JP2927252B2 - 薄膜キャパシタの製造方法 - Google Patents

薄膜キャパシタの製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は薄膜キャパシタの製
造方法に関し、特に半導体装置用、集積回路用の薄膜キ
ャパシタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】DRAMに代表されるメモリデバイスは
近年その集積度を高める研究開発が活発化している。必
然的に、容量部のキャパシタセル面積は年々縮小してい
る。面積が縮小した場合においても、デバイスに要求さ
れる静電容量を得るために、誘電体薄膜材料として従来
用いられてきたSiO2 ,Si3 4 等よりも高い誘電
率を有するSrTiO3 ,(Ba,Sr)TiO3 等の
材料の適用が期待されている。しかしながら、このよう
な高誘電率膜を用いた場合でも、ギガビット以降の高集
積DRAMでは、キャパシタ面積を大きくする必要があ
るために、立体構造に加工した下部電極を用いることに
より実効的に電極面積を増加させる方法が用いられてい
る。
【0003】Ru,RuO2 等の電極材料は微細加工が
容易であり、ギガビットDRAMに要求される微細な立
体構造下部電極を形成するに適する。しかしRuやRu
2は高誘電率膜と反応し、高誘電率膜の特性を劣化さ
せることがある。そこでRuやRuO2 上に直接高誘電
率を形成する場合、成膜温度を低くする、または二段階
にわけて成膜するなど、電極材料と高誘電率膜との反応
を抑制する工夫が必要であった。
【0004】高誘電率膜と反応せず、その特性を十分に
引き出すような下部電極材料としては、Ptが有望であ
る。例えば1995年、マテリアル・リサーチ・ソサエ
ティ・シンポジウム・プロシーディングス、第361
巻、229〜234頁において、平坦構造Pb(Zr,
Ti)O3 キャパシタの下部電極としてPt/RuO2
を用いる構造が報告されている。この文献によれば、P
b(Zr,Ti)O3 /Pt/RuO2 のリーク電流密
度はPb(Zr,Ti)O3 /RuO2 構造に比べ4桁
以上小さく押さえられると報告されている。同時に、P
b(Zr,Ti)O3 と接する下部電極がRuO2 でな
くPtであることにより、Pb(Zr,Ti)O3 の電
気特性は大きく改善されると報告されている。それは誘
電体/下部電極界面における化学反応や拡散により、P
b(Zr,Ti)O3 の結晶性やPb(Zr,Ti)O
3 に含まれる異相に違いが生じるためと考えられてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】微細加工可能な材料で
あるRuやRuO2 を下部電極材料として用いることは
期待されるが、高誘電率膜とRu,RuO2 との反応を
抑制するために、低温成膜や二段階成膜などの特殊な手
法を用いて高誘電率膜を形成しなければならない。Pt
下部電極を用いたキャパシタにおいては、成膜温度や手
法によらず良好な特性を示す。このことより、Ptを電
極材料として用いた微細な立体構造下部電極が熱望され
ている。しかし、Ptをギガビットクラスに対応するよ
う、微細に加工することは、現状では極めて困難であ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、半導体基板上
に下部電極、誘電体、上部電極が順次形成され、下部電
極の上面及び側面を容量として用いる薄膜キャパシタに
おいて、前記下部電極は前記誘電体と接する表面全面に
Ptよりなる表面層を有し、かつ前記下部電極はPtよ
り微細加工性の優れた、例えばRu、Re,Rh,Y
r,Os等の金属及びそれらの酸化物等の電極材料より
なることを特徴とする薄膜キャパシタである。これらの
材料の中ではRu及びその酸化物を用いると非常に良い
キャパシタ特性が得られる。
【0007】本発明と類似な構造のキャパシタとして、
特公平6−87492号公報に示される薄膜コンデンサ
がある。この構造は、下部電極第一層がRu,RuO2
等、その上の下部電極第二層がPt等の高融点金属であ
り、膜の上面のみを容量として用いている。この薄膜コ
ンデンサの構造においては、実施例第一図にも示されて
いるとおり、誘電体膜とRu,RuO2 等の下部電極第
一層が接する部位があるため、誘電体の変質は免れな
い。
【0008】誘電体膜とRu,RuO2 等の下部電極第
一層が接しないよう、下部電極第二層であるPt等がR
u,RuO2 表面をすべて覆う必要がある。Ptは高誘
