JPH10229080A - Processing method of oxide, deposition method of amorphous oxide film and amorphous tantalun oxide film - Google Patents
Processing method of oxide, deposition method of amorphous oxide film and amorphous tantalun oxide filmInfo
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- JPH10229080A JPH10229080A JP9264485A JP26448597A JPH10229080A JP H10229080 A JPH10229080 A JP H10229080A JP 9264485 A JP9264485 A JP 9264485A JP 26448597 A JP26448597 A JP 26448597A JP H10229080 A JPH10229080 A JP H10229080A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、酸化物の処理方
法、アモルファス酸化膜の形成方法およびアモルファス
酸化タンタル膜に関し、例えば、半導体デバイスにおけ
る容量素子(キャパシタ)の誘電体膜として用いられる
酸化膜の膜質の改善に適用して好適なものである。The present invention relates to a method of treating an oxide, a method of forming an amorphous oxide film, and an amorphous tantalum oxide film. For example, the present invention relates to a method of forming an oxide film used as a dielectric film of a capacitor in a semiconductor device. It is suitable for application to improvement of film quality.
【0002】[0002]
【従来の技術】超高集積半導体デバイスにおいては、キ
ャパシタの誘電体膜として用いられる酸化膜や微細配線
を形成するための層間絶縁膜などの絶縁性が、デバイス
を実用化する上で一つのネックになっている。特に、高
容量のキャパシタを得るために必要な高誘電酸化膜の場
合、従来は100nm前後の膜厚の比較的厚い膜を形成
していたが、最近では10nm前後の膜厚の極薄膜を形
成しなければならない時代になったため、その絶縁性を
向上させることは、非常に重要な課題になっている。2. Description of the Related Art In ultra-highly integrated semiconductor devices, insulation properties such as an oxide film used as a dielectric film of a capacitor and an interlayer insulating film for forming fine wiring are one of the bottlenecks in practical use of the device. It has become. In particular, in the case of a high dielectric oxide film necessary for obtaining a high-capacity capacitor, a relatively thick film having a thickness of about 100 nm has been conventionally formed, but an ultra-thin film having a thickness of about 10 nm has recently been formed. In the era when it is necessary to improve the insulating property, it has become a very important issue.
【0003】酸化膜の絶縁性を向上させるための従来の
技術は、次の二つの方法に大別される。いずれも、酸化
膜中に酸素を導入することにより膜中の酸素欠陥(酸素
欠損による欠陥)をなくす方法である。Conventional techniques for improving the insulating property of an oxide film are roughly classified into the following two methods. In either case, oxygen deficiency (defect due to oxygen deficiency) in the film is eliminated by introducing oxygen into the oxide film.
【0004】第1の方法は、酸化膜成膜時に酸素を導入
する方法であり、酸化膜を成膜しながら、活性化酸素を
酸化膜中に供給する。The first method is a method in which oxygen is introduced during the formation of an oxide film, in which activated oxygen is supplied into the oxide film while forming the oxide film.
【0005】第2の方法は、酸化膜成膜後に酸素雰囲気
中でアニールを行う方法であり、これはさらに、酸素プ
ラズマ雰囲気中でアニールを行い、酸素プラズマにより
生成される活性化酸素を酸化膜中に供給する方法と、ド
ライ酸素雰囲気中で高温アニールを行う方法とに分けら
れる。A second method is to perform annealing in an oxygen atmosphere after forming an oxide film. In this method, annealing is further performed in an oxygen plasma atmosphere so that activated oxygen generated by oxygen plasma is removed from the oxide film. The method can be divided into a method of supplying into the inside and a method of performing high-temperature annealing in a dry oxygen atmosphere.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、第1の
方法は、酸化膜中への活性化酸素の均一な供給がかなり
難しく、特に、大量生産向きの大型基板上に酸化膜を成
膜する場合には適していない。However, in the first method, it is extremely difficult to uniformly supply activated oxygen into the oxide film. Particularly, when the oxide film is formed on a large-sized substrate suitable for mass production. Not suitable for
【0007】また、第2の方法のうち、酸素プラズマ雰
囲気中でアニールを行う方法では、酸素プラズマを真空
中で発生させるため、酸素プラズマにより生成される活
性化酸素の濃度がかなり低く、絶縁性の向上の効果が少
ない。さらに、酸素プラズマによる酸化膜のスパッタリ
ング効果によりその表面荒れが生じたり、酸素プラズマ
によるチャンバー内壁からのクロスコンタミネーション
が発生したりする問題がある。また、第2の方法のう
ち、ドライ酸素雰囲気中で高温アニールを行う方法で
は、酸素ガスが活性化されないことから、酸化膜中への
酸素の供給のためには、高温での熱拡散プロセスが必要
である。この高温プロセスは、半導体プロセスにおい
て、酸化膜の構成元素と基板(特に、Si基板)の構成
元素との拡散による酸化膜の組成ずれなどの問題を生じ
やすい。In the second method of performing annealing in an oxygen plasma atmosphere, the oxygen plasma is generated in a vacuum, so that the concentration of activated oxygen generated by the oxygen plasma is considerably low. The effect of improvement is small. Further, there is a problem that the surface of the oxide film is roughened due to the sputtering effect of the oxide film due to the oxygen plasma, and cross contamination from the inner wall of the chamber is caused by the oxygen plasma. In the second method of performing high-temperature annealing in a dry oxygen atmosphere, since oxygen gas is not activated, a high-temperature thermal diffusion process is required to supply oxygen into the oxide film. is necessary. This high-temperature process tends to cause a problem such as a composition shift of the oxide film due to the diffusion of the constituent elements of the oxide film and the constituent elements of the substrate (particularly, the Si substrate) in the semiconductor process.
【0008】したがって、この発明の目的は、酸化物の
絶縁性を大幅に向上させることができ、しかも大量生産
に適し、処理中にクロスコンタミネーションやスパッタ
リング効果による表面荒れや組成ずれが生じない酸化物
の処理方法を提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to provide an oxide which can greatly improve the insulating properties of an oxide, is suitable for mass production, and does not cause surface roughness or composition deviation due to cross contamination or sputtering effect during processing. An object of the present invention is to provide a method of processing an object.
【0009】この発明の他の目的は、高誘電性および高
絶縁性を有し、均一な膜質のアモルファス酸化膜を形成
することができ、しかも大量生産に適し、処理中にクロ
スコンタミネーションやスパッタリング効果による表面
荒れや組成ずれが生じないアモルファス酸化膜の形成方
法を提供することにある。Another object of the present invention is to form an amorphous oxide film having a high dielectric property and a high insulating property and a uniform film quality, and suitable for mass production. An object of the present invention is to provide a method for forming an amorphous oxide film which does not cause surface roughness or composition deviation due to the effect.
【0010】この発明のさらに他の目的は、高誘電性お
よび高絶縁性を有し、しかも膜全体にわたって膜質が均
一なアモルファス酸化タンタル膜を提供することにあ
る。Still another object of the present invention is to provide an amorphous tantalum oxide film having a high dielectric property and a high insulating property and having a uniform film quality over the entire film.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の第1の発明による酸化物の処理方法
は、オゾンを含む雰囲気中において300〜500℃の
温度で熱処理を行うようにしたことを特徴とするもので
ある。In order to achieve the above object, a method for treating an oxide according to the first invention of the present invention is to perform a heat treatment at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone. It is characterized by having made it.
【0012】この第1の発明において、熱処理温度の下
限を300℃としているのは、熱処理温度が300℃よ
り低いと、酸化物中での酸素の拡散が不十分となり、酸
素欠陥低減による絶縁性向上の効果が少なくなり、好ま
しくないためであり、熱処理温度の上限を500℃とし
ているのは、熱処理温度が500℃よりも高いと、オゾ
ンの寿命が短くなって酸素欠陥低減による絶縁性向上の
効果が少なくなり、また、特に、処理すべき酸化物がア
モルファスである場合には結晶化(微結晶化)が進んで
リーク電流パスとなる粒界が発生し、絶縁性向上の効果
を減殺してしまい、好ましくないためである。In the first invention, the lower limit of the heat treatment temperature is set to 300 ° C. If the heat treatment temperature is lower than 300 ° C., the diffusion of oxygen in the oxide becomes insufficient and the insulating property due to the reduction of oxygen defects is reduced. The reason for the lowering of the heat treatment temperature is set to 500 ° C. because the effect of the improvement is reduced, which is not preferable. If the heat treatment temperature is higher than 500 ° C., the life of ozone is shortened, and the insulating property is improved by reducing oxygen defects. In particular, when the oxide to be treated is amorphous, crystallization (micro-crystallization) proceeds to generate a grain boundary serving as a leak current path, and the effect of improving the insulating property is reduced. It is because it is not preferable.
【0013】この第1の発明において、酸化物の絶縁性
向上の効果をより高くする観点からは、好適には、35
0〜450℃の温度で熱処理を行う。In the first aspect of the present invention, from the viewpoint of enhancing the effect of improving the insulating property of the oxide, preferably, 35
Heat treatment is performed at a temperature of 0 to 450 ° C.
【0014】この第1の発明において、熱処理の雰囲気
中のオゾンの濃度は、好適には、酸素に対するオゾンの
体積比で5〜20%である。ここで、この体積比の下限
を5%としているのは、酸化物の絶縁性向上の効果を十
分に得るためであり、上限を20%としているのは、オ
ゾンを使用する場合の安全性を確保するためである。In the first aspect, the concentration of ozone in the atmosphere for the heat treatment is preferably 5 to 20% by volume of ozone to oxygen. Here, the lower limit of the volume ratio is set to 5% in order to sufficiently obtain the effect of improving the insulating properties of the oxide, and the upper limit of 20% is set to reduce the safety when using ozone. This is to ensure.
【0015】この第1の発明において、熱処理は、典型
的には大気圧下で行うが、必要に応じて、減圧下で行う
ようにしてもよい。In the first invention, the heat treatment is typically performed under atmospheric pressure, but may be performed under reduced pressure if necessary.
【0016】この第1の発明においては、熱処理温度や
雰囲気中のオゾンの濃度などにもよるが、熱処理による
酸化膜の絶縁性の向上を十分に図るために、好適には、
熱処理を5〜60分間行う。In the first invention, although it depends on the heat treatment temperature and the concentration of ozone in the atmosphere, in order to sufficiently improve the insulating properties of the oxide film by the heat treatment,
Heat treatment is performed for 5 to 60 minutes.
【0017】この第1の発明において、熱処理は、典型
的には急速熱処理(rapid thermalannealing,RTA)
法により行うが、場合によっては、通常の熱処理炉を用
いた熱処理(furnace anneal) であってもよく、レーザ
光の照射による熱処理などであってもよい。In the first invention, the heat treatment is typically performed by rapid thermal annealing (RTA).
The heat treatment is performed by a method, but depending on the case, a heat treatment (furnace anneal) using a normal heat treatment furnace may be performed, or a heat treatment by laser light irradiation may be performed.
【0018】この第1の発明においては、オゾンの寿命
を長くし、また、オゾンの濃度を一定値に保持するた
め、好適には、少なくともその内壁が冷却されている処
理室内において熱処理を行う。この処理室の冷却は、水
冷、空冷、各種の冷媒を用いた冷却などのいずれの方法
により行ってもよい。In the first invention, in order to prolong the life of ozone and to maintain the concentration of ozone at a constant value, heat treatment is preferably performed in a processing chamber in which at least the inner wall is cooled. The cooling of the processing chamber may be performed by any method such as water cooling, air cooling, and cooling using various refrigerants.
