JP2007273892A - 薄膜キャパシタおよびこれを有する半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】薄膜キャパシタは、下部電極(12)と、上部電極(14)と、前記下部電極と上部電極の間に挟持される誘電体膜(13)とを有し、前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、前記上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低く設定されているBa-I低濃度領域(13a)を有し、R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2である。
【選択図】図1
Description
前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、
前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、
前記上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低く設定されているBa-I低濃度領域を有し、
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2の範囲に設定されている。
(a)下部電極上に、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)および酸素(O)が所定の組成で含まれる誘電体膜を形成し、
(b)前記誘電体膜上に上部電極を形成する際に、成膜条件を制御して、前記誘電体膜の表面領域のペロブスカイト相のバリウム(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低い低Ba-I領域を形成する
工程を含む。
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%]とすると、0.1<R<0.2の範囲に設定されている。図1の例では、R=0.14である。
以上、特定の実施例に従って本発明を説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、種々の変更、変形が可能である。実施例では、上部Pt電極の成膜プロセスを制御して、BST誘電体膜の界面領域で、ペロブスカイト相のBaイオンの相対濃度を低減したが、下部電極との界面領域に低Ba-I領域を設けてもよい。
(付記1) 下部電極と、上部電極と、前記下部電極と上部電極の間に挟持される誘電体膜とを有する薄膜キャパシタにおいて、
前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、
前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、
前記上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも小さく設定されているBa-I低濃度領域を有し、
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2である
ことを特徴とする薄膜キャパシタ。
(付記2) 前記Ba-I低濃度領域は、前記界面から5nmまでの領域、より好ましくは、前記界面から2.5nmまでの領域であることを特徴とする付記1に記載の薄膜キャパシタ。
(付記3) 前記薄膜キャパシタは基板上に配置される薄膜キャパシタであり、
前記基板と前記薄膜キャパシタとの間に挿入される密着層
をさらに含むことを特徴とする付記1または2に記載の薄膜キャパシタ。
(付記4) 半導体基板上に配置されるトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続される薄膜キャパシタと
を備え、前記薄膜キャパシタは一対の電極に挟持される誘電体膜を有し、
前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、
前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、
前記一対の電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]は、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも小さく、
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2である
ことを特徴とする半導体装置。
(付記5) 前記界面近傍領域は、前記一方の電極との界面から膜厚方向に5nmまでの領域、より好ましくは2.5nmまでの領域であることを特徴とする付記4に記載の半導体装置。
(付記6) 前記トランジスタと前記薄膜キャパシタを電気的に接続するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグと、前記薄膜キャパシタとの間に挿入される密着層と
をさらに備えることを特徴とする付記4または5に記載の半導体装置。
(付記7) 下部電極上に、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)および酸素(O)が所定の組成で含まれる誘電体膜を形成し、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する際に、成膜条件を制御して、前記誘電体膜の表面領域のペロブスカイト相のバリウム(Ba-I)の相対濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低い低Ba-I領域を形成する
工程を含むことを特徴とする薄膜キャパシタの作製方法。
(付記8) 前記低Ba-I領域の形成は、Ba-Iの濃度比RをR=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2となるように制御する工程を含むことを特徴とする付記7に記載の薄膜キャパシタの作製方法。
(付記9) 前記低Ba-I領域は、前記上部電極との界面から5.0nmまでの領域、より好ましくは2.5nmまでの領域であることを特徴とする付記7に記載の薄膜キャパシタの作製方法。
(付記10) 前記上部電極形成後に、酸素雰囲気中で100℃〜900℃の温度範囲でアニールする工程をさらに含むことを特徴とする付記7または8に記載の薄膜キャパシタの作製方法。
