JPH09246496A - 誘電体薄膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法 - Google Patents
誘電体薄膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高誘電率の誘電体薄膜を提供するとともに、
これを用いることにより漏洩電流を減少させることので
きる半導体装置の製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明は、基板上に金属薄膜とペロブス
キー石構造の酸化物を主成分とする誘電体薄膜とを積層
させ、前記金属薄膜の金属成分を前記誘電体薄膜の結晶
粒界に拡散させるように熱処理する段階とを含んでな
る。
これを用いることにより漏洩電流を減少させることので
きる半導体装置の製造方法を提供すること。 【解決手段】 本発明は、基板上に金属薄膜とペロブス
キー石構造の酸化物を主成分とする誘電体薄膜とを積層
させ、前記金属薄膜の金属成分を前記誘電体薄膜の結晶
粒界に拡散させるように熱処理する段階とを含んでな
る。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係り、特に高誘電率を有する誘電体薄膜の製造方法
及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
法に係り、特に高誘電率を有する誘電体薄膜の製造方法
及びこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的に、半導体装置のキャパシタは、
素子の集積度の増加に伴ってその面積が小さくなる。そ
れでも蓄電容量は減少しないように誘電膜の厚さを減少
させてきた。しかし、誘電膜の厚さが減少するに伴っ
て、トンネリングによる漏洩電流が増加し、このような
漏洩電流と誘電膜の薄さとによって信頼性が低下すると
いう問題が発生している。
素子の集積度の増加に伴ってその面積が小さくなる。そ
れでも蓄電容量は減少しないように誘電膜の厚さを減少
させてきた。しかし、誘電膜の厚さが減少するに伴っ
て、トンネリングによる漏洩電流が増加し、このような
漏洩電流と誘電膜の薄さとによって信頼性が低下すると
いう問題が発生している。
【０００３】このような誘電膜の極薄化を避ける方法と
して、ストレージノードに非常に複雑な表面屈曲を形成
してキャパシタの有効面積を増加させる方法が広く採用
されている。そして、誘電率の高い窒化膜／酸化膜の積
層構造もしくは酸化膜／窒化膜／酸化膜の積層構造を用
いることによって、薄膜化の傾向をやや遅れさせること
ができた。しかしながら、このような方法は表面に激し
い段差を与えてフォトリソグラフィ工程を難しくし、工
程コストが上昇するなどの問題によって２５６ＭＤＲＡ
Ｍ以上の高集積素子では使用し難いだろうと予測してい
る。
して、ストレージノードに非常に複雑な表面屈曲を形成
してキャパシタの有効面積を増加させる方法が広く採用
されている。そして、誘電率の高い窒化膜／酸化膜の積
層構造もしくは酸化膜／窒化膜／酸化膜の積層構造を用
いることによって、薄膜化の傾向をやや遅れさせること
ができた。しかしながら、このような方法は表面に激し
い段差を与えてフォトリソグラフィ工程を難しくし、工
程コストが上昇するなどの問題によって２５６ＭＤＲＡ
Ｍ以上の高集積素子では使用し難いだろうと予測してい
る。
【０００４】キャパシタの蓄電容量を画期的に向上させ
ながらノード、すなわちキャパシタの電極構造の表面形
状の屈曲を減少させる方法として、より高誘電率の物質
でキャパシタの誘電膜を形成する方法が提示され、これ
に対して多くの研究が行われてきた。
ながらノード、すなわちキャパシタの電極構造の表面形
状の屈曲を減少させる方法として、より高誘電率の物質
でキャパシタの誘電膜を形成する方法が提示され、これ
に対して多くの研究が行われてきた。
【０００５】キャパシタ用高誘電率物質として一番多く
研究された物質はＴａ2Ｏ5であり、この物質の薄膜化及
び特性改善、集積化による問題解決など多くの成果があ
ったが、実質的な誘電率があまり高くない。したがっ
て、高集積化していく傾向を考慮するとき、その使用範
囲があまり広くないだろうと予想できる。最近、強誘電
体などペロブスキー石型酸化物に対する関心が高まって
おり、特に半導体装置に用いられる誘電体として集中的
な研究の対象となっている。このような物質としては、
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＬＺＴ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ
3（ＢＳＴ）、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3 などがある。
研究された物質はＴａ2Ｏ5であり、この物質の薄膜化及
び特性改善、集積化による問題解決など多くの成果があ
ったが、実質的な誘電率があまり高くない。したがっ
て、高集積化していく傾向を考慮するとき、その使用範
囲があまり広くないだろうと予想できる。最近、強誘電
体などペロブスキー石型酸化物に対する関心が高まって
おり、特に半導体装置に用いられる誘電体として集中的
な研究の対象となっている。このような物質としては、