【0019】この第1の発明は、高誘電体であると低誘
電体であるとを問わず、基本的にはどのような酸化物の
処理にも適用することができるものであるが、処理の対
象となる酸化物の具体例を挙げると、高誘電体として
は、五酸化タンタル(Ta2 O5 )およびそれに近い組
成を有する組成式Ta2 Ox (ただし、4.5≦x≦
5.5)で表されるアモルファスまたは結晶性の酸化タ
ンタル、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)、(Pb,
La)(Zr,Ti)O3 (PLZT)、SrTiO3
(STO)、(Ba,Sr)TiO3 (BST)、Ba
TiO3 (BTO)、PbTiO3 などのペロブスカイ
ト型結晶構造を有する酸化物に対応する組成を有するア
モルファスまたは結晶性の酸化物、CeO2 、Zr
O2 、Y安定化ZrO2 などの蛍石型結晶構造を有する
酸化物に対応する組成を有するアモルファスまたは結晶
性の酸化物などがある。さらに、処理の対象となる酸化
物は、低誘電体としては、熱酸化法により形成されたS
iO2 や、オゾンとテトラエトキシシランとを反応ガス
として用いた化学気相成長(CVD)法により成膜され
たSiO2 などが挙げられる。なお、アモルファスの酸
化物とは、〜数Åの大きさの微細なクラスターを含む酸
化物をいう。The first invention is basically applicable to any oxide treatment regardless of whether it is a high dielectric substance or a low dielectric substance. As specific examples of the oxides which are subject to the above, tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) and a composition formula Ta 2 O x having a composition close thereto, where 4.5 ≦ x ≦
5.5) amorphous or crystalline tantalum oxide, Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), (Pb,
La) (Zr, Ti) O 3 (PLZT), SrTiO 3
(STO), (Ba, Sr) TiO 3 (BST), Ba
An amorphous or crystalline oxide having a composition corresponding to an oxide having a perovskite crystal structure, such as TiO 3 (BTO), PbTiO 3 , CeO 2 , Zr
An amorphous or crystalline oxide having a composition corresponding to an oxide having a fluorite-type crystal structure such as O 2 or Y-stabilized ZrO 2 is given. Further, the oxide to be processed is a low dielectric material, which is formed by thermal oxidation.
iO 2 and, like SiO 2 and the like which are deposited by chemical vapor deposition using ozone and tetraethoxysilane as a reaction gas (CVD) method. Note that an amorphous oxide refers to an oxide containing fine clusters of up to several Å.
【0020】この発明の第2の発明によるアモルファス
酸化膜の形成方法は、アモルファス酸化膜を成膜した
後、オゾンを含む雰囲気中において300〜500℃の
温度でアモルファス酸化膜の熱処理を行うようにしたこ
とを特徴とするものである。A method of forming an amorphous oxide film according to a second aspect of the present invention is to perform a heat treatment of the amorphous oxide film at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone after forming the amorphous oxide film. It is characterized by having done.
【0021】この第2の発明において、アモルファス酸
化膜の成膜は、典型的には、500℃以下の温度で行わ
れる。また、このアモルファス酸化膜の成膜には、化学
気相成長(CVD)法のほか、スパッタリング法などの
物理気相成長(PVD)法が用いられる。後者のPVD
法を用いる場合、一般には、常温で成膜を行うのが望ま
しい。In the second invention, the formation of the amorphous oxide film is typically performed at a temperature of 500 ° C. or less. The amorphous oxide film is formed by a physical vapor deposition (PVD) method such as a sputtering method in addition to a chemical vapor deposition (CVD) method. The latter PVD
In the case of using the method, it is generally desirable to form a film at normal temperature.
【0022】この第2の発明において、オゾンを含む雰
囲気中における熱処理に関する事項は、第1の発明と同
様である。また、アモルファス酸化膜を構成する酸化物
も、第1の発明と同様である。In the second aspect, matters relating to the heat treatment in an atmosphere containing ozone are the same as those in the first aspect. Further, the oxide constituting the amorphous oxide film is the same as in the first invention.
【0023】この発明の第3の発明によるアモルファス
酸化タンタル膜は、組成式Ta2 Ox (ただし、4.5
≦x≦5.5)で表される酸化タンタルからなり、比誘
電率が20以上でかつ1.5×106 V/cmの電界を
印加したときのリーク電流密度が5×10-8A/cm2
以下であることを特徴とするものである。The amorphous tantalum oxide film according to the third aspect of the present invention has a compositional formula of Ta 2 O x (4.5
.Ltoreq.x.ltoreq.5.5), having a relative dielectric constant of 20 or more and a leakage current density of 5 × 10 −8 A when an electric field of 1.5 × 10 6 V / cm is applied. / Cm 2
It is characterized by the following.
【0024】この第3の発明において、Ta2 Ox にお
けるxは、典型的には4.5≦x≦5.0である。In the third invention, x in Ta 2 O x is typically 4.5 ≦ x ≦ 5.0.
【0025】この第3の発明によるアモルファス酸化タ
ンタル膜は、第2の発明によるアモルファス酸化膜の形
成方法を用いて容易に形成することができる。The amorphous tantalum oxide film according to the third invention can be easily formed by using the method for forming an amorphous oxide film according to the second invention.
【0026】上述のように構成された第1の発明によれ
ば、オゾンを含む雰囲気中において300〜500℃の
温度で熱処理を行うようにしていることにより、酸化物
中に活性化酸素を均一に供給して酸素欠陥を埋めること
ができ、それによって酸化膜の絶縁性を大幅に向上させ
ることができる。また、この場合、大型基板上に成膜さ
れた酸化膜にも均一に活性化酸素を供給することができ
るため、大量生産に適している。さらに、プラズマを使
用しないので、チャンバー内壁からのクロスコンタミネ
ーションやスパッタリング効果による表面荒れの問題が
ない。しかも、熱処理温度が500℃以下と低温である
ので、酸化物の組成ずれが起きない。According to the first aspect of the present invention, since the heat treatment is performed at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone, activated oxygen can be uniformly dispersed in the oxide. To fill the oxygen vacancies, thereby greatly improving the insulating properties of the oxide film. In this case, activated oxygen can be uniformly supplied to an oxide film formed over a large substrate, which is suitable for mass production. Furthermore, since plasma is not used, there is no problem of surface contamination due to cross contamination or sputtering effect from the inner wall of the chamber. In addition, since the heat treatment temperature is as low as 500 ° C. or less, no oxide composition deviation occurs.
【0027】ここで、熱処理の雰囲気中に含まれるオゾ
ンがなぜ、酸化物の絶縁性の向上に有効であるかについ
て説明する。Here, why ozone contained in the atmosphere of the heat treatment is effective for improving the insulating property of the oxide will be described.
【0028】オゾンは、通常、無声放電により酸素ガス
が次のように分解されることにより生成される。Ozone is usually generated by decomposing oxygen gas by silent discharge as follows.
【0029】 3O2 →2O3 (−68.2 cal/mol) (1) このオゾンは、酸化物の表面付近で、熱エネルギーによ
って、次式で示されるように、強力な酸化力を持つ活性
化酸素O(3p)と酸素(O2 )とに分解される。3O 2 → 2O 3 (−68.2 cal / mol) (1) This ozone is activated by a thermal energy near the oxide surface, as shown by the following formula, with a strong oxidizing power. It is decomposed into reduction of oxygen O and (3p) and oxygen (O 2).
【0030】 O3 →O(3p)+O2 (2) このようにして生成された活性化酸素O(3p)は、酸
化物の表面および酸化物中の酸素欠陥と結合してこの酸
素欠陥を埋める。それによって、電流リークの主たる原
因がなくなり、酸化物の絶縁性が向上する。O 3 → O (3p) + O 2 (2) The activated oxygen O (3p) thus generated combines with the oxygen vacancies on the surface of the oxide and in the oxide to remove the oxygen vacancies. fill in. Thereby, the main cause of the current leakage is eliminated, and the insulating property of the oxide is improved.
【0031】上述のように構成された第2の発明によれ
ば、アモルファス酸化膜を成膜した後、オゾンを含む雰
囲気中において300〜500℃の温度でアモルファス
酸化膜の熱処理を行うようにしているので、アモルファ
スであることにより膜全体にわたって均一な膜質を得る
ことができるとともに、アモルファスであるにもかかわ
らず高誘電性および高絶縁性を得ることができる。According to the second aspect of the present invention, after the amorphous oxide film is formed, the amorphous oxide film is heat-treated at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone. Therefore, uniform film quality can be obtained over the entire film by being amorphous, and high dielectric properties and high insulation properties can be obtained despite being amorphous.
【0032】上述のように構成された第3の発明によれ
ば、比誘電率が20以上でかつ1.5×106 V/cm
の電界を印加したときのリーク電流密度が5×10-8A
/cm2 以下であることにより高誘電性および高絶縁性
を有し、また、アモルファスであることにより膜全体に
わたって均一な膜質を得ることができる。According to the third aspect of the present invention, the relative dielectric constant is not less than 20 and 1.5 × 10 6 V / cm.
Leakage current density when applying an electric field of 5 × 10 −8 A
/ Cm 2 or less, it has high dielectric properties and high insulation properties, and because it is amorphous, uniform film quality can be obtained over the entire film.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0034】まず、以下の実施形態において用いるオゾ
ンアニール装置について説明する。図1はそのオゾンア
ニール装置の構成を示す。First, an ozone annealing apparatus used in the following embodiments will be described. FIG. 1 shows the configuration of the ozone annealing apparatus.
【0035】図1に示すように、このオゾンアニール装
置においては、オゾンアニールを行うべき基板1が入れ
られる例えば石英製のチャンバー2にオゾン発生器3が
接続され、このオゾン発生器3により発生されたオゾン
をチャンバー2内に流すことができるようになってい
る。なお、チャンバー2は、例えば8インチ径の基板1
を処理することができるように設計されている。チャン
バー2内においては、ヒータ(図示せず)上に、アニー
ルを行うべき基板1が載せられるようになっている。そ
して、この基板1は、RTA法により加熱可能になって
いる。また、チャンバー2には冷却管4が取り付けら
れ、この冷却管4に常時例えば水を流すことによりチャ
ンバー2の内壁およびオゾンガスの流れの経路付近を冷
却することができるようになっており、これによって、
オゾンの寿命を長くし、また、オゾン濃度を所望の値に
保持することができるようになっている。As shown in FIG. 1, in this ozone annealing apparatus, an ozone generator 3 is connected to a chamber 2 made of quartz, for example, in which a substrate 1 to be subjected to ozone annealing is placed. The ozone is allowed to flow into the chamber 2. The chamber 2 is made of, for example, an 8-inch diameter substrate 1.
It is designed to be able to handle. In the chamber 2, a substrate 1 to be annealed is placed on a heater (not shown). The substrate 1 can be heated by the RTA method. Further, a cooling pipe 4 is attached to the chamber 2, and the inner wall of the chamber 2 and the vicinity of the flow path of the ozone gas can be cooled by always flowing, for example, water through the cooling pipe 4. ,
The life of ozone is extended, and the ozone concentration can be maintained at a desired value.
【0036】次に、この発明の第1の実施形態について
説明する。この第1の実施形態においては、図2に示す
ように、まず、低抵抗のn+ 型Si基板11の表面を希
フッ酸などにより洗浄して自然酸化膜などを除去した
後、その表面をRTN(rapidthermal nitridation)法
により窒化して窒化層(以下「RTN層」という)12
を形成する。このRTN法による窒化は、例えば、アン
モニア(NH3 )ガス雰囲気中において850℃で60
秒間行う。このRTN層12の厚さは例えば2nmであ
る。次に、このRTN層12上に例えば減圧CVD(L
PCVD)法によりTa2 O5 膜13を成膜する。この
LPCVD法によるTa2 O5 膜13の成膜の条件の一
例を挙げると、ペンタエトキシタンタル(Ta(OC2
H5 )5 )の有機液体原料を用い、キャリアガスとして
はヘリウムガスを用い、成膜中の圧力は0.5Tor
r、成膜温度は400〜480℃、例えば450℃と
し、膜厚は10〜50nm、例えば35nmとし、成膜
速度は約10nm/minとする。また、Ta(OC2
H5 )5 の供給量は0.05〜0.10sccmとす
る。このようにして成膜されたTa2 O5 膜13の結晶
状態を電子線回折(制限視野回折)により調べたとこ
ろ、ハロー(halo)パターンが得られ、これよりこのT
a2 O5 膜13はアモルファスであることがわかった。
さらに、このTa2 O5膜13を薄膜X線回折によって
も調べたところ、何らの回折パターンも観測されなかっ
たことから、このことからもこのTa2 O5 膜13がア
モルファスであることが検証される。Next, a first embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, as shown in FIG. 2, first, the surface of a low-resistance n + -type Si substrate 11 is washed with dilute hydrofluoric acid to remove a natural oxide film and the like, and then the surface is removed. Nitriding layer (hereinafter referred to as “RTN layer”) by nitriding by RTN (rapid thermal nitridation) method 12
To form The nitridation by the RTN method is performed, for example, at 850 ° C. in an ammonia (NH 3 ) gas atmosphere.
