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技術 半導体装置の製造方法および基板処理装置

出願人 株式会社日立国際電気
発明者 廣瀬義朗高澤裕真
出願日 2002年1月16日 (18年5ヶ月経過) 出願番号 2002-007266
公開日 2003年7月25日 (16年11ヶ月経過) 公開番号 2003-209109
状態 拒絶査定
技術分野 CVD 気相成長(金属層を除く) 絶縁膜の形成 半導体メモリ
主要キーワード 膜厚特性 光CVD法 初期世代 加熱配管 ダイナミックRAM 原料供給配管 気化能力 熱CVD
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (6)

課題

化学気相成長法により、一つの気化器、一つの気化条件で、成膜後の元素の混合比や膜質構造が均一な、TaとX(Ta以外の金属原子)との複合酸化物よりなる、Ta2O5膜よりも誘電率の高い高誘電体膜を、高ステップカバレッジで成膜する半導体装置の製造方法およびその装置を提供する。

解決手段

Ta原子を含むペンタエトキシタンタルと、タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合して混合液体原料となし、これを混合原料ガス供給部23から原料ガス供給配管10を介して、反応室基板処理室)18に導入する。反応室18は、排気配管19に接続されている排気ポンプ20により、所定の圧力に減圧排気され、反応室18内で設定の温度に加熱保持されている基板上に、タンタルとタンタル以外の金属原子の複合酸化物よりなる高誘電体膜(混晶膜)を形成する半導体装置の製造方法およびその基板処理装置とする。

概要

背景

従来の64M bit世代および、256M bitの初期世代では、DRAM電気容量絶縁膜として酸化タンタル(Ta2O5)膜が使用されてきているが、256M bit後期世代から1G bit(ギガビット)世代以降では、キャパシタ構造MIS〔metal(金属)-insulator(絶縁膜)-semi-conductor(半導体)の3層構造〕からMIM〔metal(金属)-insulator(絶縁膜)-metal(金属)の3層構造〕へ世代を交代すると共に、さらなる高誘電体膜の開発が要求されている。また、Ta2O5膜のリーク電流の低減を行うことが、Ta2O5膜を次世代のキャパシタへの適用を行うにおいて不可欠な要件でもある。

従来、誘電体膜であるTa2O5膜は、Ta(OC2H5)5(ペンタエトキシタンタル:PETaと略記する)で示される単一金属原子を含む液体原料を用いて成膜されている。また、従来はTa2O5膜に他の物質を添加する試み、あるいはTa2O5膜の原料であるPETaに他の元素を含む物質を添加して成膜する試みはなされたことはないが、例えば、強誘電体膜として期待されているBST〔Ba(バリウム)、Sr(ストロンチウム)、Ti(チタン)〕膜のように、いくつかの元素を単一の膜として成膜する必要があるものについては、それぞれの元素を含む原料を元素の数だけ用意する必要があった。

概要

化学気相成長法により、一つの気化器、一つの気化条件で、成膜後の元素の混合比や膜質構造が均一な、TaとX(Ta以外の金属原子)との複合酸化物よりなる、Ta2O5膜よりも誘電率の高い高誘電体膜を、高ステップカバレッジで成膜する半導体装置の製造方法およびその装置を提供する。

Ta原子を含むペンタエトキシタンタルと、タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合して混合液体原料となし、これを混合原料ガス供給部23から原料ガス供給配管10を介して、反応室基板処理室)18に導入する。反応室18は、排気配管19に接続されている排気ポンプ20により、所定の圧力に減圧排気され、反応室18内で設定の温度に加熱保持されている基板上に、タンタルとタンタル以外の金属原子の複合酸化物よりなる高誘電体膜(混晶膜)を形成する半導体装置の製造方法およびその基板処理装置とする。

目的

本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決するものであって、化学気相成長CVD)法により、例えば、一つの気化器、あるいは一つの気化条件で、成膜後の元素の混合比や膜質構造が均一な、TaとX(Ta以外の金属原子)との複合酸化物よりなる、Ta2O5膜よりも誘電率の高い高誘電体膜を成膜する半導体装置の製造方法およびその基板処理装置を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

タンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜成膜する半導体装置の製造方法であって、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと、上記タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合して混合液体原料となし、該混合液体原料を用いて化学気相成長法により、タンタルとタンタル以外の金属原子を含む複合酸化物よりなる高誘電体膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

請求項2

基板上にタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと上記タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合した混合液体原料を貯留するタンクと、上記混合液体原料を気化する気化器と、該気化器により気化した混合原料ガスを上記反応室に供給する混合原料ガス供給配管と、を有することを特徴とする基板処理装置

請求項3

基板上にタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルを貯留するタンクと、上記タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンクと、上記両原料を混合して混合液体原料となす混合部と、上記混合液体原料を気化する気化器と、該気化器により気化した混合原料ガスを上記反応室に供給する混合原料ガス供給配管と、を有することを特徴とする基板処理装置。

技術分野

0001

本発明は256メガビット(M bit)世代以降のDRAMダイナミックRAM)等の電気容量絶縁膜ゲート絶縁膜として適用されるタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜成膜する半導体装置の製造方法およびその基板処理装置に関する。

背景技術

0002

従来の64M bit世代および、256M bitの初期世代では、DRAMの電気容量絶縁膜として酸化タンタル(Ta2O5)膜が使用されてきているが、256M bit後期世代から1G bit(ギガビット)世代以降では、キャパシタ構造MIS〔metal(金属)-insulator(絶縁膜)-semi-conductor(半導体)の3層構造〕からMIM〔metal(金属)-insulator(絶縁膜)-metal(金属)の3層構造〕へ世代を交代すると共に、さらなる高誘電体膜の開発が要求されている。また、Ta2O5膜のリーク電流の低減を行うことが、Ta2O5膜を次世代のキャパシタへの適用を行うにおいて不可欠な要件でもある。

0003

従来、誘電体膜であるTa2O5膜は、Ta(OC2H5)5(ペンタエトキシタンタル:PETaと略記する)で示される単一金属原子を含む液体原料を用いて成膜されている。また、従来はTa2O5膜に他の物質を添加する試み、あるいはTa2O5膜の原料であるPETaに他の元素を含む物質を添加して成膜する試みはなされたことはないが、例えば、強誘電体膜として期待されているBST〔Ba(バリウム)、Sr(ストロンチウム)、Ti(チタン)〕膜のように、いくつかの元素を単一の膜として成膜する必要があるものについては、それぞれの元素を含む原料を元素の数だけ用意する必要があった。

発明が解決しようとする課題

0004

上記BST膜のような、幾つかの元素からなる誘電体膜の成膜では、同一の溶媒を用いても気化条件の違いから、それぞれの原料について一つずつ気化器を用いて成膜しなければならなかった。したがって、成膜後の元素の混合比や膜構造の均一化をはかることが非常に難しく、これらのことが強誘電体膜の開発の遅れの主な要因ともなっていた。

0005

本発明の目的は、上記従来技術における問題点を解決するものであって、化学気相成長CVD)法により、例えば、一つの気化器、あるいは一つの気化条件で、成膜後の元素の混合比や膜質構造が均一な、TaとX(Ta以外の金属原子)との複合酸化物よりなる、Ta2O5膜よりも誘電率の高い高誘電体膜を成膜する半導体装置の製造方法およびその基板処理装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、請求項1に記載のように、タンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する半導体装置の製造方法であって、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと、上記タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合して混合液体原料となし、該混合液体原料を用いて化学気相成長法により、タンタルとタンタル以外の金属原子を含む複合酸化物よりなる高誘電体膜を形成する半導体装置の製造方法とするものである。

0007

また、請求項2に記載のように、基板上にタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと上記タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合した混合液体原料を貯留するタンクと、上記混合液体原料を気化する気化器と、該気化器により気化した混合原料ガスを上記反応室に供給する混合原料ガス供給配管と、を有する基板処理装置とするものである。

0008

また、請求項3に記載のように、基板上にタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルを貯留するタンクと、上記タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンクと、上記両原料を混合して混合液体原料となす混合部と、上記混合液体原料を気化する気化器と、該気化器により気化した混合原料ガスを上記反応室に供給する混合原料ガス供給配管と、を有する基板処理装置とするものである。

