JP3207978B2 - Capacitor and method of forming the same - Google Patents
Capacitor and method of forming the sameInfo
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、メモリや薄膜コンデ
ンサ等に用いられるキャパシタの構造およびその形成方
法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a capacitor used for a memory, a thin film capacitor, and the like, and a method of forming the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】次世代の超高集積DRAM(随時書き込
み読み出しメモリ)デバイスのキャパシタ絶縁膜とし
て、現在用いられているSiO2やSi3N4よりも誘電
率が高い誘電体膜を導入しようという動きが産業界で活
発化している。例えば、比誘電率ε=20〜28を持つ
5酸化タンタル(Ta2O5)膜は、古くからディスクリ
ート容量(例えば陽極化成酸化タンタル薄膜コンデン
サ)としての実績があり、その物性、電導機構、信頼性
特性などが広範に調べられていることから、現行のSi
系絶縁膜に最初にとって代わる有力候補とされ、盛んに
開発が進められている。この膜の形成法としては、過去
に陽極酸化法や熱酸化法あるいは反応性スパッタ蒸着法
などさまざまな方式が検討されてきたが、スタック型
(積層型)やトレンチ型(溝型)など複雑なキャパシタ
構造に適合させる必要から、DRAM用途としては被覆
性に優るCVD(化学気相成長)法が適していると考え
られている。しかし誘電体膜には、誘電率が高くなると
リーク電流もそれにつれて増大する傾向があり、CVD
五酸化タンタル膜の場合も例に洩れず、この点が実用化
の難関であった。この問題を克服する方法を探索してい
た本願発明者らは、第34回応用物理学関係連合講演会
1987年(予稿集527頁)において、光CVD法
でシリコン基板上に成膜したTa2O5膜(as-grown)を
強力な紫外光(UV)を照射させた酸素雰囲気中で熱処
理(以下、活性酸素アニールと称する)すると、リーク
電流が従来(as-grown)の1/104〜1/105に低下
する実験事実を公開すると共に、このようなリーク電流
の急落現象には、アニールの際、UV照射で生じたオゾ
ンO3やオゾンの光分解で発生するO(1D)などの活性
酸素と、アニール最中にシリコン基板から膜表面に向か
って拡散するSi原子とが重要な役割を演じていること
を指摘した。この時、成膜に用いた原料は五塩化タンタ
ルTaCl5とO2であった。その後、活性酸素アニール
によるリーク電流の急落現象は、Ta(OC2H5)5+O2
原料系やTa(N(CH3)2)5+O2原料系を用いた他のC
VD酸化タンタル膜でも起こることが他の研究機関で相
ついで報告された(例えば H.Shinriki他, Digest o
f technical papers,1989, Symposium on VLSI Technol
ogy Kyoto,p.25, 1989. C.Isobe and M.Saitoh, App
lied Physics Letters, 56, p.907,1990. T.Tabuc
hi 他, Japan Jounal of Applied Physics, 30, p.L197
4,1991. 等に記載)。こうして発明者らが提案したリー
ク電流低減技術の適用性の広さが示された。2. Description of the Related Art A dielectric film having a higher dielectric constant than currently used SiO 2 or Si 3 N 4 is to be introduced as a capacitor insulating film of a next-generation ultra-high-integration DRAM (ad hoc writing / reading memory) device. The movement is booming in industry. For example, a tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ) film having a relative dielectric constant ε = 20 to 28 has a long track record as a discrete capacitor (for example, an anodized tantalum oxide thin film capacitor). The characteristics of the Si
It is considered to be the first candidate to replace the system insulating film first, and is being actively developed. Various methods such as anodic oxidation, thermal oxidation, and reactive sputter deposition have been studied in the past as a method for forming this film, but complicated methods such as a stack type (laminated type) and a trench type (groove type) have been studied. Because it is necessary to adapt to the capacitor structure, it is considered that a CVD (chemical vapor deposition) method which is superior in covering property is suitable for DRAM applications. However, the dielectric film tends to increase the leakage current as the dielectric constant increases.
The case of a tantalum pentoxide film is not limited to this example, and this point is a difficulty in practical use. The present inventors, who were searching for a method for overcoming this problem, found in the 34th Joint Lecture on Applied Physics, 1987 (Preliminary Proceedings, p. 527) that a Ta 2 film formed on a silicon substrate by photo-CVD was used. When the O 5 film (as-grown) is heat-treated (hereinafter referred to as active oxygen annealing) in an oxygen atmosphere irradiated with strong ultraviolet light (UV), the leak current becomes 1/10 4 of the conventional (as-grown). In addition to disclosing the experimental facts that are reduced to 1 / 1/10 5 , such a sudden decrease in leak current includes ozone O 3 generated by UV irradiation and O ( 1 D) generated by photodecomposition of ozone during annealing. ) And Si atoms that diffuse from the silicon substrate toward the film surface during annealing play an important role. At this time, the raw materials used for the film formation were tantalum pentachloride TaCl 5 and O 2 . Thereafter, the phenomenon of a sharp drop in the leak current due to the active oxygen annealing is caused by Ta (OC 2 H 5 ) 5 + O 2
Raw material system and other C using Ta (N (CH 3 ) 2 ) 5 + O 2 raw material system
It has been reported by other research institutes that this phenomenon also occurs in VD tantalum oxide films (eg, H. Shinriki et al., Digesto).
f technical papers, 1989, Symposium on VLSI Technol
ogy Kyoto, p.25, 1989. C. Isobe and M. Saitoh, App
lied Physics Letters, 56, p. 907, 1990.T. Tabuc
hi et al., Japan Jounal of Applied Physics, 30, p.L197
4,1991.). Thus, the applicability of the leak current reduction technology proposed by the inventors was shown.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、発明者
が提案した前記の方法においては、リーク電流の減少を
誘起するためには、下部電極(あるいは基板)がSiを
含む材料である必要があった。DRAM、その他将来の
半導体素子技術への適用を考えるとき、このような下部
電極材料に関する制約は、このリーク低減技術の魅力を
減じる要因となっていた。そこでこの点に鑑み、本発明
者らは、下部電極がSi系材料に限定されない新規な低
リーク電流CVD膜形成方法について二つの発明を行な
い、既に出願している(特願昭62−206973
号)。上記の先行出願に記載した第1の方法は、形成す
べき酸化物薄膜の原料蒸気と共にSi2Cl6やSi(O
CH3)4等のシリコン原料蒸気を0.01〜20原子%混
合して反応器内に供給してCVD堆積する方法である。
また、このような成膜法と前記の活性酸素アニールを組
み合わせてもよい。上記の方法では、電界強度1MV/
cmで約10~8A/cm2程度の低リーク電流を比較的
安定に実現できることが確認されている。ところで本発
明者らは、最近、詳細な研究(第52回応用物理学会学
術講演会予稿集、p.122、1992年)を行ない、
リーク電流の原因となる欠陥を修復するのに必要なSi
の膜内の最適濃度は0.1原子%未満にあり、最適濃度
付近では10~11A/cm2(電界1MV/cmで)以下
にリークを抑制できることを示すと共に、過剰なSi濃
度を与えるとリーク電流が逆に増大(最適濃度のリーク
電流に比較して)することもあることを明らかにした。
そして、直径8インチのウェーハなどのような大型基板
の全域にわたって極低リーク電流膜を実現しようとすれ
ば、前記第1の方法ではSi/Ta原料蒸気混合比を1
0~3以下の最適値に精密に合わせ、かつ基板面のいたる
ところで濃度および濃度比がばらつかないように両原料
蒸気を供給しなければならない。しかしながら、3桁に
も及ぶ混合比を面内で均一に与えるCVDは今日でもま
だ報告されておらず、実用化への道のりはまだまだ遠い
のが実状である。一方、下部電極がSi系材料に限定さ
れる問題を解決する第2の方法は、形成すべきTa2O5
等の酸化物薄膜の間に、少なくとも1層の、厚みにして
全膜厚の1/100〜1/10のシリコン酸化物層を形
成する方法、もしくはこのようにして形成した積層膜を
さらに前述の活性酸素アニールする方法である。この方
法を適用すると、電界強度1MV/cmで約10~8A/
cm2程度にリーク電流を低減することが出来る。この
方法の難点は厚みの制限である。将来のDRAMのキャ
パシタでは、厚みにして15nm以下の酸化物薄膜を実
現する必要がある。ところがこのような酸化物薄膜に適
合しようとすると、シリコン酸化物層の厚みは僅か1.
5nm〜0.15nmとなり、このような薄い膜を現行
のCVD技術で面内に均一にかつ安定して形成すること
は、容易なことではない。なお、シリコン酸化膜の1分
子層は約0.4nmなので0.15nmの膜はそもそも存
在し得ないという原理的な問題もある。However, in the above-mentioned method proposed by the inventor, the lower electrode (or substrate) needs to be made of a material containing Si in order to induce a decrease in leakage current. . When considering application to DRAMs and other future semiconductor device technologies, such restrictions on the lower electrode material have been a factor that reduces the attractiveness of the leak reduction technology. In view of this point, the present inventors have made two inventions and have already filed applications for a novel method of forming a low-leakage current CVD film in which the lower electrode is not limited to a Si-based material (Japanese Patent Application No. 62-206973).
issue). In the first method described in the above-mentioned prior application, Si 2 Cl 6 or Si (O (O)
In this method, a silicon raw material vapor such as CH 3 ) 4 is mixed in an amount of 0.01 to 20 atomic% and supplied into the reactor for CVD deposition.
Further, such a film forming method and the above-described active oxygen annealing may be combined. In the above method, the electric field strength is 1 MV /
It has been confirmed that a low leakage current of about 10 to 8 A / cm 2 can be realized relatively stably in cm. By the way, the present inventors have recently conducted a detailed study (the 52nd JSAP meeting proceedings, p.122, 1992).
Si necessary to repair defects that cause leakage current
The optimum concentration in the film is less than 0.1 atomic%, indicating that the leak can be suppressed to 10 to 11 A / cm 2 (at an electric field of 1 MV / cm) or less near the optimum concentration, and an excessive Si concentration is given. And that the leakage current may be increased (compared to the optimal concentration of leakage current).
