JP2003059921A - Method of forming insulator film and method of manufacturing capacitor member - Google Patents
Method of forming insulator film and method of manufacturing capacitor memberInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、絶縁体膜の形成方
法、及び、キャパシタ部材の製造方法に関し、詳しく
は、基体上に金属酸化物を含む絶縁体膜を形成せしめる
方法、及び、該絶縁体膜を含む誘電体層を備えるキャパ
シタ部材の製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming an insulator film and a method for manufacturing a capacitor member, and more specifically, a method for forming an insulator film containing a metal oxide on a substrate, and the insulation. The present invention relates to a method for manufacturing a capacitor member including a dielectric layer including a body film.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、論理素子、メモリ素子等の半導体
装置の微細化に伴い、キャパシタ、抵抗等を構成する絶
縁体膜の薄層化に対する要求が高まっている。また、キ
ャパシタの容量Cは、理論的に下記式(1);
C=A・ε/d、
で表されるように、面積A及び誘電率εに比例し、電極
間距離dに反比例するので、薄層化に加えて、より高い
誘電率を有する絶縁体膜(高誘電体膜)が望まれてい
る。また、物質の誘電率は、主として材料物性によって
決定されるため、固有的に高い誘電率を発現する材料を
用いたプロセス及びデバイスが既に実用化或いは試作段
階にある。2. Description of the Related Art In recent years, with the miniaturization of semiconductor devices such as logic elements and memory elements, there has been an increasing demand for thinner insulator films constituting capacitors, resistors and the like. Further, the capacitance C of the capacitor is theoretically proportional to the area A and the dielectric constant ε and inversely proportional to the inter-electrode distance d, as expressed by the following formula (1); C = A · ε / d. In addition to thinning, an insulating film (high dielectric film) having a higher dielectric constant is desired. Moreover, since the dielectric constant of a substance is mainly determined by the physical properties of the material, processes and devices using a material that inherently exhibits a high dielectric constant are already in the stage of practical use or trial production.
【0003】かかる高誘電体膜として金属誘電体膜、特
にタンタル(Ta)を含む誘電体膜を形成するプロセス
は、ギガビット級以上の次世代メモリー素子を製造する
際の核心技術として有望なものである。このようなTa
含有膜のチップキャパシタの製造プロセスとして、例え
ば以下に示す方法が挙げられる。The process of forming a metal dielectric film, particularly a dielectric film containing tantalum (Ta), as the high dielectric film is a promising core technology for manufacturing next-generation memory devices of gigabit class or higher. is there. Such Ta
As a manufacturing process of the chip capacitor of the containing film, for example, the following method can be mentioned.
【0004】まず、(1)シリコン(Si)ウェハWに
特定の不純物を一定量ドーピングして下部電極層とし、
(2)この上に酸素を遮断するためのバリア層、例え
ば、シリコン窒化膜を形成する。次に、(3)バリア層
上にCVD法によってTa酸化膜を成膜する。次いで、
Ta酸化膜の不動態化を促進すべく(4)リモートプラ
ズマによる酸素(O2)酸化或いはUVオゾン(O3)酸
化等によってTa酸化膜を更に酸化する。続いて、結晶
化により誘電率を一層高めるため(5)そのTa酸化膜
をアニール処理してTa含有誘電体膜とした後、(6)
更に上部電極層としての窒化チタン等を成膜してMIS
型のキャパシタ部材を得る。First, (1) a silicon (Si) wafer W is doped with a certain amount of a specific impurity to form a lower electrode layer,
(2) A barrier layer for blocking oxygen, for example, a silicon nitride film is formed thereon. Next, (3) a Ta oxide film is formed on the barrier layer by the CVD method. Then
In order to promote passivation of the Ta oxide film (4), the Ta oxide film is further oxidized by oxygen (O 2 ) oxidation or UV ozone (O 3 ) oxidation by remote plasma. Subsequently, in order to further increase the dielectric constant by crystallization (5), the Ta oxide film is annealed to form a Ta-containing dielectric film, and then (6)
Further, titanium nitride or the like is formed as an upper electrode layer to form a MIS.
To obtain a mold type capacitor member.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の方法では、各工程を別々のチャンバ装置で行う必要
があり、各工程間でウェハを搬送(移送)するといった
手間が掛かっていた。また、DRAMのようなメモリ素
子の場合、動作電圧が最大1.5V程度であってキャパ
シタのTa含有誘電体膜の膜厚は80Å程度が一般的で
ある。このような薄膜では、上記のO2酸化又はUV−
O3酸化により、膜厚全体の酸化・改質を行い得る。However, in such a conventional method, it is necessary to carry out each step in a separate chamber apparatus, and it takes time and labor to transfer (transfer) a wafer between each step. Further, in the case of a memory device such as a DRAM, the operating voltage is about 1.5 V at maximum, and the film thickness of the Ta-containing dielectric film of the capacitor is generally about 80Å. In such a thin film, the above-mentioned O 2 oxidation or UV-
O 3 oxidation can oxidize and reform the entire film thickness.
【0006】これに対し、例えば、リニアキャパシタの
場合には、0.35μmの設計ルールにおいて3.5〜
5V程度の電圧が印加され得る。よって、耐圧性を向上
させるため、膜厚をある程度厚くする必要がある。しか
し、膜厚が増大するにつれて従来のO2酸化又はUV−
O3酸化では、膜深部の酸化が十分に進行し難くなる。
このような不都合を解消するには、成膜と酸化とを複数
回繰り返す必要が生じ、スループットの著しい低下を招
いてしまう。また、その状態で再結晶化すると耐圧特性
が低下してしまう。On the other hand, for example, in the case of a linear capacitor, the design rule of 0.35 μm is 3.5 to 3.5.
A voltage of the order of 5V can be applied. Therefore, it is necessary to increase the film thickness to some extent in order to improve the pressure resistance. However, as the film thickness increases, conventional O 2 oxidation or UV-
O 3 oxidation makes it difficult to sufficiently oxidize the deep portion of the film.
In order to eliminate such inconvenience, it is necessary to repeat the film formation and the oxidation a plurality of times, resulting in a significant decrease in throughput. Further, if recrystallized in that state, the withstand voltage characteristic is deteriorated.
【0007】そこで、本発明はこのような事情に鑑みて
なされたものであり、工程を簡素化し且つ部材の搬送頻
度を低減して生産性を向上できると共に、厚膜の絶縁体
膜を形成する際にも、生産性及び特性の低下を防止でき
る絶縁体膜の形成方法、及び、キャパシタ部材の製造方
法を提供することを目的とする。Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and simplifies the process and reduces the frequency of carrying members to improve productivity, and forms a thick insulator film. Also in this case, it is an object of the present invention to provide a method for forming an insulating film and a method for manufacturing a capacitor member, which can prevent deterioration of productivity and characteristics.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による絶縁体膜の形成方法は、基体上に金属
酸化物を含む絶縁体膜を形成せしめる方法であって、基
体上に金属原子を含む第1の膜を形成する第1の工程
と、第1の膜を有する基体上に水蒸気(H2O)を含む
ガスを供給しつつ、基体を加熱して第1の膜を第2の膜
へと改質する第2の工程と、第2の膜を有する基体上に
酸素(O2)ガスを供給しつつ、基体を加熱して第2の
膜を第3の膜へと改質する第3の工程とを備えることを
特徴とする。In order to solve the above problems, the method for forming an insulator film according to the present invention is a method for forming an insulator film containing a metal oxide on a substrate, The first step of forming a first film containing metal atoms, and heating the substrate while supplying a gas containing water vapor (H 2 O) onto the substrate having the first film to form the first film. A second step of reforming into a second film, and heating the substrate while supplying oxygen (O 2 ) gas onto the substrate having the second film to turn the second film into a third film. And a third step of reforming.
