JPH06112431A - 高誘電率薄膜の形成方法 - Google Patents

高誘電率薄膜の形成方法

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JPH06112431A
JPH06112431A JP4261808A JP26180892A JPH06112431A JP H06112431 A JPH06112431 A JP H06112431A JP 4261808 A JP4261808 A JP 4261808A JP 26180892 A JP26180892 A JP 26180892A JP H06112431 A JPH06112431 A JP H06112431A
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JP
Japan
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cao
dielectric constant
tio
high dielectric
thin film
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JP4261808A
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Narimoto Otani
成元 大谷
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 DRAMのキャパシタの誘電体膜などに用い
られる高誘電率薄膜の形成方法に関し、常誘電体である
CaTiO3を平坦にかつ比誘電率を大きくして高誘電率薄膜
に形成する方法を提供する。 【構成】 電子部品におけるCaO ・nTiO2 の高誘電率薄
膜を成膜する際に、一分子分よりも少ない量のCaO と所
定割合量のTiO2とを交互に積層するように構成する。そ
れぞれの積層時間を、CaO でX/P とし、TiO2でnY/Pと
し、ここでXはCaO一分子分の堆積時間であり、YはTiO
2一分子分の堆積時間であり、Pはサイクル積層回数で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高誘電率薄膜、より詳
しくは、ダイナミックメモリ素子(DRAM)のキャパ
シタの誘電体膜、厚膜トランジスタ(TFT)のゲート
絶縁膜、エレクトロ・ルミネッセンス(EL)素子の絶
縁膜などの電子部品に用いられる高誘電率薄膜の形成方
法に関する。
【0002】DRAMの場合には、α線によるソフトエ
ラーを防止するために、メモリセル当たりの信号電荷量
を、メモリセルの微細化に伴うセル面積の減少が図られ
ているにもかかわらず減らすことはできない。そこで、
キャパシタ容量を確保するために、溝掘り(トレンチ)
構造、積み上げ(スタック)構造が提案されている。ま
た、現在、開発が進められている64Mビットメモリで
は、メモリセル面積が1.5〜2μm2 と微小になり、電
界強度と信頼性確保のため、、さらに、消費電力増大の
抑制のために、低電圧動作も必要になる。信号電荷量は
静電容量と動作電圧との積となるので、電源電圧の低下
は静電容量の増加で補う必要がある。
【0003】
【従来の技術】一方、容量確保のためにキャパシタの容
量絶縁膜を薄膜化することは、物理的限界に直面しつつ
ある。それは、従来用いられてきたSi3N4/SiO2積層膜で
は、SiO2膜換算で5nm以下に薄膜化すると、リーク電流
が増大してしまうからである。したがって、64Mビッ
トメモリを実現するには容量絶縁膜として、SiO2膜換算
で4nm以下に薄膜化可能な容量絶縁膜が必要とされる。
この要求に答えるべく、PZT、CaTiO3、SrTiO3、PbTi
O3、BaTiO3などの高誘電率材料を薄膜することが研究開
発されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらの高誘電率材料
のうち、PZT、PbTiO3およびBaTiO3は、室温で強誘電
体となっており、比誘電率が大きい(PZTで1000
以上)が、誘電率の経時変化が懸念されている。一方、
CaTiO3、SrTiO3は室温で強誘電体でないために、誘電率
の経時変化が少ないという利点を有しているが、PZT
に比べて比誘電率が小さい(Pt/Si 上の薄膜でε:10
0程度)という問題がある。
【0005】CaTiO3はSrTiO3よりも取扱いが容易であ
り、DRAMキャパシタの容量絶縁膜への採用が期待さ
れている。さらに、これらのようなペロブスカイト酸化
物をlayer by layer法で成膜する場合には、同時成膜に
比べて低温成長が可能なことが知られている。550℃
以下の成長温度であれば、アルミニウム配線層や拡散領
域に悪影響を及ぼすことはない。しかしながら、ペロブ
スカイト酸化物にCaが含まれている場合のlayer by lay
