JPH028452B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Siを半導体とした集積回路に適し、
単位面積当りの静電容量が高く、かつ漏れ電流の
小さい薄膜コンデンサの製造方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

Siなどの半導体基板上に形成した薄膜コンデン
サは、高密度記憶集積回路や平面表示用能動マト
リツクス駆動回路などの半導体装置における蓄積
容量として重要な役割を果たしている。特に、回
路の集積度の増大にともなつて蓄績容量の占有す
る面積は無視できないものになりつつあり、その
占有面積低減化のため、単位面積当りの静電容量
が高く、漏れ電流が小さく、かつ絶縁耐圧の高い
薄膜コンデンサの必要性が高まつている。

第８図は、上記の半導体素子の中で用いられて
いる典型的な薄膜コンデンサの断面構造を示して
いる。このコンデンサは、Si基板１上に、絶縁層
２、金属電極３を順次形成したものである。これ
まで、このような薄膜コンデンサの絶縁層材料と
しては、熱酸化法やCVD法によつて形成した
SiO₂が用いられてきた。SiO₂は、その誘電率が
3.4と低いために、SiO₂を用いた薄膜コンデンサ
は単位面積あたりの静電容量が大きくならないと
いう欠点がある。また、単位面積あたりの静電容
量を大きくするために、SiO₂膜厚を薄くするこ
とが試みられているが、この場合には、絶縁層の
膜厚の減少にともなつて薄膜コンデンサの絶縁耐
圧が小さくなるという問題点が生じている。

これらの問題点を解決するために、SiO₂にく
らべ10倍から20倍程度の誘電率を持つTa₂O₅や
Nb₂O₅のような誘電体薄膜を薄膜コンデンサの絶
縁層材料として用いる試みがなされてきた。これ
らTa₂O₅やNb₂O₅などの誘電体材料は、融点が
1000℃以上と非常に高いので、抵抗加熱方式や電
子ビーム加熱方式を用いた真空蒸着法によつて、
薄膜を形成することは困難である。このため、そ
の形成にはスパツタリング法が主に用いられてい
る。スパツタリング法は、低真空中で放電を起こ
すことにより雰囲気のガスをイオン化し、付着せ
しめんとする薄膜の構成材料の焼結体であるター
ゲツトに、イオン化したガス分子を電界で加速し
て衝突させ、ターゲツトより構成原子をはじき飛
ばし、半導体素子等を形成する基板上に薄膜を堆
積させるという方法である。このスパツタリング
法によれば、基板温度を低く保つた状態で高融点
の誘電体薄膜の形成が可能である。

しかしながら、これまでのところ、スパツタリ
ング法でSi上に形成したTa₂O₅薄膜やNb₂O₅薄膜
においては、漏れ電流が小さく絶縁耐圧の高いも
のは得られていない。この結果、薄膜コンデンサ
として漏れ電流を低く抑え十分な絶縁耐圧を得る
ために、絶縁層の膜厚を厚くせざるを得なくな
り、実質的な単位面積あたりの静電容量が大きく
ならないという問題点が生じている。

また、漏れ電流を低く抑える手段として絶縁層
の膜厚を厚くするかわりに、絶縁層を、漏れ電流
が小さく、絶縁耐圧の高いSiO₂と、Ta₂O₅などの
誘電率の高い材料との２層構成にすることが試み
られている。この構成の薄膜コンデンサでは、漏
れ電流を低く抑えることができるものの、絶縁層
全体の20％程度が誘電率の低いSiO₂で構成され
るため、絶縁層全体の誘電率が10以下と小さくな
り、実質的には単位面積あたりの静電容量が十分
大きくならないという問題がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上述べたように、誘電率が高く、漏れ電流の
小さい絶縁層から成る薄膜コンデンサをSi上に作
製する方法はこれまでのところ得られていない。

本発明の目的は、これらの問題点を解決した高
誘電率、低漏れ電流の絶縁層からなる薄膜コンデ
ンサをSi上に製造する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〕

本発明は、Si上にスパツタリング法によつて誘
電体薄膜を形成する際、形成前のSi表面の表面酸
化膜の膜厚を所望の膜厚に制御することを主要な
特徴とし、詳しくは、少なくとも、Si基板全体を
覆うシヤツターを用い、該シヤツターを閉じた状
態でプリスパツタリングを行う工程、Si基板表面
の極薄表面酸化膜の膜厚を制御する工程、前記誘
導体薄膜をSi基板上に形成する工程を含むことを
特徴とするものである。誘電体薄膜は、Ta₂O₅等
で構成する。