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＺＴ）、（Ｐｂ，Ｌａ)(Ｚ
ｒ，Ｔｉ）Ｏ3（ＰＬＺＴ）、（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ
3（ＢＳＴ）、ＢａＴｉＯ3、ＳｒＴｉＯ3 などがある。
【０００６】しかし、このような物質は基板であるシリ
コン及びシリサイドなどと容易に反応し、これら物質の
薄膜形成過程で強い酸化性雰囲気に表面が露出されるに
よって電極が酸化される。そのため、電極の材料及び構
造など集積工程中に発生する問題点を解決するための研
究が続いている。特に、前記強誘電体のうちＢＳＴ
｛（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 ｝は常温で良い誘電特性を示
し、２０００以上の高い誘電定数値をもっていて、その
上、優れた漏洩電流特性を示す物質である。したがっ
て、現在のＤＲＡＭの設計をそのまま適用することがで
きるので、一番容易に現在のＤＲＡＭキャパシタ製造工
程に使用することができると考えられ、ＢＳＴの半導体
装置における集積工程に多くの研究が集中している。
コン及びシリサイドなどと容易に反応し、これら物質の
薄膜形成過程で強い酸化性雰囲気に表面が露出されるに
よって電極が酸化される。そのため、電極の材料及び構
造など集積工程中に発生する問題点を解決するための研
究が続いている。特に、前記強誘電体のうちＢＳＴ
｛（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3 ｝は常温で良い誘電特性を示
し、２０００以上の高い誘電定数値をもっていて、その
上、優れた漏洩電流特性を示す物質である。したがっ
て、現在のＤＲＡＭの設計をそのまま適用することがで
きるので、一番容易に現在のＤＲＡＭキャパシタ製造工
程に使用することができると考えられ、ＢＳＴの半導体
装置における集積工程に多くの研究が集中している。
【０００７】しかし、このような優れた特性は薄膜化の
過程で劣化して、２５６ＭＢ以上のＤＲＡＭで使用でき
る程度の薄さに加工すると、誘電定数値が１００乃至５
００程度に減少し、その上、漏洩電流が増加して信頼性
のある情報維持を保持することができなくなる。ＢＳＴ
薄膜の漏洩電流は薄膜の形成過程や、電極物質または電
極の構造などによって互いに異なるということが知られ
ている。
過程で劣化して、２５６ＭＢ以上のＤＲＡＭで使用でき
る程度の薄さに加工すると、誘電定数値が１００乃至５
００程度に減少し、その上、漏洩電流が増加して信頼性
のある情報維持を保持することができなくなる。ＢＳＴ
薄膜の漏洩電流は薄膜の形成過程や、電極物質または電
極の構造などによって互いに異なるということが知られ
ている。
【０００８】漏洩電流は主に電極から誘電体へのショッ
トキー放射によるので、ＲｕＯ2 の代わりにＰｔ電極を
使用する場合は、一般に低い漏洩電流を示す。電極物質
と誘電体の間の仕事関数の差は電極によって異なるため
に、ＲｕＯ2 を電極として使用した場合にも、エピタキ
シャル成長でＢＳＴを形成した場合にはＰｔ電極を使用
する場合と同じ水準の低い漏洩電流が得られたと報告さ
れている。前記仕事関数の差が漏洩電流に支配的に影響
を及ぼすとは確定することができない。
トキー放射によるので、ＲｕＯ2 の代わりにＰｔ電極を
使用する場合は、一般に低い漏洩電流を示す。電極物質
と誘電体の間の仕事関数の差は電極によって異なるため
に、ＲｕＯ2 を電極として使用した場合にも、エピタキ
シャル成長でＢＳＴを形成した場合にはＰｔ電極を使用
する場合と同じ水準の低い漏洩電流が得られたと報告さ
れている。前記仕事関数の差が漏洩電流に支配的に影響
を及ぼすとは確定することができない。
【０００９】前記エピタキシャルＢＳＴの結果はむしろ
結晶粒界の存在が漏洩電流を増加させることを暗示して
いる。このような漏洩電流を減らす方法のうち一番よく
知られている方法は、漏洩電流の低い誘電層をＢＳＴと
ともに電極の間に直列に挿入する方法である。米国特許
第４，４３７，１３９号及び日本国特開平６−３５０，
０２９にＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｒＴｉＯ3などの物質を
用いる方法が公開された。この方法ではＢＳＴの高い誘
電率とＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｒＴｉＯ3などの低い漏洩
電流を組合わせて漏洩電流特性に多くの影響を及ぼす電
極と誘電膜の界面に漏洩電流の低い物質を浅く挿入し、
誘電膜の大部分の厚さをＢＳＴにして２物質の長所のみ
を使用しようとした。
結晶粒界の存在が漏洩電流を増加させることを暗示して
いる。このような漏洩電流を減らす方法のうち一番よく
知られている方法は、漏洩電流の低い誘電層をＢＳＴと
ともに電極の間に直列に挿入する方法である。米国特許
第４，４３７，１３９号及び日本国特開平６−３５０，
０２９にＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｒＴｉＯ3などの物質を
用いる方法が公開された。この方法ではＢＳＴの高い誘
電率とＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4、ＳｒＴｉＯ3などの低い漏洩
電流を組合わせて漏洩電流特性に多くの影響を及ぼす電
