JP3183243B2 - 薄膜キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents

薄膜キャパシタ及びその製造方法

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JP3183243B2 JP04329698A JP4329698A JP3183243B2 JP 3183243 B2 JP3183243 B2 JP 3183243B2 JP 04329698 A JP04329698 A JP 04329698A JP 4329698 A JP4329698 A JP 4329698A JP 3183243 B2 JP3183243 B2 JP 3183243B2
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    • H01L28/40Capacitors
    • H01L28/55Capacitors with a dielectric comprising a perovskite structure material

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜キャパシタ及
びその製造方法に関するものであり、特に詳しくは半導
体装置用、集積回路用として使用される薄膜キャパシタ
に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、DRAM(Dynamic Random A
ccess Memories)をはじめとする半導体記憶素子の集積
度の向上に伴い、容量絶縁膜としてシリコン酸化膜やシ
リコン窒化膜にかわり、(Ba,Sr)TiO3をはじめとする各
種の高誘電率酸化物が盛んに検討されている。
【0003】また容量膜に酸化物を使用する際、従来ま
で用いられてきたポリシリコン電極は、高誘電率酸化物
との界面の酸化等の問題より使用できず、電極について
もPt、Ru等の金属電極や導電性のある金属酸化物、TiN
などの導電性窒化物の検討が盛んに行われている。一
方、上部電極/高誘電率酸化物/下部電極構造を有する
薄膜キャパシタにおいては、各層に関して従来より様々
な検討が行われ、報告が行われている。そのほとんどが
この薄膜キャパシタの重要な特性である容量特性とリー
ク特性の改善法に関する報告である。
【0004】例えば、上部電極に関する従来技術とし
て、次のような報告がなされている。即ち、従来技術と
してJJAP(Japanese Journal of Applied Physics,
vol. 36, No.9B )5860〜5865頁には、Pt/(Ba,Sr)TiO3
/Pt の構造を有する薄膜キャパシタであって、RFマグネ
トロンスパッタ法により(Ba,Sr)TiO3 を成膜する工程と
DCスパッタ法によりPtからなる上下電極を成膜する工
程とを含む製造方法によって形成された薄膜キャパシタ
において、上部電極であるPtのスパッタ成膜条件を変化
させたときのリーク特性の変化を調べ、スパッタDCパ
ワーを、0.5kW、及び1.0kWのときに比べて
0.2kWにした方がリーク特性が−1V印加時におい
て2〜3桁程度良いという報告がされている。
【0005】その原因として、上部電極表面のラフネス
が、上部電極とBST界面(高誘電率酸化物膜層との界
面)のショットキーバリアハイトを減少させるためとし
ている。その他、従来から当該薄膜キャパシタに於い
て、当該高誘電率酸化物膜や当該下部電極の構造に関す
る特許は多く見られるが、当該薄膜キャパシタに於ける
上部電極に関する特許は、多くは見られていない。
【0006】この理由としては、当該下部電極及び当該
高誘電率酸化物膜層は、以後の加工工程の影響を強く受
けるので、多くの開発、研究が行われたが、当該上部電
極に関しては、その用途が主にアースと接続する事にあ
るので、当該上部電極に対する関心が薄かった事が考え
られる。本願発明者は、係る薄膜キャパシタに於ける上
部電極が、当該薄膜キャパシタの特性に影響を与える各
種の要因に付いて鋭意検討した結果、当該高誘電率酸化
物膜層と当該上部電極との界面の状態が、当該薄膜キャ
パシタに於けるリーク特性、密着性等に強い影響を与え
る事を知得したものである。
【0007】即ち、上記した従来例に於いては、Ruを当
該上部電極として使用する事によって、〜10-8A/cm
2の良好なリーク特性が得られている。しかしながら、
上記の従来例を適用して、Ru/(Ba,Sr)TiO3/Ru の構造か
らなる薄膜キャパシタを形成し、O2、N2ガス中で500
℃で30分の温度履歴を施したところ、リーク特性が悪
化した。
【0008】その原因として検討した結果、TEM観察
と局所EDX分析の結果よりRuと(Ba,Sr)TiO3 の界面で
Ruの酸化や、(Ba,Sr))TiO3からなる高誘電率酸化物膜側
へ、Ruの拡散が生じる事によるためであることが分かっ
た。つまり、一般的には、当該上部電極は形成後に、配
線や保護膜形成時のアニール等の高い温度履歴、一般的
には350℃以上の加熱処理を受けるため、酸化しやす
い金属、或いは拡散し易い金属を当該上部電極材料に用
いた場合には、当該熱処理によるリーク特性の悪化は避
けられない事が判明した。
【0009】従って、本発明は、当該薄膜キャパシタの
リーク特性を改善する為には、当該薄膜キャパシタを後
加工工程に於いて、350℃以上の熱履歴に晒されない
様にする事が必要である事を知得し、実験の結果、当該
