JPH11233723A - 電子素子およびその製造方法ならびに誘電体キャパシタおよびその製造方法ならびに光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機能性酸化膜あるいは誘電体膜の特性を十分
に発揮することができる電子素子およびその製造方法な
らびに誘電体キャパシタおよびその製造方法ならびに光
学素子およびその製造方法を提供する。 【解決手段】 下部電極としてＴａＮ膜３を成膜した
後、３００〜３５０℃の温度でオゾンアニールを行うこ
とによりその表面を酸化して膜厚が５〜１０ｎｍのＴａ
−Ｏ−Ｎ膜４を形成する。このＴａ−Ｏ−Ｎ膜４上にＴ
ａ₂ Ｏ₅ 膜５を成膜し、さらに３００〜５００℃の温度
でオゾンアニールを行ってＴａ₂ Ｏ₅ 膜５の絶縁特性を
改善した後、上部電極としてＡｌ電極６を形成してＭＩ
Ｍ型誘電体キャパシタを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子素子および
その製造方法ならびに誘電体キャパシタおよびその製造
方法ならびに光学素子およびその製造方法に関し、例え
ば、半導体デバイスに用いられる容量素子あるいは光変
調器などの光学素子に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスにおける容量素子とし
て、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜などの高誘電体膜を用いた誘電体キャ
パシタがある。この高誘電体膜を用いた誘電体キャパシ
タとしてこれまでに実用化されているものは、ＭＩＳ
（Metal-Insulator-Semiconductor)型誘電体キャパシタ
であり、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal)型誘電体キャ
パシタはまだ実用化されていない。

【０００３】このＭＩＭ型誘電体キャパシタの下部電極
の材料については、これまでに研究が行われており、Ｔ
ｉＮなどが候補として挙げられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＭＩＭ型誘電体キャパシタには、次のような問題があっ
た。すなわち、一般に、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜などの酸化物から
なる高誘電体膜は、成膜直後は膜中の酸素欠損により絶
縁特性が悪いため、その改善を行うことが必要である。
この改善のための手法として、ＲＴＯ（Rapid Thermal
Oxidation)、酸素（Ｏ₂ ）プラズマアニール、オゾン
（Ｏ₃ ）アニールなどが用いられているが、これらの熱
プロセス中に高誘電体膜を通して下部電極に酸素が達
し、下部電極の表面が酸化されてしまうことにより、高
誘電体膜／下部電極界面の劣化が生じてしまう。

【０００５】例えば、下部電極の材料としてＴｉＮを、
高誘電体膜としてＴａ₂ Ｏ₅ 膜（比誘電率は約２８）を
採用した場合には、上述の熱プロセス中に、下部電極を
構成するＴｉＮのＴｉとＴａ₂ Ｏ₅ 膜とが反応すること
により、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜／下部電極界面に、比誘電率がＴ
ａ₂ Ｏ₅ 膜よりもかなり低いＴａ−Ｔｉ−Ｏ膜が形成さ
れる。このようにＴａ₂ Ｏ₅ 膜／下部電極界面にＴａ−
Ｔｉ−Ｏ膜が形成されると、このＭＩＭ型誘電体キャパ
シタの容量値は、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜／下部電極界面にＴａ−
Ｔｉ−Ｏ膜が形成されないときに比べて大幅に低下して
しまうため、高誘電体膜としてのＴａ₂ Ｏ₅ 膜の特性を
発揮することができなかった。また、Ｔａ−Ｔｉ−Ｏ膜
はＴａ₂ Ｏ₅ 膜／下部電極界面に不均一に形成されるた
め、誘電体キャパシタの特性劣化などの原因となってい
た。

【０００６】さらに、本発明者の検討によれば、同様な
問題は、高誘電体膜を用いた誘電体キャパシタだけでな
く、より一般的に、下部電極その他の導電層上に高誘電
体膜その他の各種の酸化膜を形成する場合全般に生じ得
るものであり、その解決が望まれるものである。