In order to realize an extremely low leakage current film over the entire area of a large substrate such as a wafer having a diameter of 8 inches, the first method requires that the Si / Ta raw material vapor mixture ratio be 1%.
Both raw material vapors must be supplied precisely to the optimum value of 0 to 3 or less and so that the concentration and the concentration ratio do not vary throughout the substrate surface. However, CVD which provides a mixing ratio of up to three orders in a plane uniformly has not yet been reported even today, and the reality is that the road to practical use is still far away. On the other hand, a second method for solving the problem that the lower electrode is limited to the Si-based material is to use Ta 2 O 5 to be formed.
A method of forming at least one silicon oxide layer having a thickness of 1/100 to 1/10 of the total thickness between oxide thin films such as This is a method of annealing with active oxygen. When this method is applied, about 10 to 8 A / at an electric field strength of 1 MV / cm.
The leak current can be reduced to about cm 2 . The drawback of this method is the thickness limitation. In future DRAM capacitors, it is necessary to realize an oxide thin film having a thickness of 15 nm or less. However, in order to conform to such an oxide thin film, the thickness of the silicon oxide layer is only 1.
It is 5 nm to 0.15 nm, and it is not easy to form such a thin film uniformly and stably in a plane by the current CVD technique. In addition, since a monolayer of a silicon oxide film is about 0.4 nm, there is also a fundamental problem that a 0.15 nm film cannot exist at all.
【0004】さらに加えて、第1および第2の方法に共
通する問題として、活性酸素アニールによるリーク電流
低減の効果が減退してしまうという問題が挙げられる。
これは次のような理由によるものである。最近、発明者
らが得た知見(第38回応用物理学関係連合講演会、
p.596、1991年)によると、活性酸素アニール
によるリーク電流の減少は、Ta2O5と下地Si電極
(基板)との界面付近に取り込まれたエレメンタルなS
i(酸素と結合していないSi)がTa2O5膜表面に向
かって拡散していく過程で生じる。すなわち、Ta2O5
膜の内部に存在する欠陥が外因性のエレメンタルなSi
と活性酸素とによって修復され、それによってリーク電
流が減少するのである。ところが前記の先行出願である
特願昭62−206973号におけるSi原子は、Ta
2O5膜の一部として取り込まれた酸化物(SiO2)と
してSi原子であるから、化学結合を通して周辺の原子
に強く束縛されているので、活性酸素雰囲気に晒された
としても表面に向かって拡散することは非常に困難であ
る。また、過剰にアニールするなどして拡散を無理に起
こさせたとしても、確かにTa2O5膜内部の欠陥は修復
されるかもしれないが、Siが抜けた空孔が別種の欠陥
として膜内に取り残されることになる。そしてこのSi
空孔(すなわち欠陥)が新たなリーク電流発生源となる
のである。結局、前記先行出願では、アニールでTa2
O5膜の既存の欠陥を修復する一方で新しい欠陥を発生
させることになるので、欠陥を根本的に低減することに
はならない。結果として活性酸素アニールしてもリーク
電流低減の効果は顕著には見られない。In addition, as a problem common to the first and second methods, there is a problem that the effect of reducing the leak current by active oxygen annealing is reduced.
This is due to the following reasons. Recently, the findings obtained by the inventors (38th Lecture Meeting on Applied Physics,
p. 596, 1991), the decrease in the leak current due to the active oxygen annealing is caused by the elemental S introduced in the vicinity of the interface between Ta 2 O 5 and the underlying Si electrode (substrate).
It occurs in the process of i (Si not bonded to oxygen) diffusing toward the Ta 2 O 5 film surface. That is, Ta 2 O 5
Defects inside the film are extrinsic elemental Si
And active oxygen, thereby reducing the leakage current. However, the Si atom in the aforementioned Japanese Patent Application No. 62-206973 is Ta
Since it is a Si atom as an oxide (SiO 2 ) taken in as a part of the 2 O 5 film, it is strongly bound to surrounding atoms through a chemical bond, so that it is directed toward the surface even when exposed to an active oxygen atmosphere. It is very difficult to spread. Further, even if the diffusion is forcibly caused by, for example, excessive annealing, the defect inside the Ta 2 O 5 film may certainly be repaired, but the vacancy from which Si has escaped may be regarded as another type of defect. Will be left behind. And this Si
The vacancies (ie, defects) become a new leak current source. After all, in the above-mentioned prior application, Ta 2
Since a new defect is generated while an existing defect of the O 5 film is repaired, the defect is not fundamentally reduced. As a result, even when active oxygen annealing is performed, the effect of reducing the leak current is not significantly observed.
【0005】本発明は、上記のごとき従来技術の問題を
解決するためになされたものであり、リーク電流が極め
て少ないキャパシタを下部電極材料にかかわらず実現す
ることの出来るキャパシタの構造およびその形成方法を
提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and a capacitor structure and a method of forming the same capable of realizing a capacitor having extremely low leakage current regardless of the material of the lower electrode. The purpose is to provide.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の請求項1に記載の形成方法においては、C
VDで形成した誘電体薄膜の膜厚の中心点と下部電極と
の間にドーズ濃度が最大値となる位置が来るように上記
誘電体膜にSi原子を適量イオン注入するか、または下
部電極にSi原子を適量イオン注入したのち、誘電体薄
膜または誘電体薄膜と下部電極を活性酸素雰囲気でアニ
ールするように構成したものである。また、請求項2に
記載のキャパシタにおいては、下部電極近傍の誘電体膜
内部に、活性酸素酸化シリコン分散層を設けるように構
成している。この活性酸素酸化シリコン層とは、例えば
後記図7の実施例における活性酸素酸化シリコン層5に
相当し、例えば下記請求項3に記載のように、極めて薄
いエレメンタル・シリコン層を活性酸素雰囲気中で熱処
理することによって形成したものである。また、請求項
3および請求項4は、上記請求項2に記載のキャパシタ
を形成する方法であり、請求項3においては、下部電極
上に誘電体膜を形成し、その後、上部電極を形成するキ
ャパシタの形成方法において、上記上部電極を形成する
以前に、上記下部電極と上記誘電体膜との界面もしくは
該界面近傍の誘電体膜中に、一過性の薄いエレメンタル
・シリコン層を形成する工程と、上記上部電極を形成す
るまでに、上記エレメンタル・シリコン層を含有する誘
電体膜を活性酸素雰囲気中で熱処理し、上記エレメンタ
ル・シリコン層を活性酸素酸化シリコン分散層に転化さ
せる工程と、を付加するように構成したものである。ま
た、請求項4においては、請求項3に記載の形成方法に
おいて上記誘電体膜と上記エレメンタル・シリコン層と
を同一反応器で連続的に化学気相成長させるように構成
したものである。なお、上記のエレメンタル・シリコン
層は物理的成膜手段あるいは化学的成膜手段のいずれに
よって形成してもよい。上記の物理的成膜手段とは、例
えばスパッタリング法、電子ビーム蒸着法、分子線エピ
タキシ法等であり、化学的成膜手段とは、例えば各種の
CVD法等である。また、上記のエレメンタル・シリコ
ン層とは、酸素と結合していないSiの層を意味する。
なお、請求項1の形成方法は、例えば後記図1〜図3の
実施例に相当し、請求項2に記載のキャパシタは、例え
ば後記図7の実施例に相当し、また、請求項3に記載の
形成方法は、例えば後記図8〜図10の実施例に相当
し、請求項4に記載の形成方法は、例えば後記図9の実
施例に相当する。According to a first aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device, comprising the steps of:
The center point of the thickness of the dielectric thin film formed by VD and the lower electrode
So that the position where the dose concentration reaches the maximum value is
Or an appropriate amount ion implantation of Si atoms in the dielectric film, or After qs Ion implanting S i atom to the lower electrode, obtained by forming the dielectric thin film or dielectric thin film and the lower electrode to anneal with active oxygen atmosphere is there. Further, in the capacitor according to the second aspect, the active oxygen silicon oxide dispersed layer is provided inside the dielectric film near the lower electrode. The active oxygen silicon oxide layer corresponds to, for example, the active oxygen silicon oxide layer 5 in the embodiment of FIG. 7 described later. For example, as described in the following claim 3, an extremely thin elemental silicon layer is formed in an active oxygen atmosphere. It is formed by heat treatment. According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of forming a capacitor according to the second aspect. In the third aspect, a dielectric film is formed on a lower electrode, and thereafter, an upper electrode is formed. Forming a transient thin elemental silicon layer in an interface between the lower electrode and the dielectric film or in a dielectric film near the interface before forming the upper electrode in the method of forming a capacitor; And, before forming the upper electrode, heat-treating the dielectric film containing the elemental silicon layer in an active oxygen atmosphere to convert the elemental silicon layer to an active oxygen silicon oxide dispersion layer. It is configured to be added. According to a fourth aspect of the present invention, in the formation method of the third aspect, the dielectric film and the elemental silicon layer are continuously grown by chemical vapor deposition in the same reactor. The above-mentioned elemental silicon layer may be formed by either a physical film forming means or a chemical film forming means. The physical film forming means is, for example, a sputtering method, an electron beam evaporation method, a molecular beam epitaxy method, etc., and the chemical film forming means is, for example, various CVD methods. Further, the above-mentioned elemental silicon layer means a layer of Si not bonded to oxygen.
The method of claim 1 corresponds to, for example, the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 described below, and the capacitor described in claim 2 corresponds to, for example, the embodiment shown in FIG. 7 described later. The described forming method corresponds to, for example, an embodiment of FIGS. 8 to 10 described later, and a forming method of claim 4 corresponds to, for example, an embodiment of FIG. 9 described later.
