JPH02283056A - キャパシタと集積回路の製法 - Google Patents

キャパシタと集積回路の製法

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JPH02283056A
JPH02283056A JP1317403A JP31740389A JPH02283056A JP H02283056 A JPH02283056 A JP H02283056A JP 1317403 A JP1317403 A JP 1317403A JP 31740389 A JP31740389 A JP 31740389A JP H02283056 A JPH02283056 A JP H02283056A
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ジェームス ジー.ボールマン
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 り皇」Jソリ1乱1 この発明は集積回路の分野、特に8に8!i回路のキャ
パシタに使う誘電体材料に関する。
の     び シリコンのその熱酸化物S i 02に対する特別の関
係は、今日の高密度の集積回路を首尾良く製造すること
と共にその信頼性にとって大いに重要である。これは、
デジタル・データがキ17バシタの両端に蓄えられる電
荷の形で記憶される様なダイナミック・ランダムアクセ
ス・メモリ(DR,AM)の分野で特にそうである。熱
作用による二酸化シリコンが、その漏れ電流密度が低い
こと、電界に対゛する降伏強度が高いこと、熱安定性が
^いこと、並びに時間による誘電体降伏による故障率が
低い点で、シリコン問キャパシタに対する普通のw4電
体材料として役立っている。
I!積回路、特にDRAMが時間と共に密度が一層高く
なるにつれて、個々のキャパシタを製造するのに利用し
得る表面積が必然的に小さくなる。
然し、DRAMの分野では、Vヤバシタを小さくすると
云う傾向は、記憶ヒルの静電容量をできるだけ太き(し
たいと云う希望に逆らうものである。
実際、DRAMの記tlIt?ル静電容量が少なくとも
50fFの値を持つことが、α線照射によるソフト・エ
ラー率を許容し得る低いレベルにとどめる為に好ましい
。新世代の技術と共に、キャパシタに利用し得る表面積
が減少しているから、記憶セルの静電容量を所望の値に
保つ為には、誘電体のθさを薄くするか或いはM電率が
増加しなければならない。キャパシタの誘電体として二
酸化シリコンを用いると、誘電体の厚さが薄くなるにつ
れて、被膜中のピンホール効果の規模が増加し、ファウ
ラ・ノルドハイム・j・ンネル効果の開始電圧が下がる
。こう云う因子の為、誘電体材料は、誘電率が二酸化シ
リコンより相対的に大きく、被膜の厚さを製造が可能で
信頼性のあるレベルにとどめることができる様にすると
共に、所望の静電容量の値が、利用し得る縮小したシリ
コン表面積でも達成できる様にしなければならないと云
う必要が生ずる。
従来の研究は、キトパシタの誘電率を高める為に、二酸
化シリコンの他に、又は二酸化シリコンに付加えて、主
1シバシタの誘電体として他の材料を使うことを考えて
いた。二酸化シリコンと窒化シリコンのサンドインチ形
被膜を使う例が、1986年3月25日に付与された米
国特許第4,577.390号(II!化物/窒化物/
酸化窒化物積重ね被膜)及び1988年3月29日に出
願された係属中の米国特許出願通し番号筒174.75
1号(窒化物/酸化物/窒化物)に記載されている。こ
の何れの例も誘電体被膜は実効誘電率が、二酸化シリコ
ンだけの被膜よりも大きい。
シリコン化合物以外の材料も、誘電体材料として使うこ
とが考えられている。酸化イツトリウム(Y2O2)は
、その誘電率が比較的大ぎい(二酸化シリコンの4に対
して13乃至16)点、並びにその電界降伏の値が比較
的大きい(4MV/α程度)点で、特に魅力のある材料
であることが分かった。酸化イツトリウムをシリコンに
重なる誘電体材料として使い、シリコンに重なる二酸化
シリコン被膜に重ねて使う場合が、アプライド・フィジ