【０００７】したがって、この発明の目的は、使用する
誘電体膜の特性を十分に発揮することができる誘電体キ
ャパシタおよびその製造方法を提供することにある。

【０００８】この発明の他の目的は、使用する機能性酸
化膜の特性を十分に発揮することができる電子素子およ
びその製造方法を提供することにある。

【０００９】この発明のさらに他の目的は、使用する機
能性酸化膜の特性を十分に発揮することができる光学素
子およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、従来技術が
有する上述の課題を解決すべく、鋭意検討を行った。そ
の結果、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜などの高誘電体膜を用いたＭＩＭ
型誘電体キャパシタの下部電極の材料としては、導電性
を有するＴａＮ、より一般的には、ＴａＮを主成分とす
る材料が優れているという結論に至った。そして、この
ように下部電極の材料としてＴａＮを主成分とする材料
を用いる場合には、その上に直接Ｔａ₂Ｏ₅ 膜などの高
誘電体膜を成膜するのではなく、まず、下部電極の表面
を酸化してＴａ−Ｏ−Ｎ膜、より一般的には、少なくと
もＴａとＮとを含む酸化膜を形成し、その上に高誘電体
膜を成膜することが有効であることを見い出した。すな
わち、下部電極の表面にこのような少なくともＴａとＮ
とを含む酸化膜を形成しておくと、高誘電体膜の成膜後
に絶縁特性の改善などのために酸素を含む雰囲気中で熱
プロセスを施しても、この高誘電体膜／下部電極界面は
安定に保たれ、この高誘電体膜／下部電極界面の構造が
不均一となることがない。また、ＴａＮを主成分とする
材料からなる下部電極の表面を酸化することにより形成
される少なくともＴａとＮとを含む酸化膜は誘電性を示
すが、その比誘電率はＴａ−Ｔｉ−Ｏ膜などに比べて大
きく、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜の場合には約２５とＴａ₂ Ｏ₅ 膜
の比誘電率（約２８）に近い値である。したがって、高
誘電体膜／下部電極界面に少なくともＴａとＮとを含む
酸化膜を形成しても、誘電体キャパシタの容量値の低下
はほとんど生じない。

【００１１】以上は高誘電体膜を用いた誘電体キャパシ
タについてであるが、強誘電体膜を用いた誘電体キャパ
シタにおいても、下部電極の表面に少なくともＴａとＮ
とを含む酸化膜を形成することにより、容量値の減少は
多少あり得るものの、強誘電体膜／下部電極界面の安定
化により特性の向上を図ることができるという利点を得
ることができる。さらに、誘電体キャパシタだけでな
く、より一般的には、ＴａＮを主成分とする材料からな
る導電層上に各種の機能性酸化膜を形成する場合に、そ
の導電層の表面に少なくともＴａとＮとを含む酸化膜を
形成することにより、同様な利点を得ることができる。

【００１２】この発明は、本発明者による以上のような
検討に基づいて案出されたものである。すなわち、上記
目的を達成するために、この発明の第１の発明は、Ｔａ
Ｎを主成分とする材料からなる導電層と、導電層上の少
なくともＴａとＮとを含む酸化膜と、少なくともＴａと
Ｎとを含む酸化膜上の機能性酸化膜とを有することを特
徴とする電子素子である。

【００１３】この発明の第２の発明は、ＴａＮを主成分
とする材料からなる導電層を形成する工程と、導電層の
表面の酸化を行うことにより少なくともＴａとＮとを含
む酸化膜を形成する工程と、少なくともＴａとＮとを含
む酸化膜上に機能性酸化膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする電子素子の製造方法である。

【００１４】この発明の第３の発明は、ＴａＮを主成分
とする材料からなる下部電極と、下部電極上の少なくと
もＴａとＮとを含む酸化膜と、酸化膜上の酸化物からな
る誘電体膜と、誘電体膜上の上部電極とを有することを
特徴とする誘電体キャパシタである。

【００１５】この発明の第４の発明は、ＴａＮを主成分
とする材料からなる下部電極を形成する工程と、下部電
極の表面の酸化を行うことにより少なくともＴａとＮと
を含む酸化膜を形成する工程と、少なくともＴａとＮと
を含む酸化膜上に酸化物からなる誘電体膜を形成する工
程と、誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とする誘電体キャパシタの製造方法である。

【００１６】この発明の第５の発明は、ＴａＮを主成分
とする材料からなる導電層と、導電層上の少なくともＴ
ａとＮとを含む酸化膜と、少なくともＴａとＮとを含む
酸化膜上の機能性酸化膜とを有することを特徴とする光
学素子である。

【００１７】この発明の第６の発明は、ＴａＮを主成分
とする材料からなる導電層を形成する工程と、導電層の
表面の酸化を行うことにより少なくともＴａとＮとを含
む酸化膜を形成する工程と、少なくともＴａとＮとを含
む酸化膜上に機能性酸化膜を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする光学素子の製造方法である。

