JPH04279053A - 高値タンタル酸化物コンデンサ - Google Patents

高値タンタル酸化物コンデンサ

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JPH04279053A
JPH04279053A JP3233370A JP23337091A JPH04279053A JP H04279053 A JPH04279053 A JP H04279053A JP 3233370 A JP3233370 A JP 3233370A JP 23337091 A JP23337091 A JP 23337091A JP H04279053 A JPH04279053 A JP H04279053A
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layer
dielectric
conductive
thin film
film capacitor
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JP3233370A
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English (en)
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Kranti V Anand
クランチ　ブイ．　アナンド
Michael E Thomas
マイケル　イー．　トーマス
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National Semiconductor Corp
Original Assignee
National Semiconductor Corp
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10P14/6939—Inorganic materials composed of oxides, glassy oxides or oxide-based glasses the material containing at least one metal element, e.g. metal oxides, metal oxynitrides or metal oxycarbides characterised by the metal
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は集積回路部品及びそのよ
うな部品の製造方法に関するものであって、更に詳細に
は、集積回路コンデンサ及びそのようなコンデンサの製
造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集積回路技術は、ＭＯＳ及びバイポーラ
集積回路の両方において単位面積当たりの高い値の容量
値をもったコンデンサに対する需要が増加するようにな
っている。例えば、ＭＯＳのＤＲＡＭにおいては、４Ｍ
ｂｉｔ回路の場合、格納用のコンデンサは約６．０ｆＦ
／μｍ２　の単位容量を有することが必要となり且つ約
３．５Ｖで動作することが必要となる。一方、バイポー
ラ回路も、速度及びソフトエラーに対する免疫性を維持
すると共に、セル面積を減少させるためにスイッチ型ロ
ードメモリセルに対する高い容量を有するコンデンサを
必要としている。
【０００３】将来の集積回路における傾向は、一層高い
横方向の集積度及び三次元回路に向かうものであること
は明らかである。しかしながら、より近い将来において
は、三次元回路適用において、コンデンサ及び抵抗等の
ような受動的部品の多くは、性能を維持するために能動
的トランジスタのために使用されるシリコン基板レベル
より上方に位置されるものと思われる。従って、これら
の受動的部品は、必要性から、薄膜付着技術によって製
造されるものと考えられる。
【０００４】高い値の容量値をもったコンデンサを形成
するためには、高い誘電率をもった誘電体を使用するこ
とが必要である。従来、この条件は薄膜技術を使用する
ことと相入れるものではなかった。なぜならば、絶縁体