ックス・レターズ誌、51 (12>(1987年9月
号)、第919頁乃至第921頁所載のグルピッチ、マ
ンチャンダー及びギプンンの論文]シリコン上の熱酸化
したイツトリウム被膜の研究」、及びIEEEエレクト
ロン・デバイス・レターズ誌、第9巻、第4号(198
8年4月号〉、第180頁乃至第182頁所載のマンチ
11ンダー及びグルピッチの論文「酸化イツトリウム/
二酸化シリコン: VLS I/ULS r回路に対す
る新しい誘電体構造」に記載されている。シリコンの上
、又はシリコンの上の二酸化シリコンの上の何れかに酸
化イツトリウムを形成する場合、この研究では、酸化イ
ツトリウムを形成した後の構造の周囲温度が500℃を
越えると、シリコンが酸化イツトリウム中のイツトリウ
ムと反応をすることがあることを示している。
誘電体中のイツトリウムとシリコンが反応することは、
酸化イツトリウム誘電体被膜の品質にとって有害である
ことが分かった。第1a図及び第1b図には、シリコン
の上に直接的に形成された酸化イツトリウムの誘電体を
持つキャパシタの電気的な挙動が示されている。その結
果を第1a図及び第1b図に示したキャパシタ誘電体は
、金属イツトリウムを直接的にシリコンにスパッタリン
グした侵、急速な熱酸化によって酸化イッ]・リウムを
形成し、更にその襖、種々の温度で急速な熱アニーリン
グを行なうことによって形成された。
キャパシタの上側極板はアルミニウムである。第1a図
は種々の温度に対し、正のバイアスの極性(下側の極板
に対する上側の極板)の時の極板の間の漏れll流を示
し、第1b図は、アニーリング温度に対して、負のバイ
アス極性の場合の極板の間の漏れ電流を示している。横
軸はM V / ex単位の[実効J’W界E   と
定義してあり、こうしff て酸化イツトリウムの性能を二酸化シリコンの性能と比
較することができる様にしである。実!+71界は、印
加電界に、試験される特定の材料のM電率の二酸化シリ
コンの誘電率に対する比を乗じたものと定義する。正の
極性の場合、アニール温度が高くなると共に、漏れが悪
くなるが、負の極性ではそう云うことがなく、キャパシ
タ誘電体中にシリコンが存在して、下側極板から上向き
に拡散することを示している。前に引用したグルビッヂ
他の論文は、二酸化シリコン層の上に形成した時、酸化
イツトリウム被膜中にシリコンが存在することをはっき
りと示している。誘電体被膜が形成された後に露出され
る温度に伴うこの劣化が、集積回路に酸化イツトリウム
を使う上での重大な制約となる。これは、記憶キャパシ
タを形成した後、共形的なりRAM回路を製造するには
、400℃を越える温度に於ける多数の処理工程が必要
であるからである。こう云う従来の形式はキャパシタ誘
電体中層て酸化イツトリウムを使った場合、この様な温
度に露出したことによる漏れの増加を我慢するか、或い
は製造方法中の侵の時点でキャパシタを形成しなければ
ならない。そのどちも望ましくない。
従って、この発明の目的は、酸化イツトリウムを含む集
H4回路主1!パシタを形成する方法として、熱安定性
を改善する様な方法を提供することである。
この発明の別の目的は、誘電体に酸化イツトリウムを使
うが、現代的な方法によって製造上の両立性を改善した
!1!積回路キャパシタを提供することである。
この発明のその他の目的並びに利点は、以下図面につい
て説明するところから当業者に明らかになろう。
発明の要約 この発明はシリコンの下側極板を持つキャパシタに用い
ることができる。キ17バシタの誘電体は、酸化イツト
リウム層の下に窒化シリコン層を用いて構成される。金
属又はポリシリコンの上側極板を用いることができる。
窒化シリコンが酸化イツトリウム中へのシリコンの拡散
を防止し、こうして漏れ特性を改善すると共に、熱安定
性を改善する。
実  施  例 第2図にはこの発明のキャパシタの断面図が示されてい
る。この実施例では、下側極板は、普通のキャパシタと
同じく、単結晶シリコンの基板2の領[4で構成されて
いる。この領域は実質的に導体となる様に強くドープし
てもよいし、或いは希望するその他の形でドープし、例
えば1979年8月14日に付与された米国特許用4.
