JPH11354732A - Thin film capacitor and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体を使用した
メモリ等に使用される薄膜キャパシタとその製造方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film capacitor used for a memory or the like using a dielectric and a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、電子機器が高機能化されるに従
い、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃ
ｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）に代表される高容量のメモリが
要求されてきている。そして、１ギガビットクラス以上
の容量を持つＤＲＡＭを実現するためには、電荷を蓄積
するキャパシタ材料として、高誘電率材料のＢａ−Ｓｒ
−Ｔｉ−Ｏ系（ＢＳＴ）などの高誘電体材料の適用が必
要となってきている。2. Description of the Related Art In recent years, as electronic devices have become more sophisticated, DRAM (Dynamic Random Acc.) Has been developed.
There is a demand for a high-capacity memory represented by an ess memory. In order to realize a DRAM having a capacity of 1 gigabit class or more, a high dielectric constant material Ba-Sr
-Application of a high dielectric material such as Ti-O (BST) has become necessary.
【０００３】しかしながら、ＤＲＡＭのような集積化デ
バイスにおいては、デバイスの微細化のために、キャパ
シタ面積を小さくする必要があり、キャパシタ面積とと
もに誘電体膜厚も、数十ｎｍ程度の薄膜化が要求され
る。このような誘電体材料の薄膜化要求は、ＳｒＢｉ2
Ｔａ2Ｏ9（Ｙ１）やＰｂ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｏ（ＰＺＴ）強
誘電体材料を用いた不揮発メモリにおいても同様であ
る。However, in an integrated device such as a DRAM, it is necessary to reduce the capacitor area in order to miniaturize the device, and it is required that the dielectric film thickness as well as the capacitor area be reduced to about several tens nm. Is done. The demand for thinning such a dielectric material is based on SrBi 2
The same applies to a nonvolatile memory using a Ta 2 O 9 (Y1) or Pb-Zr-Ti-O (PZT) ferroelectric material.
【０００４】これらの高、強誘電体材料は、一般にスパ
ッタ法やＭＯＣＶＤ法、ＭＯＤ法等で形成されるが、良
好な誘電体特性を得るためには、基板温度が５００℃程
度以上での成膜が必要である。[0004] These high and ferroelectric materials are generally formed by a sputtering method, a MOCVD method, a MOD method or the like. However, in order to obtain good dielectric characteristics, a substrate temperature of about 500 ° C or higher is required. A membrane is required.
【０００５】そして上記のような酸化物系の誘電体を用
いた薄膜キャパシタでは、その電極材料としては、Ｐｔ
のように耐酸化性にすぐれ、誘電体との拡散が少ない材
料やＲｕやＩｒといった酸化しても導電体である材料が
用いられてきている。従って薄膜キャパシタの材料構成
は、たとえば、上部電極からＲｕ／ＢＳＴ／Ｒｕ／Ｔｉ
Ｎ／Ｔｉ／Ｓｉといった材料構成の薄膜キャパシタとな
る。なお、ＴｉＮとＴｉはそれぞれ、Ｓｉ−Ｒｕ間の相
互拡散防止、ＴｉはＳｉとの密着層として用いられてい
る。また、実際のデバイスでは電極の微細加工が必要で
あるため、ＢＳＴを用いたギガビットクラスのＤＲＡＭ
の場合にはＰｔやＩｒではなくドライエッチング性の優
れたＲｕが電極材料として有望視されてきている。In the above-mentioned thin film capacitor using an oxide-based dielectric, the electrode material is Pt.
As described above, a material having excellent oxidation resistance and having a low diffusion with a dielectric material or a material which is a conductor even if oxidized, such as Ru or Ir, has been used. Therefore, the material configuration of the thin film capacitor is, for example, Ru / BST / Ru / Ti
A thin film capacitor having a material configuration such as N / Ti / Si is obtained. Note that TiN and Ti are used for preventing mutual diffusion between Si and Ru, and Ti is used as an adhesion layer with Si. In addition, since an actual device requires fine processing of electrodes, a gigabit class DRAM using BST is used.
In this case, Ru, which has excellent dry etching properties, has been regarded as a promising electrode material instead of Pt or Ir.
【０００６】しかしながら、薄膜キャパシタ材料とし
て、ＢＳＴをＭＯＣＶＤで形成し、その電極としてＲｕ
を用いた場合、下記に示すように大きな問題が存在する
ことが判明してきた。However, BST is formed by MOCVD as a thin film capacitor material, and Ru is used as an electrode thereof.
It has been found that there is a major problem as described below when using.
【０００７】第１番目の課題は、上記したＴｉＮやＴｉ
の酸化による問題である。Ｒｕを電極として用い、前述
したＲｕ／ＢＳＴ／Ｒｕ／ＴｉＮ／Ｔｉ／Ｓｉ構造の薄
膜キャパシタを想定すると、ＢＳＴ成膜時やＢＳＴ膜の
熱処理時等にＴｉＮおよびＴｉの酸化が生じ、Ｒｕ／Ｔ
ｉＮ間のコンタクト抵抗が増加してしまい、最悪の場合
には、ＴｉＮおよびＴｉの酸化により体積膨張が生じて
膜はがれが生じてしまうこともある。The first problem is that the above-mentioned TiN or Ti
Is a problem due to oxidation of Assuming a thin film capacitor having the Ru / BST / Ru / TiN / Ti / Si structure using Ru as an electrode, TiN and Ti are oxidized during BST film formation and heat treatment of the BST film, and Ru / T
In the worst case, the contact resistance between the iNs increases, and in the worst case, volume expansion occurs due to oxidation of TiN and Ti, and the film may peel off.
【０００８】第２番目の課題は、Ｒｕの酸化物層の形成
に基くＲｕ膜表面のモフォロジーの悪化の問題である。The second problem is that the morphology of the Ru film surface deteriorates due to the formation of the Ru oxide layer.
【０００９】たとえば、最近主流となっているＭＯＣＶ
ＤによるＢＳＴの形成方法は、Ｂａ（ＤＰＭ）2、Ｓｒ
（ＤＰＭ）2、Ｔｉ（Ｏｉ−Ｐｒ）3を原料として用い、
これらの原料を２００℃程度で気化させ、反応室内の基
板上で堆積させる方法となっており、これは溶液気化方
式と呼ばれている。この方式においてＢＳＴを基板上に
結晶化させるためには、４２０℃〜７００℃程度の基板
温度が必要である。For example, MOCV, which has recently become mainstream,
The method of forming BST by D is Ba (DPM) 2 , Sr
(DPM) 2 , Ti (Oi-Pr) 3 as raw materials,
These materials are vaporized at about 200 ° C. and deposited on a substrate in a reaction chamber, which is called a solution vaporization method. In order to crystallize BST on a substrate in this method, a substrate temperature of about 420 ° C. to 700 ° C. is required.
【００１０】しかしながら、Ｒｕは酸素存在下では約４
５０℃付近から酸化が早まり、ＲｕＯ2を主成分とする
酸化物層が形成されてしまう。この酸化過程において、
ＲｕからＲｕＯ2が形成されるときに、膜の表面モフォ
ロジーが悪化するわけである。これは、ＲｕとＲｕＯ2
の基本結晶構造が異なることに起因し、ＲｕＯ2の形成
によって体積増加を伴うためと考えられる。このような
モフォロジー変化は、数十ｎｍ程度の薄膜のＢＳＴを形
成する場合にリークの原因となると考えられている。However, Ru is about 4 in the presence of oxygen.
