JPH03257857A - 薄膜コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は小型電子回路に用いる薄膜コンデンサに関する
。

（従来の技術） 集積回路技術の発達によって電子回路がますます小型化
しており、各種電子回路に必須の回路素子であるコンデ
ンサの小型化も一段と重要になっている。誘電体薄膜を
用いた薄膜コンデンサが、トランジスタ等の能動素子と
同一の基板上に形成されて利用されているが、能動素子
の小型化が急速に進む中で薄膜コンデンサの小型化は遅
れており、より一層の高集積化を阻む大きな要因となっ
てきている。これは、従来用いられている誘電体薄膜材
料かＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４等のような誘電率がたがだが
１０以下の材料に限られているためであり、薄膜コンデ
ンサを小型化する手段として誘電率の大きな誘電体薄膜
を開発することが必要となっている。

化学式ＡＢＯ３で表されるベロブスカイ型酸化物である
ＢａＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＰｂＺｒＯ３およびイル
メナイト型酸化物ＬｉＮｂＯ３あるいはＢ１４Ｔｉ３０
１□等の強誘電体に属する酸化物は、上記の単一組成並
びに相互の固溶体組成で、単結晶あるいはセラミックに
おいて１００以上１００００にも及ぶ誘電率を有するこ
とが知られており、セラミック・コンデンサに広く用い
られている。これら材料の薄膜化は上述の薄膜コンデン
サの小型化に極めて有効であり、かなり以前から研究が
行われている。それらの中で比較的良好な特性が得られ
ている例としては、プロシーディング。

オブ・アイ・イー・イー・イー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ）第５９巻１０号１４４０
−１４４７頁の所載の論文があり、スパッタリングによ
る成膜および熱処理を行ったＢａＴｉＯ３薄膜で１６（
室温で作成）から１９００　（１２００℃で熱処理）の
誘電率が得られている。

現在の高集積回路に広く用いられけている１を極材料は
多結晶シリコンあるいはシリンコン基板自体の一部に不
純物を高濃度にドーピングした低抵抗シリコン層である
。以下これらを総してシリコン電極と呼ぶ。シリコン電
極は微細加工技術が確立されており、すでに広く用いら
れているため、シリコン電極上に良好な高誘電率薄膜が
作製できれば、集積回路用コンデンサへの利用が可能と
なる。しかしながら従来技術では例えばＩＢＭ・ジャー
ナル・オブ・リサーチ・アンド・ディベロップメント（
ＩＢＭ　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ａｎ
ｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）　１９６９年１１月号６
８６−６９５頁に所載の５ｒＴ１０３膜に関する論文が
、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド
・テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ
　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第
１６巻２号３１５−３１８頁に所載のＢａＴｉＯ３に関
する論文が報告されている。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように高誘電率を得るためには高い成膜温度を必
要とするが、従来シリコン電極上に作製されているＢａ
Ｔｉ０等の誘電体薄膜は約１００人の二酸化シリコン（
８１０２）に等価な層が界面に形成されていまうと報告
されている。この界面層は誘電率が低い層であるため、
結果としてシリコン上に形成した高誘電率薄膜の実効的
な誘電率は大きく低下してしまい。高誘電率材料を用い
る利点がほとんど損なわれていた。

（課題を解決するための手段） 本発明はシリコン電極上に導電層、誘電体、上部電極が
順次形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、導電層
がシリコン上に形成される第１層とその上に形成される
第２層とから構成され、第１層がルテニウム、ルテニウ
ムシリサイド、酸化ルテニウムから選ばれる少なくとも
１種以上の材料であり、第２層が白金、パラヂウム、ロ
ジウムの高融点貴金属から選ばれる少なくとも１種類以
上の材料であることを特徴とする薄膜コンデンサと所定
温度で第１導電層を酸化する工程を備えた製造方法であ
る。

（実施例１） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本実施例の薄膜コンデンサの構造図である。単
結晶シリコンｌの表面の一部にリンを高濃度にドーピン
グして低抵抗層２が形成され、その上に層間絶縁膜とし
て酸化シリコン膜３が形成されている。酸化シリコン膜
の一部は、低抵抗層を通じて下部電極を引き出すための
コンタクトホールが２箇所形成されており、一方のコン
タクトホールは多結晶シリコン膜４で埋められ、もう一
方のコンタクトホールはＡｌ膜５で埋められている。従
って、ＡＩ膜５は下部電極の端子となる。下部電極膜４
はコンタクトホールを埋めると共にその一部が酸化シリ
コン膜上へ形成されてもよい。下部電極膜４上には導電
層第１層６、第２層７が形成され、その上にＢａＴｉ○
３膜８か形成され、その上には上部電極としてＡ１９が
形成されている。

