JP3685654B2

JP3685654B2 - Manufacturing method of DRAM capacitor dielectric film

Info

Publication number: JP3685654B2
Application number: JP21098599A
Authority: JP
Inventors: 國泰黄; 萃蓉游
Original assignee: United Microelectronics Corp
Current assignee: United Microelectronics Corp
Priority date: 1999-07-26
Filing date: 1999-07-26
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2019-07-26
Also published as: JP2001044385A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)キャパシタ誘電体膜の製造方法に関し、特に、五酸化二タンタル（Ｔａ₂ Ｏ₅)誘電体膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１トランジスタＤＲＡＭセルは、１つのＭＯＳトランジスタと１つのキャパシタからなる。キャパシタは、ＤＲＡＭセルが信号を蓄積するための中枢部分であり、センス増幅器が情報を読み出す時、キャパシタに蓄積される電荷が多いほど、ノイズの影響を大幅に受けにくくなるばかりか、リフレッシュする頻度を減らすことができる。キャパシタの電荷蓄積能力を増大させる方法としては、（１）キャパシタ面積を増大させて、キャパシタに蓄積される電荷量を全体として増加させる方法があるが、ただし、これにより、ＤＲＡＭの集積度が低下する問題点がある。（２）誘電体膜を薄くすることも行われているが、但し、誘電体膜の材質特性および製造技術により制約されて、誘電体膜の厚さを薄くするのにも限界があった。（３）適切な誘電体膜材料を選択して、誘電体膜の誘電率を増大させ、キャパシタの単位面積あたり蓄積できる電荷量を増加させる方法もある。
【０００３】
五酸化二タンタルの誘電率は約25と高いため、ＯＮＯ(Oxide-Nitride Oxide,酸化膜−窒化膜−酸化膜）誘電体膜にとってかわる傾向にある。従来の五酸化二タンタル誘電体膜は化学気相堆積法によって堆積されるものであるが、このときの五酸化二タンタル誘電体膜のリーク電流が深刻であるため、酸素を満した雰囲気において約７５０〜８００℃の温度で熱処理をしなければならなかった。しかし、熱処理の段階で五酸化二タンタルとポリシリコン蓄積電極との境界面に酸化シリコンが形成されるため、キャパシタ全体の誘電体膜の誘電率が低下してしまう。したがって、これまでの製造プロセスにおいて、五酸化二タンタルを誘電体膜として得られる誘電率が25を達成することは不可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の上記課題を解決する方法として、ポリシリコン蓄積電極を完成させてから、その表面で窒化反応を進行させた後に、五酸化二タンタルを堆積させ、さらに、酸素雰囲気での熱処理によって五酸化二タンタルの品質を向上させる方法があった。この方法では、ポリシリコン蓄積電極の表面に窒化反応により窒化シリコン（ＳｉＮ）または窒化酸化シリコン（ＳｉＯＮ）が生成されるものの、ポリシリコン蓄積電極との境界面に酸化シリコンが形成されることを抑制することができなかった。
【０００５】
従来の上記課題を解決する別の方法として、ポリシリコン蓄積電極上に五酸化二タンタルを堆積させてから、五酸化二タンタルに対して２段階の処理を行う方法があり、先ず、第１段階として、約３００〜４５０℃で紫外線オゾン（ＵＶ−Ｏ₃)処理を行うと、五酸化二タンタル内部の炭素を含む不純物を除去することができ、このとき、ポリシリコン蓄積電極の表面に酸化シリコンが形成されることは防止される。次に、第２段階として、約７００〜８００℃で熱処理を行い、五酸化二タンタルを非晶質から結晶質に変換すると、五酸化二タンタルのリーク電流を改善することができるものの、このとき、この方法でも、ポリシリコン蓄積電極の表面に酸化シリコンが形成されることを防止することはできなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明に係るＤＲＡＭキャパシタ誘電体膜の製造方法は、ポリシリコン蓄積電極上に五酸化二タンタル誘電体膜を堆積させてから、五酸化二タンタル誘電体膜に対して２段階の処理工程を実施するものであって、先ず、リモート酸素プラズマ処理あるいは紫外線オゾン処理を行ってから、スパイクアニールプロセスを実施するものである。
【０００７】
本発明に係る好適な実施の形態によれば、五酸化二タンタル誘電体膜の形成方法は、例えば化学気相堆積法を利用するものとする。その後、五酸化二タンタル誘電体膜の純度ならびに誘電率を向上させ、リーク電流の発生を防止するために、本発明では上記の２段階の処理を行うものである。第１段階のリモート酸素プラズマ処理は、３５０〜５００℃で３０〜１２０秒間行われる。もしも第１段階が紫外線オゾン処理であれば、３００〜４５０℃で行う。第２段階のスパイクアニールプロセスは、酸素または酸化窒素を含んだ雰囲気において、１０００〜１２００℃の温度で、毎秒５０〜２５０℃の温度上昇により、１〜２秒間行うものである。
【０００８】
上記のような本発明によれば、第１段階の処理温度が低く、かつ第２段階の処理時間が極めて短いため、製造プロセスの熱履歴を低減させることができ、さらに、第２段階でポリシリコン蓄積電極の表面に生成される酸化シリコンが無視できるほど微量なものとなるから、五酸化二タンタル誘電体膜の誘電率をほぼ最高値となる25とすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るＤＲＡＭキャパシタ誘電体膜の製造方法の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。ただし、以下の実施の形態は一具体例にすぎない。本発明の技術分野の当業者であれば下記の実施の形態から適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、本発明に関する特許権保護の範囲は特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定められるものである。
【００１０】
図１は本発明の実施の形態を説明するためのＤＲＡＭキャパシタ要部を示す断面図である。この図１において、１００は半導体シリコン基板のような基板をである。この基板１００上に例えば酸化シリコンを素材とする絶縁層１１０を挟んでポリシリコン蓄積電極１０２がすでに形成されているものとする。この実施の形態では、ポリシリコン蓄積電極１０２は簡単な柱状に形成されており、かつ絶縁層１１０に形成されたコンタクトホールを介して基板１００表面に接続されている。このようにして基板１００上にポリシリコン蓄積電極１０２を形成した後、このポリシリコン蓄積電極１０２上に例えば化学気相堆積法により五酸化二タンタル誘電体膜１０４を被覆させる。
【００１１】
その後、キャパシタの上部電極を形成する前に、堆積した五酸化二タンタル誘電体膜１０４に対して図２に示すように２段階の処理を行う。五酸化二タンタル誘電体膜１０４に対する第１段階の処理ステップは、例えば、ステップ２００であり、その場合、リモート酸素プラズマ処理を実施する。この工程が必要とする温度は約３５０〜５００℃であり、所要時間は約３０〜１２０秒間である。リモート酸素プラズマより発生するプラズマは、主に中性Ｏ^* （活性状態の酸素原子）からなり、かつプラズマ反応室に電荷を有するイオンが存在していないため、Ｏ^* は五酸化二タンタル誘電体膜１０４の内部に拡散して、ＣＯ、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の化合物を形成してから、五酸化二タンタル誘電体膜１０４から揮発分離して、五酸化二タンタル誘電体膜１０４の純度を向上させることができる。なお、この時の五酸化二タンタル誘電体膜１０４はまだ非晶質状態である。
また、ステップ２００はステップ２１０に置き換えることができ、例えば紫外線オゾン処理とし、その工程温度を約３００〜４５０℃とすることができる。
