JPH11177051A - 薄膜キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
薄膜キャパシタ及びその製造方法Info
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- JPH11177051A JPH11177051A JP9340163A JP34016397A JPH11177051A JP H11177051 A JPH11177051 A JP H11177051A JP 9340163 A JP9340163 A JP 9340163A JP 34016397 A JP34016397 A JP 34016397A JP H11177051 A JPH11177051 A JP H11177051A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高い比誘電率を有しかつ絶縁性に優れた特性
を有するペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜からなる薄
膜キャパシタを提供する。 【解決手段】 ペロブスカイト型酸化物薄膜がカラムナ
ー構造とグラニュラー構造が積層された２層以上の積層
構造であって、かつ前記２層以上積層されたペロブスカ
イト型酸化物の少なくとも１層のグラニュラー構造が、
酸化物を一般式ＡＢ０3（但し、Ａは２価金属元素、Ｂ
は６価金属元素である。Ａ, Ｂともに金属元素が２種類
以上であること含む。）で表記したときのＡ元素／Ｂ元
素比が１.１〜１.５であることを特徴とするペロブスカ
イト型酸化薄膜を一対の電極で狹持してなる薄膜キャパ
シタ。
を有するペロブスカイト型酸化物誘電体薄膜からなる薄
膜キャパシタを提供する。 【解決手段】 ペロブスカイト型酸化物薄膜がカラムナ
ー構造とグラニュラー構造が積層された２層以上の積層
構造であって、かつ前記２層以上積層されたペロブスカ
イト型酸化物の少なくとも１層のグラニュラー構造が、
酸化物を一般式ＡＢ０3（但し、Ａは２価金属元素、Ｂ
は６価金属元素である。Ａ, Ｂともに金属元素が２種類
以上であること含む。）で表記したときのＡ元素／Ｂ元
素比が１.１〜１.５であることを特徴とするペロブスカ
イト型酸化薄膜を一対の電極で狹持してなる薄膜キャパ
シタ。
Description
【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が大き
な薄膜キャパシタに関する。
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が大き
な薄膜キャパシタに関する。
【０００２】
【従来の技術】１ Ｇｂｉｔ以上の次世代高密度ＤＲＡ
Ｍに用いられる容量膜として、誘電特性、絶縁性、化学
的安定性に優れた（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3（ＢＳＴ）、
（Ｐｂ,Ｚｒ）Ｔｉ０3等の一般式ＡＢ０3（但しＡは２
価金属元素、Ｂは４価金属元素であり、Ａ,Ｂともに金
属元素が２種類以上であることを含む）で表わされるペ
ロブスカイト型酸化物誘電体薄膜の研究開発が行われて
いる。酸化物誘電体薄膜の成膜方法としてはスパッタ
法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等がある。Ｇｂｉｔ級ＤＲＡ
Ｍを実現するにはスタック構造の側面積を利用すること
が重要であることから、段差被覆性に優れるＣＶＤ法に
よる成膜技術の確立が望まれている。ＣＶＤ法により成
膜された酸化物誘電体薄膜（多結晶）はカラムナー構造
であることが報告されている（エイジ・フジイら、アプ
ライド・フィジクス・レターズ、６５巻、３６５頁、１
９９４年（Ｅｉｊｉ Ｆｕｊｉｉ ｅｔ ａｌ., Ａｐｐ
ｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ６５, ３６５（１９９
４））。
Ｍに用いられる容量膜として、誘電特性、絶縁性、化学
的安定性に優れた（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3（ＢＳＴ）、
（Ｐｂ,Ｚｒ）Ｔｉ０3等の一般式ＡＢ０3（但しＡは２
価金属元素、Ｂは４価金属元素であり、Ａ,Ｂともに金
属元素が２種類以上であることを含む）で表わされるペ
ロブスカイト型酸化物誘電体薄膜の研究開発が行われて
いる。酸化物誘電体薄膜の成膜方法としてはスパッタ
