JPH04184911A - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は基板上に形成してなる薄膜コンデンサに関する
。

（従来の技術） 薄膜コンデンサは、電子部品の高機能化、小形化、高集
積化に伴い、シリコン基板上へのコンデンサ素子の形成
、メモリ素子への応用が検討されている。

ダイナミック・ランダム・アクセスΦメモリ（ＤＲＡＭ
）については、その大容量化が進むにつれ、メモリセル
に使用されるコンデンサは、より小さな占有面積で形成
することが望まれ、一定量の容量を確保することがだん
だん困難になりつつある。

これに対処するため、セル内のコンデンサとして、構造
面からの検討が行われており、主にスタックド型、ある
いはトレンチ型等の３次元構造化が進められ、コンデン
サの有効面積を実質的に大きくすることで対応している
。このため、メモリセル構造は複雑になると共に、構造
上、工程数の大幅な増加が避けられない状況にある。こ
れに対して、誘電体材料からの検討も進められ、シリコ
ンの酸化物や窒化物、酸化タンタル（Ｔａ２０５）など
の比較的誘電率の小さな材料に代えて、大きな誘電率を
持つ材料を用いることにより、より小さな占有面積で簡
単な構造のコンデンサを得る試みが検討されている。誘
電率の大きな材料としては、通常、強誘電性を持つペロ
ブスカイト型酸化物が用いられ、例えばチタン酸ジルコ
ン酸鉛（ＰＺＴ）　。

ランタンを含むチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）を基
本とする材料系がこれに相当する。

また、強誘電体薄膜コンデンサを用いて、不揮発生メモ
リを実現する試みもなされている。これは、強誘電体の
性質すなわち外部電界により分極を反転できるというこ
と、電解を除いても分極のほとんどが残留することを利
用したもので、分極の向きをデジタル信号の“１　ｇ、
“Ｏ゛に対応させることで、情報を不揮発に記録するこ
とができる。このような、不揮発メモリの用途に対して
も、強誘電体薄膜コンデンサは実効的に大きな電荷量が
取り扱えることが好ましく、強誘電体材料としては前記
の材料系が好適である。

ところで、薄膜コンデンサは通常、耐熱性のある基板上
に誘電体薄膜を上部および下部電極で挾んだ構造をとる
ことにより得られる。誘電体薄膜の形成方法としては、
ゾル・ゲル法、スパッタリング法、蒸着法、ＣＶＤ法な
どがあげられる。いずれの方法にしても、誘電体として
大きな誘電率、または、大きな分極量を得るためには、
前記誘電体材料を結晶化することが必須であり、このた
めには少なくとも４００〜５００℃以上の高温過程が必
須である。

（発明が解決しようとする課題） しなしながら、誘電体薄膜コンデンサとして例えばｎ型
またはｐ型のシリコン基板を下部電極としこの上に、４
００〜５００℃以上の基板温度でＰＺＴ膜をスパッタリ
ングで形成し、上部電極膜を形成した場合、目的とする
大きな誘電率、または、大きな分極量で示すコンデンサ
が得にくい欠点があった。これは、薄膜成分のＰｂＯと
シリコンとの反応が避けられず、シリコン基板上に所望
のペロブスカイト型の結晶構造を持つ薄膜が極めて生成
し難く、誘電率、または、分極量の小さなパイロクロア
型の結晶構造が生成するためである。

また、誘電体薄膜コンデンサとして例えば基板上に、ｐ
ｔやＰｄの下部電極膜を形成し、これを基板として４０
０〜５００℃以上の基板温度でＰＺＴ膜をスパッタリン
グで形成し、上部電極膜を形成した場合も、目的とする
大きな誘電率、または、大きな分極量を示すコンデンサ
が得にくい欠点があった。これは、基板上に形成したｐ
ｔやＰｄの表面には所望のペロブスカイト型の結晶構造
を持つ薄膜が極めて生成し難（、誘電率、または、分極
量の小さなパイロクロア型の結晶−構造が生成するため
である。ペロブスカイト化を促すために、基板温度をよ
り高温の６００℃以上にして成膜が試みられているが、
この場合には、ＰｚＴの構成成分である酸化鉛（ＰｂＯ
）の大部分が蒸発で失われたり下地電極中に拡散をする
ため、所望のペロブスカイト相が得られにくいとともに
、さらにシリコン基板に悪影響を及ぼし易い欠点があっ
た。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、
ペロブスカイト型の結晶構造を持つ誘電体薄膜を形成す
るのに適し、所望の誘電特性が得られるとともに、高温
過程において、誘電体に含まれる成分が下地電極、シリ
コン等の基板まで拡散、反応し難い薄膜コンデンサを提
供することにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段及び作用）本発明は、基板
上に構成元素として、鉛を含まないペロブスカイト型の
結晶構造を有する化合物層を介して、構成元素として鉛
を含むペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体層が
形成され、この誘電体層上に電極層が形成されたことを
特徴とする薄膜コンデンサである。

