JP3172665B2 - Dielectric thin film capacitor element and method of manufacturing the same - Google Patents

Dielectric thin film capacitor element and method of manufacturing the same

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JP3172665B2 JP32570495A JP32570495A JP3172665B2 JP 3172665 B2 JP3172665 B2 JP 3172665B2 JP 32570495 A JP32570495 A JP 32570495A JP 32570495 A JP32570495 A JP 32570495A JP 3172665 B2 JP3172665 B2 JP 3172665B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、IC用キャパシ
タ、不揮発性メモリ素子等の電子部品に用いられる誘電
体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法に関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a dielectric thin film capacitor element used for electronic components such as an IC capacitor and a nonvolatile memory element, and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、半導体産業においては、誘電
体薄膜として、SiO2(酸化シリコン)やSiN(窒
化シリコン)などが使用されてきた。しかしながら、近
年では、半導体技術の進歩による電子部品の小型化や高
集積化に伴い、キャパシタ面積の縮小化のために誘電体
膜の極薄膜化や3次元構造化が行われている。このた
め、半導体素子の作製工程はますます複雑化し、微細加
工技術も限界に近づき、歩留まりや信頼性等に問題を生
じている。そこで、従来と比較して誘電率が高い誘電体
薄膜が必要となり、現在では、高誘電率を有するペロブ
スカイト型酸化物から成る高誘電体薄膜の開発が盛んに
進められている。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the semiconductor industry, SiO 2 (silicon oxide), SiN (silicon nitride), and the like have been used as dielectric thin films. However, in recent years, as electronic components have become smaller and more highly integrated due to advances in semiconductor technology, dielectric films have been made extremely thin and three-dimensionally structured in order to reduce the capacitor area. For this reason, the manufacturing process of the semiconductor element is becoming more and more complicated, and the fine processing technology is approaching its limit, causing problems in yield, reliability, and the like. Therefore, a dielectric thin film having a higher dielectric constant than that of the related art is required. At present, the development of a high dielectric thin film made of a perovskite oxide having a high dielectric constant has been actively pursued.

【0003】このような高誘電率を示すペロブスカイト
型酸化物の誘電体としては、PLT((Pb,La)T
iO3)やPLZT((Pb,La)(Zr,Ti)
3)等のPb系のものもあるが、このほかに、チタン
酸ストロンチウム(SrTiO3)やチタン酸バリウム
ストロンチウム((Ba,Sr)TiO3)等の酸化物
高誘電体材料がある。これらの誘電体材料から成る高誘
電体薄膜は、DRAMの信号蓄積用キャパシタ、MMI
C(Microwave Monolithic Integrated Cercuit)マイ
クロ波素子用キャパシタ等に代表されるIC用の誘電体
薄膜キャパシタ素子として用いられるものである。
As a dielectric material of a perovskite oxide having such a high dielectric constant, PLT ((Pb, La) T
iO 3 ) or PLZT ((Pb, La) (Zr, Ti)
Although there are Pb-based materials such as O 3 ), there are other oxide high dielectric materials such as strontium titanate (SrTiO 3 ) and barium strontium titanate ((Ba, Sr) TiO 3 ). High dielectric thin films made of these dielectric materials are used for DRAM signal storage capacitors, MMI
C (Microwave Monolithic Integrated Cercuit) is used as a dielectric thin film capacitor element for an IC represented by a capacitor for a microwave element or the like.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の酸化物高誘電体材料を用いて誘電体薄膜キャパシ
タ素子を作製した場合、誘電体薄膜の結晶格子の酸素欠
損により生じるリーク電流が大きいため、良好な絶縁性
が得られなかったり、リーク電流の温度異存性が大きく
なったりするなどの問題が発生していた。このため、従
来の酸化物高誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ
素子を、デバイスとして応用するには、信頼性の点が大
きな問題となっていた。
However, when a dielectric thin film capacitor element is manufactured using the above-mentioned conventional oxide high dielectric material, a leak current caused by oxygen deficiency in the crystal lattice of the dielectric thin film is large. However, there have been problems such as a failure to obtain good insulation properties and an increase in temperature dependence of leakage current. Therefore, when a conventional dielectric thin film capacitor element using an oxide high dielectric thin film is applied as a device, reliability has been a serious problem.

【0005】上記の問題点の原因としては、以下のよう
なことが考えられる。一般に、ペロブスカイト構造を有
する酸化物においては、単結晶でも酸素の格子欠陥が存
在する。そして、通常ペロブスカイト構造を有する酸化
物薄膜においては、薄膜成長中に酸素の格子欠陥が生成
されるので、バルクの単結晶と比べると、さらに多数の
酸素の格子欠陥が発生してしまう。この酸素の格子欠陥
により、電子がキャリアとして生成するため、電圧印加
によってリーク電流が生じることになる。また、キャリ
ア発生量は温度の上昇と共に増加するため、リーク電流
の温度依存性に影響を与える。
The following are conceivable causes of the above problem. In general, an oxide having a perovskite structure has oxygen lattice defects even in a single crystal. In an oxide thin film usually having a perovskite structure, oxygen lattice defects are generated during the growth of the thin film, so that a larger number of oxygen lattice defects are generated as compared with a bulk single crystal. Since electrons are generated as carriers due to the lattice defect of oxygen, a leak current is generated by voltage application. In addition, since the amount of generated carriers increases with an increase in temperature, it affects the temperature dependence of the leak current.

