JP5059290B2 - 薄膜キャパシタ装置の電極および薄膜キャパシタ装置の電極形成方法 - Google Patents
薄膜キャパシタ装置の電極および薄膜キャパシタ装置の電極形成方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、薄膜キャパシタ装置または強誘電体装置に関し、特に、基体のガラス層上に電極を形成する方法に関する。
本発明は陸軍により授与された契約番号F33615-98-2-1357のもとで米国政府の支持に行われた。米国政府は本発明においてある権利を有する。
プラチナ（Ｐｔ）は薄膜の強誘電体装置の電極材料として共通して使用される。これは酸素（Ｏ２）中において、６００℃を超える温度での酸化に対して耐性があるためであり、この環境は（ＢａＳｒ）ＴｉＯ３（ＢＳＴ）、（ＰｂＺｒ）ＴｉＯ３（ＰＺＴ）、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９（ＳＢＮ）、ＳｒＢｉ２（ＴａＮｂ）２Ｏ９（ＳＢＴＮ）、その他のような材料から良好な電気特性を得るために必要とされる。これらの材料を使用する装置はしばしば基体として酸化されたシリコンウェハを使用して作られる。
プラチナ電極のシリコンウェハの酸化物への接着は常に問題を有する。その問題はプラチナの特有の特性と、薄膜の強誘電処理の挑戦のために悪化されている。プラチナは６００℃を超える温度で応力に応答して塑性流動を生じる傾向を有する。強誘電体薄膜の付着はしばしばスピンオン方法を使用して行われ、この方法は焼結されるときの薄膜の収縮により非常に高い引っ張り応力を生じる。強誘電体材料はＢｉのような材料を含むことができる。これらの材料はプラチナと合金を形成することができる。
強誘電体プロセスはしばしば性能を改良するために上昇された温度でＯ２中で長時間のアニールを行う。プラチナが基体に接着しても、これらのプロセスはしばしばプラチナ電極の表面上に小山または突出部を生じる。これらの小山は高い電界の局部化と、高い漏洩度と、早期の絶縁破壊を生じる。さらに深刻なケースでは、小山は強誘電体装置を直接短絡するか、装置を短絡するために膜の他の欠陥と結合し、効果を減少するか、装置を使用不可能にする。
歴史的に、チタニウム（Ｔｉ）の薄膜がプラチナとシリコンウェハの酸化物との間に付加されている。このチタニウム層はプラチナ電極の厚さの約１０％であり、プラチナと酸化物の接着を著しく改良する。この電極の１例は米国特許第5,723,171号明細書に記載されている。チタニウム接着層の使用は２つの主な問題を有する。第１に、プロセスウィンドウが非常に狭い。アニール時間または温度の変化、或いは強誘電体の厚さの変化はしばしば、チタニウムとプラチナ層の厚さを再度最適化することを必要とする。第２に、チタニウムは非常に可動性であり、プラチナ電極を通って移動し、強誘電体層の性能の劣化を生じさせる。これはＢＳＴ、ＳＢＴ、ＳＢＴＮ、その他で知られている問題であり、この場合には薄膜の組成の変化は、チタニウムにより、薄膜の性能を劣化させる。
接着を改良するその他の方法はＣｒ、Ｔａ、Ｖｄ、Ｎｂ、Ｓｒ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｐｄ（米国特許第6,103,400号および第6,054,311号明細書参照）のような広範囲の金属層で使用されている。これらの他の金属はいくらかの範囲の条件で動作するが、これらのプロセスは全て貧弱な接着または高温の酸素アニール中の酸化による接着層の多量の膨張を生成し、これはプラチナの土台を不安定にし、使用を制限する。
本発明の１方法によれば、基体上に導体を形成する方法が与えられ、その方法は基体のガラス層上にタンタルを被覆し、貴金属を酸化されたタンタル上に被着し、導体を形成するステップを含んでいる。
本発明の別の方法によれば、薄膜の強誘電体装置が与えられ、この装置はガラス層を具備する基体と、ガラス層に接続された電極とを具備している。電極はＴａ２Ｏ５を有する接着層によりガラス層に接続されている貴金属を含んでいる。
