JP3207110B2 - コンデンサとその形成方法 - Google Patents

コンデンサとその形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コンデンサ、特
に、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＤＲ
ＡＭ）におけるコンデンサ用のけい酸鉛の誘電体膜に関
する。
【０００２】
【従来の技術】ダイナミック・ランダム・アクセス・メ
モリ（ＤＲＡＭ）集積回路，或はチップは、現在世界中
で使用されている殆どのコンピュータ・メモリ・アプリ
ケーションの基礎となるものである。これらの重要なチ
ップは、多くの製造業者によって製造，研究，開発され
ている。その基本デバイスは、関連した読取り及び書込
み接続部を有するトランジスタやコンデンサから構成さ
れる。情報は、コンデンサが充填された状態で記憶さ
れ、リークのために定期的にリフレッシュしなければな
らない。製造における最も進歩したＤＲＡＭ回路は、比
誘電率が約４のシリコンの酸化物−窒化物−酸化物（Ｏ
−Ｎ−Ｏ）のサンドイッチによるトレンチ・コンデンサ
を１バージョンで使用する２５６メガビットのチップで
ある。誘電体層の厚さは約７ｎｍである。深いトレンチ
は、作製するのに時間がかかりまた相対的に高価である
ので、多くの労力が他の技術に捧げられている。さらに
将来は、高容量のＤＲＡＭ回路は十分に薄い誘電体層を
要求し、電子トンネルの限界が近づいている。世界中で
多大の努力が、高い誘電率を有する他の誘電体材料と改
良或は変更された構造に捧げられている。このような開
発によってトレンチを回避できる、と期待される。
【０００３】多くの高誘電率の材料が知られ、そのいく
つかはＤＲＡＭアプリケーション用に研究されている。
今日、高誘電率の材料によって、１００ｎｍ以下の誘電
体の厚さが期待できる。これらの材料は、チタン酸スト
ロンチウム（ＳＴＯ）とチタン酸バリウム（ＢＴＯ）と
それらの混合物を含む。これらの周知の材料よりなる膜
についての誘電率の範囲は、数百から８００以上であ
る。鉛チタン酸ジルコニウム（ＰＺＴ）と鉛チタン酸ラ
ンタン（ＰＬＴ）の混合物もまた、高誘電体材料となり
得る。これらの材料が使用されるとき、それらは一般的
には、白金の下部電極の上に堆積される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】化学的に相互作用し
て、必要な誘電体層に連続して、或はその下方に酸化シ
リコン層を形成する、下部電極と誘電体層との問題を克
服することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決する手段】本発明によれば、コンデンサ
と、ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリや他の
アプリケーション用のコンデンサのようなものを製造す
る方法とが、例えば、シリコン，ゲルマニウムシリコ
ン，金属，或はけい酸金属でできた下部電極と、けい酸
バリウム或はけい酸鉛，けい酸鉛ガラス，或はこれらの
組合わせでできた誘電体層と、例えば、金属，けい酸
塩，或は半導体でできた上部電極と、から成る構成で提
供する。
【０００６】本発明は，さらに、下部電極と、けい酸バ
リウムかけい酸鉛でできた第１の誘電体層と、比誘電率
が５０以上の高誘電率材料でできた第２の誘電体層と、
上部電極とを備えるコンデンサを提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】図面の中の図１と図２は、コンデ
ンサ１０を示している。図１は、図２の線１−１で切断
した断面図である。基板１２は、コンデンサ１０の下部
電極として働く、上面１３をその上部に有す導体層１５
を有している。或は、層１５を削除して、基板１２自体
をコンデンサ１０の下部電極として働かせることができ
る。けい酸鉛，けい酸鉛ガラス，またはそれらの混合物
から成る誘電体層１４は、層１５の上に形成される。上
部すなわちカウンタ電極１６は、誘電体層１４の上に形
成される。
【０００８】基板１２は、一般的に、層１５，１４，１
６よりもかなり厚く、バルク・シリコン，ゲルマニウ
ム，ゲルマニウムとシリコンの合金，シリコン・オン・
絶縁体（ＳＯＩ），シリコンゲルマニウム・オン・絶縁
体，ポリシリコン，或はアモルファスシリコンである。
層１５は、数ｎｍと薄く、一方、基板１２の厚さは、薄
膜基板の場合に約１０ｎｍ、シリコンチップの場合に数
１０分の１ｍｍ，バルクシリコン基板の場合に数ｍｍに
変化することができる。層１５と電極１６は、白金の金
属層，シリコンの導体合金，ドーピングが１０18原子／
ｃｃより大きい密にドーピングされたシリコン或はポリ
シリコンであるか、或はそれを含むことができる。層１
５或は電極１６は、電圧のバイアスによって導通でき
る。誘電体層１４は数ｎｍから約１０００ｎｍまでの範
囲の厚さを有している。
【０００９】図２は、下部電極としての層１５と、上部
電極としての電極１６とを備えるコンデンサ１０の斜視
図である。電極１６はまた、回路の他の部品と接続する
のに役立ち、このような場合に、集積回路の製造に通常
使用されるリソグラフィ技術によってパターニングされ
る。
【００１０】図３は、基板１２，層１５，誘電体層１
８，上部電極１６を備えるコンデンサを示している。図
３において、図１と図２の装置に相当する機能には同一
の参照番号が使用される。誘電体層１８は、誘電体層１
４と同じ材料でできた誘電体層１９と，誘電体層１９に
設けられた上部の誘電体層２０とから構成されている。
誘電体層２０は、５０以上の比誘電率を有する高誘電率
誘電体材料から成る。誘電体層２０は、次の材料の１つ
以上を含んでいる。すなわち、チタン酸バリウムと，チ
タン酸ストロンチウムと，チタン酸バリウムとチタン酸
ストロンチウムの混合物と，鉛チタン酸ランタンと，タ
ンタル酸と，ＰｂＢｉ2 ＴａＮｂＯ9 ，ＳｒＢｉ2 Ｔａ
ＮｂＯ9 ，ＢａＢｉ2 ＴａＮｂＯ9 を含むニオブ酸と，
Ｃ．Ａ．Ｐａｚ ｄｅ Ａｒａｕｊｏによって１９９３
年１月２４日に発行されたＰＣＴ出願公開公報ＷＯ／１
２５４２に記載された他の高誘電率材料とである。この
積層誘電体における総容量は、直列の２つの誘電体層１
９と２０によるものである。
【００１１】図４は、基板１２，層１５，誘電体層２
５，上部電極１６を備えるコンデンサ２２を示す。図４
において、図１，２，３の装置に相当する機能には同一
の参照番号が使用される。誘電体層２５は、誘電体層１
９，誘電体層２０，誘電体層２４から構成されている。
誘電体層２４は、誘電体層１４と同じ材料とすることが
きる。さらに、追加の誘電体層を加えて、コンデンサを
カスタマイズすることもできる。
【００１２】図５は、基板１２，層１５，誘電体層２
０，上部電極１６を備えるコンデンサ２８を示す。図５
において、図１，２，３の装置に相当する機能には同一
の参照番号が使用される。
【００１３】図６は、基板１２，溝３６，溝側壁３８上
の誘電体層３７，中央電極３９を備えるコンデンサ３５
を示したものである。
【００１４】図７は、メサすなわちスタック５１を有す
る基板１２を備えるコンデンサ５０を示している。メサ
５１を有することによって、コンデンサの有効面積は、
図１におけるコンデンサのような平坦なデバイスよりも
増加するが、より多くの加工が必要とされる。基板１２
は、コンデンサ５０のベース電極として示される。誘電
体層５６は、メサ５１の側壁５２と上部５３を覆う様に
示されている。カウンタ電極５４は、図７に示す様に、
側壁５２と上部５３の上の誘電体層５６を覆っている。
誘電体層５６は、誘電体層１４，１８，２５のうちの１
つとすることができる。
【００１５】図１に示したコンデンサ１０を形成する方
法では、図８に示すように、二酸化シリコンのような薄
い酸化シリコンのベース層６０が、基板１２の上面１３
上に形成される。酸化シリコンのベース層６０は、蒸
着，或は基板から上面１３を通って酸化シリコンのベー
ス層６０に、シリコンを拡散することによって形成され
る。そこでシリコン原子は、周囲の酸素と結合し、薄い
酸化シリコンのベース層６０を形成する。次に、鉛イオ
ンは、酸化シリコンのベース層６０に矢印６４によって
示す様にイオン注入され、けい酸鉛の層６２を形成す
る。他の方法として、鉛原子を、薄い酸化シリコンのベ
ース層６０の表面上に堆積することもできる。けい酸鉛
層６２の効果的な形成は、けい酸鉛層６２の連続した熱
処理によって促進することができる。
【００１６】図１０と図１１は、高誘電率誘電体層２０
の形成における重要な工程を示している。図１０は、す
でに設けられているけい酸鉛の膜６２を有する基板１２
を示す。高誘電率材料が、堆積され、けい酸鉛の層６２
の上に所定の厚さを有する誘電体層６７を形成する。次
に、カウンタ電極６８が、誘電体層６７の上に堆積さ
れ、周知の技術によってパターニングされる。高誘電率
材料６６は、層１８と層１９について上述したような、
プロブスカイトをベースにした材料から選ばれている。
他の高誘電率誘電体層６６は、ニオブ酸やタンタル酸の
ようなものでも良い。けい酸鉛６２の上に高誘電率材料
を堆積することによって、二酸化シリコンの上に高誘電
率材料６６が堆積された結果得られる総容量よりも増加
する。その理由は、二酸化シリコンの比誘電率は約４で
あり、一方、けい酸鉛層の比誘電率は１６くらいになり
得るからである。図１１に示すように、薄いけい酸鉛層
６２はまた、高い誘電率材料６６と、層１５やその下の
基板１２との間で、原子とイオンの緩衝層として働く。
【００１７】けい酸バリウムのような他の材料はまた、
けい酸鉛の代わりに使用でき、特定な応用に有効であ
る。しかしながら、他のけい酸塩は、二酸化シリコンよ
りも高い誘電率を有するが、一般的に、けい酸鉛よりも
低い値を有する。
【００１８】以上は、けい酸鉛，けい酸バリウムのみよ
りなる誘電体層、或はチタン酸バリウム，チタン酸スト
ロンチウム，これの混合物，鉛チタン酸ランタン（ＰＬ
Ｔ）のような高誘電率材料を含む層との組合せよりなる
誘電体層を有するコンデンサとその形成方法について説
明したが、当業者であれば、単に特許請求の範囲によっ
て限定された、本発明の広い範囲から逸脱することな
く、その変形や変更ができることがわかるであろう。
【００１９】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。 （１）下部電極と、けい酸バリウム，けい酸鉛，けい酸
バリウムとけい酸鉛の混合物から成る群から選択された
第１の材料よりなる第１の誘電体層と、上部電極と、を
備えるコンデンサ。 （２）前記誘電体層が、けい酸鉛ガラスを含む、上記
（１）に記載のコンデンサ。 （３）前記下部電極が、ドープされた半導体である、上
記（１）に記載のコンデンサ。 （４）チタン酸バリウム，チタン酸ストロンチウム，チ
タン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの混合物，鉛
チタン酸ランタン，鉛チタン酸ジルコニウムから成る群
から選択された第２の材料よりなる第２の誘電体層をさ
らに備え、前記第２の誘電体層が前記第１の誘電体層の
上に形成された、上記（１）に記載のコンデンサ。 （５）前記第１の材料よりなる第３の誘電体層をさらに
備える、上記（４）に記載のコンデンサ。 （６）半導体基板と、前記半導体基板に形成された２つ
の主側壁と底面を有する溝と、前記半導体基板の前記２
つの主側壁と前記底面に形成された第１の電極と、前記
２つの主側壁と底面の上に、けい酸バリウム，けい酸
鉛，けい酸バリウムとけい酸鉛の混合物から成る群から
選択された第１の材料で形成された第１の誘電体層と、
前記溝の中の前記第１の誘電体層の上に形成された第２
の電極と、を備えるコンデンサ。 （７）前記第１の誘電体層の上に、チタン酸バリウム，
チタン酸ストロンチウム，チタン酸バリウムとチタン酸
ストロンチウムの混合物，鉛チタン酸ランタン，鉛ジル
コニウムから成る群から選択された第２の材料で形成さ
れた第２の誘電体層をさらに備える、上記（６）に記載
のコンデンサ。 （８）前記第２の誘電体層の上に、前記第１の材料で形
成された第３の誘電体層をさらに備える、上記（７）に
記載のコンデンサ。 （９）半導体基板と、少なくとも１つの側壁と、前記側
壁に隣接する上面とを有する前記半導体基板に形成され
たメサと、前記少なくとも１つの側壁と前記上面の表面
に形成された第１の電極と、前記少なくとも１つの側壁
と前記上面の上に、けい酸バリウム，けい酸鉛，けい酸
バリウムとけい酸鉛の混合物から成る群から選択された
第１の材料で形成された第１の誘電体層と、前記第１の
誘電体層の上に形成された第２の電極と、を備えるコン
デンサ。 （１０）チタン酸バリウム，チタン酸ストロンチウム，
チタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの混合物，
鉛チタン酸ランタン，鉛チタン酸ジルコニウムから成る
群から選択された第２の材料よりなる第２の誘電体層を
さらに備える、上記（９）に記載のコンデンサ。 （１１）前記第２の誘電体層の上に、前記第１の材料で
形成された第３の誘電体層をさらに備える、上記（１
０）に記載のコンデンサ。 （１２）コンデンサを形成する方法において，半導体基
板の上に二酸化シリコン層を形成する工程と、前記二酸
化シリコン層の上面に、バリウムと鉛から成る群から選
択された第１の材料を、蒸着，イオン注入，電気めっき
から成る工程から選択された工程で、膜を形成する工程
と、けい酸バリウム，けい酸鉛，それらの混合物，二酸
化シリコンとの混合物から成る群から選択された第２の
材料で、前記第１の誘電体層を形成するために、前記二
酸化シリコン層と第１の材料よりなる前記膜の温度を上
昇させることによって、前記二酸化シリコン層に前記材
料の原子を拡散させる工程と、第１の材料よりなる前記
膜の残りを取り除き、前記第１の誘電体層の上に上部電
極を形成する工程と、を含む、コンデンサを形成する方
法。 （１３）前記第１の誘電体層の上に、ゾル・ゲル堆積，
スパッタリング，有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）から
成る群から選択された方法によって堆積された、１００
以上の高誘電率の材料よりなる前記第３の材料で、第２
の誘電体層を形成する工程をさらに含む、上記（１２）
に記載のコンデンサを形成する方法。 （１４）コンデンサのアレイを形成する方法において、
半導体基板の上に二酸化シリコン層を形成する工程と、
前記二酸化シリコン層の上面に、バリウムと鉛から成る
群から選択された第１材料を、蒸着，イオン注入，電気
めっきから成る工程から選択された工程で、膜を形成す
る工程と、第１の誘電体層を形成するために、前記二酸
化シリコン層に前記第１の材料の原子を拡散させる工程
と、前記第１の誘電体層の上の第１の材料よりなる前記
膜の残りの部分を取り除く工程と、前記第１の誘電体層
の上に金属のブランケット層を形成する工程と、コンデ
ンサの前記アレイを形成するために、前記金属のブラケ
ット層と前記第１の誘電体層をパターニングする工程
と、を含む方法。 （１５）前記第１と第２の材料よりなる複数の追加層を
さらに備える、上記（４）に記載のコンデンサ。
【図面の簡単な説明】
【図１】図２の線１−１で切断した断面図である。
【図２】本発明による一実施例の斜視図である。
【図３】本発明の第１の他の実施例の断面図である。
【図４】本発明の第２の他の実施例の断面図である。
【図５】本発明の第３の他の実施例の断面図である。
【図６】本発明の第４の他の実施例の断面図である。
【図７】本発明の第５の他の実施例の断面図である。
【図８】本発明の第１の製造方法を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の製造方法を示す断面図である。
【図１０】本発明の第２の製造方法を示す断面図であ
る。
【図１１】本発明の第２の製造方法を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
１０ コンデンサ １２ 基板 １３ 上面 １４ 誘電体層 １５ 下部電極 １６ 上部電極 １８，１９，２０ 誘電体層 ２４，２５ 誘電体層 ３５ コンデンサ ３６ 溝 ３７ 誘電体層 ３９ 中央電極 ５１ メサ ５２ 側壁 ５３ 上部 ５４ カウンタ電極 ５６ 誘電体層 ６０ ベース層 ６２ けい酸鉛膜 ６４ 矢印 ６６ 高誘電率誘電体層 ６７ 誘電体層 ６８ カウンタ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・マッキャロル・ショウ アメリカ合衆国 10566 ニューヨーク 州 ピークスキル エルム ストリート 1210 (56)参考文献 特開 平６−283380（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−97512（ＪＰ，Ａ) 特公 昭42−23949（ＪＰ，Ｂ１) 特公 昭43−25675（ＪＰ，Ｂ１) Ｔｈｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｆｉｌｍｓ, Ｖｏｌ．86（1981）ｐ．287−295 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 27/108 H01L 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04 H01B 3/12 H01G 4/12

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に形成された下部電極と、 けい酸バリウム，けい酸鉛，けい酸バリウムとけい酸鉛
    の混合物から成る群から選択されたけい酸塩材料よりな
    る第１の誘電体層と、 前記第１の誘電体層の上に形成された高誘電率材料より
    なる第２の誘電体層と、 上部電極とを備え、 前記けい酸塩材料は、前記高誘電率材料の第２の誘電体
    層と、前記下部電極及び基板との間の原子とイオンとの
    緩衝層として機能することを特徴とするコンデンサ。
  2. 【請求項２】前記けい酸塩材料は、二酸化シリコンより
    高いけい酸塩を含む、請求項１記載のコンデンサ。
  3. 【請求項３】前記高誘電率材料の比誘電率が５０以上で
    ある、請求項１記載のコンデンサ。
  4. 【請求項４】前記高誘電率材料は、チタン酸バリウム，
    チタン酸ストロンチウム，チタン酸バリウムとチタン酸
    ストロンチウムの混合物，鉛チタン酸ランタン，鉛チタ
    ン酸ジルコニウムから成る群から選択された第２の材料
    よりなる、請求項１記載のコンデンサ。
  5. 【請求項５】前記第１の材料よりなる第３の誘電体層を
    さらに備える、請求項４記載のコンデンサ。
  6. 【請求項６】半導体基板と、 前記半導体基板に形成された２つの主側壁と底面を有す
    る溝と、 前記半導体基板の前記２つの主側壁と前記底面に形成さ
    れた第１の電極と、 前記２つの主側壁と底面の上に、けい酸バリウム，けい
    酸鉛，けい酸バリウムとけい酸鉛の混合物から成る群か
    ら選択された第１の材料で形成された第１の誘電体層
    と、 前記溝の中の前記第１の誘電体層の上に形成された第２
    の電極と、 を備えるコンデンサ。
  7. 【請求項７】前記第１の誘電体層の上に、チタン酸バリ
    ウム，チタン酸ストロンチウム，チタン酸バリウムとチ
    タン酸ストロンチウムの混合物，鉛チタン酸ランタン，
    鉛ジルコニウムから成る群から選択された第２の材料で
    形成された第２の誘電体層をさらに備える、請求項６記
    載のコンデンサ。
  8. 【請求項８】前記第２の誘電体層の上に、前記第１の材
    料で形成された第３の誘電体層をさらに備える、請求項
    ７記載のコンデンサ。
  9. 【請求項９】半導体基板と、 少なくとも１つの側壁と、前記側壁に隣接する上面とを
    有する前記半導体基板に形成されたメサと、 前記少なくとも１つの側壁と前記上面の表面に形成され
    た第１の電極と、 前記少なくとも１つの側壁と前記上面の上に、けい酸バ
    リウム，けい酸鉛，けい酸バリウムとけい酸鉛の混合物
    から成る群から選択された第１の材料で形成された第１
    の誘電体層と、 前記第１の誘電体層の上に形成された第２の電極と、 を備えるコンデンサ。
  10. 【請求項１０】チタン酸バリウム，チタン酸ストロンチ
    ウム，チタン酸バリウムとチタン酸ストロンチウムの混
    合物，鉛チタン酸ランタン，鉛チタン酸ジルコニウムか
    ら成る群から選択された第２の材料よりなる第２の誘電
    体層をさらに備える、請求項９記載のコンデンサ。
  11. 【請求項１１】前記第２の誘電体層の上に、前記第１の
    材料で形成された第３の誘電体層をさらに備える、請求
    項１０記載のコンデンサ。
  12. 【請求項１２】コンデンサを形成する方法において， 半導体基板の上に二酸化シリコン層を形成する工程と、 前記二酸化シリコン層の上面に、バリウムと鉛から成る
    群から選択された第１の材料を、蒸着，イオン注入，電
    気めっきから成る工程から選択された工程で、膜を形成
    する工程と、 けい酸バリウム，けい酸鉛，それらの混合物，二酸化シ
    リコンとの混合物から成る群から選択された第２の材料
    で、前記第１の誘電体層を形成するために、前記二酸化
    シリコン層と第１の材料よりなる前記膜との温度を上昇
    させることによって、前記二酸化シリコン層に前記材料
    の原子を拡散させる工程と、 第１の材料よりなる前記膜の残りを取り除き、前記第１
    の誘電体層の上に上部電極を形成する工程と、 を含む、コンデンサを形成する方法。
  13. 【請求項１３】前記第１の誘電体層の上に、ゾル・ゲル
    堆積，スパッタリング，有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶ
    Ｄ）から成る群から選択された方法によって堆積され
    た、１００以上の高誘電率の材料よりなる前記第３の材
    料で、第２の誘電体層を形成する工程をさらに含む、請
    求項１２記載のコンデンサを形成する方法。
  14. 【請求項１４】コンデンサのアレイを形成する方法にお
    いて、 半導体基板の上に二酸化シリコン層を形成する工程と、 前記二酸化シリコン層の上面に、バリウムと鉛から成る
    群から選択された第１材料を、蒸着，イオン注入，電気
    めっきから成る工程から選択された工程で、膜を形成す
    る工程と、 第１の誘電体層を形成するために、前記二酸化シリコン
    層に前記第１の材料の原子を拡散させる工程と、 前記第１の誘電体層の上の第１の材料よりなる前記膜の
    残りの部分を取り除く工程と、 前記第１の誘電体層の上に金属のブランケット層を形成
    する工程と、 コンデンサの前記アレイを形成するために、前記金属の
    ブラケット層と前記第１の誘電体層をパターニングする
    工程と、 を含む方法。
  15. 【請求項１５】前記第１と第２の材料よりなる複数の追
    加層をさらに備える、請求項４記載のコンデンサ。
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