Perform for seconds. The thickness of the RTN layer 12 is, for example, 2 nm. Next, on this RTN layer 12, for example, low pressure CVD (L
A Ta 2 O 5 film 13 is formed by a PCVD method. An example of conditions for forming the Ta 2 O 5 film 13 by the LPCVD method is pentaethoxy tantalum (Ta (OC 2
Using H 5) 5) organic liquid raw material, using a helium gas as a carrier gas, the pressure during film formation is 0.5Tor
r, the film forming temperature is 400 to 480 ° C., for example, 450 ° C., the film thickness is 10 to 50 nm, for example, 35 nm, and the film forming speed is about 10 nm / min. In addition, Ta (OC 2
H 5) supply amount of 5 to 0.05~0.10Sccm. When the crystal state of the Ta 2 O 5 film 13 thus formed was examined by electron beam diffraction (restricted field diffraction), a halo pattern was obtained.
The a 2 O 5 film 13 was found to be amorphous.
Further, when the Ta 2 O 5 film 13 was examined by thin-film X-ray diffraction, no diffraction pattern was observed. From this, it was verified that the Ta 2 O 5 film 13 was amorphous. Is done.
【0037】なお、n+ 型Si基板11上にRTN層1
2を形成してからTa2 O5 膜13を成膜するのは、n
+ 型Si基板11上にTa2 O5 膜13を直接成膜する
と、n+ 型Si基板11の表面にSiO2 膜(図示せ
ず)が形成されてTa2 O5 膜13との酸化膜全体の誘
電率が低下してしまうことから、これを防止するためで
ある。The RTN layer 1 is formed on the n + type Si substrate 11.
The formation of the Ta 2 O 5 film 13 after the formation of
When the Ta 2 O 5 film 13 is directly formed on the + type Si substrate 11, an SiO 2 film (not shown) is formed on the surface of the n + type Si substrate 11 and an oxide film with the Ta 2 O 5 film 13 is formed. This is to prevent the dielectric constant of the whole from lowering, thereby preventing this.
【0038】次に、このTa2 O5 膜13が形成された
n+ 型Si基板1を図1に示すオゾンアニール装置のチ
ャンバー2内のヒータ上に置いてRTA法によりアニー
ル温度に加熱しておき、大気圧下でオゾンガスを含む雰
囲気中においてアニール(以下「オゾンアニール」とい
う)を行う。ここで、このオゾンアニールの雰囲気中の
オゾン濃度はO3 /O2 比で5〜20体積%、アニール
温度は300〜500℃、アニール時間は5〜60分間
とする。このオゾンアニールを行った後のTa2 O5 膜
13の結晶状態を電子線回折により調べたところ、ハロ
ーパターンが得られたことから、このTa2 O5 膜13
はオゾンアニールを行った後においてもアモルファス状
態を維持していることが確認された。Next, the n + -type Si substrate 1 on which the Ta 2 O 5 film 13 is formed is placed on a heater in the chamber 2 of the ozone annealing apparatus shown in FIG. 1 and heated to an annealing temperature by the RTA method. Then, annealing (hereinafter referred to as "ozone annealing") is performed in an atmosphere containing ozone gas at atmospheric pressure. Here, the ozone concentration in the atmosphere of the ozone annealing is 5 to 20% by volume in an O 3 / O 2 ratio, the annealing temperature is 300 to 500 ° C., and the annealing time is 5 to 60 minutes. The crystalline state of the Ta 2 O 5 film 13 after the ozone annealing was examined by electron diffraction, since the halo pattern is obtained, the the Ta 2 O 5 film 13
It was confirmed that after the ozone annealing, the amorphous state was maintained.
【0039】この後、Ta2 O5 膜13上に、直径20
0〜800μmの穴が空いた金属製のマスク(いわゆる
メタルマスク)を用いて真空蒸着法により選択的にAl
膜を形成することによりAl電極14を形成する。After that, the Ta 2 O 5 film 13
Al is selectively formed by a vacuum deposition method using a metal mask (a so-called metal mask) having holes of 0 to 800 μm.
The Al electrode 14 is formed by forming a film.
【0040】以上により、n+ 型Si基板11からなる
下部電極と、その上にRTN層12を介して形成された
Ta2 O5 膜13と、その上のAl電極14からなる上
部電極とからなるMIS構造のキャパシタが形成され
る。As described above, the lower electrode composed of the n + -type Si substrate 11, the Ta 2 O 5 film 13 formed thereon via the RTN layer 12, and the upper electrode composed of the Al electrode 14 thereon A capacitor having a MIS structure is formed.
【0041】この第1の実施形態におけるオゾンアニー
ルによるTa2 O5 膜13の絶縁性向上の効果を確認す
るために、雰囲気中のO3 /O2 の濃度値を6〜7体積
%とし、アニール温度を400℃から450℃まで、ア
ニール時間を15分から60分までそれぞれ変えてオゾ
ンアニールを行った試料を作製し、それらの電気的特性
を調べた。電気的特性は、電流−電圧特性、容量−電圧
特性および容量−周波数特性の測定により調べた。In order to confirm the effect of improving the insulating property of the Ta 2 O 5 film 13 by the ozone annealing in the first embodiment, the O 3 / O 2 concentration value in the atmosphere was set to 6 to 7% by volume. Ozone annealing samples were manufactured by changing the annealing temperature from 400 ° C. to 450 ° C. and the annealing time from 15 minutes to 60 minutes, and their electrical characteristics were examined. The electrical characteristics were examined by measuring current-voltage characteristics, capacitance-voltage characteristics, and capacitance-frequency characteristics.
【0042】図3は、電流−電圧測定により得られたリ
ーク電流密度(J)−電界強度曲線を示す。Ta2 O5
膜13の膜厚は35nmである。図3中、aはTa2 O
5 膜13の成膜後に大気圧下において450℃で30分
間オゾンアニールを行った試料、bはTa2 O5 膜13
の成膜後に大気圧下において400℃で30分間オゾン
アニールを行った試料、cはTa2 O5 膜13の成膜後
に大気圧下において400℃で60分間オゾンアニール
を行った試料、dはTa2 O5 膜13の成膜後にオゾン
アニールを行わない試料についての測定結果である。FIG. 3 shows a leak current density (J) -electric field strength curve obtained by current-voltage measurement. Ta 2 O 5
The thickness of the film 13 is 35 nm. In FIG. 3, a is Ta 2 O
5 is a sample subjected to ozone annealing at 450 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure after the film 13 is formed, and b is a Ta 2 O 5 film 13
Is a sample subjected to ozone annealing at 400 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure after film formation, c is a sample subjected to ozone annealing at 400 ° C. for 60 minutes under atmospheric pressure after film formation of the Ta 2 O 5 film 13, and d is a sample This is a measurement result of a sample in which ozone annealing is not performed after the Ta 2 O 5 film 13 is formed.
【0043】図3からわかるように、成膜後にオゾンア
ニールを行わないTa2 O5 膜13(図3のd)は、1
MV/cmの電界強度で10-4A/cm2 以上のリーク
電流が流れてしまう非常に弱い絶縁性を持ち、Poole-Fr
enkel の振る舞いを見せながら破壊されるようになって
いる。これに対し、Ta2 O5 膜13の成膜後に大気圧
下において400〜450℃の温度範囲で30〜60分
間オゾンアニールを行った場合には、1MV/cmの電
界強度で10-8A/cm2 程度のリーク電流密度が得ら
れ、絶縁性の顕著な改善が見られた。これらの結果は、
400〜450℃の低温でも、オゾンアニールによりT
a2 O5 膜13の中の酸素欠陥を効果的に減らすことが
でき、かつ炭素などの不純物の濃度も減ったためと考え
られる。すでに述べたように、このメカニズムは、オゾ
ンアニール中にオゾンガスの熱分解により生じた活性化
酸素O(3p)がTa2 O5 膜13中の酸素欠陥と反応
することによるものと考えられる。As can be seen from FIG. 3, the Ta 2 O 5 film 13 not subjected to ozone annealing after film formation (FIG.
Poole-Fr has a very weak insulation property in which a leak current of 10 -4 A / cm 2 or more flows at an electric field strength of MV / cm.
It will be destroyed while showing the behavior of enkel. On the other hand, when ozone annealing is performed at a temperature of 400 to 450 ° C. for 30 to 60 minutes under the atmospheric pressure after the Ta 2 O 5 film 13 is formed, the electric field intensity of 1 MV / cm is 10 −8 A. / Cm 2 , and a remarkable improvement in insulation was observed. These results
Even at a low temperature of 400 to 450 ° C, T
It is considered that oxygen defects in the a 2 O 5 film 13 could be effectively reduced and the concentration of impurities such as carbon was also reduced. As described above, this mechanism is considered to be due to the fact that activated oxygen O (3p) generated by the thermal decomposition of ozone gas during ozone annealing reacts with oxygen vacancies in the Ta 2 O 5 film 13.
【0044】図4は、Ta2 O5 膜13の成膜後に大気
圧下において450℃で30分間オゾンアニールを行っ
た試料の電気的極性を示す。図4中、Al(+)はAl
電極14を正極とした場合、Al(−)はAl電極14
を負極とした場合を示す。図4からわかるように、Al
電極14とn+ 型Si基板11との間に印加した全電界
強度範囲において、Al(+)よりAl(−)の方が小
さいリーク電流密度が測定され、1MV/cmの電界強
度で約5×10-9A/cm2 のリーク電流密度が得られ
た。MIS構造におけるこの極性の存在は、Al電極1
4に負のバイアス電圧を印加したときのn+ 型Si基板
11の表面の空乏化に起因していると考えられる。FIG. 4 shows the electrical polarity of the sample which was subjected to ozone annealing at 450 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure after the Ta 2 O 5 film 13 was formed. In FIG. 4, Al (+) is Al
When the electrode 14 is a positive electrode, Al (−) is the Al electrode 14
Shows the case where is a negative electrode. As can be seen from FIG.
In the entire electric field intensity range applied between the electrode 14 and the n + -type Si substrate 11, the leak current density of Al (−) was measured to be smaller than that of Al (+). A leakage current density of × 10 −9 A / cm 2 was obtained. The presence of this polarity in the MIS structure is due to the Al electrode 1
It is considered that this is caused by depletion of the surface of the n + -type Si substrate 11 when a negative bias voltage is applied to No. 4.
【0045】図5は、オゾンアニール前後におけるTa
2 O5 膜13の電流−電圧特性の測定により得られた、
印加電界強度が1MV/cmのときのリーク電流密度
(J)および抵抗率(ρ)の変化を示す。オゾンアニー
ルは、大気圧下において400℃で30分間行った。図
5からわかるように、オゾンアニールにより、オゾンア
ニールを行わないTa2 O5 膜13のリーク電流密度に
比べて3桁以上リーク電流密度を低減することができ
る。また、図5より、Ta2 O5 膜13の膜厚がそれぞ
れ20nmおよび35nmのとき、オゾンアニール後の
リーク電流密度はそれぞれ5.4×10-8A/cm2 お
よび1.5×10-8A/cm2 を示すことがわかる。図
5には、比較のために、Si3 N4 膜やON膜(SiO
2 膜とSi3N4 膜との二層膜)を誘電体膜として用い
た従来のキャパシタについて測定されたリーク電流密度
および抵抗率の値も示してある。一方、Ta2 O5 膜1
3の最高抵抗率としては6.7×1013Ω・cmが得ら
れ、良好な絶縁特性を示していることから、オゾンアニ
ールが、Ta2 O5 膜13の絶縁性を改善するのに有効
であることがわかる。FIG. 5 shows Ta Ta before and after ozone annealing.
