WO2019239804A1 - キャパシタおよびその製造方法 - Google Patents
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- H10B12/37—DRAM devices comprising one-transistor - one-capacitor [1T-1C] memory cells the capacitor being at least partially in a trench in the substrate
Definitions
- the present invention relates to a capacitor and a manufacturing method thereof.
- Non-Patent Document 1 J. Vac. Sci. Technol. B, Vol. 13, No. 4 P.1888-1892 (Non-Patent Document 1) as a prior document disclosing the configuration of the capacitor.
- the capacitor described in Non-Patent Document 1 is a silicon trench capacitor.
- This silicon trench capacitor includes a SiO 2 film formed using tetraethoxysilane (TEOS) + O 3 gas.
- TEOS tetraethoxysilane
- the thickness of the dielectric part of the capacitor may not be uniform.
- the dielectric portion of the capacitor described in Non-Patent Document 1 is formed along the concave portion of the substrate, and the film thickness at the upper end portion of the concave portion is thick and the film thickness at the lower end portion of the concave portion is thin.
- the average thickness of the dielectric portion is set so as to ensure the withstand voltage performance in the thin film portion of the dielectric portion. For this reason, in the thick film portion, the thickness of the dielectric layer becomes too thick, and the capacitance of the capacitor decreases.
- the present invention has been made in view of the above problems, and in a dielectric part having a non-uniform thickness in a capacitor, while maintaining the breakdown voltage performance in the thin film part, the capacitance in the thick film part is reduced.
- An object is to provide a capacitor and a method of manufacturing the capacitor that can be suppressed.
- the capacitor according to the present invention includes a substrate, a dielectric portion, and a conductor layer.
- the substrate includes a first main surface and a second main surface located on the opposite side of the first main surface.
- the dielectric portion is stacked on the first main surface along the first main surface.
- the dielectric part includes at least one dielectric layer.
- the conductor layer is located on the opposite side of the dielectric portion from the substrate side.
- the dielectric part includes a thick film part and a thin film part.
- the thick film portion is thicker than the average thickness of the dielectric portion in the direction perpendicular to the first main surface.
- the thin film portion is thinner than the average thickness of the dielectric portion in the direction perpendicular to the first main surface.
- the relative dielectric constant of the thick film portion is larger than that of the thin film portion.
- the dielectric constant of the thick film portion is increased by increasing the relative dielectric constant of the thick film portion while maintaining the breakdown voltage performance in the thin film portion. A decrease in capacity can be suppressed.
- FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor according to an embodiment of the present invention.
- a capacitor 100 according to an embodiment of the present invention includes a substrate 110, a dielectric part 120, and a conductor layer 130.
- the substrate 110 includes a first main surface 111 and a second main surface 119 located on the opposite side of the first main surface 111.
- a recess 112 is formed in the first main surface 111.
- the recess 112 includes an upper end 112a and a lower end 112b.
- the upper end 112 a is located at the upper end of the peripheral side surface of the recess 112, and the lower end 112 b is located at the bottom of the recess 112.
- the depth of the recess 112 is, for example, 20.8 ⁇ m, and the width of the recess 112 is, for example, 3.9 ⁇ m.
- the recess 112 does not necessarily have to be formed in the first main surface 111. That is, the first main surface 111 may be a flat surface over the entire surface.
- the substrate 110 is a silicon substrate.
- the material of the substrate 110 is not limited to silicon, and may be another semiconductor such as gallium arsenide.
- Dielectric part 120 is laminated on first main surface 111 along first main surface 111.
- the dielectric part 120 includes at least one dielectric layer.
- the dielectric portion 120 includes a plurality of dielectric layers as at least one dielectric layer.
- the plurality of dielectric layers include an outermost dielectric layer 121 and at least one inner dielectric layer 122.
- the dielectric part 120 may have only the outermost dielectric layer 121 as a dielectric layer.
- the outermost dielectric layer 121 is located on the conductor layer 130 side in the dielectric portion 120.
- the inner dielectric layer 122 is located closer to the substrate 110 than the outermost dielectric layer 121.
- the plurality of dielectric layers include a first inner dielectric layer 122 a and a second inner dielectric layer 122 b as the inner dielectric layer 122.
- the plurality of dielectric layers may be configured to include only one inner dielectric layer 122.
- the first inner dielectric layer 122 a is laminated on the first main surface 111 of the substrate 110.
- the second inner dielectric layer 122b is stacked on the first inner dielectric layer 122a.
- the outermost dielectric layer 121 is laminated on the second inner dielectric layer 122b.
- the maximum layer thickness of the outermost dielectric layer 121 is thicker than the maximum layer thickness of the inner dielectric layer. In this embodiment, the maximum layer thickness of the outermost dielectric layer 121 is thicker than the maximum layer thickness of the first inner dielectric layer 122a and thicker than the maximum layer thickness of the second inner dielectric layer 122b.
- the at least one dielectric layer includes a doped dielectric layer doped with an impurity that increases the relative dielectric constant.
- the outermost dielectric layer 121 is a doped dielectric layer.
- the outermost dielectric layer 121 is not limited to the doped dielectric layer, and any one of the inner dielectric layers may be the doped dielectric layer.
- the outermost dielectric layer 121 that is a doped dielectric layer includes a base 121x that is a region where doped impurities are not diffused and a doped portion 121y that is a region where doped impurities are diffused.
- the base 121x is preferably an oxide.
- the base 121x is composed of SiO 2, relative permittivity of the base portion 121x is approximately 3.9.
- the doped portion 121y is located on the part of the conductor layer 130 side of the base portion 121x.
- the doped portion 121y as will be described later, a nitrogen atom as an impurity is formed by doping the SiO 2, is composed of silicon oxynitride.