電率膜と反応しない。そのため下部電極表面がPtであ
れば、高誘電率膜/下部電極での反応がなく、良好な特
性が得られる。
【0009】また本発明は、半導体基板上に層間絶縁膜
を堆積した後、所望の位置にコンタクトを形成する工程
と、個々の下部電極を分離する境界位置にSi単体を含
有する層を形成する工程と、下部電極を堆積後加工する
ことでSiを含有する層を露出させる工程と、基板表面
にPtを一様に被覆する工程と、基板を熱処理し、Pt
とSiが接した部分にPtシリサイドを形成する工程
と、Ptシリサイドを選択的に除去してそれぞれの下部
電極の電気的絶縁を得る工程と、高誘電率膜および上部
電極を順次形成する工程を有することを特徴としてい
る。
【0010】本発明では、個々の下部電極を分離するた
めにあらかじめ電極間にSi層を形成する。続いて、微
細加工容易な電極材料を堆積し、立体構造に加工した後
にPtを表面に一様に被覆させる。しかるのちに熱処理
を施すことでPtとSiは反応してPtシリサイドとな
り、その酸化剤に侵されやすい性質から、容易に選択的
に除去する事が可能となる。従って、非常に優れた特性
を保ちながら、各電極間の分離も行うことができる。
【0011】なお、Siを含有する層は、例えば基板に
設けた溝にSiを埋め込むことによって形成することが
できるが、溝を設けずに基板上に堆積しても同様な効果
が得られる。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明について図面を参照して詳
細に説明する。図1(a)を参照すると、立体構造に加
工された下部電極11にPt12が薄く被覆されている
構造となっている。このときの下部電極11の材料は導
電性酸化物等の微細加工が容易な材料である。Pt12
の膜厚は数nmから数十nmが好ましい。電気的絶縁を
得るために、各立体構造電極間にPt12はない。下部
電極は(Ba,Sr)TiO3などの誘電体13および
上部電極14により順次覆われた構造となっている。
【0013】このような構造の薄膜キャパシタを得るた
めに、図1(b)において、コンタクトプラグ15が形
成された層間絶縁膜18上に微細加工容易な電極材料を
成膜する前に、あらかじめPt12を除去する部分の層
間絶縁膜18に溝17を形成しておく。その溝は、半導
体基板16に到達することで基板に新たな影響が見られ
る場合は、層間絶縁膜18の途中で止めるのが望まし
い。そののち、Siを溝17に埋め込む。
【0014】続けて、微細加工容易な下部電極材料を基
板上に堆積させ、立体形状に加工する。すると、立体構
造下部電極11間に溝17に埋め込んだSiが現れる。
そののち、すべての表面をPt12で薄く被覆する。続
けて、半導体基板の熱処理を行うことにより、SiとP
tの接している部位19をシリサイド化させる。次にP
tがシリサイド化した部位19を選択的に除去する。続
けて、それぞれの立体構造下部電極11の電気的絶縁が
保たれる程度に、溝17に埋め込んだSiを除去する。
その結果、再表面がPtで覆われた個々の立体構造下部
電極が形成される。その上に高誘電率膜13および上部
電極14を順次堆積させることで図1(a)に示すよう
な薄膜コンデンサを形成する。
【0015】
【実施例】
(実施例1)次に本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。図2(a)に示すように半導体基板である
シリコン基板21上に層間絶縁膜として厚さ200nmの
SiO2 層22を形成し、コンタクトプラグ23を形成
するための穴を開けた。同様にコンタクトプラグ23の
穴の周囲の、のちほど各下部電極間の電気的絶縁を得る
ためにPtを除去する必要のある部分に部分に、幅50
nm、深さ100nmの溝24を形成した。24の溝と溝と
の間隔は600nmであった。そののち、コンタクトプラ
グ23の穴および溝部24にポリシリコンを埋め込ん
だ。
【0016】次に図2(b)に示すように下部電極材料
としてTiN26を膜厚50nm、および微細加工容易な
下部電極材料としてRuO2 27を膜厚500nm、スパ
ッタ法により成膜した。下部電極をTiNとRuO2
積層構造にしたのは、RuO2 とポリシリコンが接触す
ることでシリコンが酸化し、高抵抗層が生成されるのを
防ぐためである。続いて、Cl2 とO2 ガスを用いてR
uO2 電極27を、Cl2 ガスを用いてTiN電極26
を加工し、立体構造下部電極を形成した(図2
(c))。この立体構造下部電極の底面積は500nm×
