JP3512303B2 - 薄膜コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents
薄膜コンデンサ及びその製造方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＲＡＭの電荷保
持用のコンデンサや、GaAsＭＭＩＣのバイパスコンデン
サなどとして利用される薄膜コンデンサ及びその製造方
法に関するものである。
持用のコンデンサや、GaAsＭＭＩＣのバイパスコンデン
サなどとして利用される薄膜コンデンサ及びその製造方
法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体集積回路の代表であるＤＲＡＭ
は、その集積度が年々増加すると共にデバイスサイズも
縮小されてきているが、センスアンプの感度やビット線
容量などの点から、電荷を蓄積する薄膜コンデンサの静
電容量は30PF以上に保たなければならない。薄膜コンデ
ンサの静電容量Ｃは、Ｃ＝εo εr Ａ／ｔで与えられ
る。ただし、εo は真空中の誘電率、εr は誘電体の比
誘電率、Ａは有効面積、ｔは誘電体の厚みである。従っ
て、静電容量Ｃを一定の大きさに保つには、有効面積Ａ
を大きくするか、厚みｔを小さくするか、誘電体の比誘
電率εr を大きくするしかない。
は、その集積度が年々増加すると共にデバイスサイズも
縮小されてきているが、センスアンプの感度やビット線
容量などの点から、電荷を蓄積する薄膜コンデンサの静
電容量は30PF以上に保たなければならない。薄膜コンデ
ンサの静電容量Ｃは、Ｃ＝εo εr Ａ／ｔで与えられ
る。ただし、εo は真空中の誘電率、εr は誘電体の比
誘電率、Ａは有効面積、ｔは誘電体の厚みである。従っ
て、静電容量Ｃを一定の大きさに保つには、有効面積Ａ
を大きくするか、厚みｔを小さくするか、誘電体の比誘
電率εr を大きくするしかない。
【０００３】現在までのＤＲＡＭの薄膜コンデンサの小
型化の手法としては、その有効面積Ａを増加させると共
に厚みｔを減少させるものが採用されてきており、その
ための具体的な一例として、フィン型スタック構造と称
される立体構造が採用されている。また、誘電体として
はSiO2系の素材が用られてきた。
型化の手法としては、その有効面積Ａを増加させると共
に厚みｔを減少させるものが採用されてきており、その
ための具体的な一例として、フィン型スタック構造と称
される立体構造が採用されている。また、誘電体として
はSiO2系の素材が用られてきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＤＲＡ
Ｍの集積度が256Mビット以上になると上述した立体構造
を採用しても所望の静電容量値を確保するのが困難にな
る。SiO2系薄膜ではその換算厚みが既にその限界値と見
られる50Å程度もの小さな値に到達しており、静電容量
値を増加させるには、比誘電率の大きな誘電体を薄膜の
素材として利用することが望まれている。
Ｍの集積度が256Mビット以上になると上述した立体構造
を採用しても所望の静電容量値を確保するのが困難にな
る。SiO2系薄膜ではその換算厚みが既にその限界値と見
られる50Å程度もの小さな値に到達しており、静電容量
値を増加させるには、比誘電率の大きな誘電体を薄膜の
素材として利用することが望まれている。
【０００５】比誘電率の大きな誘電体としてTa2O5 をは
じめとする単金属常誘電体酸化物の薄膜が検討されてい
る。これら単金属常誘電体酸化物は、金属あるいは金属
酸化物のターゲットを酸化雰囲気中でスパッタする方法
で成膜されている。しかしながら、かなりの凹凸のある
デバイスの表面に均一に薄い金属酸化膜を形成すること
は困難なため、三次元化の進んだ高集積化ＬＳＩに適応
することは困難となってきている。熱ＣＶＤ法による金
属酸化膜の成膜手法も検討されているが、この方法で作
成された薄膜はスパッタ法で作成したものよりも絶縁性
で劣るという問題がある。
じめとする単金属常誘電体酸化物の薄膜が検討されてい
る。これら単金属常誘電体酸化物は、金属あるいは金属
酸化物のターゲットを酸化雰囲気中でスパッタする方法
で成膜されている。しかしながら、かなりの凹凸のある
デバイスの表面に均一に薄い金属酸化膜を形成すること
は困難なため、三次元化の進んだ高集積化ＬＳＩに適応
することは困難となってきている。熱ＣＶＤ法による金
属酸化膜の成膜手法も検討されているが、この方法で作
成された薄膜はスパッタ法で作成したものよりも絶縁性
で劣るという問題がある。
【０００６】また、携帯電話などに利用されているＬ帯
までの準マイクロ波GaAsMMICを使う場合には100PF 以上
の静電容量のバイパスコンデンサが必要になるが、GaAs
MMICのチップコストが高いため誘電体にSiN を使用した