【0007】[0007]
【作用】前記従来技術の問題でも述べたように、活性酸
素アニールによるリーク電流の減少は、Ta2O55と
下地Si電極(基板)との界面付近に取り込まれたエレ
メンタルなSiがTa2O5膜表面に向かって拡散して
いく過程で、Ta2O5膜の内部に存在する欠陥を活性
酸素と共同で修復することによって生じるものと推察さ
れる。ところが前記先行出願・特願昭62−20697
3号に記載の方法においては、Ta2O5膜に取り込ま
れたSi原子は酸化物として存在する内因性Siであっ
た。これが活性酸素アニールで表面に拡散した後、Si
が抜けたところが別種の点欠陥として膜内に取り残され
ることになる。このSi空孔は新たなリーク電流発生源
となるのである。したがって、上記先行出願に記載の方
法では、アニールでTa2O5膜の既存の欠陥を修復す
る一方で新しい点欠陥を発生させることになり、結果と
して活性酸素アニールの効果が減退するのである。これ
に対して、本発明においては、誘電体膜の膜厚の中心点
と下部電極との間にドーズ濃度が最大値となる位置が来
るように上記誘電体膜にシリコン原子をイオン注入する
か、もしくは下部電極にシリコン原子をイオン注入する
か、または下部電極近傍の誘電体膜中あるいは下部電極
/誘電体膜界面にアモルファスSiやポリSiのような
エレメンタル・シリコンを介在させる。このような極く
薄いSi膜の上に誘電体膜を積層すると、アモルファス
Si膜の一部が薄い酸化物に転じる一方で、残りがエレ
メンタルなSi原子として近くのTa2O5膜中に取り
込まれることが最近実施した分析結果から判明してい
る。このようにエレメンタル状態で取り込まれたSi
は、活性酸素アニールされると、誘電体表面に向かって
容易に外方拡散することが出来るから、結果としてリー
ク電流を大幅に減少させることが出来る。また、エレメ
ンタルSiとして取り込まれていることから、拡散後に
もと存在していた地点に点欠陥(空孔)を残すこともな
い。このようにして本発明では活性酸素アニールによる
リーク電流低減の効果が減退することなく、極めて顕著
に現われることになるのである。[Action] As described in the above prior art problems, reduction in the leakage current due to active oxygen annealing, Ta 2 O5 5 and the underlying Si electrode Elemental of Si incorporated into the vicinity of the interface is Ta 2 O with (substrate) 5 process diffuses towards the membrane surface, it is presumed to arise by repairing defects present in the interior of the Ta 2 O 5 film jointly with active oxygen. However, the above-mentioned prior application / Japanese Patent Application No. 62-20697
In the method described in No. 3, the Si atoms incorporated into the Ta 2 O 5 film were endogenous Si existing as oxides. After this diffuses to the surface by active oxygen annealing, Si
Is left in the film as another kind of point defect. This Si vacancy becomes a new leak current generation source. Therefore, in the method described in the above-mentioned prior application, a new point defect is generated while the existing defect of the Ta 2 O 5 film is repaired by annealing, and as a result, the effect of the active oxygen annealing is reduced. On the other hand, in the present invention, the center point of the thickness of the dielectric film is
The position where the dose concentration reaches the maximum value is
Implantation of silicon atoms into the above dielectric film
Or or or ion implantation of silicon atoms in the lower electrode, or to the dielectric film or the lower electrode / dielectric layer interface in the vicinity of the lower electrode interposed Elemental silicon, such as amorphous Si or poly-Si. When a dielectric film is laminated on such an extremely thin Si film, a part of the amorphous Si film is turned into a thin oxide, while the rest is taken into nearby Ta 2 O 5 films as elemental Si atoms. It is clear from the results of a recent analysis. Thus, Si taken in the elemental state
Can be easily diffused outward toward the dielectric surface when annealed with active oxygen, so that the leakage current can be greatly reduced. Further, since they are taken in as elemental Si, they do not leave point defects (voids) at the points that originally existed after the diffusion. As described above, in the present invention, the effect of reducing the leak current by the active oxygen annealing appears very remarkably without decreasing.
【0008】[0008]
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて具体的に
説明するが、その前に本発明の説明に共通して用いられ
るキャパシタの構造と光CVDならびに活性酸素アニー
ルについて簡単に説明する。図5は、DRAMなどのL
SIの容量素子として用いられるキャパシタの概念的な
要部断面図である。図5において、1はSiあるいはS
iO2などで構成される基板、2は基板1の上にスパッ
タリング蒸着あるいはCVD法などで成膜した後、フォ
トリソグラフィなどで所定の形状に加工した薄膜の下部
電極である。電極の材料はSiである必要はなく、最大
400℃程度の熱に耐えられるものなら何でも構わな
い。例えばMoやW、Ptなどの金属、あるいはITO
(酸化インジウム・酸化錫混合物)やRuO2などの非
金属導電膜などである。下部電極2の上部にはCVD法
で堆積した酸化物の誘電体膜3が載置される。なお、以
下の実施例では、誘電体膜3の材料として光CVDで堆
積したTa2O5膜を例に挙げて説明することにするが、
特にこれに限定されるものではなく、遷移金属酸化膜
(例えばHfO2、TiO2、Nb2O5、PbTiO3な
ど)であれば、いずれも同等の望ましい効果が得られ
る。また、CVD法としては、減圧CVD、常圧CV
D、光CVD、プラズマCVDなどが等しく適用可能で
ある。また、CVD法以外に、真空蒸着法、スパッタリ
ング蒸着法、ゾルゲル法、分子線蒸着法などで成膜した
誘電体膜にも等しく適用可能である。また、上部電極4
は、誘電体膜3の上にスパッタリング蒸着あるいは電子
ビーム蒸着法などで成膜した後、フォトリソグラフィな
どで所定のパターンに形状化されたものである。典型的
な材料はAlやW、ポリSiであるが、実際には材料の
種類を問わない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments. Before that, the structure of a capacitor commonly used in the description of the present invention, photo-CVD and active oxygen annealing will be briefly described. FIG.
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view of a principal part of a capacitor used as a capacitance element of an SI. In FIG. 5, 1 is Si or S
The substrate 2 composed of iO 2 or the like is a lower electrode of a thin film formed on the substrate 1 by sputtering deposition or CVD, and then processed into a predetermined shape by photolithography or the like. The material of the electrode does not need to be Si, and any material can be used as long as it can withstand a heat of about 400 ° C. at the maximum. For example, metals such as Mo, W, and Pt, or ITO
(A mixture of indium oxide and tin oxide) and a nonmetallic conductive film such as RuO 2 . An oxide dielectric film 3 deposited by a CVD method is placed on the lower electrode 2. In the following examples, a Ta 2 O 5 film deposited by photo-CVD will be described as an example of the material of the dielectric film 3.
The present invention is not particularly limited thereto, and any transition metal oxide film (for example, HfO 2 , TiO 2 , Nb 2 O 5 , PbTiO 3, etc.) can provide the same desirable effects. As the CVD method, reduced pressure CVD, normal pressure CV
D, photo CVD, plasma CVD and the like are equally applicable. In addition to the CVD method, the present invention is equally applicable to a dielectric film formed by a vacuum evaporation method, a sputtering evaporation method, a sol-gel method, a molecular beam evaporation method, or the like. Also, the upper electrode 4
Is formed on the dielectric film 3 by sputtering evaporation or electron beam evaporation, and then formed into a predetermined pattern by photolithography or the like. Typical materials are Al, W, and poly-Si, but are not limited to actual types of materials.
【0009】次に、酸素O2と塩化タンタルTaCl5を
原料にして堆積するTa2O5膜の光CVDについて簡単
にのべる。なお、詳細は米国電気化学協会論文誌(Jour
nalof the Electrochemical Society) 第139巻 第
320頁に記載されている。図6は、励起光源として低
圧水銀灯10を備えた光CVD装置の要部断面図であ
る。図6において、11は反応器、12は反応器の排ガ
スを排気して反応器内の圧力を減圧するための真空ポン
プ、13はTa2O5膜を堆積するべき基板、14は基板
13を支持して所定の温度に保持するためのサセプタ、
15は低圧水銀灯10から射出された紫外励起線を反応
器の減圧状態を損なうことなく基板13の表面に照射す
るための合成石英窓である。堆積に際しては、原料ライ
ン16からのTaCl5蒸気と原料ライン17からのO2
ガスと共にパージライン18からのN2ガスが反応器内
に供給される。TaCl5蒸気は純度99.9999%の
TaCl5粉末20が充填された昇華装置19で蒸気化
され、N2キャリアガスによって反応器まで輸送される
ようなっている。上記の装置における典型的な光CVD
の条件は次のようなものである。 Ta2O5成膜条件 成膜圧力 7torr 成膜温度 300℃ 励起強度 2.5mW/cm2(185nm) 63 mW/cm2(254nm) TaCl5昇華温度 56℃ ガス流量 O2 50cc/
min TaCl5キャリア(N2) 10cc/min N2パージ 100cc/min 続いて活性酸素アニールの一方法を説明する。ここでは
図6の光CVD装置を活性酸素アニール装置に流用する
方法を説明する。もちろんアニール専用装置を造ってこ
れに供してもよいことは言うまでもない。図6におい
て、Ta2O5膜を堆積させた基板13をサセプタ14の
上に保持し、直ちに反応器11内の大気を真空排気す
る。内部の圧力が10~5torr台に到達したところで
排気を停止し、原料ライン17からO2ガスを速やかに
導入する。反応器の内圧が大気圧になったところで、常
圧排出弁21を開口し、以後導入される余剰なO2ガス
を継続的に反応器外に排出する。こうすることによって
反応器11を大気圧純酸素雰囲気に維持することができ
る。大気圧純酸素雰囲気が達成されたところで低圧水銀
灯10から基板13に向けて紫外励起線を射出し、活性
酸素アニールを開始する。典型的なアニール条件を下記
に示す。なお、純酸素の替わりにO3を数%含有した酸
素を用いると熱処理所要時間を短縮することが出来る。 活性酸素アニール条件 容器圧力 大気圧 処理温度 400℃ 励起強度 2.5mW/cm2(185nm) 20.3mW/cm2(254nm) O2流量 50cc/min 以上、実施例に共通する工程の説明を終えたところで、
本発明の具体的な実施例を説明する。Next, photo-CVD of a Ta 2 O 5 film deposited using oxygen O 2 and tantalum chloride TaCl 5 as raw materials will be briefly described. For details, see the Transactions of the Electrochemical Society of America (Jour
nal of the Electrochemical Society), Vol. 139, page 320. FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of an optical CVD apparatus provided with a low-pressure mercury lamp 10 as an excitation light source. In FIG. 6, reference numeral 11 denotes a reactor, 12 denotes a vacuum pump for exhausting exhaust gas from the reactor to reduce the pressure in the reactor, 13 denotes a substrate on which a Ta 2 O 5 film is to be deposited, and 14 denotes a substrate. A susceptor for supporting and maintaining a predetermined temperature,
Reference numeral 15 denotes a synthetic quartz window for irradiating ultraviolet excitation rays emitted from the low-pressure mercury lamp 10 to the surface of the substrate 13 without impairing the reduced pressure state of the reactor. At the time of deposition, TaCl 5 vapor from the raw material line 16 and O 2
N 2 gas from the purge line 18 is supplied into the reactor together with the gas. TaCl 5 vapor is vaporized in a sublimation device 19 filled with TaCl 5 powder 20 having a purity of 99.9999%, and is transported to the reactor by a N 2 carrier gas. Typical photo CVD in the above apparatus
Are as follows. Ta 2 O 5 deposition conditions formation pressure 7torr deposition temperature 300 ° C. excitation intensity 2.5mW / cm 2 (185nm) 63 mW / cm 2 (254nm) TaCl 5 sublimation temperature 56 ° C. Gas flow rate O 2 50 cc /
min TaCl 5 carrier (N 2 ) 10 cc / min N 2 purge 100 cc / min Next, one method of active oxygen annealing will be described. Here, a method of diverting the optical CVD apparatus of FIG. 6 to an active oxygen annealing apparatus will be described. Of course, it goes without saying that a device dedicated to annealing may be manufactured and provided for this purpose. In FIG. 6, the substrate 13 on which the Ta 2 O 5 film is deposited is held on the susceptor 14, and the atmosphere in the reactor 11 is immediately evacuated. When the internal pressure reaches the level of 10 to 5 torr, the exhaust is stopped, and O 2 gas is quickly introduced from the raw material line 17. When the internal pressure of the reactor reaches the atmospheric pressure, the normal pressure discharge valve 21 is opened, and excess O 2 gas introduced thereafter is continuously discharged to the outside of the reactor. By doing so, the reactor 11 can be maintained in a pure oxygen atmosphere at atmospheric pressure. When the atmospheric pressure pure oxygen atmosphere is achieved, ultraviolet excitation rays are emitted from the low-pressure mercury lamp 10 toward the substrate 13 to start active oxygen annealing. Typical annealing conditions are shown below. When oxygen containing several% of O 3 is used instead of pure oxygen, the time required for the heat treatment can be shortened. Active oxygen annealing conditions Vessel pressure Atmospheric pressure Processing temperature 400 ° C Excitation intensity 2.5 mW / cm 2 (185 nm) 20.3 mW / cm 2 (254 nm) O 2 flow rate 50 cc / min Where
A specific example of the present invention will be described.
