JP2010109014A - 薄膜mimキャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

薄膜mimキャパシタ及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果が充分に得られる薄膜MIMキャパシタを提案するとともに、その薄膜MIMキャパシタを製造する方法を提案する。
【解決手段】 薄膜MIMキャパシタ1は、基板2の上に下部電極3、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6が順次積層されている。卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6は略同じ面積に形成されており、下部電極3は外部との接続部分を形成するために他の薄膜と異なる形状となっている。卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面は卑金属薄膜4と同じ金属原子を含む卑金属酸化物7で覆われている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、薄膜MIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタとその製造方法に関するものである。
近年、電子機器の小型化が進んでおり、これに用いられるコンデンサ等の回路部品も小型化が進んできている。このような小型化の要求に対応可能な電子部品の一つとして、薄膜MIMキャパシタに代表される薄膜電子部品がある。図18に示すような薄膜MIMキャパシタ31は、絶縁性の基板32の上に、スパッタリング法、蒸着法、CVD法あるいはゾルゲル法等の薄膜形成プロセスによって下部電極33、誘電体薄膜35及び上部電極36を形成することによって得られる。得られたキャパシタの構造が、金属(下部電極)−絶縁体(誘電体薄膜)−金属(上部電極)となるので、薄膜MIMキャパシタと呼ばれる。このような薄膜MIMキャパシタ31は、厚さが1μm以下の誘電体層を形成することが容易なため、高い静電容量が得られるものである。
薄膜MIMキャパシタ31は、フォトリソグラフィ技術を用いて、ドライエッチング等の方法で所望の形状に加工される。加工された薄膜MIMキャパシタのキャパシタ部分の側面は、上部電極36および下部電極33がむき出しになっているため、このままでは上部電極36と下部電極33とが短絡しやすい状態にある。そのため、薄膜MIMキャパシタ31は通常絶縁体39によって全体が被覆される。この絶縁体39は薄膜MIMキャパシタ31と同様に薄膜形成プロセスによって形成される。絶縁体39に被覆された薄膜MIMキャパシタは、該絶縁体39を貫通して上部電極36および下部電極33と接続する引出導体40および40’によって静電容量が取り出される。この引出導体40および40’は電解メッキ等の方法で形成される。
しかし、この絶縁体39および引出導体40、40’を形成するときに発生する水素によって、薄膜MIMキャパシタ31の絶縁特性およびリーク電流特性が劣化してしまうことがあった。そのため、薄膜MIMキャパシタ31は絶縁性水素バリア層38が被覆されている。この絶縁性水素バリア層38は、Al、TiO、Ta、SiNなどの薄膜で構成されている。
特開2006−190716号公報
絶縁性水素バリア層38は、スパッタリング法等によって形成される。しかし、薄膜MIMキャパシタのキャパシタ部分の側面に形成される絶縁性水素バリア層の厚さt2は、その他の部分に形成される絶縁性水素バリア層の厚さt1と比較して薄くなってしまう傾向がある。そのため、水素バリア性能が充分に発揮されず、絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果が充分に得られないことがあった。
本発明は、上記のような課題を解決して、絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果が充分に得られる薄膜MIMキャパシタを提案するとともに、その薄膜MIMキャパシタを製造する方法を提案するものである。
本発明では第一の解決手段として、基板と、該基板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薄膜と、該誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を有する薄膜MIMキャパシタにおいて、前記下部電極と前記誘電体薄膜との間に、卑金属薄膜または卑金属酸化物薄膜が形成されており、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面が、前記卑金属薄膜または前記卑金属酸化物薄膜を構成する金属と同じ金属原子を含む絶縁性の酸化物で覆われている薄膜MIMキャパシタを提案する。