【0009】このような構成を有する絶縁体膜の形成方
法においては、第1の工程において、金属膜、金属酸化
膜等の第1の膜が形成される。具体的には、例えば、高
誘電体膜としての絶縁体膜を形成する場合、PET(Pe
ntaEthoxyTantal)等のアルコキシタンタルのような有
機Taソースを用いたMO−CVD法により、第1の膜
としてのTa酸化膜を形成する。Taの酸化物は、五価
化合物つまりTa2O5の形態が最も安定であるが、上記
のようなMO−CVD法によって成膜した直後の膜
(「第1の膜」に相当)は、かかる化学量論的な組成を
有しないことが多く、その状態では金属膜としての性質
を呈することもあり、完全な絶縁体膜となり得ない。ま
た、第1の膜として金属膜を形成した場合には、酸化に
よる絶縁体化が必要となる。In the method of forming an insulator film having such a structure, a first film such as a metal film or a metal oxide film is formed in the first step. Specifically, for example, when forming an insulating film as a high dielectric film, PET (Pe
A Ta oxide film as a first film is formed by the MO-CVD method using an organic Ta source such as alkoxy tantalum such as ntaEthoxyTantal). The oxide of Ta is most stable in the form of a pentavalent compound, that is, Ta 2 O 5 , but the film immediately after being formed by the MO-CVD method (corresponding to the “first film”) is In many cases, it does not have such a stoichiometric composition, and in that state, it may exhibit properties as a metal film, and cannot be a perfect insulator film. Further, when a metal film is formed as the first film, it is necessary to make it an insulator by oxidation.
【0010】そこで、第2の工程を実施して、第1の膜
を水蒸気により酸化して(いわゆるウェット酸化)第2
の膜を形成する。第1の膜は、通常、非晶質つまりアモ
ルファス状態を呈しており、かかる状態で第2の工程を
実施することにより、十分且つ効率的な酸化が達成され
る。ここで、基体上への水蒸気を含むガスの供給方法と
しては、基体が収容され得るチャンバ等の外部で予め水
素(H2)と酸素(O2)とを燃焼させて水を発生させ、
蒸気化した状態で基体上に導入する方法(いわゆる外部
燃焼法によるウェット酸化)等を例示できる。Therefore, the second step is carried out to oxidize the first film with water vapor (so-called wet oxidation).
To form a film. The first film usually exhibits an amorphous state, that is, an amorphous state, and by performing the second step in such a state, sufficient and efficient oxidation is achieved. Here, as a method of supplying the gas containing water vapor onto the substrate, hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are previously burned outside the chamber in which the substrate can be stored to generate water,
Examples thereof include a method of introducing the vaporized state onto the substrate (wet oxidation by a so-called external combustion method) and the like.
【0011】この第2の工程では、基体上への水蒸気を
含むガスの供給と共に基体が加熱され、一定の温度にな
ると、基体の直上方で水蒸気が基体から熱エネルギーを
受け取り、種々の活性種が生じる。そして、酸化因子た
る活性種が第1の膜内を拡散していき、第1の膜を酸化
する。この酸化反応は、主に拡散過程に支配されるの
で、第1の膜の厚さが増大しても、膜全体にわたって酸
化反応が十分に且つ迅速に進行する。In the second step, when the gas containing steam is supplied onto the substrate and the substrate is heated to a certain temperature, the steam receives thermal energy from the substrate immediately above the substrate and various active species are generated. Occurs. Then, the active species as the oxidizing factor diffuse in the first film and oxidize the first film. Since this oxidation reaction is mainly controlled by the diffusion process, even if the thickness of the first film is increased, the oxidation reaction progresses sufficiently and rapidly over the entire film.
【0012】また、基体の加熱方式としては、急速加熱
方式が望ましい。すなわち、第2の工程としては、ウェ
ット酸化を組合わせたRTA(Rapid Thermal Annealin
g)或いはRTO(Rapid Thermal Oxidation)を用いる
ことにより、第1の膜の酸化効率及びスループットを高
め得る点で好ましい。しかも、第1の膜の下地にSi窒
化膜等が設けられている場合に、その窒化膜の酸化を極
力抑えることができる。さらに、水蒸気を含むガスとし
ては、水蒸気のみの他に、酸素原子を含む他のガス(例
えばO2、N2O等)と水蒸気との混合ガスを基体上に供
給してもよい。As the heating method for the substrate, a rapid heating method is desirable. That is, in the second step, RTA (Rapid Thermal Annealin) combined with wet oxidation is used.
g) or RTO (Rapid Thermal Oxidation) is preferable in that the oxidation efficiency and throughput of the first film can be increased. Moreover, when the Si nitride film or the like is provided as the base of the first film, the oxidation of the nitride film can be suppressed as much as possible. Further, as the gas containing water vapor, in addition to only water vapor, a mixed gas of other gas containing oxygen atoms (for example, O 2 , N 2 O, etc.) and water vapor may be supplied onto the substrate.
【0013】このようにして得られる第2の膜は、金属
酸化膜として実質的に化学量論的な組成を有する膜、つ
まり上述したTa酸化膜の例で言えば、実質的にTa2
O5の組成を有する膜であって、第1の膜の改質、具体
的には不動態化が行われたこととなる。このように形成
された第2の膜は、この状態で絶縁体膜ひいては誘電体
膜として機能し得るが、アモルファス状態の第1の膜を
酸化して得られたものであって非晶質性を有しており、
結晶化が図られていない。The second film thus obtained is a film having a substantially stoichiometric composition as a metal oxide film, that is, substantially Ta 2 in the case of the Ta oxide film described above.
This is a film having a composition of O 5 , and the first film has been modified, specifically, passivated. The second film thus formed can function as an insulator film and eventually a dielectric film in this state, but it is obtained by oxidizing the first film in an amorphous state and is amorphous. Has
Not crystallized.
【0014】そこで、第3の工程では、O2等の酸素原
子を含むガスを基体上に供給しつつ基体の加熱処理すな
わちアニール処理を行う。これにより、第2の膜の結晶
化を図り且つその結晶化度を十分に高め、高誘電率を発
現する第3の膜を形成する。このように、第3の工程
は、基体上への供給ガスを、水蒸気を含むガスからO2
ガスに代えることにより、また、必要に応じて加熱温度
等を調整することにより、第2の工程と間断なく連続し
て実施し得る。したがって、第2の工程と第3の工程と
で用いる装置、容器等の部材を互いに共用でき、これに
より両工程間の基体の搬送や移動が不要となる。また、
ガスの変更、更には加熱温度の調整等を行うだけで、工
程の切替えを簡便に行うことができるので、第2及び第
3の工程を併せて通常の一工程とみなし得る。Therefore, in the third step, the substrate is heated or annealed while supplying a gas containing oxygen atoms such as O 2 onto the substrate. As a result, the third film is formed which is capable of crystallizing the second film and sufficiently increasing the degree of crystallinity thereof and exhibiting a high dielectric constant. Thus, in the third step, the supply gas onto the substrate is changed from the gas containing water vapor to O 2 gas.
By changing to the gas, and by adjusting the heating temperature and the like as necessary, the second step can be continuously performed without interruption. Therefore, members such as an apparatus and a container used in the second step and the third step can be shared with each other, which makes it unnecessary to transfer or move the substrate between both steps. Also,
The steps can be easily switched by simply changing the gas, adjusting the heating temperature, and the like. Therefore, the second and third steps can be regarded as one normal step.
【0015】また、先述したように、第2の工程におけ
る酸化反応は、主として酸化因子の膜中における拡散に
支配されるので、酸化因子の拡散定数又は拡散速度を制
御することにより、最適な酸化処理を行い得る。この拡
散定数又は拡散速度は、基体の温度及びその周囲の雰囲
気圧力に大きく依存し、酸化量は処理時間にも依存す
る。Further, as described above, since the oxidation reaction in the second step is mainly governed by the diffusion of the oxidation factor in the film, the optimum oxidation is controlled by controlling the diffusion constant or the diffusion rate of the oxidation factor. Processing can take place. This diffusion constant or diffusion rate largely depends on the temperature of the substrate and the atmospheric pressure around it, and the amount of oxidation also depends on the processing time.
【0016】よって、第2の工程においては、第1の膜
の種類、膜厚、又はその成膜条件に応じて、基体の周囲
の圧力、基体の加熱温度、又は基体の処理時間、或いは
これらを複数組合わせて制御すると好ましい。こうすれ
ば、第2の工程における酸化反応の最適化を図ることが
できる。また、ウェット酸化は、酸化因子の拡散が速
く、第1の膜の膜厚によってはその下地層をも酸化し易
いので、かかる傾向を考慮して拡散定数を調節すること
により、下地層の酸化を有効に抑制できる。Therefore, in the second step, the pressure around the substrate, the heating temperature of the substrate, the processing time of the substrate, or these, depending on the type of the first film, the film thickness, or the film forming conditions thereof. It is preferable to control a plurality of combinations. This makes it possible to optimize the oxidation reaction in the second step. In wet oxidation, the diffusion of the oxidation factor is fast, and the underlayer is easily oxidized depending on the film thickness of the first film. Therefore, by adjusting the diffusion constant in consideration of such a tendency, the oxidation of the underlayer is suppressed. Can be effectively suppressed.
