JPH03257858A - 薄膜コンデンサ - 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
料が５ｉ０２、Ｓｉ３Ｎ４等のような誘電率がたがだか
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
表されるペロブスカイト型酸化物であるＢａＴｉＯ３，
５ｒＴｉ０３、ＰｂＺｒＯ３およびイルメナイト型酸化
物ＬｉＮｂＯ３あるいはＢｉ４Ｔｉ３Ｏ１２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１ｏｏｏｏ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、が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
（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆｔｈｅ　ＩＥＥＥ）第
５９巻ｌＯ号１４４０−１４４７頁に所載の論文があり
、スパッタリングによる成膜および熱処理を行ったＢａ
ＴｉＯ３薄膜で１６（室温で作成）から１９００（１２
００°Ｃで熱処理）の誘電率が得られている。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような従来作成されているＢａＴｉＯ３等の誘電
体薄膜は、高い誘電率を得るためには薄膜作成時に高温
を必要とし、いずれも白金、パラジウム等の高融点貴金
属材料からなる下部電極の上に作成されたものである。

一般に電極材料として用いられるアルミニウムやニクロ
ム、銅などでは、高温での電極の蒸発や誘電体膜との相
互反応により誘電率の著しい低下を招く。しかし、上記
のような高融点貴金属電極でも、３００°Ｃ以上での誘
電体成膜において、再結晶による電極表面荒れを生じる
。このような電極上に形成された誘電体膜は膜厚が一様
でなく、電圧を印加したときに膜厚が薄い部分に電界が
強くかかるために絶縁特性に問題がある。

現在の高集積回路に広く用いられている電極材料は多結
晶シリコンあるいはシリ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　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ａ
ｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）１９６９年１１月号６
８６−６９５頁に所載の５ｒＴｉ０３膜に関する論文に
おいて６８７−６８８頁の記載に、シリコン上に高誘電
率材料の薄膜を形成する場合には約１００人の二酸化シ
リコン（Ｓｉ０２）に等価な層が界面に形成されてしま
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。同様の報告
の他の例としてはジャーナル・オブ・バキュ、−ム・サ
イエンス・アンド・テクノロジー（Ｊｏｕｅｎａｌ　ｏ
ｆ　Ｖａｃｕｕｍ　５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈ
−ｎｏｌｏｇｙ）第１６巻２号３１５−３１８頁に所載
のＢａＴｉＯ３に関する論文において、３１６頁の記載
に見ることができる。

本発明はＢａＴｉＯ３，５ｒＴｉ０３に代表される高誘
電率材料の薄膜を用いて、高い容量密度と優れた絶縁特
性を有し、シリコン集積回路に適用可能な薄膜コンデン
サを実現することを目的としている。

（課題を解決するだめの手段） 本発明は基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電
極が順次積層形成された構造の薄膜コンデンサにおいて
、誘電体を直接成膜する下部電極がレニウム、オスミウ
ム、ロヂウム、イリヂウム、及びこれらのシリサイドあ
るいは酸化物のうちの１以上であることを特徴とする薄
膜コンデンサ及びその製造方法である。

（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図は実施例１の薄膜コンデンサの構造図で、シリコ
ン基板１の表面に絶縁層として酸化シリコン膜２が形成
され、酸化シリコン層上に下部電極３が形成され、下部
電極上に誘電体のＢａＴｉＯ３膜４が形成され、その上
に上部電極のＡＩ膜５が形成されている。

まず、水蒸気熱酸化法により単結晶シリコンの表面に酸
化シリコン層をｌｐｍ形成した。雰囲気は酸素ガスと水
素ガスの流量比をそれぞれ１：１に制御し、温度は１１
００°Ｃで熱酸化を行った。下部電極は直流マグネトロ
ンスパッタ法で０．５ｐｍの膜厚のものを作製した。動
またはＲｅＳｉ２組成のターゲットを用い、Ａｒガス雰
囲気またはＡｒと０２の混合ガス雰囲気、４Ｘ１０−３
Ｔｏｒｒ、基板温度１００°Ｃで行った。