本発明は、従来技術とは、基板電極全体を覆う
構造のシヤツター機構を備えたスパツタリング装
置を用いることにより、プリスパツタリング過程
において、基板がプラズマを含む雰囲気中に露出
することに起因した表面酸化膜の成長を抑制し、
該シヤツター機構を利用して表面酸化膜厚の制御
を行つた後、誘電体薄膜の形成を行う点が異な
る。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら
説明する。

第１図は、本発明の実施に用いたスパツタリン
グ装置の構成図、第２図は、実施例を説明するた
めのTa₂O₅薄膜形成工程図である。以下に、薄膜
形成の手順を述べる。

（工程１）真空槽４を10^-6Torr以下の真空に
排気する。

（工程２）次に、酸素を０％から50％の比率で
混合したアルゴンガスをスパツタリング雰因気ガ
スとして、10^-2Torrから10^-3Torr真空度に達す
るまで真空槽４内に満たす。

（工程３）その後、シヤツターＡ７、シヤツタ
ーＢ８を閉じた状態で、ターゲツト電極５と基板
電極１０との間に電圧圧を印加し放電を発生させ
る。この工程３はプリスパツタリングと呼ばれる
もので、ターゲツト６の表面に吸着した水分など
の不純物を除去し、ターゲツト６の表面を清浄化
するためのものである。

（工程４）そして、放電を維持したままシヤツ
ターＡ７を閉じた状態でシヤツターＢ７を開閉す
ることにより、Si基板の表面がプラズマを含む雰
囲気中の露出する時間を調節し、Si基板９の表面
に成長する表面酸化膜の膜厚を制御する。

第３図は、Ta₂O₅をターゲツトとし、酸素を10
％含むアルゴン雰囲気中で放電を発生した時のシ
ヤツターＢの開放時間とSi基板上の表面酸化膜の
膜厚との関係を示したものである。ここで、シヤ
ツターＡは閉じた状態にあることは言うまでもな
い。酸化膜の初期値は、基板９をスパツタリング
装置に装填する時点で、Si基板表面に存在する自
然酸化膜の膜厚である。本実施例で用いたスパツ
タリング装置は、従来の装置と異なり基板９の全
体を覆うシヤツターＢ８を備えているため、プリ
スパツタリング過程（工程３）において表面酸化
膜は成長せず、この図のように、シヤツターＢ８
の開放時間により、基板１の表面の酸化膜厚の制
御が可能である。一方、従来のスパツタリング装
置は、シヤツターＢを備えていないために、従来
の製造方法ではプリスパツタリング過程で基板表
面がプラズマを含む雰囲気中にさらされることに
起因した表面酸化膜の成長が進行し、第３図に示
したような膜厚の制御は不可能である。また、通
常30分以上のプリスパツタリングが必要であるた
め、従来の方法では、薄膜形成前に30Å程度の表
面酸化膜が基板表面に成長することを避けること
はできない。

（工程５）前工程４で、所望の表面酸化膜厚に
制御した後、シヤツターＡ７を開き、誘電体薄膜
の形成を行う。

以上述べたように、従来の方法では、工程が、
工程１、工程２、工程３、工程５と進み、30Å程
度の表面酸化膜が成長したSi基板上に誘電体薄膜
を形成せざるを得ないのに対し、本方法は、Si基
板全体を覆う構造のシヤツター機構を有するスパ
ツタリング装置を用いることにより可能となつた
表面酸化膜厚の制御を経て、誘電体薄膜形成を行
う。

