JP3437830B2

JP3437830B2 - 成膜方法

Info

Publication number: JP3437830B2
Application number: JP2000361899A
Authority: JP
Inventors: 誠治犬宮; 祥隆綱島; 友一朗両角; 東均崔; 一秀長谷部
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2000-11-28
Publication date: 2003-08-18
Anticipated expiration: 2020-11-28
Also published as: JP2002164345A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、タンタル酸化膜を
堆積させるための成膜方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体デバイスを製造するに
は、半導体ウエハに成膜処理やパターンエッチング処理
を繰り返し行なって所望のデバイスを製造するが、中で
も成膜技術は、半導体デバイスが高密度化及び高集積化
するに伴ってその仕様、すなわちデザインルールが年々
厳しくなっており、例えばデバイス中のキャパシタの絶
縁膜やゲート絶縁膜のように非常に薄い酸化膜などに対
しても更なる薄膜化が要求され、これと同時に更に高い
絶縁性が要求されている。

【０００３】これらの絶縁膜としては、シリコン酸化膜
やシリコンナイトライド膜等を用いることができるが、
最近にあっては、より絶縁特性の良好な材料として、金
属酸化膜、例えばタンタル酸化膜（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）等が用
いられる傾向にある。この金属酸化膜は、薄くても信頼
性の高い絶縁性を発揮できる。この金属酸化膜を形成す
るには、例えばタンタル酸化膜を形成する場合を例にと
って説明すると、成膜用の原料として、タンタルの金属
アルコキシドであるペンタエトキシタンタル（Ｔａ（Ｏ
Ｃ₂ Ｈ₅ ）₅ ）（以下、ＰＥＴとも称す）を気化装置で
気化し、これを供給して半導体ウエハを例えば４１０℃
程度のプロセス温度に維持し、真空雰囲気下でＣＶＤ
（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ）によりタンタル酸化膜（Ｔａ₂ Ｏ₅ ）を積層させて
いる。

【０００４】このタンタル酸化膜をゲート絶縁膜等に用
いる時のキャパシタ構造の一例は図９に示すようになさ
れている。すなわち、例えばシリコン基板等よりなる半
導体ウエハＷの表面に、ソース２とドレイン４が形成さ
れており、このソース２とドレイン４との間の表面に、
ＳｉＯ₂ 或いはＳｉＯＮまたは両者の混合物よりなる界
面膜６を介してＴａ₂ Ｏ₅ よりなるタンタル酸化膜８を
ゲート絶縁膜として形成している。そして、このタンタ
ル酸化膜８上に、ゲート電極との化学反応を防止するた
めのバリヤメタル層である例えばＴｉＮ膜１０を介して
例えばＡｌ（アルミニウム）やＷ（タングステン）より
なるゲート電極１２を積層して、キャパシタが構成され
る。上記タンタル酸化膜８の下地の界面膜６は、このタ
ンタル酸化膜８の界面準位密度を所定の範囲内に押さえ
込む必要から下層のシリコン面との整合を図るために必
要不可欠な膜である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記界面膜
６上に形成されるタンタル酸化膜８の膜厚は、前述のよ
うにデザインルールがより厳しくなったので、せいぜい
１００Å程度と非常に薄くなっている。このタンタル酸
化膜の成膜レートは、例えば成膜温度が６００℃程度の
ＣＶＤ成膜の時には１５００Å／ｍｉｎ程度の高い成膜
レートであるが、上述のように膜厚１００Å程度のタン
タル酸化膜８を精度良く堆積するためには、ＣＶＤ成膜
温度を例えば４１０℃程度の低温に落として成膜レート
を低くして、１００Å程度の膜厚のタンタル酸化膜を精
度良く堆積する試みが行なわれている。

【０００６】しかしながら、タンタル酸化膜の成膜レー
トとインキュベーションタイムとの関係は図１０に示す
ように、相反する関係にあり、例えば成膜温度を低くす
ると、それに対応して成膜レートは低下して膜厚コント
ロール性は向上するが、逆にインキュベーションタイム
は増加する傾向となる。ここでインキュベーションタイ
ムとは、成膜工程の初期において原料ガス（成膜ガス）
を流してもウエハ表面に目的とする膜が何ら堆積されな
い期間を指す。この時の成膜状態を図１１を参照して模
式的に示すと、図１１（Ａ）に示すようにインキュベー
ション期間においてはウエハＷの界面膜６の表面にアモ
ルファス状態のＴａ₂ Ｏ₅ の種１４が分散した状態で形
成され、そして、インキュベーション期間が過ぎると、
その種１４を中心として一気に膜が堆積し初めて、図１
１（Ｂ）に示すように、タンタル酸化膜８が形成され
る。この時、形成されたタンタル酸化膜８の表面には、
上記散在した種１４の凹凸状態が反映されるため、大き
な凹凸面となってしまう。この種１４の大きさは、イン
キュベーションタイムに略比例して大きくなるため、４
１０℃程度の低温ＣＶＤでタンタル酸化膜８を堆積させ
る場合には、一層表面の凹凸が大きくなってしまう。