【００１８】この発明の第１、第２、第５または第６の
発明において、機能性酸化膜とは、電子素子または光学
素子に持たせる機能に応じた特性を有するものであり、
例えば高誘電体膜、強誘電体膜、超伝導体膜、圧電体
膜、焦電体膜などを含む。この機能性酸化膜の具体例を
挙げると、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜、ＣｅＯ₂ 膜、ＺｒＯ₂ 膜、Ｙ
安定化ＺｒＯ₂ 膜など、ペロブスカイト型結晶構造を有
する（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ₃ （ＢＳＴ）、Ｐｂ（Ｚｒ，
Ｔｉ）Ｏ₃ （ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）
Ｏ₃ （ＰＬＺＴ）、ＳｒＴｉＯ₃ （ＳＴＯ）、ＢａＴｉ
Ｏ₃ （ＢＴＯ）、ＰｂＴｉＯ₃ （ＰＴＯ）などの膜、層
状ペロブスカイト型結晶構造を有するＳｒＢｉ₂ Ｔａ₂
Ｏ₉ （ＳＢＴ）などの膜、いわゆる酸化物高温超伝導体
である（Ｌａ_1-x Ｓｒ_x ）₂ ＣｕＯ₄ 、ＹＢａ₂ Ｃｕ₃
Ｏ_7-d などの膜、非線形光学効果を有するＬｉＮｂ
Ｏ₃ 、ＬｉＴａＯ₃ 、ＫＴａ_1-x Ｎｂ_x Ｏ₃ などの膜で
ある。

【００１９】この発明において、導電層あるいは下部電
極の表面の酸化は、基本的にはどのような酸化法を用い
て行ってもよいが、導電層あるいは下部電極の耐熱温度
以下の酸化温度で導電層あるいは下部電極の表面に必要
十分な膜厚でしかも良質の酸化膜を形成することができ
る酸化法を用いて行うのが望ましい。具体的には、この
導電層あるいは下部電極の表面の酸化は、好適には、オ
ゾンを含む雰囲気中で熱処理を行うことにより行う。ま
た、導電層あるいは下部電極は、典型的にはＴａＮから
なり、このときその表面に形成される酸化膜はＴａ−Ｏ
−Ｎ膜である。また、誘電体キャパシタにおける誘電体
膜としては、好適には、下部電極の表面に形成される少
なくともＴａとＮとを含む酸化膜による容量値の減少を
防ぐために、この酸化膜の比誘電率と同程度以上のもの
を用いる。このような誘電体膜としては、例えばＴａ₂
Ｏ₅ 膜、ＣｅＯ₂ 膜、ＺｒＯ₂ 膜などが挙げられる。こ
れらの膜の比誘電率はいずれも２０〜３０である。

【００２０】この発明において、機能性酸化膜あるいは
酸化物からなる誘電体膜上に設けられる導電層あるいは
上部電極の材料としては、例えば、ＷＮ、ＴａＮ、Ｔｉ
Ｎなどの導電性の金属窒化物やＡｌその他の金属などが
挙げられる。

【００２１】上述のように構成されたこの発明によれ
ば、ＴａＮを主成分とする材料からなる導電層あるいは
下部電極の表面の少なくともＴａとＮとを含む酸化膜に
より、機能性酸化膜あるいは酸化物からなる誘電体膜の
成膜後に絶縁特性などの改善のために酸化性雰囲気中で
熱プロセスを施しても、その熱プロセス中に機能性酸化
膜あるいは酸化物からなる誘電体膜を通して酸素が導電
層あるいは下部電極に達してこれらが酸化されたり、そ
れらの界面の構造が不均一になったりすることがなくな
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態につい
て図面を参照しながら説明する。

【００２３】まず、この発明の第１の実施形態について
説明する。図１はこの第１の実施形態によるＭＩＭ型誘
電体キャパシタの製造方法を示す。

【００２４】この第１の実施形態においては、図１Ａに
示すように、まず、低抵抗のｎ⁺ 型Ｓｉ基板１の表面を
希フッ酸などにより洗浄して自然酸化膜などを除去した
後、その表面に接合層としてのＴａ膜２および下部電極
としてのＴａＮ膜３を順次成膜する。ｎ⁺ 型Ｓｉ基板１
としては、例えば（１００）面方位または（１１１）面
方位のものを用いる。Ｔａ膜２の膜厚は例えば１００ｎ
ｍ、ＴａＮ膜３の膜厚は例えば２００ｎｍである。これ
らのＴａ膜２およびＴａＮ膜３の成膜には例えばスパッ
タリング法を用いる。このスパッタリング法による成膜
時の条件の例を挙げると、ガス圧比はＡｒ／Ｏ₂ ＝６０
／４０、圧力は０．３０〜０．３５Ｐａ、ＲＦパワーは
２２０〜２４０Ｗ、基板温度は約１８０℃とする。

【００２５】次に、ＴａＮ膜３が形成されたｎ⁺ 型Ｓｉ
基板１を、例えばＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing)法
によりアニール温度に加熱しておき、大気圧下でオゾン
ガスを含む雰囲気中におけるアニール、すなわちオゾン
アニールを行う。ここで、このオゾンアニールの雰囲気
中のオゾン濃度はＯ₃ ／Ｏ₂ 比で例えば５〜２０体積
％、アニール温度は例えば３００〜３５０℃、アニール
時間は例えば１０分間とする。これによって、図１Ｂに
示すように、ＴａＮ膜３の表面の酸化が行われ、良質の
Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４が均一に形成される。このＴａ−Ｏ−
Ｎ膜４の膜厚は例えば５〜１０ｎｍである。