本発明の１特性によれば、薄膜の強誘電体装置が与えられ、この装置はガラス層を具備する基体と、ガラス層に接続された電極を具備している。電極はＴａ２Ｏ５を有する接着層によりガラス層に接続されている貴金属を含んでいる。
本発明の前述の特徴およびその他の特徴を添付図面を伴って以下の説明で説明する。
図１を参照すると、本発明の特徴を有するサブコンポーネント10の断面図が示されている。本発明を図面に示されている例示的な実施形態を参照にして説明するが、本発明は多数の代わりの形態の実施形態で実施されることができることを理解すべきである。さらに、素子または材料の任意の適切な寸法、形状またはタイプが使用されることができる。
図１を参照すると、本発明の特徴を有するサブコンポーネント10の断面図が示されている。本発明を図面に示されている例示的な実施形態を参照にして説明するが、本発明は多数の代わりの形態の実施形態で実施されることができることを理解すべきである。さらに、素子または材料の任意の適切な寸法、形状またはタイプが使用されることができる。
サブコンポーネント10は通常、薄膜の強誘電体装置のような大きい電気コンポーネントを製造にするために使用されることを目的としている。例えば、コンポーネント10は強誘電体キャパシタ12（図５参照）のような強誘電体装置を製造するために使用される。サブコンポーネント10は通常、基体14と電極16を具備している。
基体14は示されている実施形態では、好ましくは半導体ウェハである。しかしながら、別の実施形態では、任意の適切なタイプの基体が与えられる。基体14は通常、ベース18と上部層20を具備している。ベース18は好ましくは３−１５オーム−ｃｍの燐ドープシリコン基体で構成されている。しかしながら任意の適切なタイプのベースが与えられることができる。示されている実施形態では、上部層20はガラスから構成されている。好ましい実施形態では、ガラス層20は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成されている。例えば、ガラス層20は５０００Åの厚さの湿式酸化シリコンで構成することができる。しかしながら、別の実施形態では基体14は任意の適切なタイプの上部層から構成されてもよい。
電極16は示されている実施形態では、通常、接着層22と電気導体層24とを具備している。接着層22は好ましくは五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）を含んでいる。接着層は酸化タンタル、酸化チタニウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化バナジウムからなるグループから選択される。電気導体層24は貴金属、好ましくはプラチナからなる。貴金属の導体はプラチナ、パラジウム、金、ロジウムからなるグループから選択されることができる。電気導体層24は接着層22により基体14の上部層20に取り付けられる。
酸化シリコン（ＳｉＯ２）のようなガラスへのプラチナの接着は長年にわたる問題であった。伝統的に、接着の問題はプラチナとガラスとの間に薄い金属の接着層を含ませることにより処理されてきた。この層は典型的にＴｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｖａ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕからなり、典型的にプラチナ層の厚さの約１０％である。このような接着層の使用はプラチナ電極が約６００℃を超える温度の酸化環境で存在できる場合に、非常に狭いプロセスウィンドウを生じる。これはプラチナが応力に応答してこれらの温度で塑性流動する傾向と、プラチナが酸素に対するバリアとしては脆弱な性能であり、接着層の酸化を可能にし容積の膨張を生じることの組合わせによるものである。このことは典型的に金属接着層がこの環境では不安定なプラチナの表面であることを意味している。
最も普通に使用される接着層であるチタニウム（Ｔｉ）はさらにプラチナ電極を通って移動する問題を有する。薄いセラミック膜に対する電極で使用するとき、これは化学量論的変化および／または汚染問題を生じ、それは結果に性能を劣化する。この劣化の例にはＢＳＴの相対的な誘電率の減少およびＳＢＴＮまたはＰＺＴの減少したレムナント偏極が含まれている。
