JP3229960B2

JP3229960B2 - 薄膜コンデンサ

Info

Publication number: JP3229960B2
Application number: JP13713899A
Authority: JP
Inventors: 勝弘横田
Original assignee: 学校法人関西大学
Priority date: 1999-05-18
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2001-11-19
Anticipated expiration: 2019-05-18
Also published as: JP2000332204A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＲＡＭにおける
電荷保持用のコンデンサや、ＭＭＩＣのコンデンサ等と
して利用される薄膜コンデンサに関する。さらに詳しく
は、前記薄膜コンデンサに用いられる誘電体材料の高誘
電率化に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路のＤＲＡＭ(dynamic ran
dom access memory)は、その集積度が年々増加するとと
もにデバイスサイズも縮小されてきている。そのＤＲＡ
Ｍにおいては、センスアンプの感度やビット線の容量等
の観点から、電荷を蓄積する容量絶縁体薄膜(以下、
「薄膜コンデンサ」という)の静電容量は概ね３０ｐＦ
以上を確保する必要があるので、ＤＲＡＭにおいては、
この静電容量を確保したうえで、そのコンデンサの体積
を小型化する検討を行なわなければならない。

【０００３】一般によく知られたように、薄膜コンデン
サの静電容量Ｃは、ε_rを誘電体の比誘電率、Ｓを電極
の有効面積、ｔを誘電体の厚さ、ε₀を真空の誘電率と
するとき、Ｃ＝ε_rε₀Ｓｔ^-1と表される。

【０００４】そして、ＤＲＡＭ等の薄膜コンデンサを小
型化する手法は、通常のコンデンサの場合と同様に、前
記有効面積Ｓを増加させるとともに、その厚さｔを小さ
くするか、又は、比誘電率の大きい誘電体材料を用いる
かの何れかとすることに尽きる。そして、現在、ＤＲＡ
Ｍのコンデンサの誘電体材料としては、主としてＳｉＯ
₂が用いられている。

【０００５】そこで、有効面積Ｓを増加させるととも
に、厚さｔを減少させる試みとして、例えば、フィン型
スタック構造が提案されている。しかしながら、ＤＲＡ
Ｍの集積度が２５６Ｍビット以上になってくると、かか
るフィン型スタック構造によっても所要の静電容量値を
得るのが困難であり、ＤＲＡＭのコンデンサの小型化に
好適な誘電体材料は見当たらないという問題がある。

【０００６】また、かかるＤＲＡＭの場合とは別に、携
帯電話等においてＬ帯までの準マイクロ波対応のＧａＡ
ｓＭＭＩＣ(monolithic microwave integrated circui
t)を利用する場合に１００ｐＦ以上の静電容量のコンデ
ンサが必要になるが、ＧａＡｓＭＭＩＣのチップに誘電
体としてＳｉＮを使用したコンデンサでは大型になって
オンチップ化が困難であった。

【０００７】このため、ＧａＡｓＭＭＩＣを使う場合、
パッケージには外付けのコンデンサに接続するピンが必
要になり、従ってパッケージが大型になり、外付けのコ
ンデンサと大型のパッケージが必要となって、ＧａＡｓ
ＭＭＩＣを小型化することができない。このようなバイ
パスコンデンサの小型化に好適な誘電体材料も見当たら
ないという問題もある。

【０００８】一般に、コンデンサに用いられる誘電体材
料としては、常誘電体無機酸化物として、ＳｉＯ₂、Ｓ
ｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃、(Ｂａ，Ｓｒ)ＴｉＯ₃
等が知られている。これらの比誘電率は、順に、ＳｉＯ
₂：３．９〜４．０、Ｓｉ₃Ｎ ₄：８〜９、Ｔａ₂Ｏ₅：２
０〜２５、ＳｒＴｉＯ₃：９０〜２４０、(Ｂａ，Ｓｒ)
ＴｉＯ₃：１６０〜６００である。

