JP3055791B2 - 電気的セラミック酸化物装置用電極 - Google Patents

電気的セラミック酸化物装置用電極

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電気的セラミック酸化物装置に関するもの
である。更に詳細には、本発明は、ルテニウム、イリジ
ウム、オスミウム、ロジウム及びこれらの金属の導電性
酸化物の何れかによって構成される電極を持った電気的
セラミック酸化物装置に関するものである。これらの電
極は、例えば、マイクロ電子メモリ、高温超導電体、電
気光学装置用の強誘電体コンデンサ用に使用するような
電気的セラミック酸化物に対して良好なコンタクトを形
成する。
従来技術 米国特許第4,507,183号(Thomas et al.)に記載さ
れる如く、電解セルにおいてルテニウムは従来電極物質
として使用されている。ルテニウム、オスミウム、ロジ
ウム、イリジウムをコンデンサ及び抵抗としてマイクロ
電子に適用することは、米国特許第4,227,039号(Shiba
saki)及び米国法定発明登録番号H546(Schnable)に開
示されている。米国特許第4,184,192号(Yoshida et
al.)に記載される如く、固有抵抗が低いために、ルテ
ニウム、ロジウム、パラジウム、レニウム、オスミウ
ム、イリジウムの酸化物は、固体電解コンデンサにおけ
るカソードコレクタとして機能することが可能である。
米国特許第4,184,192号は、更に、固有抵抗及び酸化性
能力のために、ルテニウム、ロジウム、レニウム、オス
ミウム、イリジウムの酸化物を電解物質として使用した
場合には、固体電解コンデンサ(米国特許第4,186,423
号)の性能が改善されることを記載している。
最近、ルテニウム酸化物の導電性のために、集積回路
におけるシリコンとアルミニウムとの間の反応バリアと
して研究されるようになった。反応バリアとして、それ
は、アルミニウム内のシリコンの高い溶解性及び拡散性
によって発生される電気的コンタクトの劣化を防止す
る。この点に関しては、Kolwa et al.著「反応的にス
パッタした酸化物拡散バリアの微細構造(Microstructu
re of Reactively Sputtered Oxide Diffusion B
ariers)」、17ジャーナル・オブ・エレクトリカルマテ
リアルズ、425(1988)、Krusin Elbaum et al.著
[大規模集積化メタリゼーション用の反応的にスパッタ
した二酸化ルテニウムの特性(Characterization of
Reactively Sputtered Ruthenium Dioxide for Ve
ry Large Scale Integrated Metallization)」、5
0アプライド・フィジックス・レター、1879(1987)等
の文献を参照するとよい。シリコン及び二酸化シリコン
基板に対するルテニウム酸化物の良好な接着性は、Gree
n et al.著「ルテニウム及び二酸化ルテニウム膜の化
学蒸着(Chemical Vapor Deposition of Ruthenium
and Ruthenium Dioxide Films)」、132ジャーナ
ル・エレクトロケミカル・ソサエティ2677(1985)の文
献に記載されている。
多様な電気的セラミック酸化物が存在しており、例え
ば、マイクロ電子メモリ用の強誘電体コンデンサ(例え
ば、チタン酸鉛PbTiO3、ジルコン酸チタン酸鉛「PT
Z」、ランタンドープPZT「PLZT」、及びチタン酸バリウ
ムBaTiO3等)、電気光学装置(例えば、PLZT、ニオブ酸
リチウムLiNbO3、チタン酸ビスマスBi4Ti3O12等)、及
び高温度超導電体(例えば、イットリウムバリウム銅酸
化物YBa2Cu3O7)として使用されているか又は使用する
ことが可能である。これらの電気的セラミック酸化物の
特性は、典型的に、高温度(例えば、500℃乃至1100
℃)において酸化性雰囲気中において熱処理することに
よって最適化させることが可能である。マイクロ電子に
おいて及びその他の適用において一般的に使用される多
くの電極物質乃至は材料は、このような条件下において