本発明の新しい電極システムは金属層の応力を制御するため加熱された被覆と、導電層の被覆前の接着層の酸化とを組合わせている。導電層の被覆前の接着層の酸化は容積の膨張がその後の熱処理中に生じることを防止する。これにより平滑で高い接着性の表面が生じ、これはその後の処理中も平滑な状態を維持する。さらに、これらの電極はプラチナまたは接着層の厚さの変化に対する感度とアニール処理に対する感度をほとんど示さない。これは厚い電極の使用を可能にし、多くの応用では増加されたパワー／電流処理または減少した抵抗損失に対して必要とされる。本発明のこれらの電極は非常に高い圧縮応力に露出されおよび酸素において７２５℃で１０時間もの長さのアニールを受けるときでさえも平滑さと平坦さを維持する。これらの電極はまたＳＢＴＮで高いレムナント偏極（２Ｐｒ）とＢＳＴの低い漏洩および高いブレークダウンフィールドを示す。
図２および３を参照すると、図２は電気導体層24がそこに形成される前の図１のサブコンポーネントを示している。図３はサブコンポーネント10の形成に使用される幾つかの方法ステップを示している。ブロック26により示されているように、タンタルが上部ガラス層20上に被覆される。タンタルが上部ガラス層20上に被覆された後、タンタルはブロック28により示されているように酸化される。これは図２に示されているようにアセンブリを形成する。上部ガラス層20に取り付けられた酸化タンタル22により、貴金属（この実施形態ではＰｔ）がブロック30に示されているように酸化タンタル上に被覆される。
また図４を参照すると、好ましい方法では、蒸着装置32はサブコンポーネント10を最終的に形成するためにタンタルとプラチナをウェハ上に加熱被覆するために使用される。しかしながら、別の実施形態では、タンタルとプラチナは任意の適切な方法、恐らく異なる方法によりウェハ上に被覆されることができる。蒸着装置32は好ましくは、真空中でウェハ15を加熱できる電子−ビーム蒸着装置である。しかしながら別の実施形態では、任意の適切な蒸着装置または金属被覆方法が使用されることができる。タンタルを酸化するために、システムは迅速な熱プロセッサ（ＲＴＰ）34を具備している。しかしながら別の実施形態では、酸素の導入による金属被覆システム内での現場（インサイチュー）酸化、ＴＡ２Ｏ５の直接蒸着またはＯ２環境でのＴＡ２Ｏ５の反応スパッタを含んでいるタンタルを酸化するための任意の適切な装置が使用される。酸化金属接着層は金属酸化物ターゲットの直接スパッタリング、適切な前駆物質のＭＯＣＶＤを使用する真空被着、ＭＯＤまたはソル−ゲル前駆物質のスピンオン被覆および焼成、または金属酸化物膜を被覆するために適した任意の方法によって被覆されることができる。迅速な熱プロセッサは酸素の周囲雰囲気で予め定められた時間だけウェハ15を上昇された温度へさらすことができる。このプロセスは金属タンタル層を完全に酸化する。
タンタル層が酸化タンタル層22を形成するために酸化された後、ウェハ15は再度蒸着装置32に置かれ、真空において予め定められた温度まで加熱されて貴金属（示されている実施形態ではＰｔ）層が被覆される。好ましい実施形態では、予め定められた温度は摂氏約３１０度である。しかしながら別の実施形態では、任意の適当な温度が使用される。好ましい実施形態では、プラチナ層24は約２５００オングストロームの厚さを有する。しかしながら別の実施形態では、プラチナ層は任意の適当な厚さを有することができる。例えば電気導体層24は約１６００オングストロームから約３５００オングストロームである。
図５を再度参照すると、サブコンポーネント10は強誘電体キャパシタ12の一部として示されている。このキャパシタ12は通常、サブコンポーネント10、強誘電体層（ＦＥ）42、上部電極（ＴＥ）44、中間層誘電体（ＩＬＤ）46、接続金属（Ｍ３）48を備えている。示されている実施形態では、電極16はキャパシタ12の下部電極を形成している。好ましい実施形態では、電極16は約２５００Åの厚さである。しかしながら、別の実施形態では、電極は任意の適当な厚さを有することができる。
