JPS59138361A - キヤパシタ - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明はキャパシタおよびキャノ（シタの製造方法に係
シ、特に大規模集積回路（ＬＳＩ）の実現に適している
キャパシタおよびキャノくシタの製造方法に関する。

〔従来技術〕

ＬＳＩ５％にダイナミックメモリでは、その集積度が向
上するにつれてキャパシタの面積が縮小されてきたが、
回路動作上の条件から静電容量はある限度よシ小さくす
ることができない。従来、ダイナミックメモリ用のキャ
パシタ用誘電材料として、熱酸化シリコ／が用いられて
きたが、一定の静電容量を確保するためには、酸化膜を
薄くしなければならず、十分な歩留り′ｔ−確保するこ
とは峻しくなりつつある。したがって、熱酸化シリコン
よりも比誘電率の大きいキャパシタ用誘電材料に対する
要求が高まっている。上記の新しいキャパシタ用誘電材
料として、望化シリコンや、酸化タンタルなどの遷移金
属酸化物を用いようとする試みがなされているが、気相
成長法（ＣＶＤ法）やスパッタ法によって上記の誘電材
料を形成すると、熱処理によって静電容量が変動したシ