Current 2 O 5 film 13 - obtained by measuring the voltage characteristic,
The change of the leak current density (J) and the resistivity (ρ) when the applied electric field strength is 1 MV / cm is shown. Ozone annealing was performed at 400 ° C. for 30 minutes under atmospheric pressure. As can be seen from FIG. 5, the ozone annealing can reduce the leak current density by three digits or more compared to the leak current density of the Ta 2 O 5 film 13 not subjected to the ozone annealing. FIG. 5 shows that when the thickness of the Ta 2 O 5 film 13 is 20 nm and 35 nm, respectively, the leak current densities after ozone annealing are 5.4 × 10 −8 A / cm 2 and 1.5 × 10 −. It turns out that it shows 8 A / cm 2 . FIG. 5 shows, for comparison, a Si 3 N 4 film and an ON film (SiO 2 film).
2 film and the Si 3 N values of the measured leakage current density and resistivity for a conventional capacitor using a double-layer film) and 4 film as a dielectric film is also shown. On the other hand, the Ta 2 O 5 film 1
Since 6.7 × 10 13 Ω · cm was obtained as the maximum resistivity of No. 3 and good insulating properties were exhibited, ozone annealing was effective for improving the insulating property of the Ta 2 O 5 film 13. It can be seen that it is.
【0046】図6は、成膜後に行われるアニールの条件
を種々に変えて、Ta2 O5 膜13のアニール前後にお
けるリーク電流密度および5×10-8A/cm2 のリー
ク電流密度における電界強度の変化を測定した結果を示
す。Ta2 O5 膜13の膜厚は10nmである。図6
中、AはTa2 O5 膜13の成膜後アニールを行わない
試料、Bはドライ酸素雰囲気中において700℃で30
分間アニールを行った試料、Cはドライ酸素雰囲気中に
おいて700℃で30分間アニールを行った後、大気圧
下において400℃で15分間オゾンアニールを行った
試料、Dは13.56MHzの周波数で2.5kWのR
Fパワーを用いて2.5Torrの圧力下において40
0℃で14分間酸素プラズマアニールを行った試料、E
は大気圧下において400℃で15分間オゾンアニール
を行った試料についての測定結果を示す。図6からわか
るように、ドライ酸素雰囲気中において700℃で30
分間アニールを行った試料(図6のB)では、Ta2 O
5 膜13の成膜後にアニールを行わない試料(図6の
A)の試料で測定された10-2A/cm2 台のリーク電
流密度から10-7A/cm2 台のリーク電流密度までT
a2 O5 膜13のリーク特性が改善されるが、このレベ
ルのリーク電流はバイポーラICやDRAMなどにおけ
るキャパシタの誘電体膜として使うにはまだ高すぎる値
と考えられる。この結果は、すでに報告されているよう
に、高温アニールにより膜中の酸素欠陥や炭素などの不
純物を除去することはできるが、結晶化が進むために膜
中の粒界がリーク電流パスとなっているためと考えられ
る。一方、400℃で14分間酸素プラズマアニールを
行った試料(図6のD)では、1MV/cmの低電界強
度領域では顕著なリーク特性の改善が見られているが、
2MV/cm以上の電界強度領域では約10-6A/cm
2 程度の高いリーク電流密度となっている。これに対
し、大気圧下において400℃で15分間オゾンアニー
ルを行った試料(図6のE)では、2MV/cmの電界
強度でも5×10-8A/cm2 以下のリーク電流密度と
なっていることがわかる。FIG. 6 shows the leakage current density before and after annealing of the Ta 2 O 5 film 13 and the electric field at a leakage current density of 5 × 10 −8 A / cm 2 by varying the annealing conditions after the film formation. The result of having measured the change of intensity | strength is shown. The thickness of the Ta 2 O 5 film 13 is 10 nm. FIG.
In the figure, A is a sample not subjected to annealing after the Ta 2 O 5 film 13 is formed, and B is 30 ° C. at 700 ° C. in a dry oxygen atmosphere.
C is a sample annealed at 700 ° C. for 30 minutes in a dry oxygen atmosphere and then ozone annealed at 400 ° C. for 15 minutes under atmospheric pressure, and D is a sample obtained by annealing at a frequency of 13.56 MHz. .5kW R
40 F under 2.5 Torr pressure using F power
A sample subjected to oxygen plasma annealing at 0 ° C. for 14 minutes, E
Shows the measurement results of a sample which was subjected to ozone annealing at 400 ° C. for 15 minutes under atmospheric pressure. As can be seen from FIG. 6, 30 ° C. at 700 ° C. in a dry oxygen atmosphere.
Minutes in annealed samples was performed (B in FIG. 6), Ta 2 O
5 film 13 sample does not perform annealing after deposition to a leakage current density from 10 -2 A / cm 2 units leakage current density measured at the sample of 10 -7 A / cm 2 units (A in Figure 6) T
Although the leakage characteristics of the a 2 O 5 film 13 are improved, it is considered that this level of leakage current is still too high to be used as a dielectric film of a capacitor in a bipolar IC, a DRAM or the like. As already reported, although high-temperature annealing can remove impurities such as oxygen defects and carbon in the film, the grain boundary in the film becomes a leak current path due to the progress of crystallization. It is thought that it is. On the other hand, in the sample subjected to oxygen plasma annealing at 400 ° C. for 14 minutes (D in FIG. 6), a remarkable improvement in the leak characteristic was observed in the low electric field strength region of 1 MV / cm.
Approximately 10 -6 A / cm in an electric field intensity region of 2 MV / cm or more
The leakage current density is as high as about 2 . On the other hand, in the sample (E in FIG. 6) subjected to ozone annealing at 400 ° C. for 15 minutes under atmospheric pressure, the leak current density was 5 × 10 −8 A / cm 2 or less even at an electric field intensity of 2 MV / cm. You can see that it is.
【0047】ここで、上述のような、酸素プラズマアニ
ール法とオゾンアニール法とによる絶縁性改善の効果の
根本的な差は、プロセス中の圧力に起因していると考え
られる。すなわち、このオゾンアニールは大気圧下で行
っているので、真空中で行う酸素プラズマアニールの場
合よりも高密度の活性化酸素がTa2 O5 膜13と反応
を起こすことができると考えられる。このオゾンアニー
ルの有効性は、ドライ酸素雰囲気中において700℃で
30分間アニールを行った直後に、大気圧下において4
00℃で15分間オゾンアニールを行った結果(図6の
C)からも確認することができる。この場合、ドライ酸
素雰囲気中において700℃で30分間アニールを行っ
ただけの場合より、十分にリーク電流密度が低減されて
いることから考えて、オゾンアニールによりTa2 O5
膜13の粒界の一部を含めて粒内での酸素欠陥がある程
度は埋まるようになると考えられる。Here, it is considered that the fundamental difference in the effect of improving the insulating property between the oxygen plasma annealing method and the ozone annealing method as described above is caused by the pressure during the process. That is, since this ozone annealing is performed under atmospheric pressure, it is considered that activated oxygen having a higher density can react with the Ta 2 O 5 film 13 than in the case of oxygen plasma annealing performed in vacuum. The effectiveness of this ozone annealing is as follows. Immediately after annealing at 700 ° C. for 30 minutes in a dry oxygen atmosphere,
It can also be confirmed from the result of performing ozone annealing at 00 ° C. for 15 minutes (C in FIG. 6). In this case, than if only performed for 30 minutes annealing at 700 ° C. in a dry oxygen atmosphere, given the fact that sufficient leakage current density is reduced, Ta 2 O 5 with ozone annealing
It is considered that the oxygen vacancies in the grains including a part of the grain boundaries of the film 13 are filled to some extent.
【0048】図7は、オゾンアニールを行ったTa2 O
5 膜13の膜厚による単位面積当たりの容量値の変化お
よびSiO2 有効換算膜厚(teff (SiO2 ))の変
化を示す。膜厚20nmのTa2 O5 膜13で測定され
た単位面積当たりの容量値は7.8fF/μm2 であ
り、これは膜厚を同一とすれば、キャパシタの誘電体膜
として従来用いられているSi3 N4 膜の単位面積当た
りの容量値の約3倍である。また、膜厚が20nmのT
a2 O5 膜13の場合、4.3nmのteff (Si
O2 )が得られている。膜厚が10nmのTa2 O5 膜
13の場合はさらに薄い3.2nmのteff (Si
O2 )が得られ、RTN層12を薄くすることや、また
はストレージノードとして働く下地のn+ 型Si基板1
1の表面形状を荒くして表面積を増やすことによって、
さらに薄いteff (SiO2 )を達成することができる
と考えられる。FIG. 7 shows Ta 2 O subjected to ozone annealing.
5 shows a change in capacitance value per unit area and a change in equivalent SiO 2 effective film thickness (t eff (SiO 2 )) depending on the film thickness of the film 13. The capacitance value per unit area measured with a Ta 2 O 5 film 13 having a thickness of 20 nm is 7.8 fF / μm 2 , which is conventionally used as a dielectric film of a capacitor when the film thickness is the same. This is about three times the capacitance per unit area of the Si 3 N 4 film. In addition, a T film having a thickness of 20 nm
For a 2 O 5 film 13, 4.3 nm of t eff (Si
O 2 ) is obtained. In the case of the Ta 2 O 5 film 13 having a thickness of 10 nm, a 3.2 nm t eff (Si
O 2 ) can be obtained, and the RTN layer 12 can be thinned or the underlying n + -type Si substrate 1 serving as a storage node can be obtained.
By roughening the surface shape of 1 and increasing the surface area,
It is believed that even thinner t eff (SiO 2 ) can be achieved.
【0049】Ta2 O5 膜13をバイポーラICのキャ
パシタの誘電体膜として応用する際におけるもう一つの
重要な性質は、周波数による容量値の安定性である。図
8および図9は、従来のキャパシタの誘電体膜として用
いられているSi3 N4 膜およびTa2 O5 膜13の容
量の周波数特性を示す。ここで、40MHzから2GH
zまでの周波数領域では、プローブと電極との接触抵抗
値を下げるために、Al電極14の代わりにAu電極を
用いた。図8および図9より、10kHz〜2GHzの
周波数領域では、Si3 N4 膜およびTa2 O5 膜13
ともに容量値が5%以内の安定性を見せている。また、
同じ膜厚において高周波領域でのTa2O5 膜13の容
量値はSi3 N4 膜の容量値の約3倍となっている。Another important property when applying the Ta 2 O 5 film 13 as a dielectric film of a capacitor of a bipolar IC is the stability of the capacitance value depending on the frequency. 8 and 9 show the frequency characteristics of the capacitance of the Si 3 N 4 film and the Ta 2 O 5 film 13 used as the dielectric film of the conventional capacitor. Here, from 40MHz to 2GH
In the frequency range up to z, an Au electrode was used instead of the Al electrode 14 in order to reduce the contact resistance between the probe and the electrode. 8 and 9, in the frequency range of 10 kHz to 2 GHz, the Si 3 N 4 film and the Ta 2 O 5 film 13 are formed.
In both cases, the capacitance value shows stability within 5%. Also,
At the same film thickness, the capacitance value of the Ta 2 O 5 film 13 in the high frequency region is about three times the capacitance value of the Si 3 N 4 film.