【0010】図1は、本発明の第1の実施例を示す工程
図である。図1において、まず、工程では、フィール
ド酸化膜として厚み600nmの熱酸化SiO2を成長
させたSi基板に、下部電極材料Moを前記のようにス
パッタリング法で約200nmの厚みに成膜し、フォト
リソグラフィで所定の形状に加工する。次に、工程で
は、Mo下部電極が形成されたSi基板を高純度の有機
系溶剤や希フッ酸系溶液を用いて充分洗浄する。次に、
工程では、洗浄が済んで乾燥させたMo下部電極を含
む基板全面に前記の光CVD法で厚み約40nmのTa
2O5膜を堆積させる。次に、工程では、形成したTa
2O5膜に周知のイオン注入装置を用いてSi原子をドー
ズ量にして約1015〔個/cm2〕だけ打ち込む。この
時、ドーズ濃度の最大値を与える位置(深さ)が、少な
くとも膜厚の中心点と、Ta2O5膜と下部電極との界面
との間に来るようにイオン加速電圧を調節する。次に、
工程では、イオン注入を終えたTa2O5に対して、約
50分の活性酸素アニールを施す。アニールの手順と条
件は前記のとおりである。次に、工程では、アニール
後にTa2O5膜表面に付着した汚染物を除去するため
に、希フッ酸浸漬処理とRCA洗浄(塩酸+過酸化水素
水混合液洗浄と水酸化アンモニウム液+過酸化水素水混
合液洗浄の組合せ)などの洗浄を行なう。なお、RCA
洗浄剤に耐えられない基板が使用されている場合には、
RCA洗浄に替えて、有機系洗浄を用いることもでき
る。次に、工程では、Ta2O5膜の上に任意の電極材
料、例えばMoをスパッタリング蒸着法などのような手
段で成膜し、フォトリソグラフィを用いることによって
上部電極を形成し、キャパシタ構造が完成する。FIG. 1 is a process chart showing a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, first, in a process, a lower electrode material Mo is formed to a thickness of about 200 nm by the sputtering method on a Si substrate on which a thermally oxidized SiO 2 having a thickness of 600 nm is grown as a field oxide film as described above. It is processed into a predetermined shape by lithography. Next, in the step, the Si substrate on which the Mo lower electrode is formed is sufficiently cleaned using a high-purity organic solvent or a diluted hydrofluoric acid-based solution. next,
In the step, a Ta film having a thickness of about 40 nm is
Deposit a 2 O 5 film. Next, in the process, the formed Ta
Using a well-known ion implantation apparatus, a dose of about 10 15 [atoms / cm 2 ] of Si atoms is implanted into the 2 O 5 film. At this time, the ion acceleration voltage is adjusted so that the position (depth) at which the maximum value of the dose concentration is provided is at least between the center point of the film thickness and the interface between the Ta 2 O 5 film and the lower electrode. next,
In the step, active oxygen annealing is performed on the Ta 2 O 5 after the ion implantation for about 50 minutes. The annealing procedure and conditions are as described above. Next, in the process, dilute hydrofluoric acid immersion treatment and RCA cleaning (cleaning of a mixed solution of hydrochloric acid + hydrogen peroxide solution, ammonium hydroxide solution + peroxide) were performed to remove contaminants adhering to the Ta 2 O 5 film surface after annealing. Cleaning such as cleaning with a mixed solution of hydrogen oxide water). RCA
If a substrate that cannot withstand the cleaning agent is used,
Organic cleaning may be used instead of RCA cleaning. Next, in the step, an arbitrary electrode material, for example, Mo is formed on the Ta 2 O 5 film by a method such as a sputtering deposition method, and an upper electrode is formed by using photolithography. Complete.
【0011】次に作用を説明する。図4は本発明の第1
〜第3の実施例で作製されたキャパシタと従来例のキャ
パシタとにおけるリーク電流特性を示す特性図である。
図4において、(iii)は上記本発明の第1の実施例に
基づいて作製したキャパシタのリーク電流特性である。
また、(i)はMo下部電極の上に光CVDでTa2O5
膜を堆積し、付加的な処理を施さずにMo上部電極を形
成して作製したキャパシタ(すなわち第1の実施例の工
程〜を除いたものであり、以下これをas-grown膜キ
ャパシタと称する)のリーク電流特性、(ii)は本発明
者らの先行出願・特願昭62−206973号に基づい
て作製したキャパシタ(以下これを先願例キャパシタと
称する)のリーク電流特性である。また、図4の縦軸は
対数で目盛ったリーク電流値log(J)、横軸はキャ
パシタのTa2O5膜に印加される電界強度を平方根√E
で整理したものである。図4の特性において、電界強度
1MV/cm2付近で比較すると、第1の実施例(iii)
のキャパシタのリーク電流値は、as-grown膜キャパシタ
(i)の6〜7桁低い値を示していることが判る。この
ように本実施例においては、活性酸素アニールによるリ
ーク電流軽減の効果を非常に効率的に発現させることが
できる。さらに本実施例の値は先願例キャパシタ(ii)
のリーク電流値よりも2〜3桁も低い値であり、特性
(ii)と(iii)の比較から本実施例の技術的優位性は
明白である。Next, the operation will be described. FIG. 4 shows the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a characteristic diagram showing leakage current characteristics of the capacitors manufactured in the third to third embodiments and the conventional capacitor.
In FIG. 4, (iii) shows the leakage current characteristics of the capacitor manufactured based on the first embodiment of the present invention.
(I) shows Ta 2 O 5 on the Mo lower electrode by photo CVD.
A capacitor fabricated by depositing a film and forming an Mo upper electrode without performing any additional processing (that is, excluding steps 1 to 3 of the first embodiment, hereinafter referred to as an as-grown film capacitor) ) And (ii) are the leakage current characteristics of a capacitor (hereinafter referred to as a prior art capacitor) manufactured based on the prior application and Japanese Patent Application No. 62-206973 of the present inventors. The vertical axis of FIG. 4 is a logarithmic scale of the leak current log (J), and the horizontal axis is the square root of the electric field intensity applied to the Ta 2 O 5 film of the capacitor.
It is arranged in. When the characteristics of FIG. 4 are compared near the electric field strength of 1 MV / cm 2 , the first embodiment (iii)
It can be seen that the leakage current value of the capacitor of No. 6 shows a value 6 to 7 orders of magnitude lower than that of the as-grown film capacitor (i). As described above, in the present embodiment, the effect of reducing the leak current by the active oxygen annealing can be very efficiently exhibited. Further, the value of the present embodiment is the value of the capacitor (ii) of the prior application.
Is two to three orders of magnitude lower than the leakage current value of the present example, and the technical superiority of this embodiment is apparent from the comparison between the characteristics (ii) and (iii).