【0017】より具体的には、第2の工程においては、
基体の周囲の圧力を好ましくは66kPa〜102kP
a(500〜760Torr)、より好ましくは80k
Pa〜102kPa(600〜760Torr)とする
と好適である。この圧力が66kPa未満であると、第
1の膜の種類によっては、酸化因子となる活性種の密度
が十分に高められず、酸化反応の反応性又は反応速度を
十分に高められない傾向にある。一方、この圧力が10
2kPaつまり大気圧を超えると、加圧手段を用いた圧
力調節を要し、減圧や単なる排気に比して取扱が煩雑と
なる傾向にある。More specifically, in the second step,
The pressure around the substrate is preferably 66 kPa to 102 kP
a (500 to 760 Torr), more preferably 80 k
Pa to 102 kPa (600 to 760 Torr) is suitable. If this pressure is less than 66 kPa, the density of the active species serving as an oxidation factor may not be sufficiently increased depending on the type of the first film, and the reactivity or reaction rate of the oxidation reaction may not be sufficiently increased. . On the other hand, this pressure is 10
When the pressure exceeds 2 kPa, that is, the atmospheric pressure, it is necessary to adjust the pressure using a pressurizing means, and the handling tends to be complicated as compared with depressurization or simple exhaust.
【0018】また、第1の膜の下地層の種類によって
は、サーマルバジェットを一定値以下に制限する必要が
あり、基体の加熱温度を高めることにより第1の膜中の
酸化因子の拡散定数や拡散速度を制御することが困難な
場合がある。このような場合でも、基体の周囲の圧力を
上記の好適範囲内で調節することにより、基体の加熱温
度を上昇させることなく、拡散定数等を簡易に且つ所望
に調整できる。Further, depending on the type of the underlayer of the first film, it is necessary to limit the thermal budget to a certain value or less. By increasing the heating temperature of the substrate, the diffusion constant of the oxidation factor in the first film and Controlling the diffusion rate can be difficult. Even in such a case, by adjusting the pressure around the substrate within the above-mentioned preferable range, the diffusion constant and the like can be easily and desirably adjusted without raising the heating temperature of the substrate.
【0019】さらに、第2の工程においては、前記基体
の加熱温度を好ましくは650℃以下、より好ましくは
500〜650℃とし、第3の工程においては、基体の
加熱温度を好ましくは700℃以上、より好ましくは7
50〜850℃とすると有用である。またさらに、第3
の工程においては、急熱・急冷つまりスパイクアニール
(Spike Anneal)を行うと好適である。より具体的に
は、100〜150℃/secで昇温(ランプアップ)
し、50〜90℃/secで降温(ランプダウン)する
と好ましい。Further, in the second step, the heating temperature of the substrate is preferably 650 ° C. or lower, more preferably 500 to 650 ° C., and in the third step, the heating temperature of the substrate is preferably 700 ° C. or higher. , And more preferably 7
It is useful to set the temperature to 50 to 850 ° C. Furthermore, the third
In the process of 1, it is preferable to perform rapid heating / cooling, that is, spike annealing. More specifically, the temperature is raised at 100 to 150 ° C / sec (ramp up).
However, it is preferable to lower the temperature (ramp down) at 50 to 90 ° C./sec.
【0020】第2の工程における基体の加熱温度が65
0℃を超えると、第1の膜が結晶化し始め、例えばTa
酸化物では、略700℃近辺で結晶化が有意に進行す
る。このように結晶化された膜中の再酸化を行うことは
困難であり、Ta酸化物の再酸化は700℃以下で行う
必要がある。このように、第1の膜の結晶化を抑制する
観点より、第2の工程における基体の加熱温度の上限を
650℃とすることが望ましい。The heating temperature of the substrate in the second step is 65
When the temperature exceeds 0 ° C., the first film starts to crystallize, for example, Ta
With oxides, crystallization significantly progresses at around 700 ° C. It is difficult to reoxidize the film crystallized in this way, and it is necessary to reoxidize the Ta oxide at 700 ° C. or lower. Thus, from the viewpoint of suppressing crystallization of the first film, it is desirable to set the upper limit of the heating temperature of the substrate in the second step to 650 ° C.
【0021】また、この温度が650℃を超えると、第
1の膜厚、処理時間にもよるが、基体への入熱量が増大
し、サーマルバジェットの制限値を越えてしまうことが
ある。特に、電極層となる下地層に不純物がドープされ
ているときには、その不純物の不都合な拡散を生じるお
それがある。これらより、第2の工程における基体の加
熱温度が650℃を超えると、基体の周囲の圧力や加熱
処理時間の調整による酸化反応の制御が困難となる傾向
にある。If the temperature exceeds 650 ° C., the heat input to the substrate may increase and the thermal budget limit may be exceeded, depending on the first film thickness and the processing time. In particular, when an underlayer serving as an electrode layer is doped with impurities, there is a possibility that the impurities may undesirably diffuse. From these, when the heating temperature of the substrate in the second step exceeds 650 ° C., it tends to be difficult to control the oxidation reaction by adjusting the pressure around the substrate and the heat treatment time.
【0022】一方、第3の工程における基体の加熱温度
が700℃を下回ると、金属酸化物の結晶化が十分に進
行せず、第3の膜の誘電率を所望に高めることが困難と
なる。例えば、前述の如く、Ta酸化物に対する望まし
いアニール温度(結晶化温度)は700℃以上であり、
更に望ましくは800℃以上である。また、スパイクア
ニールを行う場合、結晶化が瞬時に進行する傾向にあ
る。よって、下地層にSi電極層等が設けられている場
合、加熱時間を過度に長くすると、その下地電極層が酸
化されるおそれがある。On the other hand, when the heating temperature of the substrate in the third step is lower than 700 ° C., the crystallization of the metal oxide does not proceed sufficiently and it becomes difficult to increase the dielectric constant of the third film to a desired value. . For example, as described above, the desirable annealing temperature (crystallization temperature) for Ta oxide is 700 ° C. or higher,
More preferably, it is 800 ° C. or higher. Moreover, when spike annealing is performed, crystallization tends to proceed instantaneously. Therefore, when the Si electrode layer or the like is provided as the underlayer, if the heating time is excessively lengthened, the underlayer may be oxidized.
【0023】こうなると、誘電率の低いSi酸化膜が形
成され、その部分も誘電体として機能するため、誘電体
層の実質的な厚さ(上記式(1)の電極間距離d)が大
きくなり、その結果、キャパシタの容量Cが低下してし
まう。また、金属誘電体膜としてTa含有誘電体膜とす
る場合、その下地層は一般にTa含有誘電体膜よりも誘
電率が小さいことが多いので、誘電体層の実効誘電率が
下がり、更なる容量Cの低下を引き起こしてしまう。こ
の点より、スパイクアニールによって急熱した後急冷す
る利点がある。In this case, a Si oxide film having a low dielectric constant is formed, and that portion also functions as a dielectric, so that the substantial thickness of the dielectric layer (distance d between electrodes in the above formula (1)) becomes large. As a result, the capacitance C of the capacitor is reduced. In addition, when a Ta-containing dielectric film is used as the metal dielectric film, the underlying layer generally has a smaller dielectric constant than the Ta-containing dielectric film, so that the effective dielectric constant of the dielectric layer is lowered and the capacitance further increases. It causes a decrease in C. From this point, there is an advantage that rapid heating is performed by spike annealing and then rapid cooling.
【0024】ここで、上記従来方法においても700℃
以上のアニールが行われ得るが、そのためのアニール処
理装置(例えば、加熱炉(Furnace))を単にそのまま
用いてウェット酸化を試みると、前述の如く、第1の膜
の厚さによっては、下地層の酸化が瞬時に進んでしまう
可能性が極めて高い。この点が、従来、金属誘電体膜と
して機能する絶縁体膜の酸化処理にウェット酸化が適用
されなかった主要因の一つであると考えられる。Even in the above conventional method, 700 ° C.
Although the above annealing can be performed, if wet oxidation is attempted by simply using an annealing apparatus for that purpose (for example, a heating furnace (Furnace)) as it is, as described above, depending on the thickness of the first film, the underlying layer may be formed. There is a very high possibility that the oxidation of will proceed instantaneously. This point is considered to be one of the main reasons why wet oxidation has not been conventionally applied to the oxidation treatment of the insulating film functioning as a metal dielectric film.