極と誘電膜の界面に漏洩電流の低い物質を浅く挿入し、
誘電膜の大部分の厚さをＢＳＴにして２物質の長所のみ
を使用しようとした。
【００１０】ＢＳＴは、セラミックキャパシタ個別素子
では既に多く使用されている物質であり、微細粉末を成
形して薄板の形態に加工した後、電極を付着し、これを
燒結してキャパシタを製造する。ＢＳＴを使用するセラ
ミックキャパシタの製造のために、いろんな特性を改善
するための研究が多く行われており、特に漏洩電流を減
少し、燒結特性を向上させるために多様の添加物を含有
させる方法が提案された。
では既に多く使用されている物質であり、微細粉末を成
形して薄板の形態に加工した後、電極を付着し、これを
燒結してキャパシタを製造する。ＢＳＴを使用するセラ
ミックキャパシタの製造のために、いろんな特性を改善
するための研究が多く行われており、特に漏洩電流を減
少し、燒結特性を向上させるために多様の添加物を含有
させる方法が提案された。
【００１１】半導体性を増加させて誘電率を向上させ且
つこれによる絶縁特性の弱化を防止するために、結晶粒
界に高い絶縁抵抗の物質を形成させて全体的に漏洩電流
を減少させる方法が用いられてきた。米国特許第５，０
３６，４２４号、第５，１６６，７５９号、第５，１８
１，１５７号、第５，２０２，８１４号、第５，２４
８，６４０号、第５，２６８，００６号、第５，３１
２，７９０号などでこのような絶縁特性の向上のための
組成が発表されたが、その添加物は主にＣｕ、Ｍｎ、Ｓ
ｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｂ、Ｐｂなどであった。これらは燒結過程で主に結
晶粒界に絶縁抵抗の大きい酸化物の形態で存在して、結
晶粒界を絶縁させる役割を果たす。このような方法は、
原料に添加物を混合する方法ばかりではなく、米国特許
第４，７３９，５４４のように予め形成されたＢＳＴを
Ｃｕとともに高い温度で加熱して、気化したＣｕが気相
から誘電体内に拡散してＢＳＴの内部にＣｕを添加する
方法もある。日本国特開平６−３５０，１００では、薄
膜化された強誘電体の漏洩電流特性を向上させるため
に、誘電体の電導特性に応じて、ｐ形電導性を有する場
合にはドナーをイオン注入し、ｎ形電導性を有する場合
にはアクセプタをイオン注入して、カウンタドーピング
(Counter-doping)によって電荷搬送子の数を減らして漏
洩電流を減少させる方法が提案された。
つこれによる絶縁特性の弱化を防止するために、結晶粒
界に高い絶縁抵抗の物質を形成させて全体的に漏洩電流
を減少させる方法が用いられてきた。米国特許第５，０
３６，４２４号、第５，１６６，７５９号、第５，１８
１，１５７号、第５，２０２，８１４号、第５，２４
８，６４０号、第５，２６８，００６号、第５，３１
２，７９０号などでこのような絶縁特性の向上のための
組成が発表されたが、その添加物は主にＣｕ、Ｍｎ、Ｓ
ｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｎ
ｉ、Ｂ、Ｐｂなどであった。これらは燒結過程で主に結
晶粒界に絶縁抵抗の大きい酸化物の形態で存在して、結
晶粒界を絶縁させる役割を果たす。このような方法は、
原料に添加物を混合する方法ばかりではなく、米国特許
第４，７３９，５４４のように予め形成されたＢＳＴを
Ｃｕとともに高い温度で加熱して、気化したＣｕが気相
から誘電体内に拡散してＢＳＴの内部にＣｕを添加する
方法もある。日本国特開平６−３５０，１００では、薄
膜化された強誘電体の漏洩電流特性を向上させるため
に、誘電体の電導特性に応じて、ｐ形電導性を有する場
合にはドナーをイオン注入し、ｎ形電導性を有する場合
にはアクセプタをイオン注入して、カウンタドーピング
(Counter-doping)によって電荷搬送子の数を減らして漏
洩電流を減少させる方法が提案された。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来の誘電体薄膜形成方法では以下のような問題点があっ
た。第１に、ＢＳＴ薄膜の誘電率と漏洩電流は薄膜形成
過程によって異なるが、一般的にこの２つの性質は互い
に相補的な関係であって、誘電率の高い条件では漏洩電
流が高く、漏洩電流の低い条件では誘電率が低い。従っ
て、ＢＳＴ薄膜の形成条件を調節して漏洩電流を減少さ
せようとすれば、誘電率の減少を伴うのが一般的であ
る。このため、誘電率の高い物質と漏洩電流の低い物質
を組合わせて使用する方法では、漏洩電流はＢＳＴのみ
を使用するときより減少させることができるが、一般的
に漏洩電流の低い物質は誘電率の低い材料なので、組み
合わせて使用する場合、全体誘電率はＢＳＴに比べて低
くなるという避けられない問題点がある。なお、現在Ｄ
ＲＡＭの動作において、キャパシタには正方向と負方向
の電圧が印加される状況であり、両方向の印加電圧に対
して同一特性を持たなければならないので、構造自体に
おいても対称性が維持されなければならない。従って、
ＢＳＴと両電極の各界面に漏洩電流防止膜を挿入しなけ
ればならないので、低誘電率物質の比率が大きくなっ
て、全体誘電率は一層減少することになる。
来の誘電体薄膜形成方法では以下のような問題点があっ
た。第１に、ＢＳＴ薄膜の誘電率と漏洩電流は薄膜形成
過程によって異なるが、一般的にこの２つの性質は互い
に相補的な関係であって、誘電率の高い条件では漏洩電
流が高く、漏洩電流の低い条件では誘電率が低い。従っ