なお、基板としてはＳｉ等の半導体基板、ガラス等の絶
縁性基板等、各種のものを用いることができる。下部電
極はｎ型ｐ型等の半導体基板を直接用いても良いし、例
えばＳｉＯ２膜が形成されたＳｉ基板上に形成したＰｔ
、Ｐｄ等の金属層を利用しても良い。

上記基板がシリコン基板の場合、その表面には半導体素
子が形成され、さらに必要に応じて酸化ケイ素（Ｓ　ｉ
Ｏ２）膜、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）膜等の絶縁膜を形
成することができる。上記鉛を含まないペロブスカイト
型の化合物層の厚さは、１００Å以上であることが望ま
しい。この理由は、かかる鉛を含まないペロブスカイト
層の厚さを１００　Ａ未満にすると、誘電体薄膜の形成
において、ｐｔ上に成膜したと同様のパイロクロア相が
形成され昌＜、ペロブスカイト層が得られ難くなる。

さらに、誘電体薄膜を結晶化するために高温にすること
により、誘電体の構成成分であるＰｂＯの基板側への拡
散を防ぐことが困難になるためである。誘電体材料とし
ては、ペロブスカイト型酸化物が用いられ、例えばＰＺ
Ｔ　、　ＰＬＺＴを基本とする材料系がこれに相当する
。上部電極は、必ずしもｐｔやＰｄを用いる必要は無く
、その後の素子の作製過程におけるプロセス条件に耐え
る観点から選択される。

このように本発明による薄膜コンデンサは、基板上に鉛
を含まないペロブスカイト型の化合物層を介して、鉛系
の誘電体層を形成することにより、ペロブスカイト型の
結晶構造を有する鉛系誘電体膜を容易に形成できるとと
もに、高温においても鉛系誘電体の構成成分の下部電極
層への拡散、基板への拡散・反応を抑制し、基板および
鉛系誘電体膜相互の悪影響を防止することができる。さ
らに上部電極層を設けることで、コンデンサ構造をなし
、良好な強誘電特性および誘電特性を発揮できるととも
に、もれ電流の低減がはかれ、高信頼の薄膜コンデンサ
を得ることができる。

（実施例） 以下本発明の実施例について詳細に説明する。

実施例１−１ ２　第１図は本発明の薄膜コンデンサの構造を説明する
ための断面図である。

まず、Ａｓをドープしたｎ型シリコン単結晶基板上に、
ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、Ｓ　ｒ　Ｔ
　ｉＯａ膜を形成した。膜厚は成膜時間により調整、し
、厚みの異なる複数の基板を得た。

第１表にＳ　ｒ　Ｔ　ｉＯａの成膜条件を示す。

得られた５ｒＴ１０３膜についてその結晶構造を調べる
ためにＸ線回折を行った。膜厚８０００　Ａの試料でペ
ロブスカイト型の結晶相が生成していることを確認した
。この様にして得られたＳｒＴｉＯ３膜上にＲＦマグネ
トロンスパッタ法により鉛系誘電体膜を成長させた。本
実施例においては、鉛系誘電体として、Ｐｂ　（Ｚｒ、
。

Ｔ　ｉ　　）Ｏｓ組成の焼結体をターゲットとして０．
３ 用いた。さらに、成膜時に蒸発により失われるＰｂＯの
不足を補償するため、酸化鉛（ｐｂｏ）の焼結体をター
ゲットとし、ＰＺＴと同時スパッタリングを行った。こ
の時の成膜条件を第２表に示す。

この様にして得られたＰＺＴ膜上に上部電極としてＡｕ
を蒸着し、２００μｍ　Ｘ　２００μｍの電極形状を持
つ薄膜コンデンサ素子を作製した。この素子について、
無バイアス下（測定周波数Ｉ　ＫＨｚ）で誘電率を、ソ
ータータワー回路で分極量と電界の関係（測定周波数５
０　ＩＩ　ｚ　）を評価した。また、一定電界下（５０
ＫＶ／　ａｎ　）におけるもれ電流を評価した。