(付記11) 半導体基板上に、トランジスタと、当該トランジスタと電気的に接続される薄膜キャパシタを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記薄膜キャパシタの一対の電極に挟時される誘電体膜を形成する際に、前記誘電体膜の一方の電極との界面近傍で、前記誘電体に含まれるペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも小さく設定される低Ba-I領域を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記12) 前記低Ba-I領域の形成は、Ba-Iの濃度比RをR=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2となるように制御する工程を含むことを特徴とする付記11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記薄膜キャパシタを、酸素雰囲気中で100℃〜900℃でアニールする工程をさらに含むことを特徴とする付記11に記載の半導体装置の製造方法。
(付記14) 前記トランジスタと前記薄膜キャパシタとを電気的に接続する接続プラグを形成し、
前記接続プラグと前記薄膜キャパシタとの間に挿入される密着層と
を形成する工程をさらに含むことを特徴とする付記11〜13のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
10 薄膜キャパシタ
12 下部電極
13、53 誘電体膜(BST膜)
13a、53a、63a 低Ba-I領域
13b、53b バルク領域
14 上部電極
20 MOSトランジスタ
30 コンタクトプラグ
52,54 Pt膜
Claims (10)
- 下部電極と、上部電極と、前記下部電極と上部電極の間に挟持される誘電体膜とを有する薄膜キャパシタにおいて、
前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、
前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、
前記上部電極と下部電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低く設定されているBa-I低濃度領域を有し、
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2である
ことを特徴とする薄膜キャパシタ。 - 前記Ba-I低濃度領域は、前記界面から5nmまでの領域、より好ましくは、界面から2.5nmまでの領域であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜キャパシタ。
- 前記薄膜キャパシタは基板上に配置される薄膜キャパシタであり、
前記基板と前記薄膜キャパシタとの間に挿入される密着層
をさらに含むことを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜キャパシタ。 - 半導体基板上に配置されるトランジスタと、
前記トランジスタに電気的に接続される薄膜キャパシタと
を備え、前記薄膜キャパシタは一対の電極に挟持される誘電体膜を有し、
前記誘電体膜は、少なくとも、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタニウム(Ti)のカチオンと、酸素(O)のアニオンを含み、
前記イオンのうち、Sr,Ti,Oの組成は膜厚方向に均一であり、
前記一対の電極の少なくとも一方の電極との界面近傍領域において、ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]は、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも小さく、
R=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2である
ことを特徴とする半導体装置。 - 前記界面近傍領域は、前記一方の電極との界面から膜厚方向に5nmまでの領域、より好ましくは2.5nmまでの領域であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
- 前記トランジスタと前記薄膜キャパシタを電気的に接続するコンタクトプラグと、
前記コンタクトプラグと、前記薄膜キャパシタとの間に挿入される密着層と
をさらに備えることを特徴とする請求項4または5に記載の半導体装置。 - 下部電極上に、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、チタン(Ti)および酸素(O)が所定の組成で含まれる誘電体膜を形成し、
前記誘電体膜上に上部電極を形成する際に、成膜条件を制御して、前記誘電体膜の表面領域のペロブスカイト相のバリウム(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも低い低Ba-I領域を形成する
工程を含むことを特徴とする薄膜キャパシタの作製方法。 - 前記低Ba-I領域の形成は、Ba-Iの濃度比RをR=(Ba-I濃度[atom%])/(Ba-I濃度[atom%]+Ba-II濃度[atom%])とすると、0.1<R<0.2となるように制御する工程を含むことを特徴とする請求項7に記載の薄膜キャパシタの作製方法。
- 前記上部電極の形成後に、酸素雰囲気中で100℃〜900℃でアニールする工程
をさらに含むことを特徴とする請求項7に記載の薄膜キャパシタの作製方法。 - 半導体基板上に、トランジスタと、当該トランジスタと電気的に接続される薄膜キャパシタを形成する工程を含む半導体装置の製造方法において、
前記薄膜キャパシタの一対の電極に挟時される誘電体膜を形成する際に、前記誘電体膜の一方の電極との界面近傍で、前記誘電体に含まれるペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-I)の平均濃度[atom%]が、非ペロブスカイト相のバリウムイオン(Ba-II)の平均濃度[atom%]よりも小さく設定される低Ba-I領域を形成する
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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