er法成膜では、膜の平坦性が失われて表面凹凸が顕著に
なる。これは、成長中のRHEED その場観察により、Caが
二次元的に成長しないで、三次元的に成長するためであ
る。
【0006】本発明の目的は、常誘電体であるCaTiO3
平坦にかつ比誘電率を大きくして高誘電率薄膜に形成す
る方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上述の目的が、電子部品
におけるCaO ・nTiO2 の高誘電率薄膜を成膜する際に、
一分子分よりも少ない量のCaO と所定割合量のTiO2とを
layer by layer法で交互に積層することを特徴とする高
誘電率薄膜の形成方法によって達成される。一分子分よ
りも少ない量のCaO と所定割合量のTiO2とを交互に積層
させるために、それぞれの積層時間を、CaO でX/P と
し、TiO2でnY/Pとし、ここでXはCaO一分子分の堆積時
間であり、YはTiO2一分子分の堆積時間であり、Pはサ
イクル積層回数である。
【0008】P回積層する際に、CaO 積層およびTiO2
層の一サイクル毎に堆積中断インターバルを設けること
が好ましく、そのインターバル時間を一サイクル積層の
積層時間(X/P +nY/P)より長くすることが望ましい。
【0009】
【作用】CaO ・nTiO2 の高誘電率薄膜をlayer by layer
法で成膜する際に、成長(堆積)中のRHEED その場観察
により、Caが二次元的に成長するだけでなく、三次元的
に成長する箇所もあることが分かっているが、続けてTi
O2を成長すると、積層膜はある程度、二次元的なものに
回復することも分かった。これらのことから、交互積層
でのCaO を一分子分完全に積む前に、TiO2を積層するこ
とによって、形成膜を二次元的に成長させることが可能
になる。
【0010】
【実施例】以下、添付図面を参照して、本発明の実施態
様例および比較例によって本発明を詳細に説明する。Ca
O ・nTiO2 の高誘電率薄膜を成膜する場合には、次のよ
うにして行う。先ず、シリコン基板(ウエハー)上に高
周波マグネトロン・スパッタリング法によって白金(P
t)薄膜(厚さ:100nm)を下部電極として形成す
る。このスパッタリング条件は、Ptのターゲット使用、
高周波電力:200〜400W、アルゴン(Ar)雰囲
気、真空度:0.5Pa、基板温度:常温である。
【0011】この基板3を、図1に示すような公知のM
OMBE装置(metal orgnic molecular beam epitaxia
l growth system 、有機金属CVD装置と分子線エピタ
キシャル装置とを組み合わせた装置)の成長真空室1内
に設けられたヒータ内蔵のサセプタ2に取り付ける。こ
のMOMBE装置は、チタンのガスソース供給器4、C
a用クヌードセン・セル5および酸素プラズマ発生用の
ECR(電子サイクロトロン共鳴)装置6を備えてお
り、さらにQMS(四重極質量分析計)11、RHEE
Dスクリーン12、RHEED用電子銃13およびQu
artz(水晶振動子膜厚計)14が設置されている。
【0012】ガスソース供給器4は、テトライソプロポ
キシチタン(Ti(i-OC3H7)4、液体)41を収容した容器
42と、ヒータ43と、アルゴンキャリアガス用導入管
44と、成長真空室1につながった供給管45とからな
る。比較例として、従来のlayer by layer法で一分子分
のCaO と0.5〜3分子分のTiO2を交互積層してCaO ・nT
iO2 の高誘電率薄膜を成膜する。
【0013】成長真空室1内を減圧して成長真空圧(酸
素分圧)1〜9×10-5Torrにし、基板3を500〜6
00℃に加熱する。クヌードセン・セル7を470℃に
してCaの分子線を基板3へ向けて放射し、そして、E
CR8からの酸素によって酸化してCaO を1分子分だけ
基板3上に堆積する。次に、クヌードセン・セル7から
のSrの分子線放射を停止して、ガスソース供給器4の
ヒータ43によってTi(i-OC3H7)441を50℃に加熱
し、2sccmのArガスを導入管44から容器42内に導入
してチタン含有ガスを供給管45から成長真空室1内へ
供給する。そして、ECR8からの酸素によって酸化し
てn=0.5、1、1.5、2、2.5または3の分子数のTi
O2を基板3上でCaO の上に堆積する。このようにCaO −
TiO2……CaO −TiO2の交互堆積を繰り返して100nm厚
さのCaO ・nTiO2 高誘電率薄膜を形成した。
【0014】上述した薄膜形成において、TiO2量を変え
て(すなわち、仕込みのTiO2量(n)を変えて)、成膜
して得られた高誘電率膜は、図2に示す比誘電率であっ
た。TiO2量がn=1〜2の間で膜の比誘電率は大きくな
り、TiO2量がn=2(CaO ・2TiO2 )のときの値が最大
(ε:115)となる。TiO2量がn=3を越えると、比
誘電率は急速に低下する。
