JP2005085812A

JP2005085812A - 誘電体薄膜キャパシタ

Info

Publication number: JP2005085812A
Application number: JP2003312871A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Takeshima; 裕竹島; Mitsuki Shibuya; 光樹渋谷
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-09-04
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】基板、密着層、誘電体層、上部電極からなる誘電体薄膜キャパシタであって、キャパシタ特性に悪影響を与えず、かつ製造コストの低廉な密着層を備える誘電体薄膜キャパシタを提供する。
【解決手段】本発明の誘電体薄膜キャパシタは、基板１０、密着層２０、下部電極３０、誘電体層４０、上部電極５１，５２とからなり、密着層２０と誘電体層４０とは、同一組成系の材料、あるいは同一の材料からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体薄膜キャパシタに関する。

ＤＲＡＭやノイズフィルタなどの半導体装置に用いられている誘電体薄膜キャパシタは、基板、下部電極、誘電体薄膜、上部電極が順に積層された構造となっている。誘電体薄膜は、スパッタリング、ＣＶＤ、ＭＢＥ、ゾルゲル法などによって成膜可能であるが、製造コストなどの点ではゾルゲル法が有利とされている。

誘電体薄膜をゾルゲル法で成膜する場合、誘電体原料の有機化合物を有機溶媒中に溶解したゾルゲル原料を塗布し、酸化雰囲気中で熱処理する。そのため、下部電極には酸化しにくい貴金属が用いられ、具体的にはＰｔが多く用いられる。

しかし、基板表面のＳｉ酸化物と貴金属とは密着性が悪く、誘電体薄膜キャパシタ形成後にダイシングカットなどの工程が含まれる場合には、密着性を高めるために基板と下部電極との間に密着層を形成する必要がある。密着層としては、Ｔｉが用いられることが多い（特許文献１参照）。
特開平８−７８６３６号公報（特に段落番号「００１８」〜「００２０」、図２）

特許文献１にも記載されているように、密着層としてＴｉを用いた場合にはＴｉ層の酸化によって基板の反りが発生し、誘電体層のひび割れ（クラック）を招くという問題がある。特許文献１には、密着層であるＴｉ層の膜厚を制限することによって基板の反りを抑制することが開示されている。

しかしＴｉ層の膜厚を制限したとしてもさらに別の問題が発生する。すなわち、密着層の膜厚を制限したとしてもＴｉがアニールなどの工程において酸化してしまうことに変わりはない。Ｔｉが酸化して下部電極と誘電体層の界面に拡散すると以下の２点の問題が発生する。

第１に、誘電体層としてチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ₃）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、チタン酸ストロンチウムバリウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃、以下ＢＳＴと省略する）などを用いる場合、誘電体層と下部電極の界面に拡散したＴｉ酸化物が下部電極と誘電体層の界面での結晶組織ズレの原因となり、誘電体層の結晶性の乱れを招くことがある。

第２に、Ｔｉ酸化物は高抵抗物質であるため、下部電極と誘電体層との界面に低誘電率層が存在することとなりキャパシタ特性の著しい劣化を招くことがある。

すなわち、特許文献１に記載の技術では、従来から問題となっていたクラックの発生はある程度抑制できるものの、密着層であるＴｉが下部電極と誘電体層との界面に拡散することによって発生する問題を防ぐことはできなかった。

よって本発明は、リーク電流の原因となるクラックの発生を防ぎつつ、かつ、キャパシタ特性の劣化を招くことのない密着層を持つ誘電体薄膜キャパシタを提供することを目的とする。

上記問題点を解決するために本発明に係る誘電体薄膜キャパシタは、基板と、該基板上に形成された密着層と、該密着層上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極と、からなる誘電体薄膜キャパシタであって、前記密着層は、前記誘電体層と同一組成系の材料からなることを特徴とする。

密着層を誘電体層と同一組成系の材料とすることにより、密着層の膨張による基板の反りがなくなり、誘電体層にクラックが発生することを防止できる。また、密着層が下部電極と誘電体層との界面に拡散したとしてもキャパシタ特性の劣化を招くことはない。

なおここで同一組成系の材料とは、主たる構成元素が同一の材料を示し、主たる構成元素の比率が異なる材料や、異なる微量元素を含有する材料を含むものとする。

さらに本発明に係る誘電体薄膜キャパシタは、前記密着層は前記誘電体層と同一の材料からなることを特徴とする。

これにより、密着層と誘電体層とを同一の材料、設備を用いて形成することができるので製造コストが低減される。また、密着層と誘電体層が同一材料なので、密着層が誘電体層と下部電極の界面に拡散しても特性の劣化を招かない。