164゜751号に記載されている高Cキャパシタを形
成してもよい。この発明が、1986年3月25日に付
与された米国特許用4,577.390号及び1986
年9月23日に付与された米国特許用4.613.95
6号に記載されている様な、絶縁体に重なるポリシリコ
ン層によって下側極板が形成されている様なキャパシタ
にも応用し得ることを承知されたい。領域4の上に窒化
シリコン層6が配置される。窒化シリコン層6の厚さの
一例は1011N度である。酸化イツトリウムN8が窒
化シリコン116に係なる。この実施例では、酸化イツ
トリウム1lIi18の厚さの例は15nm程度である
導体の1i110で形成されたキャパシタの上側極板が
酸化イツトリウム層8に重なっている。この実施例では
、層10はアルミニウムぐ形成される。
キャパシタの上側及び下側極板に対する梠続は、普通の
方法によって形成される。
この発明による第2図の実施例のキャパシタは、以下述
べる方法によって形成することができる。
キャパシタの下側極板は、その中に拡散部を形成するモ
ート領域を形成することによって形成する。
このモート領域はシリコンの局pHili!2化(LO
GO8)又はその他の普通の隔離方法により、互いに隔
離されている。領域4に対する所望のドーピングが、周
知の様にイオン打込みとその後の内方駆逐アニールによ
って行なわれる。その(l窒化シリコン)i!16を低
圧化学反応気相成長の様な任意の普通の方法により、所
望の厚さになるまで領域4の上にデボジッl−する。前
に述べた様に一例の厚さは10n−程度である。
窒化物層6のデボジツションの後、例えば普通のスパッ
タリング方法により、金属イツトリウム層を15n履程
度の厚さになるまでデポジットする。
好ましい実施例では、金属イツトリウムのデボジシリコ
ンの後、酸化雰囲気の中での急速な熱アニーリングを行
なう。この酸化の一例を説明すれば、酸素雰囲気内で5
00℃の温度で30秒闇、この構造を急速アニールにか
ける。こうして15nm程度の厚さを持つ第2図の酸化
イツトリウム1i18を形成する。この酸化を行なうこ
とができる急速熱反応器の−・例は、ピーク・システム
ズ・インコーホレーテッド社によって製造されるALP
  6000反応各である。次にこの構造を、アルゴン
中で1分間、700℃に於けるアニールと云う様な、不
活性雰囲気内での急速熱アニールにかける。その後、上
側横板は、希望によっては銅又はシリコンの様な普通の
ドーパントを用いてドープされたアルミニウムを普通の
スパッタリングによってデポジットし、WJloを形成
する。その優、普通の写真製版法及びエツチング方法を
用いて、アルミニウムff10のパターンぎめ及びエツ
チングを実施して、上l1lIIjfA板及びそれに対
する接続部の所望の形状を形成する。他の誘電体被膜を
形成すると共に、接点穴をエツチングして、希望に応じ
て、ウェーハ上の他のfti域4の様な拡散領域に対す
る接点をつけると云う様なこの他の1稈をこの方法に取
込むことができる。この方法によって第2図のキャパシ
タができる。
第3図はこの発明に従って形成されたキャパシタのTE
M顕微鏡写真であり、層の互いの関係を示しており、酸
化イツトリウムA118と窒化シリコン[6の間に明確
に界面が限定されることを示しており、窒化シリコン層
6の障壁作用により、酸化イツトリウム1lI8に混ざ
ったシリコンが存在しないことを示している。
第4a図及び第4b図には、前に述べた第2図の主11
バシタの電気特性が示されている。第4a図及び第4b
図の軸は前に述べた第1a図及び第1b図の軸と同じで
ある。第4a図で、正のバイアス極性の場合、第1a図
に示した従来の#4造に比べて、アルゴン中での急速な
熱アニール後の漏れ特性の劣化が減少することが分かる
。第4b図は逆極性の場合にも、このアニールによって
良好な熱安定性が得られることを示している。キャパシ
タ特性の熱安定性が改善されるのは、今度は、基板2の
領域4からのシリコン原子が酸化イツトリウム層8に拡
