JP2002367989A - 酸化物誘電体薄膜及びその製造方法 - Google Patents
酸化物誘電体薄膜及びその製造方法Info
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Abstract
化するために、結晶性良くSi基板上に成長させる、界
面SiO2層の発生を抑えること。 【解決手段】 導電性Si基板1に導電性バッファ層2
を形成して4下部電極とし、誘電体層3と上部電極層4
を順次成膜することによって、コンデンサを構成してい
る。ATiO3で表記されるペロブスカイト型酸化物誘
電体薄膜を形成するために、低い酸素分圧の結果生じる
酸素欠陥から供給される電子を、4価であるTiよりも
低い価数をとりうるFeを過剰に添加することによっ
て、トラップし耐圧を高めることができる。
Description
及びその製造方法に関し、より要塞には、複合集積回路
を目指した酸化物誘電体薄膜及びその製造方法に関す
る。
越伝導といった多彩な物性を有し、様々な電子デバイス
を提供している。酸化物薄膜としてバルク結晶と同等の
性質を引き出すためには、良く制御された結晶性のよい
基板上にエピタキシャル成長させることが必須である。
しかしながら、従来用いられている酸化物の基板は、単
価が高く、量産できるレベルにはなかった。
子回路の小型化はますますま進展している。これに伴
い、各種回路に必須の回路素子であるコンデンサ等の小
型化も一段と重要になってきている。現在、大部分の電
子回路は、Siをベースとしたものであり、小型化を考
えるとともに、モノリシックデバイス、例えば薄膜コン
デンサ等を考えた場合には、従来のSiプロセスとの融
合を考慮していかねばならない。
キシャル成長させる試みが、精力的に行われてきてい
る。特に、SiO2に代わるゲート酸化膜に関しては、
high−k物質としてTa2O5等、様々な試みがさ
れてきている。しかしながら、良く知られているよう
に、Si基板表面は非常に活性を有しており、酸化物薄
膜をSiO2なしに界面に成長させることは至難の業で
ある。
1)Si基板を使用することによって、CeO2(11
1)をSiO2膜の生成なしに成膜することに成功して
いる。また、オークリッジ国立研究所のMckeeらは
(100)Si表面にSrSiを形成し、活性を抑える
ことによって、SrTiO3を直接成膜することに成功
している。
た報告はすべて格予像レベルで観察した報告であり、m
mオーダーあるいはウェハー全面で、エピタキシャル成
長が成功したという報告はなされていない。またSi上
にコンデンサを目的として、誘電体を形成する場合、耐
圧として1MV/cm以上の耐圧が必要となる。これを
達成するためには、電気的中性を保つために高い酸素雰
囲気で誘電体を成膜する必要がある。例えば高耐圧の
(Ba,Sr)TiO3等をPLD(パルスレーザーポ
ジション)で成膜するためには、100〜150mto
rr(1.32〜1.98×10−3Pa)で成膜しな
ければならない。さらに成膜後600℃程度において、
1気圧の酸素を導入して、ポストアニールを行わなくて
はならない。しかしながら、酸素分圧を高めると成膜中
に、基板であるSiに酸素が達してしまい、SiO2が
生成してしまうというトレードオフが生じる。
たもので、その目的とするところは、酸化物薄膜を電子
デバイスとして実用化するために、酸素分圧が低い成膜
条件でも十分耐圧がある酸化物誘電体薄膜及びその製造
方法を提供することにある。
的を達成するために、請求項1に記載の発明は、ATi
O3の化学式にて示される酸化物誘電体薄膜において、
添加物として4価よりも低い価数をとりうる遷移金属元
素を0.5〜10at%添加するとを特徴とする。つま
り、4価であるTiよりも低い価数をとりうる遷移金属
元素を過剰に添加することによって、低い酸素分圧の結
果生じる酸素欠陥から供給される電子を、トラップし耐
圧を高めることができる。
に記載の発明において、前記遷移金属元素がFeである
ことを特徴とする。
に記載の発明において、前記遷移金属元素がTiサイト
に入り、かつTiサイト過剰となっていることを特徴と
する。つまり、添加法としてTiサイト過剰になるよう
に、すなわち(Ba,Sr)TiO3の場合、モル比で
