JP3089159B2 - 酸化物誘電体薄膜素子の製造方法 - Google Patents
酸化物誘電体薄膜素子の製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は酸化物誘電体薄膜素子の
製造方法に関する。さらに詳しくは、不揮発性メモリ素
子、キャパシタ、光変調素子、圧電素子、焦電型赤外線
センサ等に用いられる酸化物誘電体薄膜素子の製造方法
に関する。
製造方法に関する。さらに詳しくは、不揮発性メモリ素
子、キャパシタ、光変調素子、圧電素子、焦電型赤外線
センサ等に用いられる酸化物誘電体薄膜素子の製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】ＤＲＡＭの信号蓄積用キャパシタ等に代
表される、ＩＣ用薄膜キャパシタの酸化物誘電体材料に
はＳｉＯ2 （酸化シリコン）やＳｉＮ（窒化シリコン）
が主に使用されている。近年、高集積化の要求により、
ＳｉＯ2 やＳｉＮと比較して誘電率が高いＳｒＴｉＯ3
（チタン酸ストロンチウム）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3
（チタン酸バリウムストロンチウム）等を用いた高誘電
率の酸化物誘電体薄膜が研究されている。
表される、ＩＣ用薄膜キャパシタの酸化物誘電体材料に
はＳｉＯ2 （酸化シリコン）やＳｉＮ（窒化シリコン）
が主に使用されている。近年、高集積化の要求により、
ＳｉＯ2 やＳｉＮと比較して誘電率が高いＳｒＴｉＯ3
（チタン酸ストロンチウム）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3
（チタン酸バリウムストロンチウム）等を用いた高誘電
率の酸化物誘電体薄膜が研究されている。
【０００３】例えば、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．
５７（２３），３ Ｄｅｃ．１９９０、には、Ｐｔ／Ｔ
ｉ又はＰｔ／Ｔａのバリアを使用する１５０ｎｍ厚のＳ
ｒＴｉＯ3 薄膜が、１４０〜２１０の誘電率を示した旨
の記載があり、また、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７２
（７），１ Ｏｃｔ．１９９２、には、４００℃で析出
させ、６００℃でアニーリングした５３０ｎｍ厚のＳｒ
ＴｉＯ3 薄膜の誘電率が、１６０を示すことが記載され
ている。
５７（２３），３ Ｄｅｃ．１９９０、には、Ｐｔ／Ｔ
ｉ又はＰｔ／Ｔａのバリアを使用する１５０ｎｍ厚のＳ
ｒＴｉＯ3 薄膜が、１４０〜２１０の誘電率を示した旨
の記載があり、また、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．７２
（７），１ Ｏｃｔ．１９９２、には、４００℃で析出
させ、６００℃でアニーリングした５３０ｎｍ厚のＳｒ
ＴｉＯ3 薄膜の誘電率が、１６０を示すことが記載され
ている。
【０００４】上記の酸化物誘電体薄膜の形成方法とし
て、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相
法）、反応性蒸着法、レーザアブレーション法等があ
る。これらの方法で上記の酸化物誘電体薄膜を形成する
場合は、基板を酸素雰囲気中で一定の温度に保持して成
膜を行い、成膜を終了した後は、１）酸素の供給を止め
て基板を冷却する方法、２）成膜時の酸素雰囲気中で基
板を冷却する方法、３）酸素ガスや酸素プラズマ等の酸
素雰囲気中で基板を冷却する方法、あるいは、４）成膜
室から取り出した後、酸素中で基板を熱処理する方法が
用いられている。
て、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相
法）、反応性蒸着法、レーザアブレーション法等があ
る。これらの方法で上記の酸化物誘電体薄膜を形成する
場合は、基板を酸素雰囲気中で一定の温度に保持して成
膜を行い、成膜を終了した後は、１）酸素の供給を止め
て基板を冷却する方法、２）成膜時の酸素雰囲気中で基
板を冷却する方法、３）酸素ガスや酸素プラズマ等の酸
素雰囲気中で基板を冷却する方法、あるいは、４）成膜
室から取り出した後、酸素中で基板を熱処理する方法が
用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の形成方法を用いた場合、得られた酸化物誘電体薄
膜には十分な酸素が取り込まれていないため、この薄膜
を用いて酸化物誘電体薄膜素子を作成した場合、結晶格
子の酸素欠損によりリーク電流が大きく絶縁性が得られ
ない、バルクのような高い比誘電率が得られない、誘電
率の温度依存性が大きい、ロット間の誘電特性のバラツ
キが大きいため素子化した際に、良好な誘電特性を持っ
た素子が安定して得られない等の問題が生じていた。