【００２６】図３はこのオゾンアニールに用いられるオ
ゾンアニール装置の例を示す。図３に示すように、この
オゾンアニール装置においては、オゾンアニールを行う
べき基板１１が入れられる例えば石英製のチャンバー１
２にオゾン発生器１３が接続され、このオゾン発生器１
３により発生されたオゾンをチャンバー１２内に流すこ
とができるようになっている。なお、チャンバー１２
は、例えば８インチ径の基板１１を処理することができ
るように設計されている。チャンバー１２内において
は、ヒータ（図示せず）上に、アニールを行うべき基板
１１が載せられるようになっている。そして、この基板
１１は、ＲＴＡ法により加熱可能になっている。また、
チャンバー１２には冷却管１４が取り付けられ、この冷
却管１４に常時例えば水を流すことによりチャンバー１
２の内壁およびオゾンガスの流れの経路付近を冷却する
ことができるようになっており、これによって、オゾン
の寿命を長くし、また、オゾン濃度を所望の値に保持す
ることができるようになっている。

【００２７】ここで、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４の比誘電率を調
べるために、このＴａ−Ｏ−Ｎ膜４上に、直径２００〜
８００μｍの穴が空いた金属製のマスク（いわゆるメタ
ルマスク）を用いて真空蒸着法により選択的にＡｌ膜を
形成することによりＡｌ電極（図示せず）を形成してキ
ャパシタ構造を形成し、その容量−電圧特性を測定し
た。その結果を図２に示す。図２より、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜
４の比誘電率は２５であることがわかる。

【００２８】次に、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４上に高誘電体膜を
成膜するが、上述のようにＴａ−Ｏ−Ｎ膜４の比誘電率
は２５であることから、このＴａ−Ｏ−Ｎ膜４がキャパ
シタの容量値を下げないようにするために、この高誘電
体膜としては比誘電率が２５前後のものを用いる。ここ
では、この高誘電体膜として、図１Ｃに示すように、比
誘電率が約２８のＴａ₂ Ｏ₅ 膜５を成膜する。このＴａ
₂ Ｏ₅ 膜５の成膜には例えば減圧ＣＶＤ法を用いる。こ
の減圧ＣＶＤ法による成膜時の条件の例を挙げると、ペ
ンタエトキシタンタル（Ｔａ₂ （ＯＣ₂ Ｈ₅ ）₅ ）の有
機液体原料を用い、それを気化させたものと酸素ガスと
を混合して原料ガスとし、このときペンタエトキシタン
タルの流量は０．０５ｓｃｃｍ、酸素の流量は５００ｓ
ｃｃｍとし、キャリアガスとしてはヘリウムガスを用
い、成膜中の圧力は６５Ｐａ、成膜温度は４００〜４８
０℃、例えば４５０℃、膜厚は５ｎｍ、成膜速度は約１
０ｎｍ／分とする。

【００２９】すでに述べたように、一般に高誘電体膜は
成膜直後には酸素欠損が存在するため、そのままでは絶
縁特性が悪く、リーク電流が多い。そこで、Ｔａ₂ Ｏ₅
膜５の絶縁特性を改善するために、このＴａ₂ Ｏ₅ 膜５
が形成されたＳｉ基板１を、例えばＲＴＡ法によりアニ
ール温度に加熱しておき、大気圧下でオゾンアニールを
行う。ここで、このオゾンアニールの雰囲気中のオゾン
濃度はＯ₃ ／Ｏ₂ 比で例えば５〜２０体積％、アニール
温度は３００〜５００℃、例えば４５０℃、アニール時
間は５〜６０分間、例えば１５分間とする。このオゾン
アニールも例えば図３に示すオゾンアニール装置を用い
て行う。

【００３０】上述のようにしてオゾンアニールを行った
後、図１Ｄに示すように、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５上に、直径２
００〜８００μｍの穴が空いたメタルマスクを用いて真
空蒸着法により選択的にＡｌ膜を形成することにより上
部電極としてのＡｌ電極６を形成する。

【００３１】以上により、ＴａＮ膜３からなる下部電極
と、その上にＴａ−Ｏ−Ｎ膜４を介して形成されたＴａ
₂ Ｏ₅ 膜５と、その上に形成されたＡｌ電極６からなる
上部電極とからなるＭＩＭ型誘電体キャパシタが形成さ
れる。

