JPH10144867A - 薄膜キャパシタ - Google Patents

薄膜キャパシタ

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JPH10144867A
JPH10144867A JP8301808A JP30180896A JPH10144867A JP H10144867 A JPH10144867 A JP H10144867A JP 8301808 A JP8301808 A JP 8301808A JP 30180896 A JP30180896 A JP 30180896A JP H10144867 A JPH10144867 A JP H10144867A
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high dielectric
capacitor
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、高誘電率の材料を薄膜化したキャ
パシタ絶縁膜を用いても、実質的に誘電率が低下するこ
とが無く、従って小面積であっても十分に大きな容量値
を得ることができる薄膜キャパシタを提供することを目
的とする。 【解決手段】 高誘電率を示す材料からなる高誘電率膜
4と、この高誘電率膜を挟持する一対の電極膜2、5と
を有する薄膜キャパシタにおいて、前記高誘電率膜と前
記電極膜との間に、反強誘電性を示す材料からなる反強
誘電体薄膜3を設けたことを特徴とする薄膜キャパシ
タ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は集積回路で使用され
る薄膜キャパシタに関するもので、特に大規模集積回路
(LSI)に適用可能な、単位面積当たりの容量を大き
くできる薄膜キャパシタの構造に関する。
【0002】
【従来技術】近年のLSIの高集積化により、特に一つ
のMOS型トランジスタとキャパシタでメモリセルを構
成するDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセスメ
モリ)などでは一つのメモリセルの面積は縮小の一途を
たどっている。一方では、この縮小した面積においても
必要な容量値は常に一定の値が要求されるので、次のよ
うな方法を単独で、または組み合わせて必要な容量値を
確保することが行われている。
【0003】すなわち、薄膜キャパシタの絶縁膜の膜厚
を薄くする方法、薄膜キャパシタの構造を立体化して電
極面積を大きくする方法、絶縁膜を高誘電率の誘電体材
料で構成する方法(たとえばK.Koyama他 Te
chnical Digest of IEEE In
ternation Electron Device
s Meeting 1991,P.823)などであ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術において二酸化シリコン膜とシリコン窒化膜の積層膜
が絶縁膜として多く使用されてきたが、膜厚を単純に薄
くすると電極間のリーク電流が大きくなるので、薄膜化
には限界がある。また、一方的なキャパシタ構造の立体
化は製造プロセスの複雑化を招き、結果として製造コス
トの上昇と製品歩留まりの減少を引き起こしてしまう危
険性がある。
【0005】これらに対し、従来から使用されてきた二
酸化シリコン膜やシリコン窒化膜の誘電率に比較して非
常に大きな誘電率をもつ、(Ba,Sr)TiO3薄膜
などのような、高誘電率を有する材料をキャパシタ絶縁
膜として使用する方法は、必要な容量値を縮小された面
積で単純なキャパシタ構造で実現できる可能性があるも
のの、一方では近年の高集積化に対応した微細化にとも
ない膜厚を非常に薄くする必要がある。ところが、高誘
電率を有する材料では膜厚が概ね100nmより薄くな
ると実質的な誘電率が顕著に減少し、単位面積当たりの
容量値は膜厚減少とともに単調に大きくはならずほとん
ど飽和してしまう傾向を示す。このため、単純な薄膜化
によって必要な容量値を確保するのは難しくなるという
欠点がある。
【0006】本発明は、高誘電率の材料を薄膜化したキ
ャパシタ絶縁膜を用いても、実質的に誘電率が低下する
ことが無く、従って小面積であっても十分に大きな容量
値を得ることができる薄膜キャパシタを提供することを
目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、高誘電率を示
す材料からなる高誘電率膜と、この高誘電率膜を挟持す
る一対の電極膜とを有する薄膜キャパシタにおいて、前
記高誘電率膜と前記電極膜との間に、反強誘電性を示す
材料からなる反強誘電体薄膜を設けたことを特徴とする
薄膜キャパシタに関する。
【0008】反強誘電体薄膜を形成する材料としては、
ペロブスカイト構造の反強誘電性材料が好ましく、特に
PbZrO3、またはPbZrO3を主成分とするPb
(Zr,Ti)O3もしくは(Pb,La)(Zr,T
i)O3が好ましい。ここで、Pb(Zr,Ti)O
3は、PbZrO3とPbTiO3との固溶体を表し、同
様に(Pb,La)(Zr,Ti)O3は4種類の成分
の固溶体を表す。
【0009】ここでPb(Zr,Ti)O3において
は、少なくとも反強誘電性を示す程度にPbZrO3
含まれていることが必要であり、特にPbZrO3が9
5モル%以上含まれていることが好ましい。また、(P
b,La)(Zr,Ti)O3においては、特にZr:
Ti比が70:30以上のZrリッチで、Pb:La比
が80:20以上のPbリッチな組成が好ましい。
【0010】また、本発明は、高誘電率を示す材料から
なる高誘電率膜と、この高誘電率膜を挟持する一対の電
極膜とを有する薄膜キャパシタにおいて、前記高誘電率
膜と前記電極膜との間に一般式(Bi222+(Am-1
m3m+12-で表されるビスマス層状化合物で形成さ
れた薄膜を設けたことを特徴とする薄膜キャパシタに関
する。
【0011】式中、Aは+1、+2および+3価から選
ばれる価数のイオンであり、Bは+4、+5および+6
価から選ばれる価数のイオンであり、mは1〜5の正の
整数を表し、かつAm-1m3m+1の価数が−2価になる
ようにAおよびBの価数とmが選ばれる。
【0012】AおよびBとしては、上記の関係を満たす
価数のイオンであれば特に制限は無い。例えば+2価の
AとしてBaおよびSr等、+3価のAとしてBi等を
挙げることができる。また、同様に例えば+4価のBと
してTi等、+5価のBとしてNbおよびTa等、+6
価のBとしてW等を挙げることができる。
【0013】反強誘電性材料およびビスマス層状化合物
の薄膜形成方法は、特に制限はなくゾルゲル法、CVD
法およびスパッタ法等を用いることができる。
【0014】本発明で用いられる高誘電率膜を形成しう
る高誘電率を示す材料としては、誘電率として、例えば
約40以上(比誘電率)を示す材料であり、ペロブスカ
イト型結晶構造をとる材料が好ましく、特にBaTiO
3、SrTiO3、PbTiO 3およびこれらの固溶体が
好ましい。これらの固溶体において、組成比は必要な誘
電率が得られように任意に選択することができる。
【0015】高誘電率膜の形成方法は、特に制限はな
く、スパッタ法、CVD法等によって形成することがで
きる。
【0016】また、本発明の薄膜キャパシタは、小面積
で大容量を得ることができるので集積度の高い集積回路
に好ましく用いることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の薄膜キャパシタの構造に
よれば、上部および下部電極とキャパシタ絶縁膜の界面
に電気的に形成される低誘電率の層の膜厚を最小に押さ
えることができるので、キャパシタ絶縁膜の全膜厚が例
えば50nm以下まで減少してもキャパシタ全体の実質
的な誘電率が顕著に減少しないようにすることができ
る。
【0018】この電気的に形成される低誘電率層は、電
極と誘電体とのフェルミエネルギーの差に起因する空間
電荷層が形成される結果、高誘電率を有する誘電体材料
が電界の影響を受けて低誘電率を示すようになるために
生じていると考えられる。したがって、この空間電荷層
の厚さをできるだけ薄くすることが、キャパシタ絶縁膜
全体の誘電率を大きくすることにつながる。
【0019】本発明では、第1に結晶の単位胞内におい
て反平衡の電気分極を有する反強誘電性材料を挿入する
ことで、上下電極との界面に形成される空間電荷層を最
小にすることによって可能となる。また、第2に結晶の
単位胞内においてビスマスの酸化導電層を有するビスマ
ス層状化合物を上下電極との界面に挿入する構造とする
ことで、上下電極との界面に形成される空間電荷層をビ
スマスの酸化導電層で抑制し空間電荷膜厚を最小にする
ことによって可能となる。
【0020】
【実施例】次に、実施例を用いて本発明を具体的に説明
する。
【0021】[実施例1]図1は本発明の第1の実施例
を示したものである。基板としてサファイアR面基板1
を使用し、この基板を洗浄後、下部電極2としてパラジ
ウムを基板温度約300℃で300nmの厚さにスパッ
タ成膜した後、PbZrO3薄膜3を公知のゾルゲル法
により約10nm形成した。この上に(Ba0.5
0.5)TiO3膜4をスパッタ法により基板温度約65
0℃で約30nm形成した。
【0022】さらにPbZrO3薄膜3をゾルゲル法に
より約10nm厚に形成した後、上部電極5としてTi
およびAuをこの順にそれぞれ50nmおよび300n
mの厚さに堆積し、公知の光リソグラフィーおよびウェ
ットエッチングにより上部電極を形成した。
【0023】この構造の薄膜キャパシタでは、全キャパ
シタ絶縁腹膜厚が50nm〜25nmまで、(Ba0.5
Sr0.5)TiO3薄膜の膜厚を30nm〜5nmまで薄
くして形成したが、誘電率は250以上の値を示し、膜
厚依存性は顕著ではなかった。また、PbZrO3薄膜
の膜厚を10nmから5nm程度まで減少させても、誘
電率に変化はなかった。
【0024】[実施例2]図2は本発明の第2の実施例
を示したものである。基板としてシリコン基板11を使
用し、基板を熱酸化して二酸化シリコン膜12を表面に
形成した後、下部電極13としてRuO2を基板温度約
500℃で50nmの厚さにスパッタ成膜した。
【0025】この上にビスマス層状化合物としてBi4
Ti312薄膜14を公知のゾルゲル法により約l0n
m形成した後、(Ba0.5Sr0.5)TiO3膜15をス
パッタ法により基板温度約650℃で約30nm形成し
た。さらにBi4Ti312薄膜14をゾルゲル法により
約10nm厚で形成した後、上部電極16としてTiお
よびAuをこの順にそれぞれ50nmおよび300nm
の厚さに堆積し、公知の光リソグラフィーおよびウェッ
トエッチングにより上部電極を形成した。
【0026】この構造の薄膜キャパシタでは、全キャパ
シタ絶縁腹膜厚が50nm〜25nmまで、(Ba0.5
Sr0.5)TiO3膜の膜厚を30nm〜5nmまで薄く
して形成したが、誘電率は250以上の値を示し、膜厚
依存性は顕著ではなかった。
【0027】
【発明の効果】本発明の薄膜キャパシタの構造によれ
ば、高誘電率の材料を薄膜化したキャパシタ絶縁膜を用
いても、実質的に誘電率が低下することが無く、従って
小面積であっても十分に大きな容量値を得ることができ
る薄膜キャパシタを提供することができる。
【0028】従って、本発明の薄膜キャパシタを用いる
ことにより、製造プロセスを複雑化することなく集積度
の高いLSI等の集積回路を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】電極と高誘電率膜との間に反強誘電体薄膜を設
けた薄膜キャパシタの1例の構造を模式的に示す断面図
である。
【図2】電極と高誘電率膜との間にビスマス層状化合物
薄膜を設けた薄膜キャパシタの1例の構造を模式的に示
す断面図である。
【符号の説明】
1 サファイア基板 2 Pd下部電極 3 PbZrO3薄膜 4 (Ba0.5Sr0.5)TiO3膜 5 Au/Ti積層上部電極 11 シリコン基板 12 二酸化シリコン膜 13 RuO2下部電極 14 Bi4Ti312 15 (Ba0.5Sr0.5)TiO3膜 16 Au/Ti積層上部電極

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高誘電率を示す材料からなる高誘電率膜
    と、この高誘電率膜を挟持する一対の電極膜とを有する
    薄膜キャパシタにおいて、 前記高誘電率膜と前記電極膜との間に、反強誘電性を示
    す材料からなる反強誘電体薄膜を設けたことを特徴とす
    る薄膜キャパシタ。
  2. 【請求項2】 前記反強誘電体薄膜が、PbZrO3
    膜、またはPbZrO3を主成分とするPb(Zr,T
    i)O3もしくは(Pb,La)(Zr,Ti)O3薄膜
    で構成される請求項1記載の薄膜キャパシタ。
  3. 【請求項3】 高誘電率を示す材料からなる高誘電率膜
    と、この高誘電率膜を挟持する一対の電極膜とを有する
    薄膜キャパシタにおいて、 前記高誘電率膜と前記電極膜との間に一般式(Bi
    222+(Am-1m3m+12-で表されるビスマス層状
    化合物で形成された薄膜を設けたことを特徴とする薄膜
    キャパシタ。(式中、Aは+1、+2および+3価から
    選ばれる価数のイオンであり、Bは+4、+5および+
    6価から選ばれる価数のイオンであり、mは1〜5の正
    の整数を表し、かつAm-1m3m+1の価数が−2価にな
    るようにAおよびBの価数とmが選ばれる。)
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の薄膜キ
    ャパシタを用いた集積回路。
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