【０００７】このような凹凸が発生すると、タンタル酸
化膜８の膜厚が厚い部分と薄い部分が発生し、例えば膜
厚が厚い部分の膜厚Ｈ１が１００Å程度でも、膜厚が薄
い部分の膜厚Ｈ２が３０Å程度になってしまい、この結
果、膜厚が薄い部分に大きな電界集中が発生して、設計
値よりもはるかに大きなリーク電流が生じてしまう、と
いった問題があった。また、このような問題は、上記し
たように、タンタル酸化膜をゲート酸化膜として用いる
場合のみならず、例えばタンタル酸化膜をキャパシタ絶
縁膜として用いる場合にも生じていた。この点をＭＩＭ
（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒＭｅｔａｌ）構造の
キャパシタを例にとって説明すると、図１２（Ａ）にお
いて、符号３はキャパシタの例えばルテニウム（Ｒｕ）
よりなる下部電極であり、この下部電極３は例えばＳｉ
Ｏ₂ よりなる層間絶縁膜５上に形成され、また、下部電
極３は、例えばタングステンよりなるプラグ７を介し
て、図示しない下層の拡散層等に接続されている。この
下部電極３の構造としては、例えばドープドポリシリコ
ン上に反応防止層としてＳｉＮ膜等を堆積した構造のも
のもある。

【０００８】そして、図１２（Ｂ）に示すように、この
ような下部電極３や層間絶縁膜５上にキャパシタ絶縁膜
としてタンタル酸化膜８を堆積させると、前述したよう
なインキュベーションタイムの発生により、下部電極３
であるルテニウム上での成膜時間遅れは略ゼロ分である
のに対して、層間絶縁膜であるＳｉＯ₂ 上では最大７分
程度も成膜遅れ時間が発生してしまう。このため、タン
タル酸化膜８がアイライド状に成長してしまっていた。
この成膜遅れ時間により、タンタル酸化膜が部分的に薄
くなる場合が生じ、特に、下部電極３と層間絶縁膜５の
境界部分において、絶縁不良部分９が発生していた。こ
の場合、図１２（Ｃ）に示すように、この上に例えばル
テニウムよりなる上部電極１１を形成して、両電極３、
１１間に電圧を印加した場合に、上記した絶縁不良部分
９に電界集中が発生して電気的特性が悪化してしまう、
といった問題もあった。

【０００９】そこで、本出願人は、上記問題点を解決す
るために、低温でも膜厚の面内均一性が高い薄い膜厚の
タンタル酸化膜を精度良く形成することができる成膜方
法を先の出願（特願２０００−０８０９０４）にて開示
した。この成膜方法では、タンタル酸化膜のＣＶＤ成膜
に先立って半導体ウエハの表面に予め酸化剤を付着さ
せ、これに原料ガスを作用させて薄いタンタル酸化膜よ
りなる界面層を形成するようにしている。

【００１０】ところで、上記成膜方法によれば、タンタ
ル酸化膜の膜厚均一性を十分に改善することができた
が、その後の検討により、表面粗さ（ラフネス）がやや
大きくて、電気的特性に関して不十分な部分が発見され
ており、上記成膜方法では十分でないことが判明した。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に
解決すべく創案されたものである。本発明の目的は、低
温でも、膜厚の面内均一性が非常に高くて表面粗さは非
常に小さく、しかも電気的特性が良好な薄い膜厚のタン
タル酸化膜を精度良く形成することができる成膜方法を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、タンタル
酸化膜の成膜方法について鋭意研究した結果、表面反応
と気相反応とを伴うＣＶＤ成膜ではなく、プロセス温度
を落とすことによって表面反応を主体とするＭＬＤ（Ｍ
ＬＤ：ＭｏｌｅｃｕｌａｒＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）成膜を繰り返し行うことによって理想的なタ
ンタル酸化膜を形成することができる、という知見を得
ることにより本発明に至ったものである。すなわち、請
求項１に規定する発明は、処理容器内の被処理体の表面
に、原料ガスと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を
形成する成膜方法において、前記被処理体の表面に前記
酸化剤ガスを付着させる酸化剤付着工程と、前記酸化剤
ガスを前記処理容器内の気相中から排除するためのガス
排除工程と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記原
料ガスを作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工程
と、前記原料ガスを前記処理容器内の気相中から排除す
るためのガス排除工程とをこの順序で複数回繰り返し行
うようにしたことを特徴とする成膜方法である。