【0015】本発明に係る薄膜形成方法にしたがって、
CaO ・2TiO2 高誘電率膜を、CaO を完全に一分子分積む
前にTiO2を積むようにして交互積層で成膜する。例え
ば、CaO の積層一回およびTiO2の積層一回で一サイクル
として、サイクル積層回数が5回の場合には、CaO を1
/5分子分そしてTiO2を2/5分子分の堆積(積層)を
繰り返す。このような1/5分子分の積層は堆積時間の
制御で行うことが出来る。CaO 一分子およびTiO2一分子
の堆積時間が、それぞれ100秒および50秒であるな
らば、CaO を1/5分子分およびTiO2を2/5分子分積
層するには、それぞれ20秒および20秒である。した
がって、一サイクル積層の時間は合計の40秒である。
【0016】このような積層方法で、図3に示すよう
に、従来例と同じシリコン基板21上の白金(Pt)膜
22の上に、1/5分子分のCaO と2/5分子分のTiO2
とを繰返し積層し、5サイクル積層で1分子CaO と2分
子TiO2とからなるCaO ・2TiO2が構成でき、所定厚さに
なるまで交互積層を行う。得られたCaO ・2TiO2 高誘電
率膜はその比誘電率がε=155になり、上述した従来
例の場合での値よりも大きくなった。
【0017】さらに、一サイクル積層毎の後に、堆積中
断インターバルを導入すると、上述の1/5分子分のCa
O と2/5分子分のTiO2の繰返し積層して高誘電率膜を
成膜する場合では、図4に示すように、比誘電率が向上
する。この堆積中断インターバルの間に、堆積した構成
分子が、結晶格子の所定位置への移動が促進されて、膜
の平坦性と誘電率との同時に高めることになる。図4か
ら明らかなように、堆積中断インターバル時間が長くな
るほど、比誘電率も大きくなり、一サイクル積層時間
(40秒)よりも長いことが好ましい。インターバル時
間が80秒のとき、CaO ・2TiO2 高誘電率膜はその比誘
電率がε=188になり、堆積中断インターバルなしの
場合での値よりも大きくなった。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る高誘
電率薄膜の形成方法では、室温で常誘電体であるCaO-nT
iO2 をlayer by layer方式で成膜し、CaO を一分子分堆
積する前にTiO2を堆積するようにして交互積層して、得
られる膜の平坦化および高誘電率化が図れる。さらに、
成膜途中で堆積中断インターバルを設けることによっ
て、もっと誘電率を高めることができる。常誘電体であ
るので、ヒステリシスを有しておらず、膜疲労が小さ
く、経時変化の少ない高誘電率薄膜が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】MOMBE装置の概略図である。
【図2】従来方法による高誘電率薄膜のTiO2量(n)と
比誘電率との関係を示すグラフである。
【図3】本発明に係る成膜方法での高誘電率薄膜の概略
断面図である。
【図4】高誘電率薄膜形成時の堆積中断インターバル時
間と比誘電率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…成長真空室 2…サセプタ 3…基板 4…ガスソース供給器 5…クヌードセン・セル 6…ECR 21…シリコン基板 22…白金(Pt)膜 41…Ti(i-OC3H7)4 42…容器 43…ヒータ 45…供給管

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電子部品におけるCaO ・nTiO2 の高誘電
    率薄膜を成膜する際に、一分子分よりも少ない量のCaO
    と所定割合量のTiO2とを交互に積層することを特徴とす
    る高誘電率薄膜の形成方法。
  2. 【請求項2】 前記nの値が1〜2の範囲にあることを
    特徴とする請求項1記載の形成方法。
  3. 【請求項3】 前記CaO とTiO2とを交互に積層させる際
    に、それぞれの積層時間を、CaO でnX/Pとし、TiO2でnY
    /Pとする(ここでXはCaO 一分子分の堆積時間であり、
    YはTiO2一分子分の堆積時間であり、Pはサイクル積層
    回数である)ことを特徴とする請求項1記載の形成方
    法。
  4. 【請求項4】 P回積層する際に、CaO 積層およびTiO2
    積層の一サイクル毎に堆積中断インターバルを設けるこ
    とを特徴とする請求項3記載の形成方法。
  5. 【請求項5】 前記堆積中断インターバルの時間を、一
    サイクル積層の積層時間(X/P +nY/P)より長い時間と
    することを特徴とする請求項4記載の形成方法。
JP4261808A 1992-09-30 1992-09-30 高誘電率薄膜の形成方法 Withdrawn JPH06112431A (ja)

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