膜の厚さが５００Å以下に減少すると、その誘電率が降
下し始めるからである。例えば、五酸化タンタル（Ｔａ
２　Ｏ５　）は厚い膜の形態においては、２５の程度の
非常に良好な誘電率を有している。しかしながら、シリ
コン集積回路におけるコンデンサ誘電体物質の厚さは、
好適には、５０Å乃至５００Åの範囲内のものである。 ５０Å乃至１００Åの程度の厚さにおいては、Ｔａ２　
Ｏ５　の誘電率は約６．０へ降下する。
【０００５】この誘電率における降下は、付着させた誘
電体を形成する前に、基板上に存在する他の極めて薄い
誘電体膜と直列コンデンサを形成するためであると思わ
れていた。このことは、基板表面上に存在する薄い生来
の酸化物を有する推定上クリーンなシリコン基板上に反
応によって形成される誘電体に対して容易に発生する場
合がある。ＳｉＯ２　の誘電率はＴａ２　Ｏ５　等のよ
うな物質のものよりも著しく低いので、下側に存在する
酸化物の非常に薄い層が測定した容量に関して悪影響を
有する場合がある。
【０００６】誘電率の値における顕著な降下によって発
生される問題に加えて、コンデンサの厚さが薄いことは
、約１．０メガボルト（ｃｍ）を超える電界において動
作する条件を発生する。このような高い電界強度におけ
るリーク電流は顕著なものとなる。与えられた技術に対
して、高い容量値及び低いリーク（又は高い動作電圧）
に対する必要性は互いに相反するものであって、従って
このことは設計上妥協を余儀なくしている。
【０００７】この薄膜コンデンサに関連する別の問題は
対称性の欠如である。対称的なコンデンサは、印加電圧
の大きさ又は極性に拘らず容量が比較的一定の状態に維
持されるコンデンサである。対称性が要求される場合、
ブレークダウン電圧を増加させ且つ単位面積当たりの容
量を犠牲にして該物質のリークを減少させるために誘電
体を一層厚くすることが必要である。このようなジレン
マは、薄膜誘電体が直接的にシリコン上に形成されるコ
ンデンサにとって一層顕著なものとなる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
とするところは、改善した電気的特性を有する薄膜コン
デンサを提供することである。本発明の別の目的とする
ところは、単位面積当たり高い容量値を有する薄膜コン
デンサを提供することである。本発明の更に別の目的と
するところは、集積回路動作において典型的に遭遇する
電圧において低いリーク電流をもった薄膜コンデンサを
提供することである。本発明の更に別の目的とするとこ
ろは、印加電圧の極性と実質的に独立した高い容量値を
もった薄膜コンデンサを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、シリコ
ン基板をもった集積回路を提供することにより上述した
如き目的及びその他の目的が達成される。該シリコン基
板上に誘電体物質からなる層を付着形成させる。該誘電
体層と該シリコン基板との間に導電性物質からなる層を
配設させる。その導電物質層の一部を使用し且つその導
電性物質をガスで反応させて変換させることにより誘電
体物質へ変換させる。好適実施例においては、この導電
層は、基板から該誘電体層内へのシリコンの輸送を防止
する導電性物質を有するバリア層を形成する。そのバリ
ア層の一部を使用して、例えば、付着形成した誘電体と
共に対称的な直列コンデンサを発生させる高温酸化によ
り誘電体物質へ変換させる。従って、該バリア層物質の
酸化物を有する誘電体層は、該導電性のバリア層と該誘
電体層との間において該バリア層の一部を使用すること
によって形成される。その付着形成され且つ変換された
誘電体の厚さは、全体的な容量が常に６ｆＦ／μｍ２　
よりも常に大きいように対構成とされる。
【００１０】該コンデンサは、シリコン基板の少なくと
も一部の上に導電層を形成し、該導電層の上表面上に第
一誘電体層を形成し、前記導電層の少なくとも上表面を
ガスと反応させることにより前記第一誘電体層と前記導
電層との間に第二誘電体層を形成し、且つ前記第一誘電
体層の上表面上に導電物質からなる第二層を形成するこ
とによって構成される。好適実施例においては、該コン
デンサは、該シリコン基板の少なくとも一部の上にバリ