また本発明の誘電体薄膜キャパシタにおいては、誘電体層の材料として強誘電体であるチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ストロンチウムバリウムを用いることができる。

さらに本発明の誘電体薄膜キャパシタは、前記下部電極は白金からなることを特徴とする。また、前記上部電極は白金からなることを特徴とする。白金は貴金属であるから、熱処理工程を経ても酸化することがなく、下部電極または上部電極として好適である。

以上のように本発明に係る誘電体薄膜キャパシタは、密着層を誘電体層と同一組成系の材料で形成するので、誘電体層の酸化膨張による基板の反りが起こらず、誘電体層にクラックが生じることを防止できる。また、密着層が下部電極と誘電体層の界面に拡散してもキャパシタ特性の劣化を招くことがない。

さらに密着層と誘電体層を同一の材料で形成することにより、密着層の拡散による特性劣化をさらに抑制し、また製造コストも低減できる。

以下において図を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係る誘電体薄膜キャパシタの製造工程を示す断面図である。

まず、図１（ａ）にあるように基板１０を用意する。基板１０としてＳｉ基板を用いた場合、通常表面はＳｉ酸化物層１２となっているので、基板はＳｉ層１１とＳｉ酸化物層１２の２層構造となっている。

次に、有機化合物を溶解した原料溶液をスピンコートによって塗布し乾燥させて密着層前駆体膜を成膜する。ここで用いる原料溶液は後述する誘電体層の形成に用いる原料溶液と同一組成系のものを用いる。同一の原料溶液を用いることがより好ましい。

塗布、乾燥の工程は複数回繰り返してもよい。所望の膜厚の密着層前駆体膜が得られたところで１回目の熱処理を行って密着層前駆体膜を結晶化させ、図１（ｂ）に示すように密着層２０を形成する。

このとき、熱処理の温度は前駆体膜の結晶化温度よりも高い温度とすることが好ましい。熱処理温度が結晶化温度よりも低い場合には、密着層２０が凝集状に形成されて表面の平坦性が損なわれてしまうことがある。一方、熱処理温度が高すぎる場合にも大きな結晶粒が成長してしまい表面の平坦性を損なうことから、粒径の比較的小さな結晶粒が成長する程度の温度で熱処理を行うことが好ましい。なお、熱処理にはＲＴＡ（ラピッド・サーマル・アニーリング）装置や電気炉などを用いることができる。

次に、図１（ｃ）に示すように密着層２０上に下部電極３０を形成する。下部電極としては、後述する２回目、３回目の熱処理などの工程で酸化しにくい物質で形成することが好ましく、具体的にはＰｔが好適である。下部電極３０はスパッタ法などによって形成することができる。

次に、下部電極３０上に有機化合物を溶解した原料溶液をスピンコートによって塗布し乾燥させて誘電体層前駆体膜を成膜する。塗布、乾燥の工程は複数回繰り返してもよい。所望の膜厚の誘電体層前駆体膜が得られたところで２回目の熱処理を行って誘電体層前駆体膜を結晶化させ、図１（ｄ）に示すように誘電体層４０を形成する。誘電体層４０としては、強誘電体であるチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ストロンチウムバリウムなどを用いることができる。

ここで誘電体層４０は前述のように密着層２０と同一組成系の材料、あるいは同一の材料からなっている。同一組成系の材料とは例えば、密着層２０と誘電体層４０とがともにＢＳＴからなり、Ｂａ：Ｓｒ：Ｔｉの組成比率が異なるような材料や、これら主要構成元素以外の微量な構成元素が異なる材料などである。

このとき、熱処理の温度は前駆体膜の結晶化温度よりも高い温度とすることが好ましい。熱処理温度が結晶化温度よりも低い場合には、誘電体層４０が凝集状に形成されて表面の平坦性が損なわれてしまうことがある。また、結晶化温度より低い温度で熱処理した場合、後述する上部電極形成後に結晶化温度より高い温度で熱処理を行っても誘電体層４０が十分な比誘電率を得られないことがわかっている。

一方、熱処理温度が高すぎる場合にも大きな結晶粒が成長してしまい表面の平坦性を損なうことから、粒径の比較的小さな結晶粒が成長する程度の温度で熱処理を行うことが好ましい。

次に、誘電体層上に例えばＰｔなどからなる上部電極５１，５２を形成する。上部電極５１，５２を形成した後、誘電体層４０の結晶化温度よりも十分高い温度で３回目の熱処理を行うことにより、図１（ｅ）に示す誘電体薄膜キャパシタが完成する。図１（ｅ）では、誘電体層４０上の一部に上部電極５１，５２を形成しているが、全面に形成しても構わない。

