の間隔20cmで照射しながら、酸素ガス雰
囲気中において、温度400℃、10分間の熱処理を行
なった。このようにして得られたTa2O5膜7の上に厚
さ100nmのW膜8を形成し、周知のホトエッチング
によって不要部分を除去して、一辺100μmの特性測
定用上部電極を形成した。
【0021】比較のため、上記方法によって形成された
Ta2O5膜7を、従来の熱処理方法(UV−O2アニー
ル法、UV−O3アニール法およびO2プラズマ法)に従
ってそれぞれ熱処理した後、同様にして特性測定用上部
電極8を各表面上に形成し、両者の電圧−電流特性を測
定した。なお、上記UV−O2アニール法は、熱処理室
に酸素ガスを導入し、低圧水素ランプのみで励起を行な
い、基板温度は280℃とした。上記UV−O3アニー
ル法は、マイクロ波プラズマによって、酸素分子をあら
かじめオゾンに励起した後、処理室内に輸送して、低圧
水銀ランプのみによって励起を行ない、基板温度は28
0℃とした。また、上記O2プラズマアニール法は、圧
力10Torrの酸素雰囲気中において、周波数13.
56MHzの高周波電力を印加して酸素プラズマを形成
し、400℃に加熱した試料を当該酸素プラズマ中に曝
した。本実施例および上記従来の熱処理方法のうち、U
V−O2アニール法とUV−O3アニール法は、いずれも
反応容器内の圧力は常圧とし、反応時間は、O2プラズ
マアニール法を含めすべて10分間として行なった。
Ta2O5膜7を、従来の熱処理方法(UV−O2アニー
ル法、UV−O3アニール法およびO2プラズマ法)に従
ってそれぞれ熱処理した後、同様にして特性測定用上部
電極8を各表面上に形成し、両者の電圧−電流特性を測
定した。なお、上記UV−O2アニール法は、熱処理室
に酸素ガスを導入し、低圧水素ランプのみで励起を行な
い、基板温度は280℃とした。上記UV−O3アニー
ル法は、マイクロ波プラズマによって、酸素分子をあら
かじめオゾンに励起した後、処理室内に輸送して、低圧
水銀ランプのみによって励起を行ない、基板温度は28
0℃とした。また、上記O2プラズマアニール法は、圧
力10Torrの酸素雰囲気中において、周波数13.
56MHzの高周波電力を印加して酸素プラズマを形成
し、400℃に加熱した試料を当該酸素プラズマ中に曝
した。本実施例および上記従来の熱処理方法のうち、U
V−O2アニール法とUV−O3アニール法は、いずれも
反応容器内の圧力は常圧とし、反応時間は、O2プラズ
マアニール法を含めすべて10分間として行なった。
【0022】得られた結果を図7に示した。図7から明
らかなように、本実施例において得られたTa2O5膜
は、他の熱処理方法によって得られたTa2O5膜に比べ
てリーク電流密度が小さく、Ta2O5膜のリーク電流密
度を低減させる効果が、他の従来の熱処理方法よりも大
きい。さらに、図8は、本実施例によって形成されたT
a2O5膜の絶縁耐圧(判定電流密度:10-8A/c
m2)の基板温度依存性を、従来のUVーO3アニール法
によって得られ結果と比較した図である。上記のよう
に、UV−O3アニール法の場合は、熱処理温度が30
0℃以上になると、リーク電流低減効果がなくなって、
絶縁耐圧が著しく低下してしまうのに対し、本発明の場
合は、熱処理温度が300℃以上であっても、絶縁耐圧
は単調に増加し、高温度においても高い耐圧が得られ、
400℃程度が最適であることが認められた。ただし、
過度に高温になると、シリコン基板とTa2O5膜の界面
におけるシリコン酸化膜の成長が著しくなって、容量が
低下してしまう恐れがあり、また、Ta2O5膜が結晶化
して、リークなど好ましくない障害が生ずる恐れがある
ので、熱処理温度を過度に高くするのは避けた方がよ
く、このような理由から、本発明の熱処理は、300℃
〜700℃の温度範囲で行なうことが好ましい。
らかなように、本実施例において得られたTa2O5膜
は、他の熱処理方法によって得られたTa2O5膜に比べ
てリーク電流密度が小さく、Ta2O5膜のリーク電流密
度を低減させる効果が、他の従来の熱処理方法よりも大
きい。さらに、図8は、本実施例によって形成されたT
a2O5膜の絶縁耐圧(判定電流密度:10-8A/c
m2)の基板温度依存性を、従来のUVーO3アニール法
によって得られ結果と比較した図である。上記のよう
に、UV−O3アニール法の場合は、熱処理温度が30
0℃以上になると、リーク電流低減効果がなくなって、
絶縁耐圧が著しく低下してしまうのに対し、本発明の場
合は、熱処理温度が300℃以上であっても、絶縁耐圧
は単調に増加し、高温度においても高い耐圧が得られ、
400℃程度が最適であることが認められた。ただし、
過度に高温になると、シリコン基板とTa2O5膜の界面
におけるシリコン酸化膜の成長が著しくなって、容量が
低下してしまう恐れがあり、また、Ta2O5膜が結晶化
して、リークなど好ましくない障害が生ずる恐れがある
ので、熱処理温度を過度に高くするのは避けた方がよ