上記第一の解決手段の薄膜MIMキャパシタは、側面が絶縁体である卑金属酸化物で覆われるため、その上に形成される絶縁性水素バリア層と合わせて充分な絶縁体の厚さを確保することができる。これにより絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果が充分に得られるようになる。
また、薄膜MIMキャパシタの側面の卑金属酸化物は、薄膜MIMキャパシタを構成する卑金属薄膜または卑金属酸化物薄膜を構成する金属と同じ金属原子を含んでいる。そのため、薄膜MIMキャパシタの側面の卑金属酸化物と、薄膜MIMキャパシタの側面と、の密着が良好になる。
また、本発明では第二の解決手段として上記第一の解決手段に加えて、前記卑金属薄膜または前記卑金属酸化物薄膜を構成する金属がAl、TiまたはTaである薄膜MIMキャパシタを提案する。Al、TiO、Taは良好な水素バリア性能を有している。上記第二の解決手段によれば、薄膜MIMキャパシタの側面の卑金属酸化物がAl、TiO、Taになるので、薄膜MIMキャパシタの側面における絶縁性水素バリア層の厚さが厚くなる。これにより絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果がさらに得られるようになる。
なお、上記第一の解決手段において、前記下部電極を卑金属薄膜で形成しても良い。この場合、薄膜MIMキャパシタの側面の卑金属酸化物が下部電極を構成する金属と同じ金属を含むことになるので、薄膜MIMキャパシタの側面の卑金属酸化物と、薄膜MIMキャパシタの側面と、の密着がより良好になる。
また、本発明では第三の解決手段として、上記第一の解決手段で提案された薄膜MIMキャパシタの製造方法において、基板上に、下部電極となる金属膜、卑金属薄膜、誘電体薄膜、および上部電極となる金属膜を順次形成するステップと、前記卑金属薄膜、前記誘電体薄膜、および前記上部電極となる金属膜をドライエッチングによって一括して加工するとともに、前記卑金属薄膜、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面に前記卑金属薄膜のエッチング物を再付着させるステップと、前記エッチング物のみ、または前記エッチング物と前記卑金属薄膜の両方、を酸化処理するステップと、を有する薄膜MIMキャパシタの製造方法を提案する。
上記第三の解決手段によれば、薄膜MIMキャパシタの側面を覆う卑金属酸化物を、ドライエッチングと同時に形成することができる。このため、薄膜MIMキャパシタの側面に絶縁体を形成するためのプロセスを新たに設ける必要がなく、簡易な方法で薄膜MIMキャパシタの側面の絶縁特性およびリーク電流特性を向上させることができる。
本発明によれば、絶縁特性およびリーク電流特性の劣化を防止する効果が充分に得られる薄膜MIMキャパシタを得ることができる。
本発明の薄膜MIMキャパシタに係る第一の実施形態について、図面に基づいて説明する。図1は本発明の薄膜MIMキャパシタの第一の実施形態を示す模式断面図である。
薄膜MIMキャパシタ1は、基板2の上に下部電極3、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6が順次積層されている。卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6は略同じ面積に形成されており、下部電極3は外部との接続部分を形成するために他の薄膜と異なる形状となっている。卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面は卑金属酸化物7で覆われている。下部電極3、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5、上部電極6および卑金属酸化物7は絶縁性水素バリア層8で被覆され、さらに絶縁体9で覆われている。上部電極6は引出導体10によって外部と接続され、下部電極3は引出導体10’によって外部と接続される。なお、基板2がSi基板の場合、絶縁性を確保するため、基板2と下部電極3との間にSiO層2’が形成される。
基板2としては、前述のSi基板のほか、アルミナ基板等の絶縁性基板が好適に用いられる。Si基板の場合には前述のようにSiO層2’を形成するが、アルミナ基板のような絶縁性基板ではその必要は特にない。なお、以下の説明では、薄膜MIMキャパシタ1を単品のディスクリート部品について説明するため、基板2は部品一個分の大きさで表されている。基板2は実際には、一度に複数のディスクリート部品を製造して後で切断分割できるように集合基板の形で用意されるか、多層基板や半導体装置の基板の一部として用意される。
下部電極3および上部電極6は、Pt、Pd、Au等の貴金属の他、RuOやIrO等の導電性酸化物が好適に用いられる。下部電極3と上部電極6は、同じ物質を用いても良いし、異なる物質を用いても良い。下部電極3は外部との接続部分を形成するために、上部電極6とは別々にエッチング加工される。このことを利用して、下部電極3となる金属薄膜を、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6を一括してエッチング加工するときのエッチングストップ層とすることもできる。
