JPH01196154A - コンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体集積回路に使用されるコンデンサの製造
方法に関し、特に小型にして高精度で静電容量値の高い
コンデンサを製造する技術に関するものである。

〔従来の技術〕

ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置において用いられている従
来のコンデンサの製造方法の一例を第７図を参照して説
明する。第７図において、１は第１の導電形のシリコン
（Ｓｉ）単結晶半導体基板、２は第１の絶縁膜、３は下
部金属電極、４はコンデンサの相互干渉を防止するため
の第２の絶縁膜、５はコンデンサの誘電体として使用す
る第３の絶縁膜、６は上部金属電極である。

まず、第７図（ａ）に示すように、第１の導電形のＳｆ
単結晶半導体基板１の主表面上にシリコン酸化膜からな
る第１の絶縁膜２を形成した後、コンデンサ用下部電極
として便用する金属膜３を絶縁膜２の上に堆積する。次
に、第７図（ｂ）に示すように、前記金属膜３を所定の
寸法に加工した後、シリコン窒化膜からなる第２の絶縁
膜４を半導体基板１の主表面側に形成し、下部電極３上
の表面の少なくとも一部を露出させるべく絶縁膜４をエ
ツチング加工する。その後、第７図（Ｃ）に示すように
、少なくとも露出した下部電極３０表面上にコンデンサ
の誘電体として使用する第３の絶縁膜５を形成し、しか
る後に少なくともこの絶縁膜５の上の一部に上部電極用
の金属膜６を堆積し、かつ所定の寸法に加工することに
より、第７図（Ｃ）に示す構造のコンデンサが製造され
ている。

この場合、かかる構造のコンデンサにおいては、第３の
絶縁膜５として、コンデンサの大容量化と小型化のため
、通常比誘電率εの大きい五酸化タンタル膜（ε；約５
０００）、酸化チタン膜（ε；１４〜１１０）、　　シ
リコン窒化膜（ε：５〜７）或はシリコン酸化膜（ε；
約４）が使用されてきた。これは従来の技術の範囲で製
造が比較的容易であることがその主要な理由であった。

一方、従来の別の製造方法として第８図に示すものもあ
り、その概要を説明する。この製造方法では、まず、第
８図（ａ）に示すように、第１の導電形のＳｔ単結晶半
導体基板１上にコンデンサを横方向に電気的に分離する
絶縁膜１０と該半導体基板の主面の一部に薄い酸化膜８
ａを形成する。次に、第８図（１））に示すように、前
記絶縁膜８ａを通して、基板１内に第１或は第２の導電
形の高不純物濃度領域７を形成するべく所定の不純物を
イオン注入法によシ導入した後、熱処理することによっ
て高不純物濃度領域７の不純物を活性化する。

しかる後に、薄い絶縁膜８ａを除去し、再び少なくとも
基板１の主表面の一部を酸化することによってコンデン
サの誘電体として使用するシリコン酸化膜から彦る絶縁
膜８を形成する。次に、第８図（ｃ）に示すように、こ
の絶縁膜８の上に上部電極９を形成した後、絶縁膜１１
を半導体基板１の主面上に形成することによυ、第８図
（ｃ）に示す構造のコンデンサが製造されている。この
とき、上部電極９は半導体或は金属が使用され、絶縁膜
１１は土部電極９と他の電極或は配線材料との電気的絶
縁を保証するためのものである。

かかる構造のコンデンサが利用された理由は、コンデン
サの誘電体として膜質がよく、均一性。

再現性にすぐれたシリコン酸化膜を使用できるので、コ
ンデンサの歩留まりを向上できる点にあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上記した第７図の従来方法においては、第３
の絶縁膜５としては誘電率の高い五酸化タンタル膜、酸
化チタン膜或はシリコン窒化膜等が使用されておパこれ
らの絶縁膜を形成する手法として、通常スパッタ法とＣ
ＶＤ法が採用されてきた。しかし、スパッタ法では、こ
れらの絶縁膜を形成するための低不純物濃度で良質なタ
ーゲットがなく、膜質の再現性が無かった。またＣＶＤ
法では、下部電極を保護するため３００℃程度の低温で
堆積するほかなく、ピンホールのない良質な薄い膜を作
れないという問題があった。それ故、このような製法上
の限界のため、絶縁膜５の厚さを厚くせざるをえず、こ
れによシコンデンサの面積が極めて大きくなバアナログ
集積回路の高集積化が阻まれるという問題があった。