500nmであった。この時、電極と電極の間に溝24に
埋め込んだポリシリコンが現れた。次にその上にスパッ
タ法によりPt28を15nm堆積させた(図2
(d))。Pt28はすべての表面を一様に覆った。そ
の後、窒素雰囲気中で350゜C、30分間の加熱を行
った。その結果、ポリシリコンとPtの接している部位
29にPtシリサイドを形成させた(図2(e))。続
けて、酸素プラズマの照射によるミリングをおこなっ
た。この時、ミリングに用いた照射イオンはAr+O2
(50:50)で、マイクロ波カソードイオンガンを用
いて加速電圧250Vで照射した。また、この時のミリ
ング室の圧力は1×10-4Torrであった。1分間の
ミリングを行った結果、Ptはわずかに除去された程度
で、部位29のPtシリサイドはすべて除去されてい
た。その後、溝24のポリシリコンを一般に用いられる
エッチングガスを用いてドライエッチングし、図2
(f)に示すようなPtに覆われた個々の立体構造下部
電極を形成した。
【0017】続けて、ECRプラズマCVD法により基
板温度500゜Cで(Ba,Sr)TiO3 薄膜を80
nm堆積させ、上部電極としてTiNを50nm,Alを7
00nm、スパッタ法により室温で堆積させ、薄膜コンデ
ンサを作製した(図2(g))。そのコンデンサの容量
ー周波数特性および電流ー電圧特性を測定した結果、
(Ba,Sr)TiO3 薄膜の誘電率は約400でリー
ク電流密度は1×10-8A/cm2 以下という良好な特性
が得られた。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の効果は、
立体構造下部電極において高誘電率膜がPtと接する構
造を有する薄膜キャパシタを容易に製造できることであ
る。その理由は、Ptを除去する部分にあらかじめSi
を埋め込んでおき、Ptと反応させることで、Ptを除
去したい部分を容易に、選択的に除去できるためであ
る。
【0019】
【0020】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の薄膜キャパシタの製造方法の一実施の
形態を示す図である。
【図2】本発明の薄膜キャパシタの製造方法の一実施例
の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
11 下部電極 12 Pt 13 高誘電率膜 14 上部電極 15 コンタクトプラグ 16 半導体基板 17 Si 18 層間絶縁膜 19 SiとPtの接している部位 21 シリコン基板 22 SiO2 23 コンタクトプラグ 24 溝 26 TiN 27 RuO2 28 Pt 29 ポリシリコンとPtの接している部位 30 (Ba,Sr)TiO3 31 TiN 32 Al
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 27/04 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/108 H01G 4/33 H01L 21/28 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 21/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板上に下部電極、誘電体、上部電
    極が順次形成され、下部電極の上面および側面を容量と
    して用いる薄膜キャパシタの製造方法であって、 半導体基板上に層間絶縁膜を堆積した後、所望の位置に
    コンタクトを形成する工程と、個々の下部電極を分離す
    る境界位置にSiを含有する層を形成する工程と、下部
    電極を堆積後加工することでSiを含有する層を露出さ
    せる工程と、基板表面にPtを一様に被覆する工程と、
    基板を熱処理し、PtとSiが接した部分にPtシリサ
    イドを形成する工程と、Ptシリサイドを選択的に除去
    してそれぞれの下部電極の電気的絶縁を得る工程と、高
    誘電率膜および上部電極を順次形成する工程を有するこ
    とを特徴とする薄膜キャパシタの製造方法。
  2. 【請求項2】下部電極を分離する境界位置に溝を形成し
    た後、前記溝にSiを含有する層を埋め込むことでSi
    を含有する層を形成することを特徴とする請求項1記載
    の薄膜キャパシタの製造方法。
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