て、ＢＳＴ薄膜の形成条件を調節して漏洩電流を減少さ
せようとすれば、誘電率の減少を伴うのが一般的であ
る。このため、誘電率の高い物質と漏洩電流の低い物質
を組合わせて使用する方法では、漏洩電流はＢＳＴのみ
を使用するときより減少させることができるが、一般的
に漏洩電流の低い物質は誘電率の低い材料なので、組み
合わせて使用する場合、全体誘電率はＢＳＴに比べて低
くなるという避けられない問題点がある。なお、現在Ｄ
ＲＡＭの動作において、キャパシタには正方向と負方向
の電圧が印加される状況であり、両方向の印加電圧に対
して同一特性を持たなければならないので、構造自体に
おいても対称性が維持されなければならない。従って、
ＢＳＴと両電極の各界面に漏洩電流防止膜を挿入しなけ
ればならないので、低誘電率物質の比率が大きくなっ
て、全体誘電率は一層減少することになる。
【００１３】第２に、セラミックキャパシタ個別素子を
製造する方法でよく使用される漏洩電流抑制方法、即ち
結晶粒界を絶縁させるために添加物を用いる方法では、
主に誘電体を成形する前に添加物をＢＳＴ減少粉末とと
もに混合して成形した後、電極を付着し、燒結してキャ
パシタを製造する。この方法は大きい体積を有する個別
素子の製造に適した方法であるが、微細素子を使用する
直接回路工程には適用し得ない方法である。
製造する方法でよく使用される漏洩電流抑制方法、即ち
結晶粒界を絶縁させるために添加物を用いる方法では、
主に誘電体を成形する前に添加物をＢＳＴ減少粉末とと
もに混合して成形した後、電極を付着し、燒結してキャ
パシタを製造する。この方法は大きい体積を有する個別
素子の製造に適した方法であるが、微細素子を使用する
直接回路工程には適用し得ない方法である。
【００１４】第３に、ＢＳＴ誘電体を成形した後に気相
からＣｕを拡散させる工程は、集積回路の製造にも使用
可能な工程であるが、このためにはＣｕ雰囲気に維持さ
れた容器に誘電膜の形成された半導体基板を装入して熱
処理しなければならないが、金属蒸気雰囲気を維持する
ためには密閉された環境が必要であり、結晶粒界絶縁用
金属蒸気は人体に有害な成分が多く、特に蒸気圧の低い
物質を使用する場合には添加物雰囲気を形成するために
極めて高い温度に加熱しなければならない。なお、これ
らの金属は全て容易く酸化する物質なので、添加物を拡
散させる間に酸素の濃度を非常に低く維持しなければな
らない。
からＣｕを拡散させる工程は、集積回路の製造にも使用
可能な工程であるが、このためにはＣｕ雰囲気に維持さ
れた容器に誘電膜の形成された半導体基板を装入して熱
処理しなければならないが、金属蒸気雰囲気を維持する
ためには密閉された環境が必要であり、結晶粒界絶縁用
金属蒸気は人体に有害な成分が多く、特に蒸気圧の低い
物質を使用する場合には添加物雰囲気を形成するために
極めて高い温度に加熱しなければならない。なお、これ
らの金属は全て容易く酸化する物質なので、添加物を拡
散させる間に酸素の濃度を非常に低く維持しなければな
らない。
【００１５】第４に、イオン注入による不純物の添加
は、誘電体の結晶粒内の電荷搬送子の濃度を低くして電
導度を減少させる方法であるので、結晶粒界が主な漏洩
電流の経路である場合には効果的な方法にならず、且つ
イオン注入は費用がかかる工程なので生産コストが高く
なるという問題点がある。
は、誘電体の結晶粒内の電荷搬送子の濃度を低くして電
導度を減少させる方法であるので、結晶粒界が主な漏洩
電流の経路である場合には効果的な方法にならず、且つ
イオン注入は費用がかかる工程なので生産コストが高く
なるという問題点がある。
【００１６】本発明はこのような問題点を解決するため
のもので、その目的は高誘電率の誘電体薄膜を形成する
とともに、これを用いることにより漏洩電流を減少させ
ることのできる半導体装置の製造方法を提供することに
ある。
のもので、その目的は高誘電率の誘電体薄膜を形成する
とともに、これを用いることにより漏洩電流を減少させ
ることのできる半導体装置の製造方法を提供することに
ある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】本発明の誘電体薄膜形成
方法は、基板上に金属薄膜とペロブスキー石構造の酸化
物を主成分とする誘電体薄膜を積層する段階と、前記金
属薄膜の金属成分が前記誘電体薄膜の結晶粒界に拡散し
て酸化するように熱処理する段階とを含んでいることを
特徴とする。
方法は、基板上に金属薄膜とペロブスキー石構造の酸化
物を主成分とする誘電体薄膜を積層する段階と、前記金
属薄膜の金属成分が前記誘電体薄膜の結晶粒界に拡散し
て酸化するように熱処理する段階とを含んでいることを
特徴とする。
【００１８】本発明の誘電体薄膜を用いた半導体装置の
製造方法は、基板上に酸化時に高い絶縁抵抗を有する金
属成分を含んだ金属で第１電極を形成する段階と、前記
第１電極上にペロブスキー石構造の酸化物を主成分とす
る誘電体薄膜を形成する段階と、前記誘電体薄膜上に前
記第１電極と同一の第２電極を形成する段階と、前記第
１電極及び第２電極の金属成分が前記誘電体薄膜の結晶
粒界に拡散して酸化するように熱処理する段階とを含ん
でいることを特徴とする。
製造方法は、基板上に酸化時に高い絶縁抵抗を有する金
属成分を含んだ金属で第１電極を形成する段階と、前記
第１電極上にペロブスキー石構造の酸化物を主成分とす
る誘電体薄膜を形成する段階と、前記誘電体薄膜上に前