【0025】また、先に述べたように、第1の膜に用い
る金属は特に限定されず、固有の誘電率が十分に大きな
ものが好ましく、例えば、Ta、BST、ST、又はこ
れらの混合物等が挙げられる。これらを用いると、第3
の膜として、それぞれTa2O5、((Ba,Sr)Ti
O3)、SrTiO3等が形成される。なかでも、Ta
は、誘電率εが25程度であり、窒化膜(SixNyで7
程度)、他の酸化物(3.5〜4程度)等に比して格段
に高い誘電率を呈し、更に使用実績があることから実用
上好適な材料と言える。すなわち、第1の工程において
は、金属原子としてTa原子を含む第1の膜を形成する
ことが望ましい。Further, as described above, the metal used for the first film is not particularly limited, and those having a sufficiently large intrinsic dielectric constant are preferable, for example, Ta, BST, ST, or a mixture thereof. Is mentioned. With these, the third
Films of Ta 2 O 5 and ((Ba, Sr) Ti
O 3 ), SrTiO 3 and the like are formed. Above all, Ta
Has a dielectric constant ε of about 25 and is a nitride film (Si x N y is 7
), Other oxides (about 3.5 to 4), etc. exhibiting a significantly higher dielectric constant, and since it has a track record of use, it can be said to be a material suitable for practical use. That is, in the first step, it is desirable to form a first film containing Ta atoms as metal atoms.
【0026】さらに、近年、半導体素子の微細化が急加
速しているが、これに用いられるキャパシタや抵抗の性
能は、材料特性で決定されることが多く、キャパシタ等
が占める素子領域をこれまで以上に飛躍的に縮小するに
は限界が見え始めている。ある試算によれば、設計ルー
ルの進展に伴い、素子チップ上の約3割のエリアをキャ
パシタや抵抗が占有するであろうとも言われている。し
たがって、本発明を適用すれば、工程の簡素化を図ると
共に、下地層の酸化を抑制しつつTa等の高誘電体材料
を用いることにより、キャパシタ領域等の更なる縮小化
に寄与できる。Furthermore, in recent years, the miniaturization of semiconductor devices has been rapidly accelerated, but the performance of capacitors and resistors used for these is often determined by the material characteristics, and the device area occupied by capacitors and the like has been so far. The limit is beginning to be seen in the dramatic reduction. According to a certain calculation, it is said that the capacitor and the resistor will occupy about 30% of the area on the element chip as the design rule progresses. Therefore, if the present invention is applied, the process can be simplified, and by using a high dielectric material such as Ta while suppressing the oxidation of the underlayer, it is possible to contribute to further reduction of the capacitor region and the like.
【0027】また、本発明によるキャパシタ部材の製造
方法は、本発明による絶縁体膜の形成方法を適用して有
効に実施される方法であり、基体上に第1電極層を形成
する第1電極層形成工程と、この第1電極層上に、本発
明による絶縁体膜の形成方法により絶縁体膜を成膜して
その絶縁体膜を含む誘電体層を形成する誘電体層形成工
程と、誘電体層上に第2電極層を形成する第2電極層形
成工程とを備えるものである。Further, the method for manufacturing a capacitor member according to the present invention is a method effectively implemented by applying the method for forming an insulator film according to the present invention, and the first electrode for forming the first electrode layer on the base body. A layer forming step, and a dielectric layer forming step of forming an insulator film on the first electrode layer by the method of forming an insulator film according to the present invention to form a dielectric layer including the insulator film; And a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the dielectric layer.
【0028】さらに、第1電極層と誘電体層との間にバ
リア層を形成するバリア層形成工程を更に備えてもよ
い。このバリア層により、第2の工程において第1の膜
をウェット酸化する際に、酸化因子である酸素活性種等
が第1電極層に流入することが制限又は遮断される。ま
た、バリア層は、第1の膜の下地層となり、殊に第1の
膜が薄いときに上記従来の方法を用いると、バリア層が
酸化され易いのに対し、本発明の絶縁体膜の形成方法を
用いると、第1の膜を高効率で酸化できると共に、バリ
ア層の酸化を有効に抑止して実効誘電率の低下を防止し
得る。Further, a barrier layer forming step of forming a barrier layer between the first electrode layer and the dielectric layer may be further provided. This barrier layer restricts or blocks the inflow of oxygen active species, which is an oxidizing factor, into the first electrode layer when the first film is wet-oxidized in the second step. Further, the barrier layer serves as an underlayer of the first film, and when the above-mentioned conventional method is used especially when the first film is thin, the barrier layer is easily oxidized, whereas the barrier film of the present invention is formed. By using the forming method, the first film can be oxidized with high efficiency, and the oxidation of the barrier layer can be effectively suppressed to prevent the effective dielectric constant from lowering.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
実施形態について説明する。なお、同一の要素には同一
の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左
右等の位置関係については、特に規定しない限り、図面
の上下左右等の位置関係に基づくものとする。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. The same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. Unless otherwise specified, the positional relationship such as top, bottom, left and right is based on the positional relationship such as top, bottom, left and right in the drawings.
【0030】図1は、本発明による絶縁体膜の形成方法
を用いた本発明のキャパシタ部材の製造方法に係る好適
な一実施形態の手順を示すフロー図である。また、図2
は、図1に示すフローの一部を実施するための処理装置
の一例を示す摸式断面図である。さらに、図3(A)〜
(F)は、図1に示す手順に従ってキャパシタ部材を製
造している状態を模式的に示す工程図である。まず、基
体としてのSiから成るウェハW上に、不純物を所定濃
度で含むHSG又はDoped Si(Hemispherical G
rained Silicone)膜を成膜して下部電極層200を形
成する(ステップS1、第1電極層形成工程;図3
(A)参照)。FIG. 1 is a flow chart showing the procedure of a preferred embodiment of the method for manufacturing a capacitor member of the present invention using the method for forming an insulator film according to the present invention. Also, FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a processing device for carrying out a part of the flow shown in FIG. 1. Furthermore, FIG.
(F) is a process drawing schematically showing a state in which a capacitor member is manufactured according to the procedure shown in FIG. 1. First, HSG or Doped Si (Hemispherical G) containing impurities at a predetermined concentration is formed on a wafer W made of Si as a substrate.
A rained silicon film is formed to form the lower electrode layer 200 (step S1, first electrode layer forming step; FIG. 3).
(See (A)).
【0031】次に、前処理として、自然酸化膜を除去す
るための洗浄を行った後、このウェハWを通常のRTN
(Rapid Thermal Nitridation)チャンバに移送し(ス
テップS2)、下部電極層200を構成するHSG膜の
表面部を窒化してSixNy膜(Si3N4膜)から成るか
らバリア層201を形成する(ステップS3、バリア層
形成工程;図3(B)参照)。Next, as a pretreatment, after cleaning for removing the natural oxide film, the wafer W is subjected to normal RTN.
(Rapid Thermal Nitridation) Transferred to the chamber (step S2), the surface portion of the HSG film forming the lower electrode layer 200 is nitrided and formed of a Si x N y film (Si 3 N 4 film) to form a barrier layer 201. (Step S3, barrier layer forming step; see FIG. 3B).
【0032】次いで、そのウェハWをCVDチャンバに
移送し(ステップS4)、バリア層201上にTa酸化
膜(TaxOy)から成る金属酸化膜202をMO−CV
D法により成膜する(ステップS51、第1の工程;図
3(C)参照)。膜原料としては、例えば、PET等を
使用する。次に、そのウェハWを図2に示す処理装置1
0へ移送する(ステップS52)。処理装置10は、チ
ャンバ11内に、ウェハWを支持するサセプタ12と、
そのサセプタ12に対向配置され且つ電源PSに接続さ
れた加熱ランプ部14とが設けられたものである。Next, the wafer W is transferred to the CVD chamber (step S4), and the metal oxide film 202 made of Ta oxide film (Ta x O y ) is formed on the barrier layer 201 by MO-CV.
A film is formed by the D method (step S51, first step; refer to FIG. 3C). For example, PET or the like is used as the film raw material. Next, the wafer W is processed by the processing apparatus 1 shown in FIG.
Transfer to 0 (step S52). The processing apparatus 10 includes a susceptor 12 that supports a wafer W in a chamber 11,
The heating lamp unit 14 is provided so as to face the susceptor 12 and is connected to the power source PS.