薄膜キャパシタに対する熱履歴が350℃以下であれ
ば、上記した様なRuやIr等の酸化や拡散し易い金属
を当該上部電極材料に使用して、且つ成膜時のパワーを
低下させた条件で成膜すれば、係るリーク特性の悪化を
避ける事が判明した。
【0010】一方、従来技術では、DCスパッタ法を実
行する際のパワーを下げることにより、つまり成膜速度
を落としてゆっくり成膜処理する事によって、リーク特
性が2〜3桁程度改善できる事が判っているが、係る条
件下では、成膜レート(膜形成速度)が約1/4に減少
することが前述のJJAP (Japanese Journal of Appl
ied Physics)5860 頁の表1には記載されており、従っ
て、スループットの低下を引き起こすことになり、生産
性が低下してしまう事になる。
【0011】また、上記従来例を適用して、Pt/(Ba,Sr)
TiO3/Pt 構造からなる薄膜キャパシタを形成し、密着性
を評価した結果、DCスパッタ法に於いて、パワーを低
下するにともない、膜そのものの密着力の低下が確認さ
れた。つまり、密着性の低下は半導体装置に於ける信頼
性や歩留まりの低下という問題を引き起こす。
【0012】本発明は、Ru, RuO2, Ir, IrO2などを用い
て同様の検討を行ったところ、スパッタパワーを低下さ
せると、リーク特性は改善されるが、Ptの場合と同様
に、成膜レートの低下と密着性の低下の問題があること
がわかった。又、特開平7−221197号公報には、
ルテニウム(Ru)を下部電極として使用する技術が開
示されてはいるが、上部電極の構成に関しては何らの開
示が見られない。
【0013】更に、特開平8−17806号公報には、
Pt/(Ba,Sr)TiO3/Pt の構造を有する薄膜キャパシタに関
してその製造方法が開示されてはいるが、当該上部電極
としてPtを使用した場合の当該薄膜キャパシタの容量
特性に与える悪影響に関しては何らの示唆も開示もな
く、上部電極の構成を調整する事によって薄膜キャパシ
タの特性を改善する様な技術思想に関しては、何らの開
示も示唆も見られない。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、上記した従来技術の欠点を改良し、良好な容量特性
を有すると共に、350℃又はそれ以下の温度履歴を施
した後に於いても良好なリーク特性を保持することが可
能な、高誘電率酸化物膜を用いた薄膜キャパシタを提供
することであり、また当該薄膜キャパシタのスループッ
トを向上させるとともに、密着性の改善により歩留まり
を向上させる薄膜キャパシタの製造方法を提供すること
である。
【0015】
【課題を解決するための手段】本発明は上記した目的を
達成するため、以下に記載されたような技術構成を採用
するものである。即ち、本発明の第1の態様としては、
半導体基板上に少なくとも下部電極層、高誘電率酸化物
膜層、上部電極層とがこの順序に形成されてなる薄膜キ
ャパシタであって、当該上部電極層は、反応性イオンエ
ッチングにより加工可能な導電性材料から形成された膜
層で構成されたものであり、当該上部電極層は、当該高
誘電率酸化物膜層に接する第1の層部分は、成膜速度を
遅くした成膜環境の下に形成されたものであり、それ当
該第1の層部分以外の当該上部電極の第2の層部分は、
成膜速度を速くした成膜環境の下に下に形成された薄膜
キャパシタである。
【0016】更に、本発明に係る第2の態様としては、
半導体基板上に、単層或いは複数層からなる下部電極層
を成膜する第1の工程と高誘電率酸化物膜層を成膜する
第2の工程と、上部電極層を成膜する第3の工程を含む
薄膜キャパシタの製造方法において、該第3の工程は、
更に、上部電極層に於ける、該高誘電率酸化物膜層に接
する第1の層部分が、比較的ゆっくりした成膜速度で成
膜される第4の工程と、それ以外の当該上部電極の第2
の層部分が、比較的速い成膜速度で成膜される第5の工
程とから構成されている薄膜キャパシタの製造方法であ
る。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明に係る当該薄膜キャパシタ
及び薄膜キャパシタの製造方法は、上記した様な技術構
成を採用しているので、例えば、当該薄膜キャパシタを
構成する高誘電率酸化物膜に接触する上部電極の第1の
層部分を、反応性イオンエッチングにより加工可能な導
電性材料を使用してスパッタリング法に於けるターゲッ
トに印加する電圧パワーを低下させた状態で、つまりゆ
っくりした成膜レートで成膜するが、その成膜の厚みは
比較的薄いものとし、その後当該上部電極の残りの第2
の層部分を、同一若しくは異なる反応性イオンエッチン
グにより加工可能な導電性材料を用いて、当該ターゲッ
トに印加する電圧パワーを強めて速い成膜レートで成膜
する事によって、成膜時間の短縮化をはかると同時に、
当該薄膜キャパシタのリーク特性を改善し且つ密着性も
向上する事が出来る薄膜キャパシタを製造し得るのであ
る。
【0018】つまり本発明に係る薄膜キャパシタに於い
ては、高誘電率酸化物膜に接触する第1の層部分を、低
パワーの成膜条件を用いて成膜することにより、350
℃或いはそれ以下の熱履歴を経た後に於いて、高誘電率
酸化物膜と上部電極層との界面での反応や(Ba,Sr)TiO3
のダメージを防ぐことができるからである。又、本発明
に於いては、第2の層部分の電極層の成膜速度をあげる
ことにより成膜時間を短縮できるため上部電極の形成時
間が短縮され、スループットを向上させることができ
る。