【０００９】尚、これらの比誘電率のデータのうち、Ｓ
ｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅については、前田和夫「Ｖ
ＬＳＩとＣＶＤ−半導体デバイスへのＣＶＤ技術の応用
−」、１９９７年７月３１日、槙書房、１８２頁、２１
１頁、２１１〜２１３頁による。また、ＳｒＴｉＯ₃、
(Ｂａ，Ｓｒ)ＴｉＯ₃については、吉丸「２１世紀へ向
けた半導体技術問題研究委員会資料「サブハーフミクロ
ンコンタクト配線技術へのアプローチ」」１９９１年３
月、１７頁による。

【００１０】このうち、ＳｉＯ₂は化学的にも電気的に
も非常に安定であるので、シリコン集積回路で最も多く
使われている。しかしながら、その比誘電率は３．９〜
４．０と小さいので、ＳｉＯ₂は、ＤＲＡＭ集積回路の
集積度を高くする場合のコンデンサの小型化等には適し
ていない。

【００１１】即ち、所要の静電容量を得るのに必要なＳ
ｉＯ₂薄膜の膜厚は、１００オングストロームにもなっ
てきており、もはや、薄さの限界に近づいている。そこ
で、ＤＲＡＭにおいては、ＳｉＯ₂よりも誘電率の少し
高いＳｉ₃Ｎ₄を用いてトレンチ型キャパシタ等の構造的
な改良も含めてコンデンサとしての静電容量を得ること
も行われている。

【００１２】しかしながら、コンデンサ材料としてみた
場合、Ｓｉ₃Ｎ₄は、ＳｉＯ₂で作製したコンデンサの半
分の大きさにしか縮小できない。

【００１３】従って、集積回路の集積度を上げるために
は、根本的には、新しい材料の開発が要望される。この
新しいコンデンサ材料の要件は、当然ながら、(ａ)誘電
率が高いこと、が要求されるとともに、種々の使用環境
条件下での信頼性を確保するため、(ｂ)蓄積電荷の損失
が小さい（低抵抗率）こと、(ｃ)耐圧が大きく、過渡的
な過電圧にも耐える（破壊電界が大きい）こと、が必要
であると考えられる。

【００１４】特に、(ｂ)及び(ｃ)の条件が充分でない
と、新しい材料の比誘電率が高いものであっても、(ｂ)
及び(ｃ)のハンディを克服するため薄膜の厚さを厚くし
たりしてしまうことで、コンデンサとしては、コンデン
サＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄を用いて作製したものよりも結果
的に大きくなってしまうこともある。

【００１５】このように(ａ)〜(ｃ)の３点の条件をバラ
ンスよく成立させるという意味で、前述したようなコン
デンサ材料を検討すると、ＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄は、高抵
抗率であり耐圧も大きい点では好ましいが、比誘電率が
小さい。

【００１６】これに対し、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｒＴｉＯ₃、(Ｂ
ａ，Ｓｒ)ＴｉＯ₃等は、比誘電率は充分大きいといえる
が、抵抗率及び破壊電界はＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄よりも２
桁以上低い。また、これらのうち、ＳｒＴｉＯ₃、(Ｂ
ａ，Ｓｒ)ＴｉＯ₃等は１０００℃程度の高温では不安定
であり、半導体製造工程では、このような温度環境が頻
繁に存在することを考慮すると、これらは使用しにくい
ことがわかる。

【００１７】そこで、本発明者は、以上説明したような
問題点を解決すべく鋭意研究し、このようなＤＲＡＭ等
における高誘電率材料として、通常は、誘電率が２０〜
８０である酸化チタン薄膜を利用することを企図した。

【００１８】従来、酸化チタン薄膜をＤＲＡＭに用いる
ことに関しては、特開平９−１６７８３１号公報におい
て、上部容量絶縁膜及び下部容量絶縁膜が酸化チタンに
よって構成されることが開示されている。該公報記載の
技術は、窒化チタン膜を形成したのち酸化して酸化チタ
ン膜とするものであるが、この酸化チタン膜の比誘電率
を改善して小型化することは認識されておらず、従っ
て、そのような試みは何らなされていない。