く、このような理由から、本発明の熱処理は、300℃
〜700℃の温度範囲で行なうことが好ましい。
【0023】本実施例において、Ta2O5膜の形成法と
して、ペンタエトキシタンタルを原料とした化学的気相
成長法を用いたが、Taの原料としては、上記ペンタエ
トキシタンタルのみではなく、TaCl5、Ta(OC
H3)5、Ta(N(CH3)2)5など、各種Taの有機
物ソースを用いることができ、さらに、酸素雰囲気中
(例えばO2/Ar=10%、5mTorr)において
Taターゲットを、RFパワー150W程度のRFスパ
ッタによってTa2O5膜を形成してもよい。本発明によ
って得られた上記効果は、Ta2O5膜の形成方法とは無
関係に、同様に得られることが確認された。また、Ta
2O5膜の膜厚は、酸素ラジカルの拡散長を考慮すると、
20nm以下、好ましくは10nm以下にすることがよ
い。しかし、あまり膜厚が小さいと、ピンホールの発生
など、好ましくない障害が発生する恐れがあるので、実
用上ほぼ5nm以下にするのは避けた方がよい。
して、ペンタエトキシタンタルを原料とした化学的気相
成長法を用いたが、Taの原料としては、上記ペンタエ
トキシタンタルのみではなく、TaCl5、Ta(OC
H3)5、Ta(N(CH3)2)5など、各種Taの有機
物ソースを用いることができ、さらに、酸素雰囲気中
(例えばO2/Ar=10%、5mTorr)において
Taターゲットを、RFパワー150W程度のRFスパ
ッタによってTa2O5膜を形成してもよい。本発明によ
って得られた上記効果は、Ta2O5膜の形成方法とは無
関係に、同様に得られることが確認された。また、Ta
2O5膜の膜厚は、酸素ラジカルの拡散長を考慮すると、
20nm以下、好ましくは10nm以下にすることがよ
い。しかし、あまり膜厚が小さいと、ピンホールの発生
など、好ましくない障害が発生する恐れがあるので、実
用上ほぼ5nm以下にするのは避けた方がよい。
【0024】本実施例では、キャパシタの下部電極とし
てシリコン膜を用いたが、シリコン膜のみではなく、例
えばWなどの各種金属材料や、それらのシリサイドから
なる膜を用いることができ、同様の効果が得られた。さ
らに、キャパシタ絶縁膜として本実施例ではTa2O5膜
を用いたが、Si、Ti、Zr、Hf、Y若しくはNb
の酸化物膜、PbTiO3膜、Pb(ZrXTi1ーX)O3
膜、SrTiO3膜、BaXSr1-XTiO3膜、Bi系層
状強誘電体化合物薄膜等の酸化物の混合物からなる膜を
用いた場合でも、同様の効果が得られた。
てシリコン膜を用いたが、シリコン膜のみではなく、例
えばWなどの各種金属材料や、それらのシリサイドから
なる膜を用いることができ、同様の効果が得られた。さ
らに、キャパシタ絶縁膜として本実施例ではTa2O5膜
を用いたが、Si、Ti、Zr、Hf、Y若しくはNb
の酸化物膜、PbTiO3膜、Pb(ZrXTi1ーX)O3
膜、SrTiO3膜、BaXSr1-XTiO3膜、Bi系層
状強誘電体化合物薄膜等の酸化物の混合物からなる膜を
用いた場合でも、同様の効果が得られた。
【0025】本実施例においては、励起光源として重水
素ランプおよび低圧水銀ランプを用いた。しかし、重水
素ランプおよび低圧水銀ランプのみではなく、酸素の光
吸収係数が10cm-1atm-1以上になる、130nm
以上170nm以下の波長の光を発光できる第1の光源
と、オゾンの光吸収係数が10cm-1atm-1以上にな
る、200nm以上300nm以下の波長の光を発光で
きる第2の光源を、組み合わせて使用すれば同様の効果
が得られる。また、例えばシンクロトロン放射光のよう
に、上記130nm以上170nm以下および200n
m以上300nm以下の、両波長を有する光を発光する
ことのできる光源を用いてもよい。
素ランプおよび低圧水銀ランプを用いた。しかし、重水
素ランプおよび低圧水銀ランプのみではなく、酸素の光
吸収係数が10cm-1atm-1以上になる、130nm
以上170nm以下の波長の光を発光できる第1の光源
と、オゾンの光吸収係数が10cm-1atm-1以上にな
る、200nm以上300nm以下の波長の光を発光で
きる第2の光源を、組み合わせて使用すれば同様の効果
が得られる。また、例えばシンクロトロン放射光のよう
に、上記130nm以上170nm以下および200n
m以上300nm以下の、両波長を有する光を発光する
ことのできる光源を用いてもよい。
【0026】〈実施例2〉本実施例は、本発明による熱
処理方法を、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ(DRAM)の作製に適用した例である。メモリセル
の断面図を図9に示す。ここで、容量絶縁膜は膜厚9n
mのTa2O5膜9であり、ペンタエトキシタンタルを原
料とした上記実施例1と同じ化学的気相成長法を用い
て、多結晶シリコン膜13の上に形成し、重水素ランプ