0009

本発明において、高誘電体金属原子とは、酸化された時に高誘電体として機能する金属原子のことであり、また高誘電体とは、常誘電体のうち誘電率が高いもののことで、シリコン酸化膜の誘電率よりも高く、誘電率が20程度以上のものを言う。なお、請求項1〜3に記載の高誘電体膜とは、Ta2O5膜(酸化タンタル)の誘電率(20〜25)よりも誘電率が高いものを意味し、後述する実施の形態欄で述べているように、誘電率が25〜100以上のものを言う。

発明を実施するための最良の形態

0010

〈実施の形態1〉図1は、本発明のCVD法による半導体装置の製造方法において成膜に用いられる基板処理装置の概要を示し、図2図4成膜用原料ガスを供給する装置構成の概要を示す。本発明は図1図2および図3に示すごとく、タンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる混晶膜である高誘電体膜を成膜する半導体装置の製造方法であって、タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと、タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合して混合液体原料となし、これを混合原料ガス供給部23から原料ガス供給配管10を介して、基板処理装置の反応室18に導入する。反応室(基板処理室)18は、排気配管19に接続されている排気ポンプ20により、所定の圧力(約1〜4000Pa)に減圧排気され、反応室18内に所定の温度(約380〜500℃)に加熱保持されている基板上に、化学気相成長(CVD)法により、タンタルとタンタル以外の金属原子を含む複合酸化物よりなる高誘電体膜を形成する半導体装置の製造方法である。

0011

また、本発明は図1および図2に示すごとく、基板上に、タンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室(基板処理室)18と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと上記タンタル以外の金属原子を含む原料とを混合した混合液体原料を貯留する混合液体原料タンク13と、上記混合液体原料を液体流量コントローラ(LV)24を介して気化器9に導入し、該気化器9により気化した混合原料ガスを、上記反応室18に供給する混合原料ガス供給配管(原料ガス供給配管)10と、を有する基板処理装置である。

0012

また、本発明は図1および図3に示すごとく、基板上に、タンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室18と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルを貯留するタンク26と、上記タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンク27と、上記両原料を、それぞれ液体流量コントローラ(LV)24を介して混合して混合液体原料となす混合部25と、上記混合液体原料を気化する気化器9と、該気化器9により気化した混合原料ガスを、上記反応室18に供給する混合原料ガス供給配管(原料ガス供給配管)10と、を有する基板処理装置である。成膜を行う反応室18は、ホットウォール(Hot Wall)またはコールドウォール(Cold Wall)等のタイプに依存するものでなく任意の構造であってもよい。

0013

成膜用原料ガスの混合方法は、図2に示すごとく、あらかじめTa2O5用原料(ペンタエトキシタンタル)とタンタル以外の金属原子を含む原料(高誘電体膜用原料)とを混合して混合液体原料となし、この混合液体原料を単一の気化器で気化させる方法であり、装置構成は混合液体原料タンク13と、液体流量コントローラ(LV)24と、気化器9とがそれぞれ一つで済み、装置構成は簡単であるが、あらかじめ混合液体原料タンク13内で混合した所定の比率の複合酸化物よりなる高誘電体膜(混晶膜)しか成膜できない不便さはあるが、一定比率の混晶膜を安定して成膜できる利点がある。

0014

また、図3に示す装置においては、ペンタエトキシタンタルを貯留するタンク26と、タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンク27がそれぞれ一つ、液体流量コントローラ(LV)24が二つ、混合液体原料となす混合部25と、気化器9の装置構成となり、上記図2の場合と比べ装置は複雑になるが、液体流量比率を任意に制御できるため、高誘電体膜の混晶比率を任意に変えられる利点がある。

0015

また、図4に示す装置においては、ペンタエトキシタンタルを貯留するタンク26と、タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンク27がそれぞれ一つ、液体流量コントローラ(LV)24および気化器9がそれぞれ二つ必要となり、装置構成は図3の場合より複雑になるが、二つの気化器9を持つことにより、異なる気化特性を持つ原料同士であっても混合することが可能となり、その混合比率によって高誘電体膜の混晶比率を任意に制御できる利点がある。