本発明では、２回目の熱処理温度を結晶化開始温度よりも高くし、さらに上部電極５１，５２を形成した後に２回目の熱処理温度よりも高い温度で３回目の熱処理を行っているので、誘電体層４０の誘電率が十分に上昇する。

また本発明では密着層２０を誘電体層４０と同じ物質で形成しているため、密着層２０の酸化膨張によって基板１０の反りを引き起こすことがなく、誘電体層４０にクラックが生じることを防止できる。さらに、密着層２０が下部電極３０と誘電体層４０との間に拡散したとしても、密着層２０は誘電体層４０と同一の材料、すなわち強誘電体からなるのでキャパシタ特性に悪影響を与えることはない。

以下において本発明のさらに具体的な実施例について説明する。図１（ａ）は基板１０を示す。ここでは直径３インチ、厚さ０．３８ｍｍの（１００）面Ｓｉ基板を用いている。基板１０の表面には熱処理によって厚さ１μｍのＳｉ酸化物１２層を形成しているので、基板はＳｉ層１１とＳｉ酸化物層１２の２層構造となっている。

次いで基板１０上にＢＳＴ（チタン酸ストロンチウムバリウム）の原料となる有機化合物を溶解した原料溶液をスピンコートによって塗布し、３００℃に加熱したホットプレート上で５分間乾燥させた。この、塗布・乾燥を２回ずつ繰り返すことによって、密着層前駆体膜を形成した。そして、第１回目の熱処理として酸素中で６５０℃で１０分間のＲＴＡ熱処理を行った。この熱処理によって密着層前駆体膜は結晶化して、図１（ｂ）に示すようにＢＳＴからなる密着層２０となる。なお、ここで用いた原料溶液の組成はＢａ：Ｓｒ：Ｔｉ＝７０：３０：１００である。

次に、図１（ｃ）に示すように、密着層２０上にスパッタリングによって厚さ約２００ｎｍのＰｔからなる下部電極３０を形成した。

次に、上記と同様にＢＳＴ原料溶液の塗布・乾燥を２回ずつ繰り返し、酸素中において６５０℃で１０分間のＲＴＡ熱処理を行った（２回目の熱処理）。これによって、図１（ｄ）に示すように誘電体層４０が形成される。２回目の熱処理後の誘電体層の状態をＸＲＤ（Ｘ線回折分析）によって調べたところ、誘電体層４０は結晶化していることが確認された。しかし結晶の粒径が小さいため、冷却時の熱応力によるマイクロクラックは生じにくい。

次に、ステンレス製のメタルマスクを用いて、図１（ｅ）に示すように、直径１ｍｍ、厚さ約２００ｎｍのＰｔからなる上部電極５１，５２を２ｍｍ間隔で形成した。この状態で、隣接する二つの上部電極５１，５２にプローブを当てて静電容量を測定したところ、静電容量は７．０ｎＦ、比誘電率はおよそ３２０であった。さらに、３回目の熱処理として酸素雰囲気中において７５０℃で６０分間のＲＴＡ熱処理を行った。この状態で上記と同様の方法によって静電容量と、２．０Ｖ印加時のリーク電流を測定したところ、静電容量は９．５ｎＦ、比誘電率はおよそ４４０、リーク電流は９８ｐＡであった。また、ショート率は２％であった。３回目の熱処理によって比誘電率が上昇し、高い比誘電率をもつ誘電体層４０を得ることができた。また、クラックが生じ難いのでリーク電流が小さくショート率も低い。

静電容量とリーク電流を測定した後、ダイシングソーによってカットテストを行ったが、各層の剥離は生じず、各層が十分な密着強度を持っていることがわかった。

本発明に係る誘電体薄膜キャパシタの製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０基板
１１Ｓｉ層
１２Ｓｉ酸化物層
２０密着層
３０下部電極
４０誘電体層
５１，５２上部電極

Claims

基板と、該基板上に形成された密着層と、該密着層上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極と、からなる誘電体薄膜キャパシタであって、
前記密着層は、前記誘電体層と同一組成系の材料からなることを特徴とする誘電体薄膜キャパシタ。
請求項１に記載の誘電体薄膜キャパシタであって、前記密着層は前記誘電体層と同一の材料からなることを特徴とする誘電体薄膜キャパシタ。
前記誘電体層は、チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸ストロンチウムバリウムのいずれかからなることを特徴とする、請求項１あるいは請求項２に記載の誘電体薄膜キャパシタ。
前記下部電極は白金からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の誘電体薄膜キャパシタ。
前記上部電極は白金からなることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の誘電体薄膜キャパシタ。