法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等がある。Ｇｂｉｔ級ＤＲＡ
Ｍを実現するにはスタック構造の側面積を利用すること
が重要であることから、段差被覆性に優れるＣＶＤ法に
よる成膜技術の確立が望まれている。ＣＶＤ法により成
膜された酸化物誘電体薄膜（多結晶）はカラムナー構造
であることが報告されている（エイジ・フジイら、アプ
ライド・フィジクス・レターズ、６５巻、３６５頁、１
９９４年（Ｅｉｊｉ Ｆｕｊｉｉ ｅｔ ａｌ., Ａｐｐ
ｌ. Ｐｈｙｓ. Ｌｅｔｔ. ６５, ３６５（１９９
４））。
【０００３】一般に、ペロブスカイト型酸化物誘電体を
Ｇｂｉｔ級ＤＲＡＭに適用する場合、Ｓｉ０2換算膜厚
（ｔｅｑ）を薄くするために誘電体膜を３０ｎｍ程度以
下に薄膜化する必要がある。しかし、カラムナー構造
は、グレインバウンダリーが膜厚に対してほぼ垂直に形
成されるために、グレインバウンダリーがリークパスに
なり易い。したがって、カラムナー構造をキャパシタに
用いた場合、絶縁特性が悪化し、リーク電流が増加し、
耐圧特性が低下する問題があった。
Ｇｂｉｔ級ＤＲＡＭに適用する場合、Ｓｉ０2換算膜厚
（ｔｅｑ）を薄くするために誘電体膜を３０ｎｍ程度以
下に薄膜化する必要がある。しかし、カラムナー構造
は、グレインバウンダリーが膜厚に対してほぼ垂直に形
成されるために、グレインバウンダリーがリークパスに
なり易い。したがって、カラムナー構造をキャパシタに
用いた場合、絶縁特性が悪化し、リーク電流が増加し、
耐圧特性が低下する問題があった。
【０００４】一方、ＢＳＴの２段階成膜（熱ＣＶＤ法）
により良好なリーク特性が得られることが報告されてい
る（タカアキ・カワハラら、ジャパ−ニーズ・ジャ−ナ
ル・オブ・アプライド・フィジクス、３６巻、５８７４
頁、１９９７年 （Ｔ.Ｋａｗａｈａｒａ ｅｔ ａｌ.,
Ｊｐｎ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ３６, ５８７４（１９９
７））。ＢＳＴ成膜プロセスの流れは、初めに約５ ｎ
ｍの第１層薄膜を積層し（基板温度４２０℃）熱処理に
より結晶化させ、その後全膜厚が３０ｎｍになるように
第２層膜を積層し（基板温度４２０℃）熱処理により結
晶化させる。特に第１層のＢＳＴ膜組成を第２層に比べ
てＡ元素過剰にすることで、ｔｅｑは約０.７ｎｍ、比
誘電率は約１６０、１.１Ｖ印加時のリーク電流密度は
約１×１０ -8Ａ／ｃｍ2の特性が得られている。しかし
ながら、４Ｇ ｂｉｔ以上のＤＲＡＭを実現するために
は、プロセス上の問題によりさらに低いｔｅｑ値（０.
４ ｎｍ以下）が必要とされている。また、この膜の構
造は表面モフォロジー写真（タカアキ・カワハラら、ジ
ャパ−ニーズ・ジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジ
クス、３４巻、５０７７頁、１９９５年（Ｔ.Ｋａｗａ
ｈａｒａ ｅｔ ａｌ., Ｊｐｎ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ.
３４, ５０７７（１９９５））から、第１層、第２層と
もにグラニュラー構造と考えられる。
により良好なリーク特性が得られることが報告されてい
る（タカアキ・カワハラら、ジャパ−ニーズ・ジャ−ナ
ル・オブ・アプライド・フィジクス、３６巻、５８７４
頁、１９９７年 （Ｔ.Ｋａｗａｈａｒａ ｅｔ ａｌ.,
Ｊｐｎ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ. ３６, ５８７４（１９９
７））。ＢＳＴ成膜プロセスの流れは、初めに約５ ｎ
ｍの第１層薄膜を積層し（基板温度４２０℃）熱処理に
より結晶化させ、その後全膜厚が３０ｎｍになるように
第２層膜を積層し（基板温度４２０℃）熱処理により結
晶化させる。特に第１層のＢＳＴ膜組成を第２層に比べ
てＡ元素過剰にすることで、ｔｅｑは約０.７ｎｍ、比
誘電率は約１６０、１.１Ｖ印加時のリーク電流密度は
約１×１０ -8Ａ／ｃｍ2の特性が得られている。しかし
ながら、４Ｇ ｂｉｔ以上のＤＲＡＭを実現するために
は、プロセス上の問題によりさらに低いｔｅｑ値（０.
４ ｎｍ以下）が必要とされている。また、この膜の構
造は表面モフォロジー写真（タカアキ・カワハラら、ジ
ャパ−ニーズ・ジャ−ナル・オブ・アプライド・フィジ
クス、３４巻、５０７７頁、１９９５年（Ｔ.Ｋａｗａ
ｈａｒａ ｅｔ ａｌ., Ｊｐｎ. Ａｐｐｌ. Ｐｈｙｓ.