導電層は直流マグネトロンスパッタ法で第１層の酸化ル
テニウム、第２層の白金を順に作製した。Ａｒガス雰囲
気、４　Ｘ　１０　　Ｔｏｒｒ、基板温度１００℃で行
い、白金、酸化ルテニウムの膜厚はいずれも１５００Ａ
とした。酸化ルテニウムの成膜にはＲｕＯ３組成の焼結
体ターゲットを用いた。ＢａＴｉ０ａ膜は化学量論組成
の粉末ターゲットを用い、高周波マグネトロンスパッタ
法でａｏｏｏＡの膜厚のものを作製した。Ａｒ−０゜混
合ガス中、Ｉ　Ｘ　１０　　Ｔｏｒｒ、基板温度６００
℃でスパッタ成膜した。上部電極には５０００人のＡＩ
を直流スパッタ法により成膜した。本コンデンサの有効
面積は２５０μｍである。つぎに導電層として本方法の
白金、酸化ルテニウムを用いた場合、高融点貴金属であ
る白金膜だけを用いた場合、更に導電層を形成しない場
合のＢａＴｉＯ３膜の特性の違いについて述べる。第２
図において（ａ）は本方法の白金と酸化ルテニウムの多
層膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の、（ｂ）は膜厚３
０００人の白金膜を用いた場合の、（Ｃ）は膜厚ａｏｏ
ｏＡでシート抵抗１００Ω／ｃｍの多結晶シリコン膜を
用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の膜厚による誘電率の変化
を調べたものである。本方法の多層膜を用いた場合のＢ
ａＴｉＯ３膜の誘電率はその膜厚に依存せず一定である
のに対し、白金膜あるいは多結晶シリコン膜を用いた場
合には誘電体膜の膜厚が小さくなるにつれて誘電率が著
しく減少してしまう。

多結晶シリコン膜での誘電率の低下は従来報告されてい
る通り、誘電体と電極の界面におけるシリコンの酸化層
の形成、あるいは誘電体膜成長初期の低誘電率層の形成
が原因である。（ｂ）の白金膜での場合には誘電体膜成
膜後のＸ線回折により白金のシリサイド化が確認された
。これは６００℃での誘電体の成膜時にシリコンが白金
と反応し、シリサイド化合物を形成しながら最表面に達
したことを意味している。従って、電極の最表面にはシ
リコンが存在し、多結晶シリコン膜の場合と同様な状態
で低誘電率層を形成したものと考えられる。これに対し
て、同じくＸ線回折によれば、白金と酸化ルテニウムの
多層膜では誘電体の成膜後も白金がシリサイド化せず元
の状態で存在している。即ち、シリコンは酸化ルテニウ
ム層でその拡散が抑えられて白金層に達しておらず、前
述のようなシリコンの酸化による低誘電率層の形成が起
こらなかったと考えられる。

白金と酸化ルテニウムとの密着性を向上させることを目
的に、一般に行われているように白金と酸化ルテニウム
との間にチタンなどの密着層を挿入した構造としても本
発明の効果が損なわれることはない。また、白金の代わ
りにパラヂウム、あるいはロヂウムの高融点貴金属を用
いても同様な結果が得られることを確認した。

（実施例２） 実施例１の薄膜コンデンサにおいて、導電層の第１層に
ルテニウムシリサイドを用い、ＢａＴｉＯ３膜の誘電率
の膜厚依存性を調べた。ルテニウムシリサイドはＲｕ／
Ｓｉ　＝　１／１組成の焼結体ターゲットを用いて直流
スパッタ法で成膜し、膜厚１５００人とした。

実施例１と同様にＢａＴｉＯ３膜の誘電率はその膜厚に
依存せず本来の値約２２０が得られた。但し、誘電体膜
成膜後のＸ線回折によれば、酸化ルテニウムの場合とは
異なり、白金がシリサイド化していることが確認された
。このことから、ルテニウムシリサイドは少なくとも酸
化ルテニウムのようにシリコンの拡散を抑止する効果は
なくシリコンは電極の最表面まで達するが、その上に形
成された誘電体膜の膜ヌは実施例１（ｂ）の白金膜上に
形成された膜とは異なると考えられる。

本実施例でルテニウムシリサイドの代わりにルテニウム
を用いた場合にも同様な結果が得られることを確認した
。

（実施例３） 実施例１の薄膜コンデンサにおいて、導電層の第２層に
白金、パラヂウム、ロヂウムの高融点貴金属からなる合
金膜、あるいは多層膜を用いた。表１に本実施例で用い
た材料をまとめた。

本実施例においても実施例１と同様に、ＢａＴｉＯ３膜
の誘電率はその膜厚に依存せず約２２０の値が得られ、
界面での低誘電率層の形成を防止できた。また、Ｘ線回
折によって、第２層の高融点貴金属の合金あるいは多層
膜がシリサイド化していないことを確認した。

