JPH05211286A - 容量素子の製造方法 - Google Patents

容量素子の製造方法

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JPH05211286A
JPH05211286A JP4392A JP4392A JPH05211286A JP H05211286 A JPH05211286 A JP H05211286A JP 4392 A JP4392 A JP 4392A JP 4392 A JP4392 A JP 4392A JP H05211286 A JPH05211286 A JP H05211286A
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JP
Japan
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film
electrode
dielectric film
capacitive element
dielectric
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JP4392A
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English (en)
Inventor
Shinichi Miyazaki
紳一 宮崎
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】占有面積が小さく、高集積化に適用した容量素
子の製造方法を提供する。 【構成】半導体基板1に、最上層にバリアメタルを有す
る第1の電極5を形成する。次でプロブスカイト系酸化
膜誘電体又はTa2 3 より成る誘電体膜7を形成す
る。次にこの誘電体膜上に層間膜8を成長し誘電体膜7
の上部を開口する。次に最下層にバリアメタルを有する
第2の電極9を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発は占有面積が小さく、高集積
化に適した容量素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路において容量素子(キャ
パシタ)はDCカット、ピーキング用、或はDRAM
(Dynamic RAM)におけるデータ蓄積用に用
いられ、重要な位置を占めてきた。従来、容量素子とし
てはPN接合の拡散容量やMOS(Metal Oxi
de Semiconductor)容量素子、MIS
(Metal Insulator Semicond
uctor)容量素子が用いられてきた。
【0003】特に図4に示すようなMIR容量素子にお
いては、分離用酸化膜2間の下部電極としてのN型高濃
度層16上に形成される誘電体膜15として、半導体製
造プロセス中で頻用されるシリコン酸化膜(SiO2
や窒化膜、あるいはその多層膜が多用されてきた。尚、
図4において14はP型半導体基板、17A,17Bは
電極である。
【0004】これら誘電体膜15として使用される酸化
膜や窒化膜は例えば、MOSFETやバイポーラトラン
ジスタといった半導体素子そのもののゲート酸化膜やベ
ース保護用としても用いられることから、ほとんど工程
数を増やすことなくしかも数nmの単位で膜厚をコント
ロールできるため、精度のよい容量素子の製造に用いら
れてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】容量素子の容量値Cは
周知のように次の(1)式で表わされる。
【0006】C=εr ・ε0 ・S/d…(1) ここで、εr ;誘電体膜の比誘電率、ε0 ;真空中の誘
電率(8.85×10-4F/cm)、S;誘電体膜の面
積、d;誘電体膜厚である。従って、容量値Cを左右す
るパラメータとしてεr 、S,dがある。
【0007】しかしながら、従来の容量素子では誘電体
膜として比較的比誘電率の低い窒化膜(比誘電率=7)
または酸化膜(比誘電率=4)或はそれらの多層膜が使
用されている。このため、一定以上の容量値Cをえるに
は面積Sを大きくするか、誘電体膜厚dを極端に薄くす
るこのどちらしかなく、前者の方法では高集積化の障害
となり、後者の方法では膜厚の制御性やリーク電流の増
加等膜の信頼度に問題を生じる可能性が高い。従ってい
ずれの方法も妥当とは言えず、今後ますます進展する高
集積化、高信頼度化の課題に充分応えることができな
い。
【0008】一方、これらの課題解決のために近年、比
誘電率の大きなTi2 5 やペロブスカイト系酸化膜で
あるPZT,SrTiO3 といった材料の薄膜が注目を
浴びている。これらの薄膜は大きな比誘電率を有するた
め、従来の容量素子と同一面積でも数倍〜数十倍の容量
値を実現できるが、その反面、上部或は下部電極と誘電
体膜との間に介在するごく薄い酸化膜等の反応物により
全体としての容量値が著しく低下するという問題があ
る。これらの反応物は例えば、スパッタ法等で薄膜を成
長する時に容易に形成されてしまうことが多い。
【0009】例えば図5にその例を示すように、誘電体
膜7AとしてSrTiO3 を使用した時に、誘電体膜7
Aと下部電極であるN型高濃度層16との間に、例えば
酸化膜18が形成される。
【0010】この時の容量素子全体の容量値Cは時の
(2)式のようになる。
【0011】 1/C=1/C1 +1/C2 =(εr1・ε0 ・S/d1 )+(εr2・ε0 ・S/d2 )…(2) ここで、C1 ;SrTiO3 による容量値、C2 ;酸化