- the doped portion 121y includes a region where the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first main surface 111 as the conductor layer 130 is approached.
- the doped portion 121y may include a region where the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first major surface 111 as the substrate 110 is approached.
- the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first main surface 111 as the conductor layer 130 is approached.
- the relative dielectric constant of the doped portion 121y is approximately 3.9-7.
- nitrogen atoms are doped as impurities, but the impurities are not limited to nitrogen atoms, and may be metal elements such as Hf, Zr, or Ta.
- the material of the inner dielectric layer 122 is preferably composed of an oxide such as SiO 2 , Al 2 O 3 , HfO 2 , Ta 2 O 5 or ZrO 2 , or a nitride such as Si 3 N 4.
- the first inner dielectric layer 122a is an oxide, specifically, composed of SiO 2 .
- the second inner dielectric layer 122b is made of nitride, and is specifically made of Si 3 N 4 .
- the oxide that forms the first inner dielectric layer 122a, the nitride that forms the second inner dielectric layer 122b, and the base of the outermost dielectric layer 121 that is the doped dielectric layer A so-called “ONO structure” is formed by the oxide constituting 121x. Since the ONO structure is a structure in which a layer having a low band gap is sandwiched between two layers having a high band gap, the leakage current characteristics and the insulation resistance can be improved. Therefore, the dielectric part having the ONO structure The pressure resistance performance of 120 can be easily maintained.
- FIG. 2 is a cross-sectional view showing ranges of the thick film portion and the thin film portion in the dielectric portion of the capacitor according to the embodiment of the present invention.
- the dielectric part 120 includes a thick film part 120A and a thin film part 120B.
- the thick film part 120 ⁇ / b> A is a part thicker than the average thickness of the dielectric part 120 in the direction perpendicular to the first main surface 111.
- the thick film portion 120A covers the upper end portion 112a shown in FIG. Specifically, the thick film portion 120 ⁇ / b> A covers an upper portion of the peripheral side surface of the recess 112 and a portion other than the recess of the first main surface 111.
- the thin film portion 120 ⁇ / b> B is a portion thinner than the average thickness of the dielectric portion 120 in the direction perpendicular to the first main surface 111.
- the thin film portion 120B covers the lower end portion 112b shown in FIG. Specifically, the thin film portion 120 ⁇ / b> B covers the bottom surface of the recess 112 and the lower portion of the peripheral side surface of the recess 112.
- the average layer thickness of the portion included in the thick film portion 120A in the outermost dielectric layer 121 that is the doped dielectric layer is the same as the thin film portion 120B in the outermost dielectric layer 121 that is the doped dielectric layer. Thicker than the average layer thickness of the included part.
- the average layer thickness of the portion included in the thick film portion 120A in the inner dielectric layer 122 is substantially the same as or slightly thicker than the average layer thickness of the portion included in the thin film portion 120B in the inner dielectric layer 122.
- the average thickness of the portion included in the thick film portion 120A in the doped portion 121y of the doped dielectric layer is equal to the average thickness of the portion included in the thin film portion 120B in the doped portion 121y of the doped dielectric layer. Thicker than that.
- the doped portion 121y of the doped dielectric layer may not be included in the thin film portion 120B. That is, since more impurities are diffused in the thick film part 120A than in the thin film part 120B, the relative dielectric constant of the thick film part 120A is larger than the relative dielectric constant of the thin film part 120B.
- Average thickness of dielectric part 120, average layer thickness of outermost dielectric layer 121 included in thick film part 120A, average layer thickness of outermost dielectric layer 121 included in thin film part 120B, inner dielectric The average layer thickness of the portion included in the thick film portion 120A in the body layer 122, the average layer thickness of the portion included in the thin film portion 120B in the inner dielectric layer 122, and the thick film portion 120A included in the doped portion 121y of the doped dielectric layer
- the average thickness of the portion to be included and the average thickness of the portion included in the thin film portion 120B in the doped portion 121y of the doped dielectric layer are, for example, those of the dielectric portion 120 taken using a transmission electron microscope.
- the measuring method of each of the plurality of average thicknesses and the plurality of average layer thicknesses is not limited to the above method.
- the portion of the doped dielectric layer included in the thick film portion 120 ⁇ / b> A includes a region where the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first main surface 111 as the conductor layer 130 is approached.
- the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first major surface 111 as the conductor layer 130 is approached.
- the conductor layer 130 is formed in a direction perpendicular to the first major surface 111. The concentration of impurities increases as it approaches.
- the impurity concentration can be measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS) after observing the cross-sectional structure of the dielectric 120 with a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM).
- SIMS secondary ion mass spectrometry
- the conductor layer 130 is located on the opposite side of the dielectric part 120 from the substrate 110 side.
- the conductor layer 130 is formed so that the substrate 110 side of the conductor layer 130 is along the dielectric portion 120.
- the conductor layer 130 is formed such that the side of the conductor layer 130 opposite to the substrate 110 side is substantially parallel to a surface portion other than the recess 112 of the first main surface 111.
- the outer edge of the conductor layer 130 is located inside the outer edge of the dielectric part 120.
- the conductor layer 130 is made of polysilicon.
- the material which comprises the conductor layer 130 is not restricted to a polysilicon, What is necessary is just a conductor.
- a hole 131 is formed in a portion of the conductor layer 130 located inside the recess 112 of the substrate 110.
- the hole 131 is located on the central axis of the recess 112 perpendicular to the bottom surface of the recess 112.
- the air holes 131 are not necessarily formed.
- the capacitor 100 further includes a first electrode 140.
