JPH0974168A - 誘電体薄膜素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、バルクに近い比誘電率を有し、リ
ーク電流が少なく、またロット間のばらつきが少ない誘
電体薄膜を、短い成膜時間で安定して供給する製造方法
及び誘電体薄膜素子を提供することによって、高度なデ
バイス用途にも給し得ることを目的としている。 【解決手段】 少なくとも電極と誘電体薄膜からなる誘
電体薄膜素子であって、前記誘電体薄膜が複数の層から
なる積層体であり、その積層体が酸素を含む同一種類の
元素からなり、前記複数の誘電体薄膜層の内の少なくと
も１層に含まれる酸素の含有量が他の誘電体薄膜層に含
まれる酸素の含有量と異なることを特徴とする誘電体薄
膜素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は誘電体薄膜素子及び
その製造方法に関する。さらに詳しくは、記憶素子、焦
電素子、圧電素子、電気光学素子等に用いられる誘電体
薄膜素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘電体は、その特異な電気特性を利用し
て、エレクトロニクス分野において、従来から様々な応
用が検討されている。例えば、その焦電性を利用して赤
外線リニアアレイセンサに、また、その圧電性を利用し
て超音波センサに、その電気光学効果を利用して導波路
型光変調器に、その高誘電性を利用してＤＲＡＭ（Dyna
mic Random Access Memory）用キャパシタにと、様々な
方面で用いられている。

【０００３】ＤＲＡＭは１９７０年に構造や製法の簡単
な電荷蓄積固体メモリとして登場して以来、その集積度
を増しつつ広く用いられている。ＤＲＡＭの高集積化、
即ちキャパシタセル面積の縮小にともなう必要電荷量を
確保するため、スタック型キャパシタセルや、トレンチ
型キャパシタセル等の、キャパシタ有効面積を増加しキ
ャパシタ膜厚を減少する方法が採用されてきた。しか
し、このような立体構造では、プロセスの複雑化による
工程の増加及び段差の増大による歩留まりの低下による
製造コストの上昇が問題視されている。この点から、従
来誘電体材料として用いられていたＳｉＯ₂ やＳｉＮ_x
に比べ比誘電率ε_r の大きな高誘電率薄膜をキャパシタ
材料に用いたプレーナ構造が検討されている。

【０００４】このような高誘電率薄膜材料としては例え
ば、ＳｒＴｉＯ₃ （チタン酸ストロンチウム）、（Ｂａ
_x Ｓｒ_1-x ）ＴｉＯ₃ （チタン酸バリウムストロンチウ
ム）、（Ｐｂ_x Ｌａ_1-x ）（Ｚｒ_y Ｔｉ_1-y ）Ｏ₃ （チ
タン酸ジルコン酸ランタン鉛）などが挙げられる。なか
でも、現在最も有望な材料としてＳｒＴｉＯ₃ 系材料が
精力的に研究されている。しかし、実用化にあたって
は、誘電率、リーク電流、温度特性等の特性改善と共
に、低温成膜化が望まれている。

【０００５】誘電体薄膜の製造方法には、真空蒸着法、
スパッタリング法、レーザーアブレーション法等の物理
的方法、及び、有機金属化合物を出発原料とし、これら
を熱分解して誘電体を得るゾルゲル法、ＣＶＤ（Chemic
al Vapor Deposition ）法等の化学的方法が用いられて
いる。

【０００６】なかでも、原料粉末の焼結体（いわゆるタ
ーゲット）を真空室内に設置し外部より高周波電界を印
加し、真空室内に導入したＡｒ，Ｈｅ等の不活性ガスと
Ｏ₂等の反応性ガスとでプラズマを発生させてターゲッ
トの表面から原子、分子、イオン、クラスター状になっ
たターゲット構成元素がターゲットと対向する位置に設
置された基板上に所望の膜を堆積するスパッタリング法
はスパッタ粒子の持つエネルギーを用いることにより他
の成膜法と比べ低温成膜が期待できることから、高い誘
電率を有するＳｒＴｉＯ₃ 薄膜等の形成法として注目さ
れ、様々な検討がなされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の製造方法を用いた場合、以下の問題点があった。例
えば、スパッタリングガスとして不活性ガスであるＡｒ
とＯ₂ との混合ガスを用い、Ａｒ分圧比がＯ₂ 分圧比よ
り高いガスを用いて形成した誘電体薄膜においては、薄
膜中に十分な酸素が取り込まれていないため、この薄膜
を用いて誘電体薄膜素子を作成した場合、結晶格子の酸
素欠損により、リーク電流が大きい、バルクのような高
い比誘電率が得られない等の問題が生じていた。また、
ターゲットとして用いている酸化物焼結体においても酸
素欠損が生じて、形成される薄膜中の酸素量にロット間
でばらつきが生じ、良好な誘電特性を持った薄膜が安定
して得られないという問題もあった。

【０００８】一方、スパッタリングガスとしてＡｒとＯ
₂ との混合ガスを用い、Ｏ₂ 分圧比がＡｒ分圧比より高
いガスを用いて形成した酸化物誘電体薄膜においては、
薄膜中に十分な酸素が取り込まれるものの、Ａｒ分圧比
がＯ₂ 分圧比より高いガスを用いて形成した場合に比べ
膜の堆積速度が遅くなり、成膜時間が長くなるというデ
メリットがあった。

【０００９】また例えば、上記従来の製造方法を用いて
ＡｒとＯ₂ との混合ガス中で一定の基板温度に保持して
成膜を行った後にＯ₂ 雰囲気中で熱処理する方法を用い
ることによって、リーク電流の低減や、比誘電率の向上
が試みられているが、成膜温度と同じ或いは以下の温度
での熱処理では十分な改善がみられないため、成膜温度
より高い温度での熱処理が必要でありプロセス温度を低
下できないという問題が生じていた。

【００１０】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、低い成膜温度でリーク電流
が低く、高い比誘電率を有する誘電体薄膜からなる誘電
体薄膜素子及びその製造方法を提供することを目的とす
るものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の誘電体
薄膜素子においては、複数の誘電体薄膜層のそれぞれ
が、酸素を含む同一種類の元素からなり、複数の誘電体
薄膜層の内、下部の電極に接する層を含む、少なくとも
１層に含まれる酸素の含有量が他の誘電体薄膜層に含ま
れる酸素の含有量より多いことを特徴とするので、少な
くとも下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸素欠損が
少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成することができる
ため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた誘電体薄
膜素子が得られる。

【００１２】請求項２に記載の誘電体薄膜素子において
は、積層体の複数の誘電体薄膜層が２層からなることを
特徴とするので、下部電極との界面の誘電体層に膜中の
酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成するこ
とができるため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れ
た誘電体薄膜素子が得られる。

【００１３】請求項３に記載の誘電体薄膜素子において
は、２層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴｉＯｘで表され
る材料からなり、下側の誘電体薄膜層に含まれる酸素の
含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００の範囲にあり、上側
の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量ｘが２．６３＜
ｘ＜３．００の範囲にあることを特徴とするので、下部
電極との界面の誘電体層に膜中の酸素欠損が少ない良質
の酸化物誘電体薄膜を形成することができるため、リー
ク電流の少ない、誘電特性に優れた誘電体薄膜素子が得
られる。

【００１４】請求項４に記載の誘電体薄膜素子において
は、積層体の複数の誘電体薄膜層が３層からなり、３層
の誘電体薄膜層のうち中間に位置する誘電体薄膜層に含
まれる酸素の含有量が他の誘電体薄膜層に含まれる酸素
の含有量より少ないことを特徴とするので、上部電極及
び下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸素欠損が少な
い良質の酸化物誘電体薄膜を形成することができるた
め、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた誘電体薄膜
素子が得られる。

【００１５】請求項５に記載の誘電体薄膜素子において
は、３層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴｉＯｘで表され
る材料からなり、前記３層の誘電体薄膜層のうち中間に
位置する層に含まれる酸素の含有量ｘが２．６３＜ｘ＜
３．００の範囲にあり、他の誘電体薄膜層に含まれる酸
素の含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００の範囲にあるこ
とを特徴とするので、上部電極及び下部電極との界面の
誘電体層に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体
薄膜を形成することができるため、リーク電流の少な
い、誘電特性に優れた誘電体薄膜素子が得られる。

【００１６】請求項６に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法においては、スパッタリングガスとして不活性ガスと
Ｏ₂ とを用いて、前記積層体の誘電体薄膜を堆積しなが
ら、少なくとも１回以上不活性ガスとＯ₂とのスパッタ
リングガス分圧比を変化させて積層体を形成し、積層体
の内、下部の電極に接する誘電体薄膜層を含む少なくと
も１層の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量が他の誘
電体薄膜層に含まれる酸素の含有量より多くなることを
特徴とするので、少なくとも、下部電極との界面の誘電
体層に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜
を形成することができるため、リーク電流の少ない、誘
電特性に優れた誘電体薄膜素子を製造することができ
る。また、誘電体膜の成膜途中で、Ｏ₂ のみに比べて高
い成膜速度の得られるスパッタリングガスを用いて誘電
体薄膜層を製造するので、成膜時間を短縮することがで
きる。さらに、ターゲットとして用いている酸化物焼結
体においても酸素欠損を抑制或いは補完し、ロット間で
のばらつきが少ない良好な誘電特性を持った薄膜を安定
して製造できるという利点も有する。

【００１７】請求項７に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法においては、第１のスパッタリングガスとしてＯ₂ の
みを用いて、第１の誘電体薄膜層を堆積し、第２のスパ
ッタリングガスとして不活性ガスとＯ₂ との混合ガスを
用いて第２の誘電体薄膜層を堆積し、第１の誘電体薄膜
層に含まれる酸素の含有量が第２の誘電体薄膜層に含ま
れる酸素の含有量より多くなるようにすることを特徴と
するので、下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸素欠
損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成することがで
きるため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた誘電
体薄膜素子を製造することができる。また、誘電体膜の
成膜途中で、Ｏ₂ のみに比べて高い成膜速度の得られる
スパッタリングガスを用いて第２の誘電体薄膜層を製造
するので、成膜時間を短縮することができる。さらに、
ターゲットとして用いている酸化物焼結体においても酸
素欠損を抑制或いは補完し、ロット間でのばらつきが少
ない良好な誘電特性を持った薄膜を安定して製造できる
という利点も有する。

【００１８】請求項８に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法においては、第１のスパッタリングガスとしてＯ₂ の
みを用いて、３層の誘電体薄膜層のうち第１の誘電体薄
膜層を堆積し、第２のスパッタリングガスとして不活性
ガスのみを用いて、第２の誘電体薄膜層を堆積し、第３
のスパッタリングガスとして再度Ｏ₂ のみを用いて第３
の誘電体薄膜層を堆積し、第２の誘電体薄膜層に含まれ
る酸素の含有量が第１及び第３の誘電体薄膜層に含まれ
る酸素の含有量より少なくなるようにすることを特徴と
するので、上部電極及び下部電極との界面の誘電体層に
膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成
することができるため、リーク電流の少ない、誘電特性
に優れた誘電体薄膜素子を製造することができる。ま
た、第２の誘電体薄膜層を、不活性ガスのみで形成する
ことが可能であるため、成膜時間を短縮することができ
る。さらに、ターゲットとして用いている酸化物焼結体
においても酸素欠損を抑制或いは補完し、ロット間での
ばらつきが少ない良好な誘電特性を持った薄膜を安定し
て製造できるという利点も有する。

【００１９】請求項９に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法においては、第１のスパッタリングガスとしてＯ₂ の
みを用いて、３層の誘電体薄膜層のうち第１の誘電体薄
膜層を堆積し、第２のスパッタリングガスとして不活性
ガスとＯ₂ との混合ガスを用いて、第２の誘電体薄膜層
を堆積し、第３のスパッタリングガスとして再度Ｏ₂の
みを用いて第３の誘電体薄膜層を堆積し、第２の誘電体
薄膜層に含まれる酸素の含有量が第１及び第３の誘電体
薄膜層に含まれる酸素の含有量より少なくなるようにす
ることを特徴とするので、上部電極及び下部電極との界
面の誘電体層に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘
電体薄膜を形成することができるため、リーク電流の少
ない、誘電特性に優れた誘電体薄膜素子を製造すること
ができる。また、誘電体膜の成膜途中で、Ｏ₂ のみに比
べて高い成膜速度の得られるスパッタリングガスを用い
て第２の誘電体薄膜層を製造するので、成膜時間を短縮
することができる。さらに、ターゲットとして用いてい
る酸化物焼結体においても酸素欠損を抑制或いは補完
し、ロット間でのばらつきが少ない良好な誘電特性を持
った薄膜を安定して製造できるという利点も有する。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明を適用できる誘電体材料と
しては、複合酸化物からなる酸化物誘電体であれば何を
用いても良く、例えば、ＳｒＴｉＯ₃ 、（Ｂａ_x Ｓｒ
_1-x ）ＴｉＯ₃、ＬｉＮｂＯ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＫＮｂ
Ｏ₃ 、ＮａＮｂＯ₃ 等の高誘電材料、Ｐｂ（Ｚｒ_x Ｔｉ
_1-x ）Ｏ₃ 、（Ｐｂ_x Ｌａ_1-x ）ＴｉＯ₃ 、（Ｐｂ_x Ｌ
ａ_1-x ）（Ｚｒ_y Ｔｉ_1-y ）Ｏ₃ 、Ｂｉ₄ Ｔｉ₃ Ｏ₁₂、
ＢａＴｉＯ₃ 等の強誘電材料が挙げられる。

【００２１】以上に示した材料からなる本発明にかかる
誘電体薄膜は、同一の元素からなり、かつ、その内に含
まれる酸素の組成が異なる複数の層からなる。２層構造
とした場合には、下部の第１の誘電体薄膜層に含まれる
酸素の含有量が第２の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含
有量より多いことが望ましく、また、３層構造とした場
合には、３層の誘電体薄膜層のうち中間層に含まれる酸
素の含有量が他の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量
より少ないことが望ましい。なお、３層以上であっても
本発明は適用可能であり、その場合には、酸素の含有量
を中間層が少なく、中間層を挟む上下層を多くすること
により目的を達成することができる。特に下部の電極上
に形成される下側の第１の層は、他の層に比べその酸素
量が多いことが好ましい。ここで、その酸素含有量は、
誘電体薄膜を構成する元素の種類によって異なる。例え
ば、２層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴｉＯｘで表され
る材料からなる場合には、下側の誘電体薄膜層に含まれ
る酸素の含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００の範囲にあ
り、上側の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量ｘが
２．６３＜ｘ＜３．００の範囲にあることが好ましい。
下側の誘電体層に含まれる酸素の含有量がこの範囲を超
えると、リーク電流の増大や比誘電率の低下を招くとい
う問題点があり、上側の誘電体層に含まれる酸素の含有
量がこの範囲を超えると、同様にリーク電流の増大や比
誘電率の低下を招くという問題点があるためである。例
えば、３層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴｉＯｘで表さ
れる材料からなり、３層の誘電体薄膜層のうち中間に位
置する層に含まれる酸素の含有量ｘが２．６３＜ｘ＜
３．００の範囲にあり、他の誘電体薄膜層に含まれる酸
素の含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００の範囲にあるこ
とが好ましい。中間の誘電体層に含まれる酸素の含有量
がこの範囲を超えると、リーク電流の増大や比誘電率の
低下を招くという問題点があり、他の誘電体層に含まれ
る酸素の含有量がこの範囲を超えると、同様にリーク電
流の増大や比誘電率の低下を招くという問題点があるた
めである。

【００２２】誘電体薄膜の製造方法としては、ＲＦマグ
ネトロンスパッタ法、イオンビームスパッタ法、ＭＯＣ
ＶＤ法等、膜中の酸素量を成膜中にコントロールできる
方法が好ましい。

【００２３】例えば、一般的に誘電体膜をＲＦマグネト
ロンスパッタ法により成膜する場合、基板温度は２００
乃至８００℃、スパッタパワー１００乃至１０００Ｗ、
スパッタガス圧０．１乃至１０Ｐａを共通条件として、
スパッタガス流量比を変えることによって、膜中の酸素
量の異なる薄膜を形成することができる。スパッタガス
としては、Ａｒ／Ｏ₂ 等の公知のものが使用できる。

【００２４】次に、イオンビームスパッタ法により成膜
する場合には、基板温度２００乃至８００℃、イオンビ
ームの加速電圧５０乃至１２００Ｖを共通条件として、
上記ＲＦマグネトロンスパッタ法と同じように操作し
て、薄膜を形成することができる。

【００２５】更に、ＭＯＣＶＤ法により成膜する場合、
基板温度は３００乃至８００℃であり、誘電体薄膜を成
膜するための原料ガスには公知のものが使用できる。ま
た、ＭＯＣＶＤ法において、誘電体薄膜中の酸素量を調
整するには、各原料ガスを流通させるキャリアガスの流
量を変えることによって実行することができる。使用で
きるキャリアガスには、Ａｒ，Ｎ₂ 等の公知のものが使
用できる。

【００２６】なお、上記３つの成膜方法の条件は、形成
される誘電体薄膜の違いによって若干相違するのは言う
までもない。

【００２７】次に、本発明に使用できる上部及び下部電
極膜には、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｗ等の金属や、Ｒ
ｕＯ₂ ，ＩｒＯ₂ ，ＩＴＯ等の導電性酸化物等、公知の
材料を使用することができ、その膜厚は５乃至５００ｎ
ｍが好ましい。

【００２８】更に、本発明の誘電体薄膜素子は、基板上
に形成することが望ましく、基板として公知のものが使
用でき、例えばＳｉ，ＧａＡｓ等が挙げられる。また、
基板と下部電極膜との間に、基板を絶縁するためのＳｉ
Ｏ₂ 膜，ＳｉＮｘ膜、下部電極膜とＳｉＯ₂ 膜，ＳｉＮ
ｘ膜との密着性を向上させるためのＴｉ膜，Ｔａ膜等を
所望により形成することも可能である。それぞれの膜の
膜厚としては５乃至５００ｎｍ、５乃至２００ｎｍが好
ましい。

【００２９】

【実施例】つぎに、本発明の実施例を比較例と対比しな
がら、図１乃至図４に基づいて、以下に説明する。な
お、実施例と比較例との誘電体薄膜素子の比誘電率及び
リーク電流については表１に、成膜時間については図５
にまとめて示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】実施例１ 図１は、本発明にかかる誘電体薄膜素子の製造方法で作
製した後述する電気特性を評価するために作製した誘電
体薄膜素子を説明するための断面構造概略図である。ｎ
型シリコン基板１の表面に膜厚２００ｎｍのＳｉ熱酸化
膜２を形成し、このＳｉ熱酸化膜２上に膜厚３０ｎｍの
Ｔａ膜３をＤＣスパッタ法で形成し、このＴａ膜３上に
膜厚２００ｎｍのＰｔ膜４を同じくＤＣスパッタ法で形
成し、これを基板として用いた。

【００３２】次いで、上記基板上に酸化物誘電体ＳｒＴ
ｉＯ₃ の焼結体ターゲットを用いたＲＦマグネトロンス
パッタリング法によって、以下に示すようなプロセスで
ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜５，６を形成した。

【００３３】基板温度３５０℃、スパッタパワー２００
Ｗ、スパッタガス圧２Ｐａの条件を一定条件とし、ま
ず、成膜に先だってターゲット表面を１０分間後述の薄
膜堆積中の第１のスパッタガス条件で予備スパッタし
た。次に、薄膜堆積中の第１のスパッタリングガスとし
てＯ₂ のみを用いて５分間成膜し（薄膜５）、次いで第
２のスパッタリングガスとしてスパッタガス流量比Ａｒ
／Ｏ₂ ＝１／１の混合ガスを用いて１７分間成膜した
（薄膜６）。このようにして得られた膜５，６の膜厚は
合計で２００ｎｍであった。上記薄膜５と同様の成膜条
件で単独に成膜した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝
１：１．０１：２．８６、上記薄膜６と同様の成膜条件
で単独に成膜した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝１：
１．０１：２．７４であった。

【００３４】次に上記薄膜６の表面に真空蒸着法によ
り、１００μｍ径で膜厚１２０ｎｍのドット状のＰｔ上
部電極７を形成した。

【００３５】上記のような方法で作製したＰｔ上部電極
７とＰｔ下部電極４の間に電界を印加し、この誘電体薄
膜素子の誘電率及びリーク電流を測定した。誘電率の測
定にはインピーダンスアナライザを用いて２５℃にて１
０ｋＨｚの値を測定した。リーク電流の測定にはｐＡメ
ータを用いて２５℃にて上下電極間に５ＶのＤＣバイア
スを印加した際の値を測定した。その結果を表１に示
す。表１から明らかなように、後述する従来の技術に準
ずる方法である比較例に比べ、誘電率、リーク電流のど
ちらにおいても優れていることが分かる。

【００３６】実施例２ 図２は、本発明にかかる誘電体薄膜素子の製造方法で作
製した後述する電気特性を評価するために作製した誘電
体薄膜素子を説明するための断面構造概略図である。ｎ
型シリコン基板８の表面に膜厚２００ｎｍのＳｉ熱酸化
膜９を形成し、このＳｉ熱酸化膜９上に膜厚３０ｎｍの
Ｔａ膜１０をＤＣスパッタ法で形成し、このＴａ膜１０
上に膜厚２００ｎｍのＰｔ膜１１を同じくＤＣスパッタ
法で形成し、これを基板とした用いた。

【００３７】次いで、上記基板上に酸化物誘電体ＳｒＴ
ｉＯ₃ の焼結体ターゲットを用いたＲＦマグネトロンス
パッタリング法によって、以下に示すようなプロセスで
ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜１２，１３，１４を形成した。

【００３８】基板温度３５０℃、スパッタパワー２００
Ｗ、スパッタガス圧２Ｐａの条件を一定条件とし、ま
ず、成膜に先だってターゲット表面を１０分間後述の薄
膜堆積中の第１のスパッタガス条件で予備スパッタし
た。次に、薄膜堆積中の第１のスパッタリングガスとし
てＯ₂ のみを用いて５分間成膜し（薄膜１２）、次いで
第２のスパッタリングガスとしてＡｒのみを用いて１０
分間成膜した（薄膜１３）。次いで第３のスパッタリン
グガスとしてＯ₂ のみを用いて５分間成膜した（薄膜１
４）。このようにして得られた膜の膜厚は合計で２００
ｎｍであった。上記薄膜１２，１４と同様の成膜条件で
単独に成膜した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝１：
１．０１：２．８６、上記薄膜１３と同様の成膜条件で
単独に成膜した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝１：
１．０１：２．６３であった。

【００３９】次に上記薄膜１４の表面に真空蒸着法によ
り、１００μｍ径で膜厚１２０ｎｍのドット状のＰｔ上
部電極１５を形成した。

【００４０】上記のような方法で作製した誘電体薄膜素
子の誘電率及びリーク電流を実施例１と同一の測定条件
で測定した。その結果を表１に示す。表１から明らかな
ように、後述する従来の技術に準ずる方法である比較例
１に比べ、誘電率、リーク電流のどちらにおいても優れ
ていることが分かる。

【００４１】実施例３ 図３は、本発明にかかる誘電体薄膜素子の製造方法で作
製した後述する電気特性を評価するために作製した誘電
体薄膜素子を説明するための断面構造概略図である。ｎ
型シリコン基板１６の表面に膜厚２００ｎｍのＳｉ熱酸
化膜１７を形成し、このＳｉ熱酸化膜１７上に膜厚３０
ｎｍのＴａ膜１８をＤＣスパッタ法で形成し、このＴａ
膜１８上に膜厚２００ｎｍのＰｔ膜１９を同じくＤＣス
パッタ法で形成し、これを基板として用いた。

【００４２】次いで、上記基板上に酸化物誘電体ＳｒＴ
ｉＯ₃ の焼結体ターゲットを用いたＲＦマグネトロンス
パッタリング法によって、以下に示すようなプロセスで
ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２０，２１，２２を形成した。

【００４３】基板温度３５０℃、スパッタパワー２００
Ｗ、スパッタガス圧２Ｐａの条件を一定条件とし、ま
ず、成膜に先だってターゲット表面を１０分間後述の薄
膜堆積中の第１のスパッタガス条件で予備スパッタし
た。次に、薄膜堆積中の第１のスパッタリングガスとし
てＯ₂ のみを用いて５分間成膜し（薄膜２０）、次いで
第２のスパッタリングガスとしてスパッタガス流量比Ａ
ｒ／Ｏ₂ ＝３／１の混合ガスを用いて１３分間成膜した
（薄膜２１）。次いで第３のスパッタリングガスとして
Ｏ₂ のみを用いて５分間成膜した（薄膜２２）。このよ
うにして得られた膜の膜厚は合計で２１０ｎｍであっ
た。上記薄膜２０，２２と同様の成膜条件で単独に成膜
した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝１：１．０１：
２．８６、上記薄膜１３と同様の成膜条件で単独に成膜
した膜の組成比は、Ｓｒ：Ｔｉ：Ｏ＝１：１．０１：
２．７１であった。

【００４４】次に上記薄膜２２の表面に真空蒸着法によ
り、１００μｍ径で膜厚１２０ｎｍのドット状のＰｔ上
部電極２３を形成した。

【００４５】上記のような方法で作製した誘電体薄膜素
子の誘電率及びリーク電流を実施例１と同一の測定条件
で測定した。その結果を表１に示す。表１から明らかな
ように、後述する従来の技術に準ずる方法である比較例
１に比べ、誘電率、リーク電流のどちらにおいても優れ
ていることが分かる。

【００４６】比較例１ 図４は、従来技術に示した誘電体薄膜素子の製造方法で
作製した後述する電気特性を評価するために作製した誘
電体薄膜素子を説明するための断面構造概略図である。
ｎ型シリコン基板２４の表面に膜厚２００ｎｍのＳｉ熱
酸化膜２５を形成し、このＳｉ熱酸化膜２５上に膜厚３
０ｎｍのＴａ膜２６をＤＣスパッタ法で形成し、このＴ
ａ膜２６上に膜厚２００ｎｍのＰｔ膜２７を同じくＤＣ
スパッタ法で形成し、これを基板として用いた。

【００４７】次いで、上記基板上に酸化物誘電体ＳｒＴ
ｉＯ₃ の焼結体ターゲットを用いたＲＦマグネトロンス
パッタリング法によって、以下に示すようなプロセスで
ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２８を形成した。

【００４８】基板温度３５０℃、スパッタパワー２００
Ｗ、スパッタガス圧２Ｐａの条件を一定条件とし、ま
ず、成膜に先だってターゲット表面を１０分間後述の薄
膜堆積中のスパッタガス条件で予備スパッタした。次
に、薄膜堆積中のスパッタリングガスとしてスパッタガ
ス流量比Ａｒ／Ｏ₂ ＝３／１の混合ガスを用いて２０分
間成膜した。このようにして得られた膜の膜厚は２２０
ｎｍであった。

【００４９】上記のような方法で作製した誘電体薄膜素
子の誘電率及びリーク電流を実施例１と同一の測定条件
で測定した。その結果を表１に示す。表１から明らかな
ように、本発明にかかる実施例１、２及び３の方法で作
製した誘電体薄膜に比べ、リーク電流が大きいことが分
かる。

【００５０】比較例２ 次に、比較例２として、図４に示した比較例１と同一構
造の誘電体薄膜素子を以下の条件で作製した。

【００５１】ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜２８以外の形成方法は比
較例１の場合と同じとし、基板温度３５０℃、スパッタ
パワー２００Ｗ、スパッタガス圧２Ｐａの条件を一定条
件とし、まず、成膜に先だってターゲット表面を１０分
間後述の薄膜堆積中のスパッタガス条件で予備スパッタ
した。次に、薄膜堆積中のスパッタリングガスとしてＯ
₂ のみを用いて３５分間成膜した。このようにして得ら
れた膜の膜厚は２１０ｎｍであった。

【００５２】上記のような方法で作製した誘電体薄膜素
子の誘電率及びリーク電流を実施例１と同一の測定条件
で測定した。その結果を表１に示す。表１を見ると、本
発明にかかる実施例１、２及び３の方法で作製した誘電
体薄膜に比べ、リーク電流に差はないが比誘電率が高い
ことが分かる。

【００５３】しかしながら、この条件では図５に示した
ように２００ｎｍの膜厚を得るために要する成膜時間が
極めて長いという欠点がある。

【００５４】

【発明の効果】請求項１に記載の誘電体薄膜素子によれ
ば、少なくとも下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸
素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成すること
ができるため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた
誘電体薄膜素子が得られる。さらに、本発明の誘電体薄
膜素子によって、特性の優れた誘電体キャパシタを形成
することにより、低コストで、ＭＭＩＣ等のマイクロ波
素子用キャパシタや高誘電率を利用した高集積ＤＲＡＭ
等の高性能の記憶素子を構成することができる。

【００５５】請求項２乃至請求項３に記載の誘電体薄膜
素子によれば、下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸
素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成すること
ができるため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた
誘電体薄膜素子が得られる。さらに、本発明の誘電体薄
膜素子によって、特性の優れた誘電体キャパシタを形成
することにより、低コストで、ＭＭＩＣ等のマイクロ波
素子用キャパシタや高誘電率を利用した高集積ＤＲＡＭ
等の高性能の記憶素子を構成することができる。

【００５６】請求項４乃至請求項５に記載の誘電体薄膜
素子によれば、下部電極及び上部電極との界面の誘電体
層に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を
形成することができるため、リーク電流の少ない、誘電
特性に優れた誘電体薄膜素子が得られる。さらに、本発
明の誘電体薄膜素子によって、特性の優れた誘電体キャ
パシタを形成することにより、低コストで、ＭＭＩＣ等
のマイクロ波素子用キャパシタや高誘電率を利用した高
集積ＤＲＡＭ等の高性能の記憶素子を構成することがで
きる。

【００５７】請求項６に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法によれば、少なくとも下部電極との界面の誘電体層に
膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成
することができるため、リーク電流の少ない、誘電特性
に優れた誘電体薄膜素子を製造することができる。ま
た、誘電体膜の成膜途中で、Ｏ₂ のみに比べて高い成膜
速度の得られるスパッタガス（Ｏ₂ と不活性ガスとの混
合ガス）を用いて誘電体薄膜層を製造するので、成膜時
間を短縮することができる。さらに、ターゲットとして
用いている酸化物焼結体においても酸素欠損を抑制或い
は補完し、ロッド間でのばらつきが少ない良好な誘電特
性を持った薄膜を安定して製造できるという利点も有す
る。

【００５８】請求項７に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法によれば、下部電極との界面の誘電体層に膜中の酸素
欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形成することが
できるため、リーク電流の少ない、誘電特性に優れた誘
電体薄膜素子を製造することができる。また、誘電体膜
の成膜途中で、Ｏ₂ のみに比べて高い成膜速度の得られ
るスパッタガス（Ｏ₂ と不活性ガスとの混合ガス）を用
いて第２の誘電体薄膜層を製造するので、成膜時間を短
縮することができる。さらに、ターゲットとして用いて
いる酸化物焼結体においても酸素欠損を抑制或いは補完
し、ロット間でのばらつきが少ない良好な誘電特性を持
った薄膜を安定して製造できるという利点も有する。

【００５９】請求項８に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法によれば、上部電極及び下部電極との界面の誘電体層
に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形
成することができるため、リーク電流の少ない、誘電特
性に優れた誘電体薄膜素子を製造することができる。ま
た、第２の誘電体薄膜層を、不活性ガスのみで形成する
ことが可能であるため、成膜時間を短縮することができ
る。さらに、ターゲットとして用いている酸化物焼結体
においても酸素欠損を抑制或いは補完し、ロット間での
ばらつきが少ない良好な誘電特性を持った薄膜を安定し
て製造できるという利点も有する。

【００６０】請求項９に記載の誘電体薄膜素子の製造方
法によれば、上部電極及び下部電極との界面の誘電体層
に膜中の酸素欠損が少ない良質の酸化物誘電体薄膜を形
成することができるため、リーク電流の少ない、誘電特
性に優れた誘電体薄膜素子を製造することができる。ま
た、誘電体膜の成膜途中で、Ｏ₂ のみに比べて高い成膜
速度の得られるスパッタガス（Ｏ₂ と不活性ガスとの混
合ガス）を用いて第２の誘電体薄膜層を製造するので、
成膜時間を短縮することができる。さらに、ターゲット
として用いている酸化物焼結体においても酸素欠損を抑
制或いは補完し、ロット間でのばらつきが少ない良好な
誘電特性を持った薄膜を安定して製造できるという利点
も有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の誘電体薄膜素子の構成を示
す概略断面図である。

【図２】本発明の実施例２の誘電体薄膜素子の構成を示
す概略断面図である。

【図３】本発明の実施例３の誘電体薄膜素子の構成を示
す概略断面図である。

【図４】比較例１及び２の誘電体薄膜素子の構成を示す
概略断面図である。

【図５】実施例及び比較例の成膜時間を示す図である。

【符号の説明】

１、８、１６、２４ ｎ型シリコン基板 ２、９、１７、２５ シリコン熱酸化膜 ３、１０、１８、２６ Ｔａ膜 ４、１１、１９、２７ Ｐｔ下部電極膜 ５、６、１２、１３、１４、２０、２１、２２、２８
酸化物誘電体薄膜（ＳｒＴｉＯ₃ 薄膜） ７、１５、２３、２９ Ｐｔ上部電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 荒井 尚子 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 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 木場 正義 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 (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の誘電体薄膜層からなる積層体であ
   る誘電体薄膜と前記積層体の上下に設けられた上部及び
   下部の電極とを含む誘電体薄膜素子であって、前記複数
   の誘電体薄膜層のそれぞれが、酸素を含む同一種類の元
   素からなり、前記複数の誘電体薄膜層の内、前記下部の
   電極に接する層を含む、少なくとも１層に含まれる酸素
   の含有量が他の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量よ
   り多いことを特徴とする誘電体薄膜素子。
2. 【請求項２】 前記積層体の前記複数の誘電体薄膜層が
   ２層からなることを特徴とする請求項１に記載の誘電体
   薄膜素子。
3. 【請求項３】 前記２層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴ
   ｉＯｘで表される材料からなり、下側の誘電体薄膜層に
   含まれる酸素の含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００の範
   囲にあり、上側の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量
   ｘが２．６３＜ｘ＜３．００の範囲にあることを特徴と
   する請求項２に記載の誘電体薄膜素子。
4. 【請求項４】 前記積層体の前記複数の誘電体薄膜層が
   ３層からなり、前記３層の誘電体薄膜層のうち中間に位
   置する誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量が他の誘電
   体薄膜層に含まれる酸素の含有量より少ないことを特徴
   とする請求項１に記載の誘電体薄膜素子。
5. 【請求項５】 前記３層からなる誘電体薄膜層がＳｒＴ
   ｉＯｘで表される材料からなり、前記３層の誘電体薄膜
   層のうち中間に位置する層に含まれる酸素の含有量ｘが
   ２．６３＜ｘ＜３．００の範囲にあり、他の誘電体薄膜
   層に含まれる酸素の含有量ｘが２．７４＜ｘ≦３．００
   の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載の誘電体
   薄膜素子。
6. 【請求項６】 複数の誘電体薄膜層からなる積層体であ
   る誘電体薄膜と前記積層体の上下に設けられた上部及び
   下部の電極とを含む誘電体薄膜素子であり、前記複数の
   誘電体薄膜層のそれぞれが、酸素を含む同一種類の元素
   からなる誘電体薄膜素子の製造方法であって、スパッタ
   リングガスとして不活性ガスとＯ₂ とを用いて、前記積
   層体の誘電体薄膜を堆積しながら、少なくとも１回以上
   不活性ガスとＯ₂とのスパッタリングガス分圧比を変化
   させて積層体を形成し、前記複数の誘電体薄膜層の内、
   前記下部の電極に接する層を含む、少なくとも１層の誘
   電体薄膜層に含まれる酸素の含有量が他の誘電体薄膜層
   に含まれる酸素の含有量より多くなるようにすることを
   特徴とする誘電体薄膜素子の製造方法。
7. 【請求項７】 ２層の誘電体薄膜層からなる積層体であ
   る誘電体薄膜と前記積層体の上下に設けられた上部及び
   下部の電極とを含む誘電体薄膜素子であり、前記２層の
   誘電体薄膜層のそれぞれが、酸素を含む同一種類の元素
   からなる誘電体薄膜素子の製造方法であって、第１のス
   パッタリングガスとしてＯ₂ のみを用いて、第１の誘電
   体薄膜層を堆積し、第２のスパッタリングガスとして不
   活性ガスとＯ₂ との混合ガスを用いて第２の誘電体薄膜
   層を堆積し、第１の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有
   量が第２の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量より多
   くなるようにすることを特徴とする誘電体薄膜素子の製
   造方法。
8. 【請求項８】 ３層の誘電体薄膜層からなる積層体であ
   る誘電体薄膜と前記積層体の上下に設けられた上部及び
   下部の電極とを含む誘電体薄膜素子であり、前記３層の
   誘電体薄膜層のそれぞれが、酸素を含む同一種類の元素
   からなる誘電体薄膜素子の製造方法であって、第１のス
   パッタリングガスとしてＯ₂ のみを用いて、前記３層の
   誘電体薄膜層のうち第１の誘電体薄膜層を堆積し、第２
   のスパッタリングガスとして不活性ガスのみを用いて、
   第２の誘電体薄膜層を堆積し、第３のスパッタリングガ
   スとして再度Ｏ₂ のみを用いて第３の誘電体薄膜層を堆
   積し、第２の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量が第
   １及び第３の誘電体薄膜層に含まれる酸素の含有量より
   少なくなるようにすることを特徴とする誘電体薄膜素子
   の製造方法。
9. 【請求項９】 ３層の誘電体薄膜層からなる積層体であ
   る誘電体薄膜と前記積層体の上下に設けられた上部及び
   下部の電極とを含む誘電体薄膜素子であり、前記３層の
   誘電体薄膜層のそれぞれが、酸素を含む同一種類の元素
   からなる誘電体薄膜素子の製造方法であって、第１のス
   パッタリングガスとしてＯ₂ のみを用いて、前記３層の
   誘電体薄膜層のうち第１の誘電体薄膜層を堆積し、第２
   のスパッタリングガスとして不活性ガスとＯ₂ との混合
   ガスを用いて、第２の誘電体薄膜層を堆積し、第３のス
   パッタリングガスとして再度Ｏ₂ のみを用いて第３の誘
   電体薄膜層を堆積し、第２の誘電体薄膜層に含まれる酸
   素の含有量が第１及び第３の誘電体薄膜層に含まれる酸
   素の含有量より少なくなるようにすることを特徴とする
   誘電体薄膜素子の製造方法。