および低圧水銀ランプを用いて照射を行ないながら、酸
素雰囲気中で、400℃、10分間の熱処理を行なっ
た。使用された低圧水銀ランプおよび重水素ランプの数
は、それぞれ1および8である。
処理方法を、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモ
リ(DRAM)の作製に適用した例である。メモリセル
の断面図を図9に示す。ここで、容量絶縁膜は膜厚9n
mのTa2O5膜9であり、ペンタエトキシタンタルを原
料とした上記実施例1と同じ化学的気相成長法を用い
て、多結晶シリコン膜13の上に形成し、重水素ランプ
および低圧水銀ランプを用いて照射を行ないながら、酸
素雰囲気中で、400℃、10分間の熱処理を行なっ
た。使用された低圧水銀ランプおよび重水素ランプの数
は、それぞれ1および8である。
【0027】このようにして形成されたTa2O5膜9の
SiO2換算膜厚は2.5nmであり、耐圧は2V(判
定電流密度10-8A/cm2)であり、このTa2O5膜
9を有し、図9に示す断面構造を有する半導体装置はD
RAMとして動作できることが確認された。また、本発
明によって形成されたTa2O5膜9は、DRAMのみで
はなく、通信用LSIなど、大容量を必要とするコンデ
ンサー部分に適用するできることはいうまでもない。ま
た、容量素子としてだけでなく、MOSトランジスタの
ゲート酸化膜の形成に適用しても、従来方法よりも高い
絶縁耐圧を有する酸化膜が得られる。
SiO2換算膜厚は2.5nmであり、耐圧は2V(判
定電流密度10-8A/cm2)であり、このTa2O5膜
9を有し、図9に示す断面構造を有する半導体装置はD
RAMとして動作できることが確認された。また、本発
明によって形成されたTa2O5膜9は、DRAMのみで
はなく、通信用LSIなど、大容量を必要とするコンデ
ンサー部分に適用するできることはいうまでもない。ま
た、容量素子としてだけでなく、MOSトランジスタの
ゲート酸化膜の形成に適用しても、従来方法よりも高い
絶縁耐圧を有する酸化膜が得られる。
【0028】なお、図9において、記号10はSi基
板、11はSiO2膜、12はTiN膜、14はn+領域
(ソース・ドレイン領域)、15は多結晶シリコン膜
(ワード線)、16はPSG/SOG/PSG膜、17
はWSi2膜、18はBPSG/HLD膜を、それぞれ
表わし、Ta2O5膜9以外の部分は、すべて従来周知の
方法を用いて形成した。
板、11はSiO2膜、12はTiN膜、14はn+領域
(ソース・ドレイン領域)、15は多結晶シリコン膜
(ワード線)、16はPSG/SOG/PSG膜、17
はWSi2膜、18はBPSG/HLD膜を、それぞれ
表わし、Ta2O5膜9以外の部分は、すべて従来周知の
方法を用いて形成した。
【0029】
【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、高い絶縁耐圧を有する高誘電率酸化物膜を作製
することが可能になり、DRAMなど、各種半導体装置
の微細化および集積密度の向上に極めて有用である。
よれば、高い絶縁耐圧を有する高誘電率酸化物膜を作製
することが可能になり、DRAMなど、各種半導体装置
の微細化および集積密度の向上に極めて有用である。
【図1】本発明による熱処理装置の一例を示す断面図お
よび平面図、
よび平面図、
【図2】酸素とオゾンの光吸収係数の波長依存性を示す
図、
図、
【図3】重水素ランプと低圧水銀ランプの発光スペクト
ルを示す図、
ルを示す図、
【図4】従来の熱処理装置の一例を示す図、
【図5】従来の熱処理装置の他の例を示す図
【図6】第1の実施例において用いた試料の構造を示す
図、
図、
【図7】本発明および従来方法によって得られた電圧−
電流密度特性を比較した図、
電流密度特性を比較した図、
【図8】本発明および従来方法における耐圧の熱処理温
度依存性を比較した図、
度依存性を比較した図、
【図9】本発明の第2の実施例を示すDRAM要部の断
面図。
面図。
1…重水素ランプ、 2…低圧水銀ランプ、 3…試料
台、 4…試料、5…プラズマ発生器、 6…シリコン
基板、 7…Ta2O5膜、 8…W膜、9…Ta2O
5膜、 10…Si基板、 11…SiO2膜、 12…
TiN膜、13…多結晶シリコン膜、 14…n+ーS
i(ソース・ドレイン領域)、15…多結晶シリコン膜
(ワード線)、 16…PSG/SOG/PSG膜(層
間絶縁膜)、 17…WSi2膜(ビット線)、 18
…BPSG/HLD膜(層間絶縁膜)、 19…反応容
器。
台、 4…試料、5…プラズマ発生器、 6…シリコン
基板、 7…Ta2O5膜、 8…W膜、9…Ta2O
5膜、 10…Si基板、 11…SiO2膜、 12…
TiN膜、13…多結晶シリコン膜、 14…n+ーS
i(ソース・ドレイン領域)、15…多結晶シリコン膜
(ワード線)、 16…PSG/SOG/PSG膜(層
間絶縁膜)、 17…WSi2膜(ビット線)、 18