【００１２】これにより、気相反応を抑制して表面反応
を主体とした反応を生ぜしめて分子レベルの極めて薄い
膜を一層ずつ複数層に亘って形成することにより全体の
タンタル酸化膜を堆積させるようにしたので、膜厚の面
内均一性が非常に高くて表面粗さは非常に小さく、しか
も電気的特性が良好な薄い膜厚のタンタル酸化膜を精度
良く形成することが可能となる。また、酸化剤付着工程
と反応工程との間でガス排除工程を行うようにしている
ので、処理容器内の気相中に滞留する酸化剤ガス、或い
は原料ガスを略確実に排除でき、従って、気相反応の発
生を略確実に抑制して表面反応を主体とした成膜を行う
ことができる。請求項２に係る発明は、処理容器内の被
処理体の表面に、原料ガスと酸化剤ガスとを用いてタン
タル酸化膜を形成する成膜方法において、前記被処理体
の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化剤付着工程
と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記原料ガスを
作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工程とをこの
順序で複数回繰り返し行うと共に、前記酸化剤付着工程
と前記反応工程とは実質的に同一圧力下にて行うように
したことを特徴とする成膜方法である。これによれば、
処理容器内の圧力を昇降させる必要がないので、成膜処
理のスループットを向上させることが可能となる。

【００１３】この場合、請求項３に規定するように、前
記ガス排除工程は、前記処理容器内へのガスの供給を停
止しつつ前記処理容器内を真空引きするガス排気用真空
引き操作または／及び前記処理容器内へ不活性ガスを導
入しつつ真空引きするガス排気用不活性ガスパージ操作
よりなる。

【００１４】また、同様に、例えば請求項４に規定する
ように、前記酸化剤付着工程と前記ガス排除工程と前記
反応工程とは、実質的に同一圧力下にて行うようにして
もよい。この場合にも、処理容器内の圧力を昇降させる
必要がないので、成膜処理のスループットを更に向上さ
せることが可能となる。また、請求項５に規定するよう
に、前記反応工程は、前記原料ガスが表面反応を主体と
して反応するような温度範囲にて行う。

【００１５】請求項６に規定するように、例えば前記温
度範囲は、１５０〜４００℃の範囲内である。また、例
えば請求項７に規定するように、前記酸化剤ガスは、Ｈ
₂ Ｏ、Ｈ₂ Ｏ₂ 、Ｏ₃ の内のいずれか１つである。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る成膜方法の
一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明
方法を実施する成膜装置を示す構成図、図２は本発明方
法の第１実施例の流れを示すタイムチャート、図３は本
発明方法における成膜状態を示す模式図である。図１に
示すように、この成膜装置１８は、有天井の円筒体状の
石英製の処理容器２０を有しており、この処理容器２０
の下端部は開放されて開口部２２が形成され、この外周
には、接合用のフランジ部２４が設けられる。この処理
容器２０は、内側に加熱手段として加熱ヒータ２６を配
設した円筒体状の断熱材２８により被われており、加熱
炉を形成している。

【００１７】処理容器２０の下部側壁には、原料ガスを
導入するための原料ガス導入ノズル（原料ガス供給手
段）３０と、酸化剤ガスを導入するための酸化剤導入ノ
ズル（酸化剤供給手段）３２と、Ｎ₂ ガス導入ノズル３
４とがそれぞれ貫通させて設けられると共に、これらの
各ノズル３０、３２、３４は処理容器２０の側壁に沿っ
て天井部まで延在されており、天井部より各ガスをそれ
ぞれ流量制御しつつ噴出するようになっている。本発明
方法の第１実施例では、原料ガス（成膜ガス）としてＰ
ＥＴ（ペンタエトキシタンタル：Ｔａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）
₅ ）を用い、酸化剤としてはＨ₂ Ｏ（水蒸気）を用い
る。ここで、上記ＰＥＴは常温で液体なので、気化器
（図示せず）により気化させてガス状態で処理容器２０
内へ導入する。更に、処理容器２０の下部側壁には、処
理容器２０内の雰囲気を排出するための比較的大口径の
排気口３６が形成されており、この排気口３６には、排
気ポンプを介設した図示しない排気系が接続される。

【００１８】この処理容器２０のフランジ部２４の最外
周は、例えばステンレス製のベースプレート３８により
支持されて、処理容器２０の全体を保持している。そし
て、この処理容器２０の下端部の開口部２２は、例えば
ボートエレベータのごとき昇降機構４０により昇降可能
になされた石英製或いはステンレス製のキャップ部４２
により開閉可能になされている。このキャップ部４２上
に、半導体ウエハＷを所定のピッチで多段に載置した石
英製の被処理体支持手段としてウエハボート４４が保温
筒４６を介して載置されており、キャップ部４２の昇降
によって処理容器２０内に対してロード或いはアンロー
ドできるようになっている。