【0019】更には、本発明に於いては、上部の電極層
に剥離しにくい条件の電極層を設けることにより剥離が
抑制出来、歩留まりを向上させることができる。更に、
本発明は、薄膜キャパシタを含む半導体装置に対する後
工程に於ける加熱処理方法が改善され、現在の熱履歴で
ある350℃以上に代わり、熱履歴が350℃以下とな
った場合には、当該薄膜キャパシタを製造する際の有力
な製造方法となる事が予想される。
【0020】以下に、本発明に係る薄膜キャパシタ及び
薄膜キャパシタの製造方法の一具体例を図面を参照しな
がら詳細に説明する。即ち、図1は、本発明に係る薄膜
キャパシタ1の一具体例の構成の概略を示す断面図であ
り、図中、半導体基板101上に少なくとも下部電極層
102、高誘電率酸化物膜層103、上部電極層105
とがこの順序に形成されてなる薄膜キャパシタ1であっ
て、当該上部電極層105は、一種の反応性イオンエッ
チングにより加工可能な導電性材料のみから形成された
膜層104若しくは、少なくとも2種の反応性イオンエ
ッチングにより加工可能な導電性材料がそれぞれ個別に
層状に形成された複数の膜層107と108で構成され
たものであり、図2に示す様に、350℃の熱履歴を経
た後に於いて、当該薄膜キャパシタ1に印加される駆動
電圧が0Vから2Vに於ける当該薄膜キャパシタのリー
ク電流密度特性が、1×10-8A/cm2 以下である薄膜キ
ャパシタ1が示されている。
【0021】更に、本発明に係る当該薄膜キャパシタ1
に於いては、半導体基板101上に少なくとも下部電極
層102、高誘電率酸化物膜層103、上部電極層10
5とがこの順序に形成されてなる薄膜キャパシタ1であ
って、当該上部電極層105は、反応性イオンエッチン
グにより加工可能な導電性材料から形成された膜層10
4又は膜層107と108で構成されたものであり、当
該上部電極層105は、当該高誘電率酸化物膜層103
に接する第1の層部分104(a)又は107は、成膜
速度を遅くした成膜環境の下に形成されたものであり、
それ当該層部分104(a)又は107以外の当該上部
電極の第2の層部分104(b)又は108は、成膜速
度を速くした成膜環境の下に形成されたものである。
【0022】又、本発明に於いては、特に、当該上部電
極層とが、単一の成分からなる成膜材料で形成される場
合には、その成膜途中で、当該成膜速度を増速する様に
処理する事が可能であり、その為、本発明に於ける他の
態様として、当該上部電極層は、少なくとも当該高誘電
率酸化物膜層に接する第1の層部分は、反応性イオンエ
ッチングにより加工可能な導電性材料から形成された膜
層で構成されたものであり、当該第1の層部分は、成膜
速度を遅くした成膜環境の下に形成されたものであり、
当該第1の層部分以外の当該上部電極の第2の層部分
は、成膜速度を速くした成膜環境の下に形成された薄膜
キャパシタで有っても良い。
【0023】又、本発明に於ける当該薄膜キャパシタ1
に於いては、当該反応性イオンエッチングにより加工可
能な導電性材料は、Ru, RuO2, Ir, IrO2の何れかを含ん
でいるものである。一方、本発明に於ける当該上部電極
層105は、当該高誘電率酸化物膜層103に接する第
1の層部分104(a)又は107は、ターゲットに印
加される電力パワーを所定の値以下の電力を印加するス
パッタリング法に特定されるものではなく、場合によっ
ては、化学的気相成長法(CVD)若しくは蒸着法から
選択された一つの方法を使用する事も可能であり、その
場合でも、当該第2の層部分104(b)又は108
は、当該第1の層部分104(a)又は107の膜形成
速度よりも速い成膜速度による成膜法により形成された
ものである事が望ましい。
【0024】更に、本発明に於いて、当該上部電極層1
05は、当該高誘電率酸化物膜層103に接する第1の
層部分104(a)又は107は、当該反応性イオンエ
ッチングにより加工可能な導電性材料の内から選択され
た一つの導電性材料を、スパッタリング法における、タ
ーゲットに印加される電力パワーを所定の値以下とした
条件で成膜されたものであり、それ以外の当該上部電極
層である第2の層部分104(b)又は108を構成す
る部分は、当該導電性材料を、ターゲットに印加される
電力パワーを当該所定の値以上とした条件で成膜された
ものである事も望ましい。
【0025】本発明に於ける当該ターゲットに印加され
る当該所定の値の電力パワーとしては、特に限定される
ものではないが、当該高誘電率酸化物膜層103に接す
る第1の層部分104(a)又は107を成膜する条件
に関して、本願発明者が種々の実験を行った結果から判
断すると、ターゲットに印加される電力パワーが1.7
W/cm2 以上で実験した薄膜キャパシタのリーク電流
特性値は、後述する図2に示される従来例と表示されて
いるグラフとなり、同図2中、本発明の具体例として示
されるリーク電流特性値のグラフと著しく異なる事が判
明したものであり、係る観察結果から、当該所定の値の
電力パワーとしては、1.7W/cm2を採用する事が
望ましい。
【0026】つまり、本発明に於ける好ましい具体例と
しては、例えば、当該高誘電率酸化物膜層103に接す
る第1の層部分104(a)又は107は、当該反応性
イオンエッチングにより加工可能な導電性材料の内から
選択された一つの導電性材料を、スパッタリング法にお
ける、ターゲットに印加される電力パワーを1.7W/
cm2 以下とした条件で成膜されたものであり、それ以
外の当該上部電極層105を構成する第2の層部分10
4(b)又は108は、当該導電性材料を、ターゲット