使用するのに適したものではない。その例として、アル
ミニウムは電気的セラミック酸化物物質と共に反応する
か又は溶融し、一方タングステン及びモリブデンは破壊
的に酸化され、シリサイド及びポリシリコンは、高温度
において電気的セラミック酸化物と反応するか、又は電
気的セラミック酸化物と接触する表面において酸化され
る。
更に、電極金属の酸化物が高い固有抵抗を有している
と、電気的セラミック酸化物電極物質の反応が、その電
極と電気的セラミック酸化物との間に酸化された電極物
質からなる界面誘電体層を形成する。このことは、電気
的セラミック酸化物と直列にコンデンサを形成すること
となり、その電気的セラミック酸化物を横断して発生す
る電圧降下を減少させる。マイクロ電子メモリ用の強電
解コンデンサとして電気的セラミック酸化物を適用する
場合、結果的に格納乃至は記憶効率が減少される。強誘
電体コンデンサ物質の誘電定数は、典型的に、形成され
る場合のある非強誘電体界面層の誘電定数の10倍を超え
るものであるから、コンデンサへ印加される電圧の90%
が強誘電体コンデンサを横断して降下されるべきもので
ある場合には、その界面層は、強誘電体コンデンサより
も約100倍薄くなければならない。マイクロ電子回路内
に組込まれている薄膜強誘電体コンデンサは典型的に50
00Åの厚さを有しているので、このことは、酸化した電
極物質からなる界面誘電体層が50Å(即ち、基本的に酸
化物が存在しないこと)未満の厚さであることを必要と
する。超導電体等のような電気的セラミック酸化物装置
においては、この界面酸化物はオーミックな導通を禁止
する。
集積回路において、又はテスト装置として製造され且
つ回路適用のために検査される強誘電体セラミック酸化
物コンデンサは、電極物質の酸化物から構成される界面
誘電体層の問題を回避するために、電極物質として貴金
属(例えば、プラチナ、パラジウム、金)を使用してい
る。しかしながら、貴金属は多数の欠点を有しており、
例えば、価格が高価であり、シリコン酸化物、窒化シリ
コン、セラミック酸化物に対する接着性が悪く、且つア
ルミニウムに対して固有抵抗が高いので、貴金属電極を
使用するコンデンサの他の回路要素との相互接続は、ア
ルミニウム相互接続部がコンデンサの電極とコンタクト
する全ての点において反応バリアを使用することを必要
としている。
薄膜強誘電体セラミック酸化物コンデンサ用の電極物
質として、インジウム酸化物及びインジウム−錫酸化物
も使用されている。しかしながら、これらの化合物は、
集積回路におけるコンデンサに対する電極として良好に
動作するのにはその導電性が不十分であり、回路内にお
いて顕著な電圧降下を発生することなしに延長させた長
さを使用することが可能であるように導電性物質が可及
的に導電度が高いものであることが望ましいことが判明
している。
目的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上
述した如き従来技術の欠点を解消し、マイクロ電子メモ
リ用の強誘電体コンデンサ、高温超導電体、及び電気光
学装置等のような電気的セラミック酸化物物質と使用す
るのに適した電極を提供することを目的とする。電気的
セラミック酸化物物質の特性を最適化するのに必要とさ
れる高温酸化性条件下でこれらの電極は電気的且つ物理
的に安定なものでなければならない。本発明の別の目的
とするところは、妥当なコストで高い導電性を与え且つ
電極物質の酸化物形態でこのような導電性を維持する電
気的セラミック酸化物物質用の電極を提供することであ
る。本発明の更に別の目的とするところは、高々550℃
までの温度でアルミニウム及びシリコンに対して良好な
電気的及び物理的なコンタクトをすることが可能な電極
を提供することである。本発明の更に別の目的とすると
ころは、例えば、シリコンの酸化物及び窒化物等のよう
なマイクロ電子において一般的に遭遇する表面に対して
及び電気的セラミック酸化物に対して良好な接着性を有
する電極を提供することである。
構成 上述した如き目的及びそれらに関連する目的は、一般
的な電気的リード物質へ電気的セラミック酸化物物質を
接続する界面電極を持った電気的セラミック酸化物装置
