JP2009027017A - 絶縁体膜、キャパシタ素子、dram及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】上部電極99と下部電極97との間に挟まれた絶縁体層を備えたキャパシタ素子69の前記絶縁体層として用いられる絶縁体膜98であって、ランタノイド元素、Hf、Yの中の少なくとも1種類の元素が添加された二酸化チタンからなる絶縁体膜98とする。
【選択図】図1
Description
また、キャパシタ素子の絶縁体材料として検討されている比誘電率の高い材料としては、80程度の比誘電率を有する二酸化チタン(TiO2)が挙げられる。
また、半導体装置に用いられる絶縁体材料としては、複数の積層された基本層を含み、前記層の中に二酸化チタン(TiO2)及び五酸化タンタル(Ta2O5)の合金に基づく2つの層が存在し、これらの層が少なくとも二酸化ハフニウム(HfO2)及びアルミナ(Al2O3)に基づく合金の中間層によって隔てられている多層構造体(例えば、特許文献3参照)や、各々が500Å未満の厚さを有する複数の別個の層を備え、前記層の幾つかがアルミニウム、ハフニウム、及び酸素に基づく多層構造体(例えば、特許文献4参照)、主成分がSr1-X TiO3(但し、0<X<1)である表面層を有し、主成分がチタン酸ストロンチウム(SrTiO3 )である薄膜からなる高誘電率薄膜(例えば、特許文献5参照)などもある。
また、従来の絶縁体材料はいずれも、DRAMを構成するキャパシタ素子の絶縁体材料として用いた場合に、十分に大きい比誘電率、および十分に高いリーク耐圧、および製造容易性のすべてを満たすものではなかった。
さらに、本発明の絶縁体膜を備えたキャパシタ素子およびDRAM、半導体装置を提供することを目的とする。
本発明の絶縁体膜は、2つの電極の間に挟まれた絶縁体層を備えるキャパシタ素子の前記絶縁体層として用いられる絶縁体膜であって、
ランタノイド元素、Hf(ハフニウム)、Y(イットリウム)の中の少なくとも1種類の元素が添加された二酸化チタン(TiO2)からなることを特徴とする。
ここで、「ランタノイド元素」とは、原子番号57のLa(ランタン)から原子番号71のLu(ルテチウム)までの元素を意味する。
本発明のDRAMは、メモリセル部と、周辺回路部とを備えるDRAMであって、前記メモリセル部が、本発明のキャパシタ素子を備えることを特徴とする。
本発明の半導体装置は、本発明のキャパシタ素子を備えることを特徴とする。
図1に示す半導体装置Aは、メモリセル部と周辺回路部とを備えるDRAMを有するものである。図1に示す半導体装置Aを構成するDRAMは、半導体基板71上に設けられたメモリセル部と周辺回路部とから概略構成されている。なお、図1においては、メモリセル部のみを拡大して示し、周辺回路部の記載を省略している。メモリセル部には、選択用トランジスタと、選択用トランジスタのソース・ドレインにコンタクトプラグを介して接続され、蓄積容量部として用いられるキャパシタ素子69とから構成されるメモリセルが複数並んで設けられている。一方、周辺回路部は、メモリセル部の周辺に位置しており、周辺回路部には、周辺回路用のトランジスタが複数並んで設けられている。
ゲート電極76上(すなわち金属膜75の上)には、窒化シリコン(Si3N4)等からなる絶縁膜77が形成され、ゲート電極76の側壁には、窒化シリコンなどの絶縁膜からなるサイドウオール78が形成されている。
容量絶縁膜98としては、二酸化チタン(TiO2)に対してバンドギャップが大きく、比誘電率の高い酸化金属元素であるランタノイド元素、Hf、Yのいずれかの元素が添加された二酸化チタンからなる絶縁体膜が用いられている。本実施形態の容量絶縁膜98を構成する絶縁体膜は、結晶化されていないアモルファス状態でも、キャパシタに必要な電気特性を満たすことができる。
絶縁体膜の比誘電率およびリーク耐圧は、絶縁体膜を構成する二酸化チタンに添加された上記いずれかの元素の濃度によって変化する。絶縁体膜の比誘電率は、25〜80の範囲で変化し、元素の濃度が低いほど高くなる。また、絶縁体膜のリーク耐圧は、二酸化チタン(TiO2)よりも高くなり、元素の濃度が高いほど高くなる。
例えば、二酸化チタンにLaが添加された場合、Laの添加比率(La/(La+Ti))は10%〜50%とすることで、キャパシタ素子のリーク耐圧と比誘電率の両方におけるバランスのとれた絶縁膜が得られる。
また、例えば、二酸化チタンにHfが添加された場合、Hfの添加比率(Hf/(Hf+Ti))は10%〜65%とすることで、キャパシタ素子のリーク耐圧と比誘電率の両方におけるバランスのとれた絶縁膜が得られる。
La以外のランタノイド元素やYを添加元素として用いる場合にも、所望のキャパシタ特性が得られるように、二酸化チタンに対して適切な量の元素を添加すればよい。