３４, ５０７７（１９９５））から、第１層、第２層と
もにグラニュラー構造と考えられる。
【０００５】低いリーク電流密度と高い比誘電率を両立
させるために、ペロブスカイト型酸化物薄膜を絶縁性の
高いグラニュラー構造と比誘電率の高いカラムナー構造
の積層構造とさせた薄膜キャパシタも提案されている
（曽祢ら：特願平０９-０００５５３（１９９７））。
この発明ではグラニュラー構造のペロブスカイト型酸化
物のＡ元素／Ｂ元素比を０.８〜１としているために、
電気特性の再現性に問題があった。
させるために、ペロブスカイト型酸化物薄膜を絶縁性の
高いグラニュラー構造と比誘電率の高いカラムナー構造
の積層構造とさせた薄膜キャパシタも提案されている
（曽祢ら：特願平０９-０００５５３（１９９７））。
この発明ではグラニュラー構造のペロブスカイト型酸化
物のＡ元素／Ｂ元素比を０.８〜１としているために、
電気特性の再現性に問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の問題点
を解決すべくなされたものであり、比誘電率の大きなペ
ロブスカイト型酸化物誘電体を用いながら、絶縁特性の
優れた薄膜キャパシタを提供することを目的とする。
を解決すべくなされたものであり、比誘電率の大きなペ
ロブスカイト型酸化物誘電体を用いながら、絶縁特性の
優れた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】上記目的を達成する本発
明は次のようである。
明は次のようである。
【０００８】１．ペロブスカイト型酸化物薄膜と該ペロ
ブスカイト型酸化物薄膜を狭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、該ペロブスカイト型酸化
物薄膜がカラムナー構造とグラニュラー構造が積層され
た２層以上の積層構造であって、かつ前記２層以上積層
されたペロブスカイト型酸化物の少なくとも１層のグラ
ニュラー構造が、酸化物を一般式ＡＢ０3（但し、Ａは
２価金属元素、Ｂは４価金属元素である。Ａ, Ｂともに
金属元素が２種類以上であることを含む。）で表記した
ときのＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であることを特
徴とする薄膜キャパシタ。
ブスカイト型酸化物薄膜を狭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、該ペロブスカイト型酸化
物薄膜がカラムナー構造とグラニュラー構造が積層され
た２層以上の積層構造であって、かつ前記２層以上積層
されたペロブスカイト型酸化物の少なくとも１層のグラ
ニュラー構造が、酸化物を一般式ＡＢ０3（但し、Ａは
２価金属元素、Ｂは４価金属元素である。Ａ, Ｂともに
金属元素が２種類以上であることを含む。）で表記した
ときのＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であることを特
徴とする薄膜キャパシタ。
【０００９】２．前記ペロブスカイト型酸化物薄膜がカ
ラムナー構造とグラニュラー構造が積層された３層以上
の積層構造であって、かつ上下電極膜とそれぞれ接する
ペロブスカイト型酸化物層がグラニュラー構造であり、
かつ該酸化物層のＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であ
ることを特徴とする上記１に記載の薄膜キャパシタ。
ラムナー構造とグラニュラー構造が積層された３層以上
の積層構造であって、かつ上下電極膜とそれぞれ接する
ペロブスカイト型酸化物層がグラニュラー構造であり、
かつ該酸化物層のＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であ
ることを特徴とする上記１に記載の薄膜キャパシタ。
【００１０】３．前記２層以上または３層以上積層され
たペロブスカイト型酸化物薄膜は、少なくとも一層のＡ
元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であり、他の層のＡ元素
／Ｂ元素比が該層よりもＢ元素過剰であることを特徴と
する上記１または２に記載の薄膜キャパシタ。
たペロブスカイト型酸化物薄膜は、少なくとも一層のＡ
元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であり、他の層のＡ元素
／Ｂ元素比が該層よりもＢ元素過剰であることを特徴と
する上記１または２に記載の薄膜キャパシタ。
【００１１】４．前記２層以上または３層以上積層され
た層を構成するペロブスカイト型酸化物が（Ｂａ,Ｓ
ｒ）Ｔｉ０3であり、少なくとも一層のＢａ／（Ｂａ+Ｓ
ｒ）元素比の上限が０.５である（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3
で構成されていることを特徴とする上記２または３に記
載の薄膜キャパシタ。
た層を構成するペロブスカイト型酸化物が（Ｂａ,Ｓ
ｒ）Ｔｉ０3であり、少なくとも一層のＢａ／（Ｂａ+Ｓ
ｒ）元素比の上限が０.５である（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3
で構成されていることを特徴とする上記２または３に記
載の薄膜キャパシタ。
【００１２】５．前記２層以上または３層以上積層され
たペロブスカイト型酸化物薄膜の少なくとも１層のＢａ
／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比の上限が０.５であり、他の層と
の間でＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比が互いに異なること
を特徴とする上記４に記載の薄膜キャパシタ。
たペロブスカイト型酸化物薄膜の少なくとも１層のＢａ
／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比の上限が０.５であり、他の層と
の間でＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比が互いに異なること
を特徴とする上記４に記載の薄膜キャパシタ。
【００１３】６．グラニュラー構造でかつ１.１〜１.５
のＡ元素／Ｂ元素比を有するペロブスカイト型酸化物層
の形成方法がアモルファス酸化物薄膜を堆積した後、熱