なお、ここで誘電体薄膜形成前の表面酸化膜厚
が、誘電体薄膜形成過程に及ぼす影響については
説明する。第４図１〜３は、スパツタリング法に
よつて20Å以下の表面酸化膜を有するSi基板上
に、誘電体薄膜としてTa₂O₅を形成した場合の薄
膜形成過程を順次示したものである。ここで、符
号１はSi基板、１１は表面酸化膜、１２はプラマ
酸化層、１３はSi₂とTa₂O₅との混合層、１４は
Ta₂O₅層を示す。薄膜コンデンサの漏れ電流、絶
縁耐圧に大きな影響を及ぼすのは、表面酸化膜１
１、プラズマ酸化膜１２、SiO₂とTa₂O₅との混合
層１３である。後述するように、漏れ電流が小さ
く、絶縁耐圧の高い薄膜コンデンサを得るために
は、Si基板と絶縁層の界面が、プラズマ酸化層と
SiO₂とTa₂O₅との混合層とからなることが必要で
ある。以下、誘電体薄膜の形成過程にそつて、表
面酸化膜が、プラズマ酸化層、SiO₂とTa₂O₅との
混合層の形成に果たす役割を説明する。

第４図１は、誘電体薄膜を形成する前の状態を
示し、Si基板１の表面上には、表面酸化膜１１だ
けが存在する。第４図２は、プラズマご発生さ
せ、前記１の状態の基板１上にTa₂O₅の形成を開
始した直後の状態を示したものである。プラズマ
中には、酸素がイオン化した粒子と、TaO₅がイ
オン化した粒子が含まれるために、形成の初基過
程においては、表面酸化膜１１中をイオン化した
粒子がそれぞれ拡散する。そして、表面酸化膜１
１とSi基板１との界面に到達した酸素は、Si基板
１と反応し、プラズマ酸化層１２が形成される。
一方イオン化したTa₂O₅は、酸素にくらべて拡散
速度が遅いために、界面に到達さず、SiO₂と
Ta₂O₅との混合層１３が形成される。第４図３
は、さらに形成を続けた場合を示したものであ
る。Si基板１上に薄膜の形成が進行すると拡散に
よつて界面に到着する酸素の濃度が減少し、遂に
はプラズマ酸化層１２の成長は停止する。また、
SiO₂とTa₂O₅との混合層１３は、形成が進行する
につれてTa₂O₅の比率が増大し、遂には均一な
Ta₂O₅層１４が形成される状態になる。

このように、Ta₂O₅をSi基板上に形成する場
合、絶縁層は、プラズマ酸化層１２、SiO₂と
Ta₂O₅との混合層１３、均一なTa₂O₅層１４とか
ら構成される。

Ta₂O₅を形成する直前の基板の表面酸化膜が十
分薄い場合には、上記した過程にしたがつて薄膜
が形成されるが、表面酸化膜が厚い場合には、形
成過程に変化が生ずる。表面酸化膜が厚い場合の
薄膜の形成過程を示したものが第５図１〜３であ
る。第５図１は、形成前の状態で、Si基板１の表
面上には表面酸化膜１１だけが存在する。第５図
２は、プラズマを発生させ、前記１の状態の基板
上にTa₂O₅の形成を開始した直後の状態を示した
ものである。この場合も、形成の初期過程におい
ては、表面酸化膜１１中をイオン化した粒子が拡
散するが、表面酸化膜１が厚いために表面酸化膜
１１とSi基板１と界面に到達する酸素の濃度は減
少し、プラズマ酸化層１２は形成されない。した
がつて、表面酸化膜１１上に、SiO₂とTa₂O₅との
混合層１３が形成された状態で薄膜の形成が進行
する。第５図３は、さらに形成が進行した場合を
示したもので、SiO₂とTa₂O₅との混合層６中の
Ta₂O₅の比率が増大し、遂には均一なTa₂O₅層が
形成される過程を示している。したがつて、薄膜
は、欠陥の多い表面酸化膜上にSiO₂とTa₂O₅との
混合層１３、および均一なTa₂O₅層１４が形成さ
れた構造をとる。

第４図３と第５図３に示したように、表面酸化
膜の膜厚によつて、絶縁層とSi基板界面の組成に
大きな変化が生ずる。そこで、定量的なデータを
もつてこれらの組成の違いが、薄膜コンデンサの
特性に及ぼす影響を説明し、本発明の製造方法の
有用性を示す。