なお、本発明の絶縁体膜においては、各元素を二酸化チタンに対して少しでも添加すれば、二酸化チタン膜のみからなる絶縁膜よりもキャパシタ素子用の絶縁膜として改善された特性を得ることができる。従って、例えばHfを添加元素として選んだ場合、その添加量は上述の10%〜65%内に限定されることはなく、10%以下や、65%以上の添加とすることも可能である。
ここで、例えば、下部電極97までの各部材の形成された基板(被形成面)上に、容量絶縁膜98として、Laが添加された二酸化チタンからなる絶縁体膜をスパッタリング法により形成する場合を例に挙げて説明する。まず、チャンバ内に、TiO2ターゲットと、LaTiO(La:Ti=1:1)の焼結体からなるLaTiOターゲットとを配置する。次いで、各ターゲットと対向する位置に配置された被形成面を自転させながら、各ターゲットに対してそれぞれRF(高周波)パワーを配給して放電させる。このことにより、Laが添加された二酸化チタンからなる絶縁体膜が被形成面上に形成される。
また、ターゲットから被形成面への絶縁体膜となる原料の供給量は、ターゲット中に含まれるLaの含有量を変更する方法によっても変化させることができる。したがって、絶縁体膜を形成する際に使用するターゲット中に含まれるLaの含有量を変更することによって、Laが添加された二酸化チタン中におけるLaの添加量も変更することができる。
さらに、ターゲットに対して供給されるRFパワーを制御する方法と、ターゲット中に含まれるLaの含有量を変更する方法とを組み合わせて、ターゲットから被形成面への絶縁体膜となる原料の供給量を制御することにより、Laが添加された二酸化チタン中におけるLaの添加量を制御してもよい。
また、LaTiO以外のLaを含んだ材料から形成されたターゲットを用いて、同様にLaの添加量を制御してもよい。
すなわち、本発明の絶縁体膜の形成方法においては、ポストアニールは必須の工程ではなく、DRAM等の半導体装置に適用して最終的に得られる特性に応じて、ポストアニールを行うかどうかを決めればよい。また、ポストアニールを行う場合でも、温度や時間等の条件は所望する絶縁体膜の特性に応じて、変更することが可能である
また、容量絶縁膜98が、ランタノイド元素、Hf、Yの中の少なくとも1種類の元素が添加された二酸化チタンからなるものであるので、一般的な半導体製造装置を用いて、均一で緻密・平坦な膜からなる容量絶縁膜98を容易に形成できる。
また、例えば、容量絶縁膜98が結晶膜である場合には、容量絶縁膜98が、容量絶縁膜98の下に形成されている下部電極97を構成する材料の結晶性の影響を受けるため、容量絶縁膜98の品質が下部電極97の材料や膜質に強く依存することになり、実用上大きな制限と困難を与える。しかし、本実施形態の容量絶縁膜98は、アモルファス状態であるため、下部電極97の品質に関わりなく一定の品質を提供することが可能である。このため、下部電極97および容量絶縁膜98の形成が容易なものとなる。また、下部電極97の材料や形成方法の選択肢を増大させることができる。
さらに、DRAMのメモリセルと、一般的なロジック製品を同一の半導体チップ上に形成した混載型のDRAMにおいても、本発明の絶縁体膜を問題なく適用できる。
また、DRAMを備えた半導体装置以外の半導体装置についても、上部電極と下部電極との間に挟まれた絶縁体層を備えたキャパシタ素子を有するものであれば、本発明が適用可能である。
図2に示す積層構造からなる試験体を以下に示すように製造し、以下に示す実験を行なった。
図2において、符号1はSi基板、符号2はSiO2からなる熱酸化膜、符号3はPt膜からなる下部電極、符号4は絶縁体膜、符号5はPt(白金)膜からなる上部電極を示している。
その結果、二酸化チタン膜(a)からなる絶縁体膜4を得た。
nmのPt膜を形成することにより、上部電極5を形成した。
続いて、ポストアニールとして、酸素雰囲気、700℃の温度で3分間の熱処理を行なった。このようにして、Laの添加量(La/(La+Ti))が0%の二酸化チタン膜(a)からなる絶縁体膜4を有する図2に示す積層構造を得た。
表1より、TiO2ターゲットおよびLaTiOターゲットに配給するRFパワーを変化させることによって、Laが添加された二酸化チタン膜中におけるLaの添加量を制御できることが確認できた。
図3に示すように、Inplane測定(低角入射)なのでSi基板1のピークは見えていない。また、図3において白丸で示される位置のピークより、二酸化チタン膜(a)は、結晶化しており、ルチル構造(TiO2結晶の中で安定な結晶構造)が形成されていることがわかる。また、Laの添加量が9%の二酸化チタン膜(b)では、わずかにTiO2結晶が形成されていることがわかる。
図4は、Laの添加量と、絶縁体膜4の比誘電率およびリーク耐圧との関係を示したグラフである。図4に示すように、比誘電率はLaの添加量が低いほど高くなり、リーク耐圧はLaの添加量が高いほど高くなることが確認できた。