【0033】サセプタ12は、サセプタ12を上下移動
及び回転させる駆動機構13に結合されている。一方、
加熱ランプ部14には、図示しない複数の加熱ランプが
併設されており、輻射及び熱伝導によってサセプタ12
上に載置されたウェハWが急速加熱されるようになって
いる。また、チャンバ11の側壁には、ガス供給口Pi
及びガス排出口Poが設けられており、それぞれにガス
供給系16及びガス排気系18が接続されている。ガス
供給系16は、H2ガス及びO2ガスを燃焼させて水蒸気
を発生させる外部燃焼式の水蒸気供給源16a、及び、
O2ガス供給源16bと、それぞれに配管を介して接続
されたMFC(質量流量コントローラー)Ma,Mbを
有している。The susceptor 12 is connected to a drive mechanism 13 that moves and rotates the susceptor 12 up and down. on the other hand,
The heating lamp unit 14 is provided with a plurality of heating lamps (not shown), and the susceptor 12 uses radiation and heat conduction.
The wafer W placed on it is heated rapidly. The side wall of the chamber 11 has a gas supply port Pi.
And a gas exhaust port Po are provided, and a gas supply system 16 and a gas exhaust system 18 are connected to each. The gas supply system 16 is an external combustion-type steam supply source 16a that combusts H 2 gas and O 2 gas to generate steam, and
It has an O 2 gas supply source 16b and MFCs (mass flow rate controllers) Ma and Mb connected to each through piping.
【0034】このような構成の処理装置10に移送され
たウェハWをサセプタ12上に設置し、駆動機構13を
運転してウェハWと加熱ランプ部14との間隔を所定の
距離に設定する。次に、チャンバ11内を排気し、必要
に応じて不活性ガス(図示せず)を供給してチャンバ1
1内をガス置換する。チャンバ11内が所定の圧力とな
った時点で、ガス排気系18を運転しながら、ガス供給
系16からガスGとして水蒸気及びO2ガスの混合ガス
をチャンバ11内に供給する。或いは、水蒸気の供給に
先立ってO2ガスを供給し、O2雰囲気とした後に水蒸気
を供給してもよい。The wafer W transferred to the processing apparatus 10 having such a configuration is set on the susceptor 12, and the driving mechanism 13 is operated to set the distance between the wafer W and the heating lamp section 14 to a predetermined distance. Next, the chamber 11 is evacuated, and an inert gas (not shown) is supplied as necessary to supply the chamber 1
The inside of 1 is replaced with gas. When the pressure in the chamber 11 reaches a predetermined pressure, the gas supply system 16 supplies a mixed gas of water vapor and O 2 gas as the gas G into the chamber 11 while operating the gas exhaust system 18. Alternatively, the O 2 gas may be supplied prior to the supply of the steam, and the steam may be supplied after the O 2 atmosphere is formed.
【0035】このガスGの供給とほぼ同時に、駆動機構
13によりサセプタ12を回動させてウェハWを回転さ
せると共に、加熱ランプ部14を点灯させる。これによ
り、ウェハW上にガスGを流通させた状態でウェハWの
上面側を加熱し、ウェハWの温度を室温から急速に上昇
させる。Almost at the same time as the supply of the gas G, the drive mechanism 13 rotates the susceptor 12 to rotate the wafer W, and at the same time, the heating lamp section 14 is turned on. As a result, the upper surface side of the wafer W is heated while the gas G is flowing over the wafer W, and the temperature of the wafer W is rapidly increased from room temperature.
【0036】ウェハWの温度が所定温度に達すると、ガ
スGがウェハWの表面部から熱エネルギーを付与されて
水蒸気及びO2ガス由来の活性種が生成され、金属酸化
膜202全体がこれらの活性種に曝される。活性種のう
ち主として酸素原子を含む酸素活性種が酸化因子として
機能し、金属酸化膜202の内部へ拡散していく。ここ
で、金属酸化膜202は、非晶質つまりアモルファス状
態を呈しており、完全な酸化膜とはなっておらず、金属
同士の結合部(Ta−Ta金属結合)、また、有機金属
ソースに含まれていた水素(H)や炭素(C)がTaと
結合している部分、更には未結合手(ダングリングボン
ド)を有していることもある。When the temperature of the wafer W reaches a predetermined temperature, the gas G is given thermal energy from the surface portion of the wafer W to generate active species derived from water vapor and O 2 gas, and the entire metal oxide film 202 contains these species. Exposed to active species. Of the active species, oxygen active species mainly containing oxygen atoms function as an oxidizing factor and diffuse into the metal oxide film 202. Here, the metal oxide film 202 exhibits an amorphous state, that is, an amorphous state, is not a complete oxide film, and is used as a metal-metal bond (Ta-Ta metal bond) or an organic metal source. The contained hydrogen (H) or carbon (C) may have a part bonded to Ta, or may have a dangling bond.
【0037】酸化因子の拡散により、金属酸化膜202
内のこれらの結合に活性種のエネルギーが与えられて結
合が解離し、その部分に酸素原子が結合してTa原子の
酸化反応が進行する。また、未結合手も酸素原子でター
ミネーションされる傾向にある。このようなウェット酸
化によって、金属酸化膜202が酸化・改質され、化学
量論的にTa2O5に近い組成を有する金属酸化膜204
が形成される(ステップS53、第2の工程;図3
(D)参照)。The metal oxide film 202 is formed by the diffusion of the oxidizing factor.
The energy of the active species is given to these bonds in the inside to dissociate the bonds, and oxygen atoms are bonded to the portions to promote the oxidation reaction of Ta atoms. Also, dangling bonds tend to be terminated by oxygen atoms. By such wet oxidation, the metal oxide film 202 is oxidized and modified, and the metal oxide film 204 having a composition stoichiometrically close to Ta 2 O 5 is formed.
Are formed (step S53, second step; FIG. 3).
(D)).
【0038】ここで、ステップS53におけるウェハW
の加熱温度としては、好ましくは650℃以下、より好
ましくは500〜650℃とする。この温度が650℃
を超えると、金属酸化膜202が結晶化し始め、例えば
Ta酸化物では、略700℃近辺で結晶化が有意に進行
する。このように結晶化された膜中の再酸化を行うこと
は極めて困難な傾向にある。よって、ステップS53に
おけるウェハWの加熱温度の上限を650℃とすること
により、アモルファス状態を維持した状態で金属酸化膜
202の酸化が可能となり、金属酸化膜202の再酸化
効率の低下を防止できる。Here, the wafer W in step S53
The heating temperature is preferably 650 ° C. or lower, and more preferably 500 to 650 ° C. This temperature is 650 ℃
When it exceeds, the metal oxide film 202 starts to crystallize, and, for example, in the case of Ta oxide, the crystallization significantly progresses at around 700 ° C. Re-oxidation in such a crystallized film tends to be extremely difficult. Therefore, by setting the upper limit of the heating temperature of the wafer W in step S53 to 650 ° C., it becomes possible to oxidize the metal oxide film 202 while maintaining the amorphous state, and it is possible to prevent the reoxidation efficiency of the metal oxide film 202 from decreasing. .
【0039】また、この温度が650℃を超えると、金
属酸化膜202の膜厚、処理時間にもよるが、ウェハW
への入熱量が増大してサーマルバジェットの制限を越え
てしまい、下部電極層200中にドープされている不純
物の不都合な拡散が生じるおそれがある。よって、ウェ
ハWの加熱温度が650℃を超えると、チャンバ11内
の圧力及び加熱処理時間による反応制御が困難となり易
い。If this temperature exceeds 650 ° C., the wafer W will depend on the thickness of the metal oxide film 202 and the processing time.
The amount of heat input into the lower electrode layer 200 may exceed the limit of the thermal budget, resulting in inconvenient diffusion of impurities doped in the lower electrode layer 200. Therefore, when the heating temperature of the wafer W exceeds 650 ° C., it becomes difficult to control the reaction by the pressure in the chamber 11 and the heat treatment time.