従来の形成方法を用いた場合、得られた酸化物誘電体薄
膜には十分な酸素が取り込まれていないため、この薄膜
を用いて酸化物誘電体薄膜素子を作成した場合、結晶格
子の酸素欠損によりリーク電流が大きく絶縁性が得られ
ない、バルクのような高い比誘電率が得られない、誘電
率の温度依存性が大きい、ロット間の誘電特性のバラツ
キが大きいため素子化した際に、良好な誘電特性を持っ
た素子が安定して得られない等の問題が生じていた。
【０００６】また、上記の薄膜形成方法では、十分に酸
素を取り込ませるために薄膜成長中に酸素分圧を高くす
ることは、成膜法の原理上非常に困難であった。すなわ
ち、原料を熱蒸発させる真空蒸着やＭＯＣＶＤ法では蒸
着材料の蒸気圧が真空度よりも高くなければならない
が、蒸発材料を加熱して、種々の材料で、例えば５０Ｐ
ａ程度以上の蒸気圧を得ることは極めて困難である。ま
た、５０Ｐａ以上では蒸発原子の平均自由工程が０．０
２ｃｍ以下となるので、レーザ蒸着法（通常基盤とター
ゲット間は５〜１０ｃｍ）では粒子が散乱され、基板に
付着し難いという問題点がある。スパッタ法において
も、５０Ｐａ程度以上のガス圧となると、異常放電が起
こりやすく、グロー放電を安定に保つことは難しい。
素を取り込ませるために薄膜成長中に酸素分圧を高くす
ることは、成膜法の原理上非常に困難であった。すなわ
ち、原料を熱蒸発させる真空蒸着やＭＯＣＶＤ法では蒸
着材料の蒸気圧が真空度よりも高くなければならない
が、蒸発材料を加熱して、種々の材料で、例えば５０Ｐ
ａ程度以上の蒸気圧を得ることは極めて困難である。ま
た、５０Ｐａ以上では蒸発原子の平均自由工程が０．０
２ｃｍ以下となるので、レーザ蒸着法（通常基盤とター
ゲット間は５〜１０ｃｍ）では粒子が散乱され、基板に
付着し難いという問題点がある。スパッタ法において
も、５０Ｐａ程度以上のガス圧となると、異常放電が起
こりやすく、グロー放電を安定に保つことは難しい。
【０００７】本発明は、酸化物誘電体薄膜は、膜中の酸
素量によりその誘電特性が大きく変化することに鑑み、
リーク電流が小さく、バルクに近い比誘電率を有し、誘
電率の温度依存性が小さく、またロット間の誘電特性の
バラツキが少ない酸化物誘電体薄膜素子の製造方法を提
供することを目的としている。
素量によりその誘電特性が大きく変化することに鑑み、
リーク電流が小さく、バルクに近い比誘電率を有し、誘
電率の温度依存性が小さく、またロット間の誘電特性の
バラツキが少ない酸化物誘電体薄膜素子の製造方法を提
供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、酸化物誘電体薄膜を成膜室内で形成
する工程において、所望の最終膜厚以下の所定の膜厚ま
で前記酸化物誘電体薄膜の形成を行った時点で一旦成膜
を中止し、前記酸化物誘電体薄膜を成膜室から取り出さ
ずに成膜室に成膜時よりも高い酸素分圧まで酸素を導入
し、一定時間保持した後、再び成膜を開始するサイクル
を繰返すことにより酸化物誘電体薄膜を形成する。
めに、本発明では、酸化物誘電体薄膜を成膜室内で形成
する工程において、所望の最終膜厚以下の所定の膜厚ま
で前記酸化物誘電体薄膜の形成を行った時点で一旦成膜
を中止し、前記酸化物誘電体薄膜を成膜室から取り出さ
ずに成膜室に成膜時よりも高い酸素分圧まで酸素を導入
し、一定時間保持した後、再び成膜を開始するサイクル
を繰返すことにより酸化物誘電体薄膜を形成する。
【０００９】こうして作成した酸化物誘電体薄膜を使用
する本発明の酸化物誘電体薄膜素子は、強誘電効果、圧
電効果、焦電効果、電気光学効果等を利用する少なくと
も電極と酸化物誘電体薄膜を有するものであれば、どの
ような装置にも適用することができる。
する本発明の酸化物誘電体薄膜素子は、強誘電効果、圧
電効果、焦電効果、電気光学効果等を利用する少なくと
も電極と酸化物誘電体薄膜を有するものであれば、どの
ような装置にも適用することができる。
【００１０】本発明に使用できる酸化物誘電体材料とし
ては、酸素を含む酸化物誘電体材料が使用でき、例え
ば、ＳｒＴｉＯ3 、（Ｂａx Ｓｒ1-x ）ＴｉＯ3 、Ｌｉ
ＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＣａＢ4 ＴｉＯ15、ＫＮｂＯ
3 、ＮａＮｂＯ3 等の高誘電材料、あるいはＰｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3 、（Ｐｂx Ｌａ1-x ）ＴｉＯ3 、（Ｐｂ
x Ｌａ1-x ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ、Ｂｉ4 Ｔｉ
3 Ｏ12、ＢａＴｉＯ3 等の強誘電材料が挙げられる。
ては、酸素を含む酸化物誘電体材料が使用でき、例え
ば、ＳｒＴｉＯ3 、（Ｂａx Ｓｒ1-x ）ＴｉＯ3 、Ｌｉ
ＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ3 、ＣａＢ4 ＴｉＯ15、ＫＮｂＯ
3 、ＮａＮｂＯ3 等の高誘電材料、あるいはＰｂ（Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3 、（Ｐｂx Ｌａ1-x ）ＴｉＯ3 、（Ｐｂ
x Ｌａ1-x ）（Ｚｒy Ｔｉ1-y ）Ｏ、Ｂｉ4 Ｔｉ
3 Ｏ12、ＢａＴｉＯ3 等の強誘電材料が挙げられる。
【００１１】
【作用】本発明では、酸化物誘電体薄膜を形成する工程
において、成膜室内で、所望の最終膜厚以下の所定の膜
厚まで前記酸化物誘電体薄膜の形成を行った時点で一旦
成膜を中止し、前記酸化物誘電体薄膜を成膜室から取り
出さずに成膜室に成膜時より高い分圧の酸素を導入し、
一定時間保持することにより、酸素を十分に膜中に取り
入れさせた後、成膜を再開しているため、膜中の酸素欠
損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜の上に引続き酸化物
誘電体薄膜を形成することができ、最終的に得られた薄
膜は酸素欠損が少ない誘電特性に優れた酸化物誘電体薄
膜となる。また、成膜室から取り出さずに酸化物誘電体
薄膜に酸素を導入しているため、水分、炭酸ガス等が薄
膜表面に吸着していないため、酸素が薄膜中に取り込ま
れることが容易となる。また、成膜中に酸素分圧等の成
膜条件が多少変化しても、上記のような酸素の導入によ
り、膜中に十分酸素が取り込まれるため、ロット間の誘
電特性のバラツキが少なくなる。
において、成膜室内で、所望の最終膜厚以下の所定の膜
厚まで前記酸化物誘電体薄膜の形成を行った時点で一旦
成膜を中止し、前記酸化物誘電体薄膜を成膜室から取り
出さずに成膜室に成膜時より高い分圧の酸素を導入し、
一定時間保持することにより、酸素を十分に膜中に取り
入れさせた後、成膜を再開しているため、膜中の酸素欠
損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜の上に引続き酸化物
誘電体薄膜を形成することができ、最終的に得られた薄
膜は酸素欠損が少ない誘電特性に優れた酸化物誘電体薄
膜となる。また、成膜室から取り出さずに酸化物誘電体
薄膜に酸素を導入しているため、水分、炭酸ガス等が薄
膜表面に吸着していないため、酸素が薄膜中に取り込ま
れることが容易となる。また、成膜中に酸素分圧等の成
膜条件が多少変化しても、上記のような酸素の導入によ
り、膜中に十分酸素が取り込まれるため、ロット間の誘
電特性のバラツキが少なくなる。
【００１２】
【実施例】 実施例１ 図１は本発明の酸化物誘電体薄膜素子から構成され、後
述するような電気特性を評価するために作成した素子構
造を示す断面構造概略図である。
述するような電気特性を評価するために作成した素子構
造を示す断面構造概略図である。
【００１３】この実施例では、酸化物誘電体薄膜が、Ｓ
ｒＴｉＯ3 （チタン酸ストロンチウム）（ＳＴＯ）であ
る酸化物誘電体薄膜素子を製造した。
ｒＴｉＯ3 （チタン酸ストロンチウム）（ＳＴＯ）であ
る酸化物誘電体薄膜素子を製造した。
【００１４】図１において、１はｎ型シリコン基板、２
は前記ｎ型シリコン基板１の表面に形成されたＳｉ（ケ
イ素）熱酸化膜、３は前記Ｓｉ熱酸化膜２上に形成され
たＴｉ（チタン）膜、４は前記Ｔｉ膜３上に形成された
Ｐｔ（白金）下部電極、５及び６はＰｔ下部電極４上に
形成された酸化物誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体
ＳＴＯ膜５及び６は後述するような製造方法で成膜され
ている。７は前記酸化物誘電体ＳＴＯ膜６上に形成され
たＰｔ上部電極である。
は前記ｎ型シリコン基板１の表面に形成されたＳｉ（ケ
イ素）熱酸化膜、３は前記Ｓｉ熱酸化膜２上に形成され
たＴｉ（チタン）膜、４は前記Ｔｉ膜３上に形成された
Ｐｔ（白金）下部電極、５及び６はＰｔ下部電極４上に
形成された酸化物誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体
ＳＴＯ膜５及び６は後述するような製造方法で成膜され
ている。７は前記酸化物誘電体ＳＴＯ膜６上に形成され
たＰｔ上部電極である。
【００１５】ｎ型シリコン基板１の表面に膜厚２００ｎ
ｍのＳｉ熱酸化膜２を形成し、このＳｉ熱酸化膜２上に
膜厚３０ｎｍのＴｉ膜３を、このＴｉ膜３上に膜厚２０
０ｎｍのＰｔ膜４をＤＣスパッタ法により形成した。こ
のＰｔ膜４上にＲＦマグネトロン法を用いて、図２に示
すようなプロセスでＳＴＯ膜５及び６を形成した。スパ
ッタターゲットはＳｒＴｉＯ3 酸化物を用いた。
ｍのＳｉ熱酸化膜２を形成し、このＳｉ熱酸化膜２上に
膜厚３０ｎｍのＴｉ膜３を、このＴｉ膜３上に膜厚２０
０ｎｍのＰｔ膜４をＤＣスパッタ法により形成した。こ
のＰｔ膜４上にＲＦマグネトロン法を用いて、図２に示