【００１９】次に、以上のように構成された成膜装置を
用いて行なわれる本発明方法の第１実施例について図２
及び図３も参照して説明する。まず、昇降機構４０を降
下させたアンロード状態において、ウエハボート４４に
未処理の半導体ウエハＷを多段に載置し、昇降機構４０
を上昇駆動させる。尚、これらの半導体ウエハＷには、
前工程にて、図９に示すような界面膜６が形成されてい
る。上昇駆動により、キャップ部４２は次第に上昇して
多数枚、例えば８インチウエハを５０〜１００枚程度を
多段に載置したウエハボート４４は処理容器２０の下端
開口部２２より内部へ搬入してロードされ、最終的にこ
の開口部２２はキャップ部４２により閉じられて、処理
容器２０内を密閉することになる（図２中の点Ｐ１）。

【００２０】そして、半導体ウエハＷを３００℃程度に
維持しつつ処理容器２０内を真空引きし、所定の圧力、
例えば４０Ｐａ（０．３Ｔｏｒｒ）程度に維持する（点
Ｐ２）。このように、処理容器２０内を所定の圧力まで
真空引きしたならば、次に、酸化剤付着工程へ移行す
る。ここでは、まず、酸化剤として所定量、例えば１０
０ｓｃｃｍ程度の水蒸気を酸化剤導入ノズル３２から供
給し、上記３００℃のプロセス温度及び上記４０Ｐａの
プロセス圧力を維持する。この水蒸気は、例えばＨ₂ ガ
スを図示しない燃焼室内でＯ₂ ガスにより燃焼させるこ
とによって発生させる。この水蒸気の供給により、図３
（Ａ）に示すように各半導体ウエハＷの界面膜６の表面
に非常に細かな水蒸気分子４８が一面に略均一に付着す
ることになる（点Ｐ３）。このように水蒸気を分子レベ
ルで付着させる酸化剤付着工程は、点Ｐ３まで例えば１
分程度、好ましくは０．１秒〜６００秒程度行なう。こ
の時の水蒸気の供給量は１０ｃｃ〜１０００ｃｃ（気
体）程度である。

【００２１】このように、酸化剤付着工程が終了したな
らば（点Ｐ３）、水蒸気の供給を停止して、次に、反応
工程へ移行する。この反応工程では、不活性ガスとして
例えばＮ₂ ガスをキャリアガスとして用いてＰＥＴガス
を点Ｐ４まで所定量供給する。この供給量は０．０１ｃ
ｃ〜３ｃｃ（液体）程度である。このとき、ウエハＷの
表面には前述したように水蒸気分子４８が付着している
ので、供給されたＰＥＴガスはこの水蒸気分子４８と接
触し、３００℃程度の低温でも活性化されて反応が容易
になされ、図３（Ｂ）に示すように１分子レベル程度の
厚さ（略１Å）の第１層目のタンタル酸化膜（Ｔａ₂ Ｏ
₅ ）５０Ａが形成される。この時の反応式は以下のよう
に表され、反応によりアルコール（Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ）が発
生する。２Ｔａ（ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ ＋５Ｈ ₂Ｏ → Ｔａ₂ Ｏ₅ ＋
１０Ｃ₂ Ｈ₅ ＯＨ↑

【００２２】この時のプロセス条件は、キャリアガスと
してのＮ₂ ガスの流量が１０００ｓｃｃｍ程度であり、
プロセス圧力は直前の酸化剤付着工程と同じ４０Ｐａ程
度である。また、プロセス温度は、具体的には原料ガス
であるＰＥＴが表面反応を主体として反応するような温
度範囲、例えば１５０〜４００℃の範囲内に設定し、こ
こでは上述のように直前の酸化剤付着工程と同じ３００
℃に設定している。このプロセス温度が４００℃を超え
て大きくなると、表面反応ではなく気相反応が主体とな
るＣＶＤ成膜が発生して後述するように表面粗さが劣化
してしまうので好ましくない。また、プロセス温度が１
５０℃よりも低くなると、気化状態のＰＥＴが処理容器
２０内へ導入されると直ちに再液化してしまってこの気
化状態を維持することができず、反応を十分に促進させ
ることができない。また。好ましい温度範囲は２００〜
４００℃の範囲内である。