記第１電極と同一の第２電極を形成する段階と、前記第
１電極及び第２電極の金属成分が前記誘電体薄膜の結晶
粒界に拡散して酸化するように熱処理する段階とを含ん
でいることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、前記本発明の誘電体薄膜形
成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法を添付図
面を参照してより詳細に説明する。図１は本発明による
第１実施形態の誘電体薄膜の製造工程断面図である。ま
ず、図１（ａ）に示すように、基板１上に層間絶縁膜２
を堆積し、前記層間絶縁膜２上に第１金属薄膜６を１０
０Å以下に堆積する。そして、前記第１金属薄膜６上に
スパッタリングまたは有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）な
どの方法によって結晶粒界７ａを有するＢＳＴ薄膜５を
厚さ約２００Å〜２０００Å程度に堆積する。ＢＳＴ薄
膜５としてはペロブスキー石構造を有する酸化物で形成
し、代表的にはＢＳＴ｛（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3 ｝もし
くはＰＺＴ｛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3 ｝を使用する。そ
して、前記ＢＳＴ薄膜５上に直接接するように再び第２
金属薄膜６ａを１００Å以下に積層する。このとき、第
１もしくは第２金属薄膜６、６ａとしては酸化させると
高い絶縁抵抗の酸化物を形成する金属を使用し、Ｃｕ、
Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐｂなどの代表的な単一金属とこれらの
合金で金属薄膜を形成する。
成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法を添付図
面を参照してより詳細に説明する。図１は本発明による
第１実施形態の誘電体薄膜の製造工程断面図である。ま
ず、図１（ａ）に示すように、基板１上に層間絶縁膜２
を堆積し、前記層間絶縁膜２上に第１金属薄膜６を１０
０Å以下に堆積する。そして、前記第１金属薄膜６上に
スパッタリングまたは有機金属ＣＶＤ（ＭＯＣＶＤ）な
どの方法によって結晶粒界７ａを有するＢＳＴ薄膜５を
厚さ約２００Å〜２０００Å程度に堆積する。ＢＳＴ薄
膜５としてはペロブスキー石構造を有する酸化物で形成
し、代表的にはＢＳＴ｛（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3 ｝もし
くはＰＺＴ｛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3 ｝を使用する。そ
して、前記ＢＳＴ薄膜５上に直接接するように再び第２
金属薄膜６ａを１００Å以下に積層する。このとき、第
１もしくは第２金属薄膜６、６ａとしては酸化させると
高い絶縁抵抗の酸化物を形成する金属を使用し、Ｃｕ、
Ｍｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐｂなどの代表的な単一金属とこれらの
合金で金属薄膜を形成する。
【００２０】このように多層薄膜を形成した後、図１
（ｂ）に示すように、約７００℃〜１０００℃の酸化性
雰囲気の一般的な炉や急速熱処理装置で熱処理して、金
属薄膜６の金属をＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散さ
せる。このように、金属薄膜６の金属をＢＳＴ薄膜５の
結晶粒界７ａに拡散させると、拡散と同時に拡散した金
属が酸化するので、酸化物の拡散した結晶粒界７ｂが形
成される。ここで、前記熱処理工程は、まず不活性雰囲
気で金属成分を拡散させた後、拡散した金属成分の酸化
物形成を確実にするために、酸素、Ｎ2Ｏ 、オゾンなど
の酸化性雰囲気で再び熱処理を行う２段階工程からなる
こともできる。
（ｂ）に示すように、約７００℃〜１０００℃の酸化性
雰囲気の一般的な炉や急速熱処理装置で熱処理して、金
属薄膜６の金属をＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散さ
せる。このように、金属薄膜６の金属をＢＳＴ薄膜５の
結晶粒界７ａに拡散させると、拡散と同時に拡散した金
属が酸化するので、酸化物の拡散した結晶粒界７ｂが形
成される。ここで、前記熱処理工程は、まず不活性雰囲
気で金属成分を拡散させた後、拡散した金属成分の酸化
物形成を確実にするために、酸素、Ｎ2Ｏ 、オゾンなど
の酸化性雰囲気で再び熱処理を行う２段階工程からなる
こともできる。
【００２１】一方、本発明の第２実施形態として、前述
した第１実施形態の誘電体薄膜形成方法で前記ＢＳＴ薄
膜５を形成する直前もしくは直後に一度だけ金属薄膜６
ａを堆積し、同じ方法で熱処理してもよい。
した第１実施形態の誘電体薄膜形成方法で前記ＢＳＴ薄
膜５を形成する直前もしくは直後に一度だけ金属薄膜６
ａを堆積し、同じ方法で熱処理してもよい。
【００２２】次に、本発明による第３実施形態の誘電体
製造方法を説明する。第１実施形態で金属薄膜を形成せ
ず、層間絶縁膜２上にＢＳＴ薄膜５を形成した後、基板
を高い温度に加熱した状態で前記金属薄膜を堆積し、堆
積と同時にＢＳＴ薄膜の内部へ拡散させることにより、