なお、Laの添加量が9%の二酸化チタン膜(b)においては、先に述べたように一部結晶化しているが、Laの添加量が0%の二酸化チタン膜(a)に比べて高いリーク耐圧が得られている。従って、本発明の絶縁体膜は、必ずしも完全なアモルファス状態での使用に限定されるものではない。
図5は、Laの添加量と、エネルギーレベル(eV)との関係を示したグラフである。 図5に示すように、Laの添加量が0%の二酸化チタン膜(a)のバンドギャップ3eVに対し、Laの添加された二酸化チタン膜(b)〜(g)では、バンドギャップが3.1eV〜3.8eVと大きくなっている。
また、図5に示すように、下部電極3のPt膜のフェルミ準位(Ef)と、絶縁体膜4の伝導帯(Ec)とのバンドオフセットが、Laの添加された二酸化チタン膜(b)〜(g)では2.1eV〜3.1eVであり、1.6eVである二酸化チタン膜(a)と比較して大きくなっており、リーク耐圧の向上を証明するものである。
図2に示す積層構造を構成する絶縁体膜4を、HfO2からなる絶縁体膜またはHfが添加された二酸化チタンからなる絶縁体膜としたこと以外は、実験例1と同様にして、図2に示す積層構造からなる試験体を以下に示すように製造し、以下に示す実験を行なった。
表2より、TiO2ターゲットおよびHfO2ターゲットに配給するRFパワーを変化させることによって、Hfが添加された二酸化チタン中におけるHfの添加量を制御できることが確認できた。
図6において黒丸で示される位置のピークより、二酸化チタン膜(a)は、結晶化しており、ルチル構造(TiO2結晶の中で安定な結晶構造)が形成されていることがわかる。
しかし、Hfの添加量が53%の二酸化チタン膜(j)〜20%の二酸化チタン膜(k)では、下部電極3および上部電極5を構成するPt膜およびSi基板1を構成するSiに関連する図6において白四角で示される位置のピーク以外観測されず、結晶化していない(アモルファス膜である)ことが分かる。
ポストアニール温度を500℃または600℃としたこと以外は、実験例2と同様にして、Hfの添加量(Hf/(Hf+Ti))が8〜78%の範囲で異なる二酸化チタン膜からなる絶縁体膜4を有する積層構造からなる試験体を製造し、以下に示す実験を行なった。
図7(a)は二酸化チタン膜中におけるHfの添加量(Hf/(Hf+Ti))と比誘電率との関係を示したグラフである。図7(a)に示すように、比誘電率はHfの添加量が低いほど高くなることが確認できた。また、図7(a)に示すように、ポストアニールの温度が500℃である場合と600℃である場合との差はわずかであり、ポストアニールを500℃の低温で行なってもよいことが分かった。
図7(a)(b)に示したように、添加するHfの濃度によって絶縁体膜の比誘電率とリーク耐圧の値を可変とすることができる。従って、本発明の絶縁体膜を用いて形成するキャパシタに必要とされる電気特性に応じて添加するHfの濃度およびポストアニール温度を設定すればよい。
以上説明したように、本発明の絶縁体膜を用いたキャパシタ素子は、二酸化チタンにランタノイド元素、Hf、Yの元素の中から少なくとも一種類の元素を添加することにより、二酸化チタンのみからなる膜に比較して、バンドギャップ幅を拡大し、リーク耐圧を向上することが可能となる。さらに本発明の絶縁体膜は、結晶化していない状態でもキャパシタ用の絶縁体膜として最適な特性を有している。従って、結晶化に起因する製造上の問題を回避して容易に高性能のキャパシタ素子を容易に形成することができる。
Claims (6)
- 2つの電極の間に挟まれた絶縁体層を備えるキャパシタ素子の前記絶縁体層として用いられる絶縁体膜であって、
ランタノイド元素、Hf、Yの中の少なくとも1種類の元素が添加された二酸化チタンからなることを特徴とする絶縁体膜。 - キャパシタ素子の対向する電極間に挟まれた絶縁体膜であって、
ランタノイド元素、Hf、Yの中の少なくとも1種類の元素と、チタンとが含まれており、エネルギー準位におけるバンドギャップ幅が3eV以上であることを特徴とする絶縁体膜。 - 完全には結晶化していない状態であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁体膜。
- 2つの電極の間に挟まれた絶縁体層を備えるキャパシタ素子であって、
前記絶縁体層が請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の絶縁体膜からなることを特徴とするキャパシタ素子。 - メモリセル部と、周辺回路部とを備えるDRAMであって、
前記メモリセル部が、請求項4に記載のキャパシタ素子を備えることを特徴とするDRAM。 - 請求項4に記載のキャパシタ素子を備えることを特徴とする半導体装置。
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