散することに対する、窒化シリコン層6が持つ障壁作用
の為である。前に述べた様に、この拡散が存在しないこ
とが、第3図の顕微鏡写真によつ′Cポされている。こ
の為、この発明に従って形成されたキャパシタは、前に
述べた従来の方法に比べて熱安定性が改善される。
更に、第4a図及び第4b図が二酸化シリコン被膜の漏
れ特性をも示していることに注意されたい。これは二酸
化シリコンに比べた、酸化イツトリウム層8及び窒化シ
リコンwI6の誘電率が一層高い為である。10−’A
/cIIの漏れ電tl&密度の所を見ると、実効電界が
、窒化シリコン[16に重なる酸化イツトリウム18を
用いた前述の構造では、二酸化シリコンの場合の大体2
倍になっていることは第4a図及び第4b図から明らか
である。これは、二酸化シリコンに比べて、この発明の
層状被膜の電荷記憶密度が2倍になると云う結果に通ず
る。
更に、酸化イツトリウム層8を形成するこの他の方法を
用いて、この発明の利点が得られることに注意されたい
。例えば、酸化イツトリウム層8は、例えば、lI4T
1を1時間の間、鹸化雰囲気内で700℃の温度に加熱
することにより、急速なものではなく、普通の金屈イツ
トリウムの熱酸化によって、形成することができる。酸
化イツトリウム118を形成する更に別の方法は、酸化
イツトリウムの反応性スパッタリング、又は化学反応気
相成長により、酸化イントリ1クムをデポジットするこ
とである。
上に述べた様にキャパシタを製造した後、このキャパシ
タを含む集8i回路を普通の方法に従って完成して、ト
ランジスタ及びその他の素子を形成すると共に、その間
の電気接続を施し、外部接続を用いる為のボンド・パッ
ドに接続をすることができる。その後、基板2の部分か
ら個々の回路を分離し、ワイヤ・ボンディング、直接盛
上げ接続等の様に周知の方法によってそれに対する接続
を施すことができる。その優、個々の回路を二重イシラ
イン形パッケージ、チップ支持体又はその他の種類のパ
ッケージに包装することができる。この様なパッケージ
の一例が、1985年1月22日に付与された米国特許
第4,495.376号に記載されている。
この発明の誘電体を用いたこの他の種々のキャパシタ構
造を用いることもできる。例えば、キャパシタの下側極
板は、上にも述べたが、米国特許第4.577.390
号及び同第4.613.956号に示される様に、ドー
プされたポリシリコン層によって形成することもできる
。この様な構造の一例が第5図に示されており、ポリシ
リコンの下側極板20が、基板20表面にある絶縁被膜
22の上に配置されている。窒化シリコン層6をポリシ
リコン20の上に配置し、その上に酸化イツトリウムl
i!8を配置することは前と同じである。
この実施例の上側極板は前と同じ様にアルミニウム層1
0であってよい。更に、下側極板は導電度を改善する為
に、a’im度を用いる金属珪化物で形成するか或いは
それで被覆してもよい。
別の変形として、タングステン及びタングステン合金の
様な他の金属、高温用金属珪化物の様な化合物又はポリ
シリコン層を使うことを含めて、上側種板に別の導電材
料を使うことができる。上側極板にこの様な別の材料を
使うことは、窒化シリコンの上に酸化イツトリウムを含
むこの発明の被膜が(ポリシリコンをデボジツシヨンす
る時又は珪化物被膜の直接反応による形成の時の様に)
加熱された時、漏れ特性の若干の劣化が起ると予想され
るので、それ程好ましいものではないが、窒化シリコン
層6が存在することにJ、って、従来行なわれていた様
に、シリ」ン又は二酸化シリコン被膜の上に直接的に酸
化イツトリウム被膜を配置した場合よりもその劣化の程
度が少なくなることは明らかである。
更に別の構造と通して、やはり単結晶シリコン又はポリ
シリコン中の下側極板と共に、トレンチ又はその他の凹
部内にある窒化シリコンに重なる酸化イツトリウムのv
g電休体持つキャパシタを形成することができる。トレ
ンチ及び凹部内に形成されたキャパシタの例は、198