膜による容量値、εr1;SrTiO3 膜の比誘電率、d
1 ;SrTiO3 膜の膜厚、εr2;酸化膜の比誘電率、
2 ;酸化膜の膜厚である。
【0012】従って、(2)式から明らかなように、は
るかに比誘電率の小さい酸化膜18が介在することによ
り全体として容量値Cは大幅に低下してしまう。また、
この時の反応物である酸化膜はきわめて薄いことが多
く、また薄ければ薄いほど容量値へおよぼす影響が大き
いが、これらの生成をコントロールすることはほどんど
不可能である。このため反応物の出来具合いによって全
体の容量値Cが大きくばらつき、半導体装置の安定な回
路動作を困難にするという問題点がある。
【0013】本発明の目的はかかる従来技術の有する欠
点を克服するために、Ta2 5 やPZT,SrTiO
3 等の比誘電率の大きな誘電体膜を使用する容量素子を
形成するための製法を提供するものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明の容量素子の製造
方法は、半導体基板上に少なくとも1種類の配線材料よ
り成り最上層がバリアメタル膜である第1の電極を形成
する工程と、この第1の電極上に誘電体膜を選択的に形
成する工程と、この誘電体膜を含む全面に絶縁膜を成長
したのちパターニングし前記誘電体膜の上部を開口する
工程と、露出した前記誘電体膜上に少なくとも1種類の
配線材料から成り最下層がバリアメタル膜である第2の
電極を形成する工程とを含むものである。
【0015】
【実施例】次に本発明について図面を用いて説明する。
図1(a)〜(d)は本発明の第1の実施例を説明する
ための半導体チップの断面図であり、本発明をMIS容
量素子に適用した場合である。
【0016】まず、図1(a)に示すように、N型の半
導体基板1に分離用酸化膜2を形成した後、サブコンタ
クト孔3を形成する。次にイオン注入法等によりN型不
純物を導入し半導体基板1表面に高濃度不純物層4を形
成する。ここで高濃度不純物層4はオーミックコンタク
トをとるためのものであり、本例ではN型の不純物を用
いているが、これは半導体基板の導電型に応じて変えれ
ばよくP型基板ではP型不純物を使用する。
【0017】次に図1(b)に示すように、下部電極と
なるべき第1の電極用の金属膜5Aをスパッタ法等によ
り積層し、フォトリソグラフィー技術を用いて選択的に
フォトレジスト膜6を残置する。このとき、金属膜5A
は単層でも2つ以上の層を用いても良いが、少なくとも
その最上層膜は後工程で誘電体膜を成膜するにあたって
誘電体膜と電極との界面に反応物が生成するのを防止で
きるバリアメタル膜であるば良い。バリアメタルとして
は例えば、Pt(白金)やTiN(窒化チタン)、Pd
(パラジウム)等がある。当然ながらこれらバリアメタ
ル膜の複合膜でもよい。また、これらのバリアメタル膜
の下の金属膜は通常用いられるAl(アルミニウム)及
びその合金(Al/Si/Cu、Al/Si等)、ポリ
シリコン、高融点金属及びそのシリサイド、Au(金)
等でよい。
【0018】次に図1(c)に示すように、この金属膜
5AをRIE等により選択的にエッチングし第1の電極
5を形成したのちフォトレジスト膜6を除去する。次で
誘電体膜7を例えば、スパッタ法等により成膜した後、
ドライエッチング法等により選択的にエッチングする。
ここで誘電体膜としては例えばTa2 5 やペロブスカ
イト系酸化膜であるPZT,SrTiO3 等が挙げられ
る。
【0019】次に図1(d)に示すように、保護用の層
間膜8を積層したのち誘電体膜7の上部のみ開口し、第
2の電極用の金属膜をスパッタ法等で成膜したのち選択
的にエッチングし、第2の電極9を形成して容量素子を
完成させる。ここで第2の電極は第1の電極について述
べたことと同様に、誘電体膜と接する層がバリアメタル
膜となっていれば、単層でも2つ以上の層でも良い。ま
たこの時の層間膜8は窒化膜や酸化膜、またはそれらの
複合膜等を用いることができる。これらの一連の工程で
誘電体膜や各バリアメタル膜、および上下の電極の厚さ
は必要とする容量値やバリア性の大小で決定できる。
【0020】次に誘電体膜として100nmの膜厚dを
有するSrTiO3 膜を用い、面積S=10μm×10
μmの容量素子を形成した場合の実施例及び従来例にお
ける容量値について説明する。
【0021】まず実施例における容量値Ca は(1)式
にεr =200,d=100X10-7cm,S=100
×10-8cm2 を代入することにより次のように求める
ことができる。
【0022】 Ca =(200×8.85×10-4×100×10-8)F/(100×10-7 ) =1.77×10-12 F=1.77pF 次に従来例においてSrTiO3 膜の下に膜厚5nmの
SiO2 膜が形成される場合の容量値Cb は次のように
して求めることができる。
【0023】まず(2)式を変形すると次の(3)式と
なる。
【0024】 Cb =(ε0 ・S)/(d1 /εr1+d2 /εr2)…(3) この(3)式にε0 =8.85×10-14 F/cm,S
=100×10-8cm,d1 =100×10-7cm,d
2 =5×10-7cm,εr1=200,εr2=4を代入す
ると、 Cb =(8.85×10-4×100×10-8)F/(100×10-7/200 +5×10-7/4) =5.06×10-13 F=0.506pF このように5nmのSiO2 膜が形成される従来の容量
素子に比べ、SiO2膜の形成をなくすことができる本