【0040】また、ステップS53におけるチャンバ1
1内の圧力すなわちウェハWの周囲の圧力としては、好
ましくは66kPa〜102kPa(500〜760T
orr)、より好ましくは80kPa〜102kPa
(600〜760Torr)とする。この圧力が66k
Pa未満であると、金属酸化膜202の酸化反応が十分
に進行しない傾向にある。一方、この圧力が102kP
a(大気圧)を超えると、ガス排気系18に加えて、チ
ャンバ11内に加圧系を設ける必要があり、装置構成が
複雑化すると共に取扱性及び制御性が低下し得る。Further, the chamber 1 in step S53
The pressure inside 1 or the pressure around the wafer W is preferably 66 kPa to 102 kPa (500 to 760 T).
orr), more preferably 80 kPa to 102 kPa
(600 to 760 Torr). This pressure is 66k
If it is less than Pa, the oxidation reaction of the metal oxide film 202 tends not to proceed sufficiently. On the other hand, this pressure is 102 kP
When the pressure exceeds a (atmospheric pressure), it is necessary to provide a pressurizing system in the chamber 11 in addition to the gas exhaust system 18, which complicates the apparatus configuration and lowers handleability and controllability.
【0041】また、ウェハWの加熱温度を上述した好適
な温度範囲としても、金属酸化膜202の厚さが極めて
薄い場合には、バリア層201や下部電極層200の酸
化が懸念される。これに対し、例えば、金属酸化膜の成
膜条件、種類、膜厚、その他の成膜条件といったプロセ
スパラメータに対して、バリア層201や下部電極層2
00への酸化因子たる活性種の拡散が顕著とならない温
度、圧力、処理時間の条件を予め求めておく。そして、
ステップS53では、実際に成膜した金属酸化膜202
の種類、膜厚等に応じて、ウェハWの加熱温度、チャン
バ11内圧力、及び処理時間を適宜制御することが望ま
しい。Further, even if the heating temperature of the wafer W is set to the above-mentioned suitable temperature range, if the thickness of the metal oxide film 202 is extremely thin, the barrier layer 201 and the lower electrode layer 200 may be oxidized. On the other hand, for example, the barrier layer 201 and the lower electrode layer 2 with respect to the process parameters such as the film forming conditions, the type, the film thickness, and other film forming conditions of the metal oxide film
The conditions of temperature, pressure, and processing time at which the diffusion of the active species, which is an oxidizing factor, into O.O. And
In step S53, the actually formed metal oxide film 202
It is desirable to appropriately control the heating temperature of the wafer W, the internal pressure of the chamber 11, and the processing time according to the type, the film thickness, and the like.
【0042】次いで、所定時間経過した後、水蒸気供給
源16aからの水蒸気の供給を停止し、ガスGとしてO
2ガスのみをチャンバ11内に供給する。また、加熱ラ
ンプ部14によるランプ加熱は熱出力を更に高めて引き
続き実施する。金属酸化膜204は、ステップS53に
おいて十分な酸化処理が施されて形成されたものであ
り、非晶質性を有している。このように結晶化度が低い
状態では、材料本来の高誘電率が発現され難い。Then, after a lapse of a predetermined time, the supply of steam from the steam supply source 16a is stopped and the gas G
Only 2 gases are supplied into the chamber 11. Further, the lamp heating by the heating lamp unit 14 is further carried out by further increasing the heat output. The metal oxide film 204 is formed by being sufficiently oxidized in step S53 and has an amorphous property. In such a low crystallinity state, the high dielectric constant inherent in the material is difficult to develop.
【0043】そこで、O2雰囲気下でのランプ加熱によ
るRTA処理により、金属酸化膜204が十分にアニー
ルされてTa2O5の結晶化が促進され、本来固有の高誘
電率を発現し得る金属酸化膜206(第3の膜、絶縁体
膜)が形成される(ステップS54、第3の工程;図3
(E)参照)。そして、実質的には、この金属酸化膜2
04とその下地層であるバリア層201とから誘電体層
20が構成される。Therefore, by RTA treatment by lamp heating in an O 2 atmosphere, the metal oxide film 204 is sufficiently annealed to promote crystallization of Ta 2 O 5 , and a metal that can exhibit an inherently high dielectric constant. The oxide film 206 (third film, insulator film) is formed (step S54, third step; FIG. 3).
(See (E)). And, substantially, this metal oxide film 2
The dielectric layer 20 is composed of 04 and the barrier layer 201 which is the underlying layer.
【0044】ここで、ステップS54におけるウェハW
の加熱温度としては、好ましくは700℃以上、より好
ましくは750〜850℃とする。この温度が700℃
未満となると、金属酸化膜204の結晶化が十分に進行
しない傾向にある。また、800℃以上とすれば、結晶
化を一層促進できるが、ウェハWへの入熱量を軽減して
デバイス特性への熱影響を排除する点、及び、入熱によ
る反りや撓み等のウェハWの形状変化を防止する観点か
ら、上記上限温度以下とすると有用である。Here, the wafer W in step S54
The heating temperature is preferably 700 ° C. or higher, more preferably 750 to 850 ° C. This temperature is 700 ℃
If it is less than the range, crystallization of the metal oxide film 204 tends not to proceed sufficiently. Further, if the temperature is 800 ° C. or higher, crystallization can be further promoted, but the amount of heat input to the wafer W is reduced to eliminate the thermal influence on the device characteristics, and the wafer W is not warped or bent due to heat input. From the viewpoint of preventing the change in shape, it is useful to set the temperature below the upper limit temperature.
【0045】また、ステップS54では、スパイクアニ
ールによる急熱・急冷を行うとより好適である。この場
合、例えば、100〜150℃/secで昇温(ランプ
アップ)し、50〜90℃/secで降温(ランプダウ
ン)するといった処理条件を採用できる。スパイクアニ
ールを行う場合、金属酸化膜204の結晶化が瞬時に進
行する傾向にある。よって、加熱時間を過度に長くする
と、バリア層201が酸化されてSiNO膜、SiO
膜、SiO2膜等の酸化膜が生成し、更には下部電極層
200の界面部も酸化されるおそれがある。Further, in step S54, it is more preferable to perform rapid heating / cooling by spike annealing. In this case, for example, processing conditions such that the temperature is raised (ramp up) at 100 to 150 ° C./sec and the temperature is lowered (ramp down) at 50 to 90 ° C./sec can be adopted. When spike annealing is performed, crystallization of the metal oxide film 204 tends to proceed instantaneously. Therefore, if the heating time is excessively lengthened, the barrier layer 201 is oxidized and the SiNO film, SiO
There is a possibility that an oxide film such as a film or a SiO 2 film is generated, and that the interface portion of the lower electrode layer 200 is also oxidized.
【0046】このような酸化膜の誘電率は3.5〜4程
度であり、Taの誘電率やバリア層201の誘電率に比
してかなり小さいため、最終的に形成される誘電体層2
0の実効誘電率が顕著に低下するおそれがある。したが
って、急冷により、ウェハWを必要以上に加熱すること
を防止すると有用である。The dielectric constant of such an oxide film is about 3.5 to 4, which is considerably smaller than the dielectric constant of Ta and the dielectric constant of the barrier layer 201, and thus the dielectric layer 2 to be finally formed.
The effective dielectric constant of 0 may be significantly reduced. Therefore, it is useful to prevent the wafer W from being heated more than necessary due to the rapid cooling.
【0047】次いで、所定時間経過した後、ウェハWの
回転を停止させると共に、加熱ランプ部14の熱出力を
所定のウェハ搬出温度となるように調整する。また、ガ
ス供給系16及びガス排気系18の運転を停止する。そ
の後、このウェハWをCVDチャンバへ移送する(ステ
ップS55)。このように、ステップS51〜S55か
ら本発明の絶縁体膜の形成方法に係る一実施形態である
誘電体層20の形成工程(ステップS5)が構成されて
いる。Then, after a lapse of a predetermined time, the rotation of the wafer W is stopped and the heat output of the heating lamp section 14 is adjusted to a predetermined wafer unloading temperature. Further, the operation of the gas supply system 16 and the gas exhaust system 18 is stopped. Then, the wafer W is transferred to the CVD chamber (step S55). Thus, the steps of forming the dielectric layer 20 (step S5), which is an embodiment of the method for forming an insulating film according to the present invention, are constituted from steps S51 to S55.
【0048】さらに、移送先のCVDチャンバでは、金
属酸化膜206上に、CVD法によりTiN膜を成膜
し、必要に応じて熱処理、プラズマ処理等を施して上部
電極層207(第2電極層)を形成することにより、M
IS型のキャパシタ部材2を得る(ステップS6、第2
電極層形成工程;図3(F)参照)。なお、図4には、
図3(F)に相当するキャパシタ部材2のより詳しい断
面形状を参考に示す。Further, in the transfer destination CVD chamber, a TiN film is formed on the metal oxide film 206 by the CVD method, and if necessary, heat treatment, plasma treatment or the like is performed to carry out the upper electrode layer 207 (second electrode layer). ) To form M
An IS type capacitor member 2 is obtained (step S6, second
Electrode layer forming step; see FIG. 3 (F). In addition, in FIG.