- the first electrode 140 is located on the opposite side of the conductor layer 130 from the dielectric part 120 side. Specifically, the first electrode 140 is stacked on the conductor layer 130. When the capacitor 100 is viewed from the first electrode 140 side, the outer edge of the first electrode 140 is located inside the outer edge of the conductor layer 130.
- the material of the first electrode 140 is not particularly limited as long as it is a conductive material, but is a metal such as Cu, Ag, Au, Al, Pt, Ni, Cr or Ti, or an alloy containing at least one of these metals. Preferably there is.
- the first electrode 140 is made of Al.
- the capacitor 100 according to the present embodiment further includes a second electrode 150.
- the second electrode 150 is located on the second main surface 119 side of the substrate 110. Specifically, the second electrode 150 is laminated on the second main surface 119 and provided over the entire surface of the second main surface 119.
- the material of the second electrode 150 is not particularly limited as long as it is a conductive material, but is a metal such as Cu, Ag, Au, Al, Pt, Ni, Cr, or Ti, or an alloy containing at least one of these metals. Preferably there is.
- the capacitor 100 according to the present embodiment further includes a protective layer 160.
- the protective layer 160 is located on the first main surface 111 side of the substrate 110.
- the protective layer 160 is laminated on the first main surface 111 side of the substrate 110 so that only the first electrode 140 and the protective layer 160 are exposed to the outside of the capacitor 100.
- the protective layer 160 is preferably made of an oxide such as silicon oxide or a nitride such as silicon nitride.
- the recess 112 is formed in the first main surface 111 of the substrate 110 by photolithography. Specifically, a hole pattern is formed by applying a resist on the first main surface 111 of the substrate 110 and removing a part of the resist. Thereafter, dry etching is performed to form the recess 112 at the position where the hole pattern is formed on the first main surface 111.
- At least one dielectric layer is laminated on the first main surface 111 so as to follow the first main surface 111 of the substrate 110 to form the dielectric portion 120.
- the dielectric portion 120 is formed so that the dielectric portion 120 includes the thick film portion 120A and the thin film portion 120B.
- the first inner dielectric layer 122 a is formed on the first main surface 111 by thermally oxidizing the first main surface 111 side of the substrate 110. Specifically, the first main surface 111 side of the silicon substrate is thermally oxidized to form an SiO 2 layer that becomes the first inner dielectric layer 122a on the first main surface 111.
- the second inner dielectric layer 122b is formed on the first inner dielectric layer 122a by LPCVD (low pressure chemical vapor deposition). Specifically, a Si 3 N 4 layer is formed on the SiO 2 layer to be the first inner dielectric layer 122a by LPCVD.
- the outermost dielectric layer 121 is formed on the second inner dielectric layer 122b.
- an SiO 2 layer is formed by LPCVD using TEOS gas.
- the thick film portion 120A and the thin film portion 120B are defined.
- the dielectric 120 is doped with impurities.
- the dielectric portion 120 is doped with impurities so that the relative dielectric constant of the thick film portion 120A is larger than that of the thin film portion 120B.
- nitrogen atoms are doped as impurities by plasma nitriding the SiO 2 layer constituting the outermost dielectric layer 121.
- nitrogen atoms may be doped as impurities by heat-treating the SiO 2 layer constituting the outermost dielectric layer 121 in an ammonia gas atmosphere.
- the doped nitrogen atoms are not diffused, the base 121x made of SiO 2 , and the doped nitrogen atoms are diffused and the doped portion 121y made of silicon oxynitride An outermost dielectric layer 121 is formed.
- the impurity is a metal element
- the metal element as the impurity can be doped by a method such as sputtering.
- the thick film portion 120A covers the upper end portion 112a
- the thin film portion 120B covers the lower end portion 112b.
- the plasma nitriding process is performed on the SiO 2 layer constituting the outermost dielectric layer 121
- the lifetime of nitrogen atoms in the plasma nitriding process is short, so that the thickness covering the upper end portion 112a is smaller than that of the thin film portion 120B covering the lower end portion 112b.
- the film portion 120A is doped with more nitrogen atoms, and the concentration of nitrogen atoms in the thick film portion 120A is increased.
- the concentration of nitrogen atoms in the silicon oxynitride constituting the doped portion 121y increases, the relative dielectric constant of the silicon oxynitride increases.
- the relative dielectric constant of the portion included in the thick film portion 120A in the doped portion 121y is greater than the relative dielectric constant of the portion included in the thin film portion 120B in the doped portion 121y.
- the relative dielectric constant of the thick film portion 120A becomes larger than that of the thin film portion 120B.
- the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first main surface 111 toward the side opposite to the substrate 110 side of the dielectric portion 120. There is.
- the SiO 2 layer constituting the outermost dielectric layer 121 in the doped portion 121y, impurities in the dielectric portion 120 toward the substrate 110 side in the direction perpendicular to the first main surface 111. Concentration may be high.
- the impurity concentration may increase toward the center of the doped portion 121y in the direction perpendicular to the first main surface 111. . That is, the impurity concentration may be the highest in the central portion of the doped portion 121y in the direction perpendicular to the first major surface 111.
- voltage resistant performance in the thin film part 120B can be suppressed by oxidizing the said part, and the pressure
- a conductor layer 130 is laminated on the opposite side of the dielectric part 120 from the substrate 110 side. Specifically, a polysilicon layer that is the conductor layer 130 is formed on the outermost dielectric layer 121 by LPCVD.
- the conductor layer 130 is patterned by photolithography. Specifically, a pattern is formed by applying a resist on the conductor layer 130 and removing a part of the resist. Thereafter, by etching, portions other than the electrode region of the conductor layer 130 are removed.
- the first electrode 140 is formed on the conductor layer 130. Specifically, a layer containing Al to be the first electrode 140 is deposited on the conductor layer 130 by a method such as sputtering or vapor deposition.