コンデンサではオン・チップ化が困難であった。このた
め、GaAsMMICを使う場合、パッケージには外付けのバイ
パスコンデンサに接続するピンが必要になり、このため
大型になる。外付けコンデンサとパッケージが大型な分
だけ、実装面積が増加する。
までの準マイクロ波GaAsMMICを使う場合には100PF 以上
の静電容量のバイパスコンデンサが必要になるが、GaAs
MMICのチップコストが高いため誘電体にSiN を使用した
コンデンサではオン・チップ化が困難であった。このた
め、GaAsMMICを使う場合、パッケージには外付けのバイ
パスコンデンサに接続するピンが必要になり、このため
大型になる。外付けコンデンサとパッケージが大型な分
だけ、実装面積が増加する。
【０００７】従って、本発明の目的は、DRAMの高集積化
や準マイクロ波のGaAsMMICへのオンチップ化などを可能
とする小型・大容量の薄膜コンデンサ及びその製造方法
を提供することにある。
や準マイクロ波のGaAsMMICへのオンチップ化などを可能
とする小型・大容量の薄膜コンデンサ及びその製造方法
を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の薄膜コンデンサは、白金族元素を含む層
と、非白金族元素の金属を含む層と、これら層の間に形
成された前記非白金族元素の金属の酸化物から成る誘電
体薄膜とを備えている。本発明の薄膜コンデンサは、非
白金族元素の金属を含む層と白金族元素の酸化物を含む
層の積層構造を形成する工程と、この積層構造を加熱す
ることにより白金族元素を含む層と非白金族元素の金属
を含む層の中間に前記非白金族元素の金属の酸化物から
成る誘電体薄膜を形成する工程とを含んでいる。
決する本発明の薄膜コンデンサは、白金族元素を含む層
と、非白金族元素の金属を含む層と、これら層の間に形
成された前記非白金族元素の金属の酸化物から成る誘電
体薄膜とを備えている。本発明の薄膜コンデンサは、非
白金族元素の金属を含む層と白金族元素の酸化物を含む
層の積層構造を形成する工程と、この積層構造を加熱す
ることにより白金族元素を含む層と非白金族元素の金属
を含む層の中間に前記非白金族元素の金属の酸化物から
成る誘電体薄膜を形成する工程とを含んでいる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の好適な実施の形態によれ
ば、前記非白金族元素の金属は、その酸化物が単金属常
誘電体酸化物を形成する金属であり、Ta,Ti,Hf,Y,Al,Zr
のうちの少なくとも一つを含み、前記白金族元素の金属
の酸化物は白金族元素に比べて非白金族元素の方が酸化
物を形成しやすい白金族元素と非白金族元素の金属との
組合せから成る。
ば、前記非白金族元素の金属は、その酸化物が単金属常
誘電体酸化物を形成する金属であり、Ta,Ti,Hf,Y,Al,Zr
のうちの少なくとも一つを含み、前記白金族元素の金属
の酸化物は白金族元素に比べて非白金族元素の方が酸化
物を形成しやすい白金族元素と非白金族元素の金属との
組合せから成る。
【００１０】
【実施例】図１は、本発明の一実施例の薄膜コンデンサ
の構造を示す断面図であり、１１は半導体基板、１２は
この半導体基板上に形成された金属のタンタル(Ta)膜、
１３は白金族元素のルテニウム（Ru) とその導電性の酸
化物(RuO2)とが混在する、あるいはルテニウムのみから
成る、ルテニュウムを含む膜、１4 は電気絶縁性の酸化
タンタル(Ta2O5) 薄膜、１５はアルミニウム（Al) 電極
である。導電性のルテニウムを含む膜１３と、厚みがほ
ぼ1000Åの絶縁性の酸化タンタル(Ta2O5) 薄膜１４と、
金属のTa膜１２とによって金属−絶縁体−金属( Metal-
Insulator-Metal; MIM )構造の薄膜コンデンサが形成さ
れている。
の構造を示す断面図であり、１１は半導体基板、１２は
この半導体基板上に形成された金属のタンタル(Ta)膜、
１３は白金族元素のルテニウム（Ru) とその導電性の酸
化物(RuO2)とが混在する、あるいはルテニウムのみから
成る、ルテニュウムを含む膜、１4 は電気絶縁性の酸化
タンタル(Ta2O5) 薄膜、１５はアルミニウム（Al) 電極
である。導電性のルテニウムを含む膜１３と、厚みがほ
ぼ1000Åの絶縁性の酸化タンタル(Ta2O5) 薄膜１４と、
金属のTa膜１２とによって金属−絶縁体−金属( Metal-
Insulator-Metal; MIM )構造の薄膜コンデンサが形成さ
れている。
【００１１】図２は、図１に示した本発明の一実施例の
薄膜コンデンサの製造方法を示す断面図である。まず、
(Ａ) に示すように、半導体基板１１上にＤＣマグネト
ロン・スパッタ装置を用いて100 ％のArガス中でタンタ
ル(Ta)のターゲットを用いて500Wの電力で4000ÅのTa膜
１２を形成する。