ｐｔ下部電極膜上に形成したＳｒＴｉＯ３薄膜の膜厚と
、その上に形成したＰＺＴ膜の誘電率、残留分極量およ
びもれ電流量の関係をそれぞれ第２図、第３図、第４図
に示す。Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉＯａ薄膜の膜厚が１００　Ａ未
満の場合には、強誘電特性を特徴づけるヒステリシスす
なわち残留分極は観察されず誘電率も十分ではないこと
がわかる。この場合のＰＺＴ膜の結晶層をＸ線回折によ
り確認したところ、主相はパイロクロア相であった。

５ｒＴＬＯ３薄膜の膜厚が十分では無いために目的とす
るＰＺＴペロブスカイト相が出来にくいことを示してい
る。一方、ＳｒＴｉＯ３の膜厚が１００Å以上の領域で
はＰＺＴ薄膜の主相はベロブスカイト相であり、ＳｒＴ
ｉＯ３の膜厚を大きくとることによりペロブスカイト相
が生成しやすいことがわかる。膜厚が１００八以上で誘
電率、残留分極量とも十分大きな値を示した。また、も
れ電流は低減し良好な性能を示した。なお、Ｓ　ｒ　Ｔ
　ｓ　Ｏａ膜厚が大きくなるほど誘電率、残留分極とも
に低下することがわかる。これはＰＺＴに比し誘電率の
小さいＳ　ｒ　Ｔ　ｉＯｓの誘電特性の影響が大きくな
るためでその膜厚には上限があることを示している。し
たがって、Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉＯａの膜厚はＰＺＴの膜厚お
よび必要とされる性能により選択されるものである。

Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉＯａ膜による鉛系誘電体成分の拡散防止
効果を確認するために、ＳｒＴｉＯ３膜の膜厚が１００
人、ＰＺＴの膜厚が５００ＯＡの場合の試料を大気中８
００℃で加熱処理を行いその結晶構造の変化をＸ線回折
により調べた。構成相はペロブスカイト相であり、加熱
処理前に比べ結晶層に変化は見られなかった。これに対
して、ＳｒＴｉＯ３膜を形成しなかった試料（比較例）
を同様に加熱処理を行い構成相を比較したところ主相の
パイロクロア相の他にＳｉとの反応物によると思われる
未確認相が生成した。このことから、ＳｒＴｉＯ３膜は
高温加熱状態において鉛系誘電体成分が基板へ拡散する
のを防止する効果を備えているものと思われる。

実施例１−２ 実施例１と同様の条件でｎ型シリコン基板上にＣａ　Ｔ
　ｉ　Ｏｓ膜を形成した。第３表にＣａ　Ｔ　ｉＯａ膜
の成膜条件を示す。この上に、ＰＬＺＴ膜を形成した。

本実施例においては、鉛系誘電体として、（Ｐｂ　　　
Ｌａ　　　）　　（Ｚｒｏ、ｅ５０．９２　　０．０８ Ｔｉ　　　）Ｏ組成の焼結体をターゲットとして０．８
５　　８ 用いた。第４表にＰＬＺＴの成膜条件を示す。

第４表　　ＰＬＺＴ成膜条件 得られたＰＬＺＴ膜の結晶相をＸ線回折により確認した
ところ、ＣａＴｉＯ３の膜厚が１００　Ａ未満のときの
ＰＬＺＴ膜の主相はパイロクロア相であった。

一方、Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉ　Ｏｓ　Ｏ）膜厚がｔｏｏ　Ａ以
上のときのＰＬＺＴ膜の主相はペロブスカイトであった
。上部電極を形成後ＣａＴｉＯ３の膜厚を変化させた試
料について誘電率、残留分極量、もれ電流を評価したと
ころ、実施例１の場合と同様に、ＣａＴｉＯ３の膜厚が
１００　Ａ以上で良好な特性を示す結果が得られた。

実施例２−１ 第５図は本発明の薄膜コンデサの構造を説明するための
断面図である。この構造の実施例を以下に説明する。− まず、シリコン単結晶基板の表面を熱酸化し、シリコン
酸化膜を形成した。表面を洗浄した後、ＲＦマグネトロ
ンスパッタリング法により、ｐｔ膜を形成し、下地電極
膜とした。第５表にｐｔ成膜条件を示す。