- a protective layer 160 is laminated on the side opposite to the substrate 110 side. Thereafter, the protective layer 160 is etched to pattern the protective layer 160. Thereby, the first electrode 140 is exposed.
- the second electrode 150 is formed on the second major surface 119 of the substrate 110 after any of the above steps.
- the capacitor 100 according to the embodiment of the present invention as shown in FIG. 1
- the relative dielectric constant of the thick film part 120A is larger than the relative dielectric constant of the thin film part 120B.
- 120 by decreasing the dielectric constant of the thick film portion 120A while maintaining the breakdown voltage performance of the thin film portion 120B, it is possible to suppress a decrease in the capacitance of the thick film portion 120A.
- the thick film portion 120A covers the upper end portion 112a of the concave portion 112, so that the electric field concentration at the upper end portion 112a of the concave portion 112 can be reduced and the thick film portion 120A. It is possible to facilitate the diffusion of impurities into the substrate, effectively increase the relative dielectric constant of the thick film portion 120A, and ensure the capacitance of the thick film portion 120A.
- the thin film portion 120B covers the lower end portion 112b of the concave portion 112, the diffusion of impurities into the thin film portion 120B can be suppressed, and the pressure resistance performance and the electrostatic capacity of the thin film portion 120B can be maintained.
- the inner dielectric layer is interposed between the outermost dielectric layer 121, which is the thickest dielectric layer, and the substrate 110. There is a body layer. Therefore, since the internal stress generated between the outermost dielectric layer 121 and the substrate 110 can be relaxed by the inner dielectric layer, it is possible to suppress the generation of cracks between the layers in the dielectric portion 120, and The warp of the substrate 110 can be reduced.
- the dielectric layer includes a doped dielectric layer doped with an impurity that increases the relative dielectric constant, the relative dielectric constant of each of the thick film portion 120A and the thin film portion 120B in the dielectric portion 120 is controlled. can do.
- the portion of the doped dielectric layer included in the thick film portion 120A is a region where the impurity concentration increases in the direction perpendicular to the first major surface 111 as the conductor layer 130 is approached, or It includes a region where the impurity concentration increases as it approaches the substrate 110. Thereby, the relative dielectric constant in the region where the impurity concentration is high can be increased.
- the impurity is doped so that the concentration of the impurity increases in the direction perpendicular to the first main surface 111 as the conductor layer 130 is approached. Has been. Thereby, it can suppress that an impurity diffuses into the thin film part 120B.
- the average thickness of the dielectric portion 120 in the direction in which the dielectric portion 120 is perpendicular to the first main surface 111 in the step of forming the dielectric portion 120, the average thickness of the dielectric portion 120 in the direction in which the dielectric portion 120 is perpendicular to the first main surface 111.