処理により結晶化させることを特徴とする上記１ないし
５に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
のＡ元素／Ｂ元素比を有するペロブスカイト型酸化物層
の形成方法がアモルファス酸化物薄膜を堆積した後、熱
処理により結晶化させることを特徴とする上記１ないし
５に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
【００１４】
【発明の実施の形態】ペロブスカイト型酸化物の多結晶
構造として、組成、製造方法等が異なると、カラムナー
構造またはグラニュラー構造のどちらかの構造をとるこ
とが知られている。カラムナー構造（柱状構造）は、グ
レインバウンダリーが膜厚に対してほぼ垂直に形成され
ている構造であり、空隙が多く含まれることが多くリー
クパスになり易い性質を持っている。また、カラムナー
構造の膜ではグレインサイズに応じた表面凹凸が生じる
が、これは電極との界面にラフネスを生じさせ、リーク
電流の極性依存性の原因となる（下部電極に＋、上部電
極に−の電圧を印加すると、その逆向きに電圧を印加し
た場合に比べてリーク電流が増大する）。一方グラニュ
ラー構造（塊状構造）は、不規則な粒径のグレインをラ
ンダムに隙間なく積み重ねた構造で、グレインバウンダ
リーの方向が不規則であり、かつ密に詰まっているため
リークパスになり難い性質を持っている。また、グラニ
ュラー構造の膜はカラムナー構造に比べ表面平坦性が高
く、結果として電極との界面に生じるラフネスが抑制さ
れ、リーク電流の極性依存性が緩和される。しかしなが
ら、グラニュラー構造はカラムナー構造に比べて絶縁特
性の面では優れているが、比誘電率はカラムナー構造の
方が大きい。
構造として、組成、製造方法等が異なると、カラムナー
構造またはグラニュラー構造のどちらかの構造をとるこ
とが知られている。カラムナー構造（柱状構造）は、グ
レインバウンダリーが膜厚に対してほぼ垂直に形成され
ている構造であり、空隙が多く含まれることが多くリー
クパスになり易い性質を持っている。また、カラムナー
構造の膜ではグレインサイズに応じた表面凹凸が生じる
が、これは電極との界面にラフネスを生じさせ、リーク
電流の極性依存性の原因となる（下部電極に＋、上部電
極に−の電圧を印加すると、その逆向きに電圧を印加し
た場合に比べてリーク電流が増大する）。一方グラニュ
ラー構造（塊状構造）は、不規則な粒径のグレインをラ
ンダムに隙間なく積み重ねた構造で、グレインバウンダ
リーの方向が不規則であり、かつ密に詰まっているため
リークパスになり難い性質を持っている。また、グラニ
ュラー構造の膜はカラムナー構造に比べ表面平坦性が高
く、結果として電極との界面に生じるラフネスが抑制さ
れ、リーク電流の極性依存性が緩和される。しかしなが
ら、グラニュラー構造はカラムナー構造に比べて絶縁特
性の面では優れているが、比誘電率はカラムナー構造の
方が大きい。
【００１５】グラニュラー構造を得るための方法とし
て、アモルファス状酸化物をＣＶＤ法等で積層し、熱処
理によって結晶化させる。この際、酸化物薄膜を前記一
般式ＡＢ０3で表記したときのＡ元素／Ｂ元素比が１.１
〜１.５とすることで、０.８〜１とした場合よりもより
緻密なグラニュラー構造が再現性良く得られる。
て、アモルファス状酸化物をＣＶＤ法等で積層し、熱処
理によって結晶化させる。この際、酸化物薄膜を前記一
般式ＡＢ０3で表記したときのＡ元素／Ｂ元素比が１.１
〜１.５とすることで、０.８〜１とした場合よりもより
緻密なグラニュラー構造が再現性良く得られる。
【００１６】すなわち本発明では、酸化物薄膜のＡ元素
／Ｂ元素比を１.１〜１.５の範囲にすることで、絶縁性
の優れたグラニュラー膜を再現性良く作製し、このグラ
ニュラー構造を比誘電率の大きなカラムナー構造と積層
させることで大きな比誘電率を保持しながら高い絶縁性
を得ることができるのである。
／Ｂ元素比を１.１〜１.５の範囲にすることで、絶縁性
の優れたグラニュラー膜を再現性良く作製し、このグラ
ニュラー構造を比誘電率の大きなカラムナー構造と積層
させることで大きな比誘電率を保持しながら高い絶縁性
を得ることができるのである。
【００１７】従来技術において、ＢＳＴの２段階成膜
（熱ＣＶＤ法）を行うことで（第１層の組成を第２層の
組成に比べてＡ元素過剰にする）、リーク電流の低減が
図られているが、結果として得られるｔｅｑは約０.７
ｎｍである。表面モフォロジーから、この膜構造は第１
層、第２層ともにグラニュラー構造と考えられる。絶縁
性を維持しつつさらに低いｔｅｑを得るために、本発明
ではリーク電流の低いグラニュラー構造と比誘電率の高
いカラムナー構造の膜を積層させている。
（熱ＣＶＤ法）を行うことで（第１層の組成を第２層の
組成に比べてＡ元素過剰にする）、リーク電流の低減が
図られているが、結果として得られるｔｅｑは約０.７
ｎｍである。表面モフォロジーから、この膜構造は第１
層、第２層ともにグラニュラー構造と考えられる。絶縁
性を維持しつつさらに低いｔｅｑを得るために、本発明
ではリーク電流の低いグラニュラー構造と比誘電率の高
いカラムナー構造の膜を積層させている。
【００１８】さらに３層以上積層されたペロブスカイト
型酸化物薄膜において、表面平坦性の高いグラニュラー
構造を上下電極とそれぞれ接することにより、電極との
界面に生じるラフネスが抑制される。よって、上下電極
と接する層をカラムナー構造とした場合に比べ、リーク
電流の極性依存性が緩和されることになる。
型酸化物薄膜において、表面平坦性の高いグラニュラー
構造を上下電極とそれぞれ接することにより、電極との
界面に生じるラフネスが抑制される。よって、上下電極
と接する層をカラムナー構造とした場合に比べ、リーク
電流の極性依存性が緩和されることになる。
【００１９】本発明で用いられるペロブスカイト型酸化
物は、一般式ＡＢ０3で表される構造であり、Ａは２価
金属元素、Ｂは４価金属元素である。Ａとしては、スト
ロンチウム、バリウム、鉛等が好ましく、特にストロン
チウム及びバリウムが好ましい。Ｂとしてはチタン、ジ
ルコニウム等が好ましく、特にチタンが好ましい。ま
た、Ａ及びＢは２種以上の金属元素からなっていてもよ
く、たとえば、（Ｘ, Ｙ）Ｂ０3と表記される。
物は、一般式ＡＢ０3で表される構造であり、Ａは２価
金属元素、Ｂは４価金属元素である。Ａとしては、スト
ロンチウム、バリウム、鉛等が好ましく、特にストロン