【００３２】図４は電流−電圧測定により得られたリー
ク電流密度−電界強度曲線を示す。図４中、ａはＴａ₂
Ｏ₅ 膜５の成膜後、大気圧下において４００℃で５分間
オゾンアニールを行った試料、ｂはＴａ₂ Ｏ₅ 膜５の成
膜後、大気圧下において４５０℃で５分間オゾンアニー
ルを行った試料、ｃはＴａ₂ Ｏ₅ 膜５の成膜後にオゾン
アニールを行わない試料についての測定結果である。図
４からわかるように、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５の成膜後、大気圧
下において４００〜４５０℃で５分間オゾンアニールを
行った試料（図４のａ、ｂ）では、リーク電流密度が極
めて低く、リーク特性に顕著な改善が見られているが、
特に、大気圧下において４５０℃で５分間オゾンアニー
ルを行った試料（図４のｂ）では、１．５ＭＶ／ｃｍの
電界強度で約３×１０^-8Ａ／ｃｍ² 以下の低いリーク電
流密度となっている。このレベルのリーク電流密度は、
バイポーラＩＣやＤＲＡＭなどにおけるキャパシタとし
て用いるの十分に低い。

【００３３】ここで、オゾンアニールがなぜ、酸化物の
絶縁性の向上に有効であるかについて説明する。すなわ
ち、オゾンは、通常、無声放電により酸素ガスが次のよ
うに分解されることにより生成される。

【００３４】 ３Ｏ₂ →２Ｏ₃ （−６８．２ cal/mol） （１） このオゾンは、酸化物の表面付近で、熱エネルギーによ
って、次式で示されるように、強力な酸化力を持つ活性
化酸素Ｏ（３ｐ）と酸素（Ｏ₂ ）とに分解される。

【００３５】 Ｏ₃ →Ｏ（３ｐ）＋Ｏ₂ （２） このようにして生成された活性化酸素Ｏ（３ｐ）は、酸
化物の表面および酸化物中の酸素欠陥と結合してこの酸
素欠陥を埋める。それによって、電流リークの主たる原
因がなくなり、酸化物の絶縁性が向上する。

【００３６】上述のようにして作製されたＭＩＭ型誘電
体キャパシタの容量−電圧特性を測定した結果、Ｔａ₂
Ｏ₅ 膜５およびＴａ−Ｏ−Ｎ膜４の全体の比誘電率は２
５であった。これより、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５の成膜に続いて
オゾンアニールを行った後でも、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５および
Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４の全体の比誘電率を低下させるような
寄生容量は形成されないことがわかる。

【００３７】以上のように、この第１の実施形態によれ
ば、ＴａＮ膜３を下部電極として用い、その表面にＴａ
−Ｏ−Ｎ膜４を形成してからその上に高誘電体膜として
のＴａ₂ Ｏ₅ 膜５を形成しているため、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５
の形成後に絶縁特性などの改善のために酸化性雰囲気中
で熱プロセスを施しても、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４の存在によ
り、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５とＴａＮ膜３との界面でＴａＮ膜３
が酸化されたり、その界面の構造が不均一になったりす
るのを防止することができる。また、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４
の比誘電率はＴａ₂ Ｏ₅ 膜５とほぼ同一であるため、容
量値の低下がなく、高誘電体膜であるＴａ₂ Ｏ₅ 膜５の
特性を十分に発揮することができる。

【００３８】さらに、大型のｎ⁺ 型Ｓｉ基板１を用いた
場合にも、オゾンアニールによりＴａ₂ Ｏ₅ 膜５に均一
に活性化酸素を供給することができるため、大量生産に
適している。また、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５の処理にプラズマを
使用しないので、チャンバー内壁からのクロスコンタミ
ネーションやスパッタリング効果による表面荒れの問題
がない。しかも、オゾンアニールの温度は３００〜５０
０℃と低温であることにより、このオゾンアニール処理
により、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜５の組成ずれなどが生じない。

【００３９】以上により、特性が良好で容量値も大きい
ＭＩＭ型誘電体キャパシタを実現することができる。

【００４０】図５はこの発明の第２の実施形態を示す。
この第２の実施形態においては、この発明を、高周波バ
イポーラＩＣのキャパシタとして用いられるＭＩＭ型誘
電体キャパシタに適用した場合について説明する。