- the relative dielectric constant of the thick film portion 120A is the thin film Since the dielectric part 120 is doped with impurities so as to be larger than the relative dielectric constant of the part 120B, the dielectric part 120 having a non-uniform thickness maintains the breakdown voltage performance of the thin film part 120B, and the thick film part It is possible to suppress the decrease in capacitance at 120A.
- 100 capacitor 110 substrate, 111 first main surface, 112 concave portion, 112a upper end portion, 112b lower end portion, 119 second main surface, 120 dielectric portion, 120A thick film portion, 120B thin film portion, 121 outermost dielectric layer, 121x base, 121y doped portion, 122 inner dielectric layer, 122a first inner dielectric layer, 122b second inner dielectric layer, 130 conductor layer, 131 void, 140 first electrode, 150 second electrode, 160 protection layer.
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Abstract
キャパシタ(100)は、基板(110)と、誘電体部(120)と、導電体層(130)とを備えている。誘電体部(120)は、厚膜部(120A)と、薄膜部(120B)とを含んでいる。厚膜部(120A)は、第1主面(111)に対して垂直な方向において、誘電体部(120)の平均厚さより厚い。薄膜部(120B)は、第1主面(111)に対して垂直な方向において、誘電体部(120)の平均厚さより薄い。厚膜部(120A)の比誘電率は、薄膜部(120B)の比誘電率より大きい。
Description
本発明は、キャパシタおよびその製造方法に関する。
キャパシタの構成を開示した先行文献として、J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.13, No.4 P.1888-1892(非特許文献1)がある。非特許文献1に記載されたキャパシタは、シリコントレンチキャパシタである。このシリコントレンチキャパシタは、テトラエトキシシラン(TEOS)+O3ガスを用いて形成されたSiO2膜を備えている。SiO2膜の膜厚は、トレンチの上端部側で厚くなり、トレンチの下端部側で薄くなっている。
J. Vac. Sci. Technol. B, Vol.13, No.4 P.1888-1892
キャパシタの誘電体部の厚さは、均一でない場合がある。非特許文献1に記載されたキャパシタの誘電体部は、基板の凹部に沿って形成されており、凹部の上端部での膜厚が厚く、凹部の下端部での膜厚が薄い。このように誘電体部の厚さが均一でない場合は、誘電体部の薄膜部において耐圧性能が確保されるように誘電体部の平均厚さが設定される。このため、厚膜部においては誘電体層の厚さが厚くなりすぎて、キャパシタの静電容量が低下する。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、キャパシタにおける厚さが不均一な誘電体部において、薄膜部での耐圧性能を維持しつつ、厚膜部での静電容量の低下を抑制できる、キャパシタおよびキャパシタの製造方法を提供することを目的とする。
本発明に基づくキャパシタは、基板と、誘電体部と、導電体層とを備えている。基板は、第1主面と、第1主面とは反対側に位置する第2主面とを含んでいる。誘電体部は、第1主面に沿うように第1主面上に積層されている。誘電体部は、少なくとも1層の誘電体層を含んでいる。導電体層は、誘電体部の基板側とは反対側に位置している。誘電体部は、厚膜部と、薄膜部とを含んでいる。厚膜部は、第1主面に対して垂直な方向において、誘電体部の平均厚さより厚い。薄膜部は、第1主面に対して垂直な方向において、誘電体部の平均厚さより薄い。厚膜部の比誘電率は、薄膜部の比誘電率より大きい。
本発明によれば、キャパシタにおける厚さが不均一な誘電体部において、薄膜部での耐圧性能を維持しつつ、厚膜部の比誘電率を大きくすることにより、厚膜部での静電容量の低下を抑制することができる。
以下、本発明の一実施形態に係るキャパシタについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
図1は、本発明の一実施形態に係るキャパシタの構造を示す断面図である。図1に示すように、本発明の一実施形態に係るキャパシタ100は、基板110と、誘電体部120と、導電体層130とを備えている。
基板110は、第1主面111と、第1主面111とは反対側に位置する第2主面119とを含んでいる。
本実施形態において、第1主面111には、凹部112が形成されている。凹部112は、上端部112aおよび下端部112bを含んでいる。上端部112aは、凹部112の周側面の上端に位置しており、下端部112bは、凹部112の底面に位置している。凹部112の深さは、たとえば20.8μmであり、凹部112の幅は、たとえば3.9μmである。なお、第1主面111に、必ずしも凹部112が形成されていなくてもよい。すなわち、第1主面111が、全面に渡って平坦面であってもよい。
基板110はシリコン基板である。ただし、基板110の材料はシリコンに限られず、ガリウム砒素などの他の半導体であってもよい。
誘電体部120は、第1主面111に沿うように第1主面111上に積層されている。誘電体部120は、少なくとも1層の誘電体層を含んでいる。本実施形態において、誘電体部120は、少なくとも1層の誘電体層として、複数の誘電体層を含んでいる。複数の誘電体層は、最外誘電体層121、および、少なくとも1層の内側誘電体層122を有している。ただし、誘電体部120は、誘電体層として最外誘電体層121のみを有していてもよい。
最外誘電体層121は、誘電体部120内において、導電体層130側に位置している。内側誘電体層122は、最外誘電体層121より基板110側に位置している。本実施形態において、複数の誘電体層は、内側誘電体層122として、第1内側誘電体層122aおよび第2内側誘電体層122bを有している。ただし、複数の誘電体層は、内側誘電体層122を一層のみ含むように構成されていてもよい。