また、第８図の従来方法では、誘電体がシリコン酸化膜
であるために比誘電率が小さく、容量を増大するにはシ
リコン酸化膜厚を薄くするか、または電極面積を拡大す
るしかない。そのため、電極面積の増大は集積回路の集
積度の低下を招き、シリコン酸化膜の薄膜化は歩留まシ
の低下を招くという問題点があった。

しかるに、このような問題点のため、これまでこの種の
コンデンサを使用した半導体装置の小型化はできなかっ
た。

本発明は以上の点に鑑み、このような問題を解決すべく
なされたものであり、その目的は、半導体集積回路中で
使用されるコンデンサにおいて小型にして高い静電容量
値を実現すると共に、その精度と安定性ならびに歩留ま
りを向上することができるコンデンサの製造方法を提供
することにある。

〔課題を解決するだめの手段〕

上記の目的を達成するため、本発明に係るコンデンサの
製造方法は、母材料としてシリコン半導体基板或は半導
体薄膜を用い、この半導体膜の主表面に酸化膜を形成し
て、この酸化膜中に半導体と安定な合金層を形成しうる
少なくともチタン（ＴＩ）ｌタンタル（Ｔａ）または鉛
（Ｐｂ）のいずれか１つの金属をイオン注入によυ導入
することにより、その熱処理によって金属酸化膜を生成
することを特徴とするものである。

〔作用〕

したがって、本発明においては、新に生成した比誘電率
の高い金属酸化膜を誘電体膜として用いることによりコ
ンデンサの単位面積当シの容量が飛躍的に増大するだけ
でなく、母材料がシリコン酸化膜であるため、コンデン
サの動作特性の安定化と歩留まシの向上を図ることがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明によるコンデンサの製造方法の一実施例
を示す工程断面図である。第１図において、１は第１の
導電形のシリコン単結晶半導体基板、２はシリコン酸化
膜からなる第１の絶縁膜、１２は下部電極の母材となる
単結晶、多結晶或は非晶質のシリコン膜から彦る半導体
層、１２ａは下部電極の一部として機能する半導体層、
１２ｂは下部電極の一部として機能する合金層、１３は
イオン注入するＴｉイオン、１４はチタン酸化物から構
成される誘電体膜として機能する第２の絶縁膜、１６は
コンデンサの上部電極、１７はコンデンサの相互干渉を
防止するだめの第３の絶縁膜で、シリコン窒化膜等から
なっている。

この実施例の方法では、まず、第１図（ａ）に示すよう
に、シリコン半導体基板１上に第１の絶縁膜２と半導体
層１２を形成した後、この半導体層１２の上にコンデン
サの誘電体の母材料として使用するシリコン酸化膜から
なる第２の絶縁膜１５を形成し、その後、少なくとも第
２の絶縁膜１５つまりシリコン酸化膜をチタン酸化物層
に変えるに足る数ノＴ　ｉ　イオン１３をイオン注入法
により該絶縁膜１５中に注入する。このとき、打ち込ま
れたＴｉイオン１３が半導体層１２内に入っても問題は
ない。次に、第１図（ｂ）に示すように、熱処理により
、シリコン酸化膜からなる第２の絶縁膜１５をチタン酸
化物層に変え、このチタン酸化物層からなる第２の絶縁
膜１４を構成する。ここで、符号１２ｂは半導体層１２
のうちでＴｉのイオン注入によυ形成された合金層であ
Ｌ　１２ａは合金層にならないで残存した半導体層であ
る。その後、前記半導体層１２ａ　　及び合金層１２ｂ
　をコンデンサの下部電極として構成するため、これら
半導体層１２ａ、１２ｂ　　と第２の絶縁膜１４を所定
の寸法に加工形成する。最後に、第１図（Ｃ）に示すよ
うに、コンデンサを保護する第３の絶縁膜１７を堆積し
た後、この絶縁膜１７のうち下部電極の上面の一部をエ
ツチングによ）除去し、チタン酸化物層からなる絶縁膜
１４上に上部電極１６を形成することによυ、第１図（
Ｃ）に示す構造のコンデンサを製造することができる。