Ba:Sr:Ti:遷移金属=0.5:0.5:1:
0.05−0.1となるようにターゲットを作製、成膜
を行うことができる。
3の化学式にて示される酸化物誘電体薄膜の製造方法に
おいて、導電性基板に導電性バッファ層を形成して下部
電極とする第1の工程と、該第1の工程により形成され
たバッファ層の表面に、4価よりも低い価数をとりうる
遷移金属元素を0.5〜10at%添加して誘電体膜を
形成する第2の工程と、該第2の工程により形成された
誘電体層の表面に、上部電極としての電極層を形成する
第3の工程とを備えたことを特徴とする。
に記載の発明において、前記遷移金属元素としてFeを
過剰に添加することを特徴とする。
に記載の発明において、前記遷移金属元素としてTiを
過剰に添加することを特徴とする。
施例について説明する。
体薄膜の一実施例を示す断面図である。ここでは、導電
性Si基板1に導電性バッファ層2を形成して4下部電
極とし、誘電体層3と上部電極層4を順次成膜すること
によって、コンデンサを構成している。
は、PLDあるいはスパッタ法を用いる場合、以下に示
す方法で作製する。まず、BaTiO3、SrTiO3
粉末をモル比で1:1となるように秤量し、これにFe
2O3粉末を、例えばモル比でTi:Fe=1:0.0
4となるように秤量する。これらをボールミルにて混合
し、成形器に入れ、プレスを行い、大気中1400℃程
度で焼結する。
方法にて、誘電体膜の形成を行う。
が開発した過酸化水素水をベースとした洗浄方法)を経
て、速やかに成膜装置中に搬入する。この後、1000
℃以上、10−8Torr(1.32×10−6Pa)
以下の真空度にすることによって清浄表面を得ることが
できる。更に表面の活性を抑えるために終端処理(バッ
ファ層2)を行う。終端処理の方法としては、例えば以
下の二つの方法がある。
をわずかに成膜し、SrSi:ストロンチウムシリサイ
ドを形成させる方法である。第2の方法は、この清浄表
面を出している条件で、As蒸気をチャンバーに導入
し、表面をAs終端とすることによって、活性を抑える
方法である。
れたSi基板上に誘電体層3をスパッタ、あるいはPL
D法で成膜する。このとき、Feを添加していることに
よって、成膜中の酸素分圧を抑えることができる。例え
ば、絶縁性を持たせるためにはPLDの場合、通常10
0〜150mtorr(1.32〜1.98×10− 3
Pa)程度の酸素分圧が必要なものに対して、本発明に
よるFe添加BSTターゲットを用いると5mtorr
(6.6×10−1Pa)程度で十分耐圧が得られ、界
面におけるSiO2の発生を抑えることが出来た。しか
る後に、上部電極として電極層4を、Pt等をスパッタ
法で形成する。
酸化物誘電体薄膜の製造方法は、導電性基板に導電性バ
ッファ層を形成して下部電極とする第1の工程と、第1
の工程により形成されたバッファ層の表面に、4価より
も低い価数をとりうる遷移金属元素を0.5〜10at
%添加して誘電体膜を形成する第2の工程と、第2の工
程により形成された誘電体層の表面に、上部電極として
の電極層を形成する第3の工程とを備えている。この場
合、遷移金属元素としてFeを過剰に添加する。また、
遷移金属元素としてTiを過剰に添加する。
れるペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜において、4価
であるTiよりも低い価数をとりうる遷移金属元素を過
剰に添加することによって、低い酸素分圧の結果生じる
酸素欠陥から供給される電子を、トラップし耐圧を高め
ることができる。また、遷移金属元素としてFeを用い
る。さらに、遷移金属元素はTiサイトに入るために、
添加法としてTiサイト過剰になるようすなわち(B
a,Sr)TiO3の場合、モル比でBa:Sr:T
i:遷移金属=0.5:0.5:1:0.05−0.1
となるようにターゲットを作製、成膜を行う。
た薄膜コンデンサの耐圧特性を示す図で、横軸は印加電
界、縦軸は漏れ電流をそれぞれ示す。図2においては、
Feを0.0mol%から6%まで加えたターゲットを
用いて、PLDによって、成膜温度600℃、酸素分圧
5mtorr(6.6×10−1Pa)で成膜を行い、
ポストアニールを行った薄膜の結果である。図2に示す
