JPH0621341A - ルテニウム酸塩電極を有するコンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 酸化物のない電極表面を維持するために、複
雑な処理装置あるいは余分な処理段階を必要としないコ
ンデンサを提供すること。 【構成】 コンデンサ１１が誘電層３４上に形成され
る。導電層３６が誘電層３４上に形成される。任意のバ
リア層１６が形成されて、電気的接続を行い、導電層３
６をルテニウム酸塩部分を有する第１電極領域２０から
分離する。誘電層２２が第１ルテニウム酸塩電極領域２
０上に形成され、コンデンサ誘電体を形成する。第２電
極領域２４が、誘電層２２上に形成される。任意のバリ
ア層２８が電極領域２４上に形成される。導電層３２が
任意のバリア層２８上に形成され、電極領域２４に対し
て電気的接触を行う。誘電層３０が形成されて、コンデ
ンサ１１を電気的に分離する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般的に、半導体技術
に関する。さらに詳しくは、ルテニウム酸塩(ruthenat
e) コンデンサ電極に関する。

【０００２】

【従来の技術】数十年に渡りコンデンサは、電子回路設
計によく用いられる、重要で取り替えることのできない
回路素子であった。たとえば、コンデンサは、ダイナミ
ック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ），能動
および受動フィルタ，アナログ−デジタルおよびデジタ
ル−アナログ変換器（それぞれＡ／ＤおよびＤ／Ａ変換
器），演算増幅器，無線および同調回路，発振器および
マルチバイブレータ回路，時間臨界および時間遅延回路
構成，消音回路構成，チャージ・ポンプ，電力電子部お
よびその他のさまざまな用途に広く用いられている。コ
ンデンサは、もっとも簡単な言葉で言うと、１個の絶縁
材料により隔てられている２個の導電表面により構成さ
れる装置として定義される。コンデンサは、基本的には
装置の容量と入射電流または電荷の周波数に依存して、
電荷を蓄積して、直流（ＤＣ）の流れを遮断し、交流
（ＡＣ）を流す。ファラドで測定される容量は、３つの
物理特性により決定される：すなわち、（１）２個の導
電表面を隔てる絶縁材料の厚みまたは平均厚；（２）ど
の程度の表面積が２個の導電表面により覆われている
か；（３）絶縁材料と２個の導電表面すなわち電極のさ
まざまな機械的および電気的特性。

【０００３】半導体産業には、多くの形態のコンデンサ
が存在する。上述の技術の初期の開発や販売において
は、容量構造として平行板または平行電極コンデンサが
用いられていた。平行電極コンデンサは、平坦な誘電体
または絶縁体により隔てられている平坦な上部および平
坦な底部の導電表面を有するコンデンサである。別のコ
ンデンサは、トレンチ・コンデンサとして知られてい
る。トレンチ・コンデンサは、基板表面または基板表面
上にある表面内に深いウェル，トレンチまたは孔(hole)
をまずエッチングすることにより形成される。このトレ
ンチまたは孔を用いて、１個の絶縁体により隔てられる
２個の電極を形成して設ける。二重ボックス・コンデン
サ(double box capacitor)，クラウン・コンデンサ(cro
wn capacitors)，フィン・コンデンサ(fin capacitor)
などの他の既知の構造体も開発された。

【０００４】半導体コンデンサの初期の開発段階におい
ては、ドーピングされた基板が第１コンデンサ電極を形
成し、二酸化シリコンがコンデンサ誘電体を形成し、金
属層が第２コンデンサ電極を形成した。技術が進むにつ
れて、多結晶シリコン(polysilicon) ，エピタキシャル
・シリコン，シリサイド(silicides) ，サリサイド(sal
icides) および、オスミウム(osmium)，ロジウム(rhodi
um) ，プラチナ，金，ルテニウム(routhenium)金属，ア
ルミニウムなどのいくつかの金属導電体がコンデンサ電
極用に開発された。さらに、酸化物−窒化物−酸化物
（ＯＮＯ），五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）およびジルコ
ン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの改良されたコンデンサ
誘電材料がコンデンサ誘電体として用いるために開発さ
れた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述された多結晶シリ
コン，エピタキシャル・シリコンおよびアルミニウムな
どいくつかの金属導電体などの現在用いられており広く
認められている電極材料は、安定ではなく酸素環境(oxy
gen ambient)において酸化する。多くの場合、この酸化
現象のために、コンデンサ電極が酸素環境にさらさない
ように特別の注意が払われる。そのために、酸化物のな
い電極表面を維持するために、改良された、または複雑
な処理装置が必要とされ、あるいは、余分な処理段階お
よびエッチング段階が必要とされる。ときどき起こるよ
うに、酸化物のない表面が得られないと、電極の電気接
触品質，集積回路の歩留りおよび／またはコンデンサの
性能が悪くなる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明により、前述され
た欠点が克服され、その他の利点が得られる。ある形態
においては、本発明はコンデンサとそれを作成する方法
とによって構成される。コンデンサは第１電極を有す
る。第１電極は、ルテニウム酸塩(ruthenate) 材料で形
成された部分を有する。コンデンサは、第２電極を有
し、誘電材料が第１電極と第２電極との間に形成され
る。

【０００７】本発明は、添付の図面と共に以下の詳細な
説明によりさらによく理解されるだろう。

【０００８】

【実施例】図１には、コンデンサ１０の作成に適した構
造を示す。コンデンサ１０は、表面を有し、第１導電型
である基層または基板１２を有する。導電型は基板１２
がシリコンをベースにしたものであれば、Ｐ型導電型ま
たはＮ型導電型のいずれかである。基板１２は、シリコ
ン，ヒ化ガリウム，シリコン−オン−サファイア（ＳＯ
Ｓ），エピタキシャル形成物，ゲルマニウム，ゲルマニ
ウム・シリコン，多結晶シリコンおよび／または同様の
基板または導電性材料で作られる。基板１２には、従来
のフィールド酸化層，拡散物および従来から用いられて
いる層が含まれていてもよい。基板１２はシリコン製で
あることが好ましい。

【０００９】拡散物１４は、基板１２内に形成される。
拡散物１４は、場合によっては電気接触導電領域(elect
rical contact conductive region)と呼ばれる。拡散物
１４は、第１導電型とは反対の第２導電型である。場合
によっては、拡散物１４はトランジスタ（図示せず）の
能動領域またはソースまたはドレーンとなることがあ
る。拡散物１４がソースまたはドレーンなどのトランジ
スタの電流電極である場合は、コンデンサのさまざまな
誘電材料によって、ダイナミック・ランダム・アクセス
・メモリ（ＤＲＡＭ）セルまたは不揮発性メモリ・セル
が形成される。たとえば、二酸化シリコンが電極間コン
デンサ誘電体として用いられる場合は、ＤＲＡＭが形成
される。たとえばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ:lead
zirconiumtitanate）が電極間コンデンサ誘電体として
用いられる場合は、不揮発性メモリが形成される。

【００１０】任意のバリア層１６が、拡散物１４上に形
成される。通常のバリア材料は、窒化チタン，他の窒化
物またはシリサイドである。バリア層１６は、拡散物を
上部の層から分離する役割を果たす材料であれば任意の
ものでよい。バリア層１６は、拡散物１４が上部の領域
と反応することを妨げる。さらに、バリア層１６は、拡
散物１４と上部層との間の拡散と不純物の移動を減少さ
せる。バリア層１６により、シリコン内でのアルミニウ
ム・スパイキングなどの他の既知の現象が回避される。

【００１１】バリア層１６上に電極領域１８が形成され
る。電極領域１８は、多結晶シリコン，シリサイド，サ
リサイド，金属，屈折金属(refractory metal)，ルテニ
ウム酸塩材料または同様の導電層などの任意の導電層で
ある。用途によっては、電極領域１８には誘電領域部
（図示せず）が含まれ、これは電極領域１８を隣接領域
から分離するために用いられる。一般に、ここで説明さ
れる誘電層は、湿式(wet) または乾式(dry) 二酸化シリ
コン（ＳｉＯ₂），窒化物，テトラエチルオルトケイ酸
塩（ＴＥＯＳ）をベースにした酸化物，ホウリンケイ酸
塩ガラス（ＢＰＳＧ），リンケイ酸塩ガラス（ＰＳ
Ｇ），ホウケイ酸塩ガラス（ＢＳＧ），酸化物−窒化物
−酸化物（ＯＮＯ），五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅），プ
ラズマ強化窒化シリコン（Ｐ−ＳｉＮx ），スピン−オ
ン−ガラス（ＳＯＧ）および／または明記されていない
場合でも同様の誘電材料である。

【００１２】電極領域２０が、電極領域１８上に形成さ
れる。電極領域１８，２０は共にコンデンサ１０の第１
電極を形成する。電極領域２０は、ルテニウム酸塩材料
または他の既知の導電性材料のいずれかである。たとえ
ば電極領域２０は、ルテニウム酸カルシウム，ルテニウ
ム酸ストロンチウム，ルテニウム酸バリウム，ルテニウ
ム酸タリウム，ルテニウム酸ビスマス，ルテニウム酸
鉛，ルテニウム酸塩材料の組合せまたは同様の導電性材
料である。電極領域１８または電極領域２０のいずれか
一方がルテニウム酸塩材料部分を有する。

【００１３】別の形態においては、電極領域１８がルテ
ニウム酸塩材料で、電極領域２０が酸化ルテニウムまた
は同等の導電性酸化物である。電極領域１８，２０をこ
のように構築すると、ここで説明されるいくつかの作成
方法が得られる。場合によっては、電極領域１８が酸化
ルテニウムまたは同等の酸化物で、電極領域２０がルテ
ニウム酸塩材料である。電極領域１８，２０により形成
される第１電極の作成のような電極の作成方法が、以下
の段落で詳細に説明される。

【００１４】図１に示されるように、誘電層２２が電極
領域２０上に形成される。誘電層２２は、単独の誘電性
材料でも、複数の誘電性材料でもよい。誘電層２２に用
いることのできる誘電性材料としては、ジルコン酸チタ
ン酸鉛（ＰＺＴ），ケイ酸チタン，チタン酸バリウム，
チタン酸カルシウム，チタン酸ビスマス，チタン酸スト
ロンチウム，窒化シリコン，ジルコン酸鉛，チタン酸鉛
ランタン・ジルコニウム，酸化物−窒化物−酸化物（Ｏ
ＮＯ），二酸化シリコン（ＳｉＯ₂），五酸化タンタル
（Ｔａ₂Ｏ₅），酸化チタン，酸化ジルコニウム，または
チタン酸鉛などである。誘電層２２に関してある種の誘
電体を用いて、コンデンサを不揮発性記憶装置またはダ
イナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）
に用いる従来の誘電体を有するコンデンサにすることが
できる。

【００１５】コンデンサ１０の第２コンデンサ電極は、
電極領域２４および電極領域２６を介して形成される。
第２電極は、従来の電極として形成してもよい。従来の
電極は金属，多結晶シリコンまたは同様の導体でよい。
電極領域２４は、電極領域２０に関して上述された方法
および材料と同一のものにより形成されることは明らか
である。さらに、電極領域２６は、上述の電極領域１８
の方法および材料と同一のものにより形成することがで
きる。そのために、電極領域２６は、ルテニウム酸塩材
料または同様の導電層であり、電極領域２４は導電層ま
たは酸化ルテニウムなどの誘電性材料である。少なくと
も第１電極または第２電極の一方が、ルテニウム酸塩部
分を有する。

【００１６】第１および第２電極の両方が、同じ材料で
作られる必要はない。たとえば、１個の電極をルテニウ
ム酸塩をベースにした電極として、もう一方の電極をア
ルミニウムをベースにした電極とする。さらに、第１電
極に関して説明されるすべての範囲，機能性および構成
は第２電極に適用することができ、その逆も可である。

【００１７】図１に示される構造は、自己整合的に形成
することも非自己整合的に形成することもできることは
よく知られている。自己整合しない構造は、図１のコン
デンサ１０とは外観が異なることもある。自己整合コン
デンサにおいては、コンデンサ１０の第１および第２電
極と電極間誘電層２２とが形成される。マスキングおよ
びエッチング段階が用いられて、コンデンサ１０の第１
および第２電極と、誘電層２２とを図１に示されるよう
に水平に整合する。自己整合を用いない場合は、コンデ
ンサ１０の誘電層２２と第１および第２電極とは、それ
ぞれ別のマスキングおよびエッチング手順により形成さ
れる。さらに、自己整合は、コンデンサ１０の所定の素
子上で実行され、コンデンサ１０の他の素子上では実行
されない。

【００１８】図２においては、バリア層２８が電極領域
２６上に形成される。バリア層２８は、バリア層１６と
同様の方法で機能し、同様の材料または同様の材料群で
作られる。

【００１９】図２においては、誘電層３０が電極領域１
８，２０，２４，２６と、誘電層２２と、バリア層２８
との上に、それらに隣接して形成される。誘電層３０
は、ＢＰＳＧ，ＰＳＧ，シリコンをベースにした酸化
物，ポリイミドまたは有機誘電体(organic dielectric)
などであることが好ましく、コンデンサ１０の第１およ
び第２電極を隣接の構造体（図示せず）から分離するた
めに用いられる。電気接触導電層３２は、バリア層２８
で第２コンデンサ電極に接続して、第２コンデンサ電極
の外部電気接触を提供する。拡散物１４は、バリア層１
６に電気的に接続して、第１コンデンサ電極が外部接続
されるあるいは電気的に配線されるようにする。別の形
態においては、第１および第２電極は両方とも上部の導
電層（図示せず）を介して接続され、外部電気接続部を
形成する。

【００２０】図３は、コンデンサ１１として示される代
替の装置を示す。図３のいくつかの素子は、図２の素子
と同じものであり、そのために同じ番号がつけられてい
る。これらの同一の素子の範囲，構成および機能性は、
図２のコンデンサ１０と同じである。図３には、誘電層
３４が図示されている。複数の装置層が誘電層３４の下
にある。装置層は、基板材料，多結晶シリコン層，酸化
物層，拡散物，金属層および半導体と融和性を持つその
他の層である。たとえば、誘電層３４は下にあるトラン
ジスタ（図示せず）を絶縁することも、多結晶シリコン
間誘電体となることも、金属間誘電体となることも、あ
るいは装置構造（図示せず）の上にあることもある。一
般的に、図３は図２のコンデンサ１０を基板（図３には
図示せず）の上に形成されるものとして図示している。

【００２１】導電層３６が誘電層３４の上または中に形
成される。導電層３６は、多結晶シリコン，金属または
同様の導電層のいずれかで作られる。バリア層１６が形
成される。電極領域２０がバリア領域上に形成される。
電極領域２０は、ルテニウム酸塩材料または従来の導電
性材料で作られる。たとえば、電極領域２０は、ルテニ
ウム酸カルシウム，ルテニウム酸ストロンチウム，ルテ
ニウム酸バリウム，ルテニウム酸タリウム，ルテニウム
酸ビスマス，ルテニウム酸鉛またはここで説明されるそ
の他の従来の導電体である。電極領域２０は、コンデン
サ１１の第１電極を形成する。

【００２２】誘電層２２が電極領域２０上に形成され
る。誘電層２２のために用いられる誘電材料には、ジル
コン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ），五酸化タンタル，二酸化
シリコン，ケイ酸チタン，チタン酸バリウム，チタン酸
カルシウム，チタン酸ビスマス，チタン酸ストロンチウ
ム，窒化シリコン，ジルコン酸鉛，チタン酸鉛ランタン
・ジルコニウム，酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ），
チタン酸鉛または図１ないし図２に関して説明されたそ
の他の誘電体がある。

【００２３】コンデンサ１１の第２電極が電極領域２４
により形成される。電極領域２４は、ここで説明される
ように従来の導電性電極領域でも、電極領域２０に類似
のルテニウム酸塩電極領域でもよい。コンデンサ１１の
第１電極または第２電極のいずれかが、ルテニウム酸塩
材料として形成される。

【００２４】バリア層２８，誘電層３０および導電層３
２が、図２に関して説明されたように図３で形成され
る。

【００２５】図３のコンデンサ１１は、２つの主要な点
で図２のコンデンサ１０とは異なっている。違いの１つ
は、コンデンサ１１が基板の上に形成され、他の装置
（図示せず）の上にも形成される可能性があることであ
る。この装置積層技術は、ＤＲＡＭセル密度を向上させ
るためのものとして知られている。２つめの違いは、コ
ンデンサ１１が好適な形態においては、完全に１つの材
料から作られる第１および第２コンデンサ電極を有する
ことである。好適な形態においては、少なくとも１つの
電極がルテニウム酸塩材料で完全に作られる。

【００２６】いくつかの電極材料およびいくつかのコン
デンサ誘電材料がここで論じられている点に留意するこ
とが重要である。コンデンサ誘電材料と電極の構成と
は、第１または第２電極のいずれかの部分がルテニウム
酸塩材料で作られている限り、異なってもよい。

【００２７】ルテニウム酸塩電極に焦点を当てること、
またコンデンサ電極のためにルテニウム酸塩材料をどの
ように形成するかが重要である。ルテニウム酸塩電極を
形成するために用いられる１つの方法は、装置上にルテ
ニウム酸塩材料を直接スパタリングして、スパタリング
されたルテニウム酸塩材料をエッチングして、１つの電
極または複数の電極を形成するものである。

【００２８】ルテニウム酸塩電極を形成するために用い
ることのできる別の方法を図４に示す。層３８が形成さ
れるか、あるいは設けられる。層３８は、図１の基板１
２，図１ないし図３の誘電層２２，図３の誘電層３４ま
たは上部に電極を形成することのできる任意の層のいず
れかと類似のものである。層４０が形成される。層４０
は、酸化ルテニウム層（ＲｕＯ₂）として形成される。
層４２が層４０の上またはそれに隣接して形成され、界
面で層４０と接触する。層４２は、酸化バリウム，酸化
ビスマス，酸化ストロンチウム，酸化鉛，酸化カルシウ
ム，酸化タリウム，ジルコン酸チタン酸鉛または同様の
金属含有材料などの金属酸化物である。図５では、層４
０，４２が加熱され、層４４として示されるルテニウム
酸塩層が層４０と層４２との間の界面に形成される。ル
テニウム酸塩層４４を形成する反応は、層４０，４２の
両方を使い尽くすか、あるいは、層４０の一部または層
４２の一部を残す（図示せず）。場合によっては、酸化
ルテニウム層は反応後に残るほど充分な厚みに示形成さ
れない。

【００２９】化学蒸着（ＣＶＤ）または他の既知の形態
の付着(deposition)を用いて、層４０，４２を形成する
ことができる。さらに、金属または金属酸化物スピン−
オン−ガラス（ＳＯＧ）を用いて層４０示たは層４２の
いずれか１つとして金属酸化物層を形成することもでき
る。別の示態においては、金属酸化物および酸化ルテニ
ウムを１回の段階で同時に付着さ示て図５の層４４を形
成する。酸化ルテニウムを形成するための薬品と、金属
酸示物を形成するための薬品を１つの半導体装置チャン
バ内に注入して、同時に反応および／あるいは付着させ
る。同時付着により、温度を上昇させて、または適切な
処理環境において、層４４としてルテニウム酸塩層が形
成される。

【００３０】金属酸化物層は、層４２として形成される
酸化ルテニウム層と共に層４０として形成される点に留
意されたい。熱によって２つの層４０，４２は上述され
たのと類似の方法で反応する。多くの場合、金属酸化物
層は用途により酸化ルテニウム層の上または下に配置さ
れる。たとえば、酸化ルテニウム層は、通常は金属酸化
物層の上に形成されて、下部の第１電極を形成するが、
順序を逆にして上部の第２電極を形成することもある。

【００３１】別の形態では、ルテニウム金属層をスパタ
リングして、図４の層４０または層４２と同様の従来の
方法で付着あるいは形成することもできる。残りの層で
ある層４０または層４２は、ここで説明される方法で金
属または金属酸化物層として形成される。層４０，４２
は、共通の界面を共有する。次に、ルテニウム層および
金属酸化物層は図５の酸素を含有する環境すなわち酸化
環境において加熱され、共通界面において材料のルテニ
ウム酸塩層を形成する。この方法に用いることのできる
金属としては、バリウム，ストロンチウム，ビスマス，
鉛，カルシウムまたはタリウムがある。

【００３２】アルミニウムと多結晶シリコンは、電極の
作成によく用いられる材料である。これらの材料は、酸
素環境においては安定でなく、そのために空気環境にさ
らされたり、特定の処理段階で処理されると酸化表面を
形成する。ルテニウム酸塩材料は酸素含有環境において
も導電性を維持するので、洗浄サイクル，イオン除去さ
れた（ＤＩ：de-ionized）水のすすぎ，環境への露出お
よび後の処理に酸化による不利益を被ることなく耐える
ことができる。そのために余分な処理，酸化物のエッチ
ング段階または酸素からの特殊なウェーハ分離の必要な
く、コンデンサ電極に対して改善された電気接触を行う
ことができる。電極上にもともとある酸化物を除去する
ことによりコンデンサの性能が改善される。

【００３３】

【発明の効果】本発明は特定の実施例に関して図示およ
び説明されたが、当業者には更なる修正および改良が可
能であろう。たとえば、ここで説明されたルテニウム酸
塩電極作成方法をなんらかの幾何学的構造に形成するこ
とができる。ルテニウム酸塩電極により、トレンチ・コ
ンデンサ，二重ボックス・コンデンサ，フィン・コンデ
ンサ，平行板コンデンサ，クラウン・コンデンサ，ネス
ト・コンデンサおよびその他の既知の容量構造を形成す
ることができる。ここで教示される本発明のルテニウム
酸塩電極によりＤＲＡＭメモリ・セルまたは不揮発性メ
モリ・セルを形成することもできる。ルテニウム酸塩材
料は、通常は他の材料から、あるいは隣接する他の導体
から形成されるので、ルテニウム酸塩材料は場合によっ
てはコンデンサ電極の一部だけを形成することもある。
たとえば、アルミニウムまたは多結晶シリコンを導電性
ルテニウム酸塩により分離して、電極の酸化を防ぐこと
ができる。ここで述べられたルテニウム酸塩の他のルテ
ニウム酸塩材料もコンデンサ電極を形成することができ
る点にも注目されたい。さらに、いくつかのルテニウム
酸塩を用いて単独の電極を形成することもできる。たと
えば、ルテニウム酸カルシウムで作られた第１部分と、
ルテニウム酸鉛で作られた第２部分とで１個の電極を形
成することができる。また、いくつかの既知の誘電体を
用いて、電極間コンデンサ誘電体を形成することもでき
る。界面には接着または保護のための接着層またはバリ
ア層が必要ではあるが、ルテニウム酸塩で作られた電極
で任意の誘電体を形成することもできる。ここで述べら
れたバリア層は任意のもので、すべての処理と用途に必
要とは限らない。そのため、本発明は図示された特定の
形態に制限されるものではないこと、また添付の請求項
には本発明の精神と範囲とから逸脱しないすべての修正
が含まれるものであることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるルテニウム酸塩コンデンサ電極を
有するコンデンサを作成する方法を断面図で示したもの
である。

【図２】本発明によるルテニウム酸塩コンデンサ電極を
有するコンデンサを作成する方法を断面図で示したもの
である。

【図３】本発明によるルテニウム酸塩コンデンサ電極を
有する代替のコンデンサを断面図で示したものである。

【図４】本発明によるルテニウム酸塩コンデンサ電極を
作成する方法を断面図で示したものである。

【図５】本発明によるルテニウム酸塩コンデンサ電極を
作成する方法を断面図で示したものである。

【符号の説明】

１０ コンデンサ １２ 基板 １４ 拡散物 １６，２８ バリア層 １８，２０，２４，２６ 電極領域 ２２，３０ 誘電層 ３２ 導電層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コンデンサ（１０）であって：ルテニウ
   ム酸塩材料で形成された第１部分（２０または１８）を
   有する第１電極（２０，１８）；第２電極（２６）；お
   よび前記第１電極と前記第２電極との間に形成された誘
   電材料（２２）；によって構成されることを特徴とする
   コンデンサ（１０）。