JPH0387055A - 薄膜コンデンサ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） 本発明は小型電子回路に用いる薄膜コンデンサに関する
。

（従来の技術） 集積回路技術の発達によって電子回路がますます小型化
しており、各種電子回路に必須の回路素子であるコンデ
ンサの小型化も一段と重要になっている。誘電体薄膜を
用いた薄膜コンデンサが、トランジスタ等の能動素子と
同一の基板上に形成されて利用されているが、能動素子
の小型化が急速に進む中で薄膜コンデンサの小型化は遅
れてあり、より一層の高集積化を阻む大きな要因となっ
てきている。これは、従来用いられている誘電体薄膜材
料が５ｉ０２、Ｓｉ３Ｎ４等のような誘電率がたかだか
１０以下の材料に限られているためであり、薄膜コンデ
ンサを小型化する手段として誘電率の大きな誘電体薄膜
を開発することが必要となっている。化学式ＡＢＯ３で
表されるペロブスカイト型酸化物であるＢａＴｉＯ３，
５ｒＴｉ０３．　ＰｂＺｒＯ３およびイルメナイト型酸
化物ＬｉＮＢＯ３あるいはＢ１４Ｔｉ、３０１２等の強
誘電体に属する酸化物は、上記の単一組成並びに相互の
固溶体組成で、単結晶あるいはセラミックにおいて１０
０以上１００００にも及ぶ誘電率を有することが知られ
ており、セラミック・コンデンサに広く用いられている
。これら材料の薄膜化は上述の薄膜コンデンサの小型化
に極めて有効であり、かなり以前から研究が行われてい
る。それらの中で比較的良好な特性が得られている例と
しては、プロシーディング・オブ・アイ・イー・イー・
イー（Ｐｒｏｃｅｅｄｔｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥ
Ｅ）第５９巻１０号１４４０−１４４７頁に所載の論文
があり、スパッタリングによる成膜および熱処理を行っ
たＢａＴｉＯ３薄膜で１６（室温で作成）から１９００
（１２００°Ｃで熱処理）の誘電率が得られている。

（発明が解決しようとする課題） 上記のような従来作成されているＢａＴｉＯ３等の誘電
体薄膜は、高い誘電率を得るためには薄膜作成時に高温
を必要とし、いずれも白金、パラジウム等の高融点貴金
属材料からなる下部電極の上に作成されたものである。

一般に電極材料として用いられるアルミニウムやニクロ
ム、銅などでは、高温での電極の蒸発や誘電体膜との相
互反応により誘電体膜の誘電率の著しい低下を招く。し
かし、上記のような高融点貴金属電極でも、３００００
以上での誘電体成膜において、再結晶による電極表面荒
れを生じる。このような電極上に形成された誘電体膜は
膜厚が一様でなく、電圧を印加したときに膜厚が薄い部
分に電界が強くかかるために絶縁特性に問題がある。

現在の高集積回路に広く用いられている電極材料は多結
晶シリコンあるいはシリコン基板自体の一部に不純物を
高濃度にドーピングした低抵抗シリコン層である。以下
これらを総してシリコン電極と呼ぶ。シリコン電極は微
細加工技術が確立されており、すでに広く用いられてい
るため、シリコン電極上に良好な高誘電率薄膜が作製で
きれば、集積回路用コンデンサへの利用が可能となる。

しかしながら、従来技術では例えばＩＢＭ・ジャーナル
・オブ・リサーチ・アンド・ディベロップメント（ＩＢ
Ｍ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　ａｎｄ
　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）１９６９年１１月号６８６
−６９５頁に所載の５ｒＴｉ０３膜に関する論文におい
て６８７−６８８頁の記載に、シリコン上に高誘電率材
料の薄膜を形成する場合には約１０ＯＡの二酸化シリコ
ン（Ｓｉ０２）に等価な層が界面に形成されてしまうと
報告されている。この界面層は誘電率が低い層であるた
め、結果としてシリコン上に形成した高誘電率薄膜の実
効的な誘電率は大きく低下してしまい、高誘電率材料を
用いる利点がほとんど損なわれていた。同様の報告の他
の例としてはジャーナル・オブ・バキューム・サイエン
ス・アンド。

テクノロジー（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｃｕｍ　
５ｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第１６
巻２号３１５−３１８頁に所載のＢａＴｉＯ３に関する
論文において、３１６頁の記載に見ることができる。

本発明はＢａＴｉＯ３，５ｒＴｉ０３に代表される高誘
電率材料の薄膜を用いて、高い容量密度と優れた絶縁特
性を有し、シリコン集積回路に適用可能な薄膜コンデン
サを実現することを目的としている。