0016

本発明のタンタルとタンタル以外の金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜において、タンタル以外の金属原子の酸化物よりなる高誘電体として、ZrO2、HfO2、Al2O5、TiO2等が挙げられる。図1に示すCVD装置の基板処理室(反応室)18を有する枚葉式ホットウォール炉を用いて、Ta2O5とTiO2の混晶膜(複合酸化物よりなる高誘電体膜)の成膜を行った。Ta2O5の原料ガスには、Ta(OC2H5)5(以下 PETa と略記)を用い、TiO2の原料ガスには、Ti(OC2H5)4〔以下 TETi(テトラエトキシチタン)と略記〕を用いた。

0017

原料の供給は図2に示した装置を用い、PETa(原子比率で90%)とTETi(原子比率で10%)を混合液体原料タンク13で調整し、液体流量コントローラ(LV)24により所定量の混合液体原料を気化器9で気化させ、原料ガス供給配管10により、反応室18の基板上に導入し、以下に示す成膜条件で、Ta2O5が90原子%、TiO2が10原子%の混晶膜の成膜を行った。

0018

成膜条件:
(1)成膜温度:380〜500℃
(2)成膜圧力:25〜100Pa(約1〜4000Paの範囲に調整可能)
(3)原料供給量:0.05〜0.2 ccm(立方センチメートル/分)
(4)使用ガス:N2、O2
ここで、圧力条件温度条件反比例の関係にあり、これらの条件はその相関によって変化する。圧力に関して特に下限はないが排気ポンプの能力により決定される。また温度の下限は成膜原料が瞬時に分解する温度に依存するためPETaと同様380℃程度であると推定される。圧力の上限、温度の上限は、例えばTa2O5成膜時の成膜特性カバレッジ特性均一性等)から決定される。原料の供給量は、液体流量コントローラの制御性と気化器の気化能力に依存し、より制御性が高い液体流量コントローラを用いれば供給量下限を拡げることができ、より気化能力の高い気化器を用いれば供給量上限を拡げることができる。

0019

上記成膜方法により、ベア(Bare)−Si上に成膜速度1.5〜133Å/分で膜厚100Åで面内均一性3%以下のTa2O5とTiO2の混晶膜を成膜することができた。なお、誘電率を測定した結果、誘電率が約25〜150以上の高誘電率が得られた。また、Ta2O5膜上へは成膜速度4〜138Å/分で、Ta2O5膜とTiO2膜の混晶膜の積層が可能であることを確認した。このように、高誘電体膜の混晶膜の積層を行うと、結晶性の変化によりリーク電流等が変化し、誘電率が増大するものと考えられる。なお、高誘電体膜の混晶膜の積層例として、「Ta2O5膜/Ta2O5膜とTiO2膜の混晶膜/Ta2O5膜」、「Ta2O5膜とTiO2膜の混晶膜/Ta2O5膜/Ta2O5膜とTiO2膜の混晶膜/Ta2O5膜」、「Ta2O5膜/TiO2膜」、「Ta2O5膜/Ta2O5膜とTiO2膜の混晶膜/TiO2膜」等を挙げることができ、上記と同様の高誘電率を有する混晶膜の積層体が得られることを確認している。

0020

〈実施の形態2〉本実施の形態では、タンタル(Ta)とタンタル以外の金属原子(X)との複合酸化物よりなる誘電率が約25〜150以上の高誘電体膜を成膜するのに好適な特性を有する成膜原料を用い、化学気相成長(CVD)法により、高誘電体膜を成膜する場合について説明する。成膜原料として、一般式Ta・X(OC2H5)n(式中、Xはタンタル以外の金属原子で、その酸化物が高誘電体として機能する原子を意味する。)で示されるTaとXのダブルエトキシド混合液体原料を用い、一つの気化器、あるいは一つの気化条件で、上記混合液体原料と同じ混合比の、Ta2O5膜よりも高誘電率を有する複合酸化物よりなる高誘電体膜の成膜を実現するものである。