…BPSG/HLD膜(層間絶縁膜)、 19…反応容
器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/8242 (72)発明者 大路 譲 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 飯島 晋平 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内
Claims (12)
- 【請求項1】酸化物薄膜を酸化性雰囲気中において熱処
理する方法であって、当該熱処理は少なくとも130n
m以上170nm以下に発光波長を有する第1の光源か
ら発する第1の光および少なくとも200nm以上30
0nm以下に発光波長を有する第2の光源から発する第
2の光を、上記酸化物薄膜に照射して行われることを特
徴とする酸化物薄膜の熱処理方法。 - 【請求項2】上記第1の光源は重水素ランプであり、上
記第2の光源は低圧水銀ランプであることを特徴とする
請求項1に記載の酸化物薄膜の熱処理方法。 - 【請求項3】上記酸化物薄膜は、タンタル酸化膜である
ことを特徴とする請求項1若しくは2に記載の酸化物薄
膜の熱処理方法。 - 【請求項4】上記タンタル酸化膜の膜厚は20nm以
下、5nm以上であることを特徴とする請求項3に記載
の酸化物薄膜の熱処理方法。 - 【請求項5】上記熱処理は、300℃以上、700℃以
下の温度で行われることを特徴とする請求項1から4の
いずれか一に記載の酸化物薄膜の熱処理方法。 - 【請求項6】上記酸化物薄膜は、Si、Ta、Ti、Z
r、Hf、Y、Pb、Nb、Sr、Ba、LaおよびB
iからなる群から選ばれた少なくとも一種の酸化物若し
くは当該酸化物の混合物であることを特徴とする請求項
1若しくは2に記載の酸化物薄膜の熱処理方法。 - 【請求項7】反応容器と、当該反応容器内に配置された
試料台と、上記反応容器内に所定のガスを導入する手段
と、上記反応容器内からガスを排出する手段と、上記試
料台の上に置かれた試料を加熱する手段と、少なくとも
130nm以上170nm以下の発光波長を有する第1
の光源と、少なくとも200nm以上300nm以下の
発光波長を有する第2の光源を、少なくとも具備するこ
とを特徴とする熱処理装置。 - 【請求項8】上記第1の光源は重水素ランプであり、上
記第2の光源は低圧水銀ランプであることを特徴とする
請求項7に記載の熱処理装置。 - 【請求項9】上記第1の光源と上記試料の間の距離は2
0cm以下であることを特徴とする請求項7若しくは8
に記載の熱処理装置。 - 【請求項10】上記第2の光源と上記試料の間の距離は
20cm以下であることを特徴とする請求項7から9の
いずれか一に記載の熱処理装置。 - 【請求項11】反応容器と、当該反応容器内に配置され
た試料台と、上記反応容器内に所定のガスを導入する手
段と、上記反応容器内からガスを排出する手段と、上記
試料台の上に置かれた試料を加熱する手段と、少なくと
も130nm以上170nm以下および少なくとも20
0nm以上300nm以下の発光波長を有する光源を、
少なくとも具備することを特徴とする熱処理装置。 - 【請求項12】上記光源は、シンクロトロン放射光であ
ることを特徴とする請求項11に記載の熱処理装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25796894A JP3450463B2 (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 半導体装置の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25796894A JP3450463B2 (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 半導体装置の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08124923A true JPH08124923A (ja) | 1996-05-17 |
| JP3450463B2 JP3450463B2 (ja) | 2003-09-22 |
Family
ID=17313721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25796894A Expired - Fee Related JP3450463B2 (ja) | 1994-10-24 | 1994-10-24 | 半導体装置の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3450463B2 (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6043450A (en) * | 1996-02-22 | 2000-03-28 | Micron Technology, Inc. | Method to compensate for non-uniform film growth during chemical vapor deposition |