このようにして製造されたコンデンサは、その誘電体母
材として膜質のすぐれたシリコン酸化膜を使用すること
によシ、コンデンサの動作特性を安定化できると共に、
歩留ま９の向上が図れる。

しかも、比誘電率の大き々チタン酸化物を誘電体として
用いることによって、コンデンサの単位面積当りの静電
容量を増大させることができる等の利点を有する。

第２図は本発明による製造方法の他の実施例を示す第１
図相当の工程断面図である。この実施例が第１図に示す
ものと異なる点は、第１の絶縁膜２上の半導体層１２を
所定の寸法に加工形成し、次いでこの半導体層１２の表
面にコンデンサの誘電体の母材料として使用するシリコ
ン酸化膜から々る絶縁膜１５を形成した後、この絶縁膜
１５中にＴｉイオン１３をイオン注入して熱処理によシ
リコン酸化膜を生成することによシ、このチタン酸化膜
を第２の絶縁膜１４として構成したことである。

す々わち、この方法では、第２図（ａ）に示すように、
半導体基板１上に第１の絶縁膜２と半導体層１２を形成
する。次に、第２図（ｂ）に示すように、半導体層１２
を下部電極と１〜で所定の寸法に加工形成し、その後、
この半導体層１２の表面にコンデンサの誘電体の母材料
として使用するシリコン酸化膜からなる絶縁膜１５を形
成し７、少なくともこの絶縁膜１５をチタン酸化膜に変
えるに必要な分量のＴｉイオン１３を該絶縁膜１５の内
部にイオン注入する。このとき、半導体層１２の内部に
Ｔｉがイオン注入されても構わない。次いで、第２図（
ｃ）に示すように、前記の半導体基板１を熱処理して絶
縁膜１５の一部をチタン酸化膜からなる絶縁膜１４に改
質する。この際、下部電極として使用する半導体層１２
の一部がＴｉ　との合金膜に変化しても構わない。し７
かる後、コンデンサを保護する絶縁膜１７を半導体基板
１の主表面側に形成し２、下部電極上の絶縁膜１４を露
出させるべく絶縁膜１７の一部をエツチングにより除去
して、との露出した絶縁膜１４の表面に上部電極１６を
形成することによシ、第２図（ｃ）に示す構造のコンデ
ンサを製造することができる。したがって、この実施例
のコンデンサにおいても第１図のものと同様の効果が得
られる。彦お、図中、同一符号は同一または相当部分を
示している。

第３図は本発明の別の実施例を示す第１図相自の工程断
面図である。この実施例が第１図のものと異ガる点は、
第１の絶縁膜２上の半導体層１２を所定の寸法に加工形
成し、次いでコンデンサを保護するための絶縁膜１７を
堆積し２てエツチング加工後、その半導体層１２の露出
し、た領域上にコンデンサの誘電体の母材料とし、て使
用するシリコン酸化膜からなる絶縁膜１５を形成したの
ち、この絶縁膜１５中に、上記実施例と同様の方法にて
、Ｔｊ　イオン１３を注入することによシリコン酸化膜
を生成するようにしたことである。

すなわち、この方法では、第３図（ａ）に示すように、
半導体基板１上に第１の絶縁膜２と半導体層１２を形成
する。次に、第３図（ｂ）に示すように、半導体層１２
を下部電極として所定の寸法に加工形成する。その後、
第３図（Ｃ）に示すように、半導体基板１の主表面側に
コンデンサを保護する絶縁膜１７を堆積し、半導体層１
２の表面の一部を露出させるべく絶縁膜１７の一部をエ
ツチングによシ除去する。しかる後、この半導体層１２
の露出した領域上にコンデンサの誘電体の母材料とし、
て使用するシリコン酸化膜からなる絶縁膜１５を形成し
、少なくともこの絶縁膜１５をチタン酸化膜に変えるに
必要な分量のＴｉイオンを１５内部にイオン注入する。