【００４１】図５に示すように、この第２の実施形態に
おいては、ｐ型Ｓｉ基板２１中にｐ⁺ 型アイソレーショ
ン領域２２を形成して素子分離を行った後、このｐ型Ｓ
ｉ基板２１上にｎ^- 型Ｓｉエピタキシャル層２３を成長
させる。次に、このｎ^- 型Ｓｉエピタキシャル層２３を
選択的に熱酸化することによりＳｉＯ₂ 膜からなるフィ
ールド絶縁膜２４を形成した後、このフィールド絶縁膜
２４により囲まれた部分におけるｎ^- 型Ｓｉエピタキシ
ャル層２３にｎ型不純物をイオン注入法または拡散法に
より導入してｎ⁺ 型層２５を形成する。次に、ｎ^- 型Ｓ
ｉエピタキシャル層２３上にＳｉＯ₂ 膜２６を形成した
後、このＳｉＯ₂ 膜２６の所定部分をエッチング除去し
て開口２７、２８を形成する。次に、開口２８の部分に
おけるｎ⁺ 型層２５上に、第１の実施形態と同様にし
て、Ｔａ膜２９およびＴａＮ膜３０を順次形成し、さら
にＴａＮ膜３０の表面にＴａ−Ｏ−Ｎ膜３１を形成した
後、その上にＴａ₂ Ｏ₅ 膜３２を形成する。この後、第
１の実施形態と同様にして、大気圧下において３００〜
５００℃の温度でオゾンアニールを行う。次に、開口２
７の部分に不純物がドープされた多結晶Ｓｉ膜３３を介
してＡｌ電極３４を形成するとともに、開口２８の部分
に形成されたＴａ₂ Ｏ₅ 膜３２上にＡｌ電極３５を形成
する。ここで、ＴａＮ膜３２からなる下部電極と、その
上にＴａ−Ｏ−Ｎ膜３１を介して形成されたＴａ₂ Ｏ₅
膜３２と、その上に形成されたＡｌ電極３５からなる上
部電極とによりＭＩＭ型誘電体キャパシタが形成され
る。

【００４２】この第２の実施形態によれば、バイポーラ
ＩＣにおいて、第１の実施形態と同様な特性が良好で容
量値も大きいＭＩＭ型誘電体キャパシタをキャパシタに
用いることができる。

【００４３】図６はこの発明の第３の実施形態を示す。
この第３の実施形態においては、この発明を、ＤＲＡＭ
における単純スタック構造を有するキャパシタに適用し
た場合について説明する。

【００４４】図６に示すように、この第３の実施形態に
おいては、あらかじめ素子が形成されたｐ型Ｓｉ基板４
１上に層間絶縁膜４２を形成した後、ｐ型Ｓｉ基板４１
中に形成された、アクセストランジスタとしてのｎチャ
ネルＭＯＳＦＥＴのｎ⁺ 型のドレイン領域４３の上の部
分の層間絶縁膜４２をエッチング除去してコンタクトホ
ール４４を形成する。次に、このコンタクトホール４４
内に多結晶Ｓｉプラグ４５を形成する。次に、第１の実
施形態と同様にして全面にＴａ膜４６、ＴａＮ膜４７を
順次成膜し、さらにＴａＮ膜４７の表面にＴａ−０−Ｎ
膜４８を形成した後、これらのＴａ−Ｏ−Ｎ膜４８、Ｔ
ａＮ膜４７およびＴａ膜４６を、多結晶Ｓｉプラグ４５
上の部分が残されるようにエッチングによりパターニン
グする。次に、全面にＴａ₂ Ｏ₅ 膜４９を成膜した後、
第１の実施形態と同様にして、大気圧下において３００
〜５００℃の温度でオゾンアニールを行う。この後、Ｔ
ａ₂ Ｏ₅ 膜４９上に例えばＴａＮ膜５０を形成する。こ
こで、ＴａＮ膜４７からなる下部電極と、その上にＴａ
−Ｏ−Ｎ膜４８を介して形成されたＴａ₂ Ｏ₅ 膜４９
と、その上に形成されたＴａＮ膜５０からなる上部電極
とによりＭＩＭ型誘電体キャパシタが形成される。

【００４５】この第３の実施形態によれば、ＤＲＡＭに
おいて、第１の実施形態と同様な特性が良好で容量値も
大きいＭＩＭ型誘電体キャパシタをキャパシタに用いる
ことができる。

【００４６】また、Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜４８を形成するため
のオゾンアニール、Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜４９の成膜およびその
後のオゾンアニールはいずれも５００℃以下の低温で行
っていることにより、ｐ型Ｓｉ基板４１中に形成された
ドレイン領域４３その他の拡散層に対して不純物の再拡
散などの悪影響をおよぼすことがなく、したがって今
後、例えばいわゆるＳＡＬＩＣＩＤＥ（Self-Aligned S
ilicide)技術をゲート配線などに使用する際には、埋め
込み型高密度メモリ（Embedded High-Density Memory）
におけるキャパシタ形成技術として最も有望である。