【0006】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであって、十分に高い誘電率を示し、
リーク電流が小さく、リーク電流の温度依存性が小さ
い、高信頼性の誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造
方法を提供することを目的としている。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and has a sufficiently high dielectric constant.
It is an object of the present invention to provide a highly reliable dielectric thin film capacitor element having a small leak current and a small temperature dependency of the leak current, and a method of manufacturing the same.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、基体上に少なくとも下部電極と誘電体
薄膜と上部電極とが積層された誘電体薄膜キャパシタ素
子において、前記電極が金属電極であって、前記誘電体
薄膜が金属電極に接して積層され、該薄膜がペロブスカ
イト構造を有するフッ素を含有したチタン酸ストロンチ
ウムまたはフッ素を含有したチタン酸バリウムストロン
チウムから成り、かつ該薄膜に含有されるフッ素含有量
が0.2at%以上0.5at%以下であることを特徴
とする
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a dielectric thin film capacitor element in which at least a lower electrode, a dielectric thin film and an upper electrode are laminated on a substrate, wherein the electrode is a metal electrode. The dielectric material
A thin film is laminated in contact with the metal electrode, and the thin film is
-Containing strontium titanate having a fluoride structure
Barium titanate strontium containing chromium or fluorine
Fluorine content which is composed of titanium and contained in the thin film
Is not less than 0.2 at% and not more than 0.5 at%.
And

【0008】本発明によれば、誘電体薄膜としてペロブ
スカイト構造を有するフッ素含有酸化物から成る薄膜を
用いているので、フッ素が酸素欠損位置の一部に入り込
むことにより、誘電体薄膜成膜中に発生する結晶格子の
酸素欠損によるキャリア発生を抑制することができ、リ
ーク電流を低く抑えることができる共に、誘電率やリー
ク電流の温度依存性をも低減することができる。このよ
うな本発明の作用は、フッ素が酸素に比べ電子親和力が
大きいので金属原子と結合し易く、また一旦フッ素と金
属原子とが結合するとその結合力が強いので、誘電体薄
膜成長中に発生した酸素格子欠陥に位置に入り込むと脱
離しにくくなるためと考えられる。
According to the present invention, a thin film made of a fluorine-containing oxide having a perovskite structure is used as the dielectric thin film. Carrier generation due to oxygen vacancies in the generated crystal lattice can be suppressed, the leak current can be suppressed low, and the temperature dependence of the dielectric constant and the leak current can be reduced. Such an effect of the present invention occurs during the growth of a dielectric thin film because fluorine has a higher electron affinity than oxygen and thus easily bonds to metal atoms, and once fluorine and metal atoms bond, the bonding force is strong. It is considered that when the oxygen lattice defect enters the position, it becomes difficult to be desorbed.

【0009】[0009]

【0010】本発明によれば、誘電体薄膜を構成するフ
ッ素含有酸化物として、フッ素を含有したチタン酸スト
ロンチウムを用いているので、十分に高い誘電率を示
し、リーク電流が小さく、リーク電流の温度依存性が小
さい、高信頼性の誘電体薄膜キャパシタ素子を実現する
ことが可能となる。
According to the present invention, since strontium titanate containing fluorine is used as the fluorine-containing oxide constituting the dielectric thin film, it has a sufficiently high dielectric constant, a small leakage current, and a small leakage current. A highly reliable dielectric thin film capacitor element having small temperature dependency can be realized.

【0011】[0011]

【0012】本発明によれば、誘電体薄膜を構成するフ
ッ素含有酸化物として、フッ素を含有したチタン酸バリ
ウムストロンチウムを用いているので、十分に高い誘電
率を示し、リーク電流が小さく、リーク電流の温度依存
性が小さい、高信頼性の誘電体薄膜キャパシタ素子を実
現することが可能となる。
According to the present invention, since fluorine-containing barium strontium titanate is used as the fluorine-containing oxide constituting the dielectric thin film, it has a sufficiently high dielectric constant, a small leakage current, and a small leakage current. It is possible to realize a highly reliable dielectric thin film capacitor element having a small temperature dependency.

【0013】[0013]

【0014】本発明によれば、誘電体薄膜を構成するフ
ッ素含有酸化物に含有されるフッ素の含有量を最適化し
ているので、より特性向上を図ることができる。
According to the present invention, the content of fluorine contained in the fluorine-containing oxide constituting the dielectric thin film is optimized, so that the characteristics can be further improved.