Oxidation is accelerated from around 50 ° C., and an oxide layer containing RuO 2 as a main component is formed. In this oxidation process,
When RuO 2 is formed from Ru, the surface morphology of the film deteriorates. This is Ru and RuO 2
Is considered to be caused by a difference in the basic crystal structure of, resulting in an increase in volume due to the formation of RuO 2 . Such a morphological change is considered to cause a leak when forming a BST of a thin film of about several tens nm.
【００１１】第３番目の課題は、ＢＳＴの酸素不足の問
題である。ＢＳＴ形成時に、上記したようにＲｕの酸化
反応が生じることにより、ＢＳＴ中の酸素成分が引き抜
かれることになり、電極界面でＢＳＴの酸素欠損量が増
大し、その結果、ＢＳＴが半導体化し、絶縁抵抗が減少
してリーク電流が増大してしまう。The third problem is a problem of oxygen shortage in BST. When the BST is formed, the oxidation reaction of Ru occurs as described above, whereby the oxygen component in the BST is extracted, and the amount of oxygen deficiency of the BST increases at the electrode interface. The resistance decreases and the leakage current increases.
【００１２】以上の課題を解決するために、ＢＳＴの成
膜温度をＲｕの酸化温度以下である４２０℃程度まで低
温化する試みがなされている。しかしながら、ＢＳＴの
結晶化の際には基板温度を低温にするほど、ＢＳＴの結
晶性が悪くなるため、一旦、数ｎｍ程度ＢＳＴを成膜し
た後、７００℃程度で熱処理し、ＢＳＴの結晶性を向上
させた後、再度ＢＳＴを堆積させるといった２段階成膜
が行われている。In order to solve the above problems, attempts have been made to lower the film forming temperature of BST to about 420 ° C., which is lower than the oxidation temperature of Ru. However, in crystallization of BST, the lower the substrate temperature, the worse the crystallinity of BST. Therefore, once a few nm of BST is deposited, heat treatment is performed at about 700 ° C. , And then a two-stage film formation such as depositing BST again is performed.
【００１３】しかし、上記のような低温成膜を行った場
合、膜中にはＭＯＣＶＤ原料に起因する多くのＣ化合物
が含まれており、これらの除去のため、２段階成膜後、
再度熱処理を行う必要性が生じる。この時、熱処理の方
法としては、短時間の熱処理である、ラピッドサーマル
アニーリング処理（ＲＴＡ）を行っている。However, when the low-temperature film formation as described above is performed, the film contains many C compounds originating from the MOCVD raw material.
The necessity of performing the heat treatment again arises. At this time, as a heat treatment method, rapid thermal annealing (RTA), which is a short-time heat treatment, is performed.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＢＳＴ
を低温成膜し、ＲＴＡ等の短時間熱処理を行なったとこ
ろで、上記した第１番目〜第３番目の課題を低減するこ
とはできるものの、根本的な解決には至っていない。However, the BST
Although the first to third problems described above can be reduced when a film is formed at a low temperature and subjected to a short-time heat treatment such as RTA, a fundamental solution has not been reached.
【００１５】そこで本発明は上記の問題点に鑑み、Ｔｉ
ＮやＴｉの酸化、Ｒｕ膜表面のモフォロジーの悪化、Ｂ
ＳＴ（誘電体層）の酸素不足という課題の発生を根本的
に抑制できる薄膜キャパシタとその製造方法を提供する
ことを主たる目的とする。In view of the above problems, the present invention has
Oxidation of N and Ti, deterioration of morphology of Ru film surface, B
A main object of the present invention is to provide a thin-film capacitor capable of fundamentally suppressing the occurrence of a problem of lack of oxygen in ST (dielectric layer) and a method for manufacturing the same.
【００１６】[0016]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の第１の発明の薄膜キャパシタは、第１の
電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体と、前記
誘電体上に形成された第２の電極とを有する薄膜キャパ
シタであって、前記第１の電極がＲｕを主成分とする導
電性材料から構成されており、前記第１の電極を構成す
るＲｕ粒子間に酸素拡散防止層が形成されていることを
特徴とする構成となっている。In order to achieve the above object, a thin film capacitor according to a first aspect of the present invention comprises a first electrode, a dielectric formed on the first electrode, A thin-film capacitor having a second electrode formed on the dielectric, wherein the first electrode is made of a conductive material containing Ru as a main component, and constitutes the first electrode. The configuration is such that an oxygen diffusion preventing layer is formed between Ru particles.
【００１７】以上の構成によれば、Ｒｕ上にＢＳＴ等の
酸化物の誘電体を形成する際には、Ｒｕは酸化性の雰囲
気に直接もしくは、ＢＳＴ等の酸化物を介してさらされ
ることになる、この時Ｒｕの酸化はＲｕ表面だけでな
く、Ｒｕ粒子間から酸素が拡散されて生じるが、この
時、酸素拡散防止層を粒子間に形成してあるので、粒子
間の酸素拡散を防止することができ、Ｒｕ粒子間が酸化
することによる体積膨張やＲｕ酸化物の移動を抑えるこ
とが可能になる。According to the above configuration, when forming an oxide dielectric such as BST on Ru, Ru is exposed to an oxidizing atmosphere directly or via an oxide such as BST. At this time, oxidation of Ru is caused not only by the Ru surface but also by diffusion of oxygen from between Ru particles. At this time, since an oxygen diffusion preventing layer is formed between particles, oxygen diffusion between particles is prevented. It is possible to suppress volume expansion and movement of Ru oxide due to oxidation between Ru particles.
【００１８】上記の構成において、酸素拡散防止層とし
ては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの中から選ばれた１つ以上の材
料あるいはその酸化物あるいは窒化物を用いることが好
ましい。Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉは容易に酸化され、熱安定性
に優れた酸化物を作る、直接窒化物を作ることも容易で
あるという特徴を有しており、これらの熱安定性、酸素
拡散防止性、電気絶縁性にも優れているという特徴を持
っているため、このような材料を用いれば、酸素拡散防
止性能が最も発揮されることとなり、また、これらの材
料はドライエッチング性に優れている。In the above structure, it is preferable that the oxygen diffusion preventing layer is made of one or more materials selected from Al, Si and Ti, or an oxide or nitride thereof. Al, Si, and Ti are easily oxidized to produce oxides with excellent thermal stability, and easy to produce nitrides directly. Since it has the characteristic of being excellent in electrical insulation, the use of such a material will exhibit the oxygen diffusion preventing performance most, and these materials have excellent dry etching properties. .
【００１９】また本発明の第１の薄膜キャパシタの製造
方法は、Ｒｕを主成分とする導電性材料から構成された
第１の電極を形成する工程と、酸素拡散防止層材料を第
１の電極上に積層した後、前記酸素拡散防止層材料をＲ
ｕ粒子表面が露出するまで研磨して前記Ｒｕ粒子間に酸
素拡散防止層を形成する工程と、前記第１の電極上に誘
電体層及び第２の電極を順次形成する工程とを有する構
成となっている。In a first method of manufacturing a thin film capacitor according to the present invention, a step of forming a first electrode made of a conductive material containing Ru as a main component, and a step of forming an oxygen diffusion preventing layer material on the first electrode After lamination on top, the oxygen diffusion preventing layer material is
a step of forming an oxygen diffusion preventing layer between the Ru particles by polishing until the surface of the u particles is exposed, and a step of sequentially forming a dielectric layer and a second electrode on the first electrode Has become.
【００２０】また本発明の第２の薄膜キャパシタは、第
１の電極と、前記第１の電極上に形成された誘電体と、
前記誘電体上に形成された第２の電極とを有する薄膜キ
ャパシタであって、前記第１の電極がＲｕを主成分とす
る導電性材料から構成されており、前記第１の電極上
の、誘電体と接する部分に酸素拡散防止表面層が形成さ
れていることを特徴とする構成となっている。Further, the second thin film capacitor of the present invention includes a first electrode, a dielectric formed on the first electrode,
A thin-film capacitor comprising: a second electrode formed on the dielectric; wherein the first electrode is made of a conductive material containing Ru as a main component; The structure is characterized in that an oxygen diffusion preventing surface layer is formed in a portion in contact with the dielectric.
【００２１】上記の構成において、酸素拡散防止表面層
が、Ｐｔ、Ａｌ、Ｉｒ、Ｔｉから選ばれた少なくとも１
つの金属あるいはその酸化物、あるいはＲｕとの合金ま
たは金属間化合物からなることが好ましい。これらの元
素はＲｕ粒子表面が高温で粒成長し表面モフォロジーを
悪化させ、誘電体内を突き抜けるのを防ぐのに適してい
る。In the above structure, the oxygen diffusion preventing surface layer is formed of at least one of Pt, Al, Ir, and Ti.
It is preferable to be composed of one metal or its oxide, or an alloy with Ru or an intermetallic compound. These elements are suitable for preventing the Ru particle surface from growing at a high temperature, deteriorating the surface morphology and penetrating through the dielectric.
【００２２】さらに本発明の第２の薄膜キャパシタの製
造方法は、Ｒｕを主成分とする導電性材料から構成され
た第１の電極を形成する工程と、酸素拡散防止表面層を
第１の電極上に積層した後、前記第１の電極上に誘電体
層及び第２の電極を順次形成する工程とを有する構成と
なっている。Further, in the second method of manufacturing a thin film capacitor according to the present invention, a step of forming a first electrode made of a conductive material containing Ru as a main component, and a step of forming an oxygen diffusion preventing surface layer on the first electrode And forming a dielectric layer and a second electrode on the first electrode in that order.
【００２３】[0023]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態におけ
る薄膜キャパシタ及びその製造方法について図面を参照
しながら説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a thin film capacitor and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００２４】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１における薄膜キャパシタの構成を示す断面図であ
る。本実施の形態は、上記した３つの課題のうち、主に
第１番目の課題を解決することを主たる目的とするもの
である。なお、以下に示す形態では、第１の電極にＲｕ
を用いた場合について説明することとする。(Embodiment 1) FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a thin film capacitor according to Embodiment 1 of the present invention. This embodiment is mainly intended to solve the first problem among the three problems described above. In the following embodiment, Ru is applied to the first electrode.
The case where is used will be described.
【００２５】図１において、１はＳｉ基板、２はＳｉＯ
2、３はポリＳｉ層、４はＴｉ層、５はＴｉＮ層、６は
Ｒｕを主成分とする金属材料からなる第１の電極であ
り、第１の電極６のＲｕ粒子間に酸素拡散防止層７を形
成していることに特徴がある。また８は誘電体であり、
誘電体層８の上には図示はしていないが第２の電極が形
成されている。In FIG. 1, 1 is a Si substrate, and 2 is a SiO substrate.
Reference numerals 2 and 3 denote a poly-Si layer, 4 denotes a Ti layer, 5 denotes a TiN layer, and 6 denotes a first electrode made of a metal material containing Ru as a main component, and prevents oxygen diffusion between Ru particles of the first electrode 6. The feature is that the layer 7 is formed. 8 is a dielectric,
Although not shown, a second electrode is formed on the dielectric layer 8.
【００２６】以下、この薄膜キャパシタ電極の製造方法
について説明する。まずＳｉ基板１上に形成したＳｉＯ
2からなる絶縁膜２にコンタクトホール（図示せず）を
形成し、このコンタクトホール内にポリＳｉを埋め込む
ことによりポリＳｉ層を３を形成する。その後、そのポ
リＳｉ３上に、Ｔｉ層４、ＴｉＮ層５、Ｒｕからなる第
１の電極６（以下Ｒｕ層６）を順次スパッタ法で形成す
る。ここで、Ｔｉ層４はポリＳｉ３との密着性確保のた
めの機能を有しており、ＴｉＮ層５は、誘電体８形成時
およびその後の熱が加わる工程でポリＳｉ層３のＳｉが
Ｒｕ層６に拡散するのを防ぐ機能を有している。そして
次に、本発明の特徴である酸素拡散防止層７をＲｕ層６
のＲｕ粒子間に形成する。本実施の形態によれば、この
酸素拡散防止層７の存在により、Ｒｕ層６の下部に存在
するＴｉＮ層５やＴｉ層４の酸化を防止することができ
るわけであるが、以下ではそのメカニズムについて詳細
に説明する。Hereinafter, a method of manufacturing the thin film capacitor electrode will be described. First, the SiO formed on the Si substrate 1
A contact hole (not shown) is formed in the insulating film 2 made of 2 and a poly-Si layer 3 is formed by filling the contact hole with poly-Si. Thereafter, a first electrode 6 (hereinafter referred to as a Ru layer 6) composed of a Ti layer 4, a TiN layer 5, and Ru is sequentially formed on the poly-Si 3 by a sputtering method. Here, the Ti layer 4 has a function for ensuring adhesion with the poly-Si 3, and the TiN layer 5 has a function of reducing the Si of the poly-Si layer 3 to Ru during the formation of the dielectric material 8 and the subsequent step of applying heat. It has a function of preventing diffusion into the layer 6. Next, the oxygen diffusion preventing layer 7 which is a feature of the present invention is replaced with the Ru layer 6.
Between the Ru particles. According to the present embodiment, the presence of the oxygen diffusion preventing layer 7 can prevent the oxidation of the TiN layer 5 and the Ti layer 4 existing below the Ru layer 6, but the mechanism will be described below. Will be described in detail.
【００２７】ＴｉＮ層５上にＲｕをスパッタ法により形
成した場合、Ｒｕ層は、強い（００ｌ）配向を示す。Ｔ
ｉＮ層５上のＲｕ層６の厚みは、ＤＲＡＭ用途の場合、
通常１００〜２００ｎｍ程度である。なお、Ｒｕ応力の
緩和、Ｒｕ結晶性の向上、ＴｉＮとの密着性確保のた
め、Ｒｕ層６は通常、基板温度を３００℃程度としたス
パッタ法で形成される。本実施の形態では、Ｒｕ層６の
形成を基板温度３００℃、成膜圧力８ｍＴｏｒｒ、スパ
ッタガスにＡｒ、ターゲットにＲｕを用いて、ＤＣマグ
ネトロンスパッタにより２００ｎｍ形成した。When Ru is formed on the TiN layer 5 by a sputtering method, the Ru layer shows a strong (001) orientation. T
The thickness of the Ru layer 6 on the iN layer 5 is
Usually, it is about 100 to 200 nm. The Ru layer 6 is usually formed by a sputtering method at a substrate temperature of about 300 ° C. in order to ease Ru stress, improve Ru crystallinity, and secure adhesion to TiN. In this embodiment, the Ru layer 6 is formed by DC magnetron sputtering using a substrate temperature of 300 ° C., a film forming pressure of 8 mTorr, a sputtering gas of Ar, and a target of Ru.
【００２８】得られたＲｕ層６表面を電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）および原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で評価したとこ
ろ、Ｒｕ層６の粒子径は約２０ｎｍ程度であり、隣接す
る粒子間に約５ｎｍ〜８ｎｍ程度の凹部が存在すること
が判明した。一方、Ｘ線回折（ＸＲＤ）によりＲｕ層６
の結晶評価を行なったところ、その結晶子サイズは５０
ｎｍ程度であった。このときＸＲＤから得られる結晶子
サイズは断面方向のサイズであり、また、Ｒｕ層６の断
面ＳＥＭ観察から、得られたＲｕ層６は図１に示すよう
な粒子形状を持っていることが判明した。The surface of the obtained Ru layer 6 was examined with an electron microscope (SE).
M) and an atomic force microscope (AFM), it was found that the particle size of the Ru layer 6 was about 20 nm, and a recess of about 5 nm to 8 nm existed between adjacent particles. On the other hand, the Ru layer 6 was obtained by X-ray diffraction (XRD).
As a result of crystal evaluation, the crystallite size was 50
nm. At this time, the crystallite size obtained from XRD is the size in the cross-sectional direction, and the cross-sectional SEM observation of the Ru layer 6 reveals that the obtained Ru layer 6 has a particle shape as shown in FIG. did.
【００２９】以上のように得られたＲｕ層６を、大気
中、６００℃で３０分熱処理を行うと、図２に示すよう
に、Ｒｕ層６上に１ミクロン程度の粒子１０が析出し
た。この粒子は、ＸＲＤおよびオージェ電子分光分析
（ＡＥＳ）によりＲｕＯ2であることが判明した。ま
た、この時ＡＥＳにより深さ方向の分析を行なったとこ
ろ、Ｒｕ層６の表面は酸化されているものの、Ｒｕ層６
内部は酸化されずにいることが判明した。しかし、Ｔｉ
Ｎ層５およびＴｉ層４で酸素が検出され、ＴｉＮ層５お
よびＴｉ層４が酸化されていることが判明した。When the Ru layer 6 obtained as described above was subjected to a heat treatment at 600 ° C. for 30 minutes in the air, particles 1 of about 1 μm were deposited on the Ru layer 6 as shown in FIG. The particles were found to be RuO 2 by XRD and Auger electron spectroscopy (AES). At this time, when the analysis in the depth direction was performed by AES, the surface of the Ru layer 6 was oxidized, but the Ru layer 6 was not oxidized.
The interior was found to be unoxidized. However, Ti
Oxygen was detected in the N layer 5 and the Ti layer 4, and it was found that the TiN layer 5 and the Ti layer 4 were oxidized.
【００３０】ここで、上記のＲｕ層６の評価は、Ｔｉ層
４およびＴｉＮ層５のパターニングは行なっていない状
態で評価していることを考慮すると、Ｔｉ層４およびＴ
ｉＮ層５の酸化反応は、これまで報告されている、Ｔｉ
Ｎ層５とＲｕ層６間から酸素が進入することにより起こ
ったものとは考えられない。Here, considering that the evaluation of the Ru layer 6 is performed without patterning the Ti layer 4 and the TiN layer 5, the Ti layer 4 and the T
The oxidation reaction of the iN layer 5 has been reported so far by using Ti
This is not considered to be caused by oxygen entering from between the N layer 5 and the Ru layer 6.
【００３１】そこで本発明者等は、Ｔｉ層４およびＴｉ
Ｎ層５の酸化のメカニズムを検証するために、図３のよ
うな基板を用意し、上記と同様の条件でＲｕ層６を形
成、酸化処理を行った。すると、スパッタカバレッジの
悪い凹部エッジ部分２０でＲｕＯ2の異常析出が多く認
められた。スパッタカバレッジの悪い部分は、その他の
部分に比較してＲｕ層の緻密性が悪くなっている。従っ
て、Ｒｕ層の結晶粒界等の隙間において酸素が進入しや
すくなっていると考えられる。Therefore, the present inventors have proposed that the Ti layer 4 and the Ti layer
In order to verify the mechanism of oxidation of the N layer 5, a substrate as shown in FIG. 3 was prepared, a Ru layer 6 was formed under the same conditions as described above, and an oxidation treatment was performed. As a result, abnormal deposition of RuO 2 was frequently observed in the concave portion edge portion 20 having poor sputter coverage. The portion where the sputter coverage is poor has a lower density of the Ru layer than the other portions. Therefore, it is considered that oxygen easily enters a gap such as a crystal grain boundary of the Ru layer.
【００３２】一方、ＲｕＯ2は、ＲｕＯ2→Ｒｕ＋ＲｕＯ
4（↑）という不均化反応を起こすことが知られてお
り、大気圧中で一方的に上記化学式が進む温度は７００
℃以上となっている。しかし、上記の熱処理例は６００
℃であり、反応は平衡状態であると考えられる。On the other hand, RuO 2 is RuO 2 → Ru + RuO
4 (↑) is known to cause the disproportionation reaction, and the temperature at which the above chemical formula proceeds unilaterally at atmospheric pressure is 700
° C or higher. However, the above heat treatment example is 600
° C and the reaction is considered to be in equilibrium.
【００３３】以上のことから、Ｒｕ層６およびＴｉ層
４、ＴｉＮ層５の酸化機構は図４ように考えられる。From the above, the oxidation mechanism of the Ru layer 6, the Ti layer 4, and the TiN layer 5 can be considered as shown in FIG.
【００３４】まず、Ｒｕ層６は常温においても表面に薄
い（数十Å程度）の酸化皮膜を有している。酸素存在下
で、６００℃付近まで温度上昇させると、Ｒｕ層６中の
Ｒｕ粒子自体の粒子成長、酸素拡散速度の上昇を生じ、
表面は酸化されていく。一方粒子間は、原子密度が希薄
であるため、酸素拡散は早い。そこで、粒子間に存在す
るＲｕは酸化され、上記の反応に従い、一部揮発する。
しかし、揮発した一部は再度ＲｕＯ2になり、Ｒｕ層６
上にＲｕＯ2として析出し、析出した粒子が核となり、
さらに粒成長を繰り返す。一方Ｒｕ層６内のＲｕ粒子間
は次第に広がって行き、酸素拡散が容易に発生する。そ
の結果、酸素がＴｉＮ５までに達し、ＴｉＮ層５、Ｔｉ
層４は容易に酸化されてしまうのである。First, the Ru layer 6 has a thin (about several tens of mm) oxide film on the surface even at room temperature. When the temperature is increased to around 600 ° C. in the presence of oxygen, the particle growth of the Ru particles themselves in the Ru layer 6 and an increase in the oxygen diffusion rate occur.
The surface is oxidized. On the other hand, oxygen diffusion is fast between particles because the atomic density is low. Then, Ru existing between the particles is oxidized and volatilized partially according to the above reaction.
However, part of the volatilized water becomes RuO 2 again, and the Ru layer 6
Precipitated as RuO 2 on the top, the precipitated particles become nuclei,
Further, the grain growth is repeated. On the other hand, the Ru particles in the Ru layer 6 gradually spread, and oxygen diffusion easily occurs. As a result, oxygen reaches TiN5, and TiN layer 5, TiN5
Layer 4 is easily oxidized.
【００３５】そこで本実施の形態のように酸素拡散防止
層７を形成すると、Ｒｕ層６のＲｕ粒子間からの酸素拡
散を大幅に防ぐことが可能となり、その結果、ＴｉＮ層
５、Ｔｉ層４の酸化を防止することができる。また、本
実施の形態によれば、Ｒｕ層の結晶粒界の部分が酸素拡
散防止層により埋め込まれているため、Ｒｕ層の酸化反
応はＲｕ層の表面付近でしか発生しないことになるた
め、上記した第２番目の課題であるＲｕ膜表面のモフォ
ロジーの悪化と、第３番目の課題であるＢＳＴの酸素不
足も解決することができる。Therefore, when the oxygen diffusion preventing layer 7 is formed as in the present embodiment, it becomes possible to largely prevent oxygen diffusion from between Ru particles of the Ru layer 6, and as a result, the TiN layer 5, the Ti layer 4 Can be prevented from being oxidized. Further, according to the present embodiment, since the crystal grain boundary portion of the Ru layer is buried with the oxygen diffusion preventing layer, the oxidation reaction of the Ru layer occurs only near the surface of the Ru layer. The second problem, that is, the deterioration of the morphology of the Ru film surface and the third problem, that is, the lack of oxygen in BST can be solved.
【００３６】本実施の形態における酸素拡散防止層７の
形成は、例えば下記のようにして行うことができる。Ｒ
ｕ層６をスパッタ法により形成した後、ＳｉＯ2層をＣ
ＶＤ法により２０ｎｍ形成する。その後、化学的機械研
磨（ＣＭＰ）法により、上記のＳｉＯ2層をＣＭＰによ
りＲｕ層６の表面が露出するまで研磨してＳｉＯ2層を
取り除き、Ｒｕ層６のＲｕ粒子間に酸素拡散防止層７を
形成する。なお、ＣＭＰに用いたスラリーは、ＳｉＯ2
向けの市販品であり、ＳｉＯ2の研磨レートに対して、
Ｒｕは殆ど研磨されないため、Ｒｕ表面を出せば、粒子
間にＳｉＯ2が残留した状態を容易に得ることができ
る。The formation of the oxygen diffusion preventing layer 7 in the present embodiment can be performed, for example, as follows. R
After the u layer 6 is formed by sputtering, the SiO 2 layer is
20 nm is formed by the VD method. Thereafter, by chemical mechanical polishing (CMP) method, an SiO 2 layer of the removed SiO 2 layer is polished to expose the surface of the Ru layer 6 by CMP, an oxygen diffusion preventing layer between Ru particles of the Ru layer 6 7 is formed. The slurry used for CMP was SiO 2
Commercial product for the polishing rate of SiO 2
Since Ru is hardly polished, a state in which SiO 2 remains between particles can be easily obtained by exposing the Ru surface.
【００３７】以上本実施の形態における薄膜キャパシタ
とその製造方法について説明を行ったが、酸素拡散防止
層７に用いる材料としては、上記のＳｉ酸化物以外に、
Ｓｉ窒化物、Ａｌ酸化物または窒化物、Ｔｉ酸化物、Ｔ
ｉ窒化物等を用いることも可能である。これらの物質
は、いずれも酸化性雰囲気下で、安定な酸化物を形成す
るため、本発明の実施に好都合である。また、本実施の
形態では、Ｓｉ酸化物を直接形成したが、Ｓｉ、Ａｌ、
Ｔｉを直接形成し、大気中での熱処理等の酸化処理や、
陽極化成処理により酸化物を形成してもよい。Although the thin film capacitor and the method of manufacturing the same according to the present embodiment have been described above, the material used for the oxygen diffusion preventing layer 7 is not limited to the above-described Si oxide.
Si nitride, Al oxide or nitride, Ti oxide, T
It is also possible to use i-nitride or the like. All of these substances form a stable oxide under an oxidizing atmosphere, which is convenient for the practice of the present invention. Further, in this embodiment, the Si oxide is directly formed, but Si, Al,
Oxidation treatment such as heat treatment in the air,
An oxide may be formed by anodizing treatment.
【００３８】（実施の形態２）以下本発明の実施の形態
２における薄膜キャパシタ及びその製造方法について図
５を参照しながら説明する。本実施の形態は、第１の電
極形成までは、上記した実施の形態１と同じであるた
め、説明は省略する。また、第１の電極６はＲｕを用い
た場合であり、以下Ｒｕ層６と表記する。また、誘電体
層８の上には図示はしていないが、第２の電極が形成さ
れている。(Embodiment 2) Hereinafter, a thin film capacitor and a method of manufacturing the same according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment is the same as Embodiment 1 described above up to the formation of the first electrode, and a description thereof will be omitted. The first electrode 6 is a case where Ru is used, and is referred to as a Ru layer 6 hereinafter. Although not shown, a second electrode is formed on the dielectric layer 8.
【００３９】本実施の形態は、上記した３つの課題のう
ち、主に第２番目及び第３番目の課題を解決することを
主たる目的とするものである。This embodiment is mainly intended to solve the second and third problems among the above three problems.
【００４０】まず以下では、本実施の形態における薄膜
キャパシタについて説明を行う前に、本発明者等が検討
した結果について説明する。First, a description will be given below of the results of studies by the present inventors before describing the thin film capacitor in the present embodiment.
【００４１】上記した第２番目及び第３番目の課題を解
決するための方法として、ＢＳＴ成膜前に、ＢＳＴ成膜
温度以上の酸素存在下で熱処理を行う方法を考えること
ができる。ＢＳＴの成膜を行う前にＲｕ層を完全に酸化
しておけば、表面に凹凸はできるものの、それ以上の酸
化反応は発生しないため、ＢＳＴは均一な膜厚で理想的
に形成することができると考えたからである。As a method for solving the above-described second and third problems, a method of performing a heat treatment before the BST film formation in the presence of oxygen at a temperature equal to or higher than the BST film formation temperature can be considered. If the Ru layer is completely oxidized before the BST film is formed, irregularities can be formed on the surface, but no further oxidation reaction occurs. Therefore, BST can be ideally formed with a uniform film thickness. Because we thought we could.
【００４２】そこで、Ｒｕを成膜した後、ＢＳＴを成膜
する基板温度（６００℃）２５％の酸素分圧下で１時間
の熱処理を行い、その後、ＢＳＴの成膜（基板温度６０
０℃）を試みた。その結果、ＢＳＴの膜厚が６０ｎｍと
かなり厚い条件にも拘わらず、得られた薄膜キャパシタ
は、電極間が完全にショートしたものとなった。Therefore, after forming the Ru film, a heat treatment is performed for 1 hour at a substrate temperature (600 ° C.) for forming the BST under an oxygen partial pressure of 25%, and then a BST film is formed (at a substrate temperature of 60 ° C.).
0 ° C.). As a result, the obtained thin-film capacitor was completely short-circuited between the electrodes despite the condition that the BST film thickness was as large as 60 nm.
【００４３】同じＢＳＴの成膜条件下で、Ｐｔ電極を用
いた場合には、１０-6Ａ／ｃｍ2（１Ｖ）のリーク電流
密度であることから、Ｒｕは６００℃程度の温度で非常
に自己拡散による移動を生じ易く、Ｒｕ膜上にＢＳＴが
堆積されている状況においてもＢＳＴ膜中を突き抜け、
リークの原因となっていることが判明した。Under the same BST film forming conditions, when a Pt electrode is used, since the leakage current density is 10 −6 A / cm 2 (1 V), Ru is very low at a temperature of about 600 ° C. Movement due to self-diffusion is likely to occur, and penetrates through the BST film even when BST is deposited on the Ru film,
It turned out to be the cause of the leak.
【００４４】したがって、ＢＳＴの成膜温度に拘わら
ず、ＢＳＴ／Ｒｕ構造のキャパシタを６００℃程度の温
度以上で熱処理を行ってしまうと、特にＢＳＴ膜厚が薄
い領域で上記課題の影響が顕著になると考えられる。Therefore, if the BST / Ru structure capacitor is subjected to a heat treatment at a temperature of about 600 ° C. or higher regardless of the BST film forming temperature, the above-described problem becomes remarkable especially in a region where the BST film thickness is small. It is considered to be.
【００４５】そこで本発明者等は、Ｒｕ層６上にＰｔ、
Ａｌ、Ｉｒ、Ｔｉから選ばれた少なくとも１つの金属あ
るいはその酸化膜あるいはＲｕとの金属間化合物からな
る表面材料層９（酸素拡散防止表面層）を形成して、熱
処理の際の酸素の拡散を防止し、Ｒｕ層の酸化を防止す
ることを考え出した。本実施の形態によれば、表面材料
層９により、６００℃程度の高温においても、Ｒｕ表面
モフォロジの悪化を防ぎ、かつ、ＢＳＴの酸素不足をな
くすことが可能となる。Therefore, the present inventors have proposed that Pt,
A surface material layer 9 (oxygen diffusion preventing surface layer) made of at least one metal selected from Al, Ir, Ti or an oxide film thereof or an intermetallic compound with Ru is formed to prevent diffusion of oxygen during heat treatment. To prevent oxidation of the Ru layer. According to the present embodiment, the surface material layer 9 can prevent deterioration of Ru surface morphology and eliminate oxygen deficiency of BST even at a high temperature of about 600 ° C.
【００４６】次に以下では、本実施の形態の特徴である
表面材料層の形成方法について説明する。なお、以下に
示す形態では、表面材料層としてＡｌを用いた場合につ
いて説明する。Next, a method for forming a surface material layer, which is a feature of the present embodiment, will be described. In the following embodiment, a case in which Al is used as the surface material layer will be described.
【００４７】まずＲｕ層６をＤＣマグネトロンスパッタ
法により形成した後、ＡｌをＤＣマグネトロンスパッタ
で４ｎｍ形成する。Ｒｕ膜の成膜条件は、成膜圧力８ｍ
Ｔｏｒｒ、スパッタガスをＡｒとし、基板温度３００
℃、スパッタパワーは１ＫＷとした。一方Ａｌの形成
は、スパッタ圧力８ｍＴｏｒｒ、スパッタガスをＡｒと
し、基板温度は常温、スパッタパワーを０．３ＫＷとし
た。得られた表面をＳＥＭ観察したところ、Ａｌの膜厚
が薄いため、Ｒｕ層６だけのものと大きな表面状態の違
いは認められず、図５のようにＡｌが形成されていると
考えらる。First, after forming the Ru layer 6 by DC magnetron sputtering, Al is formed to a thickness of 4 nm by DC magnetron sputtering. The condition for forming the Ru film is a film forming pressure of 8 m.
Torr, Ar sputtering gas, substrate temperature 300
° C and the sputter power was 1 KW. On the other hand, for the formation of Al, the sputtering pressure was 8 mTorr, the sputtering gas was Ar, the substrate temperature was room temperature, and the sputtering power was 0.3 KW. When the obtained surface was observed by SEM, since the thickness of Al was thin, there was no significant difference in surface state from that of the Ru layer 6 alone, and it is considered that Al was formed as shown in FIG. .
【００４８】次に、溶液気化方式ＭＯＣＶＤ法によっ
て、Ａｌ上に誘電体８として、ＢＳＴ膜を３０ｎｍ形成
する。溶液気化方式によるＢＳＴ薄膜の形成条件は以下
のとおりである。液体原料として、Ｂａ（ＤＰＭ）2、
Ｓｒ（ＤＰＭ）2、Ｔｉ（Ｏ−ｉＰｒ）4を用い、所定の
比率で混合した後、２２０℃程度の気化温度でガス化
し、反応室内にキャリアガスであるＮ2と、酸化剤とし
てＯ2を混合して導入した。成膜圧力は５Ｔｏｒｒであ
り、Ｏ2分圧は２５％、基板温度を６００℃とした。Next, a BST film having a thickness of 30 nm is formed as a dielectric 8 on Al by a solution evaporation type MOCVD method. The conditions for forming the BST thin film by the solution vaporization method are as follows. Ba (DPM) 2 ,
After mixing Sr (DPM) 2 and Ti (O-iPr) 4 at a predetermined ratio, the mixture is gasified at a vaporization temperature of about 220 ° C., and N 2 as a carrier gas and O 2 as an oxidant are introduced into the reaction chamber. Was mixed and introduced. The film forming pressure was 5 Torr, the O 2 partial pressure was 25%, and the substrate temperature was 600 ° C.
【００４９】以上のような誘電体８の成膜条件でＢＳＴ
膜を３０ｎｍ成膜し、誘電体８上に上部電極（図示せ
ず）を形成した後、ＬＣＲメータでキャパシタ容量の測
定、絶縁特性（Ｉ−Ｖ特性）の測定を行なった。Under the conditions for forming the dielectric 8 as described above, the BST
After a film was formed to have a thickness of 30 nm and an upper electrode (not shown) was formed on the dielectric 8, the capacitance of the capacitor was measured by an LCR meter, and the insulation characteristics (IV characteristics) were measured.
【００５０】絶縁特性の評価から、１Ｖ電圧印加で１×
１０-6Ａ／ｃｍ2程度のリーク電流密度であり、表面材
料層９の効果が明らかにあった。実際のところ、ＳＩＭ
Ｓにより誘電体８、表面材料層９、第１の電極６方向へ
構成元素のデプスプロファイルを測定すると、誘電体８
と第１の電極６の間にＡｌが存在しており、ＲｕのＢＳ
Ｔへの拡散は皆無であった。From the evaluation of the insulation properties, 1 ×
The leakage current density was about 10 −6 A / cm 2 , and the effect of the surface material layer 9 was clearly observed. In fact, SIM
When the depth profile of the constituent elements is measured in the direction of the dielectric 8, the surface material layer 9, and the first electrode 6 by S, the dielectric 8
Al is present between the first electrode 6 and Ru BS
There was no diffusion to T.
【００５１】誘電体８と第１の電極６との界面付近のＡ
ｌは、Ｒｕ側、ＢＳＴ側に裾を持ったように、見受けら
れたが、これが、Ｒｕと合金化しているためなのか、Ｒ
ｕののモホロジーに寄るものかは不明である。A near the interface between the dielectric 8 and the first electrode 6
l was found to have tails on the Ru side and the BST side, but this may be due to alloying with Ru.
It is not known whether it depends on u's morphology.
【００５２】一方、本実施の形態のように表面材料層を
形成しなかった薄膜キャパシタを比較例として作成し
た。Ｒｕ層６上に誘電体８、ここではＢＳＴ膜を直接３
０ｎｍ形成した比較例をＳＥＭ観察すると、誘電体８の
表面は約１０〜２０ｎｍ程度の凹凸が認められた。しか
し、この凹凸はＲｕ層６の誘電体８形成前の形状とは完
全に一致してるとはいえず、誘電体８成膜中にＲｕ層６
表面のモフォロジーが変化したことによるものと推察さ
れる。そして、キャパシタ容量と絶縁特性の測定を試み
たところ、得られたキャパシタの絶縁特性は完全にショ
ートの特性を示し、キャパシタ容量の測定は不可能であ
った。On the other hand, a thin film capacitor having no surface material layer as in the present embodiment was prepared as a comparative example. A dielectric 8, here a BST film, is directly applied on the Ru layer 6.
Observation by SEM of a comparative example formed with 0 nm revealed that the surface of the dielectric 8 had irregularities of about 10 to 20 nm. However, it cannot be said that these irregularities completely match the shape of the Ru layer 6 before the formation of the dielectric 8, and the Ru layer 6
It is presumed that the morphology of the surface changed. Then, when an attempt was made to measure the capacitance and the insulation characteristics of the capacitor, the insulation characteristics of the obtained capacitor showed completely short-circuit characteristics, and the measurement of the capacitance of the capacitor was impossible.
【００５３】上記のような比較例における不良が発生し
た原因としては、Ｒｕ層６が６００℃の酸化性雰囲気に
さらされることにより、Ｒｕ自体の粒子成長、酸化、Ｒ
ｕ原子の移動現象（Ｒｕ自己拡散）が起こり、誘電体８
膜中に拡散もしくはＲｕ原子の突き抜けが生じていると
考えられる。実際のところ、比較例の薄膜キャパシタを
２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）により誘電体８表面か
らＲｕ層６まで、元素のデプスプロファイルを測定した
ところ、ほぼ一定量のＲｕが誘電体８膜中に存在するこ
とが確認された。The cause of the failure in the comparative example as described above is that the Ru layer 6 is exposed to an oxidizing atmosphere at 600 ° C., so that the particle growth of Ru itself, oxidation, R
The transfer phenomenon (Ru self-diffusion) of u atoms occurs, and the dielectric 8
It is considered that diffusion or penetration of Ru atoms has occurred in the film. Actually, when the depth profile of the element was measured from the surface of the dielectric 8 to the Ru layer 6 of the thin film capacitor of the comparative example by secondary ion mass spectrometry (SIMS), almost a constant amount of Ru was found in the dielectric 8 film. Confirmed to be present.
【００５４】また、本発明者等は、表面材料層９の形成
方法として、Ｒｕ層６を形成した後、大気に暴露するこ
となくＡｌ層７を基板温度を常温として４ｎｍ形成し、
その後不活性雰囲気のまま４００℃まで昇温し１０分間
保持した後に大気中に取り出す実験を行った。As a method for forming the surface material layer 9, the present inventors formed a Ru layer 6 and then formed an Al layer 7 at a substrate temperature of 4 nm without exposing to the atmosphere.
Thereafter, an experiment was performed in which the temperature was raised to 400 ° C. in an inert atmosphere, the temperature was maintained for 10 minutes, and then taken out into the atmosphere.
【００５５】その表面をＳＥＭ観察したところ、いわゆ
るリフローの効果が認められ、一部にＡｌが凝集してい
ると思われる幅約５０ｎｍ程度高さ１０ｎｍ程度の凝集
塊が認められた。従って、凝集塊が発生していない部分
では当初形成した４ｎｍ以下のＡｌが形成されているこ
とになる。この上にＢＳＴ膜を形成したところ、不連続
でＡｌを形成した場合とほぼ同等の絶縁性を得ることが
できた。従って本発明の効果を得るためには、Ａｌ膜厚
は４ｎｍよりも薄くても同等の効果を得られることが判
明した。非常に薄いＡｌ膜を形成するためには、Ｒｕ層
を形成した後、大気に暴露することなくＡｌ層を連続的
に形成した後、リフローさせることが好ましいと言え
る。しかしながら、Ａｌ膜厚が１５ｎｍ以上となると、
凝集塊が大きなものとなり、凝集塊による表面モフォロ
ジーの劣化が著しいものとなり好ましくない。When the surface was observed by SEM, a so-called reflow effect was observed, and an agglomerate having a width of about 50 nm and a height of about 10 nm, which is considered to be partially agglomerated with Al, was observed. Therefore, in the portion where no agglomerate is generated, the originally formed Al of 4 nm or less is formed. When a BST film was formed thereon, it was possible to obtain almost the same insulating properties as in the case where Al was formed discontinuously. Therefore, in order to obtain the effect of the present invention, it has been found that the same effect can be obtained even if the Al film thickness is smaller than 4 nm. In order to form an extremely thin Al film, it can be said that it is preferable to form the Ru layer, form the Al layer continuously without exposing to the air, and then reflow. However, when the Al film thickness is 15 nm or more,
Agglomerates become large, and surface morphology is significantly deteriorated by the agglomerates, which is not preferable.
【００５６】以上のように表面材料層９を連続、不連続
に拘わらず形成すると、直接６００℃で大気中処理をお
こなっても、ＲｕＯ2の異常粒子成長は認められず、表
面モフォロジーの安定したものとなり、ＢＳＴの酸化不
足も防止することができる。また、当然のことながら、
酸素拡散防止表面層の存在により、ＴｉＮやＴｉの酸化
も防止することができる。As described above, when the surface material layer 9 is formed regardless of whether it is continuous or discontinuous, no abnormal growth of RuO 2 particles is observed and the surface morphology is stable even if the treatment is performed directly at 600 ° C. in the air. In this case, insufficient oxidation of BST can be prevented. Also, of course,
Oxidation of TiN and Ti can also be prevented by the presence of the oxygen diffusion preventing surface layer.
【００５７】なお、本実施の形態の効果を得られる材料
としてＡｌの他に、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｐｔを用いることがで
きる。このうちＴｉはＡｌと同様Ｔｉ酸化物の効果の寄
与が大きいと考えられ、一方Ｉｒは、酸化物が導電性で
あり、かつ酸化物中の酸素拡散が少ないため、Ａｌの場
合と同様の効果が得られるだけでなく、容量劣化が無い
という特徴を持つ。またＰｔの場合は酸化しない材料で
あり、容量劣化が無いが、酸素拡散の防止という観点か
らは、Ａｌ、Ｔｉにくらべ、１０ｎｍ〜１５ｎｍの膜厚
が必要であった。It should be noted that Ti, Ir, and Pt can be used in addition to Al as a material for obtaining the effects of the present embodiment. Among them, Ti is considered to contribute greatly to the effect of Ti oxide like Al, whereas Ir is similar to Al because the oxide is conductive and oxygen diffusion in the oxide is small. Not only can be obtained, but also there is no capacity deterioration. Pt is a material that does not oxidize and does not deteriorate the capacity. However, from the viewpoint of preventing oxygen diffusion, a film thickness of 10 nm to 15 nm is required as compared with Al and Ti.
【００５８】[0058]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、誘電体膜
の形成時、あるいは熱処理時の高温での酸化性雰囲気下
でも、粒子間の酸素拡散および表面モフォロジーの劣化
を防ぎ、ＢＳＴの酸化不足を防止し、ＴｉＮやＴｉの酸
化を防止することができ、熱的に安定な薄膜キャパシタ
を実現することができる。As described above, according to the present invention, the diffusion of oxygen between particles and the deterioration of surface morphology can be prevented even at the time of forming a dielectric film or in an oxidizing atmosphere at a high temperature during heat treatment. Insufficient oxidation can be prevented, oxidation of TiN or Ti can be prevented, and a thermally stable thin film capacitor can be realized.
【図１】本発明の実施の形態１における薄膜キャパシタ
の断面図FIG. 1 is a sectional view of a thin film capacitor according to a first embodiment of the present invention.
【図２】Ｒｕ電極酸化時の異常粒子成長を示す模式図FIG. 2 is a schematic view showing abnormal particle growth during Ru electrode oxidation.
【図３】酸化機構解明に用いた基板断面図FIG. 3 is a cross-sectional view of a substrate used for elucidating an oxidation mechanism.
【図４】Ｒｕ電極およびＴｉ層、ＴｉＮ層酸化のメカニ
ズムを示す模式図FIG. 4 is a schematic view showing a mechanism of oxidation of a Ru electrode, a Ti layer, and a TiN layer.
【図５】本発明の実施の形態２における薄膜キャパシタ
の断面図FIG. 5 is a sectional view of a thin film capacitor according to a second embodiment of the present invention.
１ Ｓｉ基板 ２ ＳｉＯ2 ３ ポリＳｉ ４ Ｔｉ層 ５ ＴｉＮ層 ６ 第１の電極 ７ 酸素拡散防止層Reference Signs List 1 Si substrate 2 SiO 2 3 Poly Si 4 Ti layer 5 TiN layer 6 First electrode 7 Oxygen diffusion preventing layer
Claims (6)
れた誘電体と、前記誘電体上に形成された第２の電極と
を有する薄膜キャパシタであって、前記第１の電極がＲ
ｕを主成分とする導電性材料から構成されており、前記
第１の電極を構成するＲｕ粒子間に酸素拡散防止層が形
成されていることを特徴とする薄膜キャパシタ。1. A thin-film capacitor comprising a first electrode, a dielectric formed on the first electrode, and a second electrode formed on the dielectric, wherein the first electrode is a thin-film capacitor. The electrode is R
A thin-film capacitor comprising a conductive material containing u as a main component, wherein an oxygen diffusion preventing layer is formed between Ru particles constituting the first electrode.
から選ばれた１つ以上の材料あるいはその酸化物あるい
は窒化物であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜
キャパシタ。2. The thin film capacitor according to claim 1, wherein the oxygen diffusion preventing layer is at least one material selected from Al, Si, and Ti, or an oxide or nitride thereof.
れた第１の電極を形成する工程と、酸素拡散防止層材料
を第１の電極上に積層した後、前記酸素拡散防止層材料
をＲｕ粒子表面が露出するまで研磨して前記Ｒｕ粒子間
に酸素拡散防止層を形成する工程と、前記第１の電極上
に誘電体層及び第２の電極を順次形成する工程とを有す
る薄膜キャパシタの製造方法。3. A step of forming a first electrode made of a conductive material containing Ru as a main component, and laminating an oxygen diffusion preventing layer material on the first electrode, and then forming the oxygen diffusion preventing layer material. A step of forming an oxygen diffusion preventing layer between the Ru particles by polishing until the surface of the Ru particles is exposed, and a step of sequentially forming a dielectric layer and a second electrode on the first electrode A method for manufacturing a capacitor.
れた誘電体と、前記誘電体上に形成された第２の電極と
を有する薄膜キャパシタであって、前記第１の電極がＲ
ｕを主成分とする導電性材料から構成されており、前記
第１の電極上の、誘電体と接する部分に酸素拡散防止表
面層が形成されていることを特徴とする薄膜キャパシ
タ。4. A thin-film capacitor comprising a first electrode, a dielectric formed on the first electrode, and a second electrode formed on the dielectric, wherein the thin-film capacitor comprises: The electrode is R
A thin-film capacitor comprising a conductive material containing u as a main component, wherein an oxygen diffusion preventing surface layer is formed on a portion of the first electrode which is in contact with a dielectric.
ｒ、Ｔｉから選ばれた少なくとも１つの金属あるいはそ
の酸化物、あるいはＲｕとの合金または金属間化合物か
らなることを特徴とする請求項４に記載の薄膜キャパシ
タ。5. An oxygen diffusion preventing surface layer comprising Pt, Al, I
The thin film capacitor according to claim 4, comprising at least one metal selected from r and Ti or an oxide thereof, or an alloy with Ru or an intermetallic compound.
れた第１の電極を形成する工程と、酸素拡散防止表面層
を第１の電極上に積層した後、前記第１の電極上に誘電
体層及び第２の電極を順次形成する工程とを有する薄膜
キャパシタの製造方法。6. A step of forming a first electrode made of a conductive material containing Ru as a main component, and laminating an oxygen diffusion preventing surface layer on the first electrode. Forming a dielectric layer and a second electrode in this order.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10155538A JPH11354732A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Thin film capacitor and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10155538A JPH11354732A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Thin film capacitor and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11354732A true JPH11354732A (en) | 1999-12-24 |
Family
ID=15608257
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10155538A Pending JPH11354732A (en) | 1998-06-04 | 1998-06-04 | Thin film capacitor and its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11354732A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002141480A (en) * | 2000-09-18 | 2002-05-17 | Samsung Electronics Co Ltd | Semiconductor device provided with ferroelectric capacitor and manufacturing method therefor |
| JP2004006929A (en) * | 2003-07-04 | 2004-01-08 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
| JP2004311922A (en) * | 2002-12-24 | 2004-11-04 | Seiko Epson Corp | Electrode film and its forming method, and ferroelectric memory and semiconductor device |
| KR100721184B1 (en) * | 2001-02-06 | 2007-05-23 | 주식회사 하이닉스반도체 | fabrication method of semiconductor capacitor |
-
1998
- 1998-06-04 JP JP10155538A patent/JPH11354732A/en active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002141480A (en) * | 2000-09-18 | 2002-05-17 | Samsung Electronics Co Ltd | Semiconductor device provided with ferroelectric capacitor and manufacturing method therefor |
| KR100721184B1 (en) * | 2001-02-06 | 2007-05-23 | 주식회사 하이닉스반도체 | fabrication method of semiconductor capacitor |
| JP2004311922A (en) * | 2002-12-24 | 2004-11-04 | Seiko Epson Corp | Electrode film and its forming method, and ferroelectric memory and semiconductor device |
| JP4586956B2 (en) * | 2002-12-24 | 2010-11-24 | セイコーエプソン株式会社 | Electrode film manufacturing method |
| JP2004006929A (en) * | 2003-07-04 | 2004-01-08 | Hitachi Ltd | Semiconductor device |
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