0021

すなわち、例えば図5に示す減圧CVD装置を用い、酸化タンタル(Ta2O5膜)の原料であるペンタエトキシタンタル液体原料15と、タンタル以外の金属原子で、その酸化物が高誘電体として機能する金属原子(X)を含むXのエトキシド原料16とを混合して、TaとXのダブルエトキシド混合液体原料6となし、該混合液体原料6を気化器9で気化して、反応室(基板処理室)18に導入し、化学気相成長(CVD)法により、基板上に、タンタルとタンタル以外の高誘電体金属原子との複合酸化物よりなる混晶膜である高誘電体膜を形成する半導体装置の製造方法である。なお、上記金属原子(X)を含むエトキシド原料化合物として、例えば、上記ペンタエトキシタンタルと同種のエトキシ基を有するエトキシド化合物を用いることが好ましい。

0022

また、本発明は基板上にタンタルとタンタル以外の高誘電体金属原子との複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜する反応室(基板処理室)18と、上記タンタルを含む液体原料であるペンタエトキシタンタルと上記タンタル以外の高誘電体金属原子(X)を含む原料とを混合したTaとXのダブルエトキシド液体原料混合タンク(混合液体原料タンク)13と、上記混合液体原料を恒温にする恒温器5と、恒温器5中の混合液体原料を気化器9に導入して気化させ、気化した混合原料ガスを上記反応室18に供給する原料ガス供給加熱配管(原料ガス供給配管)10と、反応室18内を所定の圧力に減圧排気する排気ポンプ(減圧排気系)20を具備する基板処理装置である。

0023

上記一般式Ta・X(OC2H5)n(式中、Xはタンタル以外の金属原子で、その酸化物が高誘電体として機能する原子を意味する。)において、Xは、Ta以外の高誘電体金属原子で、例えば、Ti、Zr、Hf等が挙げられる。また、nはXの持つエトキシ基〔OC2H5〕の数に依存するもので、混合原料がTi(OC2H5)4の時はnは9となり、Zr(OC2H5)4の時はnは9となり、またHf(OC2H5)4の時はnは9となる。

0024

本発明は高誘電体膜であるTa2O5膜の成膜に用いられる液体原料であるTa(OC2H5)5に、同種のエトキシ基を有する上記Ti、Zr、Hf等の高誘電体金属を含む原料を混合し、ダブルエトキシド液体原料とすることにより、単一の気化器で、あるいは単一の気化条件で、気化したガス状のダブルエトキシド原料となり、液体状態の原料と同じ混合比のTaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜をCVD法等により成膜することができ、単一のTa2O5膜よりも、いっそう高誘電率(誘電率が約25〜150以上)の複合酸化物よりなる誘電体膜を簡易な工程で、高ステップカバレッジで膜厚の均一性が良好な薄膜を成膜できる効果がある。

0025

なお、Ta(OC2H5)5に混合するTa以外の高誘電体金属原子を含む原料として、Ti(OC2H5)4は常温で液体状態であるので問題はないが、Zr(OC2H5)4とHf(OC2H5)4は常温で固体状態を示すが、液体状態のTa(OC2H5)5に混合すると溶解して液状となる性質があるので、原料を気化器で気化させ原料供給配管経由で反応室(基板処理室)に導入する場合に、特に問題が生じることはない。

0026

本発明のTaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜をTaとXのダブルエトキシド液体原料を用いて、TaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜を成長させるCVD(化学気相成長)法は、常圧〜減圧CVD高温低温CVD、プラズマCVD光CVD法等を用いることができ、熱CVD酸化膜またはプラズマCVD酸化膜として成膜することも可能である。さらに、熱CVD酸化膜は、生成温度の違いから低温(300〜500℃)熱CVD酸化膜と、高温(600〜900℃)熱CVD酸化膜とすることも可能である。

0027

Ta・X(OC2H5)nで示されるTaとXのダブルエトキシド液体原料を用いて形成される複合酸化物よりなる高誘電体膜は、Ta2O5に、Ti2O3、TiO2、ZrO2、HfO2等の酸化物のうちの少なくとも1種以上が混合された複合酸化物よりなる高誘電体膜(誘電率が約25〜150以上)を実現することが可能である。

