JP7052867B2 - キャパシタ - Google Patents

Description

本発明は、キャパシタに関するものである。中でも特に、高耐圧Ｓｉキャパシタに関するものである。

キャパシタの一例が、特開２０１４－２４１４３４号公報（特許文献１）に記載されている。この文献に記載されたキャパシタにおいては、基板領域の表面に複数本の溝が形成されており、これらの溝によって生じる凹凸面を覆うように誘電体膜が形成されている。

特開２０１４－２４１４３４号公報

高耐圧化するためには誘電体層の膜厚を大きくすることが考えられる。しかし、誘電体層の膜厚をむやみに大きくすると、誘電体層の残留応力が大きくなる。残留応力が大きいと、キャパシタにクラックあるいは反りが生じるおそれがある。

そこで、本発明は、高電圧に耐えることができ、キャパシタにクラックあるいは反りが生じることを抑えることができるキャパシタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に基づくキャパシタは、凹凸を有する主表面を有する基材と、上記主表面を覆う誘電体膜と、上記誘電体膜を覆う導電体膜とを備え、上記誘電体膜は、上記凹凸に沿って形成されており、上記誘電体膜は、酸化膜換算膜厚が６００ｎｍ以上である。

本発明によれば、高電圧に耐えることができ、キャパシタにクラックあるいは反りが生じることを抑えることができる。

本発明に基づく実施の形態１におけるキャパシタの断面図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるキャパシタの部分平面図である。 図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に関する矢視断面図である。 図３におけるＺ１部の拡大図である。 本発明に基づくキャパシタに電圧を印加した際のリーク電流を調べる実験の結果を示すグラフである。 本発明に基づく実施の形態１におけるキャパシタの部分平面図である。 凹部の代わりに凸部を採用した場合のキャパシタの断面図である。

図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

（実施の形態１）
図１を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるキャパシタについて説明する。本実施の形態におけるキャパシタ１０１の断面図を図１に示す。

キャパシタ１０１は、基材１と、誘電体膜２０と、導電体膜３０とを備える。基材１は主表面１ｕを有する。基材１は、たとえばシリコン基板であって、導電性を有するｎ型Ｓｉ又はｐ型Ｓｉなどの低抵抗Ｓｉによって形成されている。基材１が導電性を有する場合、後述する裏面電極４と導通されていてもよい。主表面１ｕは凹部１５を有する。誘電体膜２０は、主表面１ｕを覆う。導電体膜３０は、誘電体膜２０を覆う。誘電体膜２０は、前記凹部に沿って形成されている。誘電体膜２０は、酸化膜換算膜厚（Equivalent Oxide Thickness）（「ＥＯＴ」ともいう。）が６００ｎｍ以上である。

なお、酸化膜がＳｉＯ₂膜であるとした場合の酸化膜換算膜厚（ＥＯＴ）は、高誘電率膜の物理膜厚をＴとし、誘電率をεとし、ＳｉＯ₂膜の誘電率をεSiO2とすると，次の関係にある。
ＥＯＴ ＝ εSiO2×Ｔ／ε
主表面１ｕにある凹部１５は有底の筒形状である。凹部１５は、主表面１ｕの同一平面上に形成された第１部分５１と、凹部１５のうち底部に対応する第２部分５２と、凹部１５のうち筒部に対応し、第２部分５２と第１部分５１とを連結する第３部分５３と、凹部１５の開口部である第４部分５４とを含む。基材１の主表面１ｕとは反対側の面は、裏面電極４によって覆われている。基材１が導電性を有しない場合、凹部の表面に図示しない導電体膜が形成され、導電体膜上に誘電体膜２０が形成される。

ここで示した例では、誘電体膜２０は、下地膜２１と酸化膜２２との２層構造となっている。誘電体膜２０を覆うようにポリシリコン膜３１が形成されている。ポリシリコン膜３１は、第２部分と第３部分で囲まれた領域内に形成されている。ポリシリコン膜３１を覆うようにアルミ電極３２が形成されている。導電体膜３０は、ポリシリコン膜３１とアルミ電極３２とを含む。主表面１ｕのうち導電体膜３０によって覆われていない領域を保護膜６が覆っている。保護膜６は、導電体膜３０の一部を覆っていてもよい。保護膜６と主表面１ｕとの間には下地膜２１が介在していてもよい。