【００４７】次に、この発明の第４の実施形態について
説明する。この第４の実施形態においては、この発明を
光変調器に適用した場合について説明する。

【００４８】この第４の実施形態においては、図７に示
すように、ｎ⁺ 型Ｓｉ基板５１上にＴａ膜５２およびＴ
ａＮ膜５３を順次成膜し、さらにＴａＮ膜５３の表面を
オゾンアニールにより酸化してＴａ−Ｏ−Ｎ膜５４を形
成した後、その上にＰＬＺＴ膜５５を成膜する。次に、
オゾンアニールを行った後、ＰＬＺＴ膜５５上にＡｌ電
極５６を形成する。これによって、ＴａＮ膜５３からな
る下部電極と、その上にＴａ−Ｏ−Ｎ膜５４を介して形
成されたＰＬＺＴ膜５５と、その上に形成されたＡｌ電
極５６からなる上部電極とからなる光変調素子が形成さ
れる。このときの基板の前処理、成膜、オゾンアニール
などのプロセスや条件は第１の実施形態と同様であるの
で、説明を省略する。

【００４９】この第４の実施形態によれば、光変調用の
光学膜としてのＰＬＺＴ膜５５の特性を十分に発揮する
ことができ、特性が良好な光変調素子を実現することが
できる。

【００５０】以上、この発明の実施形態について具体的
に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定され
るものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の
変形が可能である。

【００５１】例えば、上述の第１の実施形態において
は、ｎ⁺ 型Ｓｉ基板１上にキャパシタを形成する場合に
ついて説明したが、キャパシタを形成する基板は例えば
ＧａＡｓ基板のような他の半導体基板であってもよく、
さらには透明電極が形成されているガラス基板などであ
ってもよい。

【００５２】また、上述の第１の実施形態においては、
この発明をＭＩＭ型誘電体キャパシタに適用した場合に
ついて説明したが、この発明は、超伝導素子、圧電素
子、焦電素子などの各種の電子素子に適用することもで
きる。さらに、上述の第４の実施形態においては、この
発明を光変調素子に適用した場合について説明したが、
この発明は、光偏向素子、第２高調波発生素子などの各
種の光学素子に適用することもできる。

【００５３】また、図３に示すオゾンアニール装置の構
成は一例に過ぎず、必要に応じて他の構成のものを用い
てもよい。また、例えば、チャンバー１２は、必要に応
じて、例えばステンレス鋼製としてもよい。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ＴａＮを主成分とする材料からなる導電層あるいは
下部電極の表面に少なくともＴａとＮとを含む酸化膜を
形成していることにより、使用する機能性酸化膜あるい
は誘電体膜の特性を十分に発揮することができ、良好な
特性を有する電子素子、誘電体キャパシタあるいは光学
素子を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態による誘電体キャパ
シタの製造方法を説明するための断面図である。

【図２】この発明の第１の実施形態においてＴａ−Ｏ−
Ｎ膜の比誘電率を調べるために測定された容量−電圧特
性を示す略線図である。

【図３】この発明の第１の実施形態においてオゾンアニ
ールに用いられるオゾンアニール装置を示す略線図であ
る。

【図４】この発明の第１の実施形態におけるオゾンアニ
ールによるＴａ₂ Ｏ₅ 膜のリーク特性の改善の効果を説
明するための略線図である。

【図５】この発明の第２の実施形態を説明するための断
面図である。

【図６】この発明の第３の実施形態を説明するための断
面図である。

【図７】この発明の第４の実施形態を説明するための断
面図である。

【符号の説明】

１、５１・・・ｎ⁺ 型Ｓｉ基板、２、２９、４６、５２
・・・Ｔａ膜、３、３０、４７、５３・・・ＴａＮ膜、
４、３１、４８、５４・・・Ｔａ−Ｏ−Ｎ膜、５、３
２、４９・・・Ｔａ₂ Ｏ₅ 膜、６、３５、５６・・・Ａ
ｌ電極、５５・・・ＰＬＺＴ膜

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 21/8242 Ｈ０１Ｇ 4/06 １０２ 37/02 Ｈ０１Ｌ 27/10 ６５１ 39/02 ＺＡＡ 41/08 Ｌ 39/24 ＺＡＡ 41/09