すなわち、本実施形態において、第1内側誘電体層122aは、基板110の第1主面111上に積層されている。第2内側誘電体層122bは、第1内側誘電体層122a上に積層されている。最外誘電体層121は、第2内側誘電体層122b上に積層されている。
最外誘電体層121の最大層厚は、内側誘電体層の最大層厚より厚い。本実施形態において、最外誘電体層121の最大層厚は、第1内側誘電体層122aの最大層厚より厚く、かつ、第2内側誘電体層122bの最大層厚より厚い。
少なくとも1層の誘電体層は、比誘電率を大きくする不純物がドープされたドープ誘電体層を含んでいる。本実施形態において、最外誘電体層121が、ドープ誘電体層である。ただし、最外誘電体層121が、ドープ誘電体層である場合に限られず、いずれか1層の内側誘電体層がドープ誘電体層であってもよい。
ドープ誘電体層である最外誘電体層121は、ドープされた不純物が拡散していない領域である基部121xと、ドープされた不純物が拡散している領域であるドープ部121yとからなる。基部121xは、酸化物であることが好ましい。本実施形態において、基部121xは、SiO2で構成されており、基部121xの比誘電率はおよそ3.9である。
ドープ部121yは、基部121xの一部の導電体層130側に位置している。本実施形態において、ドープ部121yは、後述するように、不純物として窒素原子をSiO2にドープすることで形成された、シリコン酸窒化物で構成されている。
ドープ部121yは、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている領域を含んでいる。なお、ドープ部121yは、第1主面111に垂直な方向において、基板110に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている領域を含んでいてもよい。
本実施形態において、ドープ部121yでは、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている。このため、ドープ部121yでは、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって比誘電率が高くなっている。本実施形態において、ドープ部121yの比誘電率はおよそ3.9~7である。本実施形態においては、不純物として窒素原子をドープしているが、不純物は、窒素原子に限られず、Hf、ZrまたはTaなどの金属元素であってもよい。
内側誘電体層122の材料は、SiO2、Al2O3、HfO2、Ta2O5若しくはZrO2などの酸化物、または、Si3N4などの窒化物で構成されていることが好ましい。本実施形態において、第1内側誘電体層122aは、酸化物であり、具体的には、SiO2で構成されている。第2内側誘電体層122bは、窒化物であり、具体的には、Si3N4で構成されている。
すなわち、本実施形態においては、第1内側誘電体層122aを構成する酸化物、第2内側誘電体層122bを構成する窒化物、および、ドープ誘電体層である最外誘電体層121の基部121xを構成する酸化物により、いわゆる「ONO構造」が形成されている。ONO構造は、バンドギャップの低い層をバンドギャップの高い2つの層で挟み込むような構造であるため、リーク電流特性および絶縁抵抗を良好にすることができる、このため、ONO構造を有する誘電体部120の耐圧性能を維持しやすくすることができる。
ここで、誘電体部120における、厚膜部および薄膜部について説明する。図2は、本発明の一実施形態に係るキャパシタの誘電体部における、厚膜部および薄膜部の各々の範囲を示す断面図である。図2に示すように、誘電体部120は、厚膜部120Aと、薄膜部120Bとを含んでいる。
厚膜部120Aは、第1主面111に対して垂直な方向において、誘電体部120の平均厚さより厚い部分である。厚膜部120Aは、図1に示した上端部112aを覆っている。具体的には、厚膜部120Aは、凹部112の周側面の上側部分、および、第1主面111の凹部以外の部分を覆っている。
薄膜部120Bは、第1主面111に対して垂直な方向において、誘電体部120の平均厚さより薄い部分である。薄膜部120Bは、図1に示した下端部112bを覆っている。具体的には、薄膜部120Bは、凹部112の底面、および、凹部112の周側面の下側部分を覆っている。
本実施形態においては、ドープ誘電体層である最外誘電体層121において厚膜部120Aに含まれる部分の平均層厚は、ドープ誘電体層である最外誘電体層121において薄膜部120Bに含まれる部分の平均層厚より厚い。内側誘電体層122において厚膜部120Aに含まれる部分の平均層厚は、内側誘電体層122において薄膜部120Bに含まれる部分の平均層厚と略同一または僅かに厚い。
さらに、本実施形態においては、ドープ誘電体層のドープ部121yにおいて厚膜部120Aに含まれる部分の平均厚さは、ドープ誘電体層のドープ部121yにおいて薄膜部120Bに含まれる部分の平均厚さより厚い。なお、ドープ誘電体層のドープ部121yは、薄膜部120Bに含まれていなくてもよい。すなわち、薄膜部120Bに比較して、厚膜部120Aに多くの不純物が拡散しているため、厚膜部120Aの比誘電率は、薄膜部120Bの比誘電率より大きくなっている。
誘電体部120の平均厚さ、最外誘電体層121において厚膜部120Aに含まれる部分の平均層厚、最外誘電体層121において薄膜部120Bに含まれる部分の平均層厚、内側誘電体層122において厚膜部120Aに含まれる部分の平均層厚、内側誘電体層122において薄膜部120Bに含まれる部分の平均層厚、ドープ誘電体層のドープ部121yにおいて厚膜部120Aに含まれる部分の平均厚さ、および、ドープ誘電体層のドープ部121yにおいて薄膜部120Bに含まれる部分の平均厚さの各々は、たとえば、透過型電子顕微鏡を用いて撮影された誘電体部120の断面構造の写真から、複数点で測定して得られた物理膜厚の測定値の平均値をとることで求めることができる。あるいは、上記複数の平均厚さおよび複数の平均層厚の各々は、光学式膜厚計を用いて測定することもできる。また、基板110と導電体層130との対向面積(S)、および、誘電体部120の誘電率(ε)の各々が既知である場合には、キャパシタ100の静電容量(C)から、式:d=ε×S/Cに基づいて誘電体部120の平均厚さ(d)を算出することもできる。上記複数の平均厚さおよび複数の平均層厚の各々の測定方法は、上記の方法に限るものではない。
ドープ誘電体層において厚膜部120Aに含まれている部分では、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている領域を含んでいる。本実施形態においては、ドープ誘電体層において厚膜部120Aに含まれている部分では、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている。具体的には、ドープ誘電体層である最外誘電体層121のドープ部121yにおいて厚膜部120Aに含まれている部分では、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている。
不純物の濃度は、誘電体部120の断面構造を透過電子顕微鏡(TEM)または走査電子顕微鏡(SEM)で観察した後、二次イオン質量分析法(SIMS)により測定することができる。