【0012】次に、本発明の第2の実施例について説明
する。図2は、本発明の第2の実施例を示す工程図であ
る。図2の'〜'の工程は、前記図1の実施例におけ
る〜の工程と同じ記載であるが、具体的な内容が異
なっている部分がある。図2において、工程'〜工程
'の部分は、前記図1の工程〜工程と同様であ
る。次に、工程'では、周知のイオン注入装置を用い
て、Ta2O5膜を通してMo下部電極の表層にSi原子
を打ち込む。ドーズ量は約1015〔個/cm2〕程度で
ある。この際、非常に重要な点は、ドーズ濃度の最大値
を与える位置(深さ)がTa2O5膜と下部電極との界面
から10nm以内、好ましくは5nm以内に収まるよう
イオン加速電圧を調節することである。すなわち、前記
第1の実施例においてはTa2O5膜にSi原子を打ち込
んでいるが、本実施例においてはMo下部電極の表層に
Si原子を打ち込む点が異なっている。次に、工程'
では、上記のイオン注入を終えたTa2O5膜とMo下部
電極に対して活性酸素アニールを施す。このアニールの
手順と条件は前記図1の工程とほぼ同様であるが、最
適なアニール時間は下部電極の種類、Siドーズ量、打
ち込みの深さによって変わる。例えば、Mo下部電極の
深さ5nmに1015〔個/cm2〕のSiが注入されて
いる場合には約90分でアニールが終了する。その後の
工程'および工程'は、図1の工程および工程と
同様である。前記図4の特性図において、(iv)は上記
第2の実施例によって作製したキャパシタのリーク電流
特性である。図示のごとく、本実施例においても先願例
キャパシタ(ii)に比べて約2桁程度リーク電流が軽減
されていることが判る。この第2の実施例に示すよう
に、Ta2O5膜にではなく、その下に位置する下部電極
表層にSi原子を注入しても、第1の実施例と同等のリ
ーク電流の軽減効果が得られる。Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a process chart showing a second embodiment of the present invention. Steps "-" in FIG. 2 are the same as those described in "-" in the embodiment of FIG. 1, but there are differences in specific contents. In FIG.
The portions indicated by 'are the same as the steps 1 to 3 in FIG. Next, in step ', Si atoms are implanted into the surface layer of the Mo lower electrode through the Ta 2 O 5 film using a well-known ion implantation apparatus. The dose is about 10 15 [pieces / cm 2 ]. At this time, it is very important to adjust the ion acceleration voltage so that the position (depth) at which the maximum value of the dose concentration is provided falls within 10 nm, preferably 5 nm, from the interface between the Ta 2 O 5 film and the lower electrode. It is to be. That is, in the first embodiment, Si atoms are implanted into the Ta 2 O 5 film, but in this embodiment, Si atoms are implanted into the surface layer of the Mo lower electrode. Next, process
Then, active oxygen annealing is performed on the Ta 2 O 5 film and the Mo lower electrode after the ion implantation. The procedure and conditions for this annealing are almost the same as those in the step of FIG. 1, but the optimal annealing time varies depending on the type of the lower electrode, the Si dose, and the implantation depth. For example, when 10 15 [pieces / cm 2 ] of Si is implanted at a depth of 5 nm of the Mo lower electrode, the annealing is completed in about 90 minutes. The subsequent steps 'and' are the same as the steps and steps in FIG. In the characteristic diagram of FIG. 4, (iv) shows the leakage current characteristic of the capacitor manufactured according to the second embodiment. As shown in the figure, it can be seen that also in the present embodiment, the leakage current is reduced by about two digits compared to the capacitor (ii) of the prior application. As shown in the second embodiment, even if Si atoms are implanted not in the Ta 2 O 5 film but in the surface of the lower electrode located thereunder, the effect of reducing the leak current equivalent to that of the first embodiment is obtained. Is obtained.
【0013】次に、図3は、本発明の第3の実施例を示
す工程図である。この実施例はMo下部電極にSi原子
をイオン注入する点は第2の実施例と類似しているが、
Ta2O5膜を堆積する前にイオン注入を行なう点が異な
っている。図3において、工程"の下部電極形成は、
前記第1および第2の実施例の工程と同様である。次
に、工程"では、直ちにMo下部電極表層にSi原子
を打ち込む。ドーズ量は前記第2の実施例に比べて多め
の約1016〔個/cm2〕である。重要な点は第2の実
施例と同様に、ドーズ濃度の最大値を与える位置(深
さ)がTa2O5膜と下部電極との界面から10nm以
内、好ましくは5nm以内に収まるようにイオン加速電
圧を調節することである。次に、工程"では、イオン
注入後のMo下部電極を含むSi基板を充分洗浄する。
この洗浄は、まず高純度の有機系溶剤で超音波洗浄した
後、5%程度の濃度を持つ希釈フッ酸に約10秒間浸漬
したのち超純水でリンスし、乾燥させる。このように希
釈フッ酸に浸漬させるのは、イオン注入後Mo下部電極
表面に形成されたSi自然酸化膜を除去するためであ
る。次に、工程"では、基板全面に光CVD法で厚み
約40nmのTa2O5膜を堆積させる。堆積条件並びに
装置の操作手順は前記図1の工程と同様である。次
に、工程"では、形成したTa2O5膜とMo下部電極
に対して、活性酸素アニールを施す。アニールの手順と
条件は前記図1の工程と同様であるが、第3の実施例
の場合も最適なアニール時間は下部電極の種類、Siド
ーズ量、打ち込みの深さによって変わる。例えばMo下
部電極の深さ5nmに1015〔個/cm2〕のSiが注
入されている場合には、約90分でアニールが終了す
る。その後の工程"および工程"は、図1の工程お
よび工程と同様である。前記図4の特性図において、
(v)は、上記第3の実施例によって作製したキャパシ
タのリーク電流特性である。本実施例の活性酸素アニー
ルによるリーク電流軽減効果は、前記第2の実施例とほ
ぼ同等であり、先願例キャパシタ(ii)に比してリーク
電流を2桁以上低減することが出来る。上記のごとく、
キャパシタの誘電体膜をTa2O5膜、下部電極をMoと
した場合には、図4に示したごとく、第1〜第3の実施
例はほぼ同等のリーク電流軽減効果を与えた。しかし、
一般に他の誘電体膜や他の下部電極の場合には、第1〜
第3の実施例の効果に優劣が生じるのが普通である。そ
の場合には、最も効果の高い実施例を採用すべきである
ことは言うまでもない。実施例を選択する場合には、次
の点に留意すると良い。すなわち、誘電体膜へのイオン
注入あるいは誘電体膜を介した下部電極へのイオン注入
が誘電体膜に後の活性酸素アニールで回復しきれない損
傷を与えるような場合には、第3の実施例が最も適して
いる。また、下部電極材料が活性酸素アニールのときの
基板温度程度でも容易に注入されたSiと共晶を作っ
て、Siの外方拡散を困難にしてしまうような場合に
は、第1の実施例が最も好ましい結果を与える。Next, FIG. 3 is a process chart showing a third embodiment of the present invention. This embodiment is similar to the second embodiment in that Si atoms are ion-implanted into the Mo lower electrode.
The difference is that ion implantation is performed before depositing the Ta 2 O 5 film. In FIG. 3, the lower electrode formation in the step "
This is the same as the steps of the first and second embodiments. Next, in step "", Si atoms are immediately implanted into the surface layer of the Mo lower electrode. The dose is about 10 16 [pieces / cm 2 ], which is larger than that in the second embodiment. Similarly to the embodiment, the ion acceleration voltage is adjusted so that the position (depth) at which the maximum value of the dose concentration is provided falls within 10 nm, preferably 5 nm from the interface between the Ta 2 O 5 film and the lower electrode. Next, in the step ", the Si substrate including the Mo lower electrode after the ion implantation is sufficiently washed.
In this cleaning, first, the substrate is ultrasonically cleaned with a high-purity organic solvent, immersed in dilute hydrofluoric acid having a concentration of about 5% for about 10 seconds, rinsed with ultrapure water, and dried. The immersion in the diluted hydrofluoric acid is to remove the Si native oxide film formed on the surface of the Mo lower electrode after the ion implantation. Next, in the step ", a Ta 2 O 5 film having a thickness of about 40 nm is deposited on the entire surface of the substrate by photo-CVD. The deposition conditions and the operation procedure of the apparatus are the same as those in the step of FIG. Then, active oxygen annealing is performed on the formed Ta 2 O 5 film and the Mo lower electrode. The annealing procedure and conditions are the same as those in the step of FIG. 1, but also in the case of the third embodiment, the optimal annealing time varies depending on the type of the lower electrode, the Si dose, and the implantation depth. For example, when 10 15 [pieces / cm 2 ] of Si is implanted at a depth of 5 nm of the Mo lower electrode, the annealing is completed in about 90 minutes. The subsequent steps “and steps” are the same as the steps and steps in FIG. In the characteristic diagram of FIG.
(V) is a leakage current characteristic of the capacitor manufactured according to the third embodiment. The effect of reducing the leak current by the active oxygen annealing of this embodiment is almost the same as that of the second embodiment, and the leak current can be reduced by two digits or more compared to the capacitor (ii) of the prior application. As mentioned above,
In the case where the dielectric film of the capacitor was a Ta 2 O 5 film and the lower electrode was Mo, as shown in FIG. 4, the first to third embodiments provided substantially the same leak current reducing effect. But,
Generally, in the case of another dielectric film or another lower electrode,
Usually, the effect of the third embodiment is superior or inferior. In that case, it goes without saying that the most effective embodiment should be adopted. When selecting an embodiment, the following points should be noted. In other words, if the ion implantation into the dielectric film or the ion implantation into the lower electrode through the dielectric film causes damage that cannot be completely recovered by the subsequent active oxygen annealing, the third embodiment Examples are most appropriate. Further, in the case where the lower electrode material easily forms a eutectic with the implanted Si even at about the substrate temperature at the time of the active oxygen annealing, making out-diffusion of Si difficult, the first embodiment Gives the most favorable results.
【0014】次に、図7は、本発明によるキャパシタの
一実施例の断面図である。図7において、基板1、下部
電極2、酸化物誘電体膜3および上部電極4の部分は、
前記図5に記載の従来例と同様である。本実施例の特徴
とする部分は、下部電極2近傍の誘電体膜3内部に、活
性酸素酸化シリコン分散層5を設けたことである。この
活性酸素酸化シリコン層5は、例えば後記図8〜図10
の実施例に記載のように、質量膜厚にして約1.2nm
程度の極めて薄いアモルファスSiあるいはポリSi層
を活性酸素雰囲気中で熱処理することによって形成した
ものである。FIG. 7 is a sectional view of an embodiment of the capacitor according to the present invention. In FIG. 7, the portions of the substrate 1, the lower electrode 2, the oxide dielectric film 3, and the upper electrode 4
This is the same as the conventional example shown in FIG. The feature of this embodiment is that an active oxygen silicon oxide dispersion layer 5 is provided inside the dielectric film 3 near the lower electrode 2. This active oxygen silicon oxide layer 5 is formed, for example, by referring to FIGS.