【００２３】また、上述のように酸化剤付着工程と反応
工程のプロセス温度及びプロセス圧力を同じ値に設定す
ることにより、工程を移行する時にプロセス温度の昇降
温操作やプロセス圧力の昇降操作を行う必要がないの
で、その分、スループットを向上させることが可能とな
る。この反応処理を例えば２分程度、好ましくは１０秒
〜６０秒程度行なうことにより、水蒸気分子４８が略消
費尽くされて厚さが１Å程度のタンタル酸化膜５０Ａが
形成される。このように、反応工程が終了したならばＰ
ＥＴの供給を停止し（点Ｐ４）、次に、再度、前述した
ような酸化剤付着工程（点Ｐ２−点Ｐ３）と反応工程
（点Ｐ３−点Ｐ４）をこの順序で点Ｐ４〜点Ｐ９に示す
ように順次繰り返し行い（図３（Ｃ）及び図３
（Ｄ））、第２層目のタンタル酸化膜５０Ｂ以降を堆積
させる。

【００２４】このような酸化剤付着工程と反応工程との
繰り返しをｎ回、例えば目標とする最終の膜厚にもよる
が、数回から数１０回程度行って、図３（Ｅ）に示すよ
うに全体として積層されたタンタル酸化膜を得る。図３
（Ｅ）に示す場合には、上記一連の工程を５回繰り返し
行って５層のタンタル酸化膜５０Ａ〜５０Ｅが得られた
状態を示している。このようにして、全てのタンタル酸
化膜の膜厚のトータルで、目標とする膜厚を得ることに
なる。このようにして、最後のサイクルの反応工程が終
了したならば（点Ｐ９）、ウエハＷを所定のハンドリン
グ温度まで降温させ（点Ｐ１０）、処理容器２０内から
ウエハＷをアンロードして搬出させることになる。この
ように、プロセス温度を４００℃以下に維持し、酸化剤
付着工程と反応工程とをこの順序で複数回繰り返し行う
ことにより、表面反応を主体とする反応で分子レベルで
一層ずつ極めて薄いタンタル酸化膜を積層させるように
したので、全体としてのタンタル酸化膜は、厚さが偏る
ことなく膜厚の面内均一性を高く維持でき、しかも、数
Å〜１００Å程度の非常に薄いタンタル酸化膜を、制御
性よく、その表面に凹凸を生ぜしめることなく表面粗さ
が非常に小さくて、電気的特性が良好なタンタル酸化膜
を得ることができる。

【００２５】また、上記第１実施例における各ガスの流
量、プロセス温度、プロセス圧力等は単に一例を示した
に過ぎず、これらに限定されないのは勿論である。例え
ばプロセス圧力に関しては、酸化剤付着工程及び反応工
程において、共に１．３Ｐａ（０．０１Ｔｏｒｒ）〜６
６５Ｐａ（５Ｔｏｒｒ）程度の範囲内で行うことができ
る。また、上記第１実施例では、酸化剤付着工程におい
て、酸化剤ガスとして水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）を用いたが、こ
れに限定されず、過酸化水素水（Ｈ₂ Ｏ₂ ）やオゾン
（Ｏ₃ ）を用いるようにしてもよい。また、上記第１実
施例においては、酸化剤付着工程と反応工程とを繰り返
し行う時にそれぞれ連続して行うようにしているが、こ
れらの両工程間に、直前の工程で上記処理容器２０内へ
導入した酸化剤ガス、或いはＰＥＴガスを処理容器２０
内の気相中から排除するためのガス排除工程を行うよう
にしてもよい。

【００２６】図４はこのような本発明方法の第２実施例
の流れを示すタイムチャートである。図２と図４とを比
較して明らかなように、この図４に示す第２実施例にお
いては、図２中に示す酸化剤付着工程と反応工程との間
及び反応工程と酸化剤付着工程との間に、それぞれガス
排除工程を行うようにしている。図４中においては、こ
のガス排除工程は、点Ｐ１３−点Ｐ１４、点Ｐ１５−点
Ｐ１６、点Ｐ１７−点Ｐ１８及び点Ｐ２０−点Ｐ２１間
にて行われている。また、この場合、成膜処理の開始の
点Ｐ１１−点Ｐ１２で行われる真空引きもガス排除工程
として捉えることができる。このガス排除工程では、直
前の工程（点Ｐ１１−点Ｐ１２の場合は除く）で処理容
器２０内に導入された酸化剤ガス或いはＰＥＴガスを気
相中から排除するためのものであり、例えば点Ｐ１３−
点Ｐ１４間で示されるガス排除工程では、この直前の酸
化剤付着工程（点Ｐ１２−点Ｐ１３）にて処理容器２０
内へ導入されて気相中に残存する水蒸気ガスを排除する
ものであり、また、点Ｐ１５−点Ｐ１６間で示されるガ
ス排除工程は、この直前の反応工程（点Ｐ１４−点Ｐ１
５）にて処理容器２０内へ導入されて気相中に残存する
ＰＥＴガスを排除するものである。