に印加される電力パワーを1.7W/cm2 以上とした
条件で成膜されたものである事が望ましい。
【0027】本発明に於いては、当該上部電極層105
に於いては、その層全体を同一の反応性イオンエッチン
グにより加工可能な導電性材料例えばRu或いはIrの
みを使用して成膜しても良く、又当該上部電極105の
内、該高誘電率酸化物膜103と界面を形成する第1の
層部分107とそれ以外の第2の層部分108を形成す
る当該導電性材料は互いに異なっていても良い。
【0028】前者に於いては、当該上部電極層105の
内、該高誘電率酸化物膜103と界面を形成する第1の
層部分104(a)を形成する成膜速度とそれ以外の第
2の層部分104(b)を形成する際の成膜速度が異な
るだけであるので、当該上部電極105が2層で形成さ
れている事は判別しにくいが、特性的には、互いに異な
るものである事は明らかである。
【0029】勿論、後者に於いては、2層に形成されて
いる事は容易に判別しえる。本発明の薄膜キャパシタ1
に於いて当該上部電極層105を異なる成膜材料で形成
する場合に於けるより具体的な例としては、例えば、当
該上部電極層105に於いて、当該高誘電率酸化物膜層
103に接する第1の層部分107は、当該反応性イオ
ンエッチングにより加工可能な導電性材料の一つである
Ruを、スパッタリング法を使用して、ターゲットに印
加される電力パワーを1.7W/cm 2 以下とした条件
で成膜されたものであり、それ以外の当該上部電極層1
03を構成する第2の層部分108は、該反応性イオン
エッチングにより加工可能な導電性材料の一つであるI
rを、スパッタリング法を使用して、ターゲットに印加
される電力パワーを1.7W/cm2 以上とした条件で
成膜されたものである。
【0030】又、本発明に係る当該薄膜キャパシタ1に
於いては、当該上部電極層105を構成する第1の層部
分104(a)又は107の厚みは、当該第1の層部分
より上層を構成する第2の層部分104(b)又は10
8の厚みに対して約10分の1前後の厚さに設定されて
いる事が望ましい。以下に本発明に係る薄膜キャパシタ
の製造方法の具体例を図3のフローチャートを参照して
説明する。
【0031】即ち、本発明に係る薄膜キャパシタの製造
方法は、基本的には、半導体基板101上に、単層或い
は複数層からなる下部電極層102を成膜する第1の工
程と高誘電率酸化物膜層103を成膜する第2の工程
と、上部電極層105を成膜する第3の工程を含む薄膜
キャパシタの製造方法において、該第3の工程は、更
に、上部電極層105に於ける、該高誘電率酸化物膜層
103に接する第1の層部分104(a)又は107
が、比較的ゆっくりした成膜速度で成膜される第4の工
程と、それ以外の当該上部電極の第2の層部分104
(b)又は108が、比較的速い成膜速度で成膜される
第5の工程とから構成されている薄膜キャパシタの製造
方法である。
【0032】当該薄膜キャパシタの製造方法に於いて、
当該上部電極層105の当該第1の層部分107と当該
第2の層部分108が互いに異なる成膜材料を使用して
構成されるものであっても良く、又当該上部電極層10
5の当該第1の層部分104(a)と当該第2の層部分
104(b)が同一の成膜材料を使用して構成されるも
のであっても良い。
【0033】又、本発明に係る薄膜キャパシタの製造方
法の他の具体例としては、例えば、当該上部電極105
が、同一の成膜材料を使用して構成される場合には、半
導体基板101上に、単層或いは複数層からなる下部電
極層102を成膜する第1の工程と高誘電率酸化物膜層
103を成膜する第2の工程と、上部電極層105を成
膜する第3の工程を含む薄膜キャパシタの製造方法にお
いて、該上部電極層105に於ける、該高誘電率酸化物
膜層103に接する第1の層部分104(a)から成膜
処理を開始するに際し、当該高誘電率酸化物膜層103
に接する第1の層部分104(a)が比較的ゆっくりし
た成膜速度で所定の厚さに成膜させる第4の工程と当該
第4の工程が終了した後、当該成膜速度を増速して残り
の層部分である第2の層部分104(b)を成膜する第
5の工程とから構成されている薄膜キャパシタの製造方
法である。
【0034】本発明に於ける薄膜キャパシタの製造方法
に於いて、当該上部電極層105の内、少なくとも該高
誘電率酸化物膜層103に接する第1の層部分104
(a)又は107が、スパッタ法、或は化学的気相成長
法(CVD法)又は蒸着法等から選択されたいずれか一つの
方法により形成される様に構成する事が可能であり、何
れの場合でも、要は、当該第1の層部分104(a)又
は107に於ける膜形成速度は、それ以外の当該上部電
極層105の第2の層部分104(b)又は108を形
成する膜層の形成速度よりも遅い成膜速度に設定されて
いる事が必要である。
【0035】又、本発明に係る薄膜キャパシタの製造方
法に於いては、当該上部電極層105を形成する方法が
スパッタ法である場合に、前記した第4の工程に於い
て、当該高誘電率酸化物膜層103に接する第1の層部
分104(a)又は107を、ターゲットに所定の電力
値(W/cm2 )以下の電力を印加して成膜した後、前
記した第5の工程に於いて、当該層部分以外の当該上部
電極105の第2の層部分104(b)又は108を、
当該ターゲットに、当該所定の電力値(W/cm 2 )以
上の電力を印加して成膜する様に構成されている事が望
ましい。
【0036】上記した様に、当該ターゲットに印加すべ
き所定の電力値(W/cm2 )としては、例えば、1.
