JPH09331020A - 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 - Google Patents
誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法Info
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- JPH09331020A JPH09331020A JP8145422A JP14542296A JPH09331020A JP H09331020 A JPH09331020 A JP H09331020A JP 8145422 A JP8145422 A JP 8145422A JP 14542296 A JP14542296 A JP 14542296A JP H09331020 A JPH09331020 A JP H09331020A
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Classifications
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G4/00—Fixed capacitors; Processes of their manufacture
- H01G4/33—Thin- or thick-film capacitors
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- H01L28/40—Capacitors
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 本発明は、高温通電での通電時間に伴うリー
ク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び信頼性
に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法を
提供することを目的としている。 【解決手段】 基板１上に下部電極４と誘電体薄膜５と
上部電極層６とが順次形成されて構成される誘電体薄膜
キャパシタ素子において、誘電体薄膜５が少なくともチ
タン及びストロンチウムを構成元素としエルビウムを含
有する酸化物材料から成ることを特徴とする誘電体薄膜
キャパシタ素子。
ク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び信頼性
に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法を
提供することを目的としている。 【解決手段】 基板１上に下部電極４と誘電体薄膜５と
上部電極層６とが順次形成されて構成される誘電体薄膜
キャパシタ素子において、誘電体薄膜５が少なくともチ
タン及びストロンチウムを構成元素としエルビウムを含
有する酸化物材料から成ることを特徴とする誘電体薄膜
キャパシタ素子。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＩＣ用キャパシ
タ、不揮発性メモリ素子等の電子部品に用いられる誘電
体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法に関するもので
ある。
タ、不揮発性メモリ素子等の電子部品に用いられる誘電
体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ＤＲＡＭの信号蓄積用キャパ
シタ、ＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Ci
rcuit）マイクロ波素子用キャパシタ等に代表されるＩ
Ｃ用の誘電体薄膜キャパシタの誘電体材料には、Ｔａ2
Ｏ5（五酸化タンタル）、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、
及びＳｉＮ（窒化シリコン）が主に使用されてきた。し
かしながら、近年では、半導体技術の進歩による電子部
品の小型化や高集積化に伴い、キャパシタ面積の縮小化
のために誘電体膜の極薄膜化や３次元構造化が行われて
いる。このため、半導体素子の作製工程はますます複雑
化し、微細加工技術も限界に近づき、歩留まりや信頼性
等に問題を生じている。そこで、従来と比較して誘電率
が高い誘電体薄膜が必要となり、現在では、上記のＳｉ
Ｏ2やＳｉＮと比較して誘電率が高い、ＳｒＴｉＯ3（チ
タン酸ストロンチウム）や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（チ
タン酸バリウムストロンチウム）等からなる酸化物高誘
電体薄膜の研究が盛んに進められている。
シタ、ＭＭＩＣ（Microwave Monolithic Integrated Ci
rcuit）マイクロ波素子用キャパシタ等に代表されるＩ
Ｃ用の誘電体薄膜キャパシタの誘電体材料には、Ｔａ2
Ｏ5（五酸化タンタル）、ＳｉＯ2（二酸化シリコン）、
及びＳｉＮ（窒化シリコン）が主に使用されてきた。し
かしながら、近年では、半導体技術の進歩による電子部
品の小型化や高集積化に伴い、キャパシタ面積の縮小化
のために誘電体膜の極薄膜化や３次元構造化が行われて
いる。このため、半導体素子の作製工程はますます複雑
化し、微細加工技術も限界に近づき、歩留まりや信頼性
等に問題を生じている。そこで、従来と比較して誘電率
が高い誘電体薄膜が必要となり、現在では、上記のＳｉ
Ｏ2やＳｉＮと比較して誘電率が高い、ＳｒＴｉＯ3（チ
タン酸ストロンチウム）や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3（チ
タン酸バリウムストロンチウム）等からなる酸化物高誘
電体薄膜の研究が盛んに進められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来のＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物
高誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ素子では、
信頼性が大きな問題となっていた。即ち、通常の電子部
品の信頼性試験で行われるような、キャパシタをある一
定の温度に保持しある一定の電圧を印加する高温通電試
験において、十分に実用化が可能な特性が得られる高誘
電体薄膜キャパシタ素子は実現できていなかった。例え
ば、１００℃一定に保持し１０Ｖバイアス印加した場合
の高温通電試験においては、約１０時間程度でリーク電
流が３桁から４桁増大してしまい、キャパシタとしての
必要な絶縁性が保てないキャパシタの抵抗劣化という問
題が生じていた。
従来のＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物
高誘電体薄膜を用いた誘電体薄膜キャパシタ素子では、
信頼性が大きな問題となっていた。即ち、通常の電子部
品の信頼性試験で行われるような、キャパシタをある一
定の温度に保持しある一定の電圧を印加する高温通電試
験において、十分に実用化が可能な特性が得られる高誘
電体薄膜キャパシタ素子は実現できていなかった。例え
ば、１００℃一定に保持し１０Ｖバイアス印加した場合
の高温通電試験においては、約１０時間程度でリーク電
流が３桁から４桁増大してしまい、キャパシタとしての
必要な絶縁性が保てないキャパシタの抵抗劣化という問
題が生じていた。
【０００４】このようなキャパシタの抵抗劣化の原因と
して、下記のような理由によるものと考えられる。Ｓｒ
ＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物高誘電体薄
膜において、薄膜成長中にはその中に酸素の格子欠陥
（酸素空孔）が発生する。この酸素空孔を含んだ誘電体
薄膜から成るキャパシタ素子においては、酸素空孔が＋
２価に帯電しているので、高温通電試験での温度加熱と
電極への電圧印加により、酸素空孔が陰極側に移動して
行く。そして、陰極側に移動した酸素空孔は、陰極とＳ
ｒＴｉＯ3又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3とのポテンシャル
バリアのために陰極に移動できず、陰極／誘電体薄膜界
面でパイルアップ（pile up）する。このとき、電気的
補償のため陰極側から電子が注入される。また、一方陽
極側からは、新たに酸素空孔が導入されるが、この際電
子をキャリアとして発生させる。これらの現象により、
誘電体薄膜全体としては、誘電率が時間とともに高くな
り、リーク電流が上昇する。
して、下記のような理由によるものと考えられる。Ｓｒ
ＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物高誘電体薄
膜において、薄膜成長中にはその中に酸素の格子欠陥
（酸素空孔）が発生する。この酸素空孔を含んだ誘電体
薄膜から成るキャパシタ素子においては、酸素空孔が＋
２価に帯電しているので、高温通電試験での温度加熱と
電極への電圧印加により、酸素空孔が陰極側に移動して
行く。そして、陰極側に移動した酸素空孔は、陰極とＳ
ｒＴｉＯ3又は（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3とのポテンシャル
バリアのために陰極に移動できず、陰極／誘電体薄膜界
面でパイルアップ（pile up）する。このとき、電気的
補償のため陰極側から電子が注入される。また、一方陽
極側からは、新たに酸素空孔が導入されるが、この際電
子をキャリアとして発生させる。これらの現象により、
誘電体薄膜全体としては、誘電率が時間とともに高くな
り、リーク電流が上昇する。
【０００５】これに対し、この酸素空孔を補償してキャ
パシタの劣化を防ぐため、成膜後に酸素雰囲気中で加熱
処理をする酸素アニール処理や、酸素プラズマ処理を施
すことが考えられる。しかしながら、これらの処理を行
っても、酸素が熱平衡的に安定に誘電体結晶格子に組み
込まれないため、誘電体薄膜の成膜後に酸素空孔を低減
することは困難なことである。
パシタの劣化を防ぐため、成膜後に酸素雰囲気中で加熱
処理をする酸素アニール処理や、酸素プラズマ処理を施
すことが考えられる。しかしながら、これらの処理を行
っても、酸素が熱平衡的に安定に誘電体結晶格子に組み
込まれないため、誘電体薄膜の成膜後に酸素空孔を低減
することは困難なことである。
【０００６】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたものであって、高温通電での通電時間に伴
うリーク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び
信頼性に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造
方法を提供することを目的としている。
めになされたものであって、高温通電での通電時間に伴
うリーク電流の増大を抑制することができ、絶縁性及び
信頼性に優れた誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造
方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では、基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部
電極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパ
シタ素子において、誘電体薄膜が少なくともチタン及び
ストロンチウムを構成元素としエルビウムを含有する酸
化物材料から成ることとしている。
め、本発明では、基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部
電極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパ
シタ素子において、誘電体薄膜が少なくともチタン及び
ストロンチウムを構成元素としエルビウムを含有する酸
化物材料から成ることとしている。
【０００８】さらに、本発明では、上記の誘電体薄膜キ
ャパシタ素子において、誘電体薄膜のエルビウムの含有
率が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であるこ
ととしている。
ャパシタ素子において、誘電体薄膜のエルビウムの含有
率が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であるこ
ととしている。
【０００９】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチ
タン酸ストロンチウムから成ることとしている。
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチ
タン酸ストロンチウムから成ることとしている。
【００１０】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチ
タン酸バリウムストロンチウムから成ることとしてい
る。
パシタ素子において、誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏ
ｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチ
タン酸バリウムストロンチウムから成ることとしてい
る。
【００１１】また、、本発明では、基板上に下部電極と
誘電体薄膜と上部電極層とが順次形成されて構成される
誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法において、少なく
ともチタン、ストロンチウム、及びエルビウムを含有す
る酸化物材料から成るスパッタターゲットを用いてスパ
ッタ法により前記誘電体薄膜を形成することとしてい
る。
誘電体薄膜と上部電極層とが順次形成されて構成される
誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法において、少なく
ともチタン、ストロンチウム、及びエルビウムを含有す
る酸化物材料から成るスパッタターゲットを用いてスパ
ッタ法により前記誘電体薄膜を形成することとしてい
る。
【００１２】さらに、本発明では、上記の誘電体薄膜キ
ャパシタ素子の製造方法において、スパッタターゲット
としてチタン酸ストロンチウム粉体と酸化エルビウム粉
体とが混合されて成り酸化エルビウムの混合モル比が
０．００５％以上０．１％以下のスパッタターゲットを
用いて、誘電体薄膜としてエルビウムを含有するチタン
酸ストロンチウム薄膜を形成することとしている。
ャパシタ素子の製造方法において、スパッタターゲット
としてチタン酸ストロンチウム粉体と酸化エルビウム粉
体とが混合されて成り酸化エルビウムの混合モル比が
０．００５％以上０．１％以下のスパッタターゲットを
用いて、誘電体薄膜としてエルビウムを含有するチタン
酸ストロンチウム薄膜を形成することとしている。
【００１３】また、本発明では、上記の誘電体薄膜キャ
パシタ素子の製造方法において、スパッタターゲットと
してチタン酸バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉
体と酸化エルビウム粉体とが混合されて成り酸化エルビ
ウムの混合モル比が０．００５％以上０．１５％以下の
スパッタターゲットを用いて、誘電体薄膜としてエルビ
ウムを含有するチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を
形成することとしている。
パシタ素子の製造方法において、スパッタターゲットと
してチタン酸バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉
体と酸化エルビウム粉体とが混合されて成り酸化エルビ
ウムの混合モル比が０．００５％以上０．１５％以下の
スパッタターゲットを用いて、誘電体薄膜としてエルビ
ウムを含有するチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を
形成することとしている。
【００１４】本発明による作用は以下のように考えられ
る。上述したとおり、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔ
ｉＯ3等の酸化物高誘電体薄膜中に酸素空孔が存在する
場合、電子がキャリアとして導入され、薄膜中に含まれ
る酸素空孔が多いほど、その誘電体薄膜の比抵抗は低下
する。この酸素空孔は、酸素がＳｒ又はＢａと同時に結
晶の格子位置から抜けることにより発生し易いものであ
り、ショットキー型欠陥と呼ばれるものである。
る。上述したとおり、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔ
ｉＯ3等の酸化物高誘電体薄膜中に酸素空孔が存在する
場合、電子がキャリアとして導入され、薄膜中に含まれ
る酸素空孔が多いほど、その誘電体薄膜の比抵抗は低下
する。この酸素空孔は、酸素がＳｒ又はＢａと同時に結
晶の格子位置から抜けることにより発生し易いものであ
り、ショットキー型欠陥と呼ばれるものである。
【００１５】ＳｒＴｉＯ3薄膜又は（Ｂａ，Ｓｒ）Ｔｉ
Ｏ3薄膜の成長中にＥｒが添加されると、ＥｒがＳｒと
置換され、このときＥｒが＋３価であるのでＳｒ格子位
置では＋１価となり、電子のドナーとして働く。したが
って、例えば、ＳｒＴｉＯ3薄膜の場合、Ｅｒがドープ
されたＳｒＴｉＯ3薄膜内部では、質量保存の法則と電
気的中性条件とから下記のような関係式が成立する。
Ｏ3薄膜の成長中にＥｒが添加されると、ＥｒがＳｒと
置換され、このときＥｒが＋３価であるのでＳｒ格子位
置では＋１価となり、電子のドナーとして働く。したが
って、例えば、ＳｒＴｉＯ3薄膜の場合、Ｅｒがドープ
されたＳｒＴｉＯ3薄膜内部では、質量保存の法則と電
気的中性条件とから下記のような関係式が成立する。
【００１６】ｎ＋２［ＶSr］＝ｐ＋２［ＶO］＋［Ｍh］ ここで、ｎは電子濃度、ｐは正孔濃度、［ＶSr］はＳｒ
の格子欠陥密度（−２価）、［ＶO］は酸素空孔濃度
（＋２価）、［Ｍh］はドープされたＥｒの濃度を示し
ている。この関係式から、［Ｍh］が存在していること
により［ＶO］の生成が少なくてもよくなるので、Ｅｒ
がＳｒ格子位置に置換されることにより、ショットキー
型欠陥による誘電体薄膜成長中の酸素空孔の発生を抑制
できることになる。ただし、Ｅｒの濃度が高くなり過ぎ
ると、キャリア濃度が増え過ぎるために、逆に抵抗率が
減少することになるので、酸素空孔の発生を抑制するの
に必要なＥｒの濃度の上限が存在するものである。ま
た、Ｅｒは、原子価として安定に＋３価をとり、Ｔｉサ
イトに容易に置換されるので、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，
Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物誘電体薄膜中でドナーとして
働くものである。
の格子欠陥密度（−２価）、［ＶO］は酸素空孔濃度
（＋２価）、［Ｍh］はドープされたＥｒの濃度を示し
ている。この関係式から、［Ｍh］が存在していること
により［ＶO］の生成が少なくてもよくなるので、Ｅｒ
がＳｒ格子位置に置換されることにより、ショットキー
型欠陥による誘電体薄膜成長中の酸素空孔の発生を抑制
できることになる。ただし、Ｅｒの濃度が高くなり過ぎ
ると、キャリア濃度が増え過ぎるために、逆に抵抗率が
減少することになるので、酸素空孔の発生を抑制するの
に必要なＥｒの濃度の上限が存在するものである。ま
た、Ｅｒは、原子価として安定に＋３価をとり、Ｔｉサ
イトに容易に置換されるので、ＳｒＴｉＯ3や（Ｂａ，
Ｓｒ）ＴｉＯ3等の酸化物誘電体薄膜中でドナーとして
働くものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の一形態につ
いて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実
施形態により作製された誘電体薄膜キャパシタ素子の断
面構造を示す概略図である。図１に示すように、この誘
電体薄膜キャパシタ素子は、ｎ型シリコン基板１上に、
シリコン熱酸化膜２、Ｔｉ接着層３、Ｐｔ下部電極層
４、チタン及びストロンチウムを構成元素としエルビウ
ムを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５、Ｐｔ上
部電極層６が、それぞれ順次形成されているものであ
る。
いて、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実
施形態により作製された誘電体薄膜キャパシタ素子の断
面構造を示す概略図である。図１に示すように、この誘
電体薄膜キャパシタ素子は、ｎ型シリコン基板１上に、
シリコン熱酸化膜２、Ｔｉ接着層３、Ｐｔ下部電極層
４、チタン及びストロンチウムを構成元素としエルビウ
ムを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５、Ｐｔ上
部電極層６が、それぞれ順次形成されているものであ
る。
【００１８】なお、図１に示した構造は、あくまでも、
後述する本実施形態による誘電体薄膜キャパシタ素子の
基本的な電気特性を評価するためのものであり、本発明
による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造がこれに限定さ
れるものでなく、実際には、ＤＲＡＭやＭＭＩＣ等のメ
モリ素子を初めとする様々なデバイスに適宜自由な設計
で用いられるものである。
後述する本実施形態による誘電体薄膜キャパシタ素子の
基本的な電気特性を評価するためのものであり、本発明
による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造がこれに限定さ
れるものでなく、実際には、ＤＲＡＭやＭＭＩＣ等のメ
モリ素子を初めとする様々なデバイスに適宜自由な設計
で用いられるものである。
【００１９】次いで、第１の実施形態の誘電体薄膜キャ
パシタ素子の作製について説明する。まず、ｎ型シリコ
ン基板１の表面に、絶縁層として、膜厚２００ｎｍのシ
リコン熱酸化膜２を熱酸化法により形成した。そして、
このシリコン熱酸化膜２上に膜厚３０ｎｍのＴａ接着層
３と、膜厚２００ｎｍのＰｔ下部電極層４とを、ＤＣス
パッタ法により順次形成した。
パシタ素子の作製について説明する。まず、ｎ型シリコ
ン基板１の表面に、絶縁層として、膜厚２００ｎｍのシ
リコン熱酸化膜２を熱酸化法により形成した。そして、
このシリコン熱酸化膜２上に膜厚３０ｎｍのＴａ接着層
３と、膜厚２００ｎｍのＰｔ下部電極層４とを、ＤＣス
パッタ法により順次形成した。
【００２０】次に、このようにして形成したＰｔ下部電
極層４上に、チタン及びストロンチウムを構成元素とし
エルビウムを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５
をＲＦスパッタ法（高周波スパッタ法）を用いて形成し
た。本実施形態では、誘電体薄膜５として、エルビウム
の含有量を変化させたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴ
ｉＯ3）薄膜（以下ＳＴＯ薄膜と記載する）を形成した
ものと、エルビウムの含有量を変化させたチタン酸バリ
ウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）薄膜
（以下ＢＳＴ薄膜と記載する）を形成したものとのそれ
ぞれ複数のサンプルを作製した。
極層４上に、チタン及びストロンチウムを構成元素とし
エルビウムを含有する酸化物材料から成る誘電体薄膜５
をＲＦスパッタ法（高周波スパッタ法）を用いて形成し
た。本実施形態では、誘電体薄膜５として、エルビウム
の含有量を変化させたチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴ
ｉＯ3）薄膜（以下ＳＴＯ薄膜と記載する）を形成した
ものと、エルビウムの含有量を変化させたチタン酸バリ
ウムストロンチウム（（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3）薄膜
（以下ＢＳＴ薄膜と記載する）を形成したものとのそれ
ぞれ複数のサンプルを作製した。
【００２１】ここで、誘電体薄膜５の形成について説明
する。スパッタターゲットとしては、酸化エルビウム
（Ｅｒ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中又はＢＳＴＯ薄膜中のエル
ビウム（Ｅｒ）濃度が所望の濃度になるように、ＳｒＴ
ｉＯ3粉体又はＳｒＴｉＯ3粉体及びＢａＴｉＯ3粉体に
十分に混合し焼結させたものを用いた。すなわち、Ｅｒ
の含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合に
は、ＳｒＴｉＯ3粉体とＥｒ2Ｏ3粉体とのモル比が１：
ｘ／２００のモル比になるように混合し焼結させたもの
を用いた。また、Ｅｒの含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄
膜を形成する場合、ＢａＴｉＯ3粉体とＳｒＴｉＯ3粉体
とＥｒ2Ｏ3粉体とのモル比が０．７：０．３：ｘ／２０
０のモル比になるように混合し焼結させたものを用い
た。
する。スパッタターゲットとしては、酸化エルビウム
（Ｅｒ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中又はＢＳＴＯ薄膜中のエル
ビウム（Ｅｒ）濃度が所望の濃度になるように、ＳｒＴ
ｉＯ3粉体又はＳｒＴｉＯ3粉体及びＢａＴｉＯ3粉体に
十分に混合し焼結させたものを用いた。すなわち、Ｅｒ
の含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合に
は、ＳｒＴｉＯ3粉体とＥｒ2Ｏ3粉体とのモル比が１：
ｘ／２００のモル比になるように混合し焼結させたもの
を用いた。また、Ｅｒの含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄
膜を形成する場合、ＢａＴｉＯ3粉体とＳｒＴｉＯ3粉体
とＥｒ2Ｏ3粉体とのモル比が０．７：０．３：ｘ／２０
０のモル比になるように混合し焼結させたものを用い
た。
【００２２】そして、誘電体薄膜５の成膜に先立って、
スパッタターゲット表面を成膜しようとする薄膜（ＳＴ
Ｏ薄膜又はＢＳＴ薄膜）の成膜条件と同条件で１０分間
予備スパッタした後、ＳＴＯ薄膜又はＢＳＴ薄膜の成膜
を行った。このときの、予備スパッタ及びＳＴＯ薄膜又
はＢＳＴ薄膜の成膜条件は、表１に示すように、スパッ
タＲＦパワー４．２５Ｗ／ｃｍ2、スパッタ圧力（成膜
室内ガス圧力）２Ｐａ、スパッタガスがＯ2というもの
であり、この条件で膜厚３００ｎｍのＳＴＯ薄膜又はＢ
ＳＴ薄膜を形成した。また、基板温度は、ＳＴＯ薄膜成
膜時には３２５℃、ＢＳＴ薄膜成膜時には３５０℃とし
た。
スパッタターゲット表面を成膜しようとする薄膜（ＳＴ
Ｏ薄膜又はＢＳＴ薄膜）の成膜条件と同条件で１０分間
予備スパッタした後、ＳＴＯ薄膜又はＢＳＴ薄膜の成膜
を行った。このときの、予備スパッタ及びＳＴＯ薄膜又
はＢＳＴ薄膜の成膜条件は、表１に示すように、スパッ
タＲＦパワー４．２５Ｗ／ｃｍ2、スパッタ圧力（成膜
室内ガス圧力）２Ｐａ、スパッタガスがＯ2というもの
であり、この条件で膜厚３００ｎｍのＳＴＯ薄膜又はＢ
ＳＴ薄膜を形成した。また、基板温度は、ＳＴＯ薄膜成
膜時には３２５℃、ＢＳＴ薄膜成膜時には３５０℃とし
た。
【００２３】なお、本実施形態においては、ＳＴＯ薄膜
についてはＥｒの含有量を０，０．０１，０．０１５，
０．０２，０．０５，０．１０，０．１５，０．２，
０．３ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し、ＢＳ
Ｔ薄膜についてはＥｒの含有量を０，０．０１，０．０
１５，０．０２，０．０５，０．１０，０．２，０．
３，Ｏ．４ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し
た。
についてはＥｒの含有量を０，０．０１，０．０１５，
０．０２，０．０５，０．１０，０．１５，０．２，
０．３ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し、ＢＳ
Ｔ薄膜についてはＥｒの含有量を０，０．０１，０．０
１５，０．０２，０．０５，０．１０，０．２，０．
３，Ｏ．４ｍｏｌ％とした９種類のサンプルを作製し
た。
【００２４】
【表１】
【００２５】その後、本実施形態による誘電体薄膜キャ
パシタ素子の電気特性を評価するために、上記のそれぞ
れのサンプルの誘電体薄膜５上に、膜厚１００ｎｍのＰ
ｔ上部電極層６を、直径１００μｍの円形で電子ビーム
蒸着法により形成し、図１に示したような構造の誘電体
薄膜キャパシタ素子の作製を完了した。
パシタ素子の電気特性を評価するために、上記のそれぞ
れのサンプルの誘電体薄膜５上に、膜厚１００ｎｍのＰ
ｔ上部電極層６を、直径１００μｍの円形で電子ビーム
蒸着法により形成し、図１に示したような構造の誘電体
薄膜キャパシタ素子の作製を完了した。
【００２６】なお、基板、絶縁層、接着層、及び電極層
のそれぞれの材料、膜厚、形成方法等については、本発
明が本実施形態に限定されるものではない。
のそれぞれの材料、膜厚、形成方法等については、本発
明が本実施形態に限定されるものではない。
【００２７】上記のようにして作製した合計１８種類の
誘電体薄膜キャパシタ素子のサンプルについて、それぞ
れのＰｔ上部電極６とＰｔ下部電極４との間に１０Ｖの
直流電圧７を印加した状態で、温度を１００℃に保持し
て（高温通電）、それぞれのサンプルのリーク電流の時
間変化を測定した。そして、それぞれのＥｒ含有量（Ｅ
ｒドープ量）が異なるサンプルについて、高温通電開始
後にリーク電流が１桁増加するまでの時間（ｔｃｈ）を
測定した結果と、誘電率及び比抵抗を測定した結果とを
表２及び表３に示す。
誘電体薄膜キャパシタ素子のサンプルについて、それぞ
れのＰｔ上部電極６とＰｔ下部電極４との間に１０Ｖの
直流電圧７を印加した状態で、温度を１００℃に保持し
て（高温通電）、それぞれのサンプルのリーク電流の時
間変化を測定した。そして、それぞれのＥｒ含有量（Ｅ
ｒドープ量）が異なるサンプルについて、高温通電開始
後にリーク電流が１桁増加するまでの時間（ｔｃｈ）を
測定した結果と、誘電率及び比抵抗を測定した結果とを
表２及び表３に示す。
【００２８】
【表２】
【００２９】
【表３】
【００３０】また、表２の測定結果に基づき、Ｅｒドー
プＳＴＯ薄膜におけるｔｃｈのＥｒドープ量依存性をグ
ラフ化したものを図２に、ＥｒドープＳＴＯ薄膜におけ
る誘電率のＥｒドープ量依存性をグラフ化したものを図
３に、ＥｒドープＳＴＯ薄膜における比抵抗のＥｒドー
プ量依存性をグラフ化したものを図４にそれぞれ示す。
表２及び図２から、Ｅｒのドープ量（含有量）が０即ち
Ｅｒを含有しないもののｔｃｈが５時間であるのと比較
すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．２ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが４００時間以上と
優れた特性が得られ、特にＥｒのドープ量（含有量）が
０．０１５ｍｏｌ％以上０．１０ｍｏｌ％以下ではｔｃ
ｈが１０００時間以上と非常に優れた特性が得られてい
る。
プＳＴＯ薄膜におけるｔｃｈのＥｒドープ量依存性をグ
ラフ化したものを図２に、ＥｒドープＳＴＯ薄膜におけ
る誘電率のＥｒドープ量依存性をグラフ化したものを図
３に、ＥｒドープＳＴＯ薄膜における比抵抗のＥｒドー
プ量依存性をグラフ化したものを図４にそれぞれ示す。
表２及び図２から、Ｅｒのドープ量（含有量）が０即ち
Ｅｒを含有しないもののｔｃｈが５時間であるのと比較
すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．２ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが４００時間以上と
優れた特性が得られ、特にＥｒのドープ量（含有量）が
０．０１５ｍｏｌ％以上０．１０ｍｏｌ％以下ではｔｃ
ｈが１０００時間以上と非常に優れた特性が得られてい
る。
【００３１】表２及び図３から、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０即ちＥｒを含有しないものの誘電率が１２０で
あるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．
０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では誘電率が１１
０以上と十分な高誘電率を有する良好な特性が得られて
いる。表２及び図４から、Ｅｒのドープ量（含有量）が
０即ちＥｒを含有しないものの比抵抗が５．２×１０13
Ωｃｍであるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では比
抵抗が３．０×１０14Ωｃｍ以上と優れた特性が得ら
れ、特にＥｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．１５ｍｏｌ％以下では比抵抗が５．０×１０14
Ωｃｍ以上と非常に優れた特性が得られている。
量）が０即ちＥｒを含有しないものの誘電率が１２０で
あるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．
０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では誘電率が１１
０以上と十分な高誘電率を有する良好な特性が得られて
いる。表２及び図４から、Ｅｒのドープ量（含有量）が
０即ちＥｒを含有しないものの比抵抗が５．２×１０13
Ωｃｍであるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下では比
抵抗が３．０×１０14Ωｃｍ以上と優れた特性が得ら
れ、特にＥｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．１５ｍｏｌ％以下では比抵抗が５．０×１０14
Ωｃｍ以上と非常に優れた特性が得られている。
【００３２】また、表３の測定結果に基づき、Ｅｒドー
プＢＳＴ薄膜におけるｔｃｈのＥｒドープ量依存性をグ
ラフ化したものを図５に、ＥｒドープＢＳＴ薄膜におけ
る誘電率のＥｒドープ量依存性をグラフ化したものを図
６に、ＥｒドープＢＳＴ薄膜における比抵抗のＥｒドー
プ量依存性をグラフ化したものを図７にそれぞれ示す。
表３及び図５から、Ｅｒのドープ量（含有量）が０即ち
Ｅｒを含有しないもののｔｃｈが６時間であるのと比較
すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．３ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが６００時間以上と
優れた特性が得られ、特にＥｒのドープ量（含有量）が
０．０２ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが
１０００時間以上と非常に優れた特性が得られている。
プＢＳＴ薄膜におけるｔｃｈのＥｒドープ量依存性をグ
ラフ化したものを図５に、ＥｒドープＢＳＴ薄膜におけ
る誘電率のＥｒドープ量依存性をグラフ化したものを図
６に、ＥｒドープＢＳＴ薄膜における比抵抗のＥｒドー
プ量依存性をグラフ化したものを図７にそれぞれ示す。
表３及び図５から、Ｅｒのドープ量（含有量）が０即ち
Ｅｒを含有しないもののｔｃｈが６時間であるのと比較
すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．３ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが６００時間以上と
優れた特性が得られ、特にＥｒのドープ量（含有量）が
０．０２ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下ではｔｃｈが
１０００時間以上と非常に優れた特性が得られている。
【００３３】表３及び図６から、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０即ちＥｒを含有しないものの誘電率が１３０で
あるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．
０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では誘電率が１１
０以上と十分な高誘電率を有する良好な特性が得られて
いる。表３及び図７から、Ｅｒのドープ量（含有量）が
０即ちＥｒを含有しないものの比抵抗が４．１×１０13
Ωｃｍであるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では比
抵抗が３．０×１０14Ωｃｍ以上と優れた特性が得ら
れ、特にＥｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．２ｍｏｌ％以下では比抵抗が５．０×１０14Ω
ｃｍ以上と非常に優れた特性が得られている。
量）が０即ちＥｒを含有しないものの誘電率が１３０で
あるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有量）が０．
０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では誘電率が１１
０以上と十分な高誘電率を有する良好な特性が得られて
いる。表３及び図７から、Ｅｒのドープ量（含有量）が
０即ちＥｒを含有しないものの比抵抗が４．１×１０13
Ωｃｍであるのと比較すると、Ｅｒのドープ量（含有
量）が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下では比
抵抗が３．０×１０14Ωｃｍ以上と優れた特性が得ら
れ、特にＥｒのドープ量（含有量）が０．０１ｍｏｌ％
以上０．２ｍｏｌ％以下では比抵抗が５．０×１０14Ω
ｃｍ以上と非常に優れた特性が得られている。
【００３４】以上のことから、ＳＴＯ薄膜については、
Ｅｒの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著
な効果がみられた。そして、ＢＳＴ薄膜については、Ｅ
ｒの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下
においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著な
効果がみられた。また、本発明によれば、酸素空孔が存
在し少なくともチタン及びストロンチウムを構成元素と
する誘電体薄膜に、Ｅｒ含有させることにより、誘電
率、比抵抗を劣化させることなく、薄膜中の酸素空孔を
減少させることできるものと考えられ、信頼性に優れた
誘電体薄膜キャパシタ素子を得ることができる。
Ｅｒの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以
下においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著
な効果がみられた。そして、ＢＳＴ薄膜については、Ｅ
ｒの含有量が０．０１ｍｏｌ％以上０．３ｍｏｌ％以下
においてｔｃｈが長くなりキャパシタ劣化に対し顕著な
効果がみられた。また、本発明によれば、酸素空孔が存
在し少なくともチタン及びストロンチウムを構成元素と
する誘電体薄膜に、Ｅｒ含有させることにより、誘電
率、比抵抗を劣化させることなく、薄膜中の酸素空孔を
減少させることできるものと考えられ、信頼性に優れた
誘電体薄膜キャパシタ素子を得ることができる。
【００３５】次に、上記実施形態においては、ＳＴＯ薄
膜及びＢＳＴ薄膜のそれぞれにＥｒを含有させたものに
ついて説明したが、ここで、比較例としてＥｒと同じ＋
３価のランタン（Ｌａ）を含有させたＳＴＯ薄膜を上記
実施形態のＥｒ含有ＳＴＯ薄膜と同様にして作製し、そ
れらの成膜回数に対するＳＴＯ薄膜中のＥｒ又はＬａの
含有量を調べた結果について説明する。なお、比較例の
作製において、上記実施形態と異なるのは、誘電体薄膜
成膜時のスパッタターゲットとして、酸化ランタン（Ｌ
ａ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中のランタン（Ｌａ）濃度が所望
の濃度になるように、ＳｒＴｉＯ3粉体に十分に混合し
焼結させたものを用いただけであり、すなわち、Ｌａの
含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合には、
ＳｒＴｉＯ3粉体とＬａ2Ｏ3粉体とのモル比が１：ｘ／
２００のモル比になるように混合し焼結させたものを用
いたものである。
膜及びＢＳＴ薄膜のそれぞれにＥｒを含有させたものに
ついて説明したが、ここで、比較例としてＥｒと同じ＋
３価のランタン（Ｌａ）を含有させたＳＴＯ薄膜を上記
実施形態のＥｒ含有ＳＴＯ薄膜と同様にして作製し、そ
れらの成膜回数に対するＳＴＯ薄膜中のＥｒ又はＬａの
含有量を調べた結果について説明する。なお、比較例の
作製において、上記実施形態と異なるのは、誘電体薄膜
成膜時のスパッタターゲットとして、酸化ランタン（Ｌ
ａ2Ｏ3）をＳＴＯ薄膜中のランタン（Ｌａ）濃度が所望
の濃度になるように、ＳｒＴｉＯ3粉体に十分に混合し
焼結させたものを用いただけであり、すなわち、Ｌａの
含有量がｘｍｏｌ％のＳＴＯ薄膜を形成する場合には、
ＳｒＴｉＯ3粉体とＬａ2Ｏ3粉体とのモル比が１：ｘ／
２００のモル比になるように混合し焼結させたものを用
いたものである。
【００３６】上記実施形態のＳＴＯ薄膜のＥｒの含有量
が０．０５ｍｏｌ％となるようにして同一スパッタター
ゲットを用いてスパッタ法による成膜を複数回行い成膜
されたＳＴＯ薄膜中のＥｒ含有量と、本比較例のＳＴＯ
薄膜のＬａの含有量が０．０５ｍｏｌ％となるようにし
て同一スパッタターゲットを用いてスパッタ法による成
膜を複数回行い成膜されたＳＴＯ薄膜中のＬａ含有量と
をそれぞれ調べた結果を図８に示す。図８から、Ｅｒ含
有ＳＴＯ薄膜では５回の成膜回数のいずれでもＥｒ含有
量が０．０５ｍｏｌ％と一定になっているのに対して、
Ｌａ含有ＳＴＯ薄膜では成膜回数が増すに従いＬａ含有
量が低下し成膜回数５回ではＬａ含有量が０．０１ｍｏ
ｌ％になっている。このことから、Ｅｒを含有する誘電
体薄膜が、生産性に優れたスパッタ法を用いて再現性良
く形成することができ、特性が均一な誘電体薄膜キャパ
シタ素子を高い生産性で製造可能であることがわかる。
が０．０５ｍｏｌ％となるようにして同一スパッタター
ゲットを用いてスパッタ法による成膜を複数回行い成膜
されたＳＴＯ薄膜中のＥｒ含有量と、本比較例のＳＴＯ
薄膜のＬａの含有量が０．０５ｍｏｌ％となるようにし
て同一スパッタターゲットを用いてスパッタ法による成
膜を複数回行い成膜されたＳＴＯ薄膜中のＬａ含有量と
をそれぞれ調べた結果を図８に示す。図８から、Ｅｒ含
有ＳＴＯ薄膜では５回の成膜回数のいずれでもＥｒ含有
量が０．０５ｍｏｌ％と一定になっているのに対して、
Ｌａ含有ＳＴＯ薄膜では成膜回数が増すに従いＬａ含有
量が低下し成膜回数５回ではＬａ含有量が０．０１ｍｏ
ｌ％になっている。このことから、Ｅｒを含有する誘電
体薄膜が、生産性に優れたスパッタ法を用いて再現性良
く形成することができ、特性が均一な誘電体薄膜キャパ
シタ素子を高い生産性で製造可能であることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】以上のように、本発明の誘電体薄膜キャ
パシタ素子及び誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法に
よれば、直流電圧印加で１０００時間以上高温動作して
も絶縁性がほとんど劣化しない誘電体薄膜キャパシタ素
子を得ることができるので、信頼性に優れたＩＣ用薄膜
キャパシタを実現することが可能となる。
パシタ素子及び誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法に
よれば、直流電圧印加で１０００時間以上高温動作して
も絶縁性がほとんど劣化しない誘電体薄膜キャパシタ素
子を得ることができるので、信頼性に優れたＩＣ用薄膜
キャパシタを実現することが可能となる。
【図１】本発明による誘電体薄膜キャパシタ素子の構造
を示す断面概略図である。
を示す断面概略図である。
【図２】ＥｒドープＳＴＯ薄膜におけるｔｃｈのＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図３】ＥｒドープＳＴＯ薄膜における誘電率のＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図４】ＥｒドープＳＴＯ薄膜における比抵抗のＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図５】ＥｒドープＢＳＴ薄膜におけるｔｃｈのＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図６】ＥｒドープＢＳＴ薄膜における誘電率のＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図７】ＥｒドープＢＳＴ薄膜における比抵抗のＥｒド
ープ量依存性を示す図である。
ープ量依存性を示す図である。
【図８】ＳＴＯ薄膜中のＬａあるいはＥｒ量の成膜回数
依存性を示す図である。
依存性を示す図である。
１ ｎ型シリコン基板 ２ シリコン熱酸化膜 ３ Ｔｉ接着層 ４ Ｐｔ下部電極層 ５ 誘電体薄膜 ６ Ｐｔ上部電極層
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｇ 4/33 Ｈ０１Ｇ 4/06 １０２ Ｈ０１Ｌ 27/10 ４５１ Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ 27/108 29/78 ３７１ 21/8242 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者 大谷 昇 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 矢野 盛規 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内
Claims (7)
- 【請求項１】 基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電
極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシ
タ素子において、 前記誘電体薄膜が少なくともチタン及びストロンチウム
を構成元素としエルビウムを含有する酸化物材料から成
ることを特徴とする誘電体薄膜キャパシタ素子。 - 【請求項２】 前記誘電体薄膜のエルビウムの含有率が
０．０１ｍｏｌ％以上０．２ｍｏｌ％以下であることを
特徴とする請求項１に記載の誘電体薄膜キャパシタ素
子。 - 【請求項３】 前記誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏｌ
％以上０．２ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチタ
ン酸ストロンチウムから成ることを特徴とする請求項２
に記載の誘電体薄膜キャパシタ素子。 - 【請求項４】 前記誘電体薄膜が含有量０．０１ｍｏｌ
％以上０．３ｍｏｌ％以下のエルビウムを含有するチタ
ン酸バリウムストロンチウムから成ることを特徴とする
請求項１に記載の誘電体薄膜キャパシタ素子。 - 【請求項５】 基板上に下部電極と誘電体薄膜と上部電
極層とが順次形成されて構成される誘電体薄膜キャパシ
タ素子の製造方法において、 少なくともチタン、ストロンチウム、及びエルビウムを
含有する酸化物材料から成るスパッタターゲットを用い
てスパッタ法により前記誘電体薄膜を形成することを特
徴とする誘電体薄膜キャパシタ素子の製造方法。 - 【請求項６】 前記スパッタターゲットとしてチタン酸
ストロンチウム粉体と酸化エルビウム粉体とが混合され
て成り酸化エルビウムの混合モル比が０．００５％以上
０．１％以下のスパッタターゲットを用いて、誘電体薄
膜としてエルビウムを含有するチタン酸ストロンチウム
薄膜を形成することを特徴とする請求項５に記載の誘電
体薄膜キャパシタ素子の製造方法。 - 【請求項７】 前記スパッタターゲットとしてチタン酸
バリウム粉体とチタン酸ストロンチウム粉体と酸化エル
ビウム粉体とが混合されて成り酸化エルビウムの混合モ
ル比が０．００５％以上０．１５％以下のスパッタター
ゲットを用いて、誘電体薄膜としてエルビウムを含有す
るチタン酸バリウムストロンチウム薄膜を形成すること
を特徴とする請求項５に記載の誘電体薄膜キャパシタ素
子の製造方法。
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|---|---|---|---|
| JP8145422A JPH09331020A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 |
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|---|---|---|---|
| JP8145422A JPH09331020A (ja) | 1996-06-07 | 1996-06-07 | 誘電体薄膜キャパシタ素子及びその製造方法 |
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