次にｐｔ層膜上ＲＦマグネトロンスパッタリング法によ
り、ＳｒＴｉＯ３膜を形成した。膜厚は成膜時間により
調整し、厚みの異なる複数の基板を得た。次に第１表に
示す条件でＳ　ｒ　Ｔ　ｉＯａ膜を形成し、第２表に示
す条件でＰＺＴ膜を形成した。

Ｐｔ下部電極膜上に形成したｓ　ｒ　Ｔ　Ｉ　Ｏｓ薄膜
の膜厚と、その上に形成したＰＺＴ膜の誘電率。

残留分極量およびもれ電流量の関係をそれぞれ第６図、
第７図、第８図に示す。ＳｒＴｉＯ３薄膜の膜厚が１０
０Ａ未満の場合には、強誘電特性を特徴づけるヒステリ
シスは観察されず誘電率も十分ではないことがわかる。

この場合のＰＺＴ膜の結晶相をＸ線回折により確認した
ところ、主相はパイロクロア相であった。Ｓ　ｒ　Ｔ　
ｉＯａ薄膜の膜厚が十分では無いために目的とするＰＺ
Ｔペロブスカイト相が出来にくいことを示している。−
方、ＳｒＴｉＯ３の膜厚が１００Ａ以上の領域ではＰＺ
Ｔ薄膜の主相はペロブスカイト相であり、Ｓ　ｒ　Ｔ　
ｉＯｓの膜厚を大きくとることによりペロブスカイト相
が生成しやすいことがわかる。膜厚が１００Å以上で誘
電率、残留分極量とも十分大きな値を示した。また、も
れ電流は低減し良好な性能を示した。なお、ＳｒＴｉＯ
３の膜厚が大きくなるほど誘電率、残留分極ともに低下
することがわかる。これはＰＺＴに比し誘電率の小さい
Ｓ　ｒ　Ｔ　ｉＯｓの誘電特性の影響が大きくなるため
でその膜厚には上限があることを示している。したがっ
て、５ｒＴｉＯａの膜厚はＰＺＴの膜厚および必要とさ
れる性能により選択されるものである。　実施例２−２ 実施例２−１と同様の条件でシリコン基板上にｐｔ下部
電極膜とＣａＴｉＯ３膜を形成した。第３表に示す条件
でＣａ　Ｔ　ｉＯｓ膜を作成した。この上に第４表に示
す条件でＰＬＺＴ薄膜を形成した。

得られたＰＬＺＴ膜の結晶層をＸ線回折により確認した
ところ、ＣａＴｉＯｓの膜厚が１００　Ａ未満のときの
ＰＬＺ、Ｔ＠の主相はパイロクロア相であった。

一方、５ｒＴｉＯａの膜厚が１０ＯＡ以上のときのＰＬ
ＺＴ膜の主相はペロブスカイトであった。上部電極を形
成後ＣａＴｉＯ３の膜厚を変化させた試料について誘電
率、残留分極量、もれ電流を評価したところ、実施例２
−１の場合と同様に、ＣａＴｉＯ３の膜厚が１００　Ａ
以上で良好な特性を示す結果が得られた。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明による薄膜コンデンサは、鉛
を含まないペロブスイト型の化合物層を介して、鉛系誘
電体膜を形成することにより、ペロブスカイト型の結晶
構造を有する鉛系誘電体膜を容品に形成できるとともに
、もれ電流の低減がはかれ、良好な強誘電特性および誘
電特性を発揮できる。さらに、高温過程における鉛系誘
電体の構成成分の下部電極層への拡散、基板への拡散を
防止し、半導体素子への影響を防止することができ、高
信頼の薄膜コンデンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第５図は本発明による薄膜コンデンサの断面
構造図、第２図は及び第６図薄膜コンデンサの誘電率を
示す特性曲線図、第３図及び第７図は薄膜コンデンサの
残留分極量を示す特性曲線図、第４図及び第８図は薄膜
コンデンサのもれ電流を示す特性曲線図。 １１・・・シリコン基板、１２・・・酸化絶縁層、１３
・・・下部電極層、１４・・・鉛を含まないペロブスカ
イト膜、１５・・・鉛系誘電体層、１６・：・上部電極
層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板上に構成元素として、鉛を含まないペロブス
   カイト型の結晶構造を有する化合物層を介して、構成元
   素として鉛を含むペロブスカイト型の結晶構造を有する
   誘電体層が形成され、この誘電体層上に電極層が形成さ
   れたことを特徴とする薄膜コンデンサ。