このとき、半導体層１２内部にＴｉがイオン注入されて
も構わない。次いで、第３図（ｄ）に示すように、前記
の半導体基板１を熱処理して絶縁膜１５の一部をチタン
酸化膜からなる絶縁膜１４に改質する。この際、下部電
極として使用する半導体層１２の一部がＴｉ　　との合
金膜に変化しても構わ々い。この後、露出した絶縁膜１
４の上表面に上部電極１６を形成するととによし、第３
図（ｄ）に示す構造のコンデンサを製造することができ
る。この実施例においても第１図のものと同様の効果が
得られる。

第４図は本発明のさらに別の実施例を示す工程断面図で
ある。第４図において、１は第１の導電形のシリコン単
結晶半導体基板、７はコンデンサの下部電極として便用
する第１或は第２の導電形の高不純物濃度の半導体領域
、７ａはこの半導体領域７の一部にイオン注入されるＴ
ｉ　　と反応して生成された合金層、７ｂ　　は合金層
にならないで残存した高不純物濃度の半導体領域層、８
はコンデンサの誘電体の母材料として使用するシリコン
酸化膜からなる絶縁膜、９はコンデンサの上部電極、１
０は隣接する他のコンデンサ或は半導体装置との電気的
分離のための絶縁膜、１１は上部電極９と他の電極或は
配線材料との電気的絶縁を保証するための絶縁膜である
。また、１３はイオン注入するＴｉ　イオンであり、１
８は誘電体膜としてのチタン酸化膜である。

この実施例の製造方法では、まず、第４図（ａ）に示す
ように、第１導電形のシリコン単結晶半導体基板１上に
隣接する他のコンデンサ或は半導体装置を横方向に分離
する絶縁膜１０と薄い絶縁膜８ａを形成する。次に、第
４図（ｂ）に示すように、半導体基板１の主表面側のう
ち薄い絶縁膜８ａが霧出した領域に所定の不純物を所定
の量だけイオン注入し、この半導体基板を熱処理して不
純物を活性化して高不純物濃度の半導体領域７を形成す
る。

その後、薄い絶縁膜８ａをエツチングして除去し、高不
純物濃度の半導体領域７上にコンデンサの誘電体の母材
料として使用するシリコン酸化膜からなる絶縁ｍ８を形
成し、少なくともこの絶縁膜８をチタン酸化膜に変える
に必要な分量のＴｉイオン１３を絶縁膜８の内部にイオ
ン注入する。このとき半導体領域７の内部にＴｉがイオ
ン注入されても構わない。次いで、第４図（Ｃ）に示す
ように、前記の半導体基板を熱処理して絶縁膜８の一部
をチタン酸化膜からなる絶縁膜１８に改質する。この際
、下部電極として使用する半導体領域Ｔの一部がＴｉと
の合金膜に変化しても構わがい。しかる後、絶縁膜１８
上に上部電極９を形成したのち、コンデンサを保護する
絶縁膜１１を該半導体基板の主表面側に形成することに
より、第４図（Ｃ）に示す構造のコンデンサを製造する
ことができる。

このようにして製造されたコンデンサにおいても、上述
した実施例と同様の効果が得られる。

第５図は一例として、実際にＳｔ　酸化膜中にイオン注
入法によりＴｉ　を導入した試料を熱処理したときのシ
リコン酸化膜のシート抵抗値と熱処理温度との関係を示
したものである。Ｔｉは加速電圧５０　ｋＶで１×１０
　　個／ｃＩｎ　　打ち込んだ。シート抵抗値は、熱処
理温度が６００℃のとき急増し、Ｔｉが導入されて低抵
抗化したシリコン酸化膜は再び絶縁膜となる。なお、第
５図中、Ｘｌはイオン注入直後を示す。

