(57)【要約】【課題】誘電率の低下やリーク電流の増加等のキャパシタ特性の劣化を招かない薄膜高誘電体キャパシタおよびその製造方法を提供する。さらに、高周波領域で使用可能な薄膜高誘電体キャパシタ及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体基板表面の絶縁膜上に積層されたチタン及び白金の積層膜からなる下部電極と、下部電極上に積層された金属酸化物からなる高誘電体膜と、高誘電体膜上に積層された上部電極とを備えた薄膜高誘電体キャパシタにおいて、チタンの膜厚が、絶縁膜と白金との接着性を保ち、かつ白金の膜厚の１２％以下とし、かつＢａＳｒＴｉＯ３からなる高誘電体膜の厚さを２３０〜３１０ｎｍの範囲に設定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板表面の絶縁膜上に積層されたチタン及び白金の積層膜からなる下部電極と、該下部電極上に積層された金属酸化物からなる高誘電体膜と、該高誘電体膜上に積層された上部電極とを備えた薄膜高誘電体キャパシタにおいて、
前記チタンの膜厚が、前記絶縁膜と前記白金との接着性を保ち、かつ前記白金の膜厚の１２％以下であることと、
前記高誘電体膜はＢａＳｒＴｉＯ３からなり、厚さが２３０〜３１０ｎｍの範囲であることを特徴とする薄膜高誘電体キャパシタ。
【請求項２】
請求項１記載の薄膜高誘電体キャパシタにおいて、
前記高誘電体膜はＢａＳｒＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜の積層膜からなり、該積層膜の厚さが、１９０〜３００ｎｍであり、かつＳｒＴｉＯ３膜の厚さが少なくとも９０ｎｍであることを特徴とする薄膜高誘電体キャパシタ。
【請求項３】
半導体基板表面の絶縁膜上に、チタン及び白金の積層膜からなる下部電極を形成した後、該下部電極上に金属酸化物からなる高誘電体膜を形成する際、あるいは形成後に加熱処理を行う工程を含む薄膜高誘電体キャパシタの製造方法において、
前記チタンの膜厚が、前記絶縁膜と前記白金との接着性を保ち、かつ前記白金の膜厚の１２％以下である前記下部電極を形成する工程と、
該下部電極上に有機金属塗布法により、ＢａＳｒＴｉＯ３膜を形成した後、該ＢａＳｒＴｉＯ３膜上に有機金属塗布法により、ＳｒＴｉＯ３膜を積層形成し、該積層膜の厚さを、１９０〜３００ｎｍの範囲であり、かつＳｒＴｉＯ３膜の厚さが少なくとも９０ｎｍに形成する工程とを含むことを特徴とする薄膜高誘電体キャパシタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢａＴｉＯ３とＳｒＴｉＯ３の混晶系薄膜を用いた薄膜高誘電体キャパシタ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３高誘電体キャパシタの構造を図１（Ａ）に示す。図１（Ａ）に示すように、珪素あるいはガリウム砒素等からなる半導体基板１表面に、酸化珪素膜あるいは窒化珪素膜等の絶縁膜２が形成され、さらにその上にチタン膜／白金膜を積層した下部電極３、高誘電体膜４及び上部電極５が積層した構造となっている。
【０００３】
このような構造の薄膜高誘電体キャパシタは、次のような製造工程に従い形成されるのが一般的である。まず、半導体基板１上に絶縁膜２を形成する。絶縁膜２上に蒸着法あるいはスパッタ法等を用いて、チタン膜を１００ｎｍ程度、次に白金膜を３００ｎｍ程度の厚さに積層し、下部電極３を形成する（図２Ａ）。次に、下部電極３上にスパッタ法、ＣＶＤ法、有機金属塗布法等の方法により高誘電体膜４を形成する（図２Ｂ）。その後、高誘電体膜４上にチタン／白金／金の積層膜からなる積層からなる上部電極５を形成する（図２Ｃ）。
【０００４】
ここで、高誘電体膜４を形成する際、あるいは形成後に、結晶化を促進させ膜質を向上させるために、酸素雰囲気中で５００〜８００℃の加熱処理を行う。そのため下部電極３は、高融点で、かつ絶縁膜あるいは高誘電体膜４との界面反応が少ない白金膜が用いられる。しかし白金膜は、酸化珪素膜あるいは窒化珪素膜等の絶縁膜との接着力が弱いため、接着性を向上させるためチタン膜を介在させる必要があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構造の薄膜高誘電体キャパシタでは、チタン膜上に白金膜を積層しているため、白金膜の結晶性が劣化し、酸素を透過しやすくしてしまう。一方チタンは酸素ときわめて容易に結合するため、高誘電体膜形成の際の加熱処理工程において、白金膜を通過して高誘電体膜中の酸素を奪って結合してしまう。その結果、高誘電体膜の下部電極近傍に酸素欠陥が誘起され、誘電率の低下やリーク電流の増加等のキャパシタ特性の劣化を引き起こしてしまうという問題点があった。
【０００６】
このような問題点を解決するため、図１（Ｂ）に示すように下部電極３と高誘電体膜４の間に、耐圧の高い別の高誘電体膜６を積層することも試みられているが、下部電極４をチタン膜／白金膜を積層した形状では、白金膜の結晶性が劣化しており、それに起因して白金膜上に形成される高誘電体膜の結晶性も劣化してしまうため、必ずしも誘電率の低下やリーク電流の増加等を抑えることができなかった。さらに、一般に異種誘電体薄膜を積層したキャパシタは、積層した界面に表面電荷が蓄積し、界面分極と呼ばれる現象が起きるため、低周波側で誘電分散が起きてしまうという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消し、チタン膜と白金膜の積層膜を下部電極とした場合においても、誘電率の低下やリーク電流の増加等のキャパシタ特性の劣化を招かない薄膜高誘電体キャパシタおよびその製造方法を提供することを目的とする。さらに、高周波領域で使用可能な薄膜高誘電体キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、半導体基板表面の絶縁膜上に積層されたチタン及び白金の積層膜からなる下部電極と、該下部電極上に積層された金属酸化物からなる高誘電体膜と、該高誘電体膜上に積層された上部電極とを備えた薄膜高誘電体キャパシタにおいて、前記チタンの膜厚が、前記絶縁膜と前記白金との接着性を保ち、かつ前記白金の膜厚の１２％以下であることと、前記高誘電体膜はＢａＳｒＴｉＯ３からなり、厚さが２３０〜３１０ｎｍの範囲であることを特徴とするものである。
【０００９】
また請求項２に係る発明は、請求項１記載の薄膜高誘電体キャパシタにおいて、前記高誘電体膜はＢａＳｒＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜の積層膜からなり、該積層膜の厚さが、１９０〜３００ｎｍであり、かつＳｒＴｉＯ３膜の厚さが少なくとも９０ｎｍであることを特徴とするものである。
【００１０】
さらに請求項３に係る発明は、半導体基板表面の絶縁膜上に、チタン及び白金の積層膜からなる下部電極を形成した後、該下部電極上に金属酸化物からなる高誘電体膜を形成する際、あるいは形成後に加熱処理を行う工程を含む薄膜高誘電体キャパシタの製造方法において、前記チタンの膜厚が、前記絶縁膜と前記白金との接着性を保ち、かつ前記白金の膜厚の１２％以下である前記下部電極を形成する工程と、該下部電極上に有機金属塗布法により、ＢａＳｒＴｉＯ３膜を形成した後、該ＢａＳｒＴｉＯ３膜上に有機金属塗布法により、ＳｒＴｉＯ３膜を積層形成し、該積層膜の厚さを、１９０〜３００ｎｍの範囲であり、かつＳｒＴｉＯ３膜の厚さが少なくとも９０ｎｍに形成する工程とを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の薄膜高誘電体キャパシタの構造は、従来例で説明した構造と同様であり、図１に示すように、珪素あるいはガリウム砒素等からなる半導体基板１表面に、酸化珪素膜あるいは窒化珪素膜等の絶縁膜２が形成され、さらにその上にチタン膜／白金膜を積層した下部電極３、高誘電体膜４及び上部電極５が積層した構造となっている。
【００１２】
本発明では従来例と異なり、チタン膜の膜厚を少なくとも接着性が保つことができる厚さ、具体的には１０ｎｍから、白金膜の膜厚の１２％以下の範囲に設定している。チタン膜の厚さの上限は、図３に示すグラフより導き出された。図３に示すグラフは、白金膜の厚さを３００ｎｍとしてチタン膜の厚さを変化させ、それぞれの厚さにおいて、上部電極と下部電極間に３Ｖの電圧を印加した場合におけるリーク電流密度を示している。高誘電体膜は、２８０ｎｍのＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３を用いた。図３から明らかなように、白金膜厚に対してチタン膜厚が１５％を越えると、急激にリーク電流密度が増加することが分かる。キャパシタとして用いるためには、リーク電流密度が３×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とする必要があるので、チタン膜厚の上限を白金膜厚の１２％と設定した。
【００１３】
このようなリーク電流密度の減少は、高誘電体膜の厚さにも依存する。図４に上部電極と下部電極間に高誘電体膜としてＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３を積層し、その膜厚を変化させ、その厚さにおいて、上部電極と下部電極間に３Ｖを印加した場合のリーク電流密度を示す。ここで、下部電極の構造は、チタン膜の厚さを２０ｎｍ、白金膜の厚さを３００ｎｍとした（●印）。比較のため、下部電極の構造をチタン膜の厚さを１００ｎｍ、白金膜の厚さを３００ｎｍとしたものを示す（■印）。図４から明らかなように、下部電極の構造によらず、高誘電体膜の膜厚が増加するに従いリーク電流密度は減少し、その後増加する傾向を示している。具体的には、高誘電体膜の膜厚が２６０ｎｍ付近でリーク電流密度が減少している。
【００１４】
これらの結果から、チタン膜の厚さを所定の範囲に設定し、かつ高誘電体膜の厚さを所定の範囲に設定することで、リーク電流密度を抑えた高誘電体キャパシタが得られることがわかる。この場合、キャパシタとして用いるためには、リーク電流密度が３×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とする必要があるので、高誘電体膜厚の上限は、２３０ｎｍ〜３１０ｎｍに設定することが必要となる。
【００１５】
さらに図５は、下部電極として２０ｎｍのチタン膜／３００ｎｍの白金膜を用い、上部電極と下部電極間に高誘電体膜としてＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３を積層し、さらに耐圧の高い常誘電体としてＳｒＴｉＯ３を積層した構造の高誘電体キャパシタについて、同様にリーク電流密度の測定結果を示す。図５では、Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜の厚さを変化させ、さらにその上に９０ｎｍのＳｒＴｉＯ３膜を積層したとき、Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜のトータル膜厚において、上部電極と下部電極間に３Ｖの電圧を印加した場合のリーク電流密度を示す。ＳｒＴｉＯ３膜は、耐圧の高い材料として知られており、図４に示す場合より、リーク電流密度が低くなっていることがわかる。しかしこの場合においても、キャパシタとして用いるためには、リーク電流密度が３×１０−５Ａ／ｃｍ２以下とする必要があるので、高誘電体膜のトータル膜厚は、１９０〜３００ｎｍの範囲が適当であることがわかる。
【００１６】
図６は、下部電極として２０ｎｍのチタン膜／３００ｎｍの白金膜を用い、上部電極と下部電極間に印加する電圧を変化させたときのリーク電流密度の測定結果を示す。図６では、高誘電体膜として２８０ｎｍのＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜を用いた場合（▲印）、１４０ｎｍのＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜と９０ｎｍのＳｒＴｉＯ３膜の積層膜を用いた場合（●印）、比較のため２７０ｎｍのＳｒＴｉＯ３膜の単層を用いた場合（■印）についてそれぞれリーク電流密度を示している。印加電圧０〜５Ｖの範囲において、十分低いリーク電流密度であることがわかる。特にＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜の積層膜を用いた場合、ＳｒＴｉＯ３膜の単層を用いた場合と同じレベルのリーク電流密度を実現することができる。
【００１７】
図７に示すようにＢａの組成比ｘにより、比誘電率が大きく変化する。本発明では、Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜の積層膜を用いることで、比誘電率の高い誘電体膜を形成することができ、ＳｒＴｉＯ３膜の単層膜を用いる場合に比べて、面積を小さくすることができ、効果が大きい。また、ｘ＝０．７に限らず、０．５＜ｘ＜０．７の範囲の膜を使うことにより面積の小さい高誘電体キャパシタを形成することができる。
【００１８】
さらに図８は、下部電極として２０ｎｍのチタン膜／３００ｎｍの白金膜を用い、上部電極と下部電極間には高誘電体膜として１４０ｎｍのＢａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜と９０ｎｍのＳｒＴｉＯ３膜の積層膜を用いた高誘電体キャパシタについて、キャパシタ面積１００μｍ２当たりの静電容量と測定周波数との関係を示す。ここで、Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３膜とＳｒＴｉＯ３膜の積層膜は有機金属塗布法で形成した。即ち、Ｂａ０．７Ｓｒ０．３ＴｉＯ３有機金属塗布液を塗布し、その後、ＳｒＴｉＯ３有機金属塗布液を塗布し、３００〜４００℃で仮焼結を行った後、６００〜８００℃、酸素雰囲気で熱処理を行った。
【００１９】
本発明の薄膜高誘電体キャパシタは、有機金属塗布法により形成しているため、異種誘電体を積層した場合でも、２０ＧＨｚ付近まで顕著な誘電分散を起こさず、マイクロ波領域のキャパシタとして使用可能であることがわかる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、下部電極の構造及び高誘電体膜の厚さを所定の範囲に設定することで、リーク電流を低減した薄膜誘電体キャパシタを得ることができた。また特に異種誘電体を積層した場合、有機金属塗布法で形成することにより、リーク電流を低減するとともに、２０ＧＨｚ付近まで顕著な誘電分散を起こさない薄膜誘電体キャパシタを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】薄膜高誘電体キャパシタの構造を説明する図である。
【図２】薄膜高誘電体キャパシタの製造方法を説明する図である。
【図３】下部電極のチタン膜厚に対するリーク電流密度を示すグラフである。
【図４】高誘電体膜の膜厚に対するリーク電流密度を示すグラフである。
【図５】高誘電体膜の膜厚に対するリーク電流密度を示すグラフである。
【図６】上部電極と下部電極間の印加電圧に対するリーク電流密度を示すグラフである。
【図７】ＢａｘＳｒ１−ｘＴｉＯ３の組成比に対する比誘電率を示すグラフである。
【図８】測定周波数に対する容量を示すグラフである。
【符号の説明】
１　半導体基板
２　絶縁膜
３　下部電極
４　高誘電体膜
５　上部電極
６　別の高誘電体膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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