実施することもできる。ＢＳＴ薄膜５を堆積して基板を
加熱した状態で金属薄膜を堆積すると、堆積と同時に金
属薄膜の金属成分がＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散
するとともに金属成分が酸化して、酸化物の拡散した結
晶粒界７ｂが形成される。
製造方法を説明する。第１実施形態で金属薄膜を形成せ
ず、層間絶縁膜２上にＢＳＴ薄膜５を形成した後、基板
を高い温度に加熱した状態で前記金属薄膜を堆積し、堆
積と同時にＢＳＴ薄膜の内部へ拡散させることにより、
実施することもできる。ＢＳＴ薄膜５を堆積して基板を
加熱した状態で金属薄膜を堆積すると、堆積と同時に金
属薄膜の金属成分がＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散
するとともに金属成分が酸化して、酸化物の拡散した結
晶粒界７ｂが形成される。
【００２３】 前記した誘電体薄膜形成
方法を用いて半導体装置のキャパシタを製造することが
できる。図２は本発明による第１実施形態の誘電体薄膜
を用いた半導体装置の工程断面図である。本発明による
第１実施形態の誘電体薄膜を用いた半導体装置の製造方
法は、酸化物を形成するための金属を上部電極または下
部電極から供給されるようにして、ＢＳＴ薄膜の結晶粒
界に金属酸化物が拡散するようにしたものである。
方法を用いて半導体装置のキャパシタを製造することが
できる。図２は本発明による第１実施形態の誘電体薄膜
を用いた半導体装置の工程断面図である。本発明による
第１実施形態の誘電体薄膜を用いた半導体装置の製造方
法は、酸化物を形成するための金属を上部電極または下
部電極から供給されるようにして、ＢＳＴ薄膜の結晶粒
界に金属酸化物が拡散するようにしたものである。
【００２４】即ち、図２（ａ）に示すように、基板１上
に層間絶縁膜２を形成する。そして、前記層間絶縁膜２
上に酸化時に高い絶縁抵抗を示す金属成分（Ｃｕ、Ｍ
ｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐｂなどの単一金属とこれらの合金）を
含む白金Ｐｔで下部電極３を形成した後、前記下部電極
に直接接するようにＢＳＴ薄膜５を堆積する。次に、前
記ＢＳＴ薄膜５上に前記下部電極３と同一の白金で上部
電極４を堆積して、キャパシタの構造を形成する。
に層間絶縁膜２を形成する。そして、前記層間絶縁膜２
上に酸化時に高い絶縁抵抗を示す金属成分（Ｃｕ、Ｍ
ｎ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃ
ｏ、Ｎｉ、Ｂ、Ｐｂなどの単一金属とこれらの合金）を
含む白金Ｐｔで下部電極３を形成した後、前記下部電極
に直接接するようにＢＳＴ薄膜５を堆積する。次に、前
記ＢＳＴ薄膜５上に前記下部電極３と同一の白金で上部
電極４を堆積して、キャパシタの構造を形成する。
【００２５】そして、図２（ｂ）に示すように、熱処理
によって前記下部及び上部電極３、４内に含まれた前記
金属成分をＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散させて、
酸化物の拡散した結晶粒界７ｂを形成する。このとき、
熱処理方法は、前記図１の説明と同様に行われる。ここ
で、下部及び上部電極として用いたＰｔの他に、酸化時
に高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだＲｕ、ＲｕＯ
2、Iｒ、ＩｒＯ2、ＳｒＲｕＯ3、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、
（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3などで形成しても良い効果が得
られる。
によって前記下部及び上部電極３、４内に含まれた前記
金属成分をＢＳＴ薄膜５の結晶粒界７ａに拡散させて、
酸化物の拡散した結晶粒界７ｂを形成する。このとき、
熱処理方法は、前記図１の説明と同様に行われる。ここ
で、下部及び上部電極として用いたＰｔの他に、酸化時
に高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだＲｕ、ＲｕＯ
2、Iｒ、ＩｒＯ2、ＳｒＲｕＯ3、ＹＢａ2Ｃｕ3Ｏ7、
（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ3などで形成しても良い効果が得
られる。
【００２６】一方、本発明による第２実施形態の誘電体
薄膜を用いた半導体装置の製造方法では、図２の下部電
極と上部電極のうち一つだけを前記したように酸化時に
高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだＰｔもしくはそ
のほかの金属で形成してもよい。
薄膜を用いた半導体装置の製造方法では、図２の下部電
極と上部電極のうち一つだけを前記したように酸化時に
高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだＰｔもしくはそ
のほかの金属で形成してもよい。
【００２７】以下、本発明による第３実施形態の誘電体
薄膜を用いた半導体装置の製造方法を図３に基づいて説
明する。図３（ａ）乃至（ｂ）は本発明による第３実施
形態の誘電体薄膜を用いた半導体装置の工程断面図であ
る。本発明による第３実施形態の誘電体薄膜を用いた半