実用上は、キャパシタが６００Ｖの電圧に耐えられることが求められるが、そのためには、ＳｉＯ₂の耐圧性能が１０ＭＶ／ｃｍであることを考慮すれば、誘電体膜２０のＥＯＴが６００ｎｍ以上であることが求められる。本実施の形態では、誘電体膜２０のＥＯＴが６００ｎｍ以上となっているので、６００Ｖの高電圧にも耐えられるキャパシタを実現することができる。言い換えれば、十分に高電圧に耐えることができる。誘電体膜２０のＥＯＴが厚くなっていることにより、第１部分５１の端などのように先鋭化しやすく、第２部分上と比較して誘電体膜が薄くなり易い箇所においても十分な厚みを確保することが容易となるので、高電圧の印加による絶縁破壊が生じることを抑制し、高耐圧化を図ることができる。本実施の形態では、十分に厚い誘電体膜２０を備えるので、キャパシタにクラックが生じることなく、反りを小さく抑えることができる。

本実施の形態で示したように、誘電体膜２０は、２層以上の積層構造を含むことが好ましい。たとえば、下地膜２１が窒化膜であり、酸化膜２２がＣＶＤによって形成された酸化膜である構成が考えられる。誘電体膜２０が２層以上の積層構造を含むこととすれば、膜の形成方法の選択の幅が広がるので、所望の厚みを容易に実現することができる。

ここでは、導電体膜３０の２層構造のうち上側の１層がアルミ電極３２である例を示したが、アルミ電極３２に代えて他の種類の金属膜が配置されていてもよい。

（実施の形態２）
図２～図４を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるキャパシタについて説明する。本実施の形態におけるキャパシタ１０２の部分平面図を図２に示す。図２におけるＩＩＩ－ＩＩＩ線に関する矢視断面図を図３に示す。図３におけるＺ１部の拡大図を図４に示す。

本実施の形態では、基材１はシリコン基板である。下地膜２１は、酸化膜２１ａと窒化膜２１ｂとを含む。酸化膜２１ａはたとえばＳｉＯ₂膜であってよい。窒化膜２１ｂはたとえばＳｉＮ膜であってよい。酸化膜２１ａは基材１を直接覆っており、窒化膜２１ｂは酸化膜２１ａを覆っている。凹部１５の深さＦは、たとえば２０．８μｍである。凹部１５の径Ａは、たとえば３．９μｍである。

酸化膜２１ａは熱酸化膜である。酸化膜２２は、ＣＶＤ法によって形成された酸化膜である。第１部分５１と第３部分５３との境界部であるエッジ５１ａで斜めに測ったときの誘電体膜２０の厚みは、酸化膜２１ａの厚みＢ１、窒化膜２１ｂの厚みＣ１、酸化膜２２の厚みＤ１の合計として把握することができる。凹部１５の深さ方向の途中で水平方向に測ったときの誘電体膜２０の厚みは、酸化膜２１ａの厚みＢ２、窒化膜２１ｂの厚みＣ２、酸化膜２２の厚みＤ２の合計として把握することができる。酸化膜２２の厚みに関してはＤ１＞Ｄ２の関係が成り立っている。ポリシリコン膜３１が開口部５４近傍であって最も径が小さくなる部分の径をＥとする。ポリシリコン膜３１が凹部１５の内部を完全に埋め切れずに、図３に示すように、主表面１ｕに平行な方向において、ポリシリコン膜３１同士の間が離間していてもよい。言い換えると、凹部１５における第２部分５２および第３部分５３に囲まれた領域に誘電体膜および導電体膜が形成され、さらに空間が形成されていてもよい。さらに言い換えると、凹部１５に入り込んでいる誘電体膜２０を覆うように形成されるポリシリコン膜３１は、凹部１５を完全に埋めていなくてもよい。すなわち、凹部１５の内部においてポリシリコン膜３１の誘電体膜２０側とは反対の面に隙間があってもよい。たとえば図３に示すように、凹部１５内部においてポリシリコン膜３１同士の間に隙間１６があってもよい。

また、開口部５４近傍でポリシリコンの径が最も小さくなる部位において、誘電体膜２０に形成された開口がポリシリコン膜３１によって塞がれている構造を図示したが、ポリシリコン膜３１同士の間が離間していてもよい。言い換えると、凹部１５における第２部分５２および第３部分５３に囲まれた領域に誘電体膜２０およびポリシリコン膜３１が形成され、さらに空間が形成され、この空間がアルミ電極３２と同じ材料によって覆われていてもよい。この電極がアルミ以外の導電材料で形成されている場合も同様である。なお、この空間は誘電体膜２０とポリシリコン膜３１との間に形成されていてもよい。このように、ポリシリコン膜同士の間を離間する構造あるいは空間を形成する構造は、残留応力の緩和のために有効である。この際の誘電体膜２０のＥＯＴは６００ｎｍ未満であってもよい。このような構造は、低耐圧のキャパシタにおいて用いられてもよい。第２部分５２における誘電体膜２０の厚みより第１部分５１のエッジ５１ａで斜めに測ったときの誘電体膜２０の厚みの方が大きい。