【００１２】
次に、五酸化二タンタル誘電体膜１０４の第２段階の処理プロセスは、例えばステップ２２０として、スパイクアニール(spike annel）プロセスを行うもので、酸素、一酸化二窒素（Ｎ₂ Ｏ）あるいは酸化窒素（ＮＯ）を含んだ雰囲気において、毎秒約５０〜２５０℃の温度上昇により、約１０００〜１２００℃の温度で約１〜２秒間だけ実施する。この段階で、五酸化二タンタル誘電体膜１０４中に残った炭素がさらに除去されるため、五酸化二タンタル誘電体膜１０４の純度を一層向上させることができる。この第２段階の実施時間が僅か１〜２秒間であるため、ポリシリコン蓄積電極１０２の表面に形成される酸化シリコンは無視できるほど微量なものとなる。上述した２段階の処理を経て、五酸化二タンタル誘電体膜１０４は純化されるとともに、結晶状態となる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＤＲＡＭキャパシタ誘電体膜の製造方法によれば、
（１）五酸化二タンタル誘電体膜とポリシリコン蓄積電極との間の酸化シリコンは無視できるほど微量なものであるため、キャパシタの誘電体膜の誘電率をほぼ五酸化二タンタルの最大値２５に近づけることができる。
（２）五酸化二タンタル誘電体膜に対して２段階の処理を行う時、第１段階のリモート酸素プラズマは比較的低い温度で行われ、かつ、第２段階のスパイクアニールプロセスの所要時間が極めて短いため、誘電体膜の製造プロセスの熱履歴を低減させることができる。
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＤＲＡＭキャパシタ誘電体膜の製造方法の実施の形態を説明するための、ＤＲＡＭキャパシタ要部を示す断面図。
【図２】本発明の実施の形態に係る五酸化二タンタル誘電体膜の処理プロセスを示すフローチャート。
【符号の説明】
１００基板
１０２ポリシリコン蓄積電極
１０４五酸化二タンタル誘電体膜
１１０絶縁層
２００ステップ（リモート酸素プラズマ処理）
２１０ステップ（紫外線オゾン処理）
２２０ステップ（スパイクアニール処理プロセス）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a DRAM (Dynamic Random Access Memory) capacitor dielectric film, and more particularly to a method of manufacturing a tantalum pentoxide (Ta ₂ O ₅ ) dielectric film.
[0002]
[Prior art]
A one-transistor DRAM cell consists of one MOS transistor and one capacitor. The capacitor is the central part of the DRAM cell for storing signals. When the sense amplifier reads information, the more charge stored in the capacitor, the less likely it is to be affected by noise, and the frequency of refreshing. Can be reduced. As a method of increasing the charge storage capability of the capacitor, there is a method of (1) increasing the capacitor area and increasing the amount of charge stored in the capacitor as a whole, but this reduces the degree of integration of the DRAM. There is a problem to do. (2) Thinning of the dielectric film is also performed, but there is a limit to reducing the thickness of the dielectric film due to restrictions on the material characteristics of the dielectric film and the manufacturing technology. (3) There is also a method of selecting an appropriate dielectric film material, increasing the dielectric constant of the dielectric film, and increasing the amount of charge that can be accumulated per unit area of the capacitor.
[0003]
Since tantalum pentoxide has a high dielectric constant of about 25, ONO (Oxide-Nitride Oxide, oxide film-nitride film-oxide film) tends to replace the dielectric film. The conventional tantalum pentoxide dielectric film is deposited by chemical vapor deposition, but since the leakage current of the tantalum pentoxide dielectric film at this time is serious, it is about an oxygen-filled atmosphere. Heat treatment had to be performed at a temperature of 750 to 800 ° C. However, since silicon oxide is formed at the interface between the tantalum pentoxide and the polysilicon storage electrode at the stage of heat treatment, the dielectric constant of the dielectric film of the entire capacitor is lowered. Therefore, in the conventional manufacturing process, it was impossible to achieve a dielectric constant of 25 obtained by using tantalum pentoxide as a dielectric film.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
As a conventional method for solving the above-mentioned problems, after a polysilicon storage electrode is completed, a nitriding reaction is allowed to proceed on the surface thereof, tantalum pentoxide is deposited, and further, tantalum pentoxide is deposited by heat treatment in an oxygen atmosphere. There was a way to improve the quality of tantalum. In this method, although silicon nitride (SiN) or silicon nitride oxide (SiON) is generated on the surface of the polysilicon storage electrode by a nitriding reaction, the formation of silicon oxide on the interface with the polysilicon storage electrode is suppressed. I couldn't.