A more detailed sectional shape of the capacitor member 2 corresponding to FIG.
【0049】このような本発明の絶縁体膜の形成方法及
びそれを用いたキャパシタ部材の製造方法によれば、金
属酸化膜202の酸化処理であるステップS53を、ウ
ェット酸化を組合わせた急速加熱処理によって行うの
で、その後に実施する金属酸化膜204のアニール処理
であるステップS54を、ステップS53と同一のチャ
ンバ11内で引き続き実施できる。したがって、従来の
例えばO2酸化又はUV−O3酸化を実施したのち、加熱
炉等でアニール処理する場合に比して、その間のウェハ
移送工程を省略できる。According to such an insulating film forming method of the present invention and a capacitor member manufacturing method using the same, step S53, which is an oxidation treatment of the metal oxide film 202, is subjected to rapid heating combined with wet oxidation. Since the process is performed by the process, step S54, which is the subsequent annealing process of the metal oxide film 204, can be continuously performed in the same chamber 11 as in step S53. Therefore, as compared with the case of performing the conventional O 2 oxidation or UV-O 3 oxidation and then performing the annealing treatment in a heating furnace or the like, the wafer transfer process during that period can be omitted.
【0050】また、ステップS53,S54は、同一チ
ャンバ11内で連続して実施できるので、言わば一つの
工程とみなすことができ、この点においても工程数の低
減を実現できる。よって、工程の簡素化を実現できると
共に、ウェハWの搬送頻度が低減されるので、キャパシ
タ部材2の生産性を向上できる。さらに、装置構成とし
て、従来のリモートプラズマによるO2酸化又はUV−
O3酸化で必要であった高周波(RF)発生器、O3発生
器等が不要である。よって、装置構成をも簡略化して経
済性を向上できる。Further, since steps S53 and S54 can be continuously carried out in the same chamber 11, they can be regarded as one process, so to speak, and also in this respect, the number of processes can be reduced. Therefore, the simplification of the process can be realized, and the frequency of carrying the wafer W is reduced, so that the productivity of the capacitor member 2 can be improved. Furthermore, as the device configuration, O 2 oxidation by a conventional remote plasma or UV-
The radio frequency (RF) generator, O 3 generator, etc., which were required for O 3 oxidation, are unnecessary. Therefore, the device configuration can be simplified and the economical efficiency can be improved.
【0051】また、ステップS53において水蒸気をウ
ェハW上に供給し、加熱により生じた活性種の拡散によ
るウェット酸化を用いるので、金属酸化膜202の酸化
反応の効率を格段に高めることができる。よって、金属
酸化膜204の膜厚をより厚くすることが要求される場
合にも、一工程で酸化処理が可能となるので、この際の
生産性、及び、耐圧性といった特性の低下を十分に防止
することができる。Further, in step S53, water vapor is supplied onto the wafer W, and wet oxidation by diffusion of active species generated by heating is used, so that the efficiency of the oxidation reaction of the metal oxide film 202 can be significantly improved. Therefore, even when the film thickness of the metal oxide film 204 is required to be thicker, the oxidation treatment can be performed in one step, so that the productivity and the pressure resistance can be sufficiently reduced in this case. Can be prevented.
【0052】さらに、このように酸化速度(効率)の大
きなウェット酸化を用いると、下地層であるバリア層2
01や下部電極層200が酸化されるおそれがあるのに
対し、本発明によれば、金属酸化膜202の種類、膜厚
等に応じて、バリア層201や下部電極層200への酸
化因子たる活性種の拡散が顕著とならないように、チャ
ンバ11内のウェハW周囲の圧力、ウェハWの加熱温
度、又はその処理時間、或いは、それらの組合わせて制
御する。Further, when wet oxidation having a high oxidation rate (efficiency) is used as described above, the barrier layer 2 as an underlayer is used.
01 or the lower electrode layer 200 may be oxidized, whereas according to the present invention, it may be an oxidation factor for the barrier layer 201 or the lower electrode layer 200, depending on the type and thickness of the metal oxide film 202. The pressure around the wafer W in the chamber 11, the heating temperature of the wafer W, the processing time thereof, or a combination thereof is controlled so that the diffusion of the active species is not significant.
【0053】よって、金属酸化膜202に対する高い酸
化速度を維持しつつ、バリア層201や下部電極層20
0の酸化を十分に防止でき、誘電体層20の実効誘電率
の低下を抑えることができる。しかも、金属酸化膜20
6においてTa固有の誘電率が発現されるので、誘電体
層20の実効誘電率が格別に高められたキャパシタ部材
2を得ることができる。よって、かかるキャパシタ部材
2は、DRAM、RF−CMOS、リニアキャパシタを
はじめ、他の高誘電体膜用途に非常に有用なものであ
る。Therefore, the barrier layer 201 and the lower electrode layer 20 are maintained while maintaining a high oxidation rate for the metal oxide film 202.
Oxidation of 0 can be sufficiently prevented, and a decrease in the effective dielectric constant of the dielectric layer 20 can be suppressed. Moreover, the metal oxide film 20
Since the dielectric constant specific to Ta is developed in 6, it is possible to obtain the capacitor member 2 in which the effective dielectric constant of the dielectric layer 20 is remarkably increased. Therefore, the capacitor member 2 is very useful for other high dielectric film applications such as DRAM, RF-CMOS, and linear capacitor.
【0054】さらにまた、ステップS53においては、
外部燃焼によって生じせしめた水蒸気をその形態でウェ
ハW上に供給するので、ウェハWが、還元性を有する燃
焼原料のH2ガスに曝されることがない。よって、金属
酸化膜202の酸化反応が阻害されることを防止できる
利点がある。Furthermore, in step S53,
Since the water vapor generated by the external combustion is supplied onto the wafer W in that form, the wafer W is not exposed to H 2 gas which is a combustion raw material having a reducing property. Therefore, there is an advantage that the inhibition of the oxidation reaction of the metal oxide film 202 can be prevented.
【0055】加えて、下部電極層200としてHSG膜
等を用いているので、図4に示す如く、誘電体層20の
電極界面における表面積がHSG膜としない場合に比し
て大幅に増大している。よって、上記式(1)で表され
る関係における面積Aが十分に大きくなり、実効誘電率
を増大できることと相俟って、キャパシタ部材2の容量
を更に増大することができる。In addition, since the HSG film or the like is used as the lower electrode layer 200, as shown in FIG. 4, the surface area of the dielectric layer 20 at the electrode interface is significantly increased as compared with the case where the HSG film is not used. There is. Therefore, the area A in the relationship represented by the above formula (1) becomes sufficiently large, and the effective dielectric constant can be increased, so that the capacitance of the capacitor member 2 can be further increased.
【0056】なお、本発明は、上述した実施形態に限定
されるものではなく、例えば、キャパシタ部材2は、M
IS構造に限られず、SIS構造、MIM構造を有する
ものでもよい。後者の場合、例えば、下部電極層として
ルテニウム(Ru)、白金(Pt)等の金属をCVD法
又はPVD法で形成し、その上に、本発明による絶縁体
膜の形成方法によって誘電体層20を形成せしめ(バリ
ア層203を省略し金属酸化膜206のみでもよい)、
更にその上に上部電極としてRu、Pt等の金属をCV
D法又はPVD法で形成するといった方法を実施でき
る。The present invention is not limited to the above-described embodiment, and for example, the capacitor member 2 is M
The structure is not limited to the IS structure and may have a SIS structure or an MIM structure. In the latter case, for example, a metal such as ruthenium (Ru) or platinum (Pt) is formed as the lower electrode layer by the CVD method or the PVD method, and the dielectric layer 20 is formed thereon by the insulating film forming method according to the present invention. (The barrier layer 203 may be omitted and only the metal oxide film 206 may be formed).
On top of that, a metal such as Ru or Pt is CV as an upper electrode.
A method such as the D method or the PVD method can be performed.