0028

上記図5に示す減圧CVD装置を用い、TaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜を形成する方法において、Ta2O5膜を成膜する液体原料として、Ta(OC2H5)5(PETaと略記する)を用い、混合原料であるXの酸化物膜の原料として、Tiの場合はTi(OC2H5)4を用い、そのダブルエトキシド液体原料としてTaTi(OC2H5)9を用いた。また、Zrの場合は、Zr(OC2H5)4、Hfの場合は、Hf(OC2H5)4を用い、それぞれのダブルエトキシド液体原料としてTaZr(OC2H5)9、TaHf(OC2H5)9を用いた。

0029

PETaおよびTi(OC2H5)4は常温で液体であるが、Zr(OC2H5)4とHf(OC2H5)4は常温で固体であるので、これを原料として使用する場合には常温で液体であるPETaに溶解して混合させ、上記Ta・X(OC2H5)nで示されるダブルエトキシド液体原料を調製した。このダブルエトキシド液体原料を気化器9により加熱し気化させ、キャリアガスN2と混合して、加熱した原料ガス供給用加熱配管(原料ガス供給配管)10を経由して反応室18に導入した。

0030

CVD装置1には、N2供給配管2、3、8、11と、TaとX(高誘電体金属原子:Ti、Zr、Hf等)のダブルエトキシド液体原料供給配管4と恒温器5と、TaとXのダブルエトキシド液体原料6と、TaとXのダブルエトキシド液体原料タンク7と、気化器9と、原料ガス供給用加熱配管10と、O2供給配管17と、反応室(基板処理室)18と、排気配管19と、排気ポンプ(減圧排気系)20と、大気圧排気配管(排気)21と基板搬送室22等を具備している。

0031

なお、TaとXのダブルエトキシド液体原料混合タンク(混合液体原料タンク)13には、PETa液体原料15と、これに混合するXのエトキシド原料16を上記ダブルエトキシド液体原料混合タンク13に供給するTaおよびXの液体原料供給配管14が設けられており、上記ダブルエトキシド液体原料混合タンク13内で混合されたダブルエトキシド液体原料は、上記ダブルエトキシド液体原料供給配管12により恒温器5内に供給される。

0032

N2供給配管2から供給されたN2ガスは、N2供給配管3とN2供給配管8と、N2供給配管11とに分岐され、N2供給配管11によってN2ガスを上記液体原料混合タンク13内に導入して、TaとXのダブルエトキシド液体原料供給配管12により押し出し、N2供給配管3により、N2ガスをTaとXのダブルエトキシド液体原料タンク7内に導入して、上記ダブルエトキシド液体原料タンク7内の上記ダブルエトキシド液体原料6を、TaとX(高誘電体金属原子:Ti、Zr、Hf等)のダブルエトキシド液体原料供給配管4に押し出す

0033

なお、上記ダブルエトキシド液体原料タンク7は、恒温器5によって温度制御されている。上記ダブルエトキシド液体原料6は、上記ダブルエトキシド液体原料供給配管4から気化器9に供給され、また、気化器9には、N2供給配管8からN2キャリアガスが供給されている。気化器9によって気化されたダブルエトキシド原料ガスおよびN2キャリアガスは、原料ガス供給用加熱配管10を介して、反応室18内に導入される。反応室18内にはO2供給配管17を介してO2ガスが導入される。反応室18の周囲には、ヒータ(図示せず)や断熱材(図示せず)が設けられ、CVD炉を構成している。反応室18には、基板搬送室22を介して、基板の導入/導出が行われる。反応室18には、排気配管19、排気ポンプ20および大気圧排気配管21が、この順に接続され、反応室18内は減圧排気される。

0034

次に本実施の形態の一例として、TaとXのダブルエトキシド液体原料にTaTi(OC2H5)9を用い、Ta2O5・TiO2で示される複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜した場合について述べる。まず、TaとTiのエトキシド原料を、ダブルエトキシド液体原料混合タンク13内に供給し、TaとTiのダブルエトキシド液体原料(TaのエトキシドとTiのエトキシドとの混合比は1)を調製し、N2ガス(不活性ガスであれば良い)圧を利用して、上記ダブルエトキシド液体原料を気化器9に供給し、約266〜3990Pa(2〜30Torr)の圧力で気化させ、約0〜2リットル/分のN2ガスと共に、TaとTiのダブルエトキシド液体原料を約5グラム/分の流量で、約100〜200℃に加熱された原料供給用加熱配管10を介して、反応室18内に導入し、約266Pa(2Torr)以下の圧力で、約350〜550℃の温度に加熱された反応室18の基板上に、Ta2O5・TiO2の複合酸化物よりなる高誘電体膜を約20〜200Åの膜厚に成長させた。