薄膜コンデンサの製造方法を示す断面図である。まず、
(Ａ) に示すように、半導体基板１１上にＤＣマグネト
ロン・スパッタ装置を用いて100 ％のArガス中でタンタ
ル(Ta)のターゲットを用いて500Wの電力で4000ÅのTa膜
１２を形成する。
【００１２】次に、（Ｂ）に示すように、DCマグネトロ
ン・スパッタ装置を使用して、50％の酸素（O2）と50％
のアルゴン（Ar）の混合ガス中で、ルテニウム(Ru)のタ
ーゲットを用いて、500Wの電力で、厚み2000ÅのRuO2膜
１３’をTa膜１２上に形成する。
ン・スパッタ装置を使用して、50％の酸素（O2）と50％
のアルゴン（Ar）の混合ガス中で、ルテニウム(Ru)のタ
ーゲットを用いて、500Wの電力で、厚み2000ÅのRuO2膜
１３’をTa膜１２上に形成する。
【００１３】続いて、（Ｃ）に示すように、Rapid Ther
mal Anealing ( RTA )装置を用いて窒素(N2)雰囲気中で
10秒間にわたって、試料を 900o C に保つという熱処理
を行う。この熱処理により、RuO2膜１３’の内部では酸
素がRuの一部から分離し、これに伴いRuの酸化膜の一部
が金属のRuに変化し、金属とその導電性の酸化物とが混
在するRu/RuO2 膜が形成される。これと同時に、Ruから
分離した酸素がTa膜１２の表面領域に侵入し、そこに厚
み1000Å程度のTaの酸化物(Ta2O5) の薄膜１４が形成さ
れる。なお、RuO2膜１３’の厚みや熱処理条件によって
は、RuO2膜は全て金属のルテニウムに変化する場合もあ
る。
mal Anealing ( RTA )装置を用いて窒素(N2)雰囲気中で
10秒間にわたって、試料を 900o C に保つという熱処理
を行う。この熱処理により、RuO2膜１３’の内部では酸
素がRuの一部から分離し、これに伴いRuの酸化膜の一部
が金属のRuに変化し、金属とその導電性の酸化物とが混
在するRu/RuO2 膜が形成される。これと同時に、Ruから
分離した酸素がTa膜１２の表面領域に侵入し、そこに厚
み1000Å程度のTaの酸化物(Ta2O5) の薄膜１４が形成さ
れる。なお、RuO2膜１３’の厚みや熱処理条件によって
は、RuO2膜は全て金属のルテニウムに変化する場合もあ
る。
【００１４】この 900o C という熱処理温度は、沸点が
1457±10o C という比較的低い値のTa元素にとってはか
なりの高温ではあるが、その表面がルテニウムを含む膜
によって塞がれているため、比較的低沸点のTa元素であ
ってもこのルテニウムを含む膜を通して外部に散逸する
ことができない。
1457±10o C という比較的低い値のTa元素にとってはか
なりの高温ではあるが、その表面がルテニウムを含む膜
によって塞がれているため、比較的低沸点のTa元素であ
ってもこのルテニウムを含む膜を通して外部に散逸する
ことができない。
【００１５】次に、（Ｄ）に示すように、ルテニウムを
含む膜１３上に直径10μｍの円形のAl薄膜から成るマス
ク１５を形成し、このマスク１５を用いて逆スパッタに
よりルテニウムを含む膜１３の外周部の不要な部分を除
去することにより、図１に示した構造の薄膜コンデンサ
が形成される。
含む膜１３上に直径10μｍの円形のAl薄膜から成るマス
ク１５を形成し、このマスク１５を用いて逆スパッタに
よりルテニウムを含む膜１３の外周部の不要な部分を除
去することにより、図１に示した構造の薄膜コンデンサ
が形成される。
【００１６】上述のようにして製造した薄膜コンデンサ
は、静電容量が0.72μF/cm2 ，誘電損失 1×103 という
良好な電気的特性を示した。Ta2O5 の薄膜は厚み1000Å
で形成されその比誘電率を計算すると25の値が得られ
た。
は、静電容量が0.72μF/cm2 ，誘電損失 1×103 という
良好な電気的特性を示した。Ta2O5 の薄膜は厚み1000Å
で形成されその比誘電率を計算すると25の値が得られ
た。
【００１７】上記実施例では、RuO2膜１３’をリアクテ
ィブ・スパッタ法によって形成する方法を例示した。し
かしながら、Ru(DPM)3をCVV 原料としてMOCVD 法を適用
することによりこのRuO2膜１３’を生成することも可能
であり、この場合、良好な段差被覆性を得ることができ
る。
ィブ・スパッタ法によって形成する方法を例示した。し
かしながら、Ru(DPM)3をCVV 原料としてMOCVD 法を適用
することによりこのRuO2膜１３’を生成することも可能
であり、この場合、良好な段差被覆性を得ることができ
る。
【００１８】また、白金族系金属としてルテニウム(Ru)
を使用する構成を例示した。しかしながら、白金族系金
属として白金(Pt)を使用してその酸化物のPtO2膜をタリ
ウム上に形成した場合、RuO2膜の場合よりも低い500 o
C 〜600 o C の温度で熱処理を行うことによりその直下