【００２７】このガス排除工程における具体的な操作
は、処理容器２０への全てのガスの供給を停止した状態
でこの中を真空引きして処理容器２０内をベース圧、例
えば０．４Ｐａ（０．００３Ｔｏｒｒ）まで減圧するこ
とによってＰＥＴガスや水蒸気を排除するガス排気用真
空引き操作や、処理容器２０内を真空引きしつつこの処
理容器２０内にＮ₂ ガス等の不活性ガスを導入すること
によってＰＥＴガスや水蒸気を排除するガス排気用不活
性ガスパージ操作を選択的に行うことができる。この場
合、ガス排除工程は、例えば１〜２分間程度行えばよ
い。このように、ガス排除工程を行うことにより、この
直前の工程で処理容器２０内に導入されて気相中に残存
するＰＥＴガス、或いは水蒸気を排除するようにしてい
るので、この直後の工程で水蒸気或いはＰＥＴガスを処
理容器２０内に導入した時に、気相中には成膜反応に寄
与するガスが残存しないので、表面粗さの悪化の原因と
なる気相反応が生ずることがなくなり、従って、最終的
に得られるタンタル酸化膜の表面粗さを非常に小さく抑
制することが可能となる。

【００２８】ここで、ガス排除工程としてガス排気用不
活性ガスパージ操作を行った場合において、この時の処
理容器２０内の圧力を、この工程の前後の酸化剤付着工
程や反応工程の時の圧力と同一の値、例えば４０Ｐａに
維持しておけば、全工程に亘って同一圧力値となるの
で、工程毎に圧力調整を行う必要がなくなり、その分、
処理速度が迅速化してスループットを向上させることが
可能となる。上記図４に示す第２実施例では、ガス排除
工程で、ガス排気用真空引き操作とガス排気用不活性ガ
スパージ操作の内のいずれか一方の操作を選択的に行う
ようにしたが、これに限定されず、これらの両操作を連
続的に行うようにしてもよい。

【００２９】図５はこのような本発明方法の第３実施例
の流れを示すタイムチャートである。図４と図５とを比
較して明らかなように、この図５に示す第３実施例にお
いては、図４中に示すガス排除工程においてその前半は
ガス排気用真空引き操作を行い、その後半は圧力復帰
（調整）の機能も併せ持たせてガス排気用不活性ガスパ
ージ操作を行っている。図５中においては、ガス排気用
真空引き操作は、点Ｐ１１−点Ｐ１１−１、点Ｐ１３−
点Ｐ１３−１、点Ｐ１５−点Ｐ１５−１、点Ｐ１７−点
Ｐ１７−１及び点Ｐ２０−点Ｐ２０−１間にて行われて
いる。また、ガス排気用不活性ガスパージ操作は、点Ｐ
１１−１−点Ｐ１２、点Ｐ１３−１−点Ｐ１４、点Ｐ１
５−１−点Ｐ１６、点Ｐ１７−１−点Ｐ１８及び点Ｐ２
０−１−点Ｐ２１間にて行われている。ここで、ガス排
気用真空引き操作とガス排気用不活性ガスパージ操作の
各操作は、それぞれ例えば１分間程度行えばよい。この
ように、ガス排除工程において、ガス排気用真空引き操
作とガス排気用不活性ガスパージ操作とを連続的に行う
ようにすれば、処理容器２０内の気相中には成膜反応に
寄与するガスが略完全に存在しなくなるので、従って、
最終的に得られるタンタル酸化膜の表面粗さを一層非常
に小さく抑制することが可能となる。

【００３０】次に、本発明方法のＭＬＤ成膜と従来のＣ
ＶＤ成膜（先の特願２０００−８０９０４にて開示した
方法を含む）によって得られたタンタル酸化膜の表面粗
さの評価と、膜中の炭素濃度の評価を行ったので、その
評価結果について説明する。図６は温度が４１０℃にて
ＣＶＤ成膜を行った時（特願２０００−８０９０４に開
示した方法を含む）と、温度が２００℃及び３００℃に
てそれぞれ本発明のＭＬＤ成膜を行った時のそれぞれの
膜の表面粗さを表すグラフである。尚、形成した膜厚
は、すべて実質的に同じ厚さである。図６に示すグラフ
中、結果Ａ及び結果Ｂはそれぞれ図５に示す本発明の第
３実施例の方法で成膜を行った時の結果を示し、結果Ａ
は全体のプロセス温度を２００℃に維持して１００回繰
り返した場合、結果Ｂは全体のプロセス温度を３００℃
に維持して５０回繰り返した場合をそれぞれ示してい
る。また、結果Ｃは先の出願（特願２０００−８０９０
４）に開示した方法で成膜した場合を示しており、プロ
セス温度は４１０℃である。更に、結果Ｄは従来の一般
的なＣＶＤにより成膜した場合を示しており、プロセス
温度は４１０℃である。