About 1.2 nm in mass film thickness as described in
It is formed by heat treating an extremely thin amorphous Si or poly Si layer in an active oxygen atmosphere.
【0015】次に、図8は、図7のキャパシタを形成す
る方法の第1の実施例を示す工程図である。以下工程を
順に説明する。まず、工程11では、フィールド酸化膜
として厚さ600nmの熱酸化SiO2を成長させたS
i基板に、下部電極材料Moを前述のようにスパッタリ
ング法で厚さ約200nmに成膜し、フォトリソグラフ
ィで所定の形状に加工する。Next, FIG. 8 is a process chart showing a first embodiment of a method of forming the capacitor of FIG. The steps will be described below in order. First, in step 11, a thermally oxidized SiO 2 having a thickness of 600 nm was grown as a field oxide film.
On the i-substrate, the lower electrode material Mo is formed to a thickness of about 200 nm by the sputtering method as described above, and is processed into a predetermined shape by photolithography.
【0016】次に、工程12では、高純度の有機系溶剤
や希フッ酸系溶液を用いてMoの下部電極が形成された
Si基板を充分洗浄する。次に、工程13では、洗浄が
済み乾燥させたMo下部電極を含む基板全面に前述の光
CVD法で薄い第1のTa2O5膜を堆積させる。膜厚が
数nm〜数10nmに達したところで堆積を中断し、基
板を光CVD装置から一時取り出す。次に、工程14で
は、上記の薄いTa2O5膜が形成された基板を洗浄し
て、基板取り出しの際、表面に付着したパーティクルを
除去する。次に、工程15では、質量膜厚にして約1.
2nmの極薄アモルファスSiあるいはポリSiをスパ
ッタリング法や電子ビーム蒸着法、分子線エピタキシ法
などの物理的成膜手段またはCVD法などの化学的成膜
手段で積層する。次に、工程16では、基板を再び有機
洗浄する。次に、工程17では、上記のようして下部電
極近傍にアモルファスSiを堆積させた基板を前述の光
CVD装置に装着して第2のTa2O5膜を増積みする。
第1と第2のTa2O5膜の厚みの総計が所定の膜厚に達
したところで堆積を停止し、基板を取り出す。次に、工
程18では、Ta2O5の成膜を完了した基板に対して約
60分の活性酸素アニールを施す。アニールの手順と条
件は前述のとおりである。次に、工程19では、アニー
ル後Ta2O5膜表面に付着した汚染物を除去するため
に、希フッ酸浸漬処理とRCA洗浄(塩酸+過酸化水素
水混合液洗浄と水酸化アンモニウム液+過酸化水素水混
合液洗浄の組合せ)などの洗浄を行なう。RCA洗浄剤
に耐えられない基板が使用されている場合には、RCA
洗浄に替えて、有機系洗浄を用いることもできる。次
に、工程20では、最後にTa2O5膜の上に任意の電極
材料、たとえばMoをスパッタリング蒸着法などのよう
な手段で成膜し、フォトリソグラフィを用いることによ
って上部電極を形成し、キャパシタ構造が完成する。Next, in step 12, the Si substrate on which the lower electrode of Mo is formed is sufficiently cleaned using a high-purity organic solvent or dilute hydrofluoric acid-based solution. Next, in step 13, a thin first Ta 2 O 5 film is deposited on the entire surface of the substrate including the washed and dried Mo lower electrode by the above-described photo-CVD method. When the film thickness reaches several nm to several tens nm, the deposition is interrupted, and the substrate is temporarily removed from the optical CVD apparatus. Next, in step 14, the substrate on which the thin Ta 2 O 5 film is formed is washed to remove particles attached to the surface when the substrate is taken out. Next, in Step 15, the mass film thickness is about 1.
2 nm ultra-thin amorphous Si or poly-Si is laminated by a physical film forming means such as a sputtering method, an electron beam evaporation method, a molecular beam epitaxy method, or a chemical film forming means such as a CVD method. Next, in step 16, the substrate is again organically cleaned. Next, in step 17, the substrate on which amorphous Si is deposited in the vicinity of the lower electrode as described above is mounted on the above-described photo-CVD apparatus, and the second Ta 2 O 5 film is added.
When the total thickness of the first and second Ta 2 O 5 films reaches a predetermined thickness, the deposition is stopped and the substrate is taken out. Next, in step 18, the substrate on which the Ta 2 O 5 film has been formed is subjected to active oxygen annealing for about 60 minutes. The procedure and conditions for annealing are as described above. Next, in step 19, dilute hydrofluoric acid immersion treatment and RCA cleaning (cleaning of a mixed solution of hydrochloric acid + hydrogen peroxide solution and ammonium hydroxide solution +) were performed to remove contaminants attached to the Ta 2 O 5 film surface after annealing. (A combination of cleaning with a mixed solution of hydrogen peroxide and water). If substrates that cannot withstand RCA cleaning agents are used, RCA
Instead of washing, an organic washing can be used. Next, in step 20, finally, an arbitrary electrode material, for example, Mo is formed on the Ta 2 O 5 film by a method such as a sputtering deposition method, and an upper electrode is formed by using photolithography. The capacitor structure is completed.
【0017】上記図8の実施例の作用を説明する前に、
図7のキャパシタ構造を実現する第2の実施例について
説明する。この実施例では、前述の極薄アモルファスS
i(またはポリSi)の形成をTa2O5と同じ光CVD
装置で行ない、工程を簡素化しているところに特徴があ
る。このため前記図6に示したTa2O5光CVD装置に
簡単な改良を加える。図12は上記の改良を行なった光
CVD装置の一実施例図である。図12の装置は、前記
図6の装置に、Si2H6原料ライン22を付加したもの
であり、その他は同じである。このSi2H6原料ライン
22は、1%濃度にHe希釈したジシランSi2H6を所
定の流量で反応器11に導入するためのものである。図
12の装置を用いてアモルファスSiを堆積させるに
は、Si2H6原料ライン22とN2パージライン18か
らSi2H6とN2を所定の流量で反応器11に供給し、
低圧水銀灯10による光励起を実施すると共に、常圧排
出弁21を閉じ、O2原料ライン17とTaCL5原料ラ
イン16からのO2とTaCL5の供給を完全に停止す
る。成膜条件の一例を示すとつぎのとおりである。この
条件でSiを成膜すると、およそ0.1nm/minの
堆積速度が得られる。 アモルファスSi成膜条件 成膜圧力 10torr 成膜温度 300℃ 励起強度 2.5mW/cm2(185nm) Si2H6濃度 1%(He=99%希釈) ガス流量 Si2H6(He希釈) 200cc/min N2パージ 100cc/min 以下、図9の工程図を用いて、図7のキャパシタ構造を
実現する第2の実施例の工程について説明する。工程1
1〜工程13は、前記図8と同様である。次に、工程2
1では、光CVD装置に収められている第1のTa2O5
膜が形成された基板に、前記のCVD条件で直ちにアモ
ルファスSiを約1.2nm成膜する。この工程21
で、アモルファスSiを第1のTa2O5膜上に堆積した
あと、成膜条件を切り替え、直ちに、工程17で、第2
のTa2O5膜を積層し、所定の膜厚になったところで堆
積を停止する。この後の工程は前記図8の実施例と同じ
である。すなわち、この実施例においては、工程13、
工程21、工程17は一連のCVD工程として、基板を
図12の光CVD装置から取り出すことなく連続して行
なう。上記のように、図8の実施例でも図9の実施例で
も結果として全く同じキャパシタ構造を実現できるが、
図9の実施例では基板をTa2O5成膜装置からアモルフ
ァスSi成膜装置に移動する際とその逆の移動をする際
に生じる汚染が原理的に生じないので、工程14と工程
16を省くことができる。これは原材料費並びにプロセ
ス時間の節約あるいは歩留まりの向上をもたらし、製造
原価を引き下げるという好ましい結果を与える。Before explaining the operation of the embodiment of FIG.
A second embodiment for realizing the capacitor structure of FIG. 7 will be described. In this embodiment, the ultra-thin amorphous S
i (or poly Si) is formed by the same photo CVD as Ta 2 O 5
The feature is that the process is simplified by using an apparatus. Therefore, a simple improvement is added to the Ta 2 O 5 photo-CVD apparatus shown in FIG. FIG. 12 is a diagram showing an embodiment of a photo-assisted CVD apparatus in which the above-described improvement is made. The apparatus shown in FIG. 12 is the same as the apparatus shown in FIG. 6 except that an Si 2 H 6 raw material line 22 is added. The Si 2 H 6 raw material line 22 is for introducing disilane Si 2 H 6 diluted with He to a concentration of 1% into the reactor 11 at a predetermined flow rate. In order to deposit amorphous Si using the apparatus of FIG. 12, Si 2 H 6 and N 2 are supplied to the reactor 11 at a predetermined flow rate from the Si 2 H 6 raw material line 22 and the N 2 purge line 18,
With implementing the excitation by the low-pressure mercury lamp 10, to close the normally shut-off valve 21, to completely stop the supply of O 2 and TaCl 5 from O 2 feed line 17 and TaCl 5 feed line 16. An example of the film forming conditions is as follows. When Si is formed under these conditions, a deposition rate of about 0.1 nm / min can be obtained. Amorphous Si film forming conditions Film forming pressure 10 torr Film forming temperature 300 ° C. Excitation intensity 2.5 mW / cm 2 (185 nm) Si 2 H 6 concentration 1% (He = 99% dilution) Gas flow Si 2 H 6 (He dilution) 200 cc / Min N 2 purge 100 cc / min The process of the second embodiment for realizing the capacitor structure of FIG. 7 will be described below with reference to the process diagram of FIG. Step 1
Steps 1 to 13 are the same as those in FIG. Next, step 2
In FIG. 1, the first Ta 2 O 5 contained in the photo-CVD apparatus
An amorphous Si film having a thickness of about 1.2 nm is immediately formed on the substrate on which the film is formed under the above-described CVD conditions. This step 21
After the amorphous Si was deposited on the first Ta 2 O 5 film, the film forming conditions were switched.