チウム及びバリウムが好ましい。Ｂとしてはチタン、ジ
ルコニウム等が好ましく、特にチタンが好ましい。ま
た、Ａ及びＢは２種以上の金属元素からなっていてもよ
く、たとえば、（Ｘ, Ｙ）Ｂ０3と表記される。
【００２０】本発明でペロブスカイト型酸化物薄膜を製
造するには、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒ
ｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）ＣＶＤ装置等を用いて、組
成、成膜温度やアニール温度等の製造条件を変えること
でカラムナー構造及びグラニュラー構造を選択する。
造するには、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒ
ｅｓｏｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）ＣＶＤ装置等を用いて、組
成、成膜温度やアニール温度等の製造条件を変えること
でカラムナー構造及びグラニュラー構造を選択する。
【００２１】本発明において、グラニュラー構造は前記
の一般式ＡＢ０3におけるＡ元素の比率を上げる方がリ
ーク電流を低減することができるので、Ａ元素／Ｂ元素
比を１.１〜１.５とする。さらに、グラニュラー構造は
表面平坦性が良好であるため、電極と接していることが
好ましい。
の一般式ＡＢ０3におけるＡ元素の比率を上げる方がリ
ーク電流を低減することができるので、Ａ元素／Ｂ元素
比を１.１〜１.５とする。さらに、グラニュラー構造は
表面平坦性が良好であるため、電極と接していることが
好ましい。
【００２２】また、比誘電率を高めるために、カラムナ
ー構造のＡ元素／Ｂ元素比は１.０付近にするのが好ま
しい。すなわち、グラニュラー構造とカラムナー構造の
Ａ元素／Ｂ元素比は異なることが望ましい。
ー構造のＡ元素／Ｂ元素比は１.０付近にするのが好ま
しい。すなわち、グラニュラー構造とカラムナー構造の
Ａ元素／Ｂ元素比は異なることが望ましい。
【００２３】さらに、ペロブスカイト型酸化物が（Ｂ
ａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3である場合には、Ｓｒに対してＢａ元
素の割合を低減させるとリーク電流が低下するので、少
なくとも１層のＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比の上限が０.
５である（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3で構成されていることが
好ましい。
ａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3である場合には、Ｓｒに対してＢａ元
素の割合を低減させるとリーク電流が低下するので、少
なくとも１層のＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比の上限が０.
５である（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3で構成されていることが
好ましい。
【００２４】本発明では組成を限定することで再現性良
く絶縁性の高いグラニュラー構造を得て、グラニュラー
構造とカラムナー構造を２層以上積層することで、比誘
電率を高めつつリーク電流を低減することができる。
く絶縁性の高いグラニュラー構造を得て、グラニュラー
構造とカラムナー構造を２層以上積層することで、比誘
電率を高めつつリーク電流を低減することができる。
【００２５】
【実施例】以下に実施例を示しさらに具体的に本発明を
説明する。
説明する。
【００２６】実施例１ 以下、本発明の実施例１について、図１及び図４を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００２７】図４は本発明の実施例１を説明するために
用いたＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏ
ｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）-ＣＶＤ装置の成膜室１０の概略
図である。成膜室上部のＥＣＲ生成部１２から０2プラ
ズマ１３が生成され、インジェクションノズル１４から
導入された他の有機金属原料と反応することにより、基
板１１上に誘電体膜が形成される。基板温度は輻射加熱
により１００〜７００℃まで制御される。
用いたＥｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏ
ｎａｎｃｅ（ＥＣＲ）-ＣＶＤ装置の成膜室１０の概略
図である。成膜室上部のＥＣＲ生成部１２から０2プラ
ズマ１３が生成され、インジェクションノズル１４から
導入された他の有機金属原料と反応することにより、基
板１１上に誘電体膜が形成される。基板温度は輻射加熱
により１００〜７００℃まで制御される。
【００２８】図１は薄膜キャパシタの断面図である。ス
パッタ法により６インチＳｉ基板６上にＴｉＮ ５、Ｒ
ｕ ４をそれぞれ２０、２００ｎｍの膜厚で積層した。
Ｒｕはキャパシタの下部電極、ＴｉＮはＲｕとＳｉの反
応を防ぐバリア層である。
パッタ法により６インチＳｉ基板６上にＴｉＮ ５、Ｒ
ｕ ４をそれぞれ２０、２００ｎｍの膜厚で積層した。
Ｒｕはキャパシタの下部電極、ＴｉＮはＲｕとＳｉの反
応を防ぐバリア層である。
【００２９】このウエハをＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成膜室
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を５ｎｍ堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは１.２、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.３となる
ように設計した。アモルファスＢＳＴ膜を堆積するため
に、成膜温度は１００℃とした。その後、ウエハを装置
外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃のアニールを行っ
た。