（課題を解決するための手段） 本発明は、基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部
電極が順次積層された構造の薄膜コンデンサにおいて、
誘電体を直接成膜する下部電極がルテニウム、酸化ルテ
ニウム、ルテニウムシリサイドのうち１以上であること
を特徴とする薄膜コンデンサおよびその製造方法である
。

（実施例１） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は実施例１の薄膜コンデンサの構造図で、シリコ
ン基板１の表面に絶縁層として酸化シリコン層２が形成
され、酸化シリコン層上に下部電極３が形成され、下部
電極上に誘電体のＢａＴｉＯ３膜４が形成され、その上
に上部電極のＡｌ膜５が形成されている。

まず、水蒸気熱酸化法により単結晶シリコンの表面に酸
化シリコン層を１１１ｍ形成した。雰囲気は酸素ガスと
水素ガスの流量比をそれぞれ１：１に制御し、温度は１
１００’Ｃで熱酸化を行った。下部電極膜は直流マグネ
トロンスパッタ法で０．５ｐｍの膜厚のものを作製した
。ＲｕまたはＲｕＳｉ２組戊の焼結体ターゲットを用い
、Ａｒガス雰囲気（またはＡｒと０２の混合ガス雰囲気
）、４Ｘ　１Ｏ−３Ｔｏｒｒ、基板温度１００°Ｃで行
った。ＢａＴｉＯ３膜は化学量論組成の粉末ターゲット
を用い、高周波マグネトロンスパッタ法で０．５ｐｍの
膜厚のものを作製した。Ａｒ−０２混合ガス中、ｌＸｌ
０−２Ｔｏｒｒ、基板温度６００°Ｃでスパッタ成膜し
た。上部電極には０．５ｐｍのＡ１を直流スパッタ法に
より成膜した。本コンデンサの有効面積は３　Ｘ　５ｍ
ｍ２である。

つぎに下部電極に高馳点貴金属であるＰｄ膜を用いた場
合と本方法の膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の特性の
違いについて述べる。第２図（ａ）は本方法の下部電極
膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の、第２図（ｂ）は膜
厚０．５ｐｍのＰｄ膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の
絶縁破壊強度のヒストグラムである。絶縁破壊強度はＩ
　Ｘ　１０−’Ａ／ｃｍ２の電流が流れたときの電界強
度と定義した。絶縁破壊強度は本方法の方が約３倍も大
きく、かつ、その分布にばらつきがなく、優れた絶縁特
性を示している。ＢａＴｉＯ３膜の一部をエツチングで
除去し、下部電極の表面粗さを触針式表面膜差計で測定
したところ、ルテニウムなどの膜とＰｄ膜の平均粗さｈ
は、それぞれ、５０Ａ、　３８０Ａであり、ルテニウム
などの膜の方が表面平坦性に優れていることがわかった
。なお、ＢａＴｉＯ３を成膜する前の下部電極の表面粗
さはそれぞれ３０Ａ程度である。従って、両者の絶縁特
性の違いはＢａＴｉＯ３成膜の高温プロセスでの下部電
極の表面粗れに起因していると考えられる。この場合、
下部電極としてルテニウム、酸化ルテニウム、ルテニウ
ムシリサイド、またはこれらの積層構造においても効果
は同じであった。

（実施例２） 第３図は実施例２の薄膜コンデンサの構造図で、単結晶
シリコン基板６の表面に絶縁層として酸化シリコン層マ
が形成され、酸化シリコン層上に下部電極として多結晶
シリコン膜８とその上にルテニウムなどの膜９が形成さ
れ、これら下部電極膜上に誘電体のＢａＴｉＯ３膜１０
が形成され、その上に上部電極のＡ１膜１１が形成され
ている。

多結晶シリコン膜はプラズマＣＶＤ法により、３００°
Ｃで膜厚０．３１１ｍのものを作製した。この多結晶シ
リコン膜にヒ素イオンを７０ＫＶの加速電圧で２×１０
１６ｃｍ−２の量をイオン注入し、更に９００’Ｃで２
０分間熱処理することにより約１００Ωノロのシート抵
抗とした。その他の膜の成膜は実施例Ｉと同様に行った
。

この場合、多結晶シリコン膜は絶縁層の酸化シリコンと
下部電極との密着性を良くするために用いているが、ル
テニウムなどの膜を多結晶シリコン膜の上に形成しても
、実施例１と同様に優れた絶縁特性を有する薄膜コンデ
ンサが得られた。なお、ルテニウム又は酸化ルテニウム
の場合は多結晶シリコンの代わりに、ルテニウムシリサ
イドなどのメタルシリサイドとルテニウムもしくは多結
晶シリコンなどを含む多層膜でもよい。