なお、ここで言及される誘電体膜の厚みは、走査型顕微鏡（ＳＥＭ）により、誘電体膜が相対的に薄い領域において計測した。誘電体膜が相対的に薄い領域は、絶縁破壊強度が周囲よりも小さくなる領域である。

本実施の形態では、誘電体膜２０は、３層以上の積層構造を含む。ここでは、誘電体膜２０が３層の積層構造を含む例を示したが、積層構造は４層以上であってもよい。

本実施の形態では、誘電体膜２０が３層以上の積層構造となっているので、耐圧性能を高めることができる。一般的に、主表面のうち高くなっている部分である第１部分５１のエッジ５１ａでは、先鋭化による電界集中が起こりがちであるが、本実施の形態では、誘電体膜２０が十分厚くなっているので、このエッジ５１ａにおいても電界集中を緩和することができる。

本実施の形態で示したように、前記積層構造は、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の積層を含むことが好ましい。この構成を採用することにより、積層構造の内部ではバンドギャップが低い層をバンドギャップが高い２つの層で挟み込む構造とすることができるので、リーク電流特性および絶縁抵抗を良好にすることができ、信頼性が高いキャパシタとすることができる。これによって、キャパシタの耐圧性能を高めることができる。

前記積層構造のうち最上層の残留応力は、前記積層構造の中の他のいずれの層の残留応力に比べても小さいことが好ましい。この構成を採用することにより、反りを小さく抑えることができる。

前記積層構造のうち最上層は、水素、水および炭素からなる群から選択されるいずれか１つの要素の含有量に関して比較したとき、前記積層構造の中の他のいずれの層に比べてもより多く含有することが好ましい。この構成を採用することにより、最上層が他の層に比べて最も残留応力が小さい状態を容易に実現することができる。

本実施の形態で示したように、前記積層構造のうち最上層は、前記積層構造の中の他のいずれの層より厚いことが好ましい。この構成を採用することにより、所望の厚みを容易に実現することができる。

本実施の形態で示したように、前記積層構造のうち最上層の厚みは、前記積層構造の中の他の全ての層の合計厚みより厚いことが好ましい。この構成を採用することにより、耐圧性能を高めることができる。

前記積層構造のうち最上層は、熱酸化膜ではない酸化膜であることが好ましい。熱酸化膜ではない酸化膜とは、たとえばＣＶＤ法で形成した酸化膜である。本実施の形態で示す例においては、酸化膜２２は、ＣＶＤ法で形成したものである。たとえば酸化膜２１ａは圧縮の応力を有し、窒化膜２１ｂは引張の応力を有する。積層構造のうち最上層に相当する酸化膜２２は弱い圧縮応力を含む。このような組合せにより、積層構造の内部で応力がある程度相殺され、反りを抑えることができる。ここでいう「熱酸化膜ではない酸化膜」は、ＣＶＤ法以外の何らかの方法で形成したものであってもよい。

前記積層構造は、酸化膜、窒化膜、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の積層を含むことが好ましい。この構成を採用することにより、リーク電流特性および絶縁抵抗をさらに良好にすることができ、信頼性が高いキャパシタとすることができる。これによって、キャパシタの耐圧性能を高めることができる。

導電体膜３０は、凹部１５に沿って形成された誘電体膜２０上において、導電体膜３０同士が互いに対向しつつも互いに接触していない領域を有することが好ましい。

図３に示すように、主表面１ｕと平行な方向において、ポリシリコン膜３１同士の間が離間している構造、あるいは、凹部１５における第２部分５２および第３部分５３に囲まれた領域に誘電体膜および導電体膜が形成され、さらに空間が形成された構造を採用することによって、空間が残留応力を緩和することができる。あるいは、この空間が、熱膨張によるクラックの発生あるいは反りを抑制することができる。

（実験結果）
実験結果を図５に示す。ここでは、凹部１５の深さが３０μｍであるものとし、温度は２００℃であるものとした。図５では、印加される電圧と流れるリーク電流との関係をグラフで示している。図５においては、誘電体膜２０の積層構造が、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の３層構造となっている場合、すなわち、いわゆるＯＮＯ膜となっている場合を「ＯＮＯ」と表示している。誘電体膜２０の積層構造が、酸化膜、窒化膜、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の５層構造となっている場合、すなわち、いわゆるＯＮＯＮＯ膜となっている場合を「ＯＮＯＮＯ」と表示している。図５からは、誘電体膜２０がＯＮＯ膜である場合に比べてＯＮＯＮＯ膜である場合にはより一層、リーク電流を低減することができることがわかる。すなわち、高電圧に対する絶縁性能が増していることがわかる。