導体装置の製造方法は、下部及び上部電極３、４は一般
的な金属で形成し、本発明の第１実施形態乃至第２実施
形態と同じ方法で誘電体薄膜を形成したものである。つ
まり、図３（ａ）に示すように、下部電極３を形成し、
その上に第１実施形態乃至第２実施形態と同じ方法で誘
電体薄膜を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、
誘電体薄膜上に上部電極４を形成する。
薄膜を用いた半導体装置の製造方法を図３に基づいて説
明する。図３（ａ）乃至（ｂ）は本発明による第３実施
形態の誘電体薄膜を用いた半導体装置の工程断面図であ
る。本発明による第３実施形態の誘電体薄膜を用いた半
導体装置の製造方法は、下部及び上部電極３、４は一般
的な金属で形成し、本発明の第１実施形態乃至第２実施
形態と同じ方法で誘電体薄膜を形成したものである。つ
まり、図３（ａ）に示すように、下部電極３を形成し、
その上に第１実施形態乃至第２実施形態と同じ方法で誘
電体薄膜を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、
誘電体薄膜上に上部電極４を形成する。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の誘電体薄
膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法では
次の効果を奏する。第１に、一般的に知られているＢＳ
Ｔ薄膜の漏洩電流を減少させる方法は、キャパシタの蓄
電容量を減少させる問題があるが、本発明で提供される
結晶粒界の絶縁方法では前記誘電率の減少なしで漏洩電
流を効果的に減少させることができる。第２に、薄い金
属薄膜をＢＳＴ薄膜に接するように堆積した後、熱処理
によって拡散及び酸化させるので、工程が比較的簡単で
あり、費用がかからない。第３に、誘電体の外部からの
拡散を用いるので、拡散速度の速い結晶粒界にのみ選択
的に絶縁層を形成することができて、添加物によるＢＳ
Ｔ薄膜の誘電率の減少を防ぐことができる。しかも、約
１０００Å以下の極めて薄い誘電体に適用されるので、
短い熱処理によっても充分な効果を奏する。第４に、結
晶粒界を通った電流が支配的な漏洩電流である場合に、
効果的にこれを遮断することができ、結晶粒内の絶縁抵
抗を高めるためのドーピングとは互いに異なる成分の漏
洩電流を制御する方法なので、この方法と独立的に適用
することができ、一緒に使用する場合にはより低い漏洩
電流が得られる。第５に、本発明によって漏洩電流を減
少させる場合、同じ厚さの誘電体を使用する場合にはキ
ャパシタに蓄積された情報電荷の漏洩電流による減少速
度が遅くなって、情報貯蔵時間が長くなるので、リフレ
ッシュ時間を延長することができ、同じ程度の漏洩電流
を得た場合には薄膜の厚さを減少することができて静電
容量を向上させることができる。
膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法では
次の効果を奏する。第１に、一般的に知られているＢＳ
Ｔ薄膜の漏洩電流を減少させる方法は、キャパシタの蓄
電容量を減少させる問題があるが、本発明で提供される
結晶粒界の絶縁方法では前記誘電率の減少なしで漏洩電
流を効果的に減少させることができる。第２に、薄い金
属薄膜をＢＳＴ薄膜に接するように堆積した後、熱処理
によって拡散及び酸化させるので、工程が比較的簡単で
あり、費用がかからない。第３に、誘電体の外部からの
拡散を用いるので、拡散速度の速い結晶粒界にのみ選択
的に絶縁層を形成することができて、添加物によるＢＳ
Ｔ薄膜の誘電率の減少を防ぐことができる。しかも、約
１０００Å以下の極めて薄い誘電体に適用されるので、
短い熱処理によっても充分な効果を奏する。第４に、結
晶粒界を通った電流が支配的な漏洩電流である場合に、
効果的にこれを遮断することができ、結晶粒内の絶縁抵
抗を高めるためのドーピングとは互いに異なる成分の漏
洩電流を制御する方法なので、この方法と独立的に適用
することができ、一緒に使用する場合にはより低い漏洩
電流が得られる。第５に、本発明によって漏洩電流を減
少させる場合、同じ厚さの誘電体を使用する場合にはキ
ャパシタに蓄積された情報電荷の漏洩電流による減少速
度が遅くなって、情報貯蔵時間が長くなるので、リフレ
ッシュ時間を延長することができ、同じ程度の漏洩電流
を得た場合には薄膜の厚さを減少することができて静電
容量を向上させることができる。
【図１】 本発明の第１実施形態の誘電体薄膜の製造工
程断面図である。
程断面図である。
【図２】 本発明の第１実施形態の誘電体薄膜を用いた
半導体装置の工程断面図である。
半導体装置の工程断面図である。
【図３】 本発明の第３実施形態の誘電体薄膜を用いた
半導体装置の工程断面図である。
半導体装置の工程断面図である。
１ 基板 ２ 絶縁膜 ３ 下部電極 ４ 上部電極 ５ ＢＳＴ薄膜 ６、６ａ 金属薄膜 ７ａ、７ｂ 結晶粒界
Claims (8)
- 【請求項１】 基板上に金属薄膜とペロブスキー石構造
の酸化物を主成分とする誘電体薄膜を積層し、 前記金属薄膜の金属成分が前記誘電体薄膜の結晶粒界に
拡散して酸化するように熱処理することを特徴とする誘
電体薄膜形成方法。 - 【請求項２】 熱処理は酸化性雰囲気で行うことを特徴
とする請求項１記載の誘電体薄膜形成方法。 - 【請求項３】 熱処理は不活性雰囲気で熱処理した後、