【0057】また、バリア層201上に成膜する第1の
膜は、PVD法等によって形成した金属膜(Ta膜)で
もよい。さらに、第1の膜としてSi膜、SiN膜等を
成膜し、これにステップS53,S54を実施して酸化
及び結晶化を行い、金属としてSiを含む絶縁体膜を形
成してもよい。またさらに、本発明により得られる絶縁
体膜の用途(デバイスアプリケーション)は、その誘電
体としての機能を用いるキャパシタに限られず、例えば
抵抗(体)、他の絶縁膜等に用いることができる。The first film formed on the barrier layer 201 may be a metal film (Ta film) formed by the PVD method or the like. Furthermore, a Si film, a SiN film, or the like may be formed as the first film, and steps S53 and S54 may be performed on the first film to oxidize and crystallize, thereby forming an insulator film containing Si as a metal. Furthermore, the use (device application) of the insulating film obtained by the present invention is not limited to the capacitor that uses the function of the dielectric, but can be used for, for example, a resistor (body) or another insulating film.
【0058】さらにまた、ウェハW上への水蒸気の供給
方式は、外部燃焼法に限られず、ウェハWの近傍又は直
上で水蒸気を発生させても構わないが、ウェハW上へH
2ガスが供給され難い或いは供給されるおそれが少ない
点で外部燃焼法が好ましい。さらにまた、ステップS5
3における水蒸気とO2ガスとの混合割合は、特に限定
されず、適宜設定することができ、場合によっては、O
2ガスを導入しなくてもよい。加えて、HSG膜の代り
に、いわゆるRugged Polysiliconから成る膜を用いても
好適である。Furthermore, the method of supplying water vapor onto the wafer W is not limited to the external combustion method, and water vapor may be generated in the vicinity of or immediately above the wafer W.
The external combustion method is preferable because it is difficult or unlikely to supply 2 gas. Furthermore, step S5
The mixing ratio of water vapor and O 2 gas in 3 is not particularly limited and can be appropriately set.
It is not necessary to introduce 2 gases. In addition, a film made of so-called Rugged Polysilicon may be used instead of the HSG film.
【0059】[0059]
【発明の効果】以上説明したように、本発明の絶縁体膜
の形成方法、及び、キャパシタ部材の製造方法によれ
ば、工程を簡素化し且つ部材の搬送頻度を低減して生産
性を向上できると共に、厚膜の絶縁体膜を形成する際に
も生産性の低下を防止することが可能となる。As described above, according to the method for forming an insulator film and the method for manufacturing a capacitor member of the present invention, the process can be simplified and the frequency of transferring the member can be reduced to improve the productivity. At the same time, it is possible to prevent a decrease in productivity even when forming a thick insulator film.
【図1】本発明による絶縁体膜の形成方法を用いた本発
明のキャパシタ部材の製造方法に係る好適な一実施形態
の手順を示すフロー図である。FIG. 1 is a flow chart showing a procedure of a preferred embodiment relating to a method of manufacturing a capacitor member of the present invention using an insulating film forming method of the present invention.
【図2】図1に示すフローの一部を実施するための処理
装置の一例を示す摸式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a processing device for carrying out a part of the flow shown in FIG.
【図3】図3(A)〜(F)は、図1に示す手順に従っ
てキャパシタ部材を製造している状態を模式的に示す工
程図である。3A to 3F are process diagrams schematically showing a state in which a capacitor member is manufactured according to the procedure shown in FIG.
【図4】図3(F)に相当するキャパシタ部材のより詳
しい断面形状を示す参考図である。FIG. 4 is a reference diagram showing a more detailed cross-sectional shape of a capacitor member corresponding to FIG.
2…キャパシタ部材、10…処理装置、11…チャン
バ、14…加熱ランプ部、16…ガス供給系、18…ガ
ス排気系、20…誘電体層、200…下部電極層(第1
電極層)、201…バリア層、202…金属酸化膜(第
1の膜)、204…金属酸化膜(第2の膜)、206…
金属酸化膜(第3の膜、絶縁体膜)、207…上部電極
層(第2電極層)、G…ガス、W…ウェハ(基体)。2 ... Capacitor member, 10 ... Processing device, 11 ... Chamber, 14 ... Heating lamp part, 16 ... Gas supply system, 18 ... Gas exhaust system, 20 ... Dielectric layer, 200 ... Lower electrode layer (first
Electrode layer), 201 ... Barrier layer, 202 ... Metal oxide film (first film), 204 ... Metal oxide film (second film), 206 ...
Metal oxide film (third film, insulator film), 207 ... Upper electrode layer (second electrode layer), G ... Gas, W ... Wafer (base).
フロントページの続き (72)発明者 細田 恵三 千葉県成田市新泉14−3野毛平工業団地内 アプライド マテリアルズ ジャパン 株式会社内 Fターム(参考) 5F038 AC05 AC16 AC18 EZ16 EZ17 EZ20 5F058 BA11 BD01 BD05 BD10 BH02 BH03 BJ02 Continued front page (72) Inventor Keizo Hosoda 14-3 Shinsen, Narita-shi, Chiba Nogedaira Industrial Park Applied Materials Japan Within the corporation F-term (reference) 5F038 AC05 AC16 AC18 EZ16 EZ17 EZ20 5F058 BA11 BD01 BD05 BD10 BH02 BH03 BJ02
Claims (7)
成せしめる方法であって、 前記基体上に金属原子を含む第1の膜を形成する第1の
工程と、 前記第1の膜を有する基体上に水蒸気(H2O)を含む
ガスを供給しつつ、該基体を加熱して該第1の膜を第2
の膜へと改質する第2の工程と、 前記第2の膜を有する基体上に酸素(O2)ガスを供給
しつつ、該基体を加熱して該第2の膜を第3の膜へと改
質する第3の工程と、を備える絶縁体膜の形成方法。1. A method of forming an insulator film containing a metal oxide on a substrate, comprising: a first step of forming a first film containing metal atoms on the substrate; and the first film. While supplying a gas containing water vapor (H 2 O) onto the substrate having the above, the substrate is heated to form the second film on the first film.
And a second step of modifying the second film to a third film while supplying oxygen (O 2 ) gas onto the substrate having the second film. And a third step of reforming into an insulating film.
種類、膜厚、又は、該第1の膜の成膜条件に応じて、前
記基体の周囲の圧力、該基体の加熱温度、又は該基体の
処理時間を制御する、請求項1記載の絶縁体膜の形成方
法。2. In the second step, depending on the type and thickness of the first film, or the film forming conditions of the first film, the pressure around the substrate and the heating temperature of the substrate. Or the method for forming an insulator film according to claim 1, wherein the processing time of the substrate is controlled.
周囲の圧力を66kPa〜102kPaとする、請求項
1又は2に記載の絶縁体膜の形成方法。3. The method for forming an insulator film according to claim 1, wherein in the second step, the pressure around the substrate is set to 66 kPa to 102 kPa.
加熱温度を650℃以下とし、 前記第3の工程においては、前記基体の加熱温度を70
0℃以上とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の
絶縁体膜の形成方法。4. The heating temperature of the substrate is 650 ° C. or lower in the second step, and the heating temperature of the substrate is 70 ° C. in the third step.
The method for forming an insulator film according to claim 1, wherein the temperature is 0 ° C. or higher.
子としてタンタル原子を含む前記第1の膜を形成する、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の絶縁体膜の形成方
法。5. In the first step, the first film containing tantalum atoms as the metal atoms is formed.
The method for forming an insulator film according to claim 1.
層形成工程と、 前記第1電極層上に、請求項1〜5のいずれか一項に記
載の絶縁体膜の形成方法により絶縁体膜を成膜して該絶
縁体膜を含む誘電体層を形成する誘電体層形成工程と、 前記誘電体層上に第2電極層を形成する第2電極層形成
工程と、を備えるキャパシタ部材の製造方法。6. A first electrode layer forming step of forming a first electrode layer on a substrate, and a method of forming an insulator film according to claim 1 on the first electrode layer. A dielectric layer forming step of forming an insulating film by forming a dielectric layer including the insulating film, and a second electrode layer forming step of forming a second electrode layer on the dielectric layer. A method for manufacturing a provided capacitor member.
バリア層を形成するバリア層形成工程を更に備える、請
求項6記載のキャパシタ部材の製造方法。7. The method of manufacturing a capacitor member according to claim 6, further comprising a barrier layer forming step of forming a barrier layer between the first electrode layer and the dielectric layer.
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- 2001-07-30 JP JP2001230405A patent/JP2003059921A/en not_active Withdrawn
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