すようなプロセスでＳＴＯ膜５及び６を形成した。スパ
ッタターゲットはＳｒＴｉＯ3 酸化物を用いた。
【００１６】まず、成膜室を４００℃まで昇温してか
ら、成膜に先立ってターゲット表面を１０分間、後述の
成膜時と同じスパッタ条件（表１）で予備スパッタし
た。次に、膜厚１００ｎｍのＳＴＯ膜５を表１に示すス
パッタ条件にて５分間で成膜した。次に、試料を取り出
さずに成膜室に酸素ガスを２００Ｐａまで導入し、４０
０℃で５分間保持した（第１のサイクル）。これに引き
続き、再び表１に示すスパッタ条件で５分間で膜厚１０
０ｎｍに成膜し、全体の膜厚が２００ｎｍとなった時点
でＳＴＯ膜６の成膜を終了し、真空排気を止めて再び酸
素ガスを２００Ｐａまで導入し、４００℃で５分間保持
した（第２のサイクル）後、この酸素雰囲気中で、冷却
速度３℃／分で冷却した。
ら、成膜に先立ってターゲット表面を１０分間、後述の
成膜時と同じスパッタ条件（表１）で予備スパッタし
た。次に、膜厚１００ｎｍのＳＴＯ膜５を表１に示すス
パッタ条件にて５分間で成膜した。次に、試料を取り出
さずに成膜室に酸素ガスを２００Ｐａまで導入し、４０
０℃で５分間保持した（第１のサイクル）。これに引き
続き、再び表１に示すスパッタ条件で５分間で膜厚１０
０ｎｍに成膜し、全体の膜厚が２００ｎｍとなった時点
でＳＴＯ膜６の成膜を終了し、真空排気を止めて再び酸
素ガスを２００Ｐａまで導入し、４００℃で５分間保持
した（第２のサイクル）後、この酸素雰囲気中で、冷却
速度３℃／分で冷却した。
【００１７】次に、ＳＴＯ膜６の表面に電子ビーム蒸着
法により、Ｐｔ上部電極７を形成した。Ｐｔ上部電極７
の大きさは６０μｍ×６０μｍの矩形で膜厚は２００ｎ
ｍであった。
法により、Ｐｔ上部電極７を形成した。Ｐｔ上部電極７
の大きさは６０μｍ×６０μｍの矩形で膜厚は２００ｎ
ｍであった。
【００１８】
【表１】
【００１９】上記のような方法で製造した酸化物誘電体
薄膜素子のＰｔ上部電極７とＰｔ下部電極４の間に交流
電源８から交流電圧を印加し、この酸化物誘電体薄膜素
子の誘電特性（誘電率、誘電損失、誘電率の温度依存性
及びリーク電流）を測定した。その結果を表２ａに示
す。誘電率及び誘電損失は２５℃で測定し、誘電率、誘
電損失及び誘電率の温度依存性は、交流電源８の周波数
１０ｋＨｚの下で測定した。リーク電流は上下電極間に
３Ｖの交流電圧を印加して測定した。
薄膜素子のＰｔ上部電極７とＰｔ下部電極４の間に交流
電源８から交流電圧を印加し、この酸化物誘電体薄膜素
子の誘電特性（誘電率、誘電損失、誘電率の温度依存性
及びリーク電流）を測定した。その結果を表２ａに示
す。誘電率及び誘電損失は２５℃で測定し、誘電率、誘
電損失及び誘電率の温度依存性は、交流電源８の周波数
１０ｋＨｚの下で測定した。リーク電流は上下電極間に
３Ｖの交流電圧を印加して測定した。
【００２０】この製造方法により、同じ条件で更に２ロ
ットの酸化物誘電体薄膜素子を製造した。各ロットの素
子の誘電特性の結果も表２ａに示す。
ットの酸化物誘電体薄膜素子を製造した。各ロットの素
子の誘電特性の結果も表２ａに示す。
【００２１】
【表２ａ】
【００２２】この表より、本発明の製造方法により製造
した酸化物誘電体薄膜素子は、後述する比較例１及び２
の従来の製造方法により製造した酸化物誘電体薄膜素子
と比較して、優れた誘電特性を持ち、また各ロット間の
誘電特性のバラツキも少なかった。本実施例では、膜厚
が２００ｎｍのＳＴＯ膜を形成する場合について示した
が、膜厚に応じてこのサイクルを増減すればよい。ま
た、本実施例のＳＴＯ膜の形成の場合は導入する酸素分
圧を２００Ｐａとしたが、図３（ａ）に示すように、酸
素分圧が１００Ｐａ以上であれば誘電率が２００以上の
高い誘電率が安定した得られた。
した酸化物誘電体薄膜素子は、後述する比較例１及び２
の従来の製造方法により製造した酸化物誘電体薄膜素子
と比較して、優れた誘電特性を持ち、また各ロット間の
誘電特性のバラツキも少なかった。本実施例では、膜厚
が２００ｎｍのＳＴＯ膜を形成する場合について示した
が、膜厚に応じてこのサイクルを増減すればよい。ま
た、本実施例のＳＴＯ膜の形成の場合は導入する酸素分
圧を２００Ｐａとしたが、図３（ａ）に示すように、酸
素分圧が１００Ｐａ以上であれば誘電率が２００以上の
高い誘電率が安定した得られた。
【００２３】実施例２ この実施例では、酸化物誘電体薄膜が、（Ｂａ0.5 Ｓ
ｒ0.5 ）ＴｉＯ3 （チタン酸バリウムストロンチウム）
（ＢＳＴ）である酸化物誘電体薄膜素子を製造した。
ｒ0.5 ）ＴｉＯ3 （チタン酸バリウムストロンチウム）
（ＢＳＴ）である酸化物誘電体薄膜素子を製造した。
【００２４】本実施例で製造した酸化物誘電体薄膜素子
の構造は、図１における５及び６が、酸化物誘電体ＢＳ
Ｔ膜であること以外は、実施例１と同様である。ＢＳＴ
膜以外の成膜方法は、実施例１の場合と同じとした。