【００１９】本発明者らは、以下に詳細に説明するよう
に、本発明特有の構成により、高誘電率化した酸化チタ
ン薄膜を提供することを実現した。

【００２０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、以
上説明した問題点に鑑みてなされたものであり、ＤＲＡ
Ｍの高集積化や準マイクロ波のＧａＡｓＭＭＩＣへのオ
ンチップ化等を可能とする高誘電率コンデンサ材料を提
供し、抵抗率の小さい、耐電圧の大きい点から特にＤＲ
ＡＭ用コンデンサ材料に最適となるものである高誘電率
コンデンサ材料を提供することを課題とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】前述した課題を解決すべ
く、本発明においては、コンデンサ材料として酸化チタ
ンを用い、この酸化チタンの酸素を、非化学量論的に２
モルよりも多く含有（以下、「酸素過剰チタンオキサイ
ド」という）させて比誘電率を向上させるとともに抵抗
率と破壊電界とをバランスよく成立させる。また、比誘
電率のさらなる向上のために前記酸素過剰チタンオキサ
イドに、さらに、窒素を添加する。

【００２２】即ち、本発明に係る薄膜コンデンサは、酸
化チタンの薄膜からなる誘電体を具備してなる薄膜コン
デンサにおいて、酸素の含有量Ｘの範囲が２．０５≦Ｘ
≦２．３である過剰酸素含有の酸化チタンＴｉＯｘの薄
膜に、窒素Ｎが添加されてなることを特徴とするもので
ある。この構成により、酸化チタンＴｉＯｘの薄膜から
なる誘電体の比誘電率は１２０〜１７０になり、さらに
該薄膜に窒素Ｎが添加されると、比誘電率がさらに向上
する。酸化チタンに窒素が添加されてなる薄膜をＴｉＯ
ｘ＋Ｎｙと表すとき、窒素Ｎの添加量ｙの範囲が０．０
０５≦ｙ≦０．３であるので、窒素Ｎの量が少ない範囲
で比誘電率を向上できる。

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の実施の形態について説明する。

【００２７】実施の形態１図１は、本発明の一実施の形態に係わる薄膜コンデンサ
の構造を概略的に示す断面図であり、図２は、かかる薄
膜コンデンサの製造方法を工程順に示した断面図であ
る。図１及び図２において、符号10はシリコン等からな
る半導体基板（以下、単に「基板」ということがあ
る）、11はアルミニウム等からなる金属の電極、12は該
半導体基板上に形成されたＴｉＯ₂薄膜、13は酸素過剰
チタンオキサイド膜、14はアルミニウム等からなる金属
の電極である。

【００２８】尚、本実施の形態においては、半導体基板
10上に酸素過剰チタンオキサイド薄膜13を形成するが、
他の種類の基板上に形成した半導体薄膜上に、同様に酸
素過剰チタンオキサイド薄膜13を形成することもでき
る。以下、工程順に製造方法を説明する。

【００２９】まず、半導体基板10上に電極11膜を形成す
る。次に、酸素過剰チタンオキサイド膜13の主原料であ
るチタンを電子ビーム蒸着法等により１時間当たり厚さ
０．１μｍ程度で蒸発させ、加熱している半導体基板上
の所定の箇所に堆積させてＴｉＯ₂薄膜12を形成しなが
ら、酸素ガスを毎分３０ｃｃでＥＣＲイオン源に流し、
０．５ｋｅＶで加速して照射(図２の(ａ)の符号２０)
し、ＴｉＯ₂薄膜12を酸化して酸素過剰チタンオキサイ
ド薄膜を作製(図２の(ｂ))した。このとき、ＥＣＲ装置
としては、酸素ガスを２．４５ＧＨｚのマイクロ波と８
７．５ｍＴの磁場を用いて電子共鳴状態にして電離(イ
オン化)の効果を高めたものを用いた。