ＢａＴｉＯ３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０．５ｐｍの膜厚の
ものを作製した。Ａｒ　−０２混合ガス中、ｌＸｌ０−
２Ｔｏｒｒ、基板温度６００°Ｃでスパッタ成膜した。

上部電極には０．５ｐｍ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３　Ｘ　５ｍｍ２
である。

つぎに下部電極に、高融点貴金属であるＰｄ膜を用いた
場合と本方法の膜令用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の特性
の違いについて述べる。第２図（ａ）は本方法の下部電
極膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の、第２図（ｂ）は
膜厚０．５ｐｍのＰｄ膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜
の絶縁破壊強度のヒストグラムである。絶縁破壊強度は
ｌＸｌ０−’Ａ／ｃｍ２の電流が流れたときの電界強度
と定義した。絶縁破壊強度は本方法の方が３倍以上大き
く、かつ、その分布にばらつきがなく、優れた絶縁特性
を示している。

ＢａＴｉＯ３膜の一部をエツチングで除去し、下部電極
の表面粗さを触針式表面膜差計で測定したところ、レニ
ウムなどの膜とＰｄ膜の平均粗さｈは、それぞれ、５０
人、３８０人であや、レニウムなどの膜の方が表面平坦
性に優れていることがわかった。なお、ＢａＴｉＯ３を
成膜する前の下部電極の表面粗さはそれぞれ３０人程度
である。従って、両者の絶縁特性の違いはＢａＴｉＯ３
成膜の高温プロセスでの下部電極の表面粗れに起因して
いると考えられる。この場合、下部電極としてレニウム
、酸化レニウム、レニウムシリサイド、またはこれらの
積層構造においても効果は同じであった。

また、本実施例のレニウム、酸化レニウム、レニウムシ
リサイドの代わりにオスミウム、ロヂウム、イリヂウム
、及びそれらのシリサイドあるいは酸化物を用いた場合
でも、その上に形成されたＢａＴｉＯ３膜の絶縁破壊強
度が従来のＰｄ膜を用いた場合よりも３倍以上大きく、
優れた絶縁性が得られた。第１表に下部電極材料とその
上に形成された第１表 （実施例２） 第３図は実施例２の薄膜コンデンサの構造図で、単結晶
シリコン基板６の表面に絶縁層として酸化シリコン層７
が形成され、酸化シリコン層上に下部電極として多結晶
シリコン膜８とその上にレニウムなどの膜９が形成され
、これら下部電極上に誘電体のＢａＴｉＯ３膜１０が形
成され、その上に上部電極のＡＩ膜１１が形成されてい
る。

多結晶シリコン膜はプラスマＣＶＤ法により、３００°
Ｃで膜厚０．３ｐｍのものを作製した。この多結晶シリ
コン膜にヒ素イオンを７０ＫＶの加速電圧で２×１０１
６ｃｍ−２の量をイオン注入し、更に９００°Ｃで２０
分間熱処理することにより約１００ΩＣのシート抵抗と
した。その他の膜の成膜は実施例１と同様に行った。

この場合、多結晶シリコン膜は絶縁層の酸化シリコンと
下部電極との密着性を良くするために用いているが、レ
ニウムなどの膜を多結晶シリコン膜の上に形成しても、
実施例１と同様に優れた絶縁特性を有する薄膜コンデン
サが得られた。なお、レニウムまたは酸化レニウムの場
合には多結晶シリコンの代わりに、レニウムシリサイド
などのメタルシリサイドとレニウムもしくは多結晶シリ
コンなどを含む多層膜でもよい。

（実施例３） 第４図は実施例３の薄膜コンデンサの構造図である。単
結晶シリコン１２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１３が形成され、その上に層間絶縁膜
として酸化シリコン膜１４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
ためのコンタクトポールが２箇所形成されており、一方
のコンタクトホールは下部電極膜１５で埋められ、もう
一方のコンタクトホールはＡＩ膜１６で埋められている
。従って、ＡＩ膜１６は下部電極の端子となる。下部電
極膜はコンタクトホールを埋めると共にその一部が酸化
シリコン膜上べ形成されていてもよい。下部電極膜上に
はＢａＴｉＯ３膜１７が形成され、その上には上部電極
としてＡ１１８が形成されている。