【0015】そして、本発明では、基体上に少なくとも
下部電極と誘電体薄膜と上部電極とが順次積層される誘
電体薄膜キャパシタ素子の製造方法において、下部電極
としての金属電極が形成された後、ペロブスカイト型酸
化物であるチタン酸ストロンチウムまたはチタン酸バリ
ウムストロンチウム粉体に、フッ化ストロンチウムを十
分に混合し焼結したスパッタターゲットを用い、スパッ
タリング法により前記誘電体薄膜を形成する工程を具備
することを特徴とする
[0015] In the present invention, the method for producing a dielectric thin film capacitor element and at least the lower electrode and the dielectric thin film and the upper electrode are sequentially laminated on a substrate, the lower electrode
After the metal electrode is formed as a perovskite-type acid
Or strontium titanate
Strontium fluoride in the strontium powder
Using a sputter target mixed and sintered
Forming the dielectric thin film by a sputtering method.
It is characterized by doing .

【0016】本発明によれば、量産性に優れたスパッタ
リング法を用いているので、十分に高い誘電率を示し、
リーク電流が小さく、リーク電流の温度依存性が小さ
い、高信頼性の誘電体薄膜キャパシタ素子を低コストで
製造することができる。
According to the present invention, since a sputtering method excellent in mass productivity is used, a sufficiently high dielectric constant is exhibited,
A highly reliable dielectric thin film capacitor element having a small leak current and a small temperature dependency of the leak current can be manufactured at low cost.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態につ
いて、図面を参照して説明する。図1は、本発明の一実
施形態により作製された誘電体薄膜キャパシタ素子の断
面構造を示す概略図である。図1に示すように、この誘
電体薄膜キャパシタ素子は、n型シリコン基板1上に、
シリコン熱酸化膜2、Ti接着層3、Pt下部電極層
4、ペルブスカイト構造を有するフッ素含有酸化物から
成る誘電体薄膜5、Pt上部電極層6が、それぞれ順次
形成されているものである。
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a dielectric thin film capacitor element manufactured according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, this dielectric thin film capacitor element is provided on an n-type silicon substrate 1.
A silicon thermal oxide film 2, a Ti bonding layer 3, a Pt lower electrode layer 4, a dielectric thin film 5 made of a fluorine-containing oxide having a perovskite structure, and a Pt upper electrode layer 6 are sequentially formed.

【0018】なお、図1に示した構造は、あくまでも、
後述する本実施形態による誘電体薄膜キャパシタ素子の
基本的な電気特性を評価するためのものであり、本発明
による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造がこれに限定さ
れるものでなく、実際には、DRAMやMMIC等のメ
モリ素子を初めとする様々なデバイスにに適宜自由な設
計で用いられるものである。
Incidentally, the structure shown in FIG.
It is for evaluating the basic electrical characteristics of the dielectric thin film capacitor element according to the present embodiment described later, the structure of the dielectric thin film capacitor element according to the present invention is not limited to this, in fact, It can be used for various devices such as a memory device such as a DRAM and an MMIC with a free design as appropriate.

【0019】次いで、第1の実施形態の誘電体薄膜キャ
パシタ素子の作製について説明する。まず、n型シリコ
ン基板1の表面に、絶縁層として、膜厚200nmのシ
リコン熱酸化膜2を熱酸化法により形成した。そして、
このシリコン熱酸化膜2上に膜厚30nmのTi接着層
3と、膜厚200nmのPt下部電極層4とを、DCス
パッタリング法により順次形成した。
Next, the fabrication of the dielectric thin film capacitor element of the first embodiment will be described. First, a 200-nm-thick silicon thermal oxide film 2 was formed as an insulating layer on the surface of an n-type silicon substrate 1 by a thermal oxidation method. And
On this silicon thermal oxide film 2, a 30-nm-thick Ti adhesive layer 3 and a 200-nm-thick Pt lower electrode layer 4 were sequentially formed by DC sputtering.

【0020】次に、このようにして形成したPt下部電
極層4上へ、ペルブスカイト構造を有するフッ素含有酸
化物から成る誘電体薄膜5として、フッ素を含有するチ
タン酸ストロンチウム(SrTiO3)薄膜(以下ST
OF薄膜と記載する)の形成を、RFスパッタリング法
(高周波スパッタリング法)を用いて行った。スパッタ
ターゲットには、ペルブスカイト型酸化物であるチタン
酸ストロンチウム(SrTiO3)粉体にフッ化ストロ
ンチウム(SrF2)を十分に混合し、焼結したものを
用いた。そして、最初にスパッタターゲット表面をST
OF薄膜と同条件で10分間予備スパッタした後、ST
OF薄膜の成膜を行った。このときの、予備スパッタ及
びSTOF薄膜の成膜条件は、表1に示すように、基板
温度350℃、スパッタRFパワー4.25W/c
2、スパッタ圧力(成膜室内ガス圧力)2Pa、スパ
ッタガスがAr:O2=1:1の比率の混合ガスという
ものであり、この条件で膜厚200nmのSTOF薄膜
を形成した。なお、本実施形態では、STOF薄膜のフ
ッ素の含有率を0.3at%とした。
Next, a fluorine-containing strontium titanate (SrTiO 3 ) thin film (hereinafter referred to as a “srTiO 3” thin film) is formed on the Pt lower electrode layer 4 formed as described above as a dielectric thin film 5 made of a fluorine-containing oxide having a perovskite structure. ST
The formation of an OF thin film) was performed using an RF sputtering method (a high-frequency sputtering method). The sputter target used was obtained by sufficiently mixing strontium fluoride (SrF 2 ) with strontium titanate (SrTiO 3 ) powder, which is a perovskite oxide, and then sintering. Then, first, the surface of the sputter target is set to ST.
After pre-sputtering for 10 minutes under the same conditions as the OF thin film,
An OF thin film was formed. At this time, as shown in Table 1, the conditions of the preliminary sputtering and the film formation of the STOF thin film were as follows: the substrate temperature was 350 ° C., and the sputtering RF power was 4.25 W / c.
m 2 , a sputtering pressure (gas pressure in a film forming chamber) of 2 Pa, and a sputtering gas of a mixed gas having a ratio of Ar: O 2 = 1: 1. Under these conditions, a 200 nm-thick STOF thin film was formed. In this embodiment, the content of fluorine in the STOF thin film is set to 0.3 at%.