7W/cm2 を採用する事が望ましく、従って、本発明
に於ける当該薄膜キャパシタの製造方法の一具体例に於
いては、当該上部電極層105を形成する方法がスパッ
タ法である場合に、当該高誘電率酸化物膜層103に接
する第1の層部分104(a)又は107を、ターゲッ
トに1.7W/cm2以下の電力を印加して成膜する第
4の工程と、当該層部分以外の当該上部電極105の第
2の層部分104(b)又は108を、ターゲットに
1.7W/cm2以上の電力を印加して成膜する第5の
工程とから構成されているものである。
【0037】本発明に於ける当該高誘電率酸化物膜層1
03に接する第1の層部分104(a)又は107の所
定の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば1
0nm以下、より好ましくは5nmである事が望まし
い。更には、当該第2の層部分104(b)又は108
の膜厚も特に限定されるものではないが、前記した様
に、当該第1の層部分104(a)又は107との層間
関係が、当該第2の層部分104(b)又は108の膜
厚が当該第1の層部分104(a)又は107の膜厚の
約10倍程度となる様に設計する事が望ましい。
【0038】尚、本発明に於ける当該薄膜キャパシタの
製造方法に於いては、当該上部電極層105は、少なく
とも一種の反応性イオンエッチングにより加工可能な導
電性材料から形成されるものである事が望ましく、又、
当該反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性材
料は、Ru, RuO2, Ir, IrO2等から選択された少なくとも
一つを含んでいる事が好ましい。
【0039】更には、本発明に於ける当該高誘電率酸化
物膜層103に接する層部分104を形成する成膜材料
がRuであり、当該層部分104以外の当該上部電極1
05の層部分107を形成する成膜材料がIrであるが
好ましい。次に本発明に係る薄膜キャパシタの製造方法
のより詳細な具体例を図面を参照にして詳細に説明す
る。
【0040】
【実施例】実施例1 図1の薄膜キャパシタ1の断面図に於いて、抵抗率が
0.1Ω・cmのn型シリコン基板101上にDCスパッ
タ法によりRuO2からなる下部電極層102を200nm
の厚さに形成した。
【0041】そしてそのウエハ上にBa(DPM)2、Sr(DP
M)2、Ti(i-OC3H7) 及び酸素ガスを原料として用いたEle
ctron Cyclotron Resonance(ECR)-CVD 法を用いて、基
板温度は500℃、ガス圧は7mTorr、プラズマ励起マ
イクロ波パワーは500Wの条件下で高誘電率酸化物膜
層である(Ba,Sr)TiO3 層103を30nm堆積させた。
当該高誘電率酸化物膜層103である(Ba,Sr)TiO3 を堆
積後、DCスパッタ法を用いて、成膜温度は25℃、ガ
ス圧は4mTorr、DCパワーは0.6W/cm 2 、成膜
レートは5.6nm/minの条件下でRuを5nm堆
積させ、上部電極層105の当該高誘電率酸化物膜10
3に接触する第1の層部分104(a)を形成した。
【0042】Ruの膜厚に特に制限はないが、スループ
ット等を考えると薄い方が好ましい。そしてスパッタ法
を用いて、成膜温度は25℃、ガス圧は4mTorr、DC
パワーは4.5W/cm2 、成膜レートは21nm/m
inの条件下で、該第1の層部分104(a)の上にR
u層を50nm堆積させて、当該上部電極の第2の層部
分104(b)又は108を形成した。
【0043】つまり、本具体例に於いては、同一の導電
性材料であるRuを、第1の層部分104(a)を低速
度で成膜し、途中から成膜速度を増速して残りの第2の
層部分104(b)を形成したものである。最後に、こ
の薄膜キャパシタにO2 、N2 中350℃で30分の温
度履歴を施した。
【0044】以上のような工程で作製した薄膜キャパシ
タ1は、当該上部電極105の内、当該以外の当該上部
電極の第2の層部分104(b)を構成する成膜速度
が、当該高誘電率酸化物膜103に接触する第1の層部
分104(a)の成膜速度に比べて早いため、当該高誘
電率酸化物膜103に接触する第1の層部分104
(a)の成膜条件のみで上部電極105の全体を形成し
た場合に比べて、成膜時間が短縮できるためスループッ
トにおいて有利である。
【0045】また本具体例に於いて、ピーリング試験に
より剥離を抑えることができることが確認できた。また
当該高誘電率酸化物膜103に接触する第1の層部分1
04(a)の膜厚を5〜20nmと変化させて密着性を
評価した処、当該第1の層部分104(a)は薄いほど
密着性が向上した。
【0046】これより当該第1の層部分104(a)の
膜厚は10nm以下、望ましくは5nm近傍が好まし
い。更に、上記した具体例により得られた本発明に係る
薄膜キャパシタのリーク電流特性値を測定した結果、図
2の実施例1として表示されているグラフが得られた。
【0047】一方、スループットを考えて、当該上部電
極105を単一の層として、上記した第2の層部分10
4(b)を形成する際の成膜条件のみで、且つ当該ター
ゲットに印加する電力値(W/cm2 )としては、1.