ア層を形成し、前記バリア層の上表面上に第一誘電体層
を形成し、前記バリア層の上表面を酸化させて第二誘電
体層を形成し、且つ前記第一誘電体層の上表面上に導電
性物質からなる層を形成することによって構成される。
【００１１】
【実施例】図１を参照し、特に図１の（ａ）を参照する
と、大略１０で示された集積回路装置の一部を概略断面
図で示してある。集積回路装置１０は、内部に能動的装
置が形成されたシリコン基板１２が、その上に、例えば
二酸化シリコン等のような電気的絶縁性物質からなる層
１４を有する処理段階において示されている。本発明に
基づいて薄膜コンデンサが形成されるべき位置において
絶縁層１４内にはコンタクト窓１６が開口されている。
【００１２】導電性物質からなる層１８が絶縁層１４上
及びシリコン基板１２の表面を露出するコンタクト窓１
６内に形成されている。導電層１８は、以下に説明する
如く、最小の誘電率の値をもった誘電体へガスと反応さ
せて変換させることも可能な物質を有している。好適実
施例においては、導電性物質からなる層１８はバリア層
を有しており、該バリア層は、絶縁層１４上及びシリコ
ン基板１２の表面を露出するコンタクト窓１６内に形成
されている。このバリア層１８は、基板１２から後に説
明する上側に存在する誘電体層内へシリコンが輸送され
ることを防止する物質を有している。
【００１３】該バリア層は、ガスと反応されて導電体か
ら例えば酸化プロセスを介して誘電体膜へ変換されるこ
との可能な特性を有している。そのようにして変換され
た誘電体は、現在のところ実際的な物質の利益衡量によ
って決定される付着形成された導電体（これについては
後に説明する）と結合された場合に最小の誘電率の値を
有している。その最初のものは、ＳｉＯ２　を除いて殆
どの物質に対しての最大のブレークダウン電界は、典型
的に、５ＭＶ／ｃｍを超えるものではなく且つ結合した
誘電体の最小厚さに実際的な限界を与える。３．５Ｖに
おける動作の場合、この値は７０Åであり、且つ５Ｖに
おいては、その値は１００Åである。この条件及び単位
面積当たりの容量が６ｆＦ／μｍ２であるか又はそれを
超えるものであることが望ましいという事実に基づいて
、７０Åの最小厚さに対する直列誘電率は４．８未満の
ものとすることはできず、且つ１００Åの場合には６．
８未満のものとすることはできない。
【００１４】好適実施例においては、バリア層１８は、
好適には５００Åの厚さに付着形成した窒化タンタル（
ＴａＮ）を有している。本発明のコンデンサを製造する
好適プロセスにおいては、純粋なＴａターゲットから物
質をスパッタするために使用される１：３のＮ２　：Ａ
ｒの反応性雰囲気中においてＴａＮバリア層１８を形成
する。リーク電流を最小に維持するために、以下に説明
する理由のために、Ｔａターゲットが９９．９９９９％
を超える純度を有するものであることが望ましい。この
付着のために使用される全体的な圧力は１．５×１０−
３ｔｏｒｒであることが望ましい。典型的な付着速度は
、１乃至３Å／秒である。
【００１５】次に、高い誘電率をもった誘電体物質から
なる層２０を、バリア層１８上及び図１（ｃ）に示した
如く、この上表面２１と接触して形成する。好適実施例
においては、誘電体層２０は、五酸化タンタル（Ｔａ２
　Ｏ５　）を有しており、それは反応性スパッタリング
によって現場において付着形成される。好適実施例にお
いては、全体的なＯ２　：Ａｒの比は典型的に、五酸化
タンタル層を形成するために１：２である。この好適な
プロセスに対する全体的な圧力も、典型的に、１．５×
１０−３ｔｏｒｒであり、付着速度はＴａＮ膜に対する
ものと同様である。Ｔａ２　Ｏ５　誘電体層の厚さは、
好適には、１００Å乃至５００Åの範囲内である。
【００１６】前述した如く、好適実施例においてはバリ
ア層である導電性物質からなる層１８をガスと反応させ
て誘電体へ変換させる。好適実施例においては、このこ
とは、図１（ｄ）に示した如く、バリア層１８の上表面
２１に薄い層２２を酸化させるために、酸素雰囲気中に
おいて図１（ｃ）に示した構成体を加熱することによっ
て達成される。バリア層物質がＴａＮである好適実施例
においては、この薄い酸化層はＴａ２　Ｏ５　であり、