[0005]
As another method for solving the above-mentioned conventional problems, there is a method in which tantalum pentoxide is deposited on a polysilicon storage electrode and then tantalum pentoxide is processed in two stages. As described above, when ultraviolet ozone (UV-O ₃ ) treatment is performed at about 300 to 450 ° C., impurities including carbon in tantalum pentoxide can be removed. At this time, silicon oxide is formed on the surface of the polysilicon storage electrode. Is prevented from being formed. Next, as a second stage, heat treatment is performed at about 700 to 800 ° C. to convert tantalum pentoxide from amorphous to crystalline, but the leakage current of tantalum pentoxide can be improved. Even this method cannot prevent silicon oxide from being formed on the surface of the polysilicon storage electrode.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Accordingly, in the method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to the present invention, a tantalum pentoxide dielectric film is deposited on a polysilicon storage electrode, and then a two-step process is performed on the tantalum pentoxide dielectric film. First, a remote oxygen plasma treatment or an ultraviolet ozone treatment is performed, and then a spike annealing process is performed.
[0007]
According to a preferred embodiment of the present invention, the tantalum pentoxide dielectric film formation method uses, for example, chemical vapor deposition. Thereafter, in order to improve the purity and dielectric constant of the tantalum pentoxide dielectric film and prevent the occurrence of leakage current, the present invention performs the above two-stage treatment. The first stage remote oxygen plasma treatment is performed at 350 to 500 ° C. for 30 to 120 seconds. If the first stage is UV ozone treatment, it is performed at 300-450 ° C. The second stage spike annealing process is performed in an atmosphere containing oxygen or nitric oxide at a temperature of 1000 to 1200 ° C. and a temperature increase of 50 to 250 ° C. per second for 1 to 2 seconds.
[0008]
According to the present invention as described above, since the processing temperature of the first stage is low and the processing time of the second stage is extremely short, the thermal history of the manufacturing process can be reduced. Since the amount of silicon oxide generated on the surface of the silicon storage electrode is negligibly small, the dielectric constant of the tantalum pentoxide dielectric film can be 25, which is almost the maximum value.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a method for manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. However, the following embodiment is only a specific example. Since a person skilled in the art of the present invention can make appropriate changes and modifications from the following embodiments, the scope of patent protection related to the present invention is the scope of the claims and the equivalent area. Is defined as a standard.
[0010]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a DRAM capacitor for explaining an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 100 denotes a substrate such as a semiconductor silicon substrate. It is assumed that a polysilicon storage electrode 102 has already been formed on the substrate 100 with an insulating layer 110 made of, for example, silicon oxide interposed therebetween. In this embodiment, the polysilicon storage electrode 102 is formed in a simple column shape and is connected to the surface of the substrate 100 through a contact hole formed in the insulating layer 110. After forming the polysilicon storage electrode 102 on the substrate 100 in this way, the tantalum pentoxide dielectric film 104 is coated on the polysilicon storage electrode 102 by, for example, chemical vapor deposition.