卑金属薄膜4は、酸化によって絶縁性を有する卑金属が使用可能であるが、Al、Ti、Taが好適に用いられる。卑金属薄膜4はここでは下部電極の一部として機能する。卑金属薄膜4は、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面を覆う卑金属酸化物7と同じ金属原子を含んでいる。そのため、卑金属酸化物7との密着性が良い。よって卑金属薄膜4は卑金属酸化物7を卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面により強固に密着させることができる。
誘電体薄膜5は、チタン酸バリウム(BaTiO:以下BTと略する。)、チタン酸ストロンチウム(SrTiO:以下STと略する。)、チタン酸バリウムストロンチウム(BaSrTiO:以下BSTと略する。)等の誘電体材料で構成されている。特にBSTが好適に用いられる。誘電体薄膜5はその厚さが薄いほど薄膜MIMキャパシタ1の静電容量を大きくすることができる。誘電体薄膜5は、その厚みが1μm以下のnmオーダーで形成される。
卑金属酸化物7は、前述のように卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面を覆っている。この卑金属酸化物7によって薄膜MIMキャパシタ1の絶縁性を確保することができる。この卑金属酸化物7は、卑金属薄膜4と同じ金属原子を含んでいる。そのため、卑金属薄膜4とより強固に密着し、さらに誘電体薄膜5および上部電極6の側面により強固に密着する。また、卑金属酸化物7を構成する金属原子がAl、Ti、Taであれば、絶縁性水素バリア層としての働きを持つようになる。これによって、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面に形成される絶縁性水素バリア層の厚みを厚くすることができる。
絶縁性水素バリア層8は、後工程の絶縁体9の形成工程や引出導体の形成工程にて発生する水素や、薄膜MIMキャパシタ1を電子回路に実装するときあるいは実装後に発生する水素が下部電極3、誘電体薄膜5及び上部電極6に侵入しないようにする役割を有している。絶縁性水素バリア層8は、Al、TiO、Ta、SiNなどの材料で形成される。
絶縁層9は必要に応じて絶縁性水素バリア層8を覆うように形成される。絶縁層8の材料としてはAl、SiO等が好適に用いられる。また、引出導体10はビアホールを通して上部電極6と接続され、引出導体10’はビアホールを通して下部電極3と接続される。引出導体10および10’は導電率の比較的高いCuが好適に用いられる。
次に薄膜MIMキャパシタの製造プロセスについて説明する。なお、製造条件等は以下の説明の記載内容に限定されることはなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
まず図2に示すように、基板2を用意する。ここで基板2はSi基板とする。基板2上には、SiO層2’が形成されている。SiO層2’は、Si基板の絶縁性が比較的低いため、絶縁性を良好にするために形成される。このような基板2は、SiO層2’が予め形成されたSi基板を用意するか、または、Si基板表面を酸化処理してSiO層2’を形成することによって用意する。
続いて図3に示すように、基板2のSiO層2’上の全面に、下部電極3となる金属薄膜、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6となる金属薄膜を順次形成する。形成方法としては、既存のスパッタリング法、蒸着法、CVD法あるいはゾルゲル法等の薄膜形成プロセスが用いられる。
続いて図4に示すように、フォトレジストを用いてパターニングを行う。フォトレジストとしては、露光した部分が溶解除去されるポジ型、または露光した部分がパターンとして残るネガ型、のどちらを用いても良い。フォトレジストを上部電極6となる金属薄膜上の全面に塗布し、露光して現像する。次いで100℃で熱処理を行い、パターニングされたレジスト膜RG1を形成する。次にこのレジスト膜RG1を形成した基板をドライエッチング装置のチャンバーに入れる。通常は薄膜MIMキャパシタの側面にエッチングで除去された薄膜の粒子すなわちエッチング物が再付着しないようにチャンバー内の温度を200℃以上に設定する。しかし本発明ではその必要がないので、チャンバー内の温度は常温で良い。
続いてドライエッチングを行い、図5に示すような状態にする。ドライエッチングの方法としては、反応性イオンエッチング法(Reactive−Ion−Etching:以下RIEと略する。)が好適に用いられる。RIEによって上部電極6となる金属薄膜、誘電体薄膜5および卑金属薄膜4を一括してエッチングする。このとき、エッチングによって形成された側面にエッチング物4’が付着する。このエッチング物4’はエッチングによって除去された卑金属薄膜4の粒子が再付着したものである。通常の薄膜MIMキャパシタではエッチング物が再付着しないように側面を傾斜面に加工する。しかし本発明はこのようなエッチング物を敢えて再付着させることを特徴とするものであるため、側面を傾斜面に加工する必要はない。なお、RIEの方法としては、ICP(Inductively−Coupled−Plazma)型の装置を用いて行う。