（実施の形態３）
実施の形態１，２では、平面図で見たとき凹部１５が円形のスポット状となるように設けられていたが、本発明に基づく実施の形態３では、図６に示すように、凹部１５が溝状に設けられている。図６では、基材１の主表面１ｕを覆う各層を取り去った状態で、基材１の上面を示している。複数の溝状の凹部１５が平行に設けられている。凹部１５が溝状に設けられていても、実施の形態１，２で述べたのと同様の効果を得ることができる。

なお、ここまでに挙げた各実施の形態では、主表面１ｕに凹部１５が設けられる構造を示したが、その代わりに、図７に例示するキャパシタ１０３のように、主表面１ｕに凸部１７が設けられた構造であってもよい。凸部１７の表面を覆うように誘電体膜２０が形成され、さらにこれを覆うようにポリシリコン膜３１が形成されている。これらを覆うようにアルミ電極３２が配置されている。導電体膜３０はポリシリコン膜３１とアルミ電極３２とを含む。凸部１７同士の隙間には導電体膜３０が入り込んでいる。凸部１７を採用した場合にも、凹部１５を採用したキャパシタと同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ 基材、１ｕ 主表面、４ 裏面電極、６ 保護膜、１５ 凹部、１６ 隙間、１７ 凸部、２０ 誘電体膜、２１ 下地膜、２１ａ 酸化膜、２１ｂ 窒化膜、２２ 酸化膜、３０ 導電体膜、３１ ポリシリコン膜、３２ アルミ電極、５１ 第１部分、５１ａ エッジ、５２ 第２部分、５３ 第３部分、５４ 第４部分、１０１，１０２，１０３ キャパシタ。

Claims (11)

1. 凹部および凸部のうち少なくとも一方を有する主表面を有する基材と、
   前記主表面を覆う誘電体膜と、
   前記誘電体膜を覆う導電体膜とを備え、
   前記誘電体膜は、前記凹部および凸部のうち少なくとも一方に沿って形成されており、
   前記誘電体膜は、酸化膜換算膜厚が６００ｎｍ以上であり、
   前記誘電体膜は、２層以上の積層構造を含み、
   前記積層構造のうち最上層の残留応力は、前記積層構造の中の他のいずれの層の残留応力に比べても小さい、キャパシタ。
2. 凹部および凸部のうち少なくとも一方を有する主表面を有する基材と、
   前記主表面を覆う誘電体膜と、
   前記誘電体膜を覆う導電体膜とを備え、
   前記誘電体膜は、前記凹部および凸部のうち少なくとも一方に沿って形成されており、
   前記誘電体膜は、酸化膜換算膜厚が６００ｎｍ以上であり、
   前記誘電体膜は、２層以上の積層構造を含み、
   前記積層構造のうち最上層は、水素、水および炭素からなる群から選択されるいずれか１つの要素の含有量に関して比較したとき、前記積層構造の中の他のいずれの層に比べてもより多く含有する、キャパシタ。
3. 凹部および凸部のうち少なくとも一方を有する主表面を有する基材と、
   前記主表面を覆う誘電体膜と、
   前記誘電体膜を覆う導電体膜とを備え、
   前記誘電体膜は、前記凹部および凸部のうち少なくとも一方に沿って形成されており、
   前記誘電体膜は、酸化膜換算膜厚が６００ｎｍ以上であり、
   前記誘電体膜は、２層以上の積層構造を含み、
   前記積層構造のうち最上層は、前記積層構造の中の他のいずれの層より厚い、キャパシタ。
4. 前記導電体膜は、前記凹部および凸部のうち少なくとも一方に沿って形成された前記誘電体膜上において、前記導電体膜同士が互いに対向しつつも互いに接触していない領域を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載のキャパシタ。
5. 前記誘電体膜は、３層以上の積層構造を含む、請求項１から４のいずれか１項に記載のキャパシタ。
6. 前記積層構造は、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の積層を含む、請求項５に記載のキャパシタ。
7. 前記積層構造のうち最上層は、水素、水および炭素からなる群から選択されるいずれか１つの要素の含有量に関して比較したとき、前記積層構造の中の他のいずれの層に比べてもより多く含有する、請求項１に記載のキャパシタ。
8. 前記積層構造のうち最上層は、前記積層構造の中の他のいずれの層より厚い、請求項１または２に記載のキャパシタ。
9. 前記積層構造のうち最上層の厚みは、前記積層構造の中の他の全ての層の合計厚みより厚い、請求項３または８に記載のキャパシタ。
10. 前記積層構造のうち最上層は、熱酸化膜ではない酸化膜である、請求項１から９のいずれかに記載のキャパシタ。
11. 前記積層構造は、酸化膜、窒化膜、酸化膜、窒化膜、酸化膜の順の積層を含む、請求項１から１０のいずれかに記載のキャパシタ。

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