図1に示すように、導電体層130は、誘電体部120の基板110側とは反対側に位置している。導電体層130は、導電体層130の基板110側が誘電体部120に沿うように、形成されている。導電体層130は、導電体層130の基板110側とは反対側が第1主面111の凹部112以外の面部と略平行になるように、形成されている。
キャパシタ100を後述する第1電極140側から見たときに、導電体層130の外縁は、誘電体部120の外縁より内側に位置している。本実施形態において、導電体層130は、ポリシリコンで構成されている。なお、導電体層130を構成する材料は、ポリシリコンに限られず、導電体であればよい。
本実施形態において、導電体層130における基板110の凹部112の内部に位置している部分に、空孔131が形成されている。空孔131は、凹部112の底面に垂直な凹部112の中心軸上に位置している。ただし、空孔131は必ずしも形成されていなくてもよい。
本実施形態に係るキャパシタ100は、さらに、第1電極140を備えている。第1電極140は、導電体層130の誘電体部120側とは反対側に位置している。具体的には、第1電極140は、導電体層130上に積層されている。キャパシタ100を第1電極140側から見たときに、第1電極140の外縁は、導電体層130の外縁より内側に位置している。
第1電極140の材料は、導電性材料であれば特に限定されないが、Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ni、Cr若しくはTiなどの金属、または、これらの少なくとも一種の金属を含む合金であることが好ましい。本実施形態において、第1電極140は、Alで構成されている。
本実施形態に係るキャパシタ100は、さらに、第2電極150を備えている。第2電極150は、基板110の第2主面119側に位置している。具体的には、第2電極150は、第2主面119上に積層されて、第2主面119の全面に渡って設けられている。
第2電極150の材料は、導電性材料であれば特に限定されないが、Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ni、Cr若しくはTiなどの金属、または、これらの少なくとも一種の金属を含む合金であることが好ましい。
本実施形態に係るキャパシタ100は、さらに保護層160を備えている。保護層160は、基板110の第1主面111側に位置している。保護層160は、基板110の第1主面111側において、第1電極140および保護層160のみがキャパシタ100の外側に露出するように積層されている。保護層160は、シリコン酸化物などの酸化物、または、シリコン窒化物などの窒化物で構成されることが好ましい。
以下、本発明の一実施形態に係るキャパシタ100の製造方法について説明する。
まず、フォトリソグラフィ法により、基板110の第1主面111に凹部112を形成する。具体的には、基板110の第1主面111上にレジストを塗布し、レジストの一部を除去することにより、ホールパターンを形成する。その後、ドライエッチングすることにより、第1主面111においてホールパターンを形成した位置に凹部112を形成する。
まず、フォトリソグラフィ法により、基板110の第1主面111に凹部112を形成する。具体的には、基板110の第1主面111上にレジストを塗布し、レジストの一部を除去することにより、ホールパターンを形成する。その後、ドライエッチングすることにより、第1主面111においてホールパターンを形成した位置に凹部112を形成する。
次に、基板110の第1主面111に沿うように、第1主面111上に少なくとも1層の誘電体層を積層して誘電体部120を形成する。この際、誘電体部120が、厚膜部120Aと薄膜部120Bとを含むように、誘電体部120を形成する。
本実施形態においては、基板110の第1主面111側を熱酸化することで、第1主面111上に第1内側誘電体層122aを形成する。具体的には、シリコン基板の第1主面111側を熱酸化することにより、第1主面111上に第1内側誘電体層122aとなるSiO2層を形成する。
次に、LPCVD(low pressure chemical vapor deposition)法により、第1内側誘電体層122a上に、第2内側誘電体層122bを形成する。具体的には、第1内側誘電体層122aとなるSiO2層上に、LPCVD法により、Si3N4層を形成する。
次に、第2内側誘電体層122b上に、最外誘電体層121を形成する。本実施形態においては、最外誘電体層121を形成する際、まず、TEOSガスを用いたLPCVD法により、SiO2層を形成する。このSiO2層を形成した状態において、厚膜部120Aと薄膜部120Bとが規定される。
次に、誘電体部120に不純物をドープする。この際、厚膜部120Aの比誘電率が、薄膜部120Bの比誘電率より大きくなるように、誘電体部120に不純物をドープする。
本実施形態においては、最外誘電体層121を構成するSiO2層をプラズマ窒化処理することにより、不純物として窒素原子をドープする。ただし、最外誘電体層121を構成するSiO2層をアンモニアガス雰囲気で熱処理することにより、不純物として窒素原子をドープしてもよい。その結果、ドープされた窒素原子が拡散しておらず、SiO2で構成されている基部121xと、ドープされた窒素原子が拡散しており、シリコン酸窒化物で構成されているドープ部121yとを含む、最外誘電体層121が形成される。なお、不純物が金属元素である場合は、スパッタリングなどの方法により、不純物である金属元素をドープすることができる。
本実施形態において、厚膜部120Aは上端部112aを覆っており、薄膜部120Bは下端部112bを覆っている。最外誘電体層121を構成するSiO2層をプラズマ窒化処理する場合、プラズマ窒化処理における窒素原子の寿命は短いため、下端部112bを覆う薄膜部120Bと比較して、上端部112aを覆う厚膜部120Aには、より多くの窒素原子がドープされて、厚膜部120Aの窒素原子の濃度が高くなる。ドープ部121yを構成するシリコン酸窒化物中の窒素原子の濃度が高くなると、シリコン酸窒化物の比誘電率が大きくなる。
その結果、ドープ部121yにおいて厚膜部120Aに含まれている部分の比誘電率が、ドープ部121yにおいて薄膜部120Bに含まれている部分の比誘電率より大きくなる。これにより、厚膜部120Aの比誘電率が、薄膜部120Bの比誘電率より大きくなる。
なお、上記のプラズマ窒化処理を行なった場合、ドープ部121yでは、第1主面111に垂直な方向において、誘電体部120の基板110側とは反対側に向かって不純物の濃度が高くなることがある。
最外誘電体層121を構成するSiO2層をアンモニアガス雰囲気で熱処理する場合、ドープ部121yでは、第1主面111に垂直な方向において、誘電体部120の基板110側に向かって不純物の濃度が高くなることがある。または、最外誘電体層121を構成するSiO2層をアンモニアガス雰囲気で熱処理する場合、第1主面111に垂直な方向におけるドープ部121yの中央に向かって不純物の濃度が高くなることがある。すなわち、第1主面111に垂直な方向におけるドープ部121yの中央部において、不純物の濃度が最も高くなることがある。
なお、ドープ部121yにおいて薄膜部120Bに含まれる部分がある場合、当該部分を酸化処理することによって、薄膜部120Bにおける耐圧性能の低下を抑制し、ひいてはキャパシタ100の耐圧性能を向上することができる。