【００３１】このグラフから明らかなように、表面粗に
関して、本発明方法の結果Ａ、Ｂはそれぞれ１．２Å及
び１．５Åを示しており、本発明方法の場合にはＣＶＤ
成膜による結果Ｄの４．５Å及び先の出願の方法による
結果Ｃの２Åよりも表面粗さがかなり小さくなってお
り、良好な結果を得られることが判明した。尚、本発明
方法において、プロセス温度が２００℃の場合の膜厚の
成長レートは、１回当たり０．５Å程度であり、３００
℃の場合は１．０Å程度であった。また、図７は温度が
４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と本発明のＭＬＤ成
膜を行った時のそれぞれの膜中の炭素濃度を示すグラフ
である。図７に示すグラフ中、特性Ａは図５に示す本発
明の第３実施例の方法で成膜を行った時の結果（プロセ
ス温度は３００℃）を示し、特性Ｂは従来の一般的なＣ
ＶＤ成膜を行った時の結果（プロセス温度は４１０℃）
を示す。

【００３２】このグラフから明らかなように、今後タン
タル酸化膜の使用態様で予定される少なくとも厚さ５０
Åまでは、特性Ｂよりも本発明の特性Ａの方が炭素濃度
の値が十分に小さくなっており、これにより電気的特性
が本発明方法による膜の方がかなり優れていることが判
明した。尚、以上の各本実施例では、反応工程におい
て、ＰＥＴガスと共にキャリアガスとしてＮ₂ ガスを用
いたが、他の不活性ガス、例えばＨｅ、Ｎｅ、Ａｒガス
を用いてもよい。また、原料ガスとしてはＰＥＴガスに
限定されず、タンタルを含んだ他の原料ガスを用いても
よい。

【００３３】また、上記各実施例では、半導体ウエハの
表面にタンタル酸化膜を堆積させる場合を例にとって説
明したが、他の例として具体的には、図８にも示すよう
に、例えばＭＩＭ構造のキャパシタのキャパシタ絶縁膜
としてタンタル酸化膜８を堆積させる場合にも本発明方
法を適用することができる。すなわち、図８（Ａ）に示
すようにＳｉＯ₂ 等よりなる層間絶縁膜５上に形成され
た例えばルテニウムよりなる下部電極３に対して、図８
（Ｂ）に示すようにキャパシタ絶縁膜としてタンタル酸
化膜８を形成する際に、前述したような同じ温度、圧力
等のプロセス条件で本発明方法を用いる。これにより、
インキュベーションタイムが解消されて下部電極３上と
層間絶縁膜５上に同等の厚さのタンタル酸化膜８を堆積
させることができるのみならず、電気特性が良好で、し
かも表面粗さも非常に小さなタンタル酸化膜を得ること
ができる。従って、図８（Ｃ）に示すように、この上層
に上部電極１１を堆積して両電極３、１１間に電圧を印
加しても、先に図１２において説明した場合と異なって
絶縁不良部分９（図１２参照）が発生していないので、
その電気的特性を高く維持することが可能となる。尚、
このキャパシタはＭＩＭ構造であるが、これに限定され
ず、例えばＭＩＳ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造のキャパシタにも適
用することができる。

【００３４】また、ここでは、単管構造で、一度に多数
枚の半導体ウエハに対して処理を行なうことができる、
バッチ式の成膜装置を例にとって説明したが、これに限
定されず、２重管構造のバッチ式の成膜装置や半導体ウ
エハを１枚ずつ処理する、いわゆる枚葉式の成膜装置に
も本発明を適用できるのは勿論である。更に、被処理体
としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガ
ラス基板等にも本発明を適用できるのは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の成膜方法
によれば、次のように優れた作用効果を発揮することが
できる。請求項１、３〜７に規定する発明によれば、気
相反応を抑制して表面反応を主体とした反応を生ぜしめ
て分子レベルの極めて薄い膜を一層ずつ複数層に亘って
形成することにより全体のタンタル酸化膜を堆積させる
ようにしたので、膜厚の面内均一性が非常に高くて表面
粗さは非常に小さく、しかも電気的特性が良好な薄い膜
厚のタンタル酸化膜を精度良く形成することができる。
また、酸化剤付着工程と反応工程との間でガス排除工程
を行うようにしているので、処理容器内の気相中に滞留
する酸化剤ガス、或いは原料ガスを略確実に排除でき、
従って、気相反応の発生を略確実に抑制して表面反応を
主体とした成膜を行うことができる。請求項２に規定す
る発明によれば、処理容器内の圧力を昇降させる必要が
ないので、成膜処理のスループットを向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する成膜装置を示す構成図で
ある。