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＴａＮを主成分とする材料からなる導電
   層と、 上記導電層上の少なくともＴａとＮとを含む酸化膜と、 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜上の機能性酸化
   膜とを有することを特徴とする電子素子。
2. 【請求項２】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜
   は上記導電層の表面の酸化を行うことにより形成された
   ものであることを特徴とする請求項１記載の電子素子。
3. 【請求項３】 上記導電層はＴａＮからなることを特徴
   とする請求項１記載の電子素子。
4. 【請求項４】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜
   はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項１記載
   の電子素子。
5. 【請求項５】 上記機能性酸化膜は高誘電体膜、強誘電
   体膜、超伝導体膜、圧電体膜または焦電体膜であること
   を特徴とする請求項１記載の電子素子。
6. 【請求項６】 ＴａＮを主成分とする材料からなる導電
   層を形成する工程と、 上記導電層の表面の酸化を行うことにより少なくともＴ
   ａとＮとを含む酸化膜を形成する工程と、 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜上に機能性酸化
   膜を形成する工程とを有することを特徴とする電子素子
   の製造方法。
7. 【請求項７】 オゾンを含む雰囲気中で熱処理を行うこ
   とにより上記導電層の表面の酸化を行うようにしたこと
   を特徴とする請求項６記載の電子素子の製造方法。
8. 【請求項８】 上記導電層はＴａＮからなることを特徴
   とする請求項６記載の電子素子の製造方法。
9. 【請求項９】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜
   はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項６記載
   の電子素子の製造方法。
10. 【請求項１０】 上記機能性酸化膜は高誘電体膜、強誘
    電体膜、超伝導体膜、圧電体膜または焦電体膜であるこ
    とを特徴とする請求項６記載の電子素子の製造方法。
11. 【請求項１１】 ＴａＮを主成分とする材料からなる下
    部電極と、 上記下部電極上の少なくともＴａとＮとを含む酸化膜
    と、 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜上の酸化物から
    なる誘電体膜と、 上記誘電体膜上の上部電極とを有することを特徴とする
    誘電体キャパシタ。
12. 【請求項１２】 上記酸化膜は上記下部電極の表面の酸
    化を行うことにより形成されたものであることを特徴と
    する請求項１１記載の誘電体キャパシタ。
13. 【請求項１３】 上記下部電極はＴａＮからなることを
    特徴とする請求項１１記載の誘電体キャパシタ。
14. 【請求項１４】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化
    膜はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項１１
    記載の誘電体キャパシタ。
15. 【請求項１５】 上記誘電体膜は高誘電体膜または強誘
    電体膜であることを特徴とする請求項１１記載の誘電体
    キャパシタ。
16. 【請求項１６】 ＴａＮを主成分とする材料からなる下
    部電極を形成する工程と、 上記下部電極の表面の酸化を行うことにより少なくとも
    ＴａとＮとを含む酸化膜を形成する工程と、 上記酸化膜上に酸化物からなる誘電体膜を形成する工程
    と、 上記誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有するこ
    とを特徴とする誘電体キャパシタの製造方法。
17. 【請求項１７】 オゾンを含む雰囲気中で熱処理を行う
    ことにより上記下部電極の表面の酸化を行うようにした
    ことを特徴とする請求項１６載の誘電体キャパシタの製
    造方法。
18. 【請求項１８】 上記下部電極はＴａＮからなることを
    特徴とする請求項１６記載の誘電体キャパシタの製造方
    法。
19. 【請求項１９】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化
    膜はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項１６
    記載の誘電体キャパシタの製造方法。
20. 【請求項２０】 上記誘電体膜は高誘電体膜または強誘
    電体膜であることを特徴とする請求項１６記載の誘電体
    キャパシタの製造方法。
21. 【請求項２１】 ＴａＮを主成分とする材料からなる導
    電層と、 上記導電層上の少なくともＴａとＮとを含む酸化膜と、 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜上の機能性酸化
    膜とを有することを特徴とする光学素子。
22. 【請求項２２】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化
    膜は上記導電層の表面の酸化を行うことにより形成され
    たものであることを特徴とする請求項２１記載の光学素
    子。
23. 【請求項２３】 上記導電層はＴａＮからなることを特
    徴とする請求項２１記載の光学素子。
24. 【請求項２４】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化
    膜はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項２１
    記載の光学素子。
25. 【請求項２５】 上記機能性酸化膜は強誘電体膜、圧電
    体膜または焦電体膜であることを特徴とする請求項２１
    記載の光学素子。
26. 【請求項２６】 ＴａＮを主成分とする材料からなる導
    電層を形成する工程と、 上記導電層の表面の酸化を行うことにより少なくともＴ
    ａとＮとを含む酸化膜を形成する工程と、 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化膜上に機能性酸化
    膜を形成する工程とを有することを特徴とする光学素子
    の製造方法。
27. 【請求項２７】 オゾンを含む雰囲気中で熱処理を行う
    ことにより上記導電層の表面の酸化を行うようにしたこ
    とを特徴とする請求項２６記載の光学素子の製造方法。
28. 【請求項２８】 上記導電層はＴａＮからなることを特
    徴とする請求項２６記載の光学素子の製造方法。
29. 【請求項２９】 上記少なくともＴａとＮとを含む酸化
    膜はＴａ−Ｏ−Ｎ膜であることを特徴とする請求項２６
    記載の光学素子の製造方法。
30. 【請求項３０】 上記機能性酸化膜は強誘電体膜、圧電
    体膜または焦電体膜であることを特徴とする請求項２６
    記載の光学素子の製造方法。