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を５ｎｍ堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは１.２、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.３となる
ように設計した。アモルファスＢＳＴ膜を堆積するため
に、成膜温度は１００℃とした。その後、ウエハを装置
外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃のアニールを行っ
た。
【００３０】このウエハを再びＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成
膜室１０に導入し、ウエハを５５０℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）を２０
ｎｍ形成した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは０.９
７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.５となるように設計し
た。
膜室１０に導入し、ウエハを５５０℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）を２０
ｎｍ形成した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは０.９
７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.５となるように設計し
た。
【００３１】次に、再び成膜温度を１００℃として、第
３ペロブスカイト型酸化物誘電体３（ＢＳＴ）を５ｎｍ
堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは１.２、Ｂａ
／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.３となるように設計した。その
後、ウエハを装置から取り出し、窒素雰囲気中で６００
℃のアニールを行った。
３ペロブスカイト型酸化物誘電体３（ＢＳＴ）を５ｎｍ
堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは１.２、Ｂａ
／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.３となるように設計した。その
後、ウエハを装置から取り出し、窒素雰囲気中で６００
℃のアニールを行った。
【００３２】その後、スパッタ法により上部電極７であ
るＲｕを２００ｎｍ堆積した。以上のような工程により
作製された薄膜キャパシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行
った結果、ＢＳＴの膜構造は膜厚方向に対して５ｎｍの
グラニュラー、２０ｎｍのカラムナー、５ｎｍのグラニ
ュラーの積層構造になっていた。さらに、上下電極との
界面は極めて平坦であった。キャパシタの電気特性を評
価した結果、比誘電率４５０、リーク電流密度５×１０
-9Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印加時）、誘電損失１％以下という
良好な特性を示した。リーク電流密度の極性依存性はみ
られなかった 。
るＲｕを２００ｎｍ堆積した。以上のような工程により
作製された薄膜キャパシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行
った結果、ＢＳＴの膜構造は膜厚方向に対して５ｎｍの
グラニュラー、２０ｎｍのカラムナー、５ｎｍのグラニ
ュラーの積層構造になっていた。さらに、上下電極との
界面は極めて平坦であった。キャパシタの電気特性を評
価した結果、比誘電率４５０、リーク電流密度５×１０
-9Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印加時）、誘電損失１％以下という
良好な特性を示した。リーク電流密度の極性依存性はみ
られなかった 。
【００３３】実施例２ 以下、本発明の実施例２について、図２及び図４を参照
にしながら説明する。
にしながら説明する。
【００３４】図２は薄膜キャパシタの断面図である。Ｓ
ｉ基板６上に熱酸化したＳｉ０2層８（６００ｎｍ）中
にｐｏｌｙ-Ｓｉプラグ９を形成し、その上にスパッタ
法によりバリア層５としてＴｉＮ（２０ｎｍ）、下部電
極４としてＲｕ（５００ｎｍ）を積層した。Ｒｕ／Ｔｉ
Ｎ構造はフォトリソグラフィによりパターニングし（パ
ターン幅は０.４μｍ）、プラズマエッチングにより、
図のような立体構造のスタック電極に加工した。
ｉ基板６上に熱酸化したＳｉ０2層８（６００ｎｍ）中
にｐｏｌｙ-Ｓｉプラグ９を形成し、その上にスパッタ
法によりバリア層５としてＴｉＮ（２０ｎｍ）、下部電
極４としてＲｕ（５００ｎｍ）を積層した。Ｒｕ／Ｔｉ
Ｎ構造はフォトリソグラフィによりパターニングし（パ
ターン幅は０.４μｍ）、プラズマエッチングにより、
図のような立体構造のスタック電極に加工した。
【００３５】このウエハをＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成膜室
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を成膜温度１００℃で５ｎｍ堆積した。ＢＳ
Ｔ膜の組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉ比は１.１、Ｂａ／
（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４になるように設計した。その
後、ウエハを装置外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃
のアニールを行った。このプロセスによりグラニュラー
構造のペロブスカイト型酸化物誘電体が得られた。
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を成膜温度１００℃で５ｎｍ堆積した。ＢＳ
Ｔ膜の組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉ比は１.１、Ｂａ／