続いて図6に示すように、レジスト膜RG1を除去し、エッチング物4’を酸化処理して卑金属酸化物7を形成する。レジスト膜RG1は、薬液によって除去する方法の他、酸素プラズマに曝露してアッシング処理によって除去する方法がある。酸素プラズマによるアッシング処理では、エッチング物4’の酸化処理を同時に行うことができる。酸素プラズマによるアッシング処理は、バレル型のアッシング装置を使用し、例えば酸素=100sccm、バイアスパワー240W、圧力100Paの条件で行う。レジスト膜RG1を薬液で除去した場合には、アニールによってエッチング物4’を酸化処理する。アニールは、例えば大気中や酸素雰囲気中で600℃、30分間の条件で行う。
続いて図7に示すように、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5上部電極6および卑金属酸化物7をレジスト膜RG2で覆い、下部電極3のパターニングを行う。パターニングの方法は前述のレジスト膜RG1の場合と同様である。続いてRIEを行い、図8に示すように、下部電極3となる金属薄膜の、レジスト膜RG2に覆われていない部分を除去する。続いて図9に示すように、レジスト膜RG2を除去して下部電極3を形成する。レジスト膜RG2を除去する方法は、前述のレジスト膜RG1の場合と同様である。
なお、エッチング物4’の酸化処理は、レジスト膜RG2を除去した後あるいはレジスト膜RG2の除去と同時に行っても良い。すなわち、レジスト膜RG1の除去は薬液で行い、その後エッチング物4’の酸化処理をせずにレジスト膜RG2を形成して下部電極3のパターニングを行う。そしてレジスト膜RG2を除去した後あるいはレジスト膜RG2の除去と同時にエッチング物4’の酸化処理を行い、卑金属酸化物7を形成する。
続いて図10に示すように、絶縁性水素バリア層8を形成する。絶縁性水素バリア層8は、既存の薄膜形成プロセスによって形成することができる。ここで、卑金属薄膜4、誘電体薄膜5および上部電極6の側面において、絶縁性水素バリア層8の厚さが、その他の部分の絶縁性水素バリア層8の厚さよりも薄く形成される。しかし、卑金属酸化物7が存在するので、絶縁性の低下を防止することができる。また、卑金属酸化物7がAl、Ti、Taの酸化物であれば水素バリア性能の低下も防止することができる。
続いて図11に示すように、絶縁体9を形成して、キャパシタ部分全体を被覆する。絶縁体9は、既存の薄膜形成プロセスによって形成することができる。続いて図12に示すように、上部電極6に達するビアホールVHおよび下部電極3に達するビアホールVH’を形成する。ビアホールVHおよびVH’はドライエッチングによって形成することができる。続いてビアホールVHおよびVH’を含む絶縁体9の表面全面に、無電解CuメッキによってCu膜を形成してシード層(図示せず)を形成する。次いで電解Cuメッキを行い、シード層上にCuを析出させる。次いで化学機械研磨(Chemical Mechanical Polishing:CMP)等によってビアホールVHおよびVH’に充填されたCu以外の余分なCuを除去し、引出導体10および10’を形成する。このようにして、図1に示す薄膜MIMキャパシタ1が得られる。
なお、本発明の薄膜MIMキャパシタの第一の実施形態の変形例として、図13に示す薄膜MIMキャパシタ11がある。図1に示す薄膜MIMキャパシタ1と異なる点は、卑金属薄膜4の代わりに卑金属酸化物薄膜14が形成されている点である。この卑金属酸化物薄膜14は、図1に示す薄膜MIMキャパシタ1の卑金属薄膜4を、エッチング物4’の酸化処理の時に同時に酸化するか、あるいは最初の薄膜形成時から卑金属酸化物薄膜を形成するなどの方法で形成される。薄膜形成時から卑金属酸化物薄膜を形成する方法では、卑金属酸化物17を形成するときに酸化処理が不要になる。
次に、本発明の薄膜MIMキャパシタに係る第二の実施形態について説明する。図14に示す薄膜MIMキャパシタ21は、下部電極24が卑金属薄膜で形成されている点が図1に示す薄膜MIMキャパシタ1と異なる。
このような薄膜MIMキャパシタ21は、次のようにして得られる。まず、第一の実施形態の製造プロセスのうち、下部電極から上部電極を形成するプロセスを、図15に示すとおりに変更する。すなわち、基板22上に、下部電極24となる卑金属薄膜、誘電体薄膜25および上部電極26となる金属薄膜を既存の薄膜プロセスによって順次形成する。
次いで図16に示すように、レジスト膜RG21を形成してパターニングを行う。パターニングの方法は前述の第一の実施形態のプロセスと同様である。続いて図17に示すように、上部電極26となる金属薄膜、誘電体薄膜25および下部電極24となる卑金属薄膜の一部をRIEによって一括してエッチング加工する。このとき、下部電極24となる卑金属薄膜の一部が除去されて生じたエッチング物24’が誘電体薄膜25および上部電極26の側面に再付着する。このエッチング物24’を酸化処理することにより、卑金属酸化物27が形成される。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