の構造は、図１における５及び６が、酸化物誘電体ＢＳ
Ｔ膜であること以外は、実施例１と同様である。ＢＳＴ
膜以外の成膜方法は、実施例１の場合と同じとした。
【００２５】まず、成膜室を４８０℃まで昇温してか
ら、実施例１と同様に表１に示すスパッタ条件で予備ス
パッタを行い、次いで、ＢＳＴ膜の形成は、スパッタタ
ーゲットとして（Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ）ＴｉＯ3 を用
い、成膜室の温度を４８０℃に維持し、成膜後の導入酸
素圧を１００Ｐａとした以外は、実施例１におけるＳＴ
Ｏ膜の形成と同じ条件で行った。
ら、実施例１と同様に表１に示すスパッタ条件で予備ス
パッタを行い、次いで、ＢＳＴ膜の形成は、スパッタタ
ーゲットとして（Ｂａ0.5 Ｓｒ0.5 ）ＴｉＯ3 を用
い、成膜室の温度を４８０℃に維持し、成膜後の導入酸
素圧を１００Ｐａとした以外は、実施例１におけるＳＴ
Ｏ膜の形成と同じ条件で行った。
【００２６】得られた各３ロットの素子の誘電特性を表
２ｂに示す。
２ｂに示す。
【００２７】
【表２ｂ】
【００２８】ＳＴＯ膜の場合と同様、後述する比較例１
及び２の従来の製造方法により製造した酸化物誘電体薄
膜素子と比較して、優れた誘電特性（誘電率、誘電損
失、誘電率の温度依存性及びリーク電流）を持ち、また
各ロット間の誘電特性のバラツキも少なかった。この場
合、導入する酸素分圧を１００Ｐａとしたが、図３
（ｂ）に示すように、酸素分圧が５０Ｐａ以上であれば
誘電率が３００以上の高い誘電率が安定して得られた。
及び２の従来の製造方法により製造した酸化物誘電体薄
膜素子と比較して、優れた誘電特性（誘電率、誘電損
失、誘電率の温度依存性及びリーク電流）を持ち、また
各ロット間の誘電特性のバラツキも少なかった。この場
合、導入する酸素分圧を１００Ｐａとしたが、図３
（ｂ）に示すように、酸素分圧が５０Ｐａ以上であれば
誘電率が３００以上の高い誘電率が安定して得られた。
【００２９】比較例１ 図４は、従来の製造方法により形成した酸化物誘電体薄
膜を使用した酸化物誘電体薄膜素子を説明するための断
面構造概略図であり、図５は図４に示した酸化物誘電体
薄膜素子に使用する酸化物誘電体薄膜の形成方法を説明
するプロセス図である。
膜を使用した酸化物誘電体薄膜素子を説明するための断
面構造概略図であり、図５は図４に示した酸化物誘電体
薄膜素子に使用する酸化物誘電体薄膜の形成方法を説明
するプロセス図である。
【００３０】図４において、４１はｎ型シリコン基板、
４２は前記ｎ型シリコン基板４１の表面に形成されたＳ
ｉ熱酸化膜、４３は前記Ｓｉ熱酸化膜４２上に形成され
たＴｉ膜、４４は前記Ｔｉ膜４３上に形成されたＰｔ下
部電極、４５はＰｔ下部電極４４上に形成された酸化物
誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体ＳＴＯ膜４５は後
述するような製造方法で成膜されている。４６は前記酸
化物誘電体ＳＴＯ膜４５上に形成されたＰｔ上部電極で
ある。ＳＴＯ膜４５以外の成膜方法は実施例１の場合と
同じとした。
４２は前記ｎ型シリコン基板４１の表面に形成されたＳ
ｉ熱酸化膜、４３は前記Ｓｉ熱酸化膜４２上に形成され
たＴｉ膜、４４は前記Ｔｉ膜４３上に形成されたＰｔ下
部電極、４５はＰｔ下部電極４４上に形成された酸化物
誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体ＳＴＯ膜４５は後
述するような製造方法で成膜されている。４６は前記酸
化物誘電体ＳＴＯ膜４５上に形成されたＰｔ上部電極で
ある。ＳＴＯ膜４５以外の成膜方法は実施例１の場合と
同じとした。
【００３１】ＳＴＯ膜４５は、実施例１の場合と同様
に、成膜室を４００℃に昇温してから、成膜に先だって
ターゲット表面を１０分間、表１のスパッタ条件で予備
スパッタした後、表１に示すスパッタ条件で１０分間で
膜厚２００ｎｍに成膜した。成膜が終了した後、図５に
示すように真空排気を止めてスパッタガス雰囲気中で冷
却速度約３℃／分で冷却した。次に実施例１と同様に、
ＳＴＯ膜４５の表面にＰｔ上部電極４６を形成した。
に、成膜室を４００℃に昇温してから、成膜に先だって
ターゲット表面を１０分間、表１のスパッタ条件で予備
スパッタした後、表１に示すスパッタ条件で１０分間で
膜厚２００ｎｍに成膜した。成膜が終了した後、図５に
示すように真空排気を止めてスパッタガス雰囲気中で冷
却速度約３℃／分で冷却した。次に実施例１と同様に、
ＳＴＯ膜４５の表面にＰｔ上部電極４６を形成した。
【００３２】このようにして３ロット製造した酸化物誘
電体薄膜素子の誘電特性の測定結果を表３ａに示す。測
定条件は実施例１と同じとし、酸化物誘電体薄膜素子の
Ｐｔ上部電極４６とＰｔ下部電極４４の間に交流電源４
８から交流電圧を印加して測定した。
電体薄膜素子の誘電特性の測定結果を表３ａに示す。測