示されている好ましい実施形態では、強誘電層42は約２０００Åであり、上部電極44は約１１００Åであり、中間層誘電体46は約３０００Åであり、接続金属48は約１８５０Åである。しかしながら別の実施形態では、これらのコンポーネントは任意の適当な厚さを有する、強誘電体の薄膜層42はチタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウムストロンチウム、ジルコン酸チタン酸鉛、タンタル酸ストロンチウムビスマス、またはタンタル酸ニオブ酸ストロンチウムビスマス等で構成されている。示されている好ましい実施形態では、上部電極44はプラチナで構成されている。しかしながら別の実施形態では、上部電極44は任意の適当なタイプの電気導体材料で構成されることができる。示されている実施形態では、中間層誘電体46は低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）ＳｉＯ２から構成されている。しかしながら別の実施形態では、中間層誘電体は任意の適当なタイプの材料からなり、任意の適当な方法により形成されることができる。示されている実施形態では、接続金属48はプラチナからなる。しかしながら別の実施形態では、接続金属48は任意の適切なタイプの電気導体材料から作られることができる。
本発明は薄膜誘電体および強誘電体装置の改良された性能を提供することができる。薄い絶縁膜の漏洩電流および破壊電圧の両者は下に位置する電極の形態に依存する。本発明は高品質のセラミック薄膜の製造に必要な比較的大きい熱供給でさえも、安定で、平滑で、高い接着性の電極の形成を可能にする。伝統的な薄膜は高温の酸化環境と高い応力にさらされるとき、接着において限界であり、粗い小山表面を形成する傾向を有する。
本発明の新しい接着層は、プラチナ（または他の貴金属）電極の被覆前にタンタル金属を蒸発しそれを迅速な熱プロセッサで酸化することにより形成されるような、安定な接着層として例えばＴａ２Ｏ５のような金属酸化物を備えている。応力を制御するために、これがプラチナの加熱された被覆と結合されるとき、電極は広範囲のアニールおよび処理条件にわたって平坦で非常に平滑に保持される。この電極はまたタンタル層の厚さ、タンタルのアニール条件、プラチナ層の厚さ、溶解されたプラチナのエージングのようなプロセスの変化に対して敏感ではない。
この新しい電極上に製造される強誘電体装置は、従来の通常の電極構造と比較するとき、改良された生産率、高い絶縁破壊に対する耐力、改良された電気特性を示す。この電極構造の使用は広い同調範囲と高い電流密度を得るために抵抗損失と絶縁破壊電界を最小にするように非常に厚い電極層を必要とする（米国特許第6,101,102号明細書に記載されているような）ＢＳＴバラクタで動作するのに重要であることが証明されている。
好ましい実施形態では、基体は５０００オングストロームの厚さのＳｉＯ２膜を生成するために湿式酸化されたシリコンウェハである。このウェハはその後、電子−ビーム蒸着装置に置かれ、真空で２５０℃の温度まで加熱される。約２００オングストロームの厚さのタンタル層はその後、加熱された基体へ蒸着される。システムは排気され、ウェハは冷却を可能にされる。蒸着中のウェハ温度もタンタル層の厚さも臨界的ではない。ウェハはその後、システムから除去され、タンタル金属はウェハを酸素の周囲雰囲気中に２分間、７２５℃の温度へ露出するために迅速な熱プロセッサ（ＲＴＰ）を使用することにより酸化される。この処理の時間も温度もタンタル層が十分に酸化される限り臨界的ではない。
良好な結果が１乃至７分間のアニール時間で実現された。７２５℃が強誘電体膜で使用するのに正常のアニール温度であるので、便宜上７２５℃のアニール温度が選択された。他の温度は実験利用されてはいないが勿論可能であろう。この酸化を行うためのＲＴＰの使用は最初に便宜上の理由で選択されたが、このアニールを行うためのＲＴＰの使用は恐らく好ましいものである可能性が高い。長い炉管のアニールはプラチナが非常に良好に接着しない大きい結晶粒度で平滑なＴａ２Ｏ５表面を生成する。