本実施例では下部電極を単結晶シリコンの低抵抗層を通
じて引き出すために、下部電極膜を単結晶シリコンの上
に作製しているが、その薄膜コンデンサの絶縁特性は実
施例１と同様に優れていることを確認した。

次に下部電極に多結晶シリコン膜を用いた場合と本発明
の膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の誘電率の違いにつ
いて述べる。多結晶シリコン膜は現在のシリコンＬＳＩ
の電極膜として一般に用いられている材料である。第５
図はＢａＴｉＯ３膜の誘電率と膜厚の関係を調べたもの
で、本発明の膜を用いた場合（ａ）と多結晶シリコン膜
（ｂ）を用いた場合の結果である。

本発明の膜を用いた場合、ＢａＴｉＯ３膜の誘電率はそ
の膜厚に依存せず、約２４０で一定であるのに対して、
多結晶シリコン膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の誘電
率は膜厚に依存し、膜厚が薄くなるにつれて誘電率が小
さくなっている。これは従来技術で述べたように、低誘
電率の酸化シリコン膜がＢａＴｉＯ３と多結晶シリコン
との界面に形成され、ＢａＴｉＯ３膜の見かけの誘電率
が低下したものと考えられる。

また、実施例２と同様に、下部電極はレニウムなどの膜
とその下に多結晶シリコンがある二層構造でもよい。こ
の場合の多結晶シリコン膜はレニウムなどの膜と単結晶
シリコン、及び、酸化シリコンとの密着性をよくする効
果がある。更に、多結晶シリコン膜でコンタクトホール
を埋める平坦化技術は確立しており、下部電極の一部と
して用いる利点は大きい。

本実施例に示すように下部電極にレニウム、オスミウム
、ロヂウム、イリヂウム、及びそれらのシリサイドある
いは酸化物の１以上からなる膜を用いることにより、誘
電体膜の膜厚に依存せず一定の高い誘電率を有する薄膜
コンデンサをシリコン電極上に作製することができる。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、薄膜コンデンサの下部電
極に高温プロセスで表面荒れを起こさないイリジウム、
オスミウム、ロヂウム、イリヂウム、及びそれらのシリ
サイドあるいは酸化物などの膜を用いることにより、絶
縁特性に優れた高誘電率の薄膜コンデンサを提供するこ
とができる。

また、従来のシリコン電極のように誘電体との界面に低
誘電率の酸化シリコン層を形成することがないので、誘
電体膜の膜厚に依存せず一定の高い誘電率を有する薄膜
コンデンサをシリコン上に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実施例を示す薄膜コンデンサの
断側面図、第２図（ａ）、（ｂ）は絶縁破壊強度のヒス
トグラム図、第３図、第４図は実施例を示す薄膜コンデ
ンサの断側面図、第５図はＢａＴｉＯ３膜の誘電率と膜
厚の関係を示す図。 １．６．１２は単結晶シリコン基板、２．７．１４は酸
化シリコン、３．９．１５は下部電極、４．１０．１７
はＢａＴｉＯ３，５，１１，１６，１８はＡＩ、８は多
結晶シリコン、１３は単結晶シリコンの低抵抗層。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電極が
   順次積層形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、誘
   電体を直接成膜する下部電極がレニウム、酸化レニウム
   、及びレニウムシリサイドから選ばれた１以上の材料か
   らなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
2. ２．基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電極が
   順次積層形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、誘
   電体を直接成膜する下部電極がオスミウム、酸化オスミ
   ウム、及びオスミウムシリサイドから選ばれた１以上の
   材料からなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
3. ３．基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電極が
   順次積層形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、誘
   電体を直接成膜する下部電極がロヂウム、酸化ロヂウム
   、及びロヂウムシリサイドから選ばれた１以上の材料か
   らなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
4. ４．基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電極が
   順次積層形成された構造の薄膜コンデンサにおいて、誘
   電体を直接成膜する下部電極がイリヂウム、酸化イリヂ
   ウム、及びイリヂウムシリサイドから選ばれた１以上の
   材料からなることを特徴とする薄膜コンデンサ。