を使用することによって達成することが可能であり、該
界面電極は、電気的酸化物セラミック物質と反応して悪
影響を与えることがない特性を有するものである。本発
明は、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、ロジウ
ム、及びこれらの金属の酸化物(それらの全ては良好な
電気的導体である)からなるグループから選択した物質
からなる物体を具備する界面電極を使用している。
本発明の別の実施例においては、二つの物体を具備す
る界面電極を使用しており、即ち、第一物体は、ルテニ
ウム酸化物、イリジウム酸化物、オスミウム酸化物、ロ
ジウム酸化物からなるグループから選択される物質を有
しており、且つ第二物体は、ルテニウム、イリジウム、
オスミウム、ロジウムからなるグループから選択される
物質を有しており、第二物体は電気的リード物質と第一
物体との間に配設されている。この第二物体は、電気的
リード物質と第一物体との間に界面酸化物層が形成され
ることを防止する。
本発明は、高温度において良好な電気的及び物理的な
安定性を発揮し、酸化物形態においても高導電性を与
え、コストが妥当であり、アルミニウムに対して良好な
コンタクトを与え、アルミニウムに対するコンタクト抵
抗が低く、且つマイクロ電子物質に対する接着性が良好
な電気的セラミック酸化物装置用の電極を提供してい
る。
実施例 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態
様について詳細に説明する。
本発明は、化学的に同様な金属である、ルテニウム、
イリジウム、オスミウム、ロジウム及びそれらの酸化物
の物理的特性を使用して電気的セラミック酸化物装置用
の電極を形成する。以下の表1が示す如く、これらの金
属及びそれらの酸化物は非常に良好な電気的導体であ
る。
例えば、ルテニウムは約8μΩ・cmの固有抵抗を有し
ており、それはプラチナ(11μΩ・cm)よりも良好であ
る。ルテニウム酸化物は、約45μΩ・cmの固有抵抗を有
しており、それはプラチナよりも4倍程度悪いに過ぎ
ず、ポリシリコンよりも20倍良好である。
更に、これらの酸化物は、広い温度範囲に亘って安定
なものである。ルテニウム酸化物は、少なくとも900℃
迄の温度において高々数時間の期間に亘り酸素中におい
て安定である。従って、これらの酸化物は、特に酸化性
雰囲気中において高温度で性能を最適化される電気的セ
ラミック酸化物物質と共に使用するのに特に適してい
る。
更に、ルテニウムは、アルミニウム及びシリコンの両
方と共に550℃迄の温度において安定であることが判明
している。ルテニウムは、更に、シリコン及びアルミニ
ウムに対して良好な電気的コンタクトを形成する。これ
らの特性は、ルテニウム又はルテニウム酸化物電極を具
備するコンデンサを従来の処理技術を使用して最小の困
難性でマイクロ電子回路内へ相互接続させるのに理想的
である。
ルテニウム及びルテニウム酸化物は、例えばプラチナ
を使用する場合に必要とされる接着促進剤に対する必要
性なしに、シリコン、二酸化シリコン、及びセラミック
酸化物に対する良好な接着性を与える。ルテニウムは、
更に、電気的セラミック酸化物物質用の電極物質として
従来使用されているプラチナ、パラジウム及び金と比較
してより低価である。
第1図は、本発明の一実施例に基づく電気的セラミッ
ク酸化物装置の概略図である。電気的セラミック酸化物
物質10は、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、ロジ
ウム、又はこれらの物質の酸化物又はそれらの混合物か
らなる電気的導電性界面物質10からなる物体によって共
通電気的導電性リード手段14(例えばアルミニウム)へ
接続されている。これらの酸化物は、電気的セラミック
酸化物物質に対して化学的に安定である。金属のみを使
用した場合には、電気的セラミック酸化物と金属との界
面に金属の酸化物を形成するものと考えられる。
界面物質12からなる物体は、好適には、セラミック酸
化物物質の特性を最適化するための加熱を行う前にセラ
ミック酸化物物質10の上にルテニウム、イリジウム、オ
スミウム又はロジウムの金属を付着形成させるか(この