【図２】本発明方法の第１実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。

【図３】本発明方法における成膜状態を示す模式図であ
る。

【図４】本発明方法の第２実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。

【図５】本発明方法の第３実施例の流れを示すタイムチ
ャートである。

【図６】温度４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と、温
度２００℃及び３００℃にてそれぞれ本発明のＭＬＤ成
膜を行った時のそれぞれの膜の表面粗さを表すグラフで
ある。

【図７】温度４１０℃にてＣＶＤ成膜を行った時と本発
明のＭＬＤ成膜を行った時のそれぞれの膜中の炭素濃度
を示すグラフである。

【図８】ＭＩＭ構造のキャパシタのキャパシタ絶縁膜と
してタンタル酸化膜を堆積させる場合について説明する
ための図である。

【図９】タンタル酸化膜をゲート絶縁膜等に用いた時の
キャパシタ構造の一例を示す断面図である。

【図１０】タンタル酸化膜の成膜レートとインキュベー
ションタイムとの関係を示すグラフである。

【図１１】インキュベーションタイムの時の成膜状態を
示す模式図である。

【図１２】ＭＩＭ（ＭｅｔａｌＩｎｓｕｌａｔｏｒ
Ｍｅｔａｌ）構造のキャパシタの絶縁膜について説明す
るための図である。

【符号の説明】

２ソース４ドレイン８タンタル酸化膜１０ＴｉＮ膜１２ゲート電極２０処理容器２６加熱ヒータ（加熱手段）３０原料ガス導入ノズル（原料ガス供給手段）３２酸化剤導入ノズル（酸化剤供給手段）３４酸素導入ノズル４４ウエハボート４８水蒸気ガス５０Ａ〜５０Ｄタンタル酸化膜Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者両角友一朗山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者崔東均山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地東京エレクトロン山梨株式会社内 (72)発明者長谷部一秀山梨県韮崎市穂坂町三ツ沢650番地東京エレクトロン山梨株式会社内 (56)参考文献特開2001−338922（ＪＰ，Ａ) 特開平１−179423（ＪＰ，Ａ) 特開平５−121397（ＪＰ，Ａ) 特開2001−250823（ＪＰ，Ａ) 特開2002−164348（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C23C 16/40 H01L 21/316

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内の被処理体の表面に、原料ガ
スと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を形成する成
膜方法において、前記被処理体の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化
剤付着工程と、前記酸化剤ガスを前記処理容器内の気相中から排除する
ためのガス排除工程と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記原料ガスを作用
させてタンタル酸化膜を形成する反応工程と、前記原料ガスを前記処理容器内の気相中から排除するた
めのガス排除工程とをこの順序で複数回繰り返し行うよ
うにしたことを特徴とする成膜方法。
【請求項２】処理容器内の被処理体の表面に、原料ガ
スと酸化剤ガスとを用いてタンタル酸化膜を形成する成
膜方法において、前記被処理体の表面に前記酸化剤ガスを付着させる酸化
剤付着工程と、前記付着された酸化剤ガスに対して前記
原料ガスを作用させてタンタル酸化膜を形成する反応工
程とをこの順序で複数回繰り返し行うと共に、前記酸化
剤付着工程と前記反応工程とは実質的に同一圧力下にて
行うようにしたことを特徴とする成膜方法。
【請求項３】前記各ガス排除工程は、前記処理容器内
へのガスの供給を停止しつつ前記処理容器内を真空引き
するガス排気用真空引き操作または／及び前記処理容器
内へ不活性ガスを導入しつつ真空引きするガス排気用不
活性ガスパージ操作よりなることを特徴とする請求項１
記載の成膜方法。
【請求項４】前記酸化剤付着工程と前記各ガス排除工
程と前記反応工程とは、実質的に同一圧力下にて行うよ
うにしたことを特徴とする請求項１又は３記載の成膜方
法。
【請求項５】前記反応工程は、前記原料ガスが表面反
応を主体として反応するような温度範囲にて行うように
したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載
の成膜方法。
【請求項６】前記温度範囲は、１５０〜４００℃の範
囲内であることを特徴とする請求項５記載の成膜方法。
【請求項７】前記酸化剤ガスは、Ｈ₂ Ｏ、Ｈ₂ Ｏ₂ 、
Ｏ₃ の内のいずれか１つであることを特徴とする請求項
１乃至６のいずれかに記載の成膜方法。