第６図は、表面酸化膜の膜厚が７Å（試料１）、
20Å（試料２）、26Å（試料３）のSi基板上に
Ta₂O₅薄膜を誘電体薄膜として同一作成条件下で
形成した薄膜コンデンサの電流一電圧特性を比較
して示したものである。表面酸化膜の膜厚が20Å
以下の試料１、２では、1MV／cmの強度の電界
を印加した時の漏れ電流が10^-8A／cm²以下である
のに対し、表面酸化膜の膜厚が26Åの試料３では
10^-1A／cm²以上と急激に漏れ電流が増加してい
る。このように、表面酸化膜の膜厚によつて、絶
縁層とSi基板界面近傍の組成に変化が生じ、表面
酸化膜を20Å近傍以下に制御することが、薄膜コ
ンデンサの漏れ電流の低減化に大きな効果がある
ことがわかる。

第７図は、第６図にて述べた３種類の薄膜コン
デンサについて、絶縁層の静電容量を1MHzにお
けるC_1MHzで規格化した規格化容量の周波数分散
を比較して示したものである。26Åの表面酸化膜
を有するSi基板上に形成した試料３では、静電容
量に顕著な周波数分散が認められ、薄膜中に多数
の欠陥が存在していることを示している。これに
対し、表面酸化膜の膜厚が20Å以下のSi基板上に
形成した試料１、２では、静電容量に周波数散は
認められず、欠陥の少ない高品質の絶縁層が得ら
れていることがわかる。また、試料３の誘電損失
は６％であるのに対して、試料１、２の誘電損失
は0.1％以下と非常に小さく、この点からも高品
質の絶縁層が得られていることがわかる。さら
に、試料１、２の絶縁層の誘電率は16.5〜17.0で
あり、絶縁層を２層構成とした場合の誘電率が10
以下であるのに比べ、高い誘電率が実現できる。

以下の結果から明らかなように、本発明の製造
方法により誘電体薄膜形成前のSi基板の表面酸化
膜の膜厚を20Å程度以下に制御することにより、
絶縁層とSi基板界面の組成の制御が可能となり、
高誘電率で、低漏れ電流、高絶縁耐圧、低誘電損
失の高品質の絶縁層をSi基板上に形成することが
できる。なお、上記実施例では、誘電体薄膜とし
てTa₂O₅を用いた場合について説明したが、
Nb₂O₅がBaTiOなどの他の材料を用いた場合も
表面酸化膜厚の制御により同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、Si基板
上の表面酸化膜の膜厚を制御することにより、絶
縁層とSi基板界面に良質のプラズマ酸化膜を形成
することが可能となり、Si基板表面に、高誘電
率、低漏れ電流、高耐圧、低誘電損失の高品質絶
縁層を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明において使用したスパツタリ
ング装置の構成図、第２図は、本発明の製造方法
を説明する工程図、第３図は、シヤツターＢの開
放時間と表面酸化膜厚との関係を示す図、第４図
は、薄い表面酸化膜を有するSi基板上にTa₂O₅を
形成した場合の薄膜形成過程の説明図、第５図は
厚い表面酸化膜を有するSi基板上にTa₂O₅を形成
した場合の薄膜形成過程の説明図、第６図は、表
面酸化膜厚さが７Å（試料１）、20Å（試料２）、
26Å（試料３）のSi基板上に同一のスパツタリン
グ条件で形成したTa₂O₅を誘電体薄膜とする薄膜
コンデンサの電流−電圧特性を比較して示した
図、第７図は、前記試料１、２、３の静電容量の
周波数分散を示す図、第８図は一般の薄膜コンデ
ンサの断面構造を示す図である。 １……Si基板、２……絶縁層、３……金属電
極、４……真空槽、５……ターゲツト電極、６…
…ターゲツト、７……シヤツターＡ、８……シヤ
ツターＢ、９……基板、１０……基板電極、１１
……表面酸化膜、１２……プラズマ酸化層、１３
……SiO₂とTa₂O₅との混合層、１４……Ta₂O₅
層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Si基板上にスパツタリング法により形成した
   誘電体薄膜を絶縁層とする薄膜コンデンサの製造
   方法において、少なくとも、Si基板全体を覆うシ
   ヤツターを用い、該シヤツターを閉じた状態でプ
   リスパツタリングを行う工程、Si基板表面の極薄
   表面酸化膜の膜厚を制御する工程、前記誘電体薄
   膜をSi基板上に形成する工程を含むことを特徴と
   する薄膜コンデンサの製造方法。 ２ 誘電体薄膜がTa₂O₅薄膜であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の薄膜コンデンサ
   の製造方法。