場合には、酸素と共に加熱することにより、該金属を酸
化物へ変換させることが可能である)、又はセラミック
物質上に金属酸化物を直接的に付着させることによって
形成することが可能である。一方、金属のみを電気的セ
ラミック酸化物物質上に付着形成し且つ酸化物へ変換さ
せない場合(例えば、酸素と共に加熱することによ
り)、その界面物質は金属として留まり、電気的セラミ
ック酸化物物質とその金属の界面に何らかの金属酸化物
が形成されるものと考えられる。
この時点において、従来のリード手段14を取付けるこ
とが可能である。しかしながら、界面物質12が酸化物形
態であり(例えば、ルテニウム酸化物)且つ爾後の処理
期間中にその装置を充分に高い温度(例えば、450℃)
へ加熱する場合には、界面物質とリード手段との間の電
気的コンタクトは不良なものとなる場合がある。このよ
うな高温は、電極の形成に無関係な処理において発生す
る場合がある。例えば、従来の半導体処理においては、
合金化、誘電体付着、又はパッケージング及びダイ取付
けのために400℃乃至450℃の温度を使用する場合があ
る。このような温度において不良なコンタクトが発生す
る理由について以下に説明する。
例えば、ルテニウム酸化物等のような容易に還元可能
な酸化物を非常に完全性の強い元素又は化合物(例え
ば、アルミニウム、シリコン又はチタンシリサイド)と
接触して加熱する場合には、温度及び時間が充分である
と、界面において酸化−還元反応が発生する。例えば、
アルミニウム及びルテニウム酸化物の場合には、アルミ
ニウム酸化物とルテニウムが形成される。
このアルミニウム酸化物は、ルテニウム酸化物とアル
ミニウムとの間に電気的絶縁層を形成する場合があり、
それにより不良なコンタクトを発生する。この反応が行
われる速度は、温度及び時間が増加すると増加する。30
分間で400℃又は450℃において加熱を行う典型的な合金
化プロセスにおいては、充分な反応が行われ、コンタク
トの電気的特性を劣化する場合がある。
ルテニウムがアルミニウムと接触する場合にはこの問
題は発生することがない。なぜならば、アルミニウム酸
化物を形成するための酸素が存在しないからである。ル
テニウムは、又、それ自身の酸化物と接触する場合も安
定している。従って、ルテニウムは、ルテニウム酸化物
とアルミニウムとの間のバリアとして作用することが可
能である。第2図は、電極を形成した後に高温処理に露
呈される装置に対してのこのような形態の好適な実施例
を示している。電気的セラミック酸化物物質10は、ルテ
ニウム酸化物(又は、上述した関連する金属の酸化物)
からなる導電性界面物質12からなる第一物体とコンタク
ト即ち接触している。ルテニウム(又は、上述した関連
する金属)からなる導電性界面物質16からなる第二物体
が、ルテニウム酸化物を電気的導電性リード手段(例え
ば、アルミニウム)へ接続している。
第3(a)図及び第3(b)図は、第1図及び第2図
に夫々示した電極を使用する電気的セラミック酸化物コ
ンデンサを示しており、その場合、電気的セラミック酸
化物物質10は強誘電体セラミック酸化物誘電体物質であ
る。電気光学装置及び高温超導電体装置は、強誘電体セ
ラミック酸化物誘電体の代わりに適宜の電気的セラミッ
ク酸化物物質10を置換することによって形成することが
可能である。
第4図を参照すると、本発明のマイクロ電子への特定
の適用例が示されている。例えばパターン形成したCMOS
ウエハ等のような半導体基板22が、第一電極の一部を構
成するルテニウム酸化物24からなる物体を支持してい
る。このルテニウム酸化物物体は、スパッタリング又は
化学蒸着(CVD)によって基板22上にルテニウム膜を付
着形成し、且つ爾後にそのルテニウムを以下に記載する
如くルテニウム酸化物へ変換させることによって形成す
ることが可能である。このルテニウム膜の厚さは約750
Åである。一方、ルテニウム酸化膜を、反応によって基
板上へスパッタ形成するか又は化学蒸着によって付着形
成することも可能である。このルテニウム又はルテニウ
ム酸化物の膜は、マスキング及びエッチング操作によっ
てパターン形成する。
次いで、ルテニウム又はルテニウム酸化物からなる物
体24の上に電気的セラミック酸化物誘電体物質26を付着