本発明の薄膜MIMキャパシタの第一の実施形態を示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの第一の実施形態の変形例を示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの第二の実施形態を示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの第二の実施形態の製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの第二の実施形態の製造プロセスを示す模式断面図である。 本発明の薄膜MIMキャパシタの第二の実施形態の製造プロセスを示す模式断面図である。 従来の薄膜MIMキャパシタを示す模式断面図である。
符号の説明
1、11、21、31 薄膜MIMキャパシタ
2、12、22、32 基板
2a、12a、22a、32a SiO
3、13、33 下部電極
4 卑金属薄膜
4’ エッチング物
5、15、25、35 誘電体薄膜
6、16、26、36 上部電極
7、17、27 卑金属酸化物
8、18、28、38 絶縁性水素バリア層
9、19、29、39 絶縁体
10、10’、20、20’、30、30’、40、40’ 引出導体
14 卑金属酸化物薄膜
24 下部電極(卑金属薄膜)

Claims (5)

  1. 基板と、該基板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薄膜と、該誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を有する薄膜MIMキャパシタにおいて、
    前記下部電極と前記誘電体薄膜との間に、卑金属薄膜または絶縁性の卑金属酸化物薄膜が形成されており、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面が、前記卑金属薄膜または前記卑金属酸化物薄膜を構成する金属と同じ金属原子を含む絶縁性の酸化物で覆われていることを特徴とする薄膜MIMキャパシタ。
  2. 前記卑金属薄膜または前記卑金属酸化物薄膜を構成する金属がAl、TiまたはTaであることを特徴とする請求項1に記載の薄膜MIMキャパシタ。
  3. 基板と、該基板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薄膜と、該誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を有する薄膜MIMキャパシタにおいて、
    前記下部電極は卑金属薄膜で形成されており、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面が、前記下部電極を構成する金属と同じ金属原子を含む絶縁性の酸化物で覆われていることを特徴とする薄膜MIMキャパシタ。
  4. 基板と、該基板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薄膜と、該誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を有する薄膜MIMキャパシタの製造方法において、
    基板上に、下部電極となる金属膜、卑金属薄膜、誘電体薄膜、および上部電極となる金属膜を順次形成するステップと、
    前記卑金属薄膜、前記誘電体薄膜、および前記上部電極となる金属膜をドライエッチングによって一括して加工するとともに、前記卑金属薄膜、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面に前記卑金属薄膜のエッチング物を再付着させるステップと、
    前記エッチング物のみ、または前記エッチング物と前記卑金属薄膜の両方、を酸化処理するステップと、
    を有することを特徴とする薄膜MIMキャパシタの製造方法。
  5. 基板と、該基板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薄膜と、該誘電体薄膜上に形成された上部電極と、を有する薄膜MIMキャパシタの製造方法において、
    基板上に、下部電極となる卑金属薄膜、誘電体薄膜、および上部電極となる金属膜を順次形成するステップと、
    前記卑金属薄膜の一部、前記誘電体薄膜、および前記上部電極となる金属膜をドライエッチングによって一括して加工するとともに、前記誘電体薄膜および前記上部電極の側面に前記卑金属薄膜のエッチング物を再付着させるステップと、
    前記エッチング物のみを酸化処理するステップと、
    を有することを特徴とする薄膜MIMキャパシタの製造方法。
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