定条件は実施例１と同じとし、酸化物誘電体薄膜素子の
Ｐｔ上部電極４６とＰｔ下部電極４４の間に交流電源４
８から交流電圧を印加して測定した。
【００３３】
【表３ａ】
【００３４】実施例１と比べて各ロットとも誘電率が低
く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流が大
きかった。また各ロット間の誘電特性のバラツキも大き
かった。
く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流が大
きかった。また各ロット間の誘電特性のバラツキも大き
かった。
【００３５】上記のＳＴＯ膜４５に代えて、ＢＳＴ膜の
形成を、成膜室の温度を４８０℃とした以外は上記ＳＴ
Ｏ膜の形成と同じ条件で行った。ＢＳＴ膜の場合も表３
ｂに示すように、実施例２と比べて各ロットとも誘電率
が低く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流
が大きかった。また各ロット間の誘電特性のバラツキも
大きかった。
形成を、成膜室の温度を４８０℃とした以外は上記ＳＴ
Ｏ膜の形成と同じ条件で行った。ＢＳＴ膜の場合も表３
ｂに示すように、実施例２と比べて各ロットとも誘電率
が低く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流
が大きかった。また各ロット間の誘電特性のバラツキも
大きかった。
【００３６】
【表３ｂ】
【００３７】また、前述のＳＴＯ膜の成膜が終了した後
室温まで冷却し、その後、酸素を２００Ｐａまで導入
し、４００℃で１０分間保持した後、この酸素雰囲気中
で、約３℃／分の冷却速度で冷却する条件で３ロットの
ＳＴＯ膜を形成した。このＳＴＯ膜を使用した各素子の
誘電特性の測定結果を表４ａに示す。実施例１と比べ
て、各ロット間の誘電特性のバラツキが大きかった。
室温まで冷却し、その後、酸素を２００Ｐａまで導入
し、４００℃で１０分間保持した後、この酸素雰囲気中
で、約３℃／分の冷却速度で冷却する条件で３ロットの
ＳＴＯ膜を形成した。このＳＴＯ膜を使用した各素子の
誘電特性の測定結果を表４ａに示す。実施例１と比べ
て、各ロット間の誘電特性のバラツキが大きかった。
【００３８】
【表４ａ】
【００３９】ＢＳＴ膜についても、上記のＳＴＯ膜の場
合と同様に、ＢＳＴ膜の成膜が終了した後室温まで冷却
し、その後、酸素を１００Ｐａまで導入し、４８０℃で
５分間保持した後、この酸素雰囲気中で、約３℃／分の
冷却速度で冷却する条件で３ロットのＢＳＴ膜を形成し
た。ＢＳＴ膜の場合も表４ｂに示すように、実施例２と
比べて、各ロット間の誘電特性のバラツキが大きかっ
た。
合と同様に、ＢＳＴ膜の成膜が終了した後室温まで冷却
し、その後、酸素を１００Ｐａまで導入し、４８０℃で
５分間保持した後、この酸素雰囲気中で、約３℃／分の
冷却速度で冷却する条件で３ロットのＢＳＴ膜を形成し
た。ＢＳＴ膜の場合も表４ｂに示すように、実施例２と
比べて、各ロット間の誘電特性のバラツキが大きかっ
た。
【００４０】
【表４ｂ】
【００４１】冷却時に酸素を導入しない場合は、ＳＴＯ
膜、ＢＳＴ膜ともリーク電流が１０-3Ａ／ｃｍ2 以上と
なり誘電特性の測定は不可能であり、酸化物誘電体薄膜
は得られなかった。
膜、ＢＳＴ膜ともリーク電流が１０-3Ａ／ｃｍ2 以上と
なり誘電特性の測定は不可能であり、酸化物誘電体薄膜
は得られなかった。
【００４２】比較例２ 図６は本発明の実施例との比較のため形成した別の酸化
物誘電体薄膜を使用した酸化物誘電体薄膜素子を説明す
るための断面構造概略図であり、図７は図６に示した酸
化物誘電体薄膜素子に使用する酸化物誘電体薄膜の形成
方法を説明するプロセス図である。
物誘電体薄膜を使用した酸化物誘電体薄膜素子を説明す
るための断面構造概略図であり、図７は図６に示した酸
化物誘電体薄膜素子に使用する酸化物誘電体薄膜の形成
方法を説明するプロセス図である。
【００４３】図６において、６１はｎ型シリコン基板、
６２は前記ｎ型シリコン基板６１の表面に形成されたＳ
ｉ熱酸化膜、６３は前記Ｓｉ熱酸化膜６２上に形成され
たＴｉ膜、６４は前記Ｔｉ膜６３上に形成されたＰｔ下
部電極、６５及び６６はＰｔ下部電極６４上に形成され
た酸化物誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体ＳＴＯ膜
６５及び６６は後述するような製造方法で成膜されてい
る。６７は前記酸化物誘電体ＳＴＯ膜６６上に形成され
たＰｔ上部電極である。ＳＴＯ膜６５及び６６以外の成
膜方法は実施例１の場合と同じとした。ＳＴＯ膜６５
は、実施例１の場合と同様に、成膜室を４００℃まで昇
温してから、成膜に先だってターゲット表面を１０分
間、表１に示すスパッタ条件で予備スパッタした後、表
１に示すスパッタ条件で５分間成膜しＳＴＯ膜６５を形