形成する。この電気的セラミック誘電体物質をパターン
形成し且つ約1気圧において酸素中において500℃−775
℃においてシンタする。ルテニウムを上述した如く物体
24として付着形成した場合には、このプロセスがルテニ
ウム又はその一部をルテニウム酸化物へ変換し、且つそ
の厚さを増加させる。そのルテニウムが完全に酸化され
ると、厚さは約1750Åに増加する。酸化が完全でない場
合には、第一電極は、セラミック酸化物物質をシンタす
るために使用される条件によって決定される厚さを持っ
たルテニウム酸化物の領域によってルテニウムからなる
物体がセラミック酸化物から分離されて構成される。
電気的セラミック酸化物26の反対側にルテニウム酸化
物28(第二電極の一部を構成する)の物体が、例えば、
ルテニウム酸化物の反応性スパッタリングによって、CV
Dを使用するルテニウム酸化物の付着形成によって、又
はスパッタリング又はCVDによるルテニウムの付着形成
によって形成される。ルテニウムが付着形成されると、
ルテニウム酸化物は、例えば15分間650℃において酸素
中で加熱することにより、熱酸化によって形成すること
が可能である。
どのような方法でルテニウム酸化物からなる物体が形
成されようと、それは、次いで、金属ルテニウム30から
なる物体で被覆され、それは爾後にアルミニウム(又
は、その他の従来の導体)相互接続メタリゼーションと
コンタクトし且つルテニウム酸化物物体とアルミニウム
との間の相互作用を防止する。好適なアプローチは、例
えば、アルゴンと酸素との混合物を有するスパッタリン
グ雰囲気を使用して公知の技術によってルテニウム酸化
物を反応的にスパッタすることである。次いで、真空室
からウエハを除去することなしに、酸素の不存在下にお
いてスパッタリングによるルテニウム物体を付着形成さ
せる。従って、この複合電極構成体は、単一の処理ステ
ップで構成される。一方ルテニウム酸化物物体を付着し
たルテニウム物体の酸化によって形成する場合には、ウ
エハをルテニウムの付加的な付着を行う処理がなされ
る。
ルテニウム酸化物物体28とルテニウム物体30とを具備
する上部複合電極を形成するために使用した物質を、上
部電極を形成する場合に付着した物質が底部電極へコン
タクトを形成すべき領域の上方に残留するように、ルテ
ニウム酸化物物体28A及びルテニウム物体30Aを介してパ
ターン形成する。このように、上部及び底部電極の両方
の上のルテニウム酸化物物体は、ルテニウム物体によっ
て、分離され且つアルミニウムとの反応から保護され
る。
例えば、二酸化シリコン等のような絶縁性誘電体被覆
32を、ルテニウム酸化物物体(24+28A)及びルテニウ
ム物体30Aから構成される複合底部電極、ルテニウム酸
化物物体28とルテニウム物体30から構成される複合上部
電極、及び電気的セラミック酸化物26上に付着形成させ
る。誘電体被覆32をエッチングして、上部及び底部複合
電極の夫々のルテニウム物体30A及び30を露出させる。
従って、電極物質(ルテニウム酸化物及びルテニウ
ム)からなるこれら2つの物体は、共に底部電極(ルテ
ニウム酸化物(24+28A)及びそのルテニウムキャップ3
0Aから構成されている)及び上部電極(ルテニウム酸化
物28及びそのルテニウムキャップ30から構成されてい
る)を形成する。電気的セラミック酸化物コンデンサ
(二つの電極と電気的セラミック酸化物誘電体物質を包
含している)の集積回路への電気的接続は、該電極に対
するアルミニウム接続34を介して形成される。
電気的セラミック酸化物物質とコンタクトしているル
テニウム酸化物及び導電性リード手段とコンタクトして
いるルテニウムから構成されるこれらの電極は、電気的
セラミック酸化物物質及びリード手段の両方が安定な電
極表面とのみコンタクトすることを確保している。
ルテニウムはマイクロ電子電気的セラミック物質に対
するコンタクトを形成するために従来使用されていた貴
金属よりも低価格であるが、例えばアルミニウム、チタ
ン、ポリシリコン、シリサイド等のような従来の導体物
質の上にキャップ即ち被覆体としてルテニウム又はルテ
ニウム酸化物を使用することにより材料コストを更に減
少させることが可能である。例えば、第一電極24は、電