7W/cm2 を採用して薄膜キャパシタを形成しその薄
膜キャパシタに付いて、350℃の熱履歴を経た後のリ
ーク電流特性値を測定した結果、図2の従来例として表
示されているグラフが得られた。
【0048】図2のグラフを比較する事によって、本発
明により得られた薄膜キャパシタは、従来の方法により
得られた薄膜キャパシタに比べて、リーク特性において
大きな改善がみられる。つまり、本発明により得られる
薄膜キャパシタに於いては、図2から明らかな様に、従
来の方法により得られた薄膜キャパシタが、当該薄膜キ
ャパシタの駆動電圧が1.5Vを越えると、当該リーク
電流密度で表されるリーク特性が、急激に悪化するのに
対し、本発明に於ける薄膜キャパシタに於いては、駆動
電圧が、3Vに到るまで、1×10-8A/cm2 以下で、且
つ安定した良好な低いリーク電流特性を示す事が出来
る。
【0049】またスループットにおいても、当該層部分
104(a)の膜厚を薄くすることにより工程時間を短
縮出来るので問題とはならない。また当該第1の層部分
104(a)を蒸着法とCVD法を用いて成膜したもの
についても評価を行ったが、ともに良好なリーク特性が
得られ、密着性も高かった。
【0050】以上のことより、本発明により、スループ
ットや歩留まりにおいて有利な条件で、良好な電気特性
を得ることが可能となることがわかる。尚、上記本発明
に係る薄膜キャパシタに於ける特にスパッタリング方法
を実施する為のスパッタリング装置としては、特に限定
されるものではなく、従来一般的に使用されているスパ
ッタリング装置を使用する事が出来るものである。
【0051】当該本発明に於て使用しえるスパッタリン
グ装置の構造の概略を図4に示しておくが、本発明は係
るスパッタリング装置に特定されるものではない。即
ち、本発明に於て使用されるスパッタリング装置20は
真空チャンバー2内に当該薄膜キャパシタを形成する為
の被加工基板4を搭載した基板ホルダー3が設けられて
いると共に、当該基板ホルダー3に対向して所定の間隔
を於て、所定のターゲット6を保持した高周波電極板5
が設けられている。
【0052】当該高周波電極板5には、異なるターゲッ
ト6を同時に保持していても良く、異なる金属をスパッ
タする場合には、異なる高周波電極板5を複数個設け、
そのそれぞれに所定のターゲット6を保持させる様にし
ても良い。尚、当該基板ホルダー3と当該高周波電極板
5との間には、適宜のシャッター手段7が設けられてい
ても良い。
【0053】又、当該真空チャンバー2には、適宜の不
活性ガスを外部から当該真空チャンバー2内に供給する
為の不活性ガス供給手段11と当該真空チャンバー2内
を所定の真空状態に維持する為の真空状態調整手段12
が設けられている。更に、当該真空チャンバー2に設け
られた当該高周波電極板5には、適宜の高周波電源10
から適宜のパワー制御手段9を介して所定のパワーに調
整された高周波電圧が印加される様に構成されている。
【0054】従って、本具体例に於て、当該ターゲット
に印加されるべきパワーは、当該パワー制御手段9を任
意に調整する事によって実現する事が可能である。又、
当該スパッタ処理する時間、或いは真空度等は、適宜に
設けられた制御手段8を介して、電源供給手段であるパ
ワー制御手段9或いは真空状態調整手段12を調整する
事によって実行する事になる。
【0055】実施例2 図1に於て、抵抗率が0.1Ω・cmのn型シリコン基板
101上にDCスパッタ法によりRuO2からなる下部電極
層102を200nmの厚さに形成した。そしてそのウ
エハ上にBa(DPM)2、Sr(DPM)2、Ti(i-OC3H7) 及び酸素ガ
スを原料として用いたElectron Cyclotron Resonance(E
CR)-CVD 法を用いて、基板温度は500℃、ガス圧は7
mTorr、プラズマ励起マイクロ波パワーは500Wの条
件下で高誘電率酸化物膜層である(Ba,Sr)TiO3 層103
を30nm堆積させた。
【0056】当該高誘電率酸化物膜層103である(Ba,
Sr)TiO3 を堆積後、DCスパッタ法を用いて、成膜温度
は25℃、ガス圧は4mTorr、DCパワーは0.6W/
cm 2 、成膜レートは5.6nm/minの条件下でR
uを5nm堆積させ、上部電極層105の当該高誘電率
酸化物膜103に接触する第1の層部分107を形成し
た。
【0057】Ruの膜厚に特に制限はないが、スループ
ット等を考えると薄い方が好ましい。そして導電性材料
を変えて、スパッタ法を用いて成膜温度は25℃、ガス
圧は4mTorr、DCパワーは5.2W/cm2 、成膜レ
ートは25nm/minの条件下で、該第1の電極層部
分104の上にIr層を50nm堆積させて、当該上部
電極の層部分108を形成した。
【0058】以上のような工程で作製した薄膜キャパシ
タは、実施例1と同様に良好なリーク特性(1V印加時
に於けるリーク電流密度が1×10-8A/cm2 以下)を示
した。またスループットや歩留まりの点についても同様
の効果が得られた。このことより、第2の電極層108
及びそれより上層の電極層の材料を第1の電極層107
の導電性材料と違うものを適用しても同様の効果が得ら
れることがわかった。
【0059】なお、上記した各実施の形態の中で下部電
極としてRuO2の例を述べたが、高誘電率酸化物形成過程
の酸素雰囲気下で導電性を失わない、かつ低誘電率層を
形成しないものであれば何でもよい。例えばRu、Ir、R
e、Os、Rhの金属、或はそれらの酸化物、シリサイド化
合物の中から選ばれた少なくとも1種類以上の材料、ま
たはPt、Au、Ag、Pd、Ni、Coの中から選ばれた少なくて
も1種類以上の材料を用いても有効である。
【0060】さらに、本発明に於ける具体例として実施
例では、RuO2を単層の形で使用する例について述べた
が、複数層の下部電極構造としても同様の効果が得られ
る。また上記した全ての具体例の中で高誘電率酸化物と
して(Ba,Sr)TiO3 を使用する事を例示したが、本発明
は、高誘電率酸化物膜が化学式ABO3 で表され、それ
ぞれAとしてBa、Sr、Pb、Ca、La、Li、K のうち少なく
ても1種類以上、BとしてTi、Zr、Ta、Nb、Mg、Fe、Z
n、W のうち少なくても1種類以上を含むもの、例えばS
rTiO3、(Sr,Ca)TiO3 、(Ba,Sr,Ca)TiO3、PbTiO3、Pb(Z
r,Ti)O3 、(Pb,La)(Zr,Ti)O3、Pb(Mg,Nb)O3 、Pb(Mg,W)
O3、Pb(Zn,Nb)O3LiTaO3 、LiNbO3、KTaO3、KNbO3