【0050】以上のように、この第1の実施形態によれ
ば、n+ 型Si基板11上にRTN層12を介してアモ
ルファスのTa2 O5 膜13を成膜した後、大気圧下に
おいて300〜500℃の温度でオゾンアニールを行っ
ていることにより、比誘電率が20以上でかつ1.5M
V/cmの電界を印加したときのリーク電流密度が5×
10-8A/cm2 以下の、高誘電性および高絶縁性を有
するアモルファスのTa2 O5 膜13を得ることができ
る。ここで、Ta2 O5 膜13の比誘電率としては2
8.5という高い値がすでに得られている。また、大型
のn+ 型Si基板11を用いた場合にも、このオゾンア
ニールによりTa2 O5 膜13に均一に活性化酸素を供
給することができるため、大量生産に適している。さら
に、Ta2O5 膜13の処理にプラズマを使用しないの
で、従来のようにチャンバー内壁からのクロスコンタミ
ネーションやスパッタリング効果による表面荒れの問題
がない。しかも、オゾンアニールの温度は300〜50
0℃と低温であるため、このオゾンアニール処理により
Ta2 O5 膜13の組成ずれが生じない。As described above, according to the first embodiment, after the amorphous Ta 2 O 5 film 13 is formed on the n + -type Si substrate 11 via the RTN layer 12, Since the ozone annealing is performed at a temperature of 300 to 500 ° C., the relative dielectric constant is 20 or more and 1.5 M
The leakage current density when applying an electric field of V / cm is 5 ×
An amorphous Ta 2 O 5 film 13 having a high dielectric property and a high insulating property of 10 −8 A / cm 2 or less can be obtained. Here, the relative dielectric constant of the Ta 2 O 5 film 13 is 2
A high value of 8.5 has already been obtained. In addition, even when a large n + -type Si substrate 11 is used, activated oxygen can be uniformly supplied to the Ta 2 O 5 film 13 by this ozone annealing, which is suitable for mass production. Further, since plasma is not used for the treatment of the Ta 2 O 5 film 13, there is no problem of surface contamination due to cross contamination or sputtering effect from the inner wall of the chamber as in the related art. Moreover, the temperature of the ozone annealing is 300 to 50.
Since the temperature is as low as 0 ° C., the ozone annealing does not cause a composition deviation of the Ta 2 O 5 film 13.
【0051】さらに、この第1の実施形態によれば、上
述の利点に加えて、次のような利点をも得ることができ
る。すなわち、仮にTa2 O5 膜13が多結晶であると
すると、このTa2 O5 膜13に電界が印加された場
合、粒界に電界集中が生じ、それが原因となって絶縁性
が大幅に低下するおそれがある。また、Ta2 O5 膜1
3が多結晶であると、一般に膜全体にわたって均一な膜
質を得ることは難しく、したがって例えばDRAMなど
においてメモリセル間でキャパシタの容量値がばらつい
てしまうという問題が生じる。これに対し、この第1の
実施形態においては、Ta2 O5 膜13はアモルファス
であるため、これらの問題がない。すなわち、アモルフ
ァスのTa2 O5 膜13を用いていることにより、電界
集中の問題がなく、絶縁性を維持することができる。ま
た、膜全体にわたって均一な膜質を得ることができるた
め、メモリセル間のキャパシタの容量値のばらつきを抑
え、均一な容量を得ることができる。Further, according to the first embodiment, the following advantages can be obtained in addition to the above advantages. That is, assuming that the Ta 2 O 5 film 13 is polycrystalline, when an electric field is applied to the Ta 2 O 5 film 13, an electric field concentration occurs at the grain boundaries, and as a result, the insulating property is greatly reduced. May be reduced. In addition, Ta 2 O 5 film 1
If 3 is polycrystalline, it is generally difficult to obtain a uniform film quality over the entire film, and thus, for example, in a DRAM or the like, there arises a problem that the capacitance value of a capacitor varies between memory cells. On the other hand, in the first embodiment, since the Ta 2 O 5 film 13 is amorphous, there is no such problem. That is, since the amorphous Ta 2 O 5 film 13 is used, there is no problem of electric field concentration and the insulating property can be maintained. In addition, since uniform film quality can be obtained over the entire film, variation in the capacitance value of the capacitor between the memory cells can be suppressed, and a uniform capacitance can be obtained.
【0052】以上により、良好な特性を有し、信頼性も
高いMIS構造のキャパシタを実現することができる。As described above, a capacitor having an MIS structure having good characteristics and high reliability can be realized.
【0053】図10はこの発明の第2の実施形態を示
す。この第2の実施形態においては、この発明を、DR
AMのキャパシタの誘電体膜として用いられるTa2 O
5 膜の絶縁性向上の処理に適用した場合について説明す
る。FIG. 10 shows a second embodiment of the present invention. In the second embodiment, the present invention
Ta 2 O used as a dielectric film of an AM capacitor
A case where the present invention is applied to a process for improving the insulating properties of five films will be described.
【0054】図10に示すように、この第2の実施形態
においては、あらかじめ素子が形成されたp型Si基板
21上に層間絶縁膜22を形成した後、p型Si基板2
1中に形成された、アクセストランジスタとしてのnチ
ャネルMOSFETのn+ 型のドレイン領域23の上の
部分の層間絶縁膜22をエッチング除去してコンタクト
ホール24を形成する。次に、このコンタクトホール2
4内に多結晶Siプラグ25を形成し、さらにこの多結
晶Siプラグ25の表面にTiSi2 膜などの金属シリ
サイド膜26を自己整合的に形成する。次に、シリンド
リカル形状の多結晶Si膜27を形成した後、このシリ
ンドリカル形状の多結晶Si膜27の表面にTa2 O5
膜28を形成する。この後、第1の実施形態と同様にし
て、このTa2 O5 膜28のオゾンアニールを、大気圧
下において300〜500℃の温度で行う。ここで、こ
のTa2 O5 膜28のオゾンアニールは500℃以下の
温度で行っていることにより、金属シリサイド膜26の
変質を防止することができる。As shown in FIG. 10, in the second embodiment, after an interlayer insulating film 22 is formed on a p-type Si substrate 21 on which elements have been formed in advance, the p-type Si substrate 2
The contact hole 24 is formed by etching away the portion of the interlayer insulating film 22 above the n + -type drain region 23 of the n-channel MOSFET serving as an access transistor formed in 1. Next, this contact hole 2
A polycrystalline Si plug 25 is formed in the substrate 4, and a metal silicide film 26 such as a TiSi 2 film is formed on the surface of the polycrystalline Si plug 25 in a self-aligned manner. Next, after a cylindrical polycrystalline Si film 27 is formed, Ta 2 O 5 is formed on the surface of the cylindrical polycrystalline Si film 27.
A film 28 is formed. Thereafter, similarly to the first embodiment, ozone annealing of the Ta 2 O 5 film 28 is performed at a temperature of 300 to 500 ° C. under atmospheric pressure. Here, the ozone annealing of the Ta 2 O 5 film 28 is performed at a temperature of 500 ° C. or less, so that the metal silicide film 26 can be prevented from being deteriorated.
【0055】この第2の実施形態によれば、DRAMに
おいて、キャパシタの誘電体膜として用いられるTa2
O5 膜28の誘電性および絶縁性の大幅な向上を図るこ
とができる。また、Ta2 O5 膜28の成膜およびその
後のオゾンアニールはいずれも500℃以下の低温で行
っていることにより、p型Si基板21中に形成された
ドレイン領域23その他の拡散層に対して不純物の再拡
散などの悪影響を及ぼすことがなく、したがって今後、
例えばいわゆるSALICIDE(self-aligned silic
ide)技術をゲート配線などに使用する際には、埋め込み
型高密度メモリ(embedded high-density memory)におけ
るキャパシタ形成技術として最も有望である。According to the second embodiment, in a DRAM, Ta 2 used as a dielectric film of a capacitor is used.
The dielectric and insulating properties of the O 5 film 28 can be greatly improved. In addition, since the Ta 2 O 5 film 28 and the subsequent ozone annealing are performed at a low temperature of 500 ° C. or less, the drain region 23 and other diffusion layers formed in the p-type Si substrate 21 are removed. Without adverse effects such as re-diffusion of impurities.
For example, so-called SALICIDE (self-aligned silic
ide) When the technology is used for a gate wiring or the like, it is most promising as a capacitor forming technology in an embedded high-density memory.
【0056】図11はこの発明の第3の実施形態を示
す。この第3の実施形態においては、この発明をバイポ
ーラICのキャパシタの誘電体膜として用いられるTa
2 O5膜の絶縁性向上の処理に適用した場合について説
明する。FIG. 11 shows a third embodiment of the present invention. In the third embodiment, the invention is applied to a Ta IC used as a dielectric film of a capacitor of a bipolar IC.
A case where the present invention is applied to a process for improving the insulating property of a 2 O 5 film will be described.
【0057】図11に示すように、この第3の実施形態
においては、p型Si基板31中にp+ 型アイソレーシ
ョン領域32を形成して素子分離を行った後、このp型
Si基板31上にn- 型Siエピタキシャル層33を成
長させる。次に、このn- 型Siエピタキシャル層33
を選択的に熱酸化することによりSiO2 膜からなるフ
ィールド絶縁膜34を形成した後、このフィールド絶縁
膜34により囲まれた部分におけるn- 型Siエピタキ
シャル層33にn型不純物をイオン注入法または拡散法
により導入してn+ 型層35を形成する。次に、n- 型
Siエピタキシャル層33上にSiO2 膜36を形成し
た後、このSiO2 膜36の所定部分をエッチング除去
して開口37、38を形成する。次に、開口38の部分
におけるn+ 型層35上に、第1の実施形態と同様なR
TN層(図示せず)を介して、Ta2 O5 膜39を形成
する。この後、第1の実施形態と同様にして、このTa
2O5 膜39のオゾンアニールを、大気圧下において3
00〜500℃の温度で行う。次に、開口37の部分に
不純物がドープされた多結晶Si膜40を介してAl電
極41を形成するとともに、開口38の部分に形成され
たTa2 O5 膜39上にAl電極42を形成する。As shown in FIG. 11, in the third embodiment, a p + -type isolation region 32 is formed in a p-type Si substrate 31 to perform element isolation. An n - type Si epitaxial layer 33 is grown thereon. Next, the n - type Si epitaxial layer 33
Is selectively thermally oxidized to form a field insulating film 34 made of a SiO 2 film, and then an n-type impurity is ion-implanted into the n − -type Si epitaxial layer 33 in a portion surrounded by the field insulating film 34 or The n + -type layer 35 is formed by the diffusion method. Next, after an SiO 2 film 36 is formed on the n − -type Si epitaxial layer 33, openings 37 and 38 are formed by removing predetermined portions of the SiO 2 film 36 by etching. Next, on the n + -type layer 35 at the portion of the opening 38, the same R as in the first embodiment is formed.
A Ta 2 O 5 film 39 is formed via a TN layer (not shown). Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, the Ta
The ozone annealing of the 2 O 5 film 39 is performed at atmospheric pressure for 3 hours.
It is performed at a temperature of 00 to 500 ° C. Next, an Al electrode 41 is formed via a polycrystalline Si film 40 in which an impurity is doped in the opening 37, and an Al electrode 42 is formed on the Ta 2 O 5 film 39 formed in the opening 38. I do.
【0058】この第3の実施形態によれば、バイポーラ
ICにおいて、キャパシタの誘電体膜として用いられる
Ta2 O5 膜39の誘電性および絶縁性の大幅な向上を
図ることができる。According to the third embodiment, in the bipolar IC, the dielectric and insulating properties of the Ta 2 O 5 film 39 used as the dielectric film of the capacitor can be greatly improved.
【0059】次に、この発明の第4の実施形態について
説明する。この第4の実施形態においては、図2に示す
ように、まず、低抵抗のn+ 型Si基板11の表面を希
フッ酸などにより洗浄して自然酸化膜などを除去した
後、その表面をRTN法により窒化してRTN層12を
形成する。このRTN層12を形成する理由は第1の実
施形態において述べた通りである。このRTN法による
窒化は、例えば、NH3ガス雰囲気中において850℃
で60秒間行う。このRTN層12の厚さは例えば2n
mである。次に、このRTN層12上に例えばLPCV
D法によりTa2O5 膜13を成膜する。このLPCV
D法によるTa2 O5 膜13の成膜の条件の一例を挙げ
ると、Ta(OC2 H5 )5 の有機液体原料を用い、キ
ャリアガスとしては窒素ガスを用い、成膜中の圧力は
0.5Torr、成膜温度は400〜500℃、膜厚は
8〜50nm、成膜速度は約10nm/minとする。
また、Ta(OC2 H5 )5 の供給量は0.05〜0.