窒素が格子内に解放される。これが好適実施例に対して
選択された物質であるが、好適には酸素であるガスと反
応された場合に前述した如く最小の実際的な値である４
．８より大きな誘電率を有する非導電性の物質へ変換さ
れる任意の導電性物質を使用することが可能である。酸
素雰囲気中において構成体を加熱することを別の個別的
なステップとして実施することが可能であるが、このよ
うな加熱及びその後の上述した層の形成を真空を中断す
ることなしに同一の付着室内において実施することが望
ましい。
【００１７】図１（ｅ）に示した如く、好適にはＴａＮ
である導電性物質からなる層２４を誘電体層２０の上に
形成する。好適実施例においては、ＴａＮ層２４は、典
型的に、５００Åの厚さであり、且つ前述した純粋なＴ
ａターゲットから物質をスパッタさせるために使用され
る１：３のＮ２　：Ａｒの反応性雰囲気において形成さ
れる。この付着のために使用される全体的な圧力は好適
には１．５×１０−３ｔｏｒｒであり、典型的な付着速
度は１乃至３Å／秒の程度である。
【００１８】誘電体膜の厚さが５００Å以下に減少され
る場合に従来の装置の誘電率が低下することに対しては
多数の可能な理由が存在している。第一に、付着及び酸
素中における熱処理の後、酸素がＴａ２　Ｏ５　を介し
て拡散することが可能であり且つ下側に存在するＳｉを
より低い誘電率のＳｉＯ２　へ変換させることが可能で
ある。 この直列コンデンサは、相対的な誘電率を減少させる。 第二に、誘電体膜で特にＴａ２　Ｏ５　誘電体膜内への
酸素の添加が酸素雰囲気中において熱処理を使用するこ
れらの製造プロセスにおいてその特性を変化させること
がより蓋然性は少ないが可能である。非酸化性の雰囲気
中において発生する第三のメカニズムは、熱処理の後及
びその期間中にＳｉがＴａ２　Ｏ５　内に侵入すること
である。 この侵入により、実効的な誘電率が減少される。処理期
間中における酸化性雰囲気の使用を回避することにより
前述した問題を解消することが可能ではあるが、後者の
問題は容易に解消することはできない。
【００１９】本発明によれば、シリコン基板とコンデン
サ誘電体層との間にバリア層を配設することによってそ
の問題が解消されている。高い誘電率を得るために誘電
体層が酸化タンタルを有する場合、このバリア層は、好
適には、上述した如く、窒化タンタルから形成される。 窒化タンタルはこのバリア層に対して好適な物質ではあ
るが、例えば窒化チタン等のようなその他の物質も適用
可能であることは勿論である。
【００２０】バリア層として適した物質とさせる特性は
、それが導体又はデジェネレート半導体であり且つ絶縁
性の誘電体物質へ変換可能なものでなければならないと
いうことである。変換の前のこのバリア物質の最大の固
有抵抗は１Ω・ｃｍを超えるものであってはならない。 第二に、形成された誘電体は、ブレークダウンに関する
検討に基づいて前述した如く、４．８を超える誘電率を
有するものでなければならない。タンタル酸化物誘電体
物質と共に使用される場合、バリア層物質として窒化タ
ンタルを使用することは、窒化タンタルとタンタル酸化
物の両方の反応性付着を同一のスパッタシステム内にお
いてその現場で実施することが可能であるという利点を
有している。別の利点は、窒化タンタルは良好な導電体
であり、本発明のコンデンサに対して、従来のＭＯＳコ
ンデンサと異なり、電圧と独立的であるという特徴を与
えている。
【００２１】上述した好適実施例においては、上部プレ
ート層２４は窒化タンタルである。バリア層１８の場合
における如く、誘電体層と上部プレート層の反応性付着
を同一のスパッタリングシステム内においてその現場で
実施することが可能であるので、タンタル酸化物誘電体
物質をもったコンデンサに対して窒化タンタルの上部プ
レート層が好適である。窒化タンタルは上部プレート層
２４に対して好適な物質であるが、チタン／タングステ
ンを使用することも可能である。上部導体は厳しさの少
ない条件を有しており、且つ１Ω・ｃｍ以下のデジェネ
レート半導体又は任意の金属とすることが可能である。 上部導体は、更に、それが熱処理の後に全体的な容量を
６ｆＦ／μｍ２　以下に劣化させるように下側に存在す