成した。膜厚は１００ｎｍであった。成膜が終了した
後、試料を成膜室から取り出して、酸素２００Ｐａ中で
４００℃で５分間熱処理し冷却速度約３℃／分で冷却し
た。この後、試料を成膜室に入れ、再び成膜室を４００
℃まで昇温してから、表１に示すスパッタ条件で５分間
成膜し膜圧１００ｎｍのＳＴＯ膜６６を形成し、試料を
成膜室から取り出して、酸素２００Ｐａ中で４００℃で
５分間熱処理し冷却速度約３℃／分で冷却した。次に実
施例１と同様に、ＳＴＯ膜６６の表面にＰｔ上部電極６
７を形成した。
６２は前記ｎ型シリコン基板６１の表面に形成されたＳ
ｉ熱酸化膜、６３は前記Ｓｉ熱酸化膜６２上に形成され
たＴｉ膜、６４は前記Ｔｉ膜６３上に形成されたＰｔ下
部電極、６５及び６６はＰｔ下部電極６４上に形成され
た酸化物誘電体ＳＴＯ膜であり、酸化物誘電体ＳＴＯ膜
６５及び６６は後述するような製造方法で成膜されてい
る。６７は前記酸化物誘電体ＳＴＯ膜６６上に形成され
たＰｔ上部電極である。ＳＴＯ膜６５及び６６以外の成
膜方法は実施例１の場合と同じとした。ＳＴＯ膜６５
は、実施例１の場合と同様に、成膜室を４００℃まで昇
温してから、成膜に先だってターゲット表面を１０分
間、表１に示すスパッタ条件で予備スパッタした後、表
１に示すスパッタ条件で５分間成膜しＳＴＯ膜６５を形
成した。膜厚は１００ｎｍであった。成膜が終了した
後、試料を成膜室から取り出して、酸素２００Ｐａ中で
４００℃で５分間熱処理し冷却速度約３℃／分で冷却し
た。この後、試料を成膜室に入れ、再び成膜室を４００
℃まで昇温してから、表１に示すスパッタ条件で５分間
成膜し膜圧１００ｎｍのＳＴＯ膜６６を形成し、試料を
成膜室から取り出して、酸素２００Ｐａ中で４００℃で
５分間熱処理し冷却速度約３℃／分で冷却した。次に実
施例１と同様に、ＳＴＯ膜６６の表面にＰｔ上部電極６
７を形成した。
【００４４】この製造プロセスで製造した酸化物誘電体
薄膜素子の誘電特性を表５ａに示す。測定条件は実施例
１と同じとし、酸化物誘電体成膜素子のＰｔ上部電極６
７とＰｔ下部電極６４の間に交流電源６８から交流電圧
を印加して測定した。
薄膜素子の誘電特性を表５ａに示す。測定条件は実施例
１と同じとし、酸化物誘電体成膜素子のＰｔ上部電極６
７とＰｔ下部電極６４の間に交流電源６８から交流電圧
を印加して測定した。
【００４５】
【表５ａ】
【００４６】実施例１と比べて各ロットとも誘電率が低
く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流が大
きかった。
く、誘電損失、誘電率の温度依存性及びリーク電流が大
きかった。
【００４７】ＢＳＴ膜の形成を、成膜室の温度を４８０
℃とし、成膜後の導入酸素圧を１００Ｐａとした以外
は、上記のＳＴＯ膜の形成と同じ条件で行った。ＢＳＴ
膜の場合も表５ｂに示すように、実施例２と比べて各ロ
ットとも誘電率が低く、誘電損失、誘電率の温度依存性
及びリーク電流が大きかった。
℃とし、成膜後の導入酸素圧を１００Ｐａとした以外
は、上記のＳＴＯ膜の形成と同じ条件で行った。ＢＳＴ
膜の場合も表５ｂに示すように、実施例２と比べて各ロ
ットとも誘電率が低く、誘電損失、誘電率の温度依存性
及びリーク電流が大きかった。
【００４８】
【表５ｂ】
【００４９】
（１）酸化物誘電体薄膜の成膜途中に酸素を導入して、
一定時間保持し、さらに成膜後にも酸素を導入して、一
定時間保持することにより、酸化物誘電体薄膜中の酸素
欠損を少なくすることができ、誘電率、誘電損失、誘電
率の温度依存性及びリーク電流等の誘電特性を向上させ
た酸化物誘電体薄膜素子を得ることができる。
一定時間保持し、さらに成膜後にも酸素を導入して、一
定時間保持することにより、酸化物誘電体薄膜中の酸素
欠損を少なくすることができ、誘電率、誘電損失、誘電
率の温度依存性及びリーク電流等の誘電特性を向上させ
た酸化物誘電体薄膜素子を得ることができる。
【００５０】（２）酸化物誘電体薄膜の成長中に成膜条
件が変動し、膜中の酸素量が変化しても、成膜途中に十
分酸素を膜中に取り込ませているため、ロット間の誘電
特性のバラツキを少なくできるため、安定して誘電特性
の優れた膜を供給することができる。
件が変動し、膜中の酸素量が変化しても、成膜途中に十
分酸素を膜中に取り込ませているため、ロット間の誘電
特性のバラツキを少なくできるため、安定して誘電特性
の優れた膜を供給することができる。
【図１】本発明の実施例１の酸化物誘電体薄膜素子の断
面概略図。
面概略図。
【図２】本発明の実施例１の酸化物誘電体薄膜形成のプ
ロセスを示す図。
ロセスを示す図。
【図３】本発明の実施例の酸化物誘電体薄膜素子の酸素
分圧と誘電率の関係を示す図。
分圧と誘電率の関係を示す図。
【図４】比較例１の酸化物誘電体薄膜素子の断面概略
図。
図。
【図５】比較例１の酸化物誘電体薄膜形成のプロセスを
示す図。
示す図。
【図６】比較例２の酸化物誘電体薄膜素子の断面概略
図。
図。
【図７】比較例２の酸化物誘電体薄膜形成のプロセスを
示す図。
示す図。
１、４１、６１ ｎ型シリコン基板 ２、４２、６２ シリコン熱酸化膜 ３、４３、６３、 Ｔｉ膜 ４、４４、６４ Ｐｔ下部電極 ５、６、４５、６５、６６ ＳＴＯ酸化物誘電体膜 ７、４７、６７ Ｐｔ上部電極 ８、４８、６８ 交流電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−29462（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−164406（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−74034（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−31645（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−326582（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−122456（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−283007（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−183850（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31 C30B 29/00 H01L 21/316 C01G 23/00
Claims (5)
- 【請求項１】 少なくとも電極と酸化物誘電体薄膜とを
有する酸化物誘電体薄膜素子の製造方法であって、前記
酸化物誘電体薄膜を成膜室内で形成する工程において、
所望の最終膜厚以下の所定の膜厚まで前記酸化物誘電体
薄膜の形成を行った時点で一旦成膜を中止し、前記酸化
物誘電体薄膜を成膜室から取り出さずに成膜室に成膜時
よりも高い酸素分圧まで酸素を導入し、一定時間保持し
た後、再び成膜を開始するサイクルを繰返すことを特徴
とする酸化物誘電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項２】 上記酸化物誘電体薄膜が、ＳｒＴｉＯ3
（チタン酸ストロンチウム）であることを特徴とする請
求項１記載の酸化物誘電体薄膜素子の製造方法。 - 【請求項３】 上記酸化物誘電体薄膜が、（Ｂａ，Ｓ
ｒ）ＴｉＯ3 （チタン酸バリウムストロンチウム）であ
ることを特徴とする請求項１記載の酸化物誘電体薄膜素
子の製造方法。 - 【請求項４】 導入する酸素分圧が１００Ｐａ以上であ
ることを特徴とする請求項２記載の酸化物誘電体薄膜素
子の製造方法。 - 【請求項５】 導入する酸素分圧が５０Ｐａ以上である
ことを特徴とする請求項３記載の酸化物誘電体薄膜素子
の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06101192A JP3089159B2 (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 酸化物誘電体薄膜素子の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06101192A JP3089159B2 (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 酸化物誘電体薄膜素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07307295A JPH07307295A (ja) | 1995-11-21 |
| JP3089159B2 true JP3089159B2 (ja) | 2000-09-18 |
Family
ID=14294094
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06101192A Expired - Fee Related JP3089159B2 (ja) | 1994-05-16 | 1994-05-16 | 酸化物誘電体薄膜素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3089159B2 (ja) |
-
1994
- 1994-05-16 JP JP06101192A patent/JP3089159B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07307295A (ja) | 1995-11-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |