JPS61265856A - キャパシタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はキャパシタに関する。更に詳しくいえば、絶縁
膜が導電体層でサンドイッチ状に挟まれた構成のキャパ
シタにおいて、特に単位面積当たりのキャパシタンスが
非常に大きなキャパシタに関するものである。

従来の技術 半導体デバイスの製造技術の進歩に伴って、その大容量
化、高速動作化、低価格化が達成し得るようになってき
たことから、近年ＩＣメモリーが注目を集め、既に高速
動作のバイポーラメモリーは実用化されており、またＭ
ＯＳダイナミックメモリーなどにあっても大容量の特徴
を生かして電子計算機の主記憶としての応用が広まりつ
つある。

このように、半導体デバイスを中心とする電子デバイス
の進歩は著しく、それに伴って各構成素子、要素に対す
る要求も次第に苛酷なものとなってきている。これらの
要求を充足させるためには半導体に関る部分、即ち能動
素子部分に関する改良も重要であるが、一方、抵抗、キ
ャパシタなどを代表とする受動素子の改良も前記能動素
子の改良と並行して行わなければならない重要な課題で
ある。

従って、ＭＯ３ＩＣなどにおいても能動素子の改良もさ
ることながら、抵抗あるいはキャパシタ等の受動素子の
改良も並行して行う必要がある。

例えば、キャパシタについては第４図に示すように、金
属層１と、その上に設けられた絶縁膜２と、上部電極３
とからなるサンドイッチ状に絶縁膜を挟んだ三層構造を
有するものが知られている。

現在単位面積当たりのキャパシタンスが非常に大きなキ
ャパシタを最も必要としているものの１つに、ＭＯＳダ
イナミックメモリの電荷蓄積用キャパシタがある。即ち
、該メモリの高集積化を進めるためには、該キャパシタ
の面積を縮小しなければならない。ところが、該キャパ
シタのキャパシタンスは回路動作上、それ程減少させる
ことができない。従って、単位面積当たりのキャパシタ
ンスの大きなキャパシタが必要となる。

従来、このようなキャパシタとしては、絶縁膜として誘
電率の高い例えば酸化タンタノペ酸化ニオブ、酸化チタ
ン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物
を用いるものがある。この場合、従来から用いられてい
るような、シリコン基板上に前記の如き金属酸化物の絶
縁膜を形成し、さらにその上に金属電極を形成すること
によって得られるキャパシタにおいては、該絶縁膜形成
時に該シリコン基板と該絶縁膜との界面に、必然的にシ
リコン酸化膜が形成されてしまう。

ところで、キャパシタンスを大きくするためには絶縁膜
を薄くする必要があるが、上記のような理由からシリコ
ン酸化膜の絶縁膜に対する膜厚の比率が大きくなり、実
効的な誘電率が下がってしまう。例えば絶縁膜として酸
化タンタルを用いた場合の酸化タンタル膜厚と実効比誘
電率との関係を第５図の曲線ａに示したが、膜厚の減少
と共に急激に実効比誘電率が下がっていることがわかる
。

このようｆ、不都合を回避するためには、絶縁膜形成時
に、該絶縁膜との界面に酸化物等を形成しない材料、あ
るいは僅かに酸化物等が形成される場合には、該酸化物
等が導電性を有するか、高誘電率であるような材料を、
キャパシタの下部電極として用いる必要がある。

即ちまず、絶縁膜である金属酸化物（ＡＯ，）と下部電
極材料（Ｂ）とが反応して酸化物（ＢＯｙ）を形成しな
いためには、 ＡＯ，＋Ｂ　−Ａ＋ＢＯｙ の反応式におけるギブスの自由エネルギ変化が正となる
ような材料である必要がある。このような材料の例とし
ては、例えば酸化タンタルに対してはモリブデン、タン
グステン等があげられる。

次に、酸化物が導電性を有する材料としては、該酸化物
が半導体となるモリブデン、タングステン等があり、こ
の場合は絶縁膜は何であってもよい。

さらに、酸化物が高誘電率である材料としてはチタン、
タンタンへニオブ、ハフニウム、ジルコニウム等があり
、この場合も絶縁膜は何であってもよい。

下部電極としてモリブデンを用いた場合の酸化タンクル
膜厚と実効比誘電率との関係を第５図の曲線すに示した
。この曲線から、酸化タンタル膜が１００八になっても
実効比誘電率は低下しないことがわかる。

ところが金属膜を通常のスパッタ法、蒸着法、化学気相
成長法等で形成した場合゛、得られる膜は多結晶であり
、その表面にはかなりの凹凸が生じる。特にモリブデン
、タングステンの如き高融点金属膜は柱状結晶となり、
Ｌ本１本の結晶粒は細くかつ表面の凹凸が激しいものと
して得られる。

この様子を第４図をもって示す。これは既に述べたよう
に、通常のスパッタ法等で得られた金属層１と、絶縁膜
２と、上部電極３とで構成され、これがキャパシタとし
て機能する。第４図の如く、下部電極たる金属層の表面
の凹凸が激しいため、絶縁膜２が該金属層ｌの表面の凹
凸を反映して不均一に形成される。従って、該キャパシ
タに電圧を印加すると絶縁膜２の薄い部分に電界が集中
するため、リーク電流が極めて大きくなる。例えば、金
属層１としてスパッタ法で形成した３０００　Ａのモリ
ブデンを用い、絶縁膜２として１００への酸化タンタル
を用い、上部電極３としてモリブデンを用いた場合のキ
ャパシタのリーク電流特性を第６図の曲線Ｃに示した。

この図からこのような構成のものは明らかに実用に耐え
ないリーク電流レベルを有していることがわかる。

発註が解決しようとする問題点 以上述べたように、電子計算機用の大容量のダイナミッ
クメモリーなどとして期待されるＭＯ３ＩＣにおいても
高集積化のためにはキャパシタ面積の縮小が要求され、
その結果極めて大きな単位面積当たりのキャパシタンス
を有するキャパシタが必要とされることになる。

しかしながら、キャパシタの単位面積当たりのキャパシ
タンスを大きくするためには解決しなければならないい
くつかの問題がある。特に、キャパシタを構成する金属
膜表面の凹凸の存在は絶縁膜の薄い部分において電界が
葉中するために、リーク電流が著しく大きくなってしま
い、実用に耐えないものとなってしまう。

そこで、この問題を解決し得るキャパシタの開発は、Ｍ
ＯＳダイナミックメモリの高集積化を実現し、計算機の
小型化、大容量化を図る上で極めて大きな意義があり、
強く望まれていることである。

そこで本発明の第１の目的は、単位面積当たりのキャパ
シタンスが大きくかつリーク電流の小さなキャパシタを
提供することにある。

また、本発明の第２の目的は電子デバイスの大集積化ま
たは小型化の動向に合った受動素子としての上記の如き
キャパシタの製造方法を提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、上記目的を達成し得るキャパシタを開発
すべく種々検討した結果、キャパシタの単位面積当たり
のキャパシタンスを大きくする上で障害となる金属膜の
凹凸はその構造（柱状結晶状態）に問題があるとの着想
に基き、該金属膜の製法を検討し、下部電極の構造を柱
状以外の石垣状、非晶質状等とすることが該表面の平滑
性を達成する上で有効であることを見出し、本発明を完
成した。

即ち、本発明の第１の目的としてのキャパシタは第１導
電体層と、絶縁膜と、第２電体層とのサンドイッチ構造
を有する薄膜キャパシタであって、該第１導電体層が所
定の材料で形成され、かつその絶縁膜側の表面の凹凸が
前記絶縁膜の膜厚よりも小さいものであることを特徴と
する。

ここで、まず第１導電体層の材料としてはモリブデン、
タングステン、ニオブ、チタン、タンタル、ハフニウム
、ジルコニウムなどを使用することができる。一方、第
２導電体層どしては従来公知の任意の材料で形成でき、
特に制限はない。

更に、前記絶縁体膜材料としては酸化タンタル、酸化ニ
オブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム
等をいずれも使用することができる。

これは単一材料の単層構造であっても、また異質の材料
の複合層あるいは多層構造であってもよい。

このような本発明のキャパシタにおいて各構成層の膜厚
は特別なものではなく、従来公知のものと同様であり、
特に制限はないが、一般的には第１導体層は数千人であ
り、第２導体層は数千へであり、中間の絶縁膜は約１０
０〜１０００人程度である。

ただし、第１導体層において低い゛層抵抗値を有する材
料の薄層とする場合には絶縁膜の厚さよりも薄いことが
好ましい。この場合下限は材料により変化するが、層抵
抗値が１０’Ω／□以下となるような厚さであり、この
条件を満たさない場合にはキャパシタとして機能せず、
また溶断などを生ずる恐れがあるので好ましくない。

本発明の第１の態様によれば、第１導電体層は石垣状の
結晶構造を有するものであり、これは一旦気相蒸着法、
例えばスパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長法等で成
膜を行った後、熱処理することにより実現できる。この
処理は使用する材料によって多少変化するが、一般に材
料の融点の１１５〜材料の融点近傍の温度にて処理する
ことからなる。この熱処理は不活性ガス雰囲気、例えば
窒素ガス雰囲気中で行う。

また、上記熱処理は、膜形成操作中に基板温度を上記の
ような範囲内の温度に高めることにより、成膜と同時に
行うことも可能である。いずれにしても従来の第４図に
示したような柱状結晶の如き凹凸の激しい構造から石垣
状結晶のような平坦な構造に移行できれば良い。

また、本発明の第２の態様においては、第１導体層は非
晶質状の構造を有する。このように非晶質構造とすれば
表面の凹凸は著しく下げることが可能であり、この非晶
質状態は以下のようにすることにより達成できる。

即ち、まず不純物、例えば酸素を含むアルゴンガス中で
反応スパッタ法を行うことにより形成することができる
。この場合、膜の結晶構造は必ずしも非晶質状になって
いる必要はなく、結晶粒径が小さいだけでも有効である
。

例えば、第７図にモリブデン膜中の酸素濃度と結晶粒径
との関係を示したが、酸素濃度が１０原子％程度以上と
すると結晶粒径を小さくするする効果が著しいことが理
解できる。従って、この場合において、酸素濃度として
は１０原子％以上で、しかも酸化物結晶を形成しない程
度の濃度、即ち酸化物のストイキオメトリ−以下の濃度
の範囲とすることができる。

また、不純物としては上記酸素の他窒素などを使用する
ことができ、その濃度については上記酸素と同様である
。更に、成膜法としては上記反応性スパッタ法の他、反
応性蒸着法、通常の成膜法に従って膜形成した後イオン
注入法により不純物を注入することにより結晶を破壊し
、結晶粒径を小さくするか、非晶質化することができる
。即ち、結晶粒径を小さくするか、あるいは非晶質化す
ることの可能な方法であればいかなる方法であってもよ
い。

更に、本発明の第３の態様によれば第１導電体層は低い
層抵抗を有する材料により薄い層として形成される。該
材料としては、上記の各材料がいずれも使用できる。絶
縁膜、第２導電体層につぃては上記第１、第２の態様と
同じであり、厚さについては既に述べた通りである。

詐月 半導体ＩＣ，ＬＳＩを中心とする各種電子デバイスの高
集積化、小型化、大容量化の要求を満たすために、受動
素子の一つであるキャパシタについても小型化が要求さ
れ、そのために単位面積当たりのキャパシタンスの大き
なものが要求されるようになってきたが、従来の第４図
に示すような３層構造のものではシリコン基板上に絶縁
膜を形成する際、これらの界面にシリコン酸化膜が形成
されてしまい、実効的な誘電率が低下してしまうという
問題があった。この問題は既に詳細に説明したように、
キャパシタの下部電極として絶縁膜との界面に酸化物を
形成しないなどの特定の性質を有する金属材料を選択す
ることで解決できるが、該下部電極の製法上の限界から
、その表面にはかなりの凹凸が生じ、これによってキャ
パシタのリーク電流が大きくなったり、ショートの原因
となり、キャパシタの歩留り、信頼性を大きく損なう原
因となっていた。

この問題は該下部電極の表面平滑化によって克服し得る
ものと考えられる。そこで、本発明では下部電極の構成
を、特定の材料、特にモリブデン、タングステン、ニオ
ブ、チタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウムから
なる群・から選ばれるものとし、しかもその絶縁膜側の
表面の凹凸を該絶縁膜の厚さよりも小さくすることによ
り上記目的が達成し得ることを見出した。

第１の態様によれば、第１図に示したように、結晶形を
石垣状とすることにより上記結果を達成した。第１図の
例は石垣状の結晶構造を有する下部電極４と、絶縁膜５
と上部電極６とで構成され、該石垣構造は一旦従来と同
様に柱状の大結晶を形成した後熱処理することにより実
現される。

また、第２の態様によれば、第２図に示したように、下
部電極層７の結晶粒径縮小のために非晶質状とした。こ
れは、必ずしも非晶質である必要はなく、単に結晶粒径
を小さくするのみで足りる。

そのために、酸素等の不純物を所定量で添加する。

更に、第３の態様によれば、第３図に示したように、下
部電極層８の厚さを小さくすることによって粒径の縮小
化を達成しており、この場合にも同様な効果を達成する
ことができる。

かくして、本発明によれば、キャパシタ下部電極の表面
平滑化が達成でき、単位面積当たりのキャパシタンスの
大きなキャパシタを得ることができ、各種電子デバイス
の最近の要求に合った受動素子が有利に提供できる。

ｌ１男 以下実施例に従って本発明を更に具体的に説明すると共
に、その効果を実証する。しかしながら、これら実施例
により本発明の範囲は何等制限されない。

実施例１ 本例では第１図に示すような本発明の第１の態様に従う
キャパシタを作製した。まず、下部電極４はそれ自体公
知のスパッタ法で形成した後、１０００℃の窒素中で熱
処理した３０００　Ａのモリブテン膜である。又、絶縁
膜５はそれ自体公知のスパッタ法で形成した１００人の
酸化タンタル膜であり、上部電極６はそれ自体公知のス
パッタ法で形成した３０００人のモリブデン膜である。

モリブデン膜は高温での熱処理を施すことにより、第４
図の金属層１の如き柱状結晶から第１図のモリブデン膜
４の如き、非常に表面の平坦な石垣状結晶に変化する。

従って熱処理前の膜に比して表面の凹凸が減ると共に、
結晶粒径が大きくなることで凹凸の数も少なくなる。従
って本構造のキャパシタは下部電極の表面の凹凸が絶縁
膜の膜厚よりも小さいキャパシタとなっている。このキ
ャパシタのリーク電流特性を第６図の曲線ｄとして示し
た。従来のキャパシタ（同図の曲線Ｃ）に比して格段に
ＩＪ　−り電流が減少していることは明らかである。

実施例２ 本例では第２図に示すような本発明の第２の態様に従う
キャパシタを作製した。まず、下部電極７はそれ自体公
知の、酸素を含むアルゴンガス中の反応性スパッタ法に
より形成した、酸素を含み非晶質状をなす３０００　Ａ
のモリブデン膜である。絶縁膜５及び上部電極６は実施
例１と同様である。

モリブデン膜７は非晶質状であるため、表面の凹凸は極
めて小さい。従って本構造のキャパシタは下部電極の表
面の凹凸が絶縁膜の膜厚よりも小さいキャパシタとなっ
ている。このキャパシタのリーク電流特性を第６図の曲
線ｅとして示した。従来のキャパシタに比して格段にリ
ーク電流が減少していることは明らかである。

実施例３ 本例では第３図に示すような本発明の第３の態様に従う
キャパシタを作製した。ここで、下部電極８はそれ自体
公知のスパッタ法で形成した２０人のモリブデン膜であ
る。絶縁膜５及び上部電極６は実施例１と同様である。