0035

なお、反応室18にはO2供給配管17からO2ガスを約0〜2リットル/分の流量で供給した。成膜したTa2O5・TiO2で示される複合酸化物よりなる誘電体膜は、高ステップカバレッジで、膜厚100Åで面内均一性3%以下という良好な膜厚特性があり、かつ誘電率が約25〜150以上の値を示す高誘電体膜を形成することができた。

0036

本実施の形態において、TaとXのダブルエトキシド液体原料を用い、TaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜を成長させる方法として減圧CVD法を例に挙げ説明したが、この他に、常圧〜減圧CVD、高温〜低温CVD、プラズマCVD、光CVD法等を用いることもでき、また熱CVD酸化膜またはプラズマCVD酸化膜を形成することも可能であり、さらに熱CVD酸化膜は生成温度の違いから低温(300〜500℃)熱CVD酸化膜と、高温(600〜900℃)熱CVD酸化膜とすることも可能である。

0037

また、高誘電体膜である複合酸化物として、Ta2O5・TiO2膜について述べたが、Ta2O5と複合させる高誘電な酸化膜として、Ti2O3、TiO2、ZrO2、HfO2等の酸化物のうちの少なくとも1種以上を混合した複合酸化物とすることにより、上記Ta2O5・TiO2膜と同等の誘電率が約25〜150以上の高誘電体膜が実現できることを確認している。また、Ta2O5と組み合わせる複合酸化物の好ましい形態として、Ta2O5・Ti2O3、Ta2O5・TiO2、Ta2O5・ZrO2、Ta2O5・HfO2等が挙げられる。

発明の効果

0038

本発明はタンタル(Ta)と、Ta以外の金属原子(X)との複合酸化物よりなる高誘電体膜を形成することができ、単一のTa2O5膜の誘電率(約25)に比べ、誘電率が25〜150以上の高誘電体膜の実現が可能である。

図面の簡単な説明

0039

図1本発明の実施の形態1で例示した半導体装置の製造方法において成膜に用いられる基板処理装置の概要を示す模式図。
図2本発明の実施の形態1で例示した成膜用原料ガスを供給する装置の一例を示す模式図。
図3本発明の実施の形態1で例示した成膜用原料ガスを供給する装置の他の一例を示す模式図。
図4本発明の実施の形態1で例示した成膜用原料ガスを供給する装置の他の一例を示す模式図。
図5本発明の実施の形態2で例示したTaとXの複合酸化物よりなる高誘電体膜を成膜するCVD装置の構成の一例を示す模式図。

--

0040

1…CVD装置
2…N2供給配管
3…N2供給配管
4…TaとX(高誘電体金属原子:Ti、Zr、Hf等)のダブルエトキシド液体原料供給配管
5…恒温器
6…TaとXのダブルエトキシド液体原料
7…TaとXのダブルエトキシド液体原料タンク
8…N2供給配管
9…気化器
10…原料ガス供給用加熱配管(原料ガス供給配管)
11…N2供給配管
12…TaとXのダブルエトキシド液体原料供給配管
13…TaとXのダブルエトキシド液体原料混合タンク(混合液体原料タンク)
14…TaおよびXのエトキシド液体原料供給配管
15…PETa(ペンタエトキシタンタル)液体原料
16…Xのエトキシド原料
17…O2供給配管
18…反応室(基板処理室)
19…排気配管
20…排気ポンプ(減圧排気系)
21…大気圧排気配管(排気)
22…基板搬送室
23…タンタルとタンタル以外の金属原子を含む混合原料ガス供給部
24…液体流量コントローラ(LV)
25…混合液体原料となす混合部
26…ペンタエトキシタンタルを貯留するタンク
27…タンタル以外の金属原子を含む原料を貯留するタンク

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