10sccmとする。このようにして成膜されたTa2
O5 膜13の結晶状態を電子線回折(制限視野回折)に
より調べたところ、ハローパターンが得られ、これより
このTa2 O5 膜13はアモルファスであることがわか
った。また、このTa2 O5 膜13を薄膜X線回折によ
っても調べたところ、何らの回折パターンも観測されな
かったことから、このTa2 O5 膜13がアモルファス
であることが検証される。Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the fourth embodiment, as shown in FIG. 2, first, the surface of a low-resistance n + -type Si substrate 11 is washed with dilute hydrofluoric acid or the like to remove a natural oxide film or the like, and then the surface is removed. The RTN layer 12 is formed by nitriding by the RTN method. The reason for forming the RTN layer 12 is as described in the first embodiment. The nitridation by the RTN method is performed, for example, at 850 ° C. in an NH 3 gas atmosphere.
For 60 seconds. The thickness of the RTN layer 12 is, for example, 2n
m. Next, on this RTN layer 12, for example, LPCV
The Ta 2 O 5 film 13 is formed by the method D. This LPCV
As an example of the conditions for forming the Ta 2 O 5 film 13 by the method D, an organic liquid raw material of Ta (OC 2 H 5 ) 5 is used, a nitrogen gas is used as a carrier gas, and the pressure during the film formation is 0.5 Torr, a film forming temperature of 400 to 500 ° C., a film thickness of 8 to 50 nm, and a film forming rate of about 10 nm / min.
The supply amount of Ta (OC 2 H 5 ) 5 is 0.05 to 0.5.
It is 10 sccm. The Ta 2 film thus formed
When the crystal state of the O 5 film 13 was examined by electron beam diffraction (restricted field diffraction), a halo pattern was obtained, indicating that the Ta 2 O 5 film 13 was amorphous. Further, when the Ta 2 O 5 film 13 was examined by thin film X-ray diffraction, no diffraction pattern was observed, so that it is verified that the Ta 2 O 5 film 13 is amorphous.
【0060】次に、このTa2 O5 膜13が形成された
n+ 型Si基板11を図1に示すオゾンアニール装置の
チャンバー2内のヒータ上に置いてRTA法によりアニ
ール温度に加熱しておき、大気圧下でオゾンアニールを
行う。ここで、このオゾンアニールの雰囲気中のオゾン
濃度はO3 /O2 比で5〜20体積%、アニール温度は
300〜500℃、アニール時間は5〜60分間とす
る。このオゾンアニールを行った後のTa2 O5 膜13
の結晶状態を電子線回折(制限視野回折)により調べた
ところ、ハローパターンが得られ、このことから、この
Ta2 O5 膜13はオゾンアニールを行った後において
もアモルファス状態を維持していることが確認された。
一方、比較のため、Ta2 O5 膜13を成膜した後、ド
ライ酸素雰囲気中において700℃で30分間アニール
を行った試料について、Ta2 O5膜13の結晶状態を
薄膜X線回折により調べたところ、図12に示すような
結果が得られた。図12より、このTa2 O5 膜13は
δ−Ta2 O5 型の結晶構造を有し、(100)、(0
01)、(101)方位に配向した多結晶になっている
ことがわかる。Next, the n + -type Si substrate 11 on which the Ta 2 O 5 film 13 is formed is placed on a heater in the chamber 2 of the ozone annealing apparatus shown in FIG. 1 and heated to an annealing temperature by the RTA method. Ozone annealing is performed at atmospheric pressure. Here, the ozone concentration in the atmosphere of the ozone annealing is 5 to 20% by volume in an O 3 / O 2 ratio, the annealing temperature is 300 to 500 ° C., and the annealing time is 5 to 60 minutes. Ta 2 O 5 film 13 after ozone annealing
The halo pattern was obtained by examining the crystal state of the film by electron beam diffraction (restricted field diffraction). From this, the Ta 2 O 5 film 13 maintained an amorphous state even after ozone annealing. It was confirmed that.
On the other hand, for comparison, the crystal state of the Ta 2 O 5 film 13 was determined by thin-film X-ray diffraction for a sample obtained by forming the Ta 2 O 5 film 13 and then performing annealing at 700 ° C. for 30 minutes in a dry oxygen atmosphere. Upon examination, the result shown in FIG. 12 was obtained. As shown in FIG. 12, the Ta 2 O 5 film 13 has a δ-Ta 2 O 5 type crystal structure, and has (100), (0)
It can be seen that polycrystals are oriented in the (01) and (101) directions.
【0061】この後、Ta2 O5 膜13上に、直径20
0〜800μmの穴が空いた金属製のマスク(いわゆる
メタルマスク)を用いて真空蒸着法により選択的にAl
膜を形成することによりAl電極14を形成する。After that, a film having a diameter of 20 is formed on the Ta 2 O 5 film 13.
Al is selectively formed by a vacuum deposition method using a metal mask (a so-called metal mask) having holes of 0 to 800 μm.
The Al electrode 14 is formed by forming a film.
【0062】以上により、n+ 型Si基板11からなる
下部電極と、その上にRTN層12を介して形成された
Ta2 O5 膜13と、その上のAl電極14からなる上
部電極とからなるMIS構造のキャパシタが形成され
る。As described above, the lower electrode composed of the n + -type Si substrate 11, the Ta 2 O 5 film 13 formed thereon via the RTN layer 12, and the upper electrode composed of the Al electrode 14 thereon A capacitor having a MIS structure is formed.
【0063】図13は、成膜後に行われるアニールの条
件を種々に変えて、Ta2 O5 膜13のアニール前後に
おける各印加電界強度でのリーク電流密度の変化を測定
した結果を示す。Ta2 O5 膜13の膜厚は10nmで
ある。図3中、AはTa2 O5 膜13の成膜後アニール
を行わない試料、Bはドライ酸素雰囲気中において70
0℃で30分間アニールを行った試料、Cは大気圧下に
おいて400℃で15分間オゾンアニールを行った試料
についての測定結果を示す。図13からわかるように、
ドライ酸素雰囲気中において700℃で30分間アニー
ルを行った試料(図13のB)では、Ta2 O5 膜13
の成膜後にアニールを行わない試料(図13のA)の試
料で測定された10-2A/cm2 台のリーク電流密度か
ら10-7A/cm2 台のリーク電流密度までTa2 O5
膜13のリーク特性が改善されるが、このレベルのリー
ク電流はバイポーラICやDRAMなどにおけるキャパ
シタの誘電体膜として使うにはまだ高すぎる値と考えら
れる。この結果は、すでに報告されているように、高温
アニールにより膜中の酸素欠陥や炭素などの不純物を除
去することはできるが、結晶化が進むために膜中の粒界
がリーク電流パスとなっているためと考えられる。これ
に対し、大気圧下において400℃で15分間オゾンア
ニールを行った試料(図13のC)では、比較的高い2
MV/cmの電界強度でも5×10-8A/cm2 以下の
低いリーク電流密度となっていることがわかる。この結
果より、オゾンアニールは、Ta2 O5 膜13中の酸素
欠陥や炭素や水素などの不純物も十分に除去することが
できることがわかる。また、このTa2 O5 膜13は、
オゾンアニール後でもアモルファス状態のままであり、
図13のBの試料で起きる粒界での電界集中は起きない
と考えられる。これらのことから、低温でのアモルファ
スのTa2 O5 膜13の成膜とその後の低温でのオゾン
アニールとにより、アモルファス状態を維持しつつ、十
分な高絶縁性を得ることができることがわかる。FIG. 13 shows the results of measuring the change in the leak current density at various applied electric field strengths before and after annealing of the Ta 2 O 5 film 13 by variously changing the conditions of the annealing performed after the film formation. The thickness of the Ta 2 O 5 film 13 is 10 nm. In FIG. 3, A is a sample not subjected to annealing after the Ta 2 O 5 film 13 is formed, and B is 70% in a dry oxygen atmosphere.
C shows the measurement result of the sample annealed at 0 ° C. for 30 minutes, and C shows the measurement result of the sample annealed at 400 ° C. under the atmospheric pressure for 15 minutes. As can be seen from FIG.
In a sample (B in FIG. 13) annealed at 700 ° C. for 30 minutes in a dry oxygen atmosphere, the Ta 2 O 5 film 13
From the leakage current density of 10 −2 A / cm 2 to the leakage current density of 10 −7 A / cm 2, which was measured for the sample (A in FIG. 13) where annealing was not performed after the film formation of Ta 2 O. Five
Although the leakage characteristics of the film 13 are improved, it is considered that this level of leakage current is still too high to be used as a dielectric film of a capacitor in a bipolar IC, a DRAM, or the like. As already reported, although high-temperature annealing can remove impurities such as oxygen defects and carbon in the film, the grain boundary in the film becomes a leak current path due to the progress of crystallization. It is thought that it is. In contrast, the sample (C in FIG. 13) subjected to ozone annealing at 400 ° C. for 15 minutes under atmospheric pressure has a relatively high
It can be seen that the leak current density is as low as 5 × 10 −8 A / cm 2 or less even at an electric field strength of MV / cm. From this result, it can be seen that the ozone annealing can sufficiently remove oxygen vacancies and impurities such as carbon and hydrogen in the Ta 2 O 5 film 13. Also, this Ta 2 O 5 film 13
It remains amorphous even after ozone annealing,
It is considered that the electric field concentration at the grain boundary which occurs in the sample of FIG. 13B does not occur. From these facts, it is understood that by forming the amorphous Ta 2 O 5 film 13 at a low temperature and then performing ozone annealing at a low temperature, it is possible to obtain a sufficiently high insulating property while maintaining the amorphous state.
【0064】この第4の実施形態によれば、第1の実施
形態と同様な利点を得ることができる。According to the fourth embodiment, the same advantages as in the first embodiment can be obtained.