（実施例４） 実施例２と同様に導電層の第１層にルテニウムシリサイ
ドを直流スパッタ法で１５０ＯＡ成膜した後、５００℃
１酸素ガス雰囲気で熱処理してルテニウムジノサイド膜
を酸化し、しかる後に、実施例１と同様に白金、ＢａＴ
ｉＯ３、ＡＩを形成した。

実施例１．２と同様にＢａＴｉＯ３膜の誘電率はその膜
厚に依存せず約２２０の値が得られた。誘電体成膜後の
Ｘ線回折によれば白金はシリサイド化しておらず、その
点で実施例２の結果と異なる。即ち、ルテニウムシリサ
イドを酸化した膜はシリコンを多量に含有するにもかか
わらず、白金へのシリコンの拡散を抑止している。ルテ
ニウムシリサイド膜を酸化する温度としては４００℃以
上が必要である。ルテニウムシリサイド膜のシート抵抗
は酸化温度に依存し、４００℃から６００℃までは約１
０Ω１口であるが、６３０℃から増加し始め、７００℃
より高温で酸化すると著しく増大して１００Ω泊以上と
なる。薄膜コンデンサにおいて電極の抵抗は小さいほど
よく、従って、ルテニウムシリサイドの酸化処理温度は
４００℃以上、７００’Ｃ以下がよい。

本実施例において作製されたルテニウム−シリコン酸化
物膜は、実施例１で作製された酸化ルテニウム膜よりも
シリコン電極との密着性に優れていることが特徴である
。例えば本実施例と同様にシリコン基板上に膜厚１５０
０Ａのルテニウム−シリコンから成る酸化物膜を形成し
てその上にＢａＴｉＯ３膜２ｐｍをスパッタ成膜しても
膜の剥離は起こらなかったが、実施例１のようにシリコ
ン電極上に膜厚１５００人スパッタ成膜した酸化ルテニ
ウム膜の上に３５０ＯＡ以上のＢａＴｉ０を成膜すると
、酸化ルテニウムとシリコン電極の間で全面剥離を生じ
た。

また、本実施例のルテニウムシリサイド膜の代わりにル
テニウム膜を用いても同様に密着性向上の効果があった
。

以上の実施例はＢａＴｉＯ３膜について説明したが、こ
の他にＳｒＴｉＯ３＋　ＰｂＴｉ０３ｙ　ＰｂＺｒ０３
ｒ　ＬＩＮｂＯ３＋　Ｂ１３Ｔｉ４０　及び固溶体（Ｂ
ａ、　５ｒ）ＴｉＯ３，（Ｂａ、　Ｐｂ）　ＴｉＯ３，
Ｐｂ（Ｚｒ、　Ｔｉ）２ ０についても同様の作製、評価を行った結果、膜厚によ
らず誘電体膜本来の誘電率が得られた。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、シリコン電極上に形成さ
れた薄膜コンデンサにおいてシリコン電極と誘電体膜の
間に酸化ルテニウム、ルテニウムシリサイド、もしくは
ルテニウムからなる膜と高融点貴金属膜からなる導電層
を形成することにより、低誘電率層の形成を防ぎ、高誘
電率の薄膜コンデンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実施例１の薄膜コンデンサの断
側面図、第２図はＢａＴｉＯ３膜の膜厚と誘電率の関係
を示す図。 図において、１・・・単結晶シリコン基板、２．・・単
結晶シリコンの低抵抗層、３・・・酸化シリコン、４・
・・多結晶シリコン膜、５，９・・・ＡＩ、６・・・導
電層第１層、７・・・導電層第２層、８・・・ＢａＴｉ
Ｏ３膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．シリコン電極上に導電層、誘電体、上部電極が順次
   形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、導電層がシ
   リコン電極上に形成される第１層とその上に形成される
   第２層とから構成され、第１層がルテニウム、ルテニウ
   ムシリサイド、酸化ルテニウムから選ばれる少なくとも
   １種以上の材料であり、第２層が白金、パラヂウム、ロ
   ヂウムの高融点貴金属から選ばれる少なくとも１種以上
   の材料であることを特徴とする薄膜コンデンサ。
2. ２．シリコン電極上に導電層の第１層にルテニウムある
   いはルテニウムシリサイドを形成した後４００℃以上７
   ００℃以下の酸素雰囲気で熱処理して導電層第１層の一
   部または全体を酸化し、しかる後に導電層第２層に白金
   、パラヂウム、ロヂウムの高融点貴金属から選ばれる少
   なくとも１種以上の材料を形成し、その上に誘電体、上
   部電極を順次形成することを特徴とする薄膜コンデンサ
   の製造方法。