(57)【要約】      （修正有）【課題】絶縁破壊電圧と漏れ電流特性の改善された薄膜コンデンサを提供する。【解決手段】薄膜コンデンサの第一電極２と、その反対側の第二電極３と、第一電極と第二電極の間に配置され、ドープされた誘電体層４１を有する誘電体層構造４を含む。ドープされた誘電体層は、ドープ剤をその中に含み、０原子／ｃｍ3より大きく、１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有する。誘電体層構造には、ドープされていない誘電体層を有してもよい。誘電体層はＳｉＯ２などの酸化物、ドープ剤はＡｌやＣｏなどを含む。電極はＦｅＣｏＮｉを含む強磁性合金からなる。【選択図】図２
2010258414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一電極（２）と、
前記第一電極（２）の反対側の第二電極（３）と、
前記第一電極（２）と前記第二電極（３）の間に配置され、ドープされた誘電体層（４１）を有する誘電体層構造（４）とを備え、
前記ドープされた誘電体層（４１）は、そのなかにドープ剤を含み、０原子／ｃｍ3より大きく、１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有する、薄膜コンデンサ。
【請求項２】
前記ドーピング濃度は、１０6原子／ｃｍ3から１０10原子／ｃｍ3にわたる、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項３】
前記ドープ剤は、遷移元素、IIIA族元素、VA族元素およびそれらの組み合わせからなる族から選択される、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項４】
前記ドープされた誘電体層（４１）は、酸化物から生成され、前記ドープ剤は、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓおよびそれらの組み合わせからなる族から選択される、請求項３に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項５】
前記ドープされた誘電体層（４１）は、５０ｎｍから３０００ｎｍにわたる層厚を有する、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項６】
前記ドープされた誘電体層（４１）の前記層厚は、５０ｎｍから５００ｎｍにわたる、請求項５に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項７】
前記誘電体層構造（４）は、少なくとも一つのドープされていない誘電体層（４２）を更に有する、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項８】
前記誘電体層構造（４）は、前記ドープされた誘電体層（４１）を間に挟む２つのドープされていない誘電体層（４２）を有する、請求項７に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項９】
前記ドープされていない誘電体層（４２）は、酸化物から生成される、請求項７に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１０】
前記ドープされていない誘電体層（４２）は、５０ｎｍから３０００ｎｍにわたる層厚を有する、請求項７に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１１】
前記ドープされていない誘電体層（４２）の前記層厚は、５０ｎｍから５００ｎｍにわたる、請求項１０に記載の薄膜コンデンサ
【請求項１２】
前記第一電極（２）と前記第二電極（３）のうちの少なくとも１つが金属導電体から生成される、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１３】
前記第一電極（２）と前記第二電極（３）のうちの少なくとも１つが磁性体から生成される、請求項１に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１４】
前記磁性体は、強磁性体または反強磁性体である、請求項１３に記載の薄膜コンデンサ。
【請求項１５】
前記強磁性体は、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金、ニッケル基合金、またはそれらの組み合わせであり、前記反強磁性体は、Ｍｎ基合金である、請求項１４に記載の薄膜コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年２月１２日に出願された米国分割特許出願第６１／２０２２６５号の優先権を主張する。
【０００２】
この発明は、薄膜コンデンサに関し、特に１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有するドープされた誘電体層を持つ薄膜コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１に示されるように、３層構造を有する従来のコンデンサ１は、第一電極１１と、第一電極１１の反対側にある第二電極１２と、絶縁体からなる誘電体層１３とを含む。
次式（Ｉ）に示されるように、３層構造の従来のコンデンサ１の静電容量（Ｃ）は、第一電極１１と第二電極１２のいずれか一方の面積（Ａ）と、誘電体層１３の誘電率（ε）とに比例し、誘電体層１３の層厚（ｄ）に反比例する。
Ｃ＝ε＊Ａ／ｄ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（Ｉ）
静電容量（Ｃ）は、第一電極１１と第二電極１２のいずれか一方または両方の面積（Ａ）と、誘電体層１３の誘電率（ε）を増やすことにより、そして、誘電体層１３の層厚（ｄ）を減らすことにより、増加させることができる。
【０００４】
誘電体層１３の誘電率（ε）は、誘電体材料の絶縁特性と、電界の下で誘導双極子モーメントを生成する能力と、自励双極子モーメントの大きさに関する固有の特性である。
誘電体の誘電率が高い程、印加電圧の下で濡れ電流やコンデンサの絶縁破壊を防止する能力が大きく、充電蓄積容量が高い、すなわちコンデンサの静電容量（Ｃ）は高い。
従来技術において、コンデンサの静電容量（Ｃ）を増加させるために、例えばＣａＣｕ3Ｔｉ4Ｏ12のような高い誘電率を有する、強力な誘電体材料を開発することはよく知られている。
【０００５】
従来のコンデンサ１において使用される誘電体層１３は、従来のコンデンサ１において生成される電界に対抗し、絶縁破壊電圧を増加させるために、一般に、その結晶性を増加させ、その多孔性を減少させる、８００℃より高い焼結温度の下で、焼結工法によって形成される。
しかしながら、このように形成される誘電体層１３の層厚（ｄ）は、数μｍより大きく、減らすことができない。
このため、従来のコンデンサ１の静電容量（Ｃ）は、更に増やすことができず、従来のコンデンサ１のサイズを小型化することができない。
【０００６】
誘電体層１３の層厚（ｄ）は、化学蒸着（ＣＶＤ）技術を用いて減少させることができる。
しかしながら、このように形成される誘電体層１３は、乏しい結晶性と高い多孔性を有する。
結果として、ＣＶＤ技術によって形成される誘電体層１３を有する従来のコンデンサ１は、より低い絶縁破壊電圧とより高い濡れ電流を有する可能性がある。
【０００７】
集積回路（ＩＣ）デバイスの寸法が縮小され続けるにつれて、ＩＣデバイスにおいて不可欠であるコンデンサの小型化は重要になっている。
薄膜コンデンサは、一般的に、例えばダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲＡＭ）のようなＩＣデバイスにおいて用いられ、通常は、２つの電極板に挟まれた誘電体材料の層を含んでいる。
従来、薄膜コンデンサに使用される誘電体材料は、二酸化珪素や窒化珪素などを含む。
しかしながら、層厚がある程度まで減らされると、これらの誘電体材料は、比較的高い濡れ電流と低い絶縁破壊電圧を呈する。
【０００８】
それ故に、従来技術において、ＩＣデバイスへの集積化に適合させるために、高い絶縁破壊電圧と低い濡れ電流を有する薄膜コンデンサを提供する必要性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上述した先行技術の欠点を解決することができる薄膜コンデンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明によれば、第一電極と、第一電極の反対側の第二電極と、第一電極と第二電極の間に配置され、ドープされた誘電体層を有する誘電体層構造とを備える薄膜コンデンサが提供される。
ドープされた誘電体層は、ドープ剤をその中に含み、０原子／ｃｍ3より大きく、１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有する。
【００１１】
本発明の他の特徴および効果は、添付図面を参照して行う以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来のコンデンサの断面図である。
【図２】この発明による薄膜コンデンサの第１の好ましい実施形態の断面図である。
【図３】この発明による薄膜コンデンサの第２の好ましい実施形態の断面図である。
【図４】この発明による薄膜コンデンサの第３の好ましい実施形態の断面図である。
【図５】実施例１（Ｅ１）および比較実施例（ＣＥ）の薄膜コンデンサについての電流（Ｉ）‐対‐印加電圧（Ｖ）のプロットである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２に示されるように、本発明による薄膜コンデンサの第１の好ましい実施形態は、第一電極２と、第一電極２の反対側の第二電極３と、第一電極２と第二電極３の間に配置され、ドープされた誘電体層４１を有する誘電体層構造４とを含む。
ドープされた誘電体層４１は、ドープ剤をその中に含み、０原子／ｃｍ3より大きく、１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有する。
ドープ剤は、遷移元素、IIIA族元素、VA族元素およびそれらの組み合わせからなる族から選択される。
【００１４】
好ましくは、ドープされた誘電体層４１のドーピング濃度は、１０6原子／ｃｍ3から１０10原子／ｃｍ3にわたる。
【００１５】
遷移元素は、IB族、IIB族、IIIB族、IVB族、VB族、VIB族、VIIB族およびVIIIB族を含む。
【００１６】
好ましくは、ドープされた誘電体層４１は酸化物から作られ、ドープ剤はＴｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓおよびそれらの組み合わせからなる群から選択される。
実施例において、酸化物はＳｉＯ2である。
【００１７】
好ましくは、ドープされた誘電体層４１は、５０ｎｍから３０００ｎｍにわたる層厚を有する。
より好ましくは、ドープされた誘電体層４１の層厚は、５０ｎｍから５００ｎｍにわたる。
【００１８】
好ましくは、第一電極２と第二電極３の少なくとも１つは、金属導電体から生成される。
【００１９】
好ましくは、第一電極２と第二電極３の少なくとも1つは、磁性体から生成される。
【００２０】
好ましくは、磁性体は、強磁性体または反強磁性体である。
より好ましくは、強磁性体は、Ｆｅ基合金、Ｃｏ基合金、ニッケル基合金またはそれらの組み合わせであり、反強磁性体は、Ｍｎ基合金である。
磁性体から生成される第一電極２と第電極３がスパッタリング技術によって形成されるときに、磁性体の磁気モーメントを固定し、磁性体の正味の磁化を増加させるように磁性体が形成される反応性チャンバ（図示せず）に対して、所定の向きを有する磁場を加えることができる。
【００２１】
図３に示されるように、この発明による薄膜コンデンサの第２の好ましい実施形態は、誘電体層構造４が、ドープされていない誘電体層４２を更に有することを除いて、第１の好ましい実施形態と類似している。
【００２２】
好ましくは、ドープされていない誘電体層４２は、例えばＳｉＯ2のような酸化物から生成される。
【００２３】
好ましくは、ドープされていない絶縁物層４２は、５０ｎｍから３０００ｎｍにわたる層厚を有する。
より好ましくは、ドープされていない誘電体層４２の層厚は、５０ｎｍから５００ｎｍにわたる。
【００２４】
図４に示されるように、この発明による薄膜コンデンサの第３の好ましい実施形態は、誘電体層構造４が、ドープされた誘電体層４１を挟む２つのドープされていない誘電体層４２を有することを除いて、第２の好ましい実施形態と類似している。
【００２５】
以下の実施例と比較実施例は、本発明の好ましい実施形態の利点を例示するために提供されるものであって、本発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。
【００２６】
＜実施例１（Ｅ１）＞
スパッタリング技術によって形成された実施例１（Ｅ１）の薄膜コンデンサは、Ａｌ原子とＣｏ原子がそのなかにドープされた、ドープされたＳｉＯ2層を含む。
ドープされたＳｉＯ2層は、５０ｎｍの層厚と約１０7原子／ｃｍ3のドーピング濃度を有する。
２つの電極は、ドープされたＳｉＯ2層をその間に挟む。
各々の電極は、２００μｍ×６００μｍ×３０μｍのサイズを有し、実施例１（Ｅ１）の薄膜コンデンサのなかで６８０ Ｏeから１５００ Ｏeの内部磁場が発生されるように、ＦｅＣｏＮｉ合金の磁性体から生成される。
実施例１（Ｅ１）の薄膜コンデンサの層構造は、ＦｅＣｏＮｉ合金／Ａｌ、ＣｏドープされたＳｉＯ2／ＦｅＣｏＮｉ合金である。
【００２７】
＜比較実施例（ＣＥ）＞
比較実施例（ＣＥ）の薄膜コンデンサは、ドープされたＳｉＯ2層が５０ｎｍの層厚を有するドープされないＳｉＯ2層に置き換えられ、電極がＰｔから生成されたことを除いて、実施例１（Ｅ１）と類似の層構造を有している。
比較実施例（ＣＥ）の薄膜コンデンサの層構造は、Ｐｔ／ドープされないＳｉＯ2／Ｐｔである。
【００２８】
＜電気的解析＞
実施例１（Ｅ１）および比較実施例（ＣＥ）に対して、電圧耐久試験が行われた。
その結果は、実施例１（Ｅ１）の薄膜コンデンサは、絶縁破壊することなく２７５Ｖの印加電圧に耐えることができたのに対して、比較実施例（ＣＥ）の薄膜コンデンサは、約７Ｖから８Ｖの絶縁破壊電圧を有するだけであることを示している。
【００２９】
図５は、実施例１（Ｅ１）および比較実施例（ＣＥ）の電気的特性を比較するために測定された電流（Ｉ）)‐対‐印加電圧（Ｖ）のプロットである。
その結果は、実施例１（Ｅ１）の薄膜コンデンサは、印加電圧を０Ｖから５Ｖに増加したときに、ほぼゼロの漏れ電流（ＫＥＩＴＨＬＥＹ２４００で測定して１０-8Ａ未満）を維持しているのに対して、比較実施例（ＣＥ）は、印加電圧を０Ｖから５Ｖに増加したときに、０Ａから１０-6Ａに増加する漏れ電流を有することを示している。
【００３０】
結論として、本発明による薄膜コンデンサにおいて、１０10原子／ｃｍ3より大きくないドーピング濃度を有するドープ誘電体層４１を用いることによって、絶縁破壊電圧を増加させることができ、濡れ電流を著しく減少させることができる。
【００３１】
本発明は、最も実際的で好ましい実施形態と考えられるものに関連して記載されているが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、最も広い解釈および等価な構成の範囲内に含まれるさまざまな構成をカバーすることを意図したものであると理解される。
【符号の説明】
【００３２】
１    従来のコンデンサ
１１  第一電極
１２  第二電極
１３  誘電体層
２    第一電極
３    第二電極
４    誘電体層構造
４１  ドープされた誘電体層
４２  ドープされていない誘電体層
【図１】
2010258414.tif 000003
【図２】
2010258414.tif 000004
【図３】
2010258414.tif 000005
【図４】
2010258414.tif 000006
【図５】
2010258414.tif 000007
【外国語明細書】
2010258414000001.pdf
2010258414000002.pdf
2010258414000003.pdf
2010258414000004.pdf