JPH0652775B2 - 薄膜コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents
薄膜コンデンサおよびその製造方法Info
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- JPH0652775B2 JPH0652775B2 JP29498390A JP29498390A JPH0652775B2 JP H0652775 B2 JPH0652775 B2 JP H0652775B2 JP 29498390 A JP29498390 A JP 29498390A JP 29498390 A JP29498390 A JP 29498390A JP H0652775 B2 JPH0652775 B2 JP H0652775B2
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Description
の製造方法に関する。
ます進展しており、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はトランジスタ等の能動
素子との集積回路において小型化の遅れている素子であ
り、このことが超高集積回路の実現を阻む大きな要因の
ひとつとなっている。これは、従来用いられている誘電
体材料がSiO2,Si3N4等のような誘電率がたかだ
か10以下の材料に限られているためであり、薄膜コン
デンサを小型化し、しかも高い容量を実現するために
は、より誘電率の大きな誘電体薄膜材料を開発すること
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BiTiO3,SrTiO3,P
bTiO3,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、上記の単一組成および相互の固溶体組成で、単結晶
あるいはセラミックスにおいて、100以上10000
にも及ぶ誘電率を有することが知られており、セラミク
スコンデンサに広く用いられている。これら材料の薄膜
化は上述のコンデンサの小型化にきわめて有効であり、
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結果としては、プロシーディング
・オブ・アイ・イー・イー・イー・(Proceeding of the
IEEE)第59巻10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及び熱処理を行っ
たBiTiO3薄膜で16(室温で作製)から1900
(1200℃熱処理)の誘電率が得られている。
多結晶シリコンやシリコン基板の一部に不純物を高濃度
にドーピングした抵抗シリコン(以下これらをシリコン
電極と呼ぶ。)、あるいは金やアルミニウム等の金属材
料である。しかしながら、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 Jo
urnal of Research and Dev
elopment)1969年11月号686〜695
頁に所載のSrTiO3に関する論文において、687
〜688頁の記載に「シリコン電極上および多くの金属
電極上に高誘電率材料の薄膜を形成する場合には金属電
極の酸化層が界面に形成されてしまう」と報告してい
る。この界面層は誘電率が低い層であるため、結果とし
てシリコン電極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。また、PtやAu等の貴
金属電極を用いれば界面の酸化層の形成を防ぐことがで
きるが、高誘電率膜の絶縁性が悪い。これは高誘電率膜
を作製する400℃以上の温度では上記の貴金属電極は
再結晶によって表面荒さを生じ、その上に形成される誘
電体膜の膜厚が不均一になるためである。同様の他の報
告の例としてはジャーナル・オブ・バキューム・サイエ
ンス・アンド・テクノロジー(Journal of Vaccum Scien
ce and Technology)第16巻2号315〜318頁に所
載のBiTiO3に関する論文において316頁の記載
にみることができる。誘電体膜上に形成する上部電極に
ついても同様な問題がある。例えば、上部電極として一
般に用いられるA1やシリコンを使用した場合、薄膜キ
ャパシタ形成後のプロセスで高温熱処理を行うと誘電体
膜と上部電極間で反応が起こり誘電率の低下あるいは絶
縁体の劣化を招く。
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応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。
においては、基板上に下部電極,誘電体膜,上部電極が
順次積層された構造の薄膜コンデンサであって、 誘電体は、化学式ABO3で表わされ、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料、あるいはBi4Ti3O12からなるものであ
り、 下部電極および上部電極の少なくとも一方は、化学式A
BO3-δで表わされ、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料(ただし0<δ<3)あるいはBi4Ti3O
12-δ(ただし0<δ<12)の導電性酸化物からなる
ものであるる 本発明による薄膜コンデンサの製造方法は、導電性酸化
薄膜を形成する工程と、絶縁性酸化薄膜を形成する工程
とを有し、下部電極,誘電体膜,上部電極が順次積層さ
れた薄膜コンデンサを製造する方法であって、 導電性酸化薄膜を形成する工程は、下部電極および上部
電極を形成する工程であり、ターゲットに化学式ABO
3で表わされる材料を用い、イオンビームスパッタ法に
より上部電極あるいは下部電極として酸素欠損による導