タンタル層の酸化後、ウェハは蒸着装置へ戻され、真空で３１０℃の温度まで加熱され、約２５００オングストロームの厚さのプラチナ層が被覆される。プラチナ層の厚さは臨界的ではない。試験では、１６００乃至３５００オングストロームの範囲およびそれ以上のプラチナ層で成功している。この被覆処理中のウェハの温度は冷却後のウェハの引っ張り応力における効果により重要である。３００℃以上の温度の被覆は表面の平滑さおよび接着性において低温の被覆と比較して改良を示している。この結果、１０００倍までの倍率で基本的に特徴（突出部）のない表面が生成される。プロセスの試験では、最大の被覆温度は真空システムにおけるＶＩＴＯＮ（商標名）シールにより限定され、非常に高い温度の被覆は利用されないが、可能であろう。
気体流入および冷却後、ウェハは真空システムから取出される。この段階で、ウェハは合理的な接着力を有し、平滑である。必要ならば、改良された接着力は、電極のみにおける別々のアニールまたはその後に被覆された強誘電体層における結晶化アニールと結合して、ＲＴＰにおいて７２５℃で３０秒間等の、高温に短時間だけ露出することにより得られる。電極表面は７２５℃で全部で１０時間のアニールを含めた残りの強誘電体処理を通して非常に平滑の状態のまま維持される。
これらの改良された電極は、非常に高い引っ張り応力を有する強誘電体膜（ＳＢＴ（Ｎ））およびＢＳＴ膜を含んでいるＢｉを含んだいくつかの強誘電体材料について試験された。改良された電極で作られた装置は改良された強誘電性能、漏洩電流、大きな電流処理能力を有する。セラミックの薄膜と共に使用されるプラチナ電極の接着層としてＴａ２Ｏ５のような酸化金属の使用は従来技術に存在することが知られていない。
キャパシタアレイプロセスの概要として、プロセスは以下のステップを含むことができる。
・５０００Åの湿式酸化により開始ウェハを処理する
・下部電極を被覆する（ＢＥ）
・強誘電体前駆物質をスピンオン被着し、加熱する（ＦＥ）
・上部電極を被覆する（ＴＥ）
・キャパシタスタックをエッチングする
・良好な強誘電特性を確かめるためにポイント１を試験する
・中間層誘電体を被覆する（ＩＬＤ）
・接触部を開く（ＣＴ）
・接続金属導体を被覆する（Ｍ３）
・接続金属導体をエッチングする
・生産性を調べるためにポイント２を試験する
・被覆ガラスを被着する
・パッドを開く（ＧＬ）
・最終的なパラメータ試験をする。
・５０００Åの湿式酸化により開始ウェハを処理する
・下部電極を被覆する（ＢＥ）
・強誘電体前駆物質をスピンオン被着し、加熱する（ＦＥ）
・上部電極を被覆する（ＴＥ）
・キャパシタスタックをエッチングする
・良好な強誘電特性を確かめるためにポイント１を試験する
・中間層誘電体を被覆する（ＩＬＤ）
・接触部を開く（ＣＴ）
・接続金属導体を被覆する（Ｍ３）
・接続金属導体をエッチングする
・生産性を調べるためにポイント２を試験する
・被覆ガラスを被着する
・パッドを開く（ＧＬ）
・最終的なパラメータ試験をする。
本発明の改良された下部電極のプロセスの概要として、プロセスは以下のステップを含むことができる。
・Ｔａ接着層を被覆する
・例えば、２５０℃においてウェハへ２００Ａを蒸着する。
・接着層を酸化する
・例えば、Ｏ２中において７２５℃で２分間ＲＴＡを酸化する。
・Ｐｔ電極を被覆する
・例えば、３１０℃においてウェハへ２５００Ａを蒸着する。
・ＲＴＰ ＦＥ結晶化ステップのないプロセスで使用されるならば、接着アニールが行われることが望ましい
・例えば、Ｏ２中において７２５℃で３０秒間、ＲＴＡをアニールする。
・Ｔａ接着層を被覆する
・例えば、２５０℃においてウェハへ２００Ａを蒸着する。
・接着層を酸化する
・例えば、Ｏ２中において７２５℃で２分間ＲＴＡを酸化する。
・Ｐｔ電極を被覆する
・例えば、３１０℃においてウェハへ２５００Ａを蒸着する。
・ＲＴＰ ＦＥ結晶化ステップのないプロセスで使用されるならば、接着アニールが行われることが望ましい
・例えば、Ｏ２中において７２５℃で３０秒間、ＲＴＡをアニールする。