【0021】[0021]

【表1】 [Table 1]

【0022】その後、本実施形態による誘電体薄膜キャ
パシタ素子の電気特性を評価するために、STOF薄膜
5上に、膜厚100nmのPt上部電極層6を、直径1
00nmの円形で真空蒸着法により形成し、図1に示し
たような構造の誘電体薄膜キャパシタ素子の作製を完了
した。
Thereafter, in order to evaluate the electrical characteristics of the dielectric thin film capacitor element according to the present embodiment, a Pt upper electrode layer 6 having a thickness of 100 nm
A circular thin film of 00 nm was formed by a vacuum deposition method, and the fabrication of the dielectric thin film capacitor element having the structure as shown in FIG. 1 was completed.

【0023】なお、基板、絶縁層、接着層、及び電極層
のそれぞれの材料、膜厚、形成方法等については、本発
明が本実施形態に限定されるものではない。
The present invention is not limited to the present embodiment with respect to the respective materials, thicknesses, forming methods, and the like of the substrate, the insulating layer, the adhesive layer, and the electrode layer.

【0024】また、比較のため、誘電体薄膜成膜時のス
パッタターゲットとして、フッ化ストロンチウム(Sr
2)を含まないチタン酸ストロンチウム(SrTi
3)粉体を焼結したものを用い、それ以外の作製条件
を本実施形態と全く同様とした第1の比較例のSrTi
3薄膜(以下STO薄膜と記載する)から成る誘電体
薄膜キャパシタ素子も作製した。
For comparison, strontium fluoride (Sr) was used as a sputtering target when forming a dielectric thin film.
F 2 ) free strontium titanate (SrTi
SrTi of the first comparative example in which a sintered product of O 3 ) powder was used, and other manufacturing conditions were completely the same as those of the present embodiment.
A dielectric thin film capacitor element made of an O 3 thin film (hereinafter, referred to as an STO thin film) was also manufactured.

【0025】次いで、上記のようにして作製した本実施
形態及び第1の比較例の電気特性の評価について説明す
る。図1に示すように、Pt上部電極層6とPt下部電
極層4との間に、電界7を印加して、リーク電流及び誘
電率を測定した。
Next, the evaluation of the electrical characteristics of the present embodiment and the first comparative example manufactured as described above will be described. As shown in FIG. 1, an electric field 7 was applied between the Pt upper electrode layer 6 and the Pt lower electrode layer 4, and the leak current and the dielectric constant were measured.

【0026】まず、本実施形態(STOF薄膜キャパシ
タ素子)及び第1の比較例(STO薄膜キャパシタ素
子)の誘電率、リーク電流、及びリーク電流の増加率
(リーク電流の温度依存性)の測定結果を表2に示す。
First, the measurement results of the dielectric constant, leak current, and increase rate of leak current (temperature dependence of leak current) of this embodiment (STOF thin film capacitor element) and the first comparative example (STO thin film capacitor element) Are shown in Table 2.

【0027】[0027]

【表2】 [Table 2]

【0028】このときの測定条件は、上部電極層−Pt
下部電極層間に5V、10Hzの電圧を印加し、誘電率
及びリーク電流Il(A/cm2)については室温(25
℃)で測定したもの、リーク電流の増加率(リーク電流
の温度依存性)については測定温度25℃のリーク電流
l(25℃)を1としたときに測定温度80℃のリー
ク電流Il(80℃)における増加率(Il(80℃)/
l(25℃))を測定したものである。なお、表2に
おいて、STOF膜とはSTOF薄膜キャパシタ素子
(本実施形態)での測定結果を示し、STO膜とはST
O薄膜キャパシタ素子(第1の比較例)での測定結果を
示すものである。
The measurement conditions at this time are as follows: the upper electrode layer-Pt
A voltage of 5 V and 10 Hz is applied between the lower electrode layers, and the dielectric constant and the leakage current I l (A / cm 2 ) are measured at room temperature (25
° C), and the increase rate of the leak current (temperature dependence of the leak current) is 1 when the leak current I l (25 ° C.) at the measurement temperature of 25 ° C. is set to 1. (80 ° C.) (I l (80 ° C.) /
I l (25 ° C.). In Table 2, the STOF film indicates the measurement result of the STOF thin film capacitor element (this embodiment), and the STO film indicates the STOF film.
9 shows a measurement result of an O thin film capacitor element (first comparative example).