【００３０】このとき、基板10の加熱温度の最適温度を
決定するため、基板温度を５００℃〜８００℃の間で、
１００℃毎にそれぞれ設定し、その他の条件は同一条件
とした。

【００３１】こののち、電極14を形成(図２の(ｃ))し、
この電極14に対応して酸素過剰チタンオキサイド薄膜13
の不要な部分をエッチング等により除去(図２の(ｄ))し
て酸素過剰チタンオキサイド薄膜素子を作製した。

【００３２】そして、電極11及び電極14間で静電容量を
計測し、その比誘電率を算定した結果、酸素過剰チタン
オキサイド薄膜13の比誘電率は、図３に示すように、前
述の５００℃〜８００℃の基板温度の範囲に対して、１
２０〜１７０であった。さらに、抵抗率及び破壊電界
も、前述したＳｉＯ₂やＳｉ₃Ｎ₄をわずか下回るだけな
ことが判明し、前記(ｂ)及び(ｃ)の条件を従来並みに満
たしていることがわかった。

【００３３】ここで、通常のＴｉＯ₂の比誘電率は２０
〜８０であるから、少なくとも約２倍の比誘電率が得ら
れたことがわかる。従って、種々の半導体装置等に適用
可能な好適なコンデンサ材料を低コスト(原材料及び製
法とも)で得ることができるという画期的な効果を奏す
る。

【００３４】このようにして作製した酸素過剰チタンオ
キサイド薄膜13に関して、過剰に含有させた酸素の比
と、比誘電率との関係を調べたところ、酸素の含有量
を、ＴｉＯ_xによって表すとき前記ｘの範囲が２．０５≦ｘ≦２．３であれば、比誘電率が１２０以上であることが判明し
た。そして、このとき、過剰の酸素は通常のルチル構造
のＴｉＯ₂の結晶格子間に入っており、結晶格子の非対
称性を大きくしていることがＸ線回折装置を用いて結晶
の格子定数を測定することにより観察された。

【００３５】また、この過剰チタンオキサイド薄膜の表
面状態を原子間力顕微鏡で観察したところ、０．０５μ
ｍ程度の凹凸を生じているが、本実施の形態により容易
に平滑な膜を得ることが判明した。

【００３６】以上のようにして得られた過剰チタンオキ
サイド薄膜13をＤＲＡＭ等に適用することにより、Ｓｉ
Ｏ₂やＳｉ₃Ｎ₄の１／３０よりも小さい、Ｔａ₂Ｏ₅の１
／５よりも小さいコンデンサを得ることができ、ＤＲＡ
Ｍの高集積化において、種々の形態(トレンチ型やスタ
ック型のような)で任意に設計できるという優れた効果
を奏する。

【００３７】尚、チタンの蒸発及び堆積の方法は、本実
施の形態において採用した電子ビーム蒸着法の他、高周
波スパッタ法、化学蒸気堆積法、物理蒸着法、プラズマ
援助化学蒸気堆積法等のうちの何れかの方法により行う
ことができ、また、前記イオン化ガスの移送は、高周波
スパッタ法、又はプラズマ援助化学蒸気堆積法によって
も、その作動ガスとすることにより実施できる。

【００３８】実施の形態２本実施の形態に係わる過剰酸素含有酸化チタン薄膜は、
実施の形態１による過剰チタンオキサイド薄膜にさらに
窒素を微量添加した構成である。この構成以外は、実施
の形態１と同一の構成であり、以下、実施の形態１と異
なる構成のみ説明する。

【００３９】このとき、窒素の添加方法については、通
常のイオン注入法と同様に、過剰酸素チタンオキサイド
薄膜を作成する際に、その酸素ガスとわずかな量の窒素
ガスを一緒に作製装置に供給する、あるいは、笑気ガス
で過剰酸素チタンオキサイド薄膜を作成する。

