JP2005123235A

JP2005123235A - アモルファス金属電極キャパシタ

Info

Publication number: JP2005123235A
Application number: JP2003353440A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishikawa; 孝司西川
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-14
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】高誘電率材料を絶縁膜とする金属電極−絶縁膜−金属電極積層キャパシタにおいて金属層が結晶性であるために、加工工程中の熱過程において絶縁膜が結晶化し、結晶粒界による電流リークが増大して電荷保持特性が劣化するという課題があった。
【解決手段】金属ガラスからなる下部電極金属１０１と、同じく金属ガラスからなる上部電極金属１０３とを備え、高誘電率材料を絶縁膜１０２として金属電極−絶縁膜−金属電極積層キャパシタを構成することにより、絶縁膜１０２の結晶化が抑制されて電流リークが低減されるので、その電荷保持特性が改善する。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体回路において、その絶縁膜にＨｆ、Ｔｉ、Ｚｒ等の金属の酸化物による高誘電率材料を用いた金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造（MIM）キャパシタに関する。

近年半導体回路中におけるキャパシタについて従来用いられてきたSiO₂膜に代わり、より微細化に適応した高誘電率の金属酸化物を用いられる様になってきた。またその絶縁膜にＨｆ、Ti、Ｚｒ等の酸化物による高誘電率材料を用いた従来の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタとしては、その金属電極として導電性のＴｉＮを用いているものがあった（例えば、非特許文献１参照）。

図３は、非特許文献1 に記載された従来の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタを示すものである。図３において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図３において、下部金属電極１０１はＴｉＮによって構成されていた。また絶縁膜１０２はHfO₂により構成されていた。また上部電極金属１０３はＴｉＮによって構成されていた。
応用物理学会分科会シリコンテクノロジーＮｏ．４８（「ＨｆＯ２ＭＩＭ容量とＢＳＴＳＯＩを用いた超高性能０．１３μｍ混載ＤＲＡＭ技術」、１９頁、Ｆｉｇ．１１）

しかしながら、前記従来の構成では、「電極金属のＴｉＮが結晶性であるために、絶縁膜のＨｆＯ₂が半導体回路の加工工程中の熱過程によってＴｉＮの影響を受けて結晶化しやすく、形成されたその結晶粒界をリークパスとする電流リークが起こって電荷保持特性が劣化する」という課題が明らかになった。

図４は半導体回路の加工工程中の熱過程を経た後の従来の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタ構成を模式的に示した断面図である。

図４において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。下部電極金属１０１および上部電極金属１０３はＴｉＮでできており、熱工程を経ることによって結晶化する。結晶化が行われた結果、通常数１０〜数１００ｎｍの幅の柱状構造を持つ多結晶体となる。

高誘電率絶縁膜層１０２は通常アモルファスであるが、熱工程によってその一部あるいは全部が結晶化しやすくなることが知られている。更に下部電極金属１０１および上部電極金属１０３が結晶化することによって、その結晶化が更に促進されることが明らかになった。

従って、熱工程を経ることによって高誘電率絶縁膜層１０２の中には、アモルファス部分４０２に混じって結晶化部分４０３が存在することとなる。結晶化部分４０３は小さいながらも多数存在した場合には、他の結晶化部分４０３と接触することになる。結晶化部分４０３の表面は結晶粒界と呼ばれて構成元素のイオンや工程中に混入した構成元素以外の不純物、あるいは原子表面にあって本来他の原子と結合しているはずなのに結合を持たず、結果として結合に関与する電子あるいはホールが遊離した状態にあるダングリングボンドなどが多数存在していることが知られている。

従ってこの結晶粒界は電気を通しやすく、電圧が印加された場合に容易に電気を流す電流リークの原因となる。

本発明は、前記従来構成における課題を解決するもので、電流リークが抑制され電荷保持特性が改善された金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造（MIM）キャパシタを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタは、上下金属電極が、熱工程を経ても結晶化することの無い金属ガラスによって構成されている。金属ガラスによって構成される金属電極の材料はＺｒとＡｌとＣｕの三種類の金属からなる合金を基本として構成されたものであり、これに更にＦｅ、Ｔｉ、Ｎｉのうちのいずれか、あるいはいくつかを選択して加えたものであり、半導体回路の加工工程中における熱過程を経ても結晶化せずアモルファスでありつづける。

本構成によって、上下金属電極の間に積層される高誘電率絶縁膜の結晶化を抑制することができる。

本発明の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタによれば、高誘電率材料を使った絶縁膜の結晶化を抑制することにより、結晶粒界によるリーク電流の発生を抑制してその電荷保持特性を改善することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタの断面図である。

図１において、下部電極金属１０１はその材料として金属ガラスを採用した電極金属であり、絶縁膜層１０２と上部電極金属１０３と積層されてキャパシタを構成している。下部電極金属１０１の材料としては、ＺｒとＡｌとＣｕの三種類の金属からなる合金を基本として構成された金属ガラスが用いられており、これに更にＦｅ、Ｔｉ、Ｎｉのうちのいずれか、あるいはこの中からいくつかを選択して加えることがある。