ど、或は化学式(Bi2O2)(A m-1Bm O3m+1)(m=1,2,3,4,5)
で表され、それぞれAとしてBa、Sr、Pb、Ca、K 、Biの
うち1種類以上、BとしてNb、Ta、Ti、W の少なくても
1種類以上を含むもの、例えばBi4Ti3O12 、SrBi2Ta
2O9、 SrBi2Nb2O9 、或は上記化学式とは異なる化学組
成をもつTa2O5 についても同様の効果が得られる。
【0061】また、実施例では(Ba,Sr)TiO3 単層につい
て述べたが、2層以上の複数の高誘電率酸化物層の場合
にも同様の効果が得られる。
【0062】
【本発明の効果】本発明に係る薄膜キャパシタは、上記
した様な技術構成を採用しているので、その第1の効果
は、薄膜キャパシタの良好な電気特性が得られることで
ある。その理由は、第1の電極層に低パワーの成膜条件
を用いることにより、界面での反応や(Ba,Sr)TiO3 のダ
メージを防ぐことができるからである。
【0063】第2の効果は、上部電極の形成時間が短縮
され、スループットを向上させることができることであ
る。その理由は、第2層の電極層の成膜速度をあげるこ
とにより成膜時間が短縮できるためである。第3の効果
は、剥離の抑制により、歩留まりを向上させることがで
きることである。
【0064】その理由は、第2の電極層に剥離しにくい
条件の電極層を設けることにより、剥離が抑制できるた
めである。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明に係る薄膜キャパシタの一具体
例の構成を示す断面図である。
【図2】図2は、従来技術の薄膜キャパシタと本発明の
薄膜キャパシタとのリーク特性を比較したグラフであ
る。
【図3】図3は、本発明に係る薄膜キャパシタの製造方
法の一具体例の構成を示すフローチャートである。
【図4】図4は、本発明に於いて使用されるスパッタリ
ング装置の一具体例の構成を示すブロックダイアグラム
である。
【符号の説明】
1…薄膜キャパシタ 2…真空チャンバー 3…基板ホルダー 4…被加工基板 5…高周波電極板 6…ターゲット 7…シャッター手段 8…制御手段 9…パワー制御手段 10…高周波電源 11…不活性ガス供給手段 12…真空状態調整手段 20…スパッタリング装置 101…シリコン基板 102…下部電極層 103…高誘電率酸化物膜層 104、104a…第1の上部電極層 105…上部電極層 107、104b…第2の上部電極層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−290984(JP,A) 特開 平10−12751(JP,A) 特開 平10−12830(JP,A) 特開 平9−116111(JP,A) 特開 平9−162372(JP,A) 特開 平11−126883(JP,A) 特開 平8−330538(JP,A) 特開 平7−93969(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/108 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも下部電極層、
    高誘電率酸化物膜層、上部電極層とがこの順序に形成さ
    れてなる薄膜キャパシタであって、当該上部電極層は、
    反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性材料か
    ら形成された膜層で構成されたものであり、当該上部電
    極層は、当該高誘電率酸化物膜層に接する第1の層部分
    は、成膜速度を遅くした成膜環境の下に形成されたもの
    であり、当該第1の層部分以外の当該上部電極の第2の
    層部分は、成膜速度を速くした成膜環境の下に形成され
    たものである事を特徴とする薄膜キャパシタ。
  2. 【請求項2】 半導体基板上に少なくとも下部電極層、
    高誘電率酸化物膜層、上部電極層とがこの順序に形成さ
    れてなる薄膜キャパシタであって、当該上部電極層は、
    少なくとも当該高誘電率酸化物膜層に接する第1の層部
    分は、反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性
    材料から形成された膜層で構成されたものであり、当該
    第1の層部分は、成膜速度を遅くした成膜環境の下に形
    成されたものであり、当該第1の層部分以外の当該上部
    電極の第2の層部分は、成膜速度を速くした成膜環境の
    下に形成されたものである事を特徴とする薄膜キャパシ
    タ。
  3. 【請求項3】 当該反応性イオンエッチングにより加工
    可能な導電性材料は、Ru, RuO 2 , Ir, IrO 2 の何れかを含
    んでいる事を特徴とする請求項1又は2に記載の薄膜キ
    ャパシタ。
  4. 【請求項4】 当該第1の層部分は、Ruを主成分とする
    反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性材料で
    構成され、当該第2の層部分は、Irを主成分とする反応
    性イオンエッチングにより加工可能な導電性材料で構成
    されている事を特徴とする請求項1乃至3の何れかに記
    載の薄膜キャパシタ。
  5. 【請求項5】 当該上部電極層は、当該高誘電率酸化物
    膜層に接する第1の層部分は、ターゲットに印加される
    電力パワーを所定の値以下の電力を印加するスパッタリ
    ング法、化学的気相成長法(CVD)若しくは蒸着法か
    ら選択された一つの方法で構成されたものであり、当該
    第2の層部分は、当該第1の層部分の膜形成速度よりも
    速い成膜速度による成膜法により形成されたものである
    事を特徴とする請求項1乃至4の何れかに記載の薄膜キ
    ャパシタ。
  6. 【請求項6】 当該上部電極層は、当該高誘電率酸化物
    膜層に接する第1の層部分は、当該反応性イオンエッチ
    ングにより加工可能な導電性材料の内から選択された一
    つの導電性材料を、スパッタリング法における、ターゲ
    ットに印加される電力パワーを所定の値以下とした条件
    で成膜されたものであり、それ以外の当該上部電極層で
    ある第2の層部分を構成する部分は、当該導電性材料
    を、ターゲットに印加される電力パワーを当該所定の値
    以上とした条件で成膜されたものである事を特徴とする
    請求項1乃至5の何れかに記載の薄膜キャパシタ。