る誘電体を実質的に変化させることがないような条件を
満足するものでなければならない。上述した如く、高い
容量値の薄膜コンデンサを製造する場合に検討すべき別
の重要な点はリーク電流である。本発明の薄膜コンデン
サの好適実施例におけるリーク電流の量は、タンタルタ
ーゲット物質内の不純物の量に関連している。特に、モ
リブデン及びタングステンは導電性であり且つリークの
源としての原因となる酸化物を有している。従って、そ
れらは、誘電体層から排除することが必要である。この
ことは、上述した如き極めて純粋なタンタルターゲット
を使用することによって達成される。
【００２２】上述した如きプロセスの好適実施例を使用
して、容量／単位面積値が１０及び１８ｆＦ／μｍ２　
の間であり且つ誘電体層の厚さが約２００Å乃至１００
Åである薄膜コンデンサを製造した。これらの値は、同
様の厚さをもった二酸化シリコン誘電体層を有するコン
デンサよりも典型的に３倍乃至４倍の大きさである。こ
れらの値は、熱二酸化シリコンの場合には約４である代
わりに相対的な誘電率が２０乃至２５であることに対応
している。現在のところ、これらの薄膜コンデンサにお
けるリーク電流は高く、典型的に１．０×１０−３Ａｍ
ｐ／ｃｍ２　の程度であるが、多分、特定の装置の適用
に対して許容可能なものである。上述した極めて純粋な
タンタルターゲットを使用することにより、約１．０Ｍ
Ｖ／ｃｍの電界において１．０×１０−３Ａｍｐ／ｃｍ
２　のオーダである非常に低いリーク電流を有し大きな
誘電率を有し且つ５．０ＭＶ／ｃｍの程度のブレークダ
ウン強度を有する誘電体を製造することが可能である。
【００２３】以上、本発明の具体的実施の態様について
詳細に説明したが、本発明は、これら具体例にのみ限定
されるべきものではなく、本発明の技術的範囲を逸脱す
ることなしに種々の変形が可能であることは勿論である
。
【図面の簡単な説明】
【図１】　　（ａ）乃至（ｅ）は本発明の一実施例に基
づいてシリコン基板上に薄膜コンデンサを製造する方法
の各段階における状態を示した各概略断面図。
【符号の説明】
１０　　集積回路装置 １２　　シリコン基板 １４　　絶縁層 １６　　コンタクト窓 １８　　導電性物質層 ２０　　誘電体物質層 ２４　　導電性物質層

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　シリコン基板をもった集積回路におけ
    る薄膜コンデンサにおいて、（ａ）前記シリコン基板上
    に配設した誘電体物質からなる第一層が設けられており
    、（ｂ）前記誘電体層と前記シリコン基板との間に配設
    された導電性物質からなる第一層が設けられており、前
    記導電物質がガスによって反応し電気的絶縁性の誘電体
    物質へ変換させることが可能であり、それが、前記誘電
    体物質層と共に、所定の直列誘電率を有する物質を有し
    ており、（ｃ）前記第一誘電体層と前記第一導電性物質
    層との間に配設されて誘電体物質からなる第二層が設け
    られており、前記誘電体物質からなる第二層が前記反応
    によって変換された電気的に導電性物質を有しており、
    （ｄ）前記誘電体物質からなる第一層の上に配設して導
    電性物質からなる第二層が設けられている、ことを特徴
    とする薄膜コンデンサ。
  2. 【請求項２】　　請求項１において、前記ガスが酸素を
    有しており、且つ前記誘電体物質からなる第二層が前記
    導電性物質の酸化物を有することを特徴とする薄膜コン
    デンサ。
  3. 【請求項３】　　請求項２において、前記導電性物質か
    らなる層が前記基板から前記第一及び第二誘電体層内へ
    のシリコンの輸送を防止するバリア層を有することを特
    徴とする薄膜コンデンサ。
  4. 【請求項４】　　請求項３において、前記バリア層が所
    定の厚さに付着形成した窒化タンタルを有することを特
    徴とする薄膜コンデンサ。
  5. 【請求項５】　　請求項４において、前記窒化タンタル
    が実質的に５５０Åに等しい厚さに付着形成されている
    ことを特徴とする薄膜コンデンサ。