実施例においては容量値を3倍以上に増大させることが
できる。又従来例におけるSiO2 膜の厚さが1nmと
薄い場合であっても、その容量値は1.18pFと実施
例の約60%である。
【0025】図2(a)〜(c)は本発明の第2の実施
例を説明するための半導体チップの断面図であり、本発
明をMIM(Metal Insulator Met
al)容量素子に適用した場合である。
【0026】まず、図2(a)に示すように、半導体基
板1A上に分離用酸化膜2Aを成長させたのち第1の電
極5Aを形成する。この第1の電極層に要求される特性
は第1の実施例で示したことと同様である。
【0027】次に図2(b)に示すように、Ta2 5
膜を形成したのちパターニングし、第1の電極5A上に
誘電体膜7Aを選択的に形成する。
【0028】次に図2(c)に示すように、全面に層間
膜8Aを形成した後、誘電体膜7A及び第1の電極5A
上に開口部を形成する。次で誘電体膜7A上に第2の電
極9Aをそして第1の電極5A上に引出し用配線10を
形成して容量素子を完成させる。
【0029】図3は本発明を多層配線プロセスのMIM
容量素子に適用した例であり、下層配線12、層間膜1
1上にスルーホール13を介して容量素子を形成した場
合を示している。本適用例では容量素子の第1の電極5
Aがスルーホールを介して下層配線12と電気的に接触
している場合であるが、第2の電極9Aが下層配線12
とスルーホールを介して接触している構造の容量素子も
全く同様にできることは言うまでもない。
【0030】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、比誘電
率が大きい誘電体膜を使用する上で障害となる、誘電体
膜と上下の電極層との間の酸化膜等の反応物が生成しな
いため、従来の容量素子に比してはるかに小さい占有面
積で同等以上の容量値を有する容量素子を実現できるた
め、半導体装置の高集積化に大きく貢献できると共に常
に安定した容量値を得ることができる。
【0031】また、本発明ではMIS容量素子は言うま
でもなく、MIM容量素子も容易に実現できるため、従
来の容量素子に比べ、はるかに寄生的な容量を低減で
き、高周波,高速の回路動作が可能となる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図2】本発明の第2の実施例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図3】第2の実施例の適用例を説明するための半導体
チップの断面図。
【図4】従来の容量素子を説明するための半導体チップ
の断面図。
【図5】従来の容量素子を説明するための半導体チップ
の断面図。
【符号の説明】
1,1A 半導体基板 2,2A 分離用酸化膜 3 サブコンタクト孔 4 高濃度不純物層 5,5A 第1の電極 6 フォトレジスト膜 7,7A 誘電体膜 8,8A 層間膜 9,9A 第2の電極 10 引出し用配線 11 層間膜 12 下層配線 13 スルーホール 14 P型半導体基板 15 誘電体膜 16 N型高濃度層 17A,17B 電極 18 酸化膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも1種類の配線
    材料より成り最上層がバリアメタル膜である第1の電極
    を形成する工程と、この第1の電極上に誘電体膜を選択
    的に形成する工程と、この誘電体膜を含む全面に絶縁膜
    を成長したのちパターニングし前記誘電体膜の上部を開
    口する工程と、露出した前記誘電体膜上に少なくとも1
    種類の配線材料から成り最下層がバリアメタル膜である
    第2の電極を形成する工程とを含むことを特徴とする容
    量素子の製造方法。
  2. 【請求項2】 バリアメタル膜はPt,Pd,Ta,T
    iNのいずれかまたはその複合膜より成る請求項1記載
    の容量素子の製造方法。
  3. 【請求項3】 誘電体膜はペロブスカイト系酸化膜であ
    る請求項1記載の容量素子の製造方法。
  4. 【請求項4】 誘電体膜はTa2 5 膜である請求項1
    記載の容量素子の製造方法。
JP4392A 1992-01-06 1992-01-06 容量素子の製造方法 Pending JPH05211286A (ja)

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US07/998,038 US5406447A (en) 1992-01-06 1992-12-29 Capacitor used in an integrated circuit and comprising opposing electrodes having barrier metal films in contact with a dielectric film

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9329080B2 (en) 2012-02-15 2016-05-03 Aplle Inc. Modular optics for scanning engine having beam combining optics with a prism intercepted by both beam axis and collection axis

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