  7. 【請求項7】 当該上部電極層は、当該高誘電率酸化物
    膜層に接する第1の層部分は、当該反応性イオンエッチ
    ングにより加工可能な導電性材料の内から選択された一
    つの導電性材料を、スパッタリング法における、ターゲ
    ットに印加される電力パワーを1.7W/cm 2 以下と
    した条件で成膜されたものであり、それ以外の当該上部
    電極層である第2の層部分を構成する部分は、当該導電
    性材料を、ターゲットに印加される電力パワーを1.7
    W/cm 2 以上とした条件で成膜されたものである事を
    特徴とする請求項1乃至6の何れかに記載の薄膜キャパ
    シタ。
  8. 【請求項8】 当該上部電極層は、当該高誘電率酸化物
    膜層に接する層部分は、当該反応性イオンエッチングに
    より加工可能な導電性材料の一つであるRuを、スパッ
    タリング法における、ターゲットに印加される電力パワ
    ーを1.7W/cm 2 以下とした条件で成膜されたもの
    であり、それ以外の当該上部電極層を構成する層部分
    は、該反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性
    材料の一つであるIrを、ターゲットに印加される電力
    パワーを1.7W/cm 2 以上とした条件で成膜された
    ものである事を特徴とする請求項7に記載の薄膜キャパ
    シタ。
  9. 【請求項9】 当該上部電極層を構成する第1の層部分
    の厚みは、当該第1の上部電極層より上層を構成する第
    2の層部分の厚みに対して約10分の1の厚さに設定さ
    れている事を特徴とする請求項1乃至8の何れかに記載
    の記載の薄膜キャパシタ。
  10. 【請求項10】 半導体基板上に、単層或いは複数層か
    らなる下部電極層を成膜する第1の工程と高誘電率酸化
    物膜層を成膜する第2の工程と、上部電極層 を成膜する
    第3の工程を含む薄膜キャパシタの製造方法において、
    該第3の工程は、更に、上部電極層に於ける、該高誘電
    率酸化物膜層に接する第1の層部分が、比較的ゆっくり
    した成膜速度で成膜される第4の工程と、それ以外の当
    該上部電極の第2の層部分が、比較的速い成膜速度で成
    膜される第5の工程とから構成されている事を特徴とす
    る薄膜キャパシタの製造方法。
  11. 【請求項11】 当該上部電極層の当該第1の層部分と
    当該第2の層部分が互いに異なる成膜材料を使用して構
    成されるものである事を特徴とする請求項10記載の薄
    膜キャパシタの製造方法。
  12. 【請求項12】 当該上部電極層の当該第1の層部分と
    当該第2の層部分が同一の成膜材料を使用して構成され
    るものである事を特徴とする請求項10に記載の薄膜キ
    ャパシタの製造方法。
  13. 【請求項13】 半導体基板上に、単層或いは複数層か
    らなる下部電極層を成膜する第1の工程と高誘電率酸化
    物膜層を成膜する第2の工程と、上部電極層を成膜する
    第3の工程を含む薄膜キャパシタの製造方法において、
    該上部電極層に於ける、該高誘電率酸化物膜層に接する
    第1の層部分から成膜処理を開始するに際し、当該高誘
    電率酸化物膜層に接する第1の層部分が比較的ゆっくり
    した成膜速度で所定の厚さに成膜させる第4の工程と当
    該第4の工程が終了した後、当該成膜速度を増速して残
    りの層部分を成膜する第5の工程とから構成されている
    事を特徴とする請求項10又は12に記載の薄膜キャパ
    シタの製造方法。
  14. 【請求項14】 当該上部電極層の内、少なくとも該高
    誘電率酸化物膜層に接する第1の層部分が、スパッタ
    法、或は化学的気相成長法(CVD法)又は蒸着法等から選
    択されたいずれか一つの方法により形成される事を特徴
    とする請求項10乃至13の何れかに記載の薄膜キャパ
    シタの製造方法。
  15. 【請求項15】 当該第1の層部分に於ける膜形成速度
    は、それ以外の当該上部電極層の第2の層部分を形成す
    る膜層の形成速度よりも遅い成膜速度に設定されている
    事を特徴とする請求項14に記載の薄膜キャパシタの製
    造方法。
  16. 【請求項16】 当該上部電極層を形成する方法がスパ
    ッタ法である場合に、当該高誘電率酸化物膜層に接する
    第1の層部分を、ターゲットに所定の電力値(W/cm
    2 )以下の電力を印加して成膜する工程と、当該層部分
    以外の当該上 部電極の第2の層部分を、ターゲットに、
    当該所定の電力値(W/cm 2 )以上の電力を印加して
    成膜する工程とから構成されている事を特徴とする請求
    項10乃至15の何れかに記載の薄膜キャパシタの製造
    方法。
  17. 【請求項17】 当該上部電極層を形成する方法がスパ
    ッタ法である場合に、当該高誘電率酸化物膜層に接する
    層部分を、ターゲットに1.7W/cm 2 以下の電力を
    印加して成膜する工程と、当該層部分以外の当該上部電
    極の層部分を、ターゲットに1.7W/cm 2 以上の電
    力を印加して成膜する工程とから構成されている事を特
    徴とする請求項16に記載の薄膜キャパシタの製造方
    法。
  18. 【請求項18】 当該上部電極層は、少なくとも一種の
    反応性イオンエッチングにより加工可能な導電性材料か
    ら形成された膜層である事を特徴とする請求項10乃至
    17の何れかに記載の薄膜キャパシタの製造方法。
  19. 【請求項19】 当該反応性イオンエッチングにより加
    工可能な導電性材料は、Ru、RuO 2 、Ir、IrO
    2 等から選択された少なくとも一つを含んでいる事を特
    徴とする請求項18に記載の薄膜キャパシタの製造方
    法。
  20. 【請求項20】 当該高誘電率酸化物膜層に接する第1
    の層部分を形成する成膜材料がRuであり、当該第1の
    層部分以外の当該上部電極の第2の層部分を形成する成
    膜材料がIrである事を特徴とする請求項10又は19
    に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
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