（実施例３） 第４図は実施例３の薄膜コンデンサの構造図である。単
結晶シリコン１２の表面の一部にリンを高濃度にドーピ
ングして低抵抗層１３が形成され、その上に層間絶縁膜
として酸化シリコン膜１４が形成されている。酸化シリ
コン膜の一部は、低抵抗層を通じて下部電極を引き出す
ためのコンタクトホールが２箇所形威されており、一方
のコンタクトホールは下部電極のルテニウムなどの膜１
５で埋められ、もう一方のコンタクトホールはＡＩ膜１
６で埋められている。従って、ＡＩ膜１６は下部電極の
端子となる。下部電極膜はコンタクトホールを埋めると
共にその一部が酸化シリコン膜上へ形成されていてもよ
い。下部電極膜上にはＢａＴｉＯ３膜１７が形成され、
その上には上部電極としてＡ１１８が形成されている。

本実施例では下部電極を単結晶シリコンの低抵抗層を通
じて引き出すために、下部電極膜を単結晶シリコンの上
に作製しているが、その薄膜コンデンサの絶縁特性は実
施例１と同様に優れていることを確認した。

次に下部電極に多結晶シリコン膜を用いた場合と本発明
の膜を用いた場合のＢａＴｉＯ３膜の誘電率の違いにつ
いて述べる。多結晶シリコン膜は現在のシリコンＬＳＩ
の電極膜として一般に用いられている材料である。第５
図はＢａＴｉＯ３膜の誘電率と膜厚の関係を調べたもの
で、本発明の膜を用いた場合と多結晶シリコン膜を用い
た場合の結果である。本発明の膜を用いた場合、ＢａＴ
ｉＯ３膜の誘電率はその膜厚に依存せず、約２４０で一
定であるのに対して、多結晶シリコン膜を用いた場合の
ＢａＴｉＯ３膜の誘電率は膜厚に依存し、膜厚が薄くな
るにつれて誘電率が小さくなっている。これは従来技術
で述べたように、低誘電率の酸化シリコン膜がＢａＴｉ
Ｏ３と多結晶シリコンとの界面に形成され、ＢａＴｉＯ
３膜の見かけの誘電率が低下したものと考えられる。

また、実施例２と同様に、下部電極はルテニウムなどの
膜とその下に多結晶シリコンがある二重構造でもよい。

この場合の多結晶シリコン膜はルテニウムなどの膜と単
結晶シリコン、及び、酸化シリコンとの密着性をよくす
る効果がある。更に、多結晶シリコン膜でコンタクトホ
ールを埋める平坦化技術は確立しており、下部電極の一
部として用いる利点は大きい。

本実施例に示すように下部電極にルテニウム、酸化ルテ
ニウム、ルテニウムシリサイドの１以上からなる膜を用
いることにより、誘電体膜の膜厚に依存せず一定の高い
誘電率を有する薄膜コンデンサをシリコン上に作製する
ことができる。

（発明の効果） 本発明は以上説明したように、薄膜コンデンサの下部電
極に高温プロセスで表面荒れを起こさないルテニウムな
どの膜を用いることにより、絶縁特性に優れた高誘電率
の薄膜コンデンサを提供することができる。また、従来
のシリコン電極のように誘電体との界面に低誘電率の酸
化シリコン層を形成することがないので、誘電体膜の膜
厚に依存せず一定の高い誘電率を有する薄膜コンデンサ
をシリコン上に作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における実施例を示す薄膜コンデンサの
断側面図、第２図（ａ）、（ｂ）は絶縁破壊強度のヒス
トグラム図、第３図、第４図は実施例を示す薄膜コンデ
ンサの断側面図、第５図はＢａＴｉＯ３膜の誘電率と膜
厚の関係を示す図。 １、６．１２は単結晶シリコン基板、２．７．１４は酸
化シリコン、３．９．１５は下部電極、４．１０．１７
はＢａＴｉＯ３，５゜１１．１６．１８はＡｔ　８は多
結晶シリコン、１３は単結晶シリコンの低抵抗層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　基板上に形成され、下部電極、誘電体、上部電
   極が順次積層された構造の薄膜コンデンサにおいて、誘
   電体を直接成膜する下部電極がルテニウム、酸化ルテニ
   ウム、およびルテニウムシリサイドから選ばれた１以上
   の材料からなることを特徴とする薄膜コンデンサ。
2. （２）　基板上にルテニウム、酸化ルテニウム、ルテニ
   ウムシリサイドから選ばれた１以上の材料からなる下部
   電極を形成する工程と、該下部電極上に誘電体を形成し
   、この上に上部電極を形成する工程とを備えたことを特
   徴とする薄膜コンデンサの製造方法。