4年8月21日に付与された米国特許第4.467.4
50号及び1987年3月17日に付与された同第4,
651.184号に記載されている。第6図にはトレン
チ・キャパシタが示されており、下側極板は、基板2に
エッチされたトレンチの側壁内に配置された1iffl
[30である。窒化シリコン1iI6及び酸化イツトリ
ウム層8が前と同じく下側極板3の上に配置され、上側
極板10がトレンチ内に配置されてキ(?パシタを完成
する。トレンチ又は凹部を含む別の変形(図面に示して
いない)として第6図に示すトレンチ又は凹部の中に配
置した、第5図に示す様なポリシリコンの下側極板を用
い、層状被膜及び上側極板をその上に配置するものや、
トレンチの底に隔離領域を配置したピラー・キャパシタ
を設け、キャパシタの下側極板をトレンチによって限定
されたメナの側面上に配置するものがある。この発明の
層状被膜は、第2図のブレーナ形の場合に設けられる様
な構造で、同等の改良をもたらすと考えられる。
この発明を好ましい実施例及び若干の変形について詳し
く説明したが、この説明が例に過ぎず、この発明を制約
するものではないことを承知されたい。更に、この発明
の実施例の細部の色々な変更並びにこの発明のその他の
実施例は、以上の説明から、当業者に容易に考えられよ
う。この様な変更及び追加の実施例もこの発明の範囲内
に含まれることを承知されたい。
以上の説明に関連して、更に下記の項を開示J“る。
(1)シリコンで構成された第1の極板と、窒化シリコ
ンで構成されていて、前記第1の極板に隣接して配置さ
れた第1の誘電体被膜と、&:化イツトリウムで構成さ
れていて、前記第1の誘電体被膜に隣接して、前記第1
の極板と向合う様に配置された第2のv4電体被膜と、
該第2の誘電体被膜に隣接して前記第1の極板と向い合
う様に配置された第2の極板とを有する集積目路用主1
1バシタ。
(2)(1)項に記載したキャパシタに於いて、下側極
板が単結晶シリコンで構成されているキャパシタ。
<3)(2)項に記載したキャパシタに於いて、第1の
極板が半導体本体の而にエッチした凹部の側壁で構成さ
れるキャパシタ。
(4)(1)項に記載したキャパシタに於いて、キャパ
シタが半導体本体の表面にエッチした凹部内に形成され
るキャバ′シタ。
(5)(1)項に記載したキャパシタに於いて、第1の
極板がポリシリコン層で構成されるキャパシタ。
(6)(1)項に記載した4:ヤバシタに於いて、第2
の極板が金属で構成されるキャパシタ。
(7)(6)項に記載したキャパシタに於いて、金属が
アルミニウムであるキャパシタ。
(8)半導体本体の表面に形成されたキャパシタに於い
て・、表面近くに配置されたシリコンで構成される下側
極板と、窒化シリコンで構成されていて前記F側極板の
上に配置された第1の誘電体被膜と、酸化イツトリウム
で構成されていて前記第1の誘電体液+g!の上に配置
された第2の誘電体被膜と、該第2の誘電体被膜の上に
配置された上側極板とを有するキャパシタ。
(9)<8)項に記載したキャパシタに於いて、第1の
誘電体被膜が下側極板に隣接して配置されているキャパ
シタ。
(10)(8)項に記載したキャパシタに於いて、上側
極板が第2の誘電体被膜に隣接して配置されているキャ
パシタ。
(11)(8)項に記載したキャパシタに於いて、第2
の誘電体被膜が第1の誘電体被膜に隣接して配置されて
いるキャパシタ。
(12>(8)項に記載したキャパシタに於いて、上側
極板が半導体の表面の一部分で構成されるキ1シバシタ
(13)(8)項に記載したキャパシタに於いて、上側
極板がポリシリコン層で構成され、該ポリシリコン層及
び半導体本体の表面の間に絶縁被膜が配置されているキ
ャパシタ。
(14)(8)項に記載したキャパシタに於いて、下側
極板が半導体本体の表面に形成された四部の側壁で構成
されるキャパシタ。
(15)集積回路を製造する方法に於いて、半導体本体
の表面の近くに第1の導電板を形成し、該第1の板の上
に窒化シリコンで構成された第1の誘電体被膜を形成し
