(57)【要約】【課題】リーク電流特性や疲労特性を維持しつつ直列抵抗を下げることができるキャパシタ回路を提供する。【解決手段】薄膜キャパシタ１０は、基板１２，下部電極１４，誘電体薄膜１６，上部電極１８からなり、必要に応じて誘電体薄膜１６と上部電極１８との界面に反応防止層２０が設けられる。下部電極１４には仕事関数の大きい貴金属が利用され、誘電体薄膜１６には、ペロブスカイト型酸化物薄膜が利用される。該誘電体薄膜１６には、リーク電流量低減のために微量の金属イオンが添加される。上部電極１８としては、比抵抗が低いＡｌ又はＡｌを主成分とする合金が利用される。回路中において、前記上部電極１８を高電位側に接続し、下部電極１４を低電位側に接続することにより、リーク電流特性及び疲労特性を維持しつつ、直列抵抗を低減することが可能となる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体薄膜の上下に第１及び第２の金属電極が配置されており、該金属電極間に極性非反転型の電圧を付加して構成されるキャパシタ回路において、
前記第１の金属電極を、前記第２の金属電極より仕事関数の大きな金属で形成するとともに、前記極性非反転電圧の低電位側に接続したことを特徴とするキャパシタ回路。
【請求項２】
前記第１の金属電極を貴金属によって形成して前記誘電体薄膜の下部に配置するとともに、前記第２の金属電極をＡｌ又はＡｌを主成分とする合金で形成して前記誘電体薄膜の上部に配置したことを特徴とする請求項１記載のキャパシタ回路。
【請求項３】
前記極性非反転電圧は直流バイアス信号であり、該直流バイアス信号の正極側が、前記第２の金属電極に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ回路。
【請求項４】
前記極性非反転電圧はハイ及びローで構成されるディジタル信号であり、該ディジタル信号の高電位側が、前記第２の金属電極に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ回路。
【請求項５】
前記極性非反転電圧は交流バイアス信号であり、該交流バイアス信号の高電位側が、前記第２の金属電極に接続されることを特徴とする請求項１又は２記載のキャパシタ回路。
【請求項６】
前記誘電体薄膜が、複数の原子価を取り得る金属イオンを不純物として含有するとともに、その含有量が、０．１ａｔ％以上１０ａｔ％以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のキャパシタ回路。
【請求項７】
前記誘電体薄膜と前記第２の金属電極との間に、導電性を有する反応防止層を挿入したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のキャパシタ回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体薄膜を用いたキャパシタ回路に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
携帯通信機器の発達により、電子機器の小型化や軽量化がますます進展しており、これら電子機器に用いられる電子回路においても、必須の回路素子であるキャパシタの小型化が一段と重要になってきている（特許文献１）。特に、集積回路の中においては、誘電体薄膜を用いた薄膜キャパシタが広く用いられるようになってきた。この薄膜キャパシタの絶縁体膜としては、従来、Ｓｉ半導体プロセスに好都合なＳｉＯやＳｉＮが用いられてきた。しかし、近年の小型化に伴い、化学式ＲＭＯ３で表される誘電率の大きなペロブスカイト型酸化物薄膜が注目されている（特許文献２）。
【０００３】
例えば、ＳｒＴｉＯ３薄膜は、室温において約３００近い誘電率を有し、かつ、１１０ＧＨｚまでの周波数で誘電率が一定であるという報告がある（非特許文献１）。また、これらのペロブスカイト型酸化物薄膜をバイパスキャパシタの絶縁膜に用いることによって、マイクロ波・ミリ波ＭＭＩＣデバイスの小型化の実現を可能とする報告もある（非特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−７４８９５号公報
【特許文献２】
特開平７−９３９６９号公報
【非特許文献１】
Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９９８年，３７巻，ｐ．２１０−２１４
【非特許文献２】
Ｔｈｅ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９９年，Ｅ８２−Ｃ，ｐ．１９２１−１９２７
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような背景技術では、上述した文献に記載されているように、一般的にペロブスカイト型酸化物薄膜を絶縁膜として用いたキャパシタの電極には、耐熱性・耐酸化性に優れたＰｔに代表される貴金属電極が用いられる。ところが、これら貴金属は、他の金属と比較して高抵抗であるとともに材料単価が非常に高いという不都合がある。こうした不都合を補うために、他の金属への置き換えが重要な検討課題となっている。
【０００６】
この有力な候補として、アルミニウム（Ａｌ）が考えられるが、Ａｌは、誘電体薄膜を形成するプロセスに制約を与えることもあるため、そのまま全てのＰｔ電極をＡｌ電極に置き換えることは望ましくない。そこで、強誘電体メモリ等で見られるようなＰｔ下部電極上に誘電体薄膜を形成し、その上にＡｌ電極を形成する手法が考えられる。
【０００７】
しかし、この手法では、プロセス上の制限は緩和されるものの、Ａｌ電極を原因としたリーク電流の増加が起こり得る。特に、直流バイアスが印加される場合には、リーク電流への影響が顕著となる。この直流バイアスとリーク電流との関係について開示した先行例としては、Ａｌ電極を正極，ポリシリコン電極を負極に電圧印加構成を設定したものがある（特許文献３及び４）。
【０００８】
【特許文献３】
特開平１０−７４８９５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１１１０００号公報
【０００９】
しかしながら、上述した特許文献３及び４の構成をそのまま適用してもリーク電流量低減効果は期待できない。その原因としては、Ａｌ電極の仕事関数よりも、ポリシリコン電極の仕事関数の方が小さく、この仕事関数の小さい電極が負極になるため、負極側のショットキー障壁が十分ではなく、その結果、電流が流れてしまうためと想定される。
【００１０】
この発明は、以上の点に着目したもので、誘電体薄膜形成のプロセスに耐えるとともに、リーク電流特性や疲労特性を維持した状態で直列抵抗を下げることができるキャパシタ回路を提供することを、その目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、誘電体薄膜の上下に第１及び第２の金属電極が配置されており、該金属電極間に極性非反転型の電圧を付加して構成されるキャパシタ回路において、前記第１の金属電極を、前記第２の金属電極より仕事関数の大きな金属で形成するとともに、前記極性非反転電圧の低電位側に接続したことを特徴とする。
【００１２】
ここで、極性非反転型電圧とは、例えば、直流電圧のように、正極と負極が常に固定された直流バイアス電圧のような正極と負極が反転しない電圧を意味する。他にも、ＤＲＡＭ等で使用されるような、ハイ及びローで構成されるディジタル信号や、電源回路の整流用キャパシタに印加されるような交流であっても極性の反転しない交流バイアス信号がある。
【００１３】
薄膜キャパシタのリーク電流は、電極と誘電体薄膜との界面に形成されるショットキー障壁の大きさで決定されるが、この障壁高さは誘電体薄膜のバンドギャップ・フェルミ準位と各金属電極の仕事関数の関係で決まる。例えば、ｎ型のＳｒＴｉＯ３薄膜の場合、電極薄膜の仕事関数が大きいほど、界面に形成されるショットキー障壁が高くなる。
【００１４】
このため、仕事関数の大きな金属電極側が低電位に設定される構成を採用した本発明では、反対側の電極に仕事関数の小さな金属を使用しても、キャパシタのリーク電流量は仕事関数の大きな電極側に律則されるため、顕著なリーク電流の増加は起こらず、十分実用に耐え得る水準のキャパシタ回路を提供することができる。
【００１５】
更に、本構成では、下部電極側に誘電体薄膜プロセスに耐え得る貴金属を使用したとしても、仕事関数の小さな金属電極としてＡｌ又はＡｌを主成分とする合金を使用することができる。このため、Ｐｔ等の貴金属を上下の電極に使用する場合に比べて、誘電体薄膜プロセスに耐え得る低抵抗化，低コスト化が実現できる。なお、仕事関数の小さな金属電極（上部電極）としては、上述したＡｌのほか、ＣｕやＣｕを主成分とした合金，Ｃｒなどの他の金属についても同様の議論がなりたつ。
【００１６】
また望ましくは、前記誘電体薄膜に、複数の原子価を取り得る金属イオンを不純物として０．１ａｔ％（原子％）以上１０ａｔ％以下含有させて誘電体薄膜のリーク電流低減効果を組み込む構成や、第２の金属電極と誘電体薄膜との間に導電性を有する反応防止層を挿入し、誘電体薄膜が第２の金属電極の影響を受けにくくなるような構成を適宜採用するとよい。これにより、キャパシタ回路の信頼性をより高めることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
＜実施の形態＞……以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。最初に、図１を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明を適用した薄膜キャパシタの積層構造を示す断面図である。同図に示すように、薄膜キャパシタ１０は、基板１２上に、下部電極１４，誘電体薄膜１６，上部電極１８を順に積層した積層構造となっている。
【００１８】
基板１４としては、Ｓｉ，ＳｉＯ２／Ｓｉ，ＧａＡｓ，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，ＳｉＣ，ＳｉＮ／Ｓｉ，ガラスのほか、ポリイミド・ＢＣＢなどの有機化合物を利用することができる。下部電極１４としては、誘電体薄膜１６の形成時に高温の酸素雰囲気中に曝されても酸化しない材料，もしくは酸化されても影響を受けないものが好ましく、例えば、Ｐｔが好適であるが、この他にも、Ａｕ，Ｉｒ，Ｒｕ，Ｐｄなどの貴金属を利用することができる。
【００１９】
また、誘電体薄膜１６としては、一般式ＲＭＯ３で表されるペロブスカイト構造を主成分とする高誘電率のもの，具体的にはＳｉＯ２（ε＝４）やＳｉＮ（ε＝９）よりも高誘電率のものが使用される。上述したＲＭＯ３のうち、Ｒは、Ｂａ，Ｓｒ，Ｐｂ，Ｃａ，Ｌａ，Ｌｉ，Ｋから選択した少なくとも１種の元素，Ｍは、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ，Ｚｎのうちから選択した少なくとも１種の元素であり、例えば（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３，ＳｒＴｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３，（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３などが挙げられる。
【００２０】
更に、誘電体薄膜１６には、薄膜キャパシタ１０のリーク電流低減に効果がある不純物元素として、複数の原子価を取り得る金属イオンを０．１ａｔ％（原子％）以上１０ａｔ％以下添加するようにしてもよい。このような金属イオンとしては、ＭｎやＣｒなどの遷移金属元素，Ｈｏ，Ｙ，Ｙｂなどの希土類元素が利用できる。誘電体薄膜１６上に形成される上部電極１８としては、抵抗率が低く加工性が良好で、かつ、安価であるという点から、Ａｌ又はＡｌを主成分とする合金が利用される。
【００２１】
以上のような構成の薄膜キャパシタ１０のリーク電流特性は、電界を印加したときに電子が越える（電極／誘電体薄膜の界面に形成される）ショットキー障壁の高さに規定される。このショットキー障壁高さは、電極金属の仕事関数と誘電体薄膜のバンドギャップ（フェルミ準位）の関係で決定される。従って、Ｐｔのように仕事関数が大きな金属が電極である場合には、障壁が低くなるために結果的にリーク電流量が小さく、逆に、Ａｌのように仕事関数が小さな金属を電極にすると、障壁が低くなるためにリーク電流量が増大する。しかしながら、Ａｌの比抵抗は２．７６×１０−６Ω・ｃｍであり、Ｐｔの比抵抗１０．８×１０−６Ω・ｃｍの約１／４程度と低抵抗であることから、Ａｌを薄膜キャパシタ素子１０の上部電極１８の材料として用いる利点は極めて大きい。
【００２２】
次に、図１に示した薄膜キャパシタ１０の積層構造の製造プロセスについて説明する。まず、基板１２の温度を１００〜６００℃に維持した状態で、下部電極１４として、例えば、Ｐｔをスパッタ法により堆積する。該下部電極１４は、不活性ガス中において、膜厚約５０〜５００ｎｍとなるまで堆積される。なお、下部電極１４は、蒸着法など他の手法により堆積するようにしてもよい。
【００２３】
下部電極１４を形成後、誘電体薄膜１６を堆積させる。誘電体薄膜１６は、例えば、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３ターゲットを用いて、純Ａｒ雰囲気，あるいは、ＡｒとＯ２の混合ガス雰囲気内で、反応性マグネトロンスパッタ法により成膜することができる。成膜時の条件としては、全ガス圧０．１〜１００ｍＴｏｒｒ，酸素分圧０〜１００％とし、成膜時の基板温度は２５０〜７００℃，膜厚５０〜５００ｎｍとする。なお、誘電体薄膜１６の成膜方法は、スパッタ法のほか、ＭＯＣＶＤ法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：有機金属化学気相蒸着法）のほか、ＰＬＤ（Ｐｕｌｓｅｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法，ゾルゲル法などを含む種々の手法により成膜するようにしてもよい。
【００２４】
前記誘電体薄膜１６上に、低抵抗金属であるＡｌ又はＡｌを主成分とする合金を上部電極１８として堆積することにより、キャパシタ構造が形成される。該上部電極１８は、蒸着又はスパッタ法により、室温〜４００℃の温度範囲において、膜厚１０〜３０００ｎｍとなるように堆積される。
【００２５】
図２には、以上の手順に従って作成された薄膜キャパシタの電気特性の一例が示されている。図２（Ａ）は、誘電体薄膜１６に対する金属イオンの添加量の依存性を示すグラフであり、同図（Ｂ）は、上部電極としてＡｌとＰｔを利用した場合のリーク特性を比較して示すグラフである。なお、図２における電気特性は、薄膜キャパシタ１０の下部電極１４をグランド（アース）としたときに上部電極１８に印加した電圧ないし電界（横軸）と電流量（縦軸）の関係を示すものである。
【００２６】
まず、同図（Ａ）を参照し、下部電極１４としてＰｔ，誘電体薄膜１６としてＳｒ（Ｔｉ，Ｍｎ）Ｏ３，上部電極１８としてＡｌを利用して形成した薄膜キャパシタ１０における金属イオンの添加量依存性について検討する。なお、誘電体薄膜１６に添加する微量金属イオンとしてはＭｎを利用し、その添加量を０，１，５ａｔ％と変化させて作製した各サンプルについて測定を行った。同図の電圧が負のグラフ（左側）をみると、Ｍｎを添加することによりリーク電流量が低減されていることが分かる。同図の電圧が正のグラフ（右側）をみると、適量のＭｎを添加することによりリーク電流量が低減されるが、更に添加量を増やすと逆にリーク電流が増大することが分かる。
【００２７】
次に、図２（Ｂ）を参照して、上部電極１８の違いによるリーク電流変化について検討する。同図は、下部電極１４としてＰｔ，誘電体薄膜１６としてＳｒ（Ｔｉ，Ｍｎ）Ｏ３，上部電極１８としてＡｌを利用したサンプルと、それに対する比較例として上部電極１８にＰｔを利用したサンプルを比較して示すグラフである。同図によれば、上部電極１８側が負の電圧の場合（グラフの左側）、Ａｌを上部電極１８として利用した本実施形態のリーク電流量は極めて大きい。しかし、逆に、上部電極１８側が正の電圧の場合（グラフの右側）、上下両電極にＰｔを用いた比較例と比べて、ほぼ同等のリーク特性を有することが確認できる。
【００２８】
一般的な高周波回路において、ペロブスカイト型酸化物薄膜が主に絶縁膜として利用されるバイパスキャパシタは、信号ラインとグランドとの接続個所に使用される。このため、キャパシタにかかる電圧の極性は、動作時において多くの場合反転しない。従って、図２（Ｂ）の結果からすれば、回路中での高電位側に上部電極（Ａｌ）１８，低電位側に下部電極（Ｐｔ）１４が接続されるように電子回路をあらかじめ設計することで、薄膜キャパシタ１０に流れるリーク電流量の抑制が可能となる。
【００２９】
このように、本実施形態によれば、薄膜キャパシタ１０の上部電極１８にＡｌ又はＡｌを主成分とする合金を利用し、下部電極１４に前記上部電極１８よりも仕事関数の大きな金属を使用するとともに、該下部電極１４側を低電位側となるように回路構成をとることとしたので、直列抵抗が低く、かつ、回路中での損失を抑制し、薄膜キャパシタ１０自身の疲労特性を向上させることが可能となる。
【００３０】
また、同様の手法を用いることにより、チューナブルデバイスやフェイズシフタ中のバリアブルコンデンサとして薄膜キャパシタ１０を利用する場合にも、高電位側に上部Ａｌ電極，低電位側に下部Ｐｔ電極が接続するように、電界を印加することにより、リーク電流を抑制し、かつ、良好なチューナビリティ性を発現させることが可能となる。
【００３１】
＜実施例＞……次に、本発明の実施例について図３を参照して説明する。図３は、本実施例の積層構造を示す断面図である。同図に示す薄膜キャパシタ３０の積層構造は、上述した実施形態と同様であり、Ｓｉによる基板３２上に、下部電極３４としてＰｔ／ＴｉＯｘ薄膜，誘電体薄膜３６として高誘電率のＳｒＴｉＯ３薄膜，上部電極３８としてＡｌを積層した構造となっており、その積層方法も同様である。
【００３２】
このような薄膜キャパシタ３０を回路に組み込む場合には、前記上部電極３８，誘電体薄膜３６，下部電極３４を上の層から順次エッチングすることにより加工を施す。まず、図示しないフォトレジスト層を形成して上部電極３８の領域を決定し、反応性もしくは物理的イオンエッチングによって、誘電体薄膜３６表面に達するまでエッチングを施す。続いて、該フォトレジストを剥離し、別のフォトレジスト層（図示せず）を形成して誘電体薄膜３６の領域を決定する。そして、誘電体薄膜３６を、反応性もしくは物理的イオンエッチング，あるいは湿式エッチングにより加工する。該エッチングは、下部電極３４の表面において停止・終了する。最後に、第３のフォトレジスト層（図示せず）を利用して、前記誘電体薄膜３６よりも大きくなるように下部電極３４の領域を決定し、反応性又は物理的エッチングにより、Ｓｉ基板３２の表面に達するまでエッチングを施す。
【００３３】
そして、上述した薄膜キャパシタ３０の上部電極３８に、リード線４０を介して正の電圧を印加し、下部電極３４には、リード線４２を介して負の電圧を印加する。このように、上部電極３８が高電位側，下部電極３４が低電位側となるように回路を設計することにより、上下両電極としてＰｔを利用した場合と同程度のリーク電流特性を維持しつつ、直列抵抗成分を低減したキャパシタを形成することが可能となる。また、上述したように、リーク電流を抑制した影響により、上下両電極にＰｔを用いた場合とほぼ同等の長期の信頼性（疲労特性に加え、高温多湿環境下における劣化や水素還元による劣化を含めた特性など）を確保することができる。
【００３４】
＜他の実施形態＞……本発明には数多くの実施形態があり、以上の開示に基づいて多様に改変することが可能である。例えば、次のようなものも含まれる。
（１）前記形態では、誘電体薄膜１６上に直接上部電極１８を形成することとしたが、図１（Ｂ）に示すように、誘電体薄膜１６と上部電極１８との界面に、反応防止層２０として極めて薄い導電層を挿入するようにしてもよい。上部電極１８として利用するＡｌ又はＡｌを主成分とする合金は、酸化物と反応しやすい傾向にあるため、上述した反応防止層２０を挿入すると都合がよい。このような反応防止層２０としては、ＴｉＮやＴａＮに代表される窒化物薄膜や、ＴｉＣに代表される炭化物薄膜などが利用できる。また、反応防止層２０の厚みとしては、通常、窒化物の比抵抗はＰｔなどの貴金属と比較して高いため、電極損失を抑える目的から薄くして低抵抗化した方がよく、例えば、１〜１００ｎｍ程度に設定することが好ましい。このような反応防止層２０を挿入することにより、薄膜キャパシタ１０の耐熱性が向上し、素子製作時の上限温度を引き上げることができる。
【００３５】
（２）上述した基板，下部電極，誘電体薄膜，反応防止層の構成材料は一例であり、必要に応じて各種のものを利用することができる。また、誘電体薄膜については、エピタキシャル成長により形成してもよいし、そうでなくてもよい。
（３）前記形態で示した形状・寸法も一例であり、同様の作用を奏するように設計変更可能である。電極の引き出し構造なども任意であり、適宜変更してよい。
（４）前記形態で示した製造方法や製造条件は一例であり、何ら前記実施形態に限定されるものではない。
（５）本発明の具体的な用途としては、バイパスコンデンサ，ＤＲＡＭメモリ用キャパシタなどがあり、その他多様な応用が可能である。特に、バイアスがかかるような回路部位に適している。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘電体薄膜の上下に第１及び第２の金属電極が配置されており、該金属電極間に極性非反転型の電圧を付加して構成されるキャパシタ回路において、前記第１の金属電極を、前記第２の金属電極より仕事関数の大きな金属で形成するとともに、前記極性非反転電圧の低電位側に接続することとしたので、直列抵抗を下げることができるとともに、回路中でのリーク電流量を低減し、疲労特性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の薄膜キャパシタの積層構造を示す断面図である。
【図２】前記形態のリーク電流特性を示す図であり、（Ａ）はＭｎの添加量依存性を示し、（Ｂ）は上部電極材料による特性変化を示す図である。
【図３】本発明の実施例の積層構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０…薄膜キャパシタ
１２…基板
１４…下部電極
１６…誘電体薄膜
１８…上部電極
２０…反応防止層
３０…薄膜キャパシタ
３２…基板
３４…下部電極
３６…誘電体薄膜
３８…上部電極
４０，４２…リード線
【図１】
2004146615.tif 000003
【図２】
2004146615.tif 000004
【図３】
2004146615.tif 000005