にタリウムの酸化膜を形成することが可能であり、熱処
理に伴う半導体基板などの損傷を軽減できる。
を使用する構成を例示した。しかしながら、白金族系金
属として白金(Pt)を使用してその酸化物のPtO2膜をタリ
ウム上に形成した場合、RuO2膜の場合よりも低い500 o
C 〜600 o C の温度で熱処理を行うことによりその直下
にタリウムの酸化膜を形成することが可能であり、熱処
理に伴う半導体基板などの損傷を軽減できる。
【００１９】さらに、RuやPtの酸化物は、RuO2,PtO2 に
限らずRuO,PtO の構造式で表される酸化物であってもよ
い。同様にRh,Os,Irなどの他の白金族金属(M) の酸化物
(MOx) の膜を非白金族元素の金属上に形成し、その直下
の非白金族元素の金属の一部を酸化し、誘電体を形成す
る構成とすることもできる。白金族元素の酸化物は、ル
テニウムの場合と同様、導電性を示すので、金属とその
酸化物が混在する層を電極の一部として利用できる。
限らずRuO,PtO の構造式で表される酸化物であってもよ
い。同様にRh,Os,Irなどの他の白金族金属(M) の酸化物
(MOx) の膜を非白金族元素の金属上に形成し、その直下
の非白金族元素の金属の一部を酸化し、誘電体を形成す
る構成とすることもできる。白金族元素の酸化物は、ル
テニウムの場合と同様、導電性を示すので、金属とその
酸化物が混在する層を電極の一部として利用できる。
【００２０】また、比誘電率の大きな単金属常誘電体酸
化物としてTaの酸化物を利用する構成を例示したが、T
i,Hf,Y,Al,Zr などの酸化物を利用する構成とすること
もできる。白金族元素と非白金族元素の金属との組合せ
は、白金族元素に比べて非白金族元素の金属の方が酸化
物を形成しやすい組合せが選択される。
化物としてTaの酸化物を利用する構成を例示したが、T
i,Hf,Y,Al,Zr などの酸化物を利用する構成とすること
もできる。白金族元素と非白金族元素の金属との組合せ
は、白金族元素に比べて非白金族元素の金属の方が酸化
物を形成しやすい組合せが選択される。
【００２１】さらに、非白金族元素の金属膜上に白金族
元素の酸化物の層を形成して熱処理する構成を例示し
た。しかしながら、必要に応じて、上下の関係を逆に
し、白金族元素の酸化物の層上に非白金族元素の金属膜
を形成して熱処理する構成を採用することもできる。
元素の酸化物の層を形成して熱処理する構成を例示し
た。しかしながら、必要に応じて、上下の関係を逆に
し、白金族元素の酸化物の層上に非白金族元素の金属膜
を形成して熱処理する構成を採用することもできる。
【００２２】また、本発明の薄膜コンデンサを半導体基
板上に形成する構成を例示したが、この発明の薄膜コン
デンサを絶縁膜を形成した半導体基板や、セラミック基
板やフェライト基板など他の適宜な電子材料の基板上に
形成することができる。
板上に形成する構成を例示したが、この発明の薄膜コン
デンサを絶縁膜を形成した半導体基板や、セラミック基
板やフェライト基板など他の適宜な電子材料の基板上に
形成することができる。
【００２３】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の薄
膜コンデンサは、タンタルなどの非白金族元素の金属の
層と白金族元素の酸化物の層の積層構造を加熱すること
により両金属層の間にタンタルの酸化物などの薄膜を形
成する構成であるから、このよう薄膜をかなりの凹凸の
あるDRAMや準マイクロ波のGaAsMMICなどのデバイスの表
面に均一に形成できる。何故ならば、タンタルの酸化物
などの薄膜をスパッタリングなどによって直接デバイス
の表面に形成する従来の場合とは異なり、比較的大きな
厚みのタンタルの層と白金族元素の酸化物の層とをスパ
ッタリングなどによってかなりの凹凸のあるデバイス表
面に一旦積層したのち、短時間の熱処理によってタンタ
ルの層の表面の一部のみを酸化することにより均一な厚
みの酸化物の薄膜を形成できるからである。
膜コンデンサは、タンタルなどの非白金族元素の金属の
層と白金族元素の酸化物の層の積層構造を加熱すること
により両金属層の間にタンタルの酸化物などの薄膜を形
成する構成であるから、このよう薄膜をかなりの凹凸の
あるDRAMや準マイクロ波のGaAsMMICなどのデバイスの表
面に均一に形成できる。何故ならば、タンタルの酸化物
などの薄膜をスパッタリングなどによって直接デバイス
の表面に形成する従来の場合とは異なり、比較的大きな
厚みのタンタルの層と白金族元素の酸化物の層とをスパ
ッタリングなどによってかなりの凹凸のあるデバイス表
面に一旦積層したのち、短時間の熱処理によってタンタ
ルの層の表面の一部のみを酸化することにより均一な厚
みの酸化物の薄膜を形成できるからである。
【図１】本発明の一実施例の薄膜コンデンサの構造を示
す断面図である。