酸化性雰囲気で再熱処理する２段階からなることを特徴
とする請求項１記載の誘電体薄膜形成方法。 - 【請求項４】 基板上に第１金属薄膜を形成し、 前記第１金属薄膜にペロブスキー石構造の酸化物を主成
分とする誘電体薄膜を形成し、 前記誘電体薄膜上に第２金属薄膜を形成し、 前記第１及び第２金属薄膜の金属成分が前記誘電体薄膜
の結晶粒界に拡散して酸化するように熱処理することを
特徴とする誘電体薄膜形成方法。 - 【請求項５】 基板上にペロブスキー石構造の酸化物を
主成分とする誘電体薄膜を形成し、 前記誘電体薄膜の形成された基板を熱処理した状態で前
記誘電体薄膜の結晶粒界に金属酸化物が拡散するように
金属薄膜を積層することを特徴とする誘電体薄膜形成方
法。 - 【請求項６】 基板上に酸化時に高い絶縁抵抗を有する
金属成分を含んだ金属で第１電極を形成し、 前記第１電極上にペロブスキー石構造の酸化物を主成分
とする誘電体薄膜を形成し、 前記誘電体薄膜上に前記第１電極と同一の第２電極を形
成し、 前記第１電極及び第２電極の金属成分が前記誘電体薄膜
の結晶粒界に拡散して酸化するように熱処理することを
特徴とする誘電体薄膜形成方法を用いた半導体装置の製
造方法。 - 【請求項７】 第１電極と第２電極のうち一つだけを、
酸化時に高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだ金属で
形成することを特徴とする請求項６記載の誘電体薄膜形
成方法を用いた半導体装置の製造方法。 - 【請求項８】 第１電極もしくは第２電極は、酸化時に
高い絶縁抵抗を有する金属成分を含んだ白金で形成する
ことを特徴とする請求項６記載の誘電体薄膜形成方法を
用いた半導体装置の製造方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR6725/1996 | 1996-03-13 | ||
| KR1019960006725A KR100215861B1 (ko) | 1996-03-13 | 1996-03-13 | 유전체 박막 제조방법 및 이를 이용한 반도체 장치제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09246496A true JPH09246496A (ja) | 1997-09-19 |
| JP2785126B2 JP2785126B2 (ja) | 1998-08-13 |
Family
ID=19453025
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8289017A Expired - Fee Related JP2785126B2 (ja) | 1996-03-13 | 1996-10-14 | 誘電体薄膜形成方法及びこれを用いた半導体装置の製造方法 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6025257A (ja) |
| JP (1) | JP2785126B2 (ja) |
| KR (1) | KR100215861B1 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012054538A (ja) * | 2010-09-02 | 2012-03-15 | Mitsubishi Materials Corp | 誘電体薄膜形成用組成物、誘電体薄膜の形成方法及び該方法により形成された誘電体薄膜 |
| JPWO2022059482A1 (ja) * | 2020-09-15 | 2022-03-24 |
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| JP3209175B2 (ja) | 1998-02-23 | 2001-09-17 | 日本電気株式会社 | 薄膜キャパシタの製造方法 |
| JP2000022105A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Oki Electric Ind Co Ltd | 半導体装置の製造方法 |
| KR100335494B1 (ko) | 1999-10-30 | 2002-05-08 | 윤종용 | Ｂｓｔ 유전막에 구리를 함유한 커패시터 및 그 제조방법 |
| US6461931B1 (en) * | 2000-08-29 | 2002-10-08 | Micron Technology, Inc. | Thin dielectric films for DRAM storage capacitors |
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| US11996517B2 (en) * | 2011-06-29 | 2024-05-28 | Space Charge, LLC | Electrochemical energy storage devices |
Family Cites Families (25)
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|---|---|---|---|---|
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