ように、Feを添加するにつれて、漏れ電流は大きく減
少し、Fe:2mol%で最小となっている。さらに添
加すると逆に+側もれ電流は増加に転じる。
合の薄膜の結果を示す図である。図3に示すように、F
e:2%ではもれ電流は増加しているが、Fe:6%に
おいては漏れ電流が低下している。これらのことから過
剰に添加したFeが、酸素欠陥から生じる電子を補償し
ていることがわかる。
場合に比べて、Fe:2%で90%(εr:600)、
Fe:6%で80%(εr:540)程度であり、十分
高い誘電率が得られている。
eを過剰に添加したATiO3誘電体薄膜とすることに
よって、成膜中の酸素分圧を抑えることができ、Si清
浄表面上に酸化物誘電体薄膜を形成しても界面でのSi
O2発生を抑えることができ、高耐圧の薄膜コンデンサ
を提供することが出来る。
を示す断面図である。
ールを行った場合の耐圧特性を示す図である。
ールを行わない場合の耐圧特性を示す図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 ATiO3の化学式にて示される酸化物
誘電体薄膜において、添加物として4価よりも低い価数
をとりうる遷移金属元素を0.5〜10at%添加する
ことを特徴とする酸化物誘電体薄膜。 - 【請求項2】 前記遷移金属元素がFeであることを特
徴とする請求項1に記載の酸化物誘電体薄膜。 - 【請求項3】 前記遷移金属元素がTiサイトに入り、
かつTiサイト過剰となっていることを特徴とする請求
項1に記載の酸化物誘電体薄膜。 - 【請求項4】 ATiO3の化学式にて示される酸化物
誘電体薄膜の製造方法において、 導電性基板に導電性バッファ層を形成して下部電極とす
る第1の工程と、 該第1の工程により形成されたバッファ層の表面に、4
価よりも低い価数をとりうる遷移金属元素を0.5〜1
0at%添加して誘電体膜を形成する第2の工程と、 該第2の工程により形成された誘電体層の表面に、上部
電極としての電極層を形成する第3の工程とを備えたこ
とを特徴とする酸化物誘電体薄膜の製造方法。 - 【請求項5】 前記遷移金属元素としてFeを過剰に添
加することを特徴とする請求項4に記載の酸化物誘電体
薄膜の製造方法。 - 【請求項6】 前記遷移金属元素としてTiを過剰に添
加することを特徴とする請求項4に記載の酸化物誘電体
薄膜の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2001177468A JP2002367989A (ja) | 2001-06-12 | 2001-06-12 | 酸化物誘電体薄膜及びその製造方法 |
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JP2001177468A Pending JP2002367989A (ja) | 2001-06-12 | 2001-06-12 | 酸化物誘電体薄膜及びその製造方法 |
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JP (1) | JP2002367989A (ja) |
Citations (3)
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---|---|---|---|---|
JPH0425105A (ja) * | 1990-05-21 | 1992-01-28 | Sharp Corp | 誘電体薄膜およびその製造方法 |
JPH0982907A (ja) * | 1995-09-08 | 1997-03-28 | Toshiba Corp | 半導体装置およびその製造方法 |
JPH10506227A (ja) * | 1994-07-05 | 1998-06-16 | サイメトリックス コーポレイション | 過剰なa部位およびb部位修飾因子を含むabo▲下3▼薄膜およびこれを備えた集積回路を製造する方法 |
-
2001
- 2001-06-12 JP JP2001177468A patent/JP2002367989A/ja active Pending
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