【0029】表2から、本実施形態(STOF薄膜キャ
パシタ素子)の誘電率は150と、第1の比較例(ST
O薄膜キャパシタ素子)の誘電率152とほとんど同様
の高い誘電率を示していることがわかる。そして、本実
施形態の室温(25℃)でのリーク電流は4.9×10
-9と、第1の比較例の値3.8×10-8よりほぼ1桁も
小さな良好な値が得られている。さらに、リーク電流の
増加率(リーク電流の温度依存性)をみると、本実施形
態では6.2に対して、第1の比較例では11.6と、
本実施形態のものでは第1の比較例のものの約2分の1
に低減できていることがわかる。
From Table 2, the dielectric constant of the present embodiment (STOF thin film capacitor element) is 150, which is the first comparative example (STOF thin film capacitor element).
It can be seen that the high dielectric constant is almost the same as the dielectric constant 152 of the O thin film capacitor element). The leakage current at room temperature (25 ° C.) of this embodiment is 4.9 × 10
-9, which is a good value almost one digit smaller than the value of 3.8 × 10 -8 of the first comparative example. Further, the increase rate of the leak current (temperature dependence of the leak current) is 6.2 in the present embodiment, 11.6 in the first comparative example,
In the present embodiment, about one half of that of the first comparative example.
It can be seen that it has been successfully reduced.

【0030】次いで、第2の実施形態として、STOF
薄膜のフッ素含有量を変化させたSTOF薄膜キャパシ
タ素子を複数作製して、それらの誘電率、リーク電流、
及びリーク電流の温度依存性について評価したものにつ
いて説明する。
Next, as a second embodiment, STOF
A plurality of STOF thin film capacitor elements in which the fluorine content of the thin film is changed are manufactured, and their dielectric constant, leak current,
A description will now be given of what evaluated the temperature dependence of the leak current.

【0031】上記第1の実施形態ではSTOF薄膜のフ
ッ素含有量を0.3at%として作製したSTOF薄膜
キャパシタ素子について説明したが、第2の実施形態で
はSTOF薄膜のフッ素含有量を変化させたSTOF薄
膜キャパシタ素子を複数作製して、それらの諸特性につ
いて測定を行った。
In the first embodiment, the STOF thin film capacitor element manufactured with the STOF thin film having a fluorine content of 0.3 at% has been described. In the second embodiment, the STOF thin film having the STOF thin film having a varied fluorine content is used. A plurality of thin film capacitor elements were manufactured, and their characteristics were measured.

【0032】第2の実施形態でのSTOF薄膜キャパシ
タ素子の作製については、誘電体薄膜成膜時のスパッタ
ターゲットのフッ化ストロンチウム(SrF2)の混合
率を変化させることによりSTOF薄膜のフッ素含有量
を0.2、0.5、0.6、1.2(at%)と変化さ
せたことを除いて、それ以外は全て上記第1の実施形態
と同様にした。
In the fabrication of the STOF thin film capacitor element according to the second embodiment, the fluorine content of the STOF thin film is changed by changing the mixing ratio of strontium fluoride (SrF 2 ) of the sputter target when forming the dielectric thin film. Was changed to 0.2, 0.5, 0.6, 1.2 (at%), and otherwise the same as in the first embodiment.

【0033】第2の実施形態で作製したものと、上述の
第1の実施形態(フッ素量0.3at%)及び第1の比
較例(フッ素量0at%)とのそれぞれの誘電率の値
を、フッ素含有量(フッ素量)の変化に対してグラフ化
したものを図2に示す。図2から、STOF薄膜のフッ
素量が0.5以下であれば、誘電率が約150と十分に
高い良好な値が得られていることがわかる。これは、フ
ッ素量が0.5を越えると、STOF薄膜において結晶
化が起こりにくくなり、誘電率が低下してしまうと考え
られる。
The values of the dielectric constants of the device fabricated in the second embodiment, the first embodiment (fluorine content 0.3 at%) and the first comparative example (fluorine content 0 at%) FIG. 2 is a graph showing changes in the fluorine content (fluorine content). From FIG. 2, it can be seen that when the amount of fluorine in the STOF thin film is 0.5 or less, a sufficiently high and favorable value of about 150 is obtained. It is considered that when the amount of fluorine exceeds 0.5, crystallization hardly occurs in the STOF thin film, and the dielectric constant decreases.