[0011]
Thereafter, before forming the upper electrode of the capacitor, the deposited tantalum pentoxide dielectric film 104 is processed in two stages as shown in FIG. The first processing step for the tantalum pentoxide dielectric film 104 is, for example, step 200, in which case remote oxygen plasma processing is performed. The temperature required for this step is about 350 to 500 ° C., and the required time is about 30 to 120 seconds. The plasma generated from the remote oxygen plasma is mainly composed of neutral O ^* (active oxygen atoms), and since there are no charged ions in the plasma reaction chamber, O ^* is a tantalum pentoxide dielectric. After diffusing inside the film 104 to form a compound such as CO, CO ₂ , H ₂ O, etc., it is volatilized and separated from the tantalum pentoxide dielectric film 104 to obtain a purity of the tantalum pentoxide dielectric film 104 Can be improved. At this time, the tantalum pentoxide dielectric film 104 is still in an amorphous state.
Further, step 200 can be replaced with step 210, for example, ultraviolet ozone treatment, and the process temperature can be about 300 to 450 ° C.
[0012]
Next, the second stage treatment process of the tantalum pentoxide dielectric film 104 is, for example, a spike annealing process as step 220, in which oxygen, dinitrogen monoxide (N ₂ O) or oxidation is performed. In an atmosphere containing nitrogen (NO), a temperature increase of about 50 to 250 ° C. per second is performed at a temperature of about 1000 to 1200 ° C. for about 1 to 2 seconds. At this stage, carbon remaining in the tantalum pentoxide dielectric film 104 is further removed, so that the purity of the tantalum pentoxide dielectric film 104 can be further improved. Since the execution time of the second stage is only 1 to 2 seconds, the amount of silicon oxide formed on the surface of the polysilicon storage electrode 102 is negligibly small. Through the two-stage process described above, the tantalum pentoxide dielectric film 104 is purified and is in a crystalline state.
[0013]
【The invention's effect】
As described above, according to the DRAM capacitor dielectric film manufacturing method of the present invention,
(1) Since the amount of silicon oxide between the tantalum pentoxide dielectric film and the polysilicon storage electrode is negligibly small, the dielectric constant of the capacitor dielectric film is almost equal to the maximum value of 25 tantalum pentoxide. Can be approached.
(2) When performing the two-stage treatment on the tantalum pentoxide dielectric film, the first-stage remote oxygen plasma is performed at a relatively low temperature, and the time required for the second-stage spike annealing process is Since it is extremely short, the thermal history of the dielectric film manufacturing process can be reduced.
There is an effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a main part of a DRAM capacitor for explaining an embodiment of a method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart showing a processing process of a tantalum pentoxide dielectric film according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100 substrate 102 polysilicon storage electrode 104 tantalum pentoxide dielectric film 110 insulating layer 200 step (remote oxygen plasma treatment)
210 steps (ultraviolet ozone treatment)
220 steps (spike annealing process)

Claims

Providing a substrate provided with a polysilicon storage electrode;
Coating a tantalum pentoxide film on the polysilicon storage electrode;
Remote oxygen plasma treatment of the tantalum pentoxide film;
Performing a spike annealing process on the tantalum pentoxide film after the remote oxygen plasma treatment,
DRAM The spike anneal process, said performed at a temperature higher than a remote oxygen plasma treatment, or One, characterized in that before Symbol said to suppress oxide film formation of the polysilicon storage electrode surface remote oxygen plasma treatment execution time is shorter than the A method of manufacturing a capacitor dielectric film.

2. The method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to claim 1, wherein the remote oxygen plasma treatment step is performed at a temperature of 350 to 500 [deg.] C. for 30 to 120 seconds.

Providing a substrate provided with a polysilicon storage electrode;
Coating a tantalum pentoxide film on the polysilicon storage electrode;
Treating the tantalum pentoxide film with ultraviolet ozone;
Performing a spike annealing process on the tantalum pentoxide film after the ultraviolet ozone treatment,
The spike anneal process, the performed at a higher temperature than the ultraviolet-ozone treatment, One or prior Symbol DRAM capacitor dielectric, wherein the execution time than UV ozone treatment is short so as to suppress oxidation film formation of the polysilicon storage electrode surface Manufacturing method of body membrane.

4. The method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to claim 3, wherein the ultraviolet ozone treatment is performed at a temperature of 300 to 450.degree.

4. The method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to claim 1, wherein the tantalum pentoxide film is formed by chemical vapor deposition.

4. The DRAM capacitor dielectric according to claim 1, wherein the spike annealing process is performed at a temperature of 1000 to 1200.degree. C., at a temperature rising rate of 50 to 250.degree. C. per second, and for 1 to 2 seconds. Manufacturing method of body membrane.

7. The method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to claim 6, wherein the spike annealing process is performed in an atmosphere containing oxygen.

7. The method of manufacturing a DRAM capacitor dielectric film according to claim 6, wherein the spike annealing process is performed in an atmosphere containing dinitrogen monoxide.