【0065】次に、この発明の第5の実施形態について
説明する。この第5の実施形態においては、図14に示
すように、まず、低抵抗のn+ 型Si基板51の表面を
希フッ酸などにより洗浄して自然酸化膜などを除去した
後、このn+ 型Si基板51上に例えばスパッタリング
法により膜厚が例えば10nmのTi膜52および膜厚
が例えば50nmのTiN膜53を順次成膜する。次
に、このTiN膜53上に例えばスパッタリング法によ
り膜厚が例えば10〜30nmのRu膜54を成膜す
る。次に、このRu膜54上に例えばLPCVD法によ
りTa2 O5 膜55を成膜する。このLPCVD法によ
るTa2 O5 膜55の成膜の条件の一例を挙げると、T
a(OC2 H5 )5 の有機液体原料を用い、キャリアガ
スとしては窒素ガスを用い、成膜中の圧力は0.5To
rr、成膜温度は400〜500℃、膜厚は8〜50n
m、成膜速度は約10nm/minとする。このように
して成膜されたTa2 O5 膜55の結晶状態を電子線回
折(制限視野回折)により調べたところ、ハローパター
ンが得られ、これよりこのTa2 O5 膜55はアモルフ
ァスであることがわかった。さらに、このTa2 O5 膜
55を薄膜X線回折によっても調べたところ、何らの回
折パターンも観測されなかったことから、このTa2 O
5 膜55がアモルファスであることが検証される。Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this fifth embodiment, as shown in FIG. 14, first, after removing the like natural oxide film was washed by such dilute hydrofluoric acid a surface of a low-resistance n + -type Si substrate 51, the n + A Ti film 52 having a thickness of, for example, 10 nm and a TiN film 53 having a thickness of, for example, 50 nm are sequentially formed on the mold Si substrate 51 by, for example, a sputtering method. Next, a Ru film 54 having a thickness of, for example, 10 to 30 nm is formed on the TiN film 53 by, for example, a sputtering method. Next, a Ta 2 O 5 film 55 is formed on the Ru film 54 by, for example, the LPCVD method. An example of conditions for forming the Ta 2 O 5 film 55 by the LPCVD method is as follows.
a (OC 2 H 5 ) 5 organic liquid raw material, a nitrogen gas as a carrier gas, and a pressure of 0.5 To during the film formation.
rr, film formation temperature 400 to 500 ° C., film thickness 8 to 50 n
m, and the deposition rate is about 10 nm / min. When the crystal state of the Ta 2 O 5 film 55 thus formed was examined by electron beam diffraction (restricted field diffraction), a halo pattern was obtained. From this, the Ta 2 O 5 film 55 was amorphous. I understand. Moreover, the the Ta 2 O 5 film 55 was examined by thin film X-ray diffraction, since it was not observed whatsoever of the diffraction pattern, the Ta 2 O
5 It is verified that the film 55 is amorphous.
【0066】次に、このTa2 O5 膜55が形成された
n+ 型Si基板51を図1に示すオゾンアニール装置の
チャンバー2内のヒータ上に置いてRTA法によりアニ
ール温度に加熱しておき、大気圧下でオゾンアニールを
行う。ここで、このオゾンアニールの雰囲気中のオゾン
濃度はO3 /O2 比で5〜20体積%、アニール温度は
300〜500℃、アニール時間は5〜60分間とす
る。このオゾンアニールを行った後のTa2 O5 膜55
の結晶状態を電子線回折(制限視野回折)により調べた
ところ、ハローパターンが得られたことから、このTa
2 O5 膜55はオゾンアニールを行った後においてもア
モルファス状態を維持していることが確認された。Next, the n + -type Si substrate 51 on which the Ta 2 O 5 film 55 is formed is placed on a heater in the chamber 2 of the ozone annealing apparatus shown in FIG. 1 and heated to an annealing temperature by the RTA method. Ozone annealing is performed at atmospheric pressure. Here, the ozone concentration in the atmosphere of the ozone annealing is 5 to 20% by volume in an O 3 / O 2 ratio, the annealing temperature is 300 to 500 ° C., and the annealing time is 5 to 60 minutes. The Ta 2 O 5 film 55 after performing the ozone annealing
The halo pattern was obtained by examining the crystal state of this by electron beam diffraction (restricted field diffraction).
It was confirmed that the 2 O 5 film 55 maintained the amorphous state even after the ozone annealing.
【0067】この後、Ta2 O5 膜55上に、直径20
0〜800μmの穴が空いた金属製のマスク(いわゆる
メタルマスク)を用いて真空蒸着法により選択的にAl
膜を形成することによりAl電極56を形成する。After that, the Ta 2 O 5 film 55
Al is selectively formed by a vacuum deposition method using a metal mask (a so-called metal mask) having holes of 0 to 800 μm.
The Al electrode 56 is formed by forming a film.
【0068】以上により、Ru膜54からなる下部電極
と、その上に形成されたTa2 O5膜55と、その上の
Al電極56からなる上部電極とからなるMIM構造の
キャパシタが形成される。As described above, a capacitor having an MIM structure including the lower electrode composed of the Ru film 54, the Ta 2 O 5 film 55 formed thereon, and the upper electrode composed of the Al electrode 56 thereon is formed. .
【0069】図15は、電流−電圧測定により得られた
リーク電流密度−電界強度曲線を示す。Ta2 O5 膜5
5の膜厚は10nmである。図15中、aはTa2 O5
膜55の成膜後、大気圧下において400℃で5分間オ
ゾンアニールを行った試料、bはTa2 O5 膜55の成
膜後、大気圧下において450℃で5分間オゾンアニー
ルを行った試料、cはTa2 O5 膜55の成膜後にオゾ
ンアニールを行わない試料についての測定結果である。
図15からわかるように、Ta2 O5 膜55の成膜後、
大気圧下において400〜450℃で5分間オゾンアニ
ールを行った試料(図15のa、b)では、リーク電流
密度が極めて低く、リーク特性に顕著な改善が見られて
いるが、特に、大気圧下において450℃で5分間オゾ
ンアニールを行った試料(図15のb)では、1.5M
V/cmの電界強度で約3×10 -8A/cm2 以下の低
いリーク電流密度となっている。FIG. 15 is obtained by current-voltage measurement.
4 shows a leakage current density-electric field strength curve. TaTwoOFiveMembrane 5
The film thickness of No. 5 is 10 nm. In FIG. 15, a is TaTwoOFive
After the film 55 is formed, the film is heated at 400 ° C. for 5 minutes under atmospheric pressure.
Sample subjected to zon annealing, b is TaTwoOFiveFormation of membrane 55
After film deposition, ozone annealing at 450 ° C for 5 minutes under atmospheric pressure
Sample, c is TaTwoOFiveAfter the film 55 is formed,
5 shows the measurement results for a sample not subjected to annealing.
As can be seen from FIG.TwoOFiveAfter the formation of the film 55,
Ozone ani for 5 minutes at 400-450 ° C under atmospheric pressure
In the samples (a and b in FIG. 15) subjected to the
Extremely low density and noticeable improvement in leak characteristics
Especially at 450 ° C for 5 minutes under atmospheric pressure.
In the sample subjected to the annealing (FIG. 15B), 1.5M
About 3 × 10 at V / cm electric field strength -8A / cmTwoLess than
High leakage current density.
【0070】図16は、大気圧下において450℃で5
分間オゾンアニールを行ったTa2O5 膜55の容量お
よび容量測定から得られたteff (SiO2 )の周波数
特性を示す。図16より、Ta2 O5 膜55がアモルフ
ァスであるにもかかわらず、10kHz〜4MHzの周
波数領域で高い容量値および薄いteff (SiO2 )が
得られていることがわかる。この場合に得られた最も薄
いteff (SiO2 )は1.2nmであり、これは、ギ
ガビット級の超高集積半導体メモリにおけるキャパシタ
の誘電体膜に用いることが可能である。FIG. 16 shows that at 450 ° C. under atmospheric pressure
7 shows the capacitance of the Ta 2 O 5 film 55 subjected to ozone annealing for one minute and the frequency characteristics of t eff (SiO 2 ) obtained from the capacitance measurement. From FIG. 16, it can be seen that a high capacitance value and a thin t eff (SiO 2 ) are obtained in the frequency range of 10 kHz to 4 MHz, even though the Ta 2 O 5 film 55 is amorphous. The thinnest t eff (SiO 2 ) obtained in this case is 1.2 nm, which can be used as a dielectric film of a capacitor in a gigabit class ultra-highly integrated semiconductor memory.
【0071】図17はこの発明の第6の実施形態を示
す。この第6の実施形態においては、この発明を、DR
AMにおける単純スタック構造を有するキャパシタの誘
電体膜として用いられるTa2 O5 膜の絶縁性向上の処
理に適用した場合について説明する。FIG. 17 shows a sixth embodiment of the present invention. In the sixth embodiment, the present invention
A case where the present invention is applied to a process for improving the insulating property of a Ta 2 O 5 film used as a dielectric film of a capacitor having a simple stack structure in AM will be described.
【0072】図17に示すように、この第6の実施形態
においては、あらかじめ素子が形成されたp型Si基板
61上に層間絶縁膜62を形成した後、p型Si基板6
1中に形成された、アクセストランジスタとしてのnチ
ャネルMOSFETのn+ 型のドレイン領域63の上の
部分の層間絶縁膜62をエッチング除去してコンタクト
ホール64を形成する。次に、このコンタクトホール6
4内に多結晶Siプラグ65を形成する。次に、例えば
スパッタリング法により全面にTi膜66、TiN膜6
7およびRu膜68を順次成膜した後、これらのRu膜
68、TiN膜67およびTi膜66を、多結晶Siプ
ラグ65上の部分が残されるようにエッチングによりパ
ターニングする。次に、例えばLPCVD法により全面
にTa2O5 膜69を形成する。この後、第1または第
5の実施形態と同様にして、このTa2 O5 膜69のオ
ゾンアニールを、大気圧下において300〜500℃の
温度で行う。さらに、例えばスパッタリング法により全
面にTiN膜70を成膜する。As shown in FIG. 17, in the sixth embodiment, after an interlayer insulating film 62 is formed on a p-type Si
The contact hole 64 is formed by etching away the portion of the interlayer insulating film 62 above the n + -type drain region 63 of the n-channel MOSFET serving as an access transistor formed in 1. Next, this contact hole 6
4, a polycrystalline Si plug 65 is formed. Next, a Ti film 66 and a TiN film 6 are formed on the entire surface by, for example, a sputtering method.
After the film 7 and the Ru film 68 are sequentially formed, the Ru film 68, the TiN film 67, and the Ti film 66 are patterned by etching such that a portion on the polycrystalline Si plug 65 is left. Next, a Ta 2 O 5 film 69 is formed on the entire surface by, eg, LPCVD. Thereafter, similarly to the first or fifth embodiment, ozone annealing of the Ta 2 O 5 film 69 is performed at a temperature of 300 to 500 ° C. under atmospheric pressure. Further, a TiN film 70 is formed on the entire surface by, for example, a sputtering method.
【0073】この第6の実施形態によれば、DRAMに
おいて、キャパシタの誘電体膜として用いられるTa2
O5 膜69の誘電性および絶縁性の大幅な向上を図るこ
とができる。また、Ta2 O5 膜69の成膜およびその
後のオゾンアニールはいずれも500℃以下の低温で行
っていることにより、第2の実施形態において述べたと
同様な利点も得ることができる。According to the sixth embodiment, in a DRAM, Ta 2 used as a dielectric film of a capacitor is used.
The dielectric and insulating properties of the O 5 film 69 can be greatly improved. Further, since the Ta 2 O 5 film 69 and the subsequent ozone annealing are both performed at a low temperature of 500 ° C. or less, the same advantages as those described in the second embodiment can be obtained.
【0074】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications based on the technical concept of the present invention are possible.
【0075】例えば、上述の第1の実施形態において
は、n+ 型Si基板11上にキャパシタを形成する場合
について説明したが、キャパシタを形成する基板は例え
ばGaAs基板のような他の半導体基板であってもよ
く、さらには透明電極が形成されているガラス基板など
であってもよい。第4および第5の実施形態において
も、同様である。For example, in the above-described first embodiment, the case where the capacitor is formed on the n + type Si substrate 11 has been described. However, the substrate on which the capacitor is formed is another semiconductor substrate such as a GaAs substrate. Or a glass substrate on which a transparent electrode is formed. The same applies to the fourth and fifth embodiments.
【0076】また、図1に示すオゾンアニール装置の構
成は一例に過ぎず、必要に応じて他の構成のものを用い
てもよい。また、例えば、チャンバー2は、必要に応じ
て、例えばステンレス鋼製としてもよい。The configuration of the ozone annealing apparatus shown in FIG. 1 is merely an example, and another configuration may be used if necessary. Further, for example, the chamber 2 may be made of, for example, stainless steel as needed.
【0077】[0077]
【発明の効果】以上説明したように、この発明による酸
化物の処理方法によれば、オゾンを含む雰囲気中におい
て300〜500℃の温度で酸化物の熱処理を行うよう
にしていることにより、酸化物の絶縁性を大幅に向上さ
せることができ、しかも大量生産に適し、処理中にクロ
スコンタミネーションやスパッタリング効果による表面
荒れや組成ずれが生じない。As described above, according to the method for treating an oxide according to the present invention, the heat treatment of the oxide is performed at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone. It can greatly improve the insulating properties of the object, and is suitable for mass production, and does not cause surface roughness or composition deviation due to cross contamination or sputtering effect during processing.