【0034】第2の実施形態で作製したものと、上述の
第1の実施形態(フッ素量0.3at%)及び第1の比
較例(フッ素量0at%)とのそれぞれのリーク電流の
値を、フッ素含有量(フッ素量)の変化に対してグラフ
化したものを図3に示す。図3から、STOF薄膜のフ
ッ素量が0.2以上0.5以下であれば、1×10−8
以下の小さな良好な値が得られていることがわかる。
The values of the leak currents of the device fabricated in the second embodiment, the first embodiment (fluorine content 0.3 at%) and the first comparative example (fluorine content 0 at%) are shown in FIG. FIG. 3 is a graph showing changes in the fluorine content (fluorine amount). From FIG. 3, if the amount of fluorine in the STOF thin film is 0.2 or more and 0.5 or less, 1 × 10 −8.
It can be seen that the following small good values are obtained.

【0035】第2の実施形態で作製したものと、上述の
第1の実施形態(フッ素量0.3at%)及び第1の比
較例(フッ素量0at%)とのそれぞれについて、測定
温度25℃のリーク電流I(25℃)を1としたとき
に測定温度80℃のリーク電流Il(80℃)における
変化割合(Il(80℃)/Il(25℃))、即ちリー
ク電流の温度依存性値を、フッ素含有量(フッ素量)の
変化に対してグラフ化したものを図4に示す。図4か
ら、STOF薄膜のフッ素量が0.2以上0.5以下で
あれば、10以下の小さな良好な値が得られていること
がわかる。
The measurement temperature of 25 ° C. was obtained for each of the device manufactured in the second embodiment, the above-described first embodiment (fluorine content 0.3 at%) and the first comparative example (fluorine content 0 at%). Is the leak current I 1 (25 ° C.) at 1, the rate of change (I 1 (80 ° C.) / I 1 (25 ° C.)) in the leak current I 1 (80 ° C.) at the measurement temperature of 80 ° C., ie, the leak current FIG. 4 is a graph showing the temperature dependence of the temperature dependence of changes in the fluorine content (fluorine content). From FIG. 4, it can be seen that when the fluorine content of the STOF thin film is 0.2 or more and 0.5 or less, a small good value of 10 or less is obtained.

【0036】以上の第1及び第2の実施形態の諸特性の
評価から、本発明の誘電体薄膜キャパシタ素子を構成す
るSTOF薄膜のフッ素含有量が、0.2以上0.5以
下の範囲で非常に好ましい良好な特性が得られることが
わかる。
From the above evaluation of the characteristics of the first and second embodiments, it was found that the STOF thin film constituting the dielectric thin film capacitor element of the present invention had a fluorine content of 0.2 to 0.5. It can be seen that very favorable good characteristics can be obtained.

【0037】次いで、第3の実施形態について説明す
る。第3の実施形態は、上記第1及び第2の実施形態の
STOF薄膜に代えて、ペロブスカイト構造を有するフ
ッ素含有酸化物から成る誘電体薄膜として、フッ素を含
有したチタン酸バリウムストロンチウム((Ba0.7
0.3)TiO3)薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ素
子である。
Next, a third embodiment will be described. In the third embodiment, instead of the STOF thin films of the first and second embodiments, as a dielectric thin film made of a fluorine-containing oxide having a perovskite structure, barium strontium titanate containing fluorine ((Ba 0.7 S
This is a dielectric thin film capacitor element using an r 0.3 ) TiO 3 ) thin film.

【0038】第3の実施形態での誘電体薄膜キャパシタ
素子の作製については、誘電体薄膜成膜時のスパッタタ
ーゲットとして、ペルブスカイト型酸化物であるチタン
酸バリウムストロンチウム((Ba0.7Sr0.3)TiO
3)粉体にフッ化ストロンチウム(SrF2)を十分に混
合し、焼結したものを用いた以外は、全く上記第1及び
第2の実施形態と同様にした。なお、第3の実施形態に
おいて、フッ素の含有量は、0.10at%とした。
In the fabrication of the dielectric thin film capacitor element according to the third embodiment, barium strontium titanate ((Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO), which is a perovskite oxide, is used as a sputter target when forming a dielectric thin film.
3 ) Except that a powder obtained by sufficiently mixing strontium fluoride (SrF 2 ) with the powder and sintering the powder was used, the procedure was exactly the same as in the first and second embodiments. In the third embodiment, the fluorine content was 0.10 at%.

【0039】また、上記第1の実施形態と同様に、第2
の比較例として、誘電体薄膜キャパシタ素子を構成する
誘電体薄膜として、フッ素を含有しないチタン酸バリウ
ムストロンチウム((Ba0.7Sr0.3)TiO3)薄膜
を用いた誘電体薄膜キャパシタ素子も作製した。なお、
この第2の比較例の作製については、誘電体薄膜成膜時
のスパッタターゲットとして、フッ化ストロンチウム
(SrF2)を含まないチタン酸バリウムストロンチウ
ム((Ba0.7Sr0.3)TiO3)粉体を焼結したもの
を用い、それ以外の作製条件を第3の実施形態と全く同
様とした。
Also, as in the first embodiment, the second
As a comparative example, a dielectric thin film capacitor element using a fluorine-free barium strontium titanate ((Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 ) thin film as a dielectric thin film constituting the dielectric thin film capacitor element was also manufactured. In addition,
In the preparation of the second comparative example, barium strontium titanate ((Ba 0.7 Sr 0.3 ) TiO 3 ) powder containing no strontium fluoride (SrF 2 ) was fired as a sputtering target when forming a dielectric thin film. The other conditions were the same as in the third embodiment.