また、第６図は同試料内のＴｉ　の深さ方向分布の熱処
理温度依存性をオージェ電子分光分析法によシしらべた
結果である。ここで、６００℃の熱処理を施すと、シリ
コン酸化膜中のシリコンＳｌが減少する代わりに酸素（
０）が増加しておシ、５ｉ０２　＋　Ｔｉ　−＋　Ｔｉ
Ｏ２＋Ｓｉなる反応が起こることによシ、シリコン酸化
膜がチタン酸化膜に変化することがわかる。ただし、第
６図において横軸はスパッタリング時間（分）、縦軸は
原子量（％）がそれぞれとってあり、実線はＴｉ　の特
性曲線、−点鎖線は０の特性曲線、点線はＳｔの特性曲
線である。そして、同図（ａ）はイオン注入直後のグラ
フであり、同図伽）〜（ｄ）はそれぞれ熱処理温度５０
０℃、６００℃、７００℃のグラフである。

なお、上述の実施例では、シリコン酸化膜中ヘイオン注
入する金属元集とし、てＴｉを用いる場合について示し
たが、本発明は、これに限定されるものではなく、Ｔｌ
の他にｐｂまたはＴａ等の元素を用いたり、ＴｉとＢａ
（バリウム）やＴｉとＳｒ（ストロンチウム）の２種の
元素を用いることもできる。また、シリコン半導体基板
も単結晶以外に多結晶或は非晶質のものを用いたり、さ
らに、単結晶、多結晶或は非晶質のシリコン半導体薄膜
の下地となる物質も絶縁膜に限らず、シリコン半導体基
板等であってもよく、幾多の変更が可能である。

〔発明の効果〕 以上説明したように、本発明によれば、コンデンサの誘
電体母材として膜質の優れたシリコン酸化膜を使用する
ことによシ、コンデンサの電気的特性の安定化と歩留ま
りの改善が図れる。また、誘電率の大きいチタン酸化物
等の金属酸化膜を誘電体として用いるだけでなく、その
母材の厚さを予め極めて薄くして形成するととができる
ので、コンデンサの単位面積あたりの静電容量を増大さ
せることができる。従って、集積回路内でのコンデンサ
の占める面積を大幅に削減することができ、アナログ集
積回路の高集積化が図れる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるコンデンサの製造方法の一実施例
を示す工程断面図、第２図ないし第４図はそれぞれ本発
明の他の実施例を示す工程断面図、第５図は本発明の実
施例に供する実際に８１酸化膜中にイオン注入法により
Ｔｉを導入した試料を熱処理したときのシリコン酸化膜
のシート抵抗値と熱処理温度との関係を示した図、第６
図は同試料内のＴｉの深さ方向分布をオージェ電子分光
分析法によりしらべた結果を示す図、第７図及び第８図
はそれぞれ従来のコンデンサの製造力□法の一例を示す
工程断面図である０ １・・・・シリコン単結晶半導体基板、２・・・・第１
の絶縁膜、７・・・・第１或は第２の導電形の高不純物
濃度の半導体領域、７ａ　・・・・合金層、７ｂ・・・
・半導体領域層、８・・・・第２の絶縁膜（シリコン酸
化膜〕、９・・・・上部電極、１０．１１・・・・絶縁
膜、１２・・・拳下部電極の母材となる半導体層、１２
ａ　・・・・半導体層、１２ｂ　　・・・・合金層、１
３・・・・Ｔｉイオン、１４・・・・チタン酸化物から
なる絶縁膜（誘電体膜）、１５・・・・第２の絶縁膜（
シリコン酸化膜〕、１６・・・・上部電極、１Ｔ・・・
・絶縁膜、１８・・・・チタン酸化膜。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）下地の表面に単結晶、多結晶或は非晶質のシリコ
   ン半導体薄膜を形成する工程と、前記半導体薄膜の主表
   面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜中に少なくと
   もチタン、タンタルまたは鉛のいずれか１つの金属をイ
   オン注入した後、熱処理により金属酸化膜を生成する工
   程とを少なくとも含むことを特徴とするコンデンサの製
   造方法。
2. （２）単結晶、多結晶或は非晶質のシリコン半導体基板
   の主表面に酸化膜を形成する工程と、前記酸化膜中に少
   なくともチタン、タンタルまたは鉛のいずれか１つの金
   属をイオン注入した後、熱処理により金属酸化膜を生成
   する工程とを少なくとも含むことを特徴とするコンデン
   サの製造方法。