気的セラミック酸化物物質とコンタクトするルテニウム
酸化物からなる第一物体と従来の導体とルテニウム酸化
物との間に配設されておりルテニウム酸化物と従来の導
体との間のそのバリアとして作用するルテニウムからな
る第二物体とから構成されるキャップを持った従来の導
体で置換することが可能である。
さらに、上述した本発明は、半導体製造において使用
される従来のバリア技術と共に使用することが可能であ
る。コンデンサ技術によって決定されることのない理由
により、バリアを使用することが集積化が発生する半導
体技術の特徴である場合には、チタン、窒化チタン、チ
タン−タングステン、又はタングステン等のような一般
的に使用されるバリア物質を、悪影響を発生することな
く電極をコンタクトするために使用することが可能であ
る。
以上、本発明の具体的実施の態様について詳細に説明
したが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきも
のではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに
種々の変形が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図は本発明の実施例に基づいて構成され
た電気的セラミック酸化物装置を示した各概略図、第3
(a)図及び第3(b)図は本発明を使用した電気的回
路を示した各説明図、第4図は本発明に基づく上部電極
及び底部電極を具備する電気的セラミック酸化物コンデ
ンサを示した集積回路の一部を示した概略断面図、であ
る。 (符号の説明) 10:電気的セラミック酸化物物質 12:界面物質 14:電気的導電性リード手段 16:導電性界面物質 22:半導体基板 24:ルテニウム酸化物物体 26:電気的セラミック酸化物誘電体物質 28:ルテニウム酸化物物体 30:金属ルテニウム物体 32:絶縁性誘電体被覆 34:アルミニウム相互接続
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01G 7/06 H01G 1/01 ZAA H01L 39/00 ZAA 4/12 ZAA (56)参考文献 特開 昭54−148263(JP,A) 特開 昭56−156688(JP,A) 特開 昭58−15208(JP,A) 特開 昭61−256702(JP,A) 特開 昭63−194309(JP,A) 特開 昭64−1206(JP,A) 特開 平1−273305(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01G 4/12

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気的セラミック酸化物装置において、 電気的セラミック酸化物物質からなる第一物体、 前記第一物体上に設けられておりルテニウム酸化物、イ
    リジウム酸化物、オスミウム酸化物、ロジウム酸化物か
    らなるグループから選択された物質からなる第一界面物
    質層、 前記第一界面物質層上に設けられておりルテニウム、イ
    リジウム、オスミウム、ロジウムからなるグループから
    選択された物質からなる第二界面物質層、 前記第二界面物質層上に設けられている導電性リード手
    段、 を有していることを特徴とする電気的セラミック酸化物
    装置。
  2. 【請求項2】電気的コンタクトを形成する方法におい
    て、 (a)電気的セラミック酸化物基板を用意し、 (b)前記基板上にルテニウム酸化物、イリジウム酸化
    物、オスミウム酸化物、ロジウム酸化物からなるグルー
    プから選択された物質からなる第一界面物質層を形成
    し、 (c)前記第一界面物質層上にルテニウム、イリジウ
    ム、オスミウム、ロジウムからなるグループから選択さ
    れた物質からなる第二界面物質層を形成し、 (d)前記第二界面物質層上に導電性リード手段を形成
    する、 上記各ステップを有していることを特徴とする電気的コ
    ンタクトを形成する方法。
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