  6. 【請求項６】　　請求項４において、前記誘電体物質か
    らなる第一層が五酸化タンタルを有することを特徴とす
    る薄膜コンデンサ。
  7. 【請求項７】　　請求項６において、前記誘電体物質か
    らなる層が、約１００Å乃至約５００Åの範囲内の厚さ
    を有することを特徴とする薄膜コンデンサ。
  8. 【請求項８】　　請求項４において、前記誘電体物質か
    らなる第二層が五酸化タンタルを有することを特徴とす
    る薄膜コンデンサ。
  9. 【請求項９】　　請求項１において、前記導電性物質か
    らなる第二層が窒化タンタルを有することを特徴とする
    薄膜コンデンサ。
  10. 【請求項１０】　　請求項９において、前記窒化タンタ
    ル層が実質的に５００Åに等しい厚さを有することを特
    徴とする薄膜コンデンサ。
  11. 【請求項１１】　　集積回路のシリコン基板上に薄膜コ
    ンデンサを製造する方法において、（ａ）前記シリコン
    基板の少なくとも一部の上に第一導電層を形成し、前記
    第一導電層がガスによって所定の誘電率をもった絶縁性
    の誘電体物質へ反応により変換させることの可能な導電
    性物質を有しており、（ｂ）前記第一導電層の上表面上
    に第一誘電体層を形成し、前記第一誘電体層が、前記第
    一導電層の前記反応によって変換させた物質と共に、所
    定の直列誘電率を有する物質を有しており、（ｃ）前記
    第一導電層の上表面を反応により変換させて前記第一導
    電層と前記第一誘電体層との間に第二誘電体層を形成し
    、（ｄ）前記第一誘電体層の上表面上に第二導電層を形
    成する、上記各ステップを有することを特徴とする方法
    。
  12. 【請求項１２】　　請求項１１において、前記ガスが酸
    素を有しており、且つ前記ステップ（ｃ）が前記第一導
    電層の上表面を酸化させて前記第一導電層と前記第一誘
    電体層との間に第二誘電体層を形成し、前記第二誘電体
    層が前記第一導電層の導電性物質の酸化物を有すること
    を特徴とする方法。
  13. 【請求項１３】　　請求項１２において、ステップ（ａ
    ）が、前記シリコン基板の少なくとも一部の上に導電性
    バリア層を形成し、前記導電性バリア層が前記基板から
    前記第一及び第２誘電体層内へのシリコンの輸送を防止
    する導電性物質を有することを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】　　請求項１３において、ステップ（ａ
    ）が前記シリコン基板の少なくとも一部の上に所定の厚
    さの窒化タンタルを付着形成することを特徴とする方法
    。
  15. 【請求項１５】　　請求項１４において、ステップ（ａ
    ）が、更に、実質的に５００Åに等しい厚さへ前記窒化
    タンタルを付着形成することを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】　　請求項１４において、ステップ（ｂ
    ）が五酸化タンタルを有する前記第一誘電体層を形成す
    ることを特徴とする方法。
  17. 【請求項１７】　　請求項１６において、ステップ（ｂ
    ）が、更に、約１００Å乃至約５００Åの範囲内の厚さ
    へ五酸化タンタルからなる前記第一誘電体層を形成する
    ことを特徴とする方法。
  18. 【請求項１８】　　請求項１４において、ステップ（ｃ
    ）が前記バリア層の上表面を酸化させて五酸化タンタル
    を有する層を形成することを特徴とする方法。
  19. 【請求項１９】　　請求項１４において、ステップ（ｄ
    ）が前記第一誘電体層の上表面上に窒化タンタル物質か
    らなる層を形成することを特徴とする方法。
  20. 【請求項２０】　　請求項１９において、ステップ（ｄ
    ）が実質的に５００Åに等しい厚さに窒化タンタルの層
    を形成することを特徴とする方法。
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