す断面図である。
【図２】上記薄膜コンデンサの製造方法を示す工程図で
ある。
ある。
11 半導体基板
12 Ta膜
13 ルテニウムを含む膜
13’ Ru02膜
14 酸化タンタル(Ta2O5) 薄膜
15 Al電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０１Ｌ 27/108
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 27/108
H01L 21/316
H01L 21/822
H01L 21/8242
H01L 27/04
H01G 4/10
H01G 4/33
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (4)
- 【請求項１】白金族元素の酸化物を還元して形成した白
金族元素を含む層と、非白金族元素の金属を含む層と、
これらの層の間に介在する前記非白金族元素の金属を酸
化して形成した前記非白金族元素の金属の酸化物を含む
薄膜とを備えたことを特徴とする薄膜コンデンサ。 - 【請求項２】 請求項１において、 前記非白金族元素の金属は、Ta,Ti,Hf,Y,Al,Zrのうちの
少なくとも一つを含む金属であることを特徴とする薄膜
コンデンサ。 - 【請求項３】非白金族元素の金属を含む層と白金族元素
の酸化物を含む層との積層構造を形成する工程と、 前記積層構造を前記白金族元素の酸化物の熱分解温度以
上に加熱することにより前記白金族元素の酸化物を還元
しこの白金族元素を含む層を形成すると共に、前記非白
金族元素の金属を酸化し、前記白金族元素を含む層と前
記非白金族元素の金属を含む層との間に、前記非白金族
元素の金属の酸化物を含む薄膜を形成する工程とを含む
ことを特徴とする薄膜コンデンサの製造方法。 - 【請求項４】 請求項３において、 前記非白金族元素の金属は、Ta,Ti,Hf,Y,Al,Zrのうちの
少なくとも一つを含む金属であることを特徴とする薄膜
コンデンサの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22587096A JP3512303B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 薄膜コンデンサ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22587096A JP3512303B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 薄膜コンデンサ及びその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1056153A JPH1056153A (ja) | 1998-02-24 |
| JP3512303B2 true JP3512303B2 (ja) | 2004-03-29 |
Family
ID=16836148
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22587096A Expired - Fee Related JP3512303B2 (ja) | 1996-08-08 | 1996-08-08 | 薄膜コンデンサ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3512303B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106653936A (zh) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种Ta3N5光电极及其制备方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8786049B2 (en) | 2009-07-23 | 2014-07-22 | Proteus Digital Health, Inc. | Solid-state thin-film capacitor |
-
1996
- 1996-08-08 JP JP22587096A patent/JP3512303B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106653936A (zh) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种Ta3N5光电极及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1056153A (ja) | 1998-02-24 |
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