次に、誘電体部120の基板110側とは反対側に、導電体層130を積層する。具体的には、LPCVD法により、最外誘電体層121上に導電体層130であるポリシリコン層を形成する。
次に、フォトリソグラフィ法により、導電体層130をパターニングする。具体的には、導電体層130上にレジストを塗布、レジストの一部を除去することにより、パターンを形成する。その後、エッチングすることにより、導電体層130の電極領域以外の部分が除去される。
次に、導電体層130上に第1電極140を形成する。具体的には、スパッタまたは蒸着などの方法により、導電体層130上に第1電極140となるAlを含む層を堆積させる。
次に、誘電体部120、導電体層130および第1電極140の各々について、基板110側とは反対側に保護層160を積層する。その後、保護層160をエッチングすることで、保護層160をパターニングする。これにより、第1電極140が露出する。なお、第2電極150は、上記の工程のうち任意の工程の後に基板110の第2主面119上に形成される。
上記の工程により、図1に示すような本発明の一実施形態に係るキャパシタ100が製造される。
上記のように、本実施形態に係るキャパシタ100は、誘電体部120において、厚膜部120Aの比誘電率が、薄膜部120Bの比誘電率より大きいため、厚さが不均一な誘電体部120において、薄膜部120Bでの耐圧性能を維持しつつ、厚膜部120Aの比誘電率を大きくすることにより、厚膜部120Aでの静電容量の低下を抑制できる。
また、本実施形態に係るキャパシタ100は、厚膜部120Aが凹部112の上端部112aを覆っていることにより、凹部112の上端部112aにおける電界集中を緩和することができるとともに、厚膜部120Aへの不純物の拡散を容易にし、厚膜部120Aの比誘電率を効果的に大きくして、厚膜部120Aの静電容量を確保することができる。
薄膜部120Bが凹部112の下端部112bを覆っていることにより、薄膜部120Bへの不純物の拡散を抑制して、薄膜部120Bにおける耐圧性能および静電容量を維持することができる。
さらに、最外誘電体層121の最大層厚が、内側誘電体層の最大層厚より厚いことにより、最も厚い誘電体層である最外誘電体層121と基板110との間に、内側誘電体層が介在している。そのため、最外誘電体層121と基板110との間に発生する内部応力を、内側誘電体層によって緩和することができるため、誘電体部120内における層間にクラックが生じることを抑制できるとともに、基板110の反りを小さく抑えることができる。
また、誘電体層が、比誘電率を大きくする不純物がドープされたドープ誘電体層を含んでいることにより、誘電体部120における厚膜部120Aおよび薄膜部120Bの各々の比誘電率を制御することができる。
また、ドープ誘電体層において厚膜部120Aに含まれている部分は、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている領域、または、基板110に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなっている領域を含んでいる。これにより、不純物の濃度が高くなっている領域における比誘電率を高くすることができる。
さらに、ドープ誘電体層において厚膜部120Aに含まれている部分では、第1主面111に垂直な方向において、導電体層130に近づくにしたがって不純物の濃度が高くなるように、不純物がドープされている。これにより、薄膜部120Bに不純物が拡散することを抑制できる。
また、本実施形態に係るキャパシタの製造方法において、誘電体部120を形成する工程においては、誘電体部120が、第1主面111に対して垂直な方向において、誘電体部120の平均厚さより厚い厚膜部120Aと、平均厚さより薄い薄膜部120Bとを含むように、誘電体部120を形成し、かつ、不純物をドープする工程においては、厚膜部120Aの比誘電率が、薄膜部120Bの比誘電率より大きくなるように、誘電体部120に不純物をドープするため、厚さが不均一な誘電体部120において、薄膜部120Bでの耐圧性能を維持しつつ、厚膜部120Aでの静電容量の低下の抑制を実現できる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
100 キャパシタ、110 基板、111 第1主面、112 凹部、112a 上端部、112b 下端部、119 第2主面、120 誘電体部、120A 厚膜部、120B 薄膜部、121 最外誘電体層、121x 基部、121y ドープ部、122 内側誘電体層、122a 第1内側誘電体層、122b 第2内側誘電体層、130 導電体層、131 空孔、140 第1電極、150 第2電極、160 保護層。
Claims (7)
- 第1主面と、該第1主面とは反対側に位置する第2主面とを含む基板と、
前記第1主面に沿うように前記第1主面上に積層された、少なくとも1層の誘電体層を含む誘電体部と、
前記誘電体部の基板側とは反対側に位置する導電体層とを備え、
前記誘電体部は、前記第1主面に対して垂直な方向において、前記誘電体部の平均厚さより厚い厚膜部と、前記平均厚さより薄い薄膜部とを含み、
前記厚膜部の比誘電率が、前記薄膜部の比誘電率より大きい、キャパシタ。 - 前記第1主面に凹部が形成されており、
前記凹部は、上端部および下端部を含み、
前記厚膜部が前記上端部を覆い、前記薄膜部が前記下端部を覆っている、請求項1に記載のキャパシタ。 - 前記誘電体部は、前記少なくとも1層の誘電体層として複数の誘電体層を含み、
前記複数の誘電体層は、導電体層側に位置する最外誘電体層、および、該最外誘電体層より前記基板側に位置する少なくとも1層の内側誘電体層を有し、
前記最外誘電体層の最大層厚は、前記内側誘電体層の最大層厚より厚い、請求項1または請求項2に記載のキャパシタ。 - 前記少なくとも1層の誘電体層は、比誘電率を大きくする不純物がドープされたドープ誘電体層を含む、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のキャパシタ。
- 前記ドープ誘電体層において前記厚膜部に含まれている部分は、前記第1主面に垂直な方向において、前記導電体層に近づくにしたがって前記不純物の濃度が高くなっている領域、または、前記基板に近づくにしたがって前記不純物の濃度が高くなっている領域を含む、請求項4に記載のキャパシタ。
- 前記ドープ誘電体層において前記厚膜部に含まれている部分では、前記第1主面に垂直な方向において、前記導電体層に近づくにしたがって前記不純物の濃度が高くなっている、請求項5に記載のキャパシタ。
- 第1主面と、該第1主面とは反対側に位置する第2主面とを含む基板の、前記第1主面に沿うように、前記第1主面上に少なくとも1層の誘電体層を積層して誘電体部を形成する工程と、
前記誘電体部に不純物をドープする工程と、
前記誘電体部の基板側とは反対側に、導電体層を積層する工程とを備え、
前記誘電体部を形成する工程においては、前記誘電体部が、前記第1主面に対して垂直な方向において、前記誘電体部の平均厚さより厚い厚膜部と、前記平均厚さより薄い薄膜部とを含むように、前記誘電体部を形成し、
前記不純物をドープする工程においては、前記厚膜部の比誘電率が、前記薄膜部の比誘電率より大きくなるように、前記誘電体部に前記不純物をドープする、キャパシタの製造方法。
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