本発明の改良された電極は多くの利点を与えることができる。電極は強誘電体（２Ｐｒ、２Ｅｃ）の改良されたスイッチング特性と、強誘電体の大きいＮＤＲＯ信号のような改良された性能を提供することができる。電極はＦＥ加熱の前および後の両者で平滑な電極表面を有することができる。これは非常に顕著に改善された生産性と、低い漏洩電流と、増加した絶縁破壊電圧を提供することができる。
改良された電極形成プロセスはまた厚い電極が使用されることを可能にする。これは高い周波数における装置の性能を支配する電極の導電損失を減少することを可能にする。改良された電極形成プロセスはＲＴＰの酸化時間、Ｔａの厚さ、Ｐｔの厚さ、Ｐｔの純度に対して比較的敏感でない大きいプロセスウィンドウを提供することを可能にする。本発明はＳＢＴＮ、ＳＢＴ、ＢＳＴのような種々の材料に対して利点を提供することができる。
前述の説明は本発明の単なる例示であることを理解すべきである。種々の代替構成および変形は本発明の技術的範囲を逸脱せずに、当業者により行われることができる。したがって、本発明は特許請求の範囲内に含まれる全てのこのような代替物、変形、変化をその技術的範囲に含むことを意図している。
Claims (10)
- 薄膜のキャパシタ装置の電極において、
基体の上面に形成されたガラス層の上部表面に接着されている金属酸化物接着層と、
この金属酸化物接着層の上面上だけに直接配置されている貴金属の導体層とを具備しており、
前記金属酸化物接着層は完全に酸化されたタンタル酸化物層から形成され、
前記タンタル酸化物層からなる接着層と前記貴金属導体層とは同一形状を有し重ねられて配置されている薄膜のキャパシタ装置の電極。 - 前記貴金属の導体は、プラチナ、パラジウム、金、ロジウムからなるグループから選択される請求項１記載の電極。
- 前記タンタル酸化物接着層は五酸化タンタルで構成されている請求項１記載の電極。
- 貴金属の導体（24）はプラチナを含んでいる請求項１記載の電極。
- 薄膜のキャパシタ装置に電極を形成する方法において、
断面の厚さが均一なガラス基体の上部層の上面上だけに断面の厚さが均一なタンタル酸化物の接着層を直接付着させて被覆し、
このタンタル酸化物接着層は、タンタル金属を付着させ、それに続いて、酸素雰囲気環境中で予め定めた温度に付着したタンタル金属をさらす急速熱処理または金属付着システム内における酸化のいずれか一方を使用して完全に酸化することによって形成され、
３００℃以上の温度で前記タンタル酸化物接着層上だけに前記タンタル酸化物接着層と同一形状の貴金属の導体を被着して薄膜のキャパシタ装置の下部電極を形成するステップを含んでいる薄膜のキャパシタ装置の電極形成方法。 - 前記タンタル酸化物接着層は五酸化タンタルで構成されている請求項５記載の方法。
- 薄膜のキャパシタ装置に電極を形成する方法において、
断面の厚さが均一なガラス基体の上部層の上面上だけに断面の厚さが均一なタンタル酸化物の接着層を直接付着させて被覆し、
このタンタル酸化物接着層はタンタル酸化物のターゲットのスパッタリングによって付着させ、
３００℃以上の温度で前記タンタル酸化物接着層上だけに前記タンタル酸化物接着層と同一形状の貴金属の導体を被着して薄膜のキャパシタ装置の下部電極を形成するステップを含んでいる薄膜のキャパシタ装置の電極形成方法。 - 薄膜のキャパシタ装置に電極を形成する方法において、
断面の厚さが均一なガラス基体の上部層の上面上だけに断面の厚さが均一なタンタル酸化物の接着層を直接付着させて被覆し、
このタンタル酸化物接着層は、タンタル酸化物の前駆物質のＭＯＣＶＤまたはＭＯＤ、またはゾル・ゲル付着とそれに続く熱酸化処理によって完全に酸化して形成され、
３００℃以上の温度で前記タンタル酸化物接着層上だけに前記タンタル酸化物接着層と同一形状の貴金属の導体を被着して薄膜のキャパシタ装置の下部電極を形成するステップを含んでいる薄膜のキャパシタ装置の電極形成方法。 - 前記貴金属導体は蒸着によって付着される請求項５記載の方法。
- 前記貴金属導体は加熱された基体上へ蒸着して付着される請求項５記載の方法。
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