、該第1の誘電体被膜の上に酸化イツトリウムで構成さ
れた第2の誘電体被膜を形成し、該第2の誘電体被膜の
Lに第2の導電板を形成する■稈を含む方法。
(16)(15)項に記載した方法に於いて、第1の導
電板を形成する工程が、前記半導体本体の表面のシリコ
ン領域をドープすることを含む方法。
(17)(15)項に記載した方法に於いて、第1の導
電板を形成する工程が、前記半導体本体の表面の上にポ
リシリコン層を形成することを含む方法。
(18)(15)項に記載した方法に於いて、第1の誘
電体被膜を形成する工程が、窒化シリコンの化学反応気
相成長である方法。
(19)(15)項に記載した方法に於いて、第2の誘
電体被膜を形成する工程が、第1の誘電体被膜の上に金
属イツトリウム層をデポジットし、該金属イッ]・リウ
ム層を酸化することを含む方法。
(20)(19)項に記載した方法に於いて、酸化する
工程が、酸化雰囲気内で半導体本体の急速熱アニーリン
グを行なうことである方法。
(21>(15)項に記載した方法に於いて、第2のi
電体被膜を形成する工程が、第1の誘電体被膜の上に酸
化イツトリウム層をデポジットすることである方法。
<22)(15)項に記載した方法に於いて、第1の導
電板を形成する工程の前に、前記半導体本体の表面に四
部をエッチし、前記第1の導電板が該凹部内に形成され
る方法。
(23)(15)項に記載した方法に於、いて、前記第
1及び第2の極板とパッケージの外部端子の間に接続部
を形成して、第1及び第2の極板の間に記憶された電荷
を外部端子に伝達することを含む方法。
(24)キャパシタ及びその製法であって、キャパシタ
の1つの仮(4)がシリコンを含み、誘電体物質がシリ
コン板(4)に隣接して配置された窒化シリコン層(6
)と、その上に配置された酸化イツトリウムJ!’I(
8)を含む。キャパシタの第2の板は酸化イツトリウム
層(8)の上に形成される。窒化シリコン(6)は熱せ
られた場合の酸化イツトリウム・フィルム(8)中への
シリコンの拡散に対する障壁を提供し、高誘電率キャパ
シタに改善された漏れ特性を提供する。
【図面の簡単な説明】
第1a図及び第1b図は従来の方法により、シリコンの
上に形成された誘電体としての酸化イツトリウムを持つ
キャパシタの漏れ特性を示すグラフ、第2図はこの発明
に従って形成されたキャパシタの断面図、第3図はこの
発明の第1の実施例に従って形成されたキャパシタのr
EM顕微鏡写真、第4a図及び第4b図はこの発明に従
って形成されたキャパシタの漏れ特性を示すグラフ図、
第5図はこの発明の第2の実施例に従って、下側極板を
ポリシリコンとして形成されたキャパシタの断面図、第
6図はこの発明の第3の実施例として、基板の中にエッ
チされた凹部内に形成されたキャパシタの断面図である
。 主な符号の説明 4 : F(111種板 6:窒化シリコン層 8:j!化イツトリウム層 10:上側極板

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、シリコンで構成された第1の極板と、窒化シリコン
    で構成されていて、前記第1の極板に隣接して配置され
    た第1の誘電体被膜と、酸化イットリウムで構成されて
    いて、前記第1の誘電体被膜に隣接して、前記第1の極
    板と向合う様に配置された第2の誘電体被膜と、該第2
    の誘電体被膜に隣接して前記第1の極板と向い合う様に
    配置された第2の極板とを有する集積目路用キャパシタ
    。 2、集積回路を製造する方法に於いて、半導体本体の表
    面の近くに第1の導電板を形成し、該第1の板の上に窒
    化シリコンで構成された第1の誘電体被膜を形成し、該
    第1の誘電体被膜の上に酸化イットリウムで構成された
    第2の誘電体被膜を形成し、該第2の誘電体被膜の上に
    第2の導電板を形成する工程を含む方法。
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