【0078】また、この発明によるアモルファス酸化膜
の形成方法によれば、アモルファス酸化膜を成膜した
後、オゾンを含む雰囲気中において300〜500℃の
温度でアモルファス酸化膜の熱処理を行うようにしてい
ることにより、高誘電性および高絶縁性を有し、膜質が
均一なアモルファス酸化膜を形成することができ、しか
も大量生産に適し、処理中にクロスコンタミネーション
やスパッタリング効果による表面荒れや組成ずれが生じ
ない。According to the method for forming an amorphous oxide film of the present invention, after the amorphous oxide film is formed, the amorphous oxide film is heat-treated at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone. This makes it possible to form an amorphous oxide film with high dielectric and high insulation properties and uniform film quality, and is suitable for mass production, and surface roughness and composition deviation due to cross contamination and sputtering effect during processing. Does not occur.
【0079】また、この発明によるアモルファス酸化タ
ンタル膜によれば、高誘電性および高絶縁性を得ること
ができ、しかも膜全体にわたって膜質を均一にすること
ができる。Further, according to the amorphous tantalum oxide film of the present invention, high dielectric properties and high insulating properties can be obtained, and the film quality can be made uniform over the entire film.
【図1】この発明の第1の実施形態において用いられる
オゾンアニール装置を示す略線図である。FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an ozone annealing apparatus used in a first embodiment of the present invention.
【図2】この発明の第1の実施形態においてTa2 O5
膜の絶縁性測定のために形成されたキャパシタを示す断
面図である。FIG. 2 shows Ta 2 O 5 according to the first embodiment of the present invention.
It is sectional drawing which shows the capacitor formed for the insulation measurement of a film.
【図3】この発明の第1の実施形態におけるオゾンアニ
ールによるTa2 O5 膜のリーク特性の改善の効果を説
明するための略線図である。FIG. 3 is a schematic diagram for explaining an effect of improving a leak characteristic of a Ta 2 O 5 film by ozone annealing according to the first embodiment of the present invention.
【図4】この発明の第1の実施形態におけるキャパシタ
について測定されたリーク電流密度−電界強度特性の極
性を説明するための略線図である。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the polarity of leakage current density-electric field strength characteristics measured for the capacitor according to the first embodiment of the present invention.
【図5】この発明の第1の実施形態におけるオゾンアニ
ールによるTa2 O5 膜のリーク電流密度および抵抗率
の変化を測定した結果を示す略線図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing a result of measuring a change in a leak current density and a resistivity of a Ta 2 O 5 film by ozone annealing according to the first embodiment of the present invention.
【図6】この発明の第1の実施形態においてTa2 O5
膜の成膜後に行われるアニールの条件を種々に変えて各
印加電界でのリーク電流密度およびリーク電流密度が5
×10-8A/cm2 のときの電界の変化を測定した結果
を示す略線図である。FIG. 6 shows Ta 2 O 5 according to the first embodiment of the present invention.
The conditions of the annealing performed after the film formation were changed variously, and the leakage current density and the leakage current density at each applied electric field were 5%.
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating a result of measuring a change in an electric field at × 10 −8 A / cm 2 .
【図7】この発明の第1の実施形態におけるオゾンアニ
ールを行ったTa2 O5 膜およびSi3 N4 膜の単位面
積当たりの容量値およびSiO2 有効換算膜厚のTa2
O5 膜の膜厚による変化を示す略線図である。[7] Ta 2 capacitance values and SiO 2 effective equivalent thickness per unit area of the first Ta 2 O 5 film subjected to an ozone annealing in embodiment and the Si 3 N 4 film of the present invention
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a change depending on the thickness of an O 5 film.
【図8】この発明の第1の実施形態におけるオゾンアニ
ールを行ったTa2 O5 膜およびSi3 N4 膜の、10
kHzから4MHzまでの周波数領域における容量−周
波数特性を示す略線図である。FIG. 8 shows the results of the ozone annealing of the Ta 2 O 5 film and the Si 3 N 4 film according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating capacitance-frequency characteristics in a frequency range from kHz to 4 MHz.
【図9】この発明の第1の実施形態におけるオゾンアニ
ールを行ったTa2 O5 膜およびSi3 N4 膜の、40
MHzから2GHzまでの周波数領域における容量−周
波数特性を示す略線図である。FIG. 9 shows a graph of 40% of the Ta 2 O 5 film and the Si 3 N 4 film subjected to the ozone annealing according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating capacitance-frequency characteristics in a frequency range from MHz to 2 GHz.
【図10】この発明の第2の実施形態を説明するための
断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining a second embodiment of the present invention.
【図11】この発明の第3の実施形態を説明するための
断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a third embodiment of the present invention.
【図12】ドライ酸素雰囲気中において700℃で30
分間アニールを行ったTa2 O5膜の薄膜X線回折測定
の結果を示す略線図である。FIG. 12 shows a temperature of 700 ° C. in a dry oxygen atmosphere.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the result of thin-film X-ray diffraction measurement of a Ta 2 O 5 film that has been annealed for one minute.
【図13】この発明の第4の実施形態においてTa2 O
5 膜の成膜後に行われるアニールの条件を種々に変えて
各印加電界でのリーク電流密度の変化を測定した結果を
示す略線図である。FIG. 13 shows a fourth embodiment of the present invention in which Ta 2 O is used.
FIG. 9 is a schematic diagram showing the results of measuring the change in leak current density at each applied electric field while changing the conditions of annealing performed after the formation of five films.
【図14】この発明の第5の実施形態においてTa2 O
5 膜の絶縁性測定のために形成されたキャパシタを示す
断面図である。FIG. 14 shows a fifth embodiment of the present invention in which Ta 2 O is used.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a capacitor formed for measuring the insulation properties of five films.
【図15】この発明の第5の実施形態におけるオゾンア
ニールによるTa2 O5 膜のリーク特性の改善の効果を
説明するための略線図である。FIG. 15 is a schematic diagram for explaining an effect of improving a leak characteristic of a Ta 2 O 5 film by ozone annealing in a fifth embodiment of the present invention.
【図16】この発明の第5の実施形態におけるオゾンア
ニールを行ったTa2 O5 膜の、10kHzから4MH
zまでの周波数領域における容量−周波数特性を示す略
線図である。FIG. 16 is a diagram illustrating a Ta 2 O 5 film subjected to ozone annealing according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating capacitance-frequency characteristics in a frequency region up to z.
【図17】この発明の第6の実施形態を説明するための
断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a sixth embodiment of the present invention.
1・・・基板、2・・・チャンバー、3・・・オゾン発
生器、11、51・・・n+ 型Si基板、12・・・R
TN層、13、28、39、55、69・・・Ta2 O
5 膜、14、56・・・Al電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 2 ... Chamber, 3 ... Ozone generator, 11, 51 ... n + type Si substrate, 12 ... R
TN layer, 13, 28, 39, 55, 69 ... Ta 2 O
5 films, 14, 56 ... Al electrode
Claims (22)
500℃の温度で熱処理を行うようにしたことを特徴と
する酸化物の処理方法。1. The method according to claim 1, further comprising:
A method for treating an oxide, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 ° C.
行うようにしたことを特徴とする請求項1記載の酸化物
の処理方法。2. The method for treating an oxide according to claim 1, wherein said heat treatment is performed at a temperature of 350 to 450 ° C.
するオゾンの体積比で5〜20%であることを特徴とす
る請求項1記載の酸化物の処理方法。3. The method according to claim 1, wherein the concentration of ozone in the atmosphere is 5 to 20% by volume of ozone to oxygen.
ことを特徴とする請求項1記載の酸化物の処理方法。4. The method according to claim 1, wherein said heat treatment is performed under atmospheric pressure.
たことを特徴とする請求項1記載の酸化物の処理方法。5. The method according to claim 1, wherein said heat treatment is performed for 5 to 60 minutes.
うにしたことを特徴とする請求項1記載の酸化物の処理
方法。6. The method according to claim 1, wherein said heat treatment is performed by a rapid heat treatment method.
理室内において上記熱処理を行うようにしたことを特徴
とする請求項1記載の酸化物の処理方法。7. The oxide treatment method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed in a treatment chamber where at least the inner wall is cooled.
特徴とする請求項1記載の酸化物の処理方法。8. The method according to claim 1, wherein the oxide is tantalum oxide.
を有する酸化物に対応する組成を有することを特徴とす
る請求項1記載の酸化物の処理方法。9. The method according to claim 1, wherein the oxide has a composition corresponding to an oxide having a perovskite crystal structure.
酸化物に対応する組成を有することを特徴とする請求項
1記載の酸化物の処理方法。10. The method according to claim 1, wherein the oxide has a composition corresponding to an oxide having a fluorite-type crystal structure.
ゾンを含む雰囲気中において300〜500℃の温度で
上記アモルファス酸化膜の熱処理を行うようにしたこと
を特徴とするアモルファス酸化膜の形成方法。11. A method for forming an amorphous oxide film, wherein after forming the amorphous oxide film, the amorphous oxide film is heat-treated at a temperature of 300 to 500 ° C. in an atmosphere containing ozone.
ス酸化膜を成膜するようにしたことを特徴とする請求項
11記載のアモルファス酸化膜の形成方法。12. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein said amorphous oxide film is formed at a temperature of 500 ° C. or lower.
を行うようにしたことを特徴とする請求項11記載のア
モルファス酸化膜の形成方法。13. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein said heat treatment is performed at a temperature of 350 to 450 ° C.
対するオゾンの体積比で5〜20%であることを特徴と
する請求項11記載のアモルファス酸化膜の形成方法。14. The method according to claim 11, wherein the concentration of ozone in the atmosphere is 5 to 20% by volume of ozone to oxygen.
たことを特徴とする請求項11記載のアモルファス酸化
膜の形成方法。15. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein said heat treatment is performed under atmospheric pressure.
したことを特徴とする請求項11記載のアモルファス酸
化膜の形成方法。16. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein said heat treatment is performed for 5 to 60 minutes.
ようにしたことを特徴とする請求項11記載のアモルフ
ァス酸化膜の形成方法。17. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein said heat treatment is performed by a rapid heat treatment method.
処理室内において上記熱処理を行うようにしたことを特
徴とする請求項11記載のアモルファス酸化膜の形成方
法。18. The method for forming an amorphous oxide film according to claim 11, wherein the heat treatment is performed in a processing chamber in which at least the inner wall is cooled.
ス酸化タンタル膜であることを特徴とする請求項11記
載のアモルファス酸化膜の形成方法。19. The method according to claim 11, wherein the amorphous oxide film is an amorphous tantalum oxide film.
イト型結晶構造を有する酸化物に対応する組成を有する
ことを特徴とする請求項11記載のアモルファス酸化膜
の形成方法。20. The method according to claim 11, wherein the amorphous oxide film has a composition corresponding to an oxide having a perovskite crystal structure.
構造を有する酸化物に対応する組成を有することを特徴
とする請求項11記載のアモルファス酸化膜の形成方
法。21. The method according to claim 11, wherein the amorphous oxide film has a composition corresponding to an oxide having a fluorite crystal structure.
x≦5.5)で表される酸化タンタルからなり、比誘電
率が20以上でかつ1.5×106 V/cmの電界を印
加したときのリーク電流密度が5×10-8A/cm2 以
下であることを特徴とするアモルファス酸化タンタル
膜。22. A composition formula of Ta 2 O x (where 4.5 ≦
x ≦ 5.5), having a relative dielectric constant of 20 or more and a leakage current density of 5 × 10 −8 A / when an electric field of 1.5 × 10 6 V / cm is applied. amorphous tantalum oxide film which is characterized in that cm 2 or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP9264485A JPH10229080A (en) | 1996-12-10 | 1997-09-29 | Processing method of oxide, deposition method of amorphous oxide film and amorphous tantalun oxide film |
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JP8-329824 | 1996-12-10 | ||
JP9264485A JPH10229080A (en) | 1996-12-10 | 1997-09-29 | Processing method of oxide, deposition method of amorphous oxide film and amorphous tantalun oxide film |
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JP (1) | JPH10229080A (en) |
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