電性酸化薄膜を形成するものであり、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料もしくはBi4TiO12である。
に誘電体形成と類似の作製プロセスで形成できる酸素欠
損を有する導電性酸化膜を用いるものであり、高温プロ
セスで表面荒れや誘電体との反応を起こさず、絶縁性に
優れる。
る。
シリコン膜2が形成され、酸化シリコン膜2上に下部電
極3として、導電性のSrTiO3-δ膜(以下、酸素欠
損のSrTiO3-δを導電性SrTiO3,化学量論組
成のSrTiO3を絶縁性のSrTiO3と呼び区別す
る。)が形成され、下部電極3上に誘電体膜4として絶
縁性SrTiO3膜が形成され、その上に上部電極5と
してA1膜が形成されている。
晶シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を1μm形成し
た。雰囲気は酸素ガスと水素ガスの流量比を1:1に制
御し温度は1100℃で熱酸化を行った。
基板温度540℃,イオン源の出力1000V,40m
Aで導電性SrTiO3薄膜を5000Å形成した。続
いて、O2を6×10-5Torr導入し、絶縁性SrT
iO3薄膜を1000Å形成した。その上に上部電極と
してA1膜を1μm形成した。HF:HNO3:H2O=
1:1:10の混合液で下部電極が現れるまでエッチン
グし、第1図に示す薄膜キャパシタを作製した。
電性のSrTiO3膜を用いたものとの絶縁破壊電圧の
比較を第2図(a),(b)に示す。誘電体膜には絶縁
性SrTiO3膜をイオンビームスパッタ法で1000
Å形成した。下部電極に導電性のSrTiO3膜を用い
たほうが絶縁破壊電圧が高い。これは、誘電体膜を成膜
する際の高温プロセスにおいてPb電極を用いた場合、
表面荒さが導電性SrTiO3膜を用いた場合と比べ
て、1桁以上大きいためであることがわかった。
単結晶シリコン基板6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7を形成し、その上に層間絶縁膜
として酸化シリコン膜8が形成されている。酸化シリコ
ン膜8の一部には低抵抗層7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導電性SrTiO3膜9で埋め
られており、もう一方のコンタクトホールはA1膜で埋
められている。したがって、A1膜は下部電極10の端
子となる。下部電極10のA1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8上に形成され
ても良い。下部電極10上には実施例1の条件で誘電体
膜11として絶縁性SrTiO3膜が形成され、さらに
その上には上部電極12としてA1膜が形成されてい
る。
じて引き出すために、下部電極膜を単結晶シリコン上に
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。
上に下部電極として導電性SrTiO3膜を形成しても
良い。このとき、多結晶シリコン上に直接、絶縁性Sr
TiO3膜を形成すると界面に低誘電率の酸化シリコン
層などが形成されるため、見かけ上の誘電率は絶縁性S
rTiO3膜の膜厚に大きく依存し、膜厚が小さい領域
では誘電率は低下する。本発明の導電性SrTiO3膜
を用いた場合、誘電率は絶縁性SrTiO3膜の膜厚に
依存せず約200で一定の値となった。
リコン基板13上に絶縁層として酸化シリコン膜14が
形成され、酸化シリコン膜14上に下部電極15として
Pd膜を形成し、下部電極15上に誘電体膜16として
絶縁性SrTiO3膜が形成され、誘電体膜16上に上
部電極17として、導電性SrTiO3膜が形成されて
いる。
囲気中で900℃,30分熱処理を行うとリーク電流が
増大し絶縁特性が著しく低下した。しかしながら、上部
電極として導電性SrTiO3膜を用いることにより、
薄膜キャパシタ形成後の900℃の熱処理プロセスにも
耐えられることが確認された。
リコン基板18に絶縁層として酸化シリコン膜19が形
成され、酸化シリコン膜19上に下部電極20として導
電性SrTiO3膜が形成され、下部電極20上に誘電
体膜21として絶縁性SrTiO3膜が形成され、誘電
体膜21上に上部電極22として、誘電性SrTiO3
膜が形成されている。この構造においても優れた絶縁特
性を有することを確認した。上部電極,下部電極として
共に導電性SrTiO3膜を用いることで、まず、素子
を形成した段階での薄膜コンデンサの絶縁特性が従来の
シリコン電極,金属電極を用いた場合と比べて良好であ
り、また、素子形成後、熱処理プロセスを施しても特性
劣化がなく、高い容量密度と優れた絶縁特性を有しシリ
コン集積回路に適応可能な薄膜コンデンサが実現され
る。また、酸化シリコン膜の代わりにシリコン電極を用
いた場合も同様の結果が得られた。
ンビームスパッタ法を用いた。高誘電率薄膜およびその
酸素欠損による導電性酸化物薄膜を形成するために用い
たイオンビームスパッタ装置はカウフマン型イオン源,
ニュートラライザ,基板加熱機構を装備し、基板付近に
はO2,O3,H2O等のガスの導入口がある。チャンバ
ー内の真空度を1×10-5〜5×10-3Torr,イオ
ン源の出力を500〜1300V,10〜80mAと
し、ターゲットに化学量論組成のSrTiO3を用いて
基板温度300℃〜700℃で成膜したときのSrTi
O3の成膜速度は10〜40Å/secである。
性の薄膜が形成される。例えば、薄厚3500Åの時、
シート抵抗は100Ω/□であり、十分な導電性を有す
る。X線回折法によりSrTiO3のピークが確認され
て結晶化している。膜は黒色を呈しており、ラザフォー
ド後方散乱法により化学量論組成よりOが少ないことが
わかった。従来用いられている高周波スパッタ法では基
板がプラズマに曝されているため、ターゲットからスパ
ッタされたO原子が活性化され膜内に十分取り込まれて
しまう。したがって、上記のような酸素欠損のために導
電性を有する酸化物薄膜の形成は不可能であった。しか
し、イオンビームスパッタ法ではプラズマはイオン源の
内部にほぼとどまっており、スパッタされた粒子がプラ
ズマにより活性化されることは少ないので、絶縁体のタ
ーゲットから導電性酸化物の薄膜が形成されると考えら
れる。
するSrTiO3薄膜が形成される。例えば、基板温度
540℃,薄膜500Åで誘電率は200となった。こ
の膜もX線回折法によりSrTiO3のピークが確認さ
れた。O2分圧が1×10-3TorrになるまでO2を流
しても絶縁性に変化はなかった。第6図はO2分圧と誘
電体膜の抵抗率の関係を示したグラフである。O2分圧
が1×10-6Torrより小さければ導電性の膜が形成
される。すなわち、本発明のごとくイオンビームスパッ
タ法を用い雰囲気を制御することによって導電性および
絶縁性の酸化物薄膜が形成でき、これによって上記実施
例のごとき構造が実現できる。
極、あるいは上部電極に、高温プロセスで表面荒れや誘
電体との反応を起こさず、しかも誘電体形成と類似の作
製プロセスで形成できる酸素欠損を有する導電性酸化膜
を用いることにより、絶縁特性に優れた薄膜コンデンサ
を容易に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
電率を実現することができる。
す薄膜コンデンサの側面断面図、第2図(a),(b)
は絶縁破壊強度のヒストグラム図、第6図はO2分圧と
抵抗率の関係を示した図である。 1,6,13,18…シリコン基板 2,8,14,19…酸化シリコン膜 3,10,15,20…下部電極 5,12,17,22…上部電極 4,11,16,21…絶縁体膜
Claims (2)
- 【請求項1】基板上に下部電極,誘電体膜,上部電極が
順次積層された構造の薄膜コンデンサであって、 誘電体は、化学式ABO3で表わされ、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料、あるいはBi4Ti3O12からなるものであ
り、 下部電極および上部電極の少なくとも一方は、化学式A
BO3-δで表わされ、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料(ただし0<δ<3)あるいはBi4Ti3O
12-δ(ただし0<δ<12)の導電性酸化物からなる
ものであることを特徴とする薄膜コンデンサ。 - 【請求項2】導電性酸化薄膜を形成する工程と、絶縁性
酸化薄膜を形成する工程とを有し、下部電極,誘電体
膜,上部電極が順次積層された薄膜コンデンサを製造す
る方法であって、 導電性酸化薄膜を形成する工程は、下部電極および上部
電極を形成する工程であり、ターゲットに化学式ABO
3で表わされる材料を用い、イオンビームスパッタ法に
より上部電極あるいは下部電極として酸素欠損による導
電性酸化薄膜を形成するものであり、 Aは、Ba,Sr,Pb,La,Liの少なくとも一種
以上を含む材料であり、 Bは、Zr,Ti,Ta,Nbの少なくとも一種以上を
含む材料もしくはBi4TiO12であることを特徴とす
る薄膜コンデンサの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29498390A JPH0652775B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 薄膜コンデンサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP29498390A JPH0652775B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 薄膜コンデンサおよびその製造方法 |
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JPH04167554A JPH04167554A (ja) | 1992-06-15 |
JPH0652775B2 true JPH0652775B2 (ja) | 1994-07-06 |
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ID=17814830
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29498390A Expired - Lifetime JPH0652775B2 (ja) | 1990-10-31 | 1990-10-31 | 薄膜コンデンサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0652775B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2788835B2 (ja) * | 1993-03-17 | 1998-08-20 | 日本電気株式会社 | 薄膜キャパシタおよびその製造方法 |
JPH09139480A (ja) * | 1995-01-27 | 1997-05-27 | Toshiba Corp | 薄膜キャパシタおよびこれを用いた半導体記憶装置 |
JPH10190925A (ja) | 1996-12-20 | 1998-07-21 | Canon Inc | 画像読取り装置 |
-
1990
- 1990-10-31 JP JP29498390A patent/JPH0652775B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04167554A (ja) | 1992-06-15 |
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