| WO2001073161A1 (en) * | 2000-03-29 | 2001-10-04 | Seiko Epson Corporation | Method for producing ceramic and apparatus for producing the same, semiconductor device, and piezoelectric device |
| JP2002217314A (ja) * | 2000-12-29 | 2002-08-02 | Hynix Semiconductor Inc | 半導体素子のキャパシタ製造方法 |
| US7094639B2 (en) | 2002-11-01 | 2006-08-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for fabricating semiconductor device |
| US8212299B2 (en) | 2001-06-13 | 2012-07-03 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device having a thin film capacitor of a MIM (metal-insulator-metal) structure |
-
1994
- 1994-10-24 JP JP25796894A patent/JP3450463B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6043450A (en) * | 1996-02-22 | 2000-03-28 | Micron Technology, Inc. | Method to compensate for non-uniform film growth during chemical vapor deposition |
| US6051823A (en) * | 1996-02-22 | 2000-04-18 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus to compensate for non-uniform film growth during chemical vapor deposition |
| US6243534B1 (en) | 1996-02-22 | 2001-06-05 | Micron Technology, Inc. | Method and apparatus to compensate for non-uniform film growth during chemical vapor deposition |
| WO2001073161A1 (en) * | 2000-03-29 | 2001-10-04 | Seiko Epson Corporation | Method for producing ceramic and apparatus for producing the same, semiconductor device, and piezoelectric device |
| CN1302151C (zh) * | 2000-03-29 | 2007-02-28 | 精工爱普生株式会社 | 强介电体的制法及其制造装置 |
| JP2002217314A (ja) * | 2000-12-29 | 2002-08-02 | Hynix Semiconductor Inc | 半導体素子のキャパシタ製造方法 |
| US8212299B2 (en) | 2001-06-13 | 2012-07-03 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor device having a thin film capacitor of a MIM (metal-insulator-metal) structure |
| US7094639B2 (en) | 2002-11-01 | 2006-08-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Method for fabricating semiconductor device |
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|---|---|
| JP3450463B2 (ja) | 2003-09-22 |
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