絶縁膜層１０２は高誘電率な金属酸化物を用いて構成されており、特にＴｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌのいずれか、あるいはこの中からいくつかを含む酸化物を材料に用いている。

下部電極金属１０３は導電体であればどの様な材料を用いても良い。ＡｌやＣｕ、Ｗなどの従来からある配線金属を用いても良いし、ＴｉＮやＷＮ、ＴｉＡｌＮなどの従来からあるバリア性導電体を用いても良い。また下部電極金属１０１に用いたと同じ金属ガラスを用いても良い。

かかる構成によれば下部電極金属１０１あるいは下部電極金属１０１と上部電極金属１０３の両方を金属ガラスとすることにより、半導体回路形成工程中の熱過程においても結晶化することが無く、従って下部電極金属１０１と上部電極金属１０３の間に積層された絶縁膜層１０２の結晶化が抑制される。その結果、高誘電率材料からなる絶縁膜層１０２の結晶粒界をリーク経路とする電流リークが抑制され、キャパシタの電荷保持時間を大幅に長くすることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２において、電極金属の材料として金属ガラスを用いた電極金属−絶縁膜−電極金属積層構造キャパシタを付加した強誘電体積層ゲートトランジスタの断面図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

図２において、基板２０１にソース、ドレイン２０２が形成されており、熱酸化膜２０３によって素子が分離されている。ゲート酸化膜２０４およびゲート電極２０５がソース、ドレイン２０２の間に形成されており、更にそれに対して強誘電体層２０６および電極２０８が積層されている。それに加えて下部電極金属１０１と高誘電率絶縁膜層１０２および上部電極金属１０３からなる電極金属−絶縁膜−電極金属積層構造キャパシタが積層されている。

上部電極金属１０３の上部にはゲート電極２１２が形成されている。ソース・ドレイン２０２に対しては配線金属２０７を介してソース・ドレイン電極２１３が形成されている。ソース・ドレイン２０２およびゲート電極２０５と基板２０１との間は層間絶縁膜２１４によって保護されている。

かかる構成によれば下部電極金属１０１あるいは下部電極金属１０１と上部電極金属１０３の両方を金属ガラスとすることにより、半導体回路形成工程中の熱過程においても結晶化することが無く、従って下部電極金属１０１と上部電極金属１０３の間に積層された絶縁膜層１０２の結晶化が抑制される。

その結果、高誘電率材料からなる絶縁膜層１０２の結晶粒界をリーク経路とする電流リークが抑制される。それによりゲート電極２０５、強誘電体層２０６、電極２０８、下部電極金属１０１、絶縁膜層１０２および上部電極金属１０３からなる強誘電体と絶縁膜層１０２の積層キャパシタの電荷保持時間を大幅に長くすることができる。またそれにより強誘電体積層ゲートトランジスタの保持時間を大幅に長くすることができる。

本発明にかかる金属―絶縁膜―金属積層構造キャパシタは、高い電荷保持特性を有し、強誘電体積層ゲートトランジスタのゲートリーク抑制用キャパシタ等として有用である。

本発明の実施の形態１における金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタの断面図本発明の実施の形態２における電極金属の材料として金属ガラスを用いた電極金属−絶縁膜−電極金属積層構造キャパシタを付加した強誘電体積層ゲートトランジスタの断面図従来の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタを使ったＤ−ＲＡＭ構造の断面図熱工程後の従来の金属電極―絶縁膜―金属電極積層構造キャパシタの断面図

符号の説明

１０１下部電極金属
１０２高誘電率絶縁膜層
１０３上部電極金属
２０１基板
２０２ソースあるいはドレイン
２０３フィールド酸化膜
２０４ゲート絶縁膜
２０５ゲート電極
２０６強誘電体膜
２０７ソース、ドレイン電極
２０８配線金属
２１２ゲート配線
２１３ソース、ドレイン配線
２１４層間絶縁膜
４０１金属多結晶
４０２アモルファス高誘電率絶縁膜
４０３結晶性高誘電率絶縁膜

Claims

金属ガラスからなる下部電極金属と、
高誘電率材料からなる絶縁膜層と、
上部電極金属とを備えた、金属電極-絶縁膜-金属電極積層キャパシタ。
金属電極を構成する金属ガラスが、ＺｒとＡｌとＣｕの三種類の金属からなる合金を基本として構成されおり、これに更にＦｅ、Ｔｉ、Ｎｉのうちのいずれか、あるいはいくつかを選択して加えることを特徴とする
請求項１に記載の金属電極-絶縁膜-金属電極積層キャパシタ。
高誘電率材料からなる絶縁膜層が、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ａｌのいずれか、あるいはいくつかを含む酸化物であることを特徴とする
請求項２に記載の金属電極-絶縁膜-金属電極積層キャパシタ。
ゲート電極、強誘電体層、電極からなる強誘電体キャパシタと、請求項１および２および３記載の下部電極金属、高誘電率絶縁膜層および上部電極金属からなる高誘電率絶縁膜キャパシタとの積層キャパシタとをゲート絶縁膜上に積層した強誘電体積層ゲートトランジスタ。