The Ta 2 O 5 film was laminated, to stop the deposition upon reaching a predetermined thickness of. Subsequent steps are the same as in the embodiment of FIG. That is, in this embodiment, step 13,
Steps 21 and 17 are performed continuously as a series of CVD steps without removing the substrate from the optical CVD apparatus of FIG. As described above, both the embodiment of FIG. 8 and the embodiment of FIG. 9 can realize the same capacitor structure as a result.
In the embodiment of FIG. 9, contamination caused when the substrate is moved from the Ta 2 O 5 film forming apparatus to the amorphous Si film forming apparatus and vice versa is not generated in principle. Can be omitted. This results in savings in raw material costs as well as in processing time or in increased yield, with the positive result of lower production costs.
【0018】次に、図10は、図7のキャパシタを実現
する第3の実施例の工程図である。図10において、ま
ず工程31では、前記図9と同様に、フィールドSiO
2膜を成長した基板に、厚さ200nmのMo下部電極
を形成する。次に、工程32では、表面を充分洗浄す
る。次に、工程33では、基板を図12に示した光CV
D装置に装着し、Mo下部電極を形成した基板面に光C
VD法で厚さ約1.2nmの極薄アモルファスSi膜を
前述の条件で堆積させる。次に、工程34では、アモル
ファスSiが堆積し終わった基板に、同じ装置で直ちに
Ta2O5膜を所定の膜厚になるまで堆積させる。Ta2
O5の成膜条件は前記のとおりである。次に、工程35
では、Ta2O5に対して、活性酸素アニールを約60分
施す。アニールの手順と条件は前記のとおりである。こ
の後の工程36、工程37は、図9の工程19、工程2
0と同様である。上記のように、この実施例において
は、下部電極を形成した基板上に、直接にアモルファス
Siを堆積するようになっている点が前記図8、図9と
異なっている。なお、この実施例では、極薄アモルファ
スSi膜とTa2O5膜を同じCVD装置で成膜する方法
を取っているが、この膜を他の物理的あるいは化学的成
膜手段で形成してもよい。ただし、その場合は図8と同
様に、アモルファスSi膜の成膜の前と後に有機溶剤を
用いた洗浄を行なう必要がある。Next, FIG. 10 is a process chart of a third embodiment for realizing the capacitor of FIG. In FIG. 10, first, in step 31, similarly to FIG.
A 200 nm-thick Mo lower electrode is formed on the substrate on which the two films have been grown. Next, in step 32, the surface is sufficiently cleaned. Next, in step 33, the substrate is moved to the light CV shown in FIG.
D device, and the light C
An ultra-thin amorphous Si film having a thickness of about 1.2 nm is deposited by the VD method under the above-described conditions. Next, in step 34, a Ta 2 O 5 film is immediately deposited on the substrate on which the amorphous Si has been deposited until a predetermined thickness is obtained by the same apparatus. Ta 2
The conditions for forming O 5 are as described above. Next, step 35
Then, active oxygen annealing is performed on Ta 2 O 5 for about 60 minutes. The annealing procedure and conditions are as described above. The subsequent steps 36 and 37 correspond to steps 19 and 2 in FIG.
Same as 0. As described above, this embodiment differs from FIGS. 8 and 9 in that amorphous Si is directly deposited on the substrate on which the lower electrode is formed. In this embodiment, the method of forming the ultra-thin amorphous Si film and the Ta 2 O 5 film by the same CVD apparatus is used. However, this film is formed by other physical or chemical film forming means. Is also good. In this case, however, it is necessary to perform cleaning using an organic solvent before and after the formation of the amorphous Si film as in FIG.
【0019】次に、作用を説明する。まず、図8の実施
例および図9の実施例における作用を説明する。前記の
ように、両実施例は全く同じ構造のキャパシタを構成す
るので、リーク電流特性上に現われる作用・効果はほぼ
同じである。したがって、ここでは図9の実施例の結果
を用いて説明する。図11は、図9および図10の実施
例で作製されたキャパシタと従来例のキャパシタとにお
けるリーク電流特性を示す特性図である。図11におい
て、(iii)は図9の実施例に基づいて作製したキャパ
シタのリーク電流特性である。また、(i)はMo下部
電極の上に光CVDでTa2O5膜を堆積し、付加的な処
理を施さずにMo上部電極を形成して作製したキャパシ
タ(以下、これをas-grown膜キャパシタと称する)のリ
ーク電流特性、(ii)は本発明者らの先行出願・特願昭
62−206973号に基づいて作製したキャパシタ
(以下これを先願例キャパシタと称する)のリーク電流
特性である。また、図11の縦軸は対数で目盛ったリー
ク電流値log(J)、横軸はキャパシタのTa2O5膜
に印加される電界強度を平方根√Eで整理したものであ
る。電界強度1MV/cm2付近で比較すると、図9の
実施例のキャパシタ(iii)のリーク電流値は、as-grow
n膜キャパシタ(i)の6〜7桁低い値を与えているこ
とが判る。このように本実施例は活性酸素アニールによ
るリーク電流軽減の効果を非常に効率的に発現させるこ
とができる。さらにこの値は先願例キャパシタ(ii)の
リーク電流値よりも2〜3桁低い値である。このように
(ii)と(iii)の比較から本実施例の技術的優位性は
明白である。Next, the operation will be described. First, the operation of the embodiment of FIG. 8 and the embodiment of FIG. 9 will be described. As described above, since the two embodiments form a capacitor having exactly the same structure, the functions and effects appearing on the leakage current characteristics are almost the same. Therefore, the description will be made using the results of the embodiment in FIG. FIG. 11 is a characteristic diagram showing leakage current characteristics of the capacitors manufactured in the examples of FIGS. 9 and 10 and the conventional capacitor. In FIG. 11, (iii) shows a leakage current characteristic of the capacitor manufactured based on the embodiment of FIG. (I) shows a capacitor (hereinafter referred to as-grown) formed by depositing a Ta 2 O 5 film on the Mo lower electrode by photo-CVD and forming the Mo upper electrode without performing additional processing. (Ii) Leakage current characteristics of a capacitor (hereinafter, referred to as a prior application capacitor) manufactured based on the inventors' prior application and Japanese Patent Application No. 62-206973. It is. The vertical axis in FIG. 11 is a logarithmic scale of the leak current value log (J), and the horizontal axis is the electric field intensity applied to the Ta 2 O 5 film of the capacitor, arranged by the square root ΔE. Comparing near the electric field strength of 1 MV / cm 2 , the leakage current value of the capacitor (iii) of the embodiment of FIG.
It can be seen that the value is 6 to 7 orders of magnitude lower than that of the n-film capacitor (i). As described above, according to the present embodiment, the effect of reducing the leak current by the active oxygen annealing can be exhibited very efficiently. Further, this value is two to three orders of magnitude lower than the leakage current value of the capacitor (ii) of the prior application. Thus, from the comparison between (ii) and (iii), the technical advantage of this embodiment is clear.
【0020】次に、図10の実施例の作用について説明
する。図11の(iv)に図10の実施例によって作製
したキャパシタのリーク電流特性を示す。本実施例もま
た先願実施例(ii)に比べて活性酸素アニール後、約2
桁リーク電流が軽減されていることが判る。このよう
に、図8、図9の実施例のようにアモルファスSiを2
つのTa2O5膜の間に挾むのではなく、図10のように
下部電極とTa2O5膜の間においた場合でも、ほぼ同等
なリーク電流の軽減効果が得られる。Next, the operation of the embodiment shown in FIG. 10 will be described. FIG. 11 (iv) shows the leakage current characteristics of the capacitor manufactured according to the embodiment of FIG. This embodiment is also different from the prior application embodiment (ii) by about 2 hours after the active oxygen annealing.
It can be seen that the digit leakage current is reduced. Thus, as shown in the embodiment of FIGS.
Even if it is not sandwiched between two Ta 2 O 5 films but is placed between the lower electrode and the Ta 2 O 5 film as shown in FIG. 10, almost the same effect of reducing the leak current can be obtained.
【0021】上記のごとく、キャパシタの誘電体膜をT
a2O5膜、下部電極をMoとした場合には、図11に示
したごとく、図8〜図10の実施例はほぼ同等のリーク
電流軽減効果を与えた。しかし、一般に他の誘電体膜や
他の下部電極材料の場合には、それぞれの実施例の効果
に優劣が生じるのが普通である。その場合には、最も効
果の高い実施例を採用すべきであることは言うまでもな
い。実施例を選択する場合には、次の点に留意すると良
い。すなわち、誘電体膜と下部電極との間で成膜中に好
ましくない相互作用が有ったり、付着力に難が有ったり
する場合には、誘電体膜と下部電極との間にアモルファ
スSi膜を設ける図10の実施例が適している。逆に、
アモルファスSiと下部電極との間に好ましくない関係
がある場合には、図8および図9の実施例を採用する方
がよい。また、アモルファスSi膜の成膜工程が下部に
ある誘電体膜に損傷を与えるような場合には、誘電体膜
を後で形成する図10の実施例が最も良好な結果を与え
る。As described above, the dielectric film of the capacitor is
When the a 2 O 5 film and the lower electrode were made of Mo, as shown in FIG. 11, the examples of FIGS. 8 to 10 gave substantially the same leakage current reduction effect. However, in general, in the case of other dielectric films and other lower electrode materials, the effects of the respective embodiments are generally superior or inferior. In that case, it goes without saying that the most effective embodiment should be adopted. When selecting an embodiment, the following points should be noted. That is, when there is an undesired interaction between the dielectric film and the lower electrode during the film formation or when there is a difficulty in the adhesive force, the amorphous silicon is placed between the dielectric film and the lower electrode. The embodiment of FIG. 10 with a membrane is suitable. vice versa,
If there is an unfavorable relationship between the amorphous Si and the lower electrode, it is better to adopt the embodiment of FIGS. In the case where the step of forming the amorphous Si film damages the underlying dielectric film, the embodiment of FIG. 10 in which the dielectric film is formed later gives the best result.