【００４０】このようにして作製した酸素過剰チタンオ
キサイド薄膜において、添加した窒素の比率と、比誘電
率との関係を調べたところ、前記窒素Ｎの添加量ｙが、ＴｉＯ_x＋Ｎ_y と表すとき、０．０５≦ｙ≦０．３で比誘電率が１００
〜２００であり、実施の形態１よりもさらに向上したこ
とが判明した。

【００４１】このように、比誘電率をさらに向上できる
ので、ＤＲＡＭ等にさらに有利に適用でき、窒素の添加
が前述の範囲であれば、酸素過剰チタンオキサイド薄膜
の結晶構造における欠陥等の発生が殆ど生じないので、
コンデンサの長期的信頼性に関して電荷の蓄積に支障が
生じることがない。

【００４２】実施の形態３以上、実施の形態１及び２においては、半導体基板上に
酸素過剰チタンオキサイド薄膜を形成してＤＲＡＭ等に
適用する例によって本発明を説明したが、本発明に係わ
る薄膜コンデンサは、単独で薄膜コンデンサとしても利
用でき、また、他の薄膜センサ等のいわゆる薄膜デバイ
スにも利用でき、同様の効果を奏する。

【００４３】以下、実施の形態１及び２の場合以外の適
用例を説明する。図４及び図５は、実際の集積回路や薄
膜デバイスにおける実施の形態を概略的に示す断面説明
図であり、符号15はシリコン等による半導体薄膜を示す
他、図１及び図２に示した要素と同一の要素には同一の
符号を付して示した。また、符号13で示した酸素過剰チ
タンオキサイド薄膜の代わりに、実施の形態２の如く窒
素を添加した酸素過剰チタンオキサイド薄膜を用いても
よい。

【００４４】

【発明の効果】本発明に係わる薄膜コンデンサは、酸素
を過剰に含有する酸素過剰チタンオキサイド(ＴｉＯ_x、
２．０５≦ｘ≦２．３)からなる構成により、比誘電率
１２０〜１７０を達成でき、抵抗率及び耐圧が従来並み
であるので、種々の半導体装置等に適用可能な、原材料
及び製法とも好適なコンデンサ材料を得る。

【００４５】そして、前記薄膜の層をＤＲＡＭの容量絶
縁膜に適用でき、ＤＲＡＭを小型化して高集積化でき
る。

【００４６】また、前記ＴｉＯ_x薄膜に、さらに窒素Ｎ
を添加して、さらに比誘電率を向上できるので、ＤＲＡ
Ｍ等にさらに有利に適用でき、前記窒素Ｎの添加量ｙ
が、ＴｉＯ_x＋Ｎ_y、０．００５≦ｙ≦０．３であると、
窒素Ｎの少ない範囲で比誘電率を向上でき、膜層中に欠
陥等を生じない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係わる酸素過剰チタン
オキサイド薄膜素子の断面図。

【図２】(ａ)〜(ｄ)は本発明の一実施の形態に係わる酸
素過剰チタンオキサイド薄膜素子の製造方法を工程順に
示した断面図。

【図３】本発明において、基板の加熱温度と比誘電率と
の関係を示すグラフ。

【図４】本発明の他の実施の形態に係わる酸素過剰チタ
ンオキサイド薄膜素子の断面図。

【図５】本発明の他の実施の形態に係わる酸素過剰チタ
ンオキサイド薄膜素子の断面図。

【符号の説明】

10…半導体基板、13…酸素過剰チタンオキサイド薄膜

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化チタンの薄膜からなる誘電体を具備
してなる薄膜コンデンサにおいて、酸素の含有量Ｘの範
囲が２．０５≦Ｘ≦２．３である過剰酸素含有の酸化チ
タンＴｉＯｘの薄膜に、窒素Ｎが添加されてなることを
特徴とする薄膜コンデンサ。
【請求項２】前記酸化チタンＴｉＯｘに窒素Ｎｙが添
加されてなる薄膜をＴｉＯｘ＋Ｎｙと表すとき、窒素Ｎ
の添加量ｙの範囲が０．００５≦ｙ≦０．３であること
を特徴とする請求項１に記載の薄膜コンデンサ。