モリブデン膜８は２０人と薄いにも拘らず第８図に示す
ように十分低い層抵抗値を持っており、良好な導電体層
を形成している。第３図の構造ではモリブデン膜８の表
面の凹凸は高々２ＯＡ以下であるから、下部電極の表面
の凹凸が絶縁膜の膜厚よりも小さいキャパシタとなって
いる。このキャパシタのリーク電流特性を第６図ｆに示
す。従来のキャパシタに比して格段にリーク電流が減少
していることは明らかである。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、下部電極の凹凸を
小さくできるのでリーク電流を小さくでき、単位面積当
たりのキャパシタンスが非常に大きく、かつ絶縁性に優
れたキャパシタを得ることができる。

従って、このようなキャパシタを使用すれば、電子計算
機のＭＯＳダイナミックメモリーをはじめとする各種電
子機器の小型化、高集積化あるいは大容量化を実現する
ことができる。

更に、本発明の方法によれば上記キャパシタを高い信頼
度で歩留りよく製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の態様に従うキャパシタの断面図
、 第２図は本発明の第２の態様に従うキャパシタの断面図
、 第３図は本発明の第３の態様に従うキャパシタの断面図
、 第４図は従来のキャパシタの断面図、 第５図は絶縁膜として酸化タンタルを用いたキャパシタ
の酸化タンタル膜厚と実効比誘電率との関係を示す特性
図、 第６図は本発明及び従来例において形成されたキャパシ
タのリーク電流特性図、 第７図は反応性スパッタ法で酸素を含んだモリブデンを
形成した場合のモリブデン結晶粒径とモリブデン膜中の
酸素濃度との関係を示す特性図、第８図はスパッタ法で
モリブデンを形成した場合の層抵抗値とモリブデン膜厚
との関係を示す特性図である。 （主な参照番号） １・・金属層、　２・・絶縁膜、 ３・・上部電極、 ４．６．７．８・・モリブデン膜、 ５・・酸化タンタル膜

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の導電体層と、その上に形成された絶縁膜と
   、該絶縁膜上に設けられた第２の導電体層を含む３層積
   層体構造のキャパシタにおいて、前記第１の導電体層が
   モリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、タンタル
   、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれ
   る１種で構成され、その表面の凹凸が前記絶縁膜の厚さ
   よりも小さいことを特徴とする上記キャパシタ。
2. （２）上記第１導電体層が石垣状結晶構造を有している
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のキャパシ
   タ。
3. （３）上記第１導電体層が不純物としての酸素または窒
   素を含む非晶質状であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載のキャパシタ。
4. （４）上記第１導電体層の厚さが層抵抗１０＾４Ω／□
   以下を与える厚さ以上で、前記絶縁膜の厚さ以下である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のキャパシ
   タ。
5. （５）上記絶縁膜が酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チ
   タン、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムからなる
   群から選ばれる少なくとも１種の単層もしくは複数の層
   からなる積層構造を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１〜４項のいずれか１項に記載のキャパシタ。
6. （６）気相蒸着法で第１の導電体層、絶縁膜および第２
   の導電体層をこの順序で積層することによる３層積層構
   造のキャパシタの製造方法であって、前記第１の導電体
   層をモリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、タン
   タル、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選
   ばれる１種で形成し、その表面の凹凸が前記絶縁膜の厚
   さよりも小さいことを特徴とする上記キャパシタの製造
   方法。
7. （７）前記第１の導電体層が気相蒸着法で所定の厚さの
   層を形成した後、該導電体材料の融点未満で、かつ該融
   点の１／５以上の温度にて熱処理することにより形成さ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第６項
   記載のキャパシタの製造方法。
8. （８）前記第１の導電体層が不純物としての酸素または
   窒素の共存下で気相蒸着され、１０原子％〜導電体材料
   の酸化物または窒化物のストイキオメトリー以下の酸素
   または窒素を含有する非晶質状の層であることを特徴と
   する特許請求の範囲第６項記載のキャパシタの製造方法
   。
9. （９）前記第１層への不純物の添加をイオン注入法によ
   り行うことを特徴とする特許請求の範囲第８項記載のキ
   ャパシタの製造方法。