【0022】また、本発明の要点は、誘電体膜中に一過
性のエレメンタル・シリコンを誘電体/基板界面近傍に
分散させ、後の活性酸素アニールでエレメンタル・シリ
コンを酸化物に転化させると同時にその一部を誘電体膜
表面に移動させる機構にある。したがって、図8〜図1
0の実施例に示したような誘電体膜の形成前や形成途上
にエレメンタル・シリコンを添加して活性酸素アニール
する方式ではなく、図1〜図3の実施例に示したよう
に、誘電体膜形成後にイオン注入のような物理的手段で
誘電体膜内部にエレメンタル・シリコンを添加し、その
後、活性酸素アニールする方法を用いてもよい。The gist of the present invention is that transient elemental silicon is dispersed in the dielectric film in the vicinity of the dielectric / substrate interface, and the elemental silicon is converted into oxide by the subsequent active oxygen annealing. At the same time, there is a mechanism for moving a part of it to the dielectric film surface. Therefore, FIGS.
Instead of the method in which elemental silicon is added and active oxygen annealing is performed before or during the formation of the dielectric film as shown in the embodiment of FIG. 0, as shown in the embodiment of FIGS. After the film is formed, a method may be used in which elemental silicon is added to the inside of the dielectric film by physical means such as ion implantation, and thereafter, active oxygen annealing is performed.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上説明してきたように、請求項1に記
載のキャパシタの形成方法においては、誘電体薄膜の膜
厚の中心点と下部電極との間にドーズ濃度が最大値とな
る位置が来るように上記誘電体膜にシリコン原子をイオ
ン注入するか、あるいは下部電極にエレメンタルなSi
を適量イオン注入したのち、誘電体薄膜と下部電極構造
を活性酸素雰囲気でアニールする工程を付加したことに
より、リーク電流が極めて少ないキャパシタを下部電極
材料に拘りなく実現できるという効果が得られる。な
お、本発明によって形成したキャパシタは、本発明者ら
の先願にかかる特願昭62−206973号に記載のキ
ャパシタに比べても少なくとも2桁低いリーク電流特性
が得られる。また、請求項2〜請求項4に記載のキャパ
シタの構造および形成方法においては、下部電極上に誘
電体膜を成膜する際、成膜前または成膜途上、あるいは
成膜後に極薄シリコン層を形成する工程を挿入し、成膜
する誘電体膜中にエレメンタルなSiとして取り込ませ
るとともに、エレメンタルSiを取り込んだ誘電体膜を
活性酸素雰囲気でアニールすることにより、リーク電流
が極めて低い誘電体薄膜を実現することが出来る。この
発明に基づくキャパシタは先願62−206973号に
基づいて形成したキャパシタより少なくとも3桁低いリ
ーク電流特性が得られる。また、請求項4に記載の形成
方法では誘電体膜とアモルファスSi膜とを同一の成膜
装置で形成することから、他の方法に比べて原材料費の
削減、工程時間の短縮、歩留まりの向上が図られるとい
う付加的な効果も得られる。As it has been described above, according to the present invention, in the method for forming a capacitor according to claim 1, film of the dielectric thin film
The maximum dose concentration between the center point of the thickness and the lower electrode
Silicon atoms on the dielectric film so that
Implant or use elemental Si
Is added, and then a step of annealing the dielectric thin film and the lower electrode structure in an active oxygen atmosphere is added, so that a capacitor with extremely low leakage current can be realized regardless of the lower electrode material. The capacitor formed according to the present invention has a leakage current characteristic at least two orders of magnitude lower than that of the capacitor described in Japanese Patent Application No. 62-206973 filed by the present inventors. Further, in the structure and the method of forming a capacitor according to the second to fourth aspects, when forming the dielectric film on the lower electrode, before or during the film formation, or after the film formation, the ultra-thin silicon layer Is inserted into the dielectric film to be formed as elemental Si, and the dielectric film incorporating elemental Si is annealed in an active oxygen atmosphere, so that the dielectric thin film has extremely low leakage current. Can be realized. The capacitor according to the present invention can obtain a leakage current characteristic at least three orders of magnitude lower than that of a capacitor formed based on the prior application No. 62-206973. According to the fourth aspect of the present invention, since the dielectric film and the amorphous Si film are formed by the same film forming apparatus, the raw material cost is reduced, the process time is reduced, and the yield is improved as compared with other methods. Is also obtained.
【図1】本発明の第1の実施例の工程図。FIG. 1 is a process chart of a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第2の実施例の工程図。FIG. 2 is a process chart of a second embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第3の実施例に工程図。FIG. 3 is a process chart according to a third embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第1〜第3の実施例で作製されたキャ
パシタと従来例のキャパシタとのリーク電流特性を示す
特性図。FIG. 4 is a characteristic diagram showing leakage current characteristics of the capacitors manufactured in the first to third embodiments of the present invention and a conventional capacitor.
【図5】LSI等で用いられるキャパシタの構造の要部
断面図。FIG. 5 is a sectional view of a main part of a structure of a capacitor used in an LSI or the like;
【図6】光CVD装置の要部断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of a main part of an optical CVD apparatus.
【図7】本発明によるキャパシタの一実施例の断面図。FIG. 7 is a sectional view of an embodiment of a capacitor according to the present invention.
【図8】図7のキャパシタを実現する形成方法の工程
図。FIG. 8 is a process chart of a forming method for realizing the capacitor of FIG. 7;
【図9】図7のキャパシタを実現する形成方法の他の工
程図。9 is another process chart of the forming method for realizing the capacitor of FIG. 7;
【図10】図7のキャパシタを実現する形成方法のさら
に他の工程図。FIG. 10 is still another process chart of the formation method for realizing the capacitor of FIG. 7;
【図11】図8〜図10の実施例で作製されたキャパシ
タと従来例のキャパシタとのリーク電流特性を示す特性
図。FIG. 11 is a characteristic diagram showing leak current characteristics of the capacitors manufactured in the examples of FIGS. 8 to 10 and a conventional capacitor.
【図12】図9の工程に用いる光CVD装置の要部断面
図。FIG. 12 is a sectional view of a main part of an optical CVD apparatus used in the step of FIG. 9;
1…誘電体膜を形成する基板 2…下部電極 3…CVDで作製した酸化物誘電体膜 4…上部電極 10…低圧水銀
灯 11…CVD反応器 12…真空ポ
ンプ 13…Ta2O5膜を堆積する基板 14…基板13を支持し所定の温度に保持するサセプタ 15…合成石英窓 16…TaC
l5蒸気供給ライン 17…O2ガス供給ライン 18…N2ガ
スパージライン 19…TaCl5昇華装置 20…常圧O
2排出弁 22…Si2H6原料ライン1 ... deposited substrate 2 ... oxide dielectric film 4 ... upper electrode 10 ... a low-pressure mercury lamp 11 ... CVD reactor 12 ... vacuum pump 13 ... Ta 2 O 5 film produced in the lower electrode 3 ... CVD to form a dielectric film Substrate to be supported 14: Susceptor that supports substrate 13 and maintains it at a predetermined temperature 15: Synthetic quartz window 16: TaC
l 5 steam supply line 17 ... O 2 gas supply line 18 ... N 2 gas purge line 19 ... TaCl 5 sublimator 20 ... atmospheric O
2 discharge valve 22 ... Si 2 H 6 raw material line
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−71166(JP,A) 特開 平5−243489(JP,A) 特開 平4−229615(JP,A) 特開 昭63−23328(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-64-71166 (JP, A) JP-A-5-243489 (JP, A) JP-A-4-229615 (JP, A) 23328 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 27/04 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108
Claims (4)
よって誘電体膜を形成し、その後、上部電極を形成する
キャパシタの形成方法において、上記誘電体膜の膜厚の中心点と上記下部電極との間にド
ーズ濃度が最大値となる位置が来るように上記誘電体膜
にシリコン原子をイオン注入するか、 もしくは上記下部
電極にシリコン原子をイオン注入する工程と、その後、
活性酸素雰囲気中でアニールを施す工程と、を付加した
ことを特徴とするキャパシタの形成方法。By 1. A chemical vapor deposition on the lower electrode (CVD) method to form a dielectric film, then, in the method for forming a capacitor for forming the upper electrode, the center point of the thickness of the dielectric film and the Between the lower electrode
Dielectric film so that the position where the
A step of the silicon atoms are ion-implanted silicon atoms or ion implantation, or to the lower electrode, after that,
A method of performing annealing in an active oxygen atmosphere.
上記下部電極と平行に載置した上部電極との間に、誘電
体膜を挾持したキャパシタにおいて、 上記下部電極近傍の上記誘電体膜内部に、活性酸素酸化
シリコン分散層を設けたことを特徴とするキャパシタ。2. A capacitor having a dielectric film sandwiched between a lower electrode mounted on a substrate and an upper electrode mounted thereon in parallel with the lower electrode, wherein the capacitor has a dielectric film in the vicinity of the lower electrode. A capacitor comprising an active oxygen silicon oxide dispersion layer provided inside a body film.
上部電極を形成するキャパシタの形成方法において、 上記上部電極を形成する以前に、上記下部電極と上記誘
電体膜との界面もしくは該界面近傍の誘電体膜中に、一
過性の薄いエレメンタル・シリコン層を形成する工程
と、 上記上部電極を形成するまでに、上記エレメンタル・シ
リコン層を含有する誘電体膜を活性酸素雰囲気中で熱処
理し、上記エレメンタル・シリコン層を活性酸素酸化シ
リコン分散層に転化させる工程と、 を付加したことを特徴とする請求項2に記載のキャパシ
タの形成方法。3. A dielectric film is formed on the lower electrode, and thereafter,
In the method of forming a capacitor for forming an upper electrode, before forming the upper electrode, a transient thin elemental silicon is formed in an interface between the lower electrode and the dielectric film or in a dielectric film near the interface. Forming a layer, and before forming the upper electrode, heat treating the dielectric film containing the elemental silicon layer in an active oxygen atmosphere to convert the elemental silicon layer into an active oxygen silicon oxide dispersion layer. The method for forming a capacitor according to claim 2, further comprising the steps of:
ン層とを同一反応器で連続的に化学気相成長させること
を特徴とする請求項3に記載のキャパシタの形成方法。4. The method according to claim 3, wherein the dielectric film and the elemental silicon layer are continuously grown in the same reactor by chemical vapor deposition.
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