【0040】第3の実施形態及び第2の比較例の誘電体
薄膜キャパシタ素子について、上記第1の実施形態と同
様にして、誘電率、リーク電流Il(A/cm2)、及び
リーク電流の温度依存性(測定温度25℃のリーク電流
l(25℃)を1としたときに測定温度80℃のリー
ク電流Il(80℃)における増加率(Il(80℃)/
l(25℃)))のそれぞれを測定した結果を表3に
示す。
The dielectric constant, leak current I l (A / cm 2 ), and leak current of the dielectric thin film capacitor elements of the third embodiment and the second comparative example are similar to those of the first embodiment. increase in the temperature dependence (measurement temperature 25 ° C. of the leakage current I l (25 ° C.) 1 and leakage current I l (80 ° C. of measurement temperature 80 ° C. when the the) of (I l (80 ° C.) /
Table 3 shows the measurement results of each of I l (25 ° C.))).

【0041】[0041]

【表3】 [Table 3]

【0042】なお、表3において、F添加(Ba0.7
0.3)TiO3膜とは第3の実施形態の誘電体薄膜キャ
パシタ素子での測定結果を示し、(Ba0.7Sr0.3)T
iO3膜とは第2の比較例の誘電体薄膜キャパシタ素子
での測定結果を示すものである。
In Table 3, the addition of F (Ba 0.7 S
The (r 0.3 ) TiO 3 film indicates the measurement result of the dielectric thin film capacitor element of the third embodiment, and is (Ba 0.7 Sr 0.3 ) T
The iO 3 film shows the measurement result of the dielectric thin film capacitor element of the second comparative example.

【0043】表3から、第3の本実施形態の誘電率は1
30と、第2の比較例の誘電率131とほとんど同様の
高い誘電率を示していることがわかる。そして、第3の
実施形態の室温(25℃)でのリーク電流は8.9×1
-9と、第2の比較例の値7.5×10-8よりほぼ1桁
も小さな良好な値が得られている。さらに、リーク電流
の増加率(リーク電流の温度依存性)をみると、第3の
実施形態では8.6に対して、第2の比較例では13.
8と、第3の本実施形態のものでは第2の比較例のもの
よりも大幅に低減できていることがわかる。
From Table 3, the dielectric constant of the third embodiment is 1
It can be seen that the sample has a high dielectric constant almost equal to 30 and a dielectric constant 131 of the second comparative example. The leakage current at room temperature (25 ° C.) of the third embodiment is 8.9 × 1.
0 -9, which is a good value almost one digit smaller than the value of 7.5 × 10 -8 of the second comparative example, is obtained. Further, the increase rate of the leak current (temperature dependency of the leak current) is 8.6 in the third embodiment, and 13.6 in the second comparative example.
8 and that of the third embodiment are significantly reduced as compared with those of the second comparative example.

【0044】フッ素を含有した(Ba0.7Sr0.3)Ti
3薄膜から構成される誘電体薄膜キャパシタ素子につ
いても、第2の実施形態と同様に、フッ素含有量を変化
させて、諸特性の評価を行った。その結果、誘電率につ
いてはフッ素含有量が0.5以外のものが良好な結果が
得られ、リーク電流及びリーク電流の温度依存性につい
ては0.2at%以上0.5以下at%で良好な結果が
得られた。
Fluorine-containing (Ba 0.7 Sr 0.3 ) Ti
As with the second embodiment, various characteristics of the dielectric thin film capacitor element composed of the O 3 thin film were evaluated by changing the fluorine content. As a result, good results were obtained for those having a fluorine content other than 0.5 with respect to the dielectric constant, and the leak current and the temperature dependency of the leak current were good at 0.2 at% to 0.5 at%. The result was obtained.

【0045】すなわち、フッ素を含有した(Ba0.7
0.3)TiO3薄膜から構成される誘電体薄膜キャパシ
タ素子は、フッ素含有量が0.2at%以上0.5at
%以下の範囲で、十分に高い良好な誘電率の値を得るが
でき、かつリーク電流及びリーク電流の温度依存性の低
減の効果があることが確認できた。
That is, fluorine-containing (Ba 0.7 S
r 0.3 ) The dielectric thin film capacitor element composed of the TiO 3 thin film has a fluorine content of 0.2 at% or more and 0.5 at% or less.
%, It was confirmed that a sufficiently high and good value of the dielectric constant could be obtained, and that there was an effect of reducing the leak current and the temperature dependence of the leak current.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上のように、本発明の誘電体薄膜キャ
パシタ素子及び誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法に
よれば、十分に高い誘電率を示し、リーク電流が小さ
く、リーク電流の温度依存性が小さい、高信頼性の誘電
体薄膜キャパシタ素子を実現することができる。
As described above, according to the dielectric thin film capacitor element and the method of manufacturing the dielectric thin film capacitor element of the present invention, a sufficiently high dielectric constant, a small leak current, and a temperature dependence of the leak current are obtained. And a highly reliable dielectric thin film capacitor element having a small size can be realized.

【0047】したがって、本発明によれば、IGレベル
以上のDRAM用キャパシタや低コスト高性能のMMI
C素子等のIC用キャパシタに応用すれば、素子の信頼
性を大きく向上させることができる。また、本発明をE
L素子用絶縁膜に応用すれば、その高絶縁耐圧性によ
り、信頼性に優れた高輝度EL素子を実現することも可
能となる。
Therefore, according to the present invention, a DRAM capacitor having an IG level or higher and a low-cost high-performance MMI
When applied to an IC capacitor such as a C element, the reliability of the element can be greatly improved. In addition, the present invention
When applied to an insulating film for an L element, its high withstand voltage makes it possible to realize a highly reliable high-brightness EL element.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造
を示す断面概略図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing the structure of a dielectric thin film capacitor element according to the present invention.

【図2】第1及び第2の実施形態のSTOF薄膜キャパ
シタ素子においるSTOF薄膜のフッ素量変化に対する
誘電率の測定結果を示す図である。
FIG. 2 is a view showing a measurement result of a dielectric constant with respect to a change in the amount of fluorine of a STOF thin film in the STOF thin film capacitor elements of the first and second embodiments.

【図3】第1及び第2の実施形態のSTOF薄膜キャパ
シタ素子においるSTOF薄膜のフッ素量変化に対する
リーク電流の測定結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a measurement result of a leakage current with respect to a change in the amount of fluorine in a STOF thin film in the STOF thin film capacitor elements of the first and second embodiments.

【図4】第1及び第2の実施形態のSTOF薄膜キャパ
シタ素子においるSTOF薄膜のフッ素量変化に対する
リーク電流の変化割合(リーク電流の温度依存性)の測
定結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a measurement result of a change ratio (temperature dependence of a leak current) of a STOF thin film in a STOF thin film capacitor element according to the first and second embodiments with respect to a change in a fluorine amount of the STOF thin film.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 n型シリコン基板 2 シリコン熱酸化膜 3 Ti接着層 4 Pt下部電極層 5 誘電体薄膜(STOF薄膜) 6 Pt上部電極層 Reference Signs List 1 n-type silicon substrate 2 silicon thermal oxide film 3 Ti bonding layer 4 Pt lower electrode layer 5 dielectric thin film (STOF thin film) 6 Pt upper electrode layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 尚子 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 大谷 昇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 木場 正義 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−291307(JP,A) 特開 平7−38061(JP,A) 特開 昭61−242953(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/04 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Naoko Arai 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Noboru 22-22, Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Sharp Corporation (72) Inventor Masayoshi Kiba 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (56) References JP-A-63-291307 (JP, A) JP-A-7-38061 (JP, A) JP-A-61-242953 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 27/04 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/108

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基体上に少なくとも下部電極と誘電体薄
膜と上部電極とが積層された誘電体薄膜キャパシタ素子
において、前記電極が金属電極であって、前記誘電体薄膜が金属電
極に接して積層され、該薄膜がペロブスカイト構造を有
するフッ素を含有したチタン酸ストロンチウムまたはフ
ッ素を含有したチタン酸バリウムストロンチウムから成
り、かつ該薄膜に含有されるフッ素含有量が0.2at
%以上0.5at%以下である ことを特徴とする誘電体
薄膜キャパシタ素子。
1. A dielectric thin film capacitor element comprising at least a lower electrode, a dielectric thin film, and an upper electrode laminated on a substrate, wherein the electrode is a metal electrode, and the dielectric thin film is a metal electrode.
The thin film has a perovskite structure
Or strontium titanate containing fluorine
Of barium strontium titanate containing nitrogen
And the fluorine content in the thin film is 0.2 at
% To 0.5 at% or less .
【請求項2】 基体上に少なくとも下部電極と誘電体薄
膜と上部電極とが順次積層される誘電体薄膜キャパシタ
素子の製造方法において、 下部電極としての金属電極が形成された後、ペロブスカ
イト型酸化物であるチタン酸ストロンチウムまたはチタ
ン酸バリウムストロンチウム粉体に、フッ化ストロンチ
ウムを十分に混合し焼結したスパッタターゲットを用
い、スパッタリング法により前記誘電体薄膜を形成する
工程を具備することを特徴とする誘電体薄膜キャパシタ
素子の製造方法
2. A method according to claim 1 , wherein at least a lower electrode and a dielectric thin film
Dielectric thin film capacitor in which film and upper electrode are sequentially laminated
In the device manufacturing method, after a metal electrode as a lower electrode is formed,
Strontium titanate or titanite oxide
Barium strontium phosphate powder with strontium fluoride
Using a sputter target that is sufficiently mixed and sintered
Forming the dielectric thin film by a sputtering method
Dielectric thin film capacitor comprising a process
Device manufacturing method .
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