（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４になるように設計した。その
後、ウエハを装置外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃
のアニールを行った。このプロセスによりグラニュラー
構造のペロブスカイト型酸化物誘電体が得られた。
【００３６】このウエハを再びＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成
膜室１０に導入し、ウエハを５５０℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）をスタ
ック上面に対して８０ｎｍ形成した（ステッウカバレジ
が約４０％であることから、側面における膜厚は約３０
ｎｍとなる）。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは０.９
７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４となるように設計し
た。成膜温度以外の成膜条件は上と同じである。その
後、スパッタ法により上部電極７であるＲｕを５０ｎｍ
堆積した。以上のような工程により作製された薄膜キャ
パシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行った結果、ＢＳＴ膜
のグレイン構造は膜厚方向に対してグラニュラーとカラ
ムナーの積層構造となっていた。キャパシタのリーク電
流密度を測定した結果、２×１０-8Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印
加時）という良好な特性を示した。
膜室１０に導入し、ウエハを５５０℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）をスタ
ック上面に対して８０ｎｍ形成した（ステッウカバレジ
が約４０％であることから、側面における膜厚は約３０
ｎｍとなる）。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）／Ｔｉは０.９
７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４となるように設計し
た。成膜温度以外の成膜条件は上と同じである。その
後、スパッタ法により上部電極７であるＲｕを５０ｎｍ
堆積した。以上のような工程により作製された薄膜キャ
パシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行った結果、ＢＳＴ膜
のグレイン構造は膜厚方向に対してグラニュラーとカラ
ムナーの積層構造となっていた。キャパシタのリーク電
流密度を測定した結果、２×１０-8Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印
加時）という良好な特性を示した。
【００３７】実施例３ 以下、本発明の実施例３について、図３及び図４を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００３８】図３は薄膜キャパシタの断面図である。ス
パッタ法により６インチＳｉ基板６上にＴｉＮ及びＲｕ
をそれぞれ２０、２００ｎｍの膜厚で積層した。Ｒｕは
キャパシタの下部電極４、ＴｉＮはＲｕとＳｉの反応を
防ぐバリア層５である。
パッタ法により６インチＳｉ基板６上にＴｉＮ及びＲｕ
をそれぞれ２０、２００ｎｍの膜厚で積層した。Ｒｕは
キャパシタの下部電極４、ＴｉＮはＲｕとＳｉの反応を
防ぐバリア層５である。
【００３９】このウエハをＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成膜室
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を５ｎｍ堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは１.２、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４となる
ように設計した。アモルファスＢＳＴ膜を堆積するため
に、成膜温度は１００℃とした。その後、ウエハを装置
外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃のアニールを行っ
た。このような工程により、グラニュラー構造のペロブ
スカイト型酸化物誘電体が形成される。
１０に導入し、第１ペロブスカイト型酸化物誘電体１
（ＢＳＴ）を５ｎｍ堆積した。膜組成は（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは１.２、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.４となる
ように設計した。アモルファスＢＳＴ膜を堆積するため
に、成膜温度は１００℃とした。その後、ウエハを装置
外に取り出し窒素雰囲気中で６００℃のアニールを行っ
た。このような工程により、グラニュラー構造のペロブ
スカイト型酸化物誘電体が形成される。
【００４０】このウエハを再びＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成
膜室１０に導入し、ウエハを５００℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）を２５
ｎｍ形成した。膜組成は第１層と異なり（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは０.９７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.５とな
るように設計した。その後、スパッタ法により上部電極
７であるＲｕを５０ｎｍ堆積した。
膜室１０に導入し、ウエハを５００℃に加熱した状態で
第２ペロブスカイト型酸化物誘電体２（ＢＳＴ）を２５
ｎｍ形成した。膜組成は第１層と異なり（Ｂａ+Ｓｒ）
／Ｔｉは０.９７、Ｂａ／（Ｂａ+Ｓｒ）比は０.５とな
るように設計した。その後、スパッタ法により上部電極
７であるＲｕを５０ｎｍ堆積した。
【００４１】以上のような工程により作製された薄膜キ
ャパシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行った結果、ＢＳＴ
の膜構造は膜厚方向に対して５ｎｍのグラニュラーと２
５ｎｍのカラアムナーの積層構造になっていた。さら
に、キャパシタの電気特性を評価した結果、比誘電率４
５０、リーク電流密度３×１０-8Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印加
時）、誘電損失１％以下という良好な特性を示した。
ャパシタに対し、断面ＴＥＭ観察を行った結果、ＢＳＴ
の膜構造は膜厚方向に対して５ｎｍのグラニュラーと２
５ｎｍのカラアムナーの積層構造になっていた。さら
に、キャパシタの電気特性を評価した結果、比誘電率４
５０、リーク電流密度３×１０-8Ａ／ｃｍ2（１Ｖ印加
時）、誘電損失１％以下という良好な特性を示した。
【００４２】比較例１ 各実施例において、グラニュラー構造を形成することな
く、すべてカラムナー構造のペロブスカイト型酸化物誘
電体層を形成した場合のリーク電流密度は５×１０-7Ａ
／ｃｍ2（１Ｖ印加時）であり、リーク電流が大きかっ
た。
く、すべてカラムナー構造のペロブスカイト型酸化物誘
電体層を形成した場合のリーク電流密度は５×１０-7Ａ
／ｃｍ2（１Ｖ印加時）であり、リーク電流が大きかっ
た。
【００４３】比較例２ 各実施例において、グラニュラー構造のＡ元素／Ｂ元素
比を０.８〜１にすると、グラニュラー構造のＡ元素／
Ｂ元素比が１.１〜１.５の場合に比べ、電気特性の再現
性が悪化した。
比を０.８〜１にすると、グラニュラー構造のＡ元素／
Ｂ元素比が１.１〜１.５の場合に比べ、電気特性の再現
性が悪化した。
【００４４】比較例３ 各実施例において、カラムナー構造のＡ元素／Ｂ元素比
はグラニュラー構造よりもＢ元素過剰な０.９７とした
が、これをグラニュラー構造と同じ組成かあるいはＡ元
素過剰とするとと比誘電率が減少した。すなわち、グラ
ニュラー構造の組成よりも他層の組成をＢ元素過剰とす
ることでより良好な特性が得られる。
はグラニュラー構造よりもＢ元素過剰な０.９７とした
が、これをグラニュラー構造と同じ組成かあるいはＡ元
素過剰とするとと比誘電率が減少した。すなわち、グラ
ニュラー構造の組成よりも他層の組成をＢ元素過剰とす
ることでより良好な特性が得られる。
【００４５】以上の実施例では、成膜方法としてＣＶＤ
法のみを用いたが、スパッタ法、ｓｏｌ-ｇｅｌ法等を
用いても同様な結果が得られる。
法のみを用いたが、スパッタ法、ｓｏｌ-ｇｅｌ法等を
用いても同様な結果が得られる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように本発明の構成によれ
ば、比誘電率の大きなペロブスカイト型酸化物誘電体を
用いながら、絶縁性に優れた薄膜キャパシタを提供する
ことができる。
ば、比誘電率の大きなペロブスカイト型酸化物誘電体を
用いながら、絶縁性に優れた薄膜キャパシタを提供する
ことができる。
【図１】本発明の一実施例を示す薄膜キャパシタの断面
図である。
図である。
【図２】本発明の一実施例を示す薄膜キャパシタの断面
図である。
図である。
【図３】本発明の一実施例を示す薄膜キャパシタの断面
図である。
図である。
【図４】本発明の一実施例を示すＥＣＲ-ＣＶＤ装置の
成膜室の概略図である。
成膜室の概略図である。
１ 第１ペロブスカイト型酸化物誘電体 ２ 第２ペロブスカイト型酸化物誘電体 ３ 第３ペロブスカイト型酸化物誘電体 ４ 下部電極 ５ バリア層 ６ Ｓｉ基板 ７ 上部電極 ８ Ｓｉ０2層 ９ ｐｏｌｙ-Ｓｉプラグ １０ ＥＣＲ-ＣＶＤ装置の成膜室 １１ 基板 １２ ＥＣＲプラズマ生成部 １３ プラズマ １４ インジェクションノズル
Claims (6)
- 【請求項１】 ペロブスカイト型酸化物薄膜と該ペロブ
スカイト型酸化物薄膜を狭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、該ペロブスカイト型酸化物
薄膜がカラムナー構造とグラニュラー構造が積層された
２層以上の積層構造であって、かつ前記２層以上積層さ
れたペロブスカイト型酸化物の少なくとも１層のグラニ
ュラー構造が、酸化物を一般式ＡＢ０3（但し、Ａは２
価金属元素、Ｂは４価金属元素である。Ａ,Ｂともに金
属元素が２種類以上であることを含む。）で表記したと
きのＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であることを特徴
とする薄膜キャパシタ。 - 【請求項２】 前記ペロブスカイト型酸化物薄膜がカラ
ムナー構造とグラニュラー構造が積層された３層以上の
積層構造であって、かつ上下電極膜とそれぞれ接するペ
ロブスカイト型酸化物層がグラニュラー構造であり、か
つ該酸化物層のＡ元素／Ｂ元素比が１.１〜１.５である
ことを特徴とする請求項１記載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項３】 前記２層以上または３層以上積層された
ペロブスカイト型酸化物薄膜は、少なくとも一層のＡ元
素／Ｂ元素比が１.１〜１.５であり、他の層のＡ元素／
Ｂ元素比が該層よりもＢ元素過剰であることを特徴とす
る請求項１または２記載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項４】 前記２層以上または３層以上積層された
層を構成するペロブスカイト型酸化物が（Ｂａ,Ｓｒ）
Ｔｉ０3であり、少なくとも一層のＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）
元素比の上限が０.５である（Ｂａ,Ｓｒ）Ｔｉ０3で構
成されていることを特徴とする請求項２または３記載の
薄膜キャパシタ。 - 【請求項５】 前記２層以上または３層以上積層された
ペロブスカイト型酸化物薄膜の少なくとも１層のＢａ／
（Ｂａ+Ｓｒ）元素比の上限が０.５であり、他の層との
間でＢａ／（Ｂａ+Ｓｒ）元素比が互いに異なることを
特徴とする請求項４記載の薄膜キャパシタ。 - 【請求項６】 グラニュラー構造でかつ１.１〜１.５の
Ａ元素／Ｂ元素比を有するペロブスカイト型酸化物層の
形成方法がアモルファス酸化物薄膜を堆積した後、熱処
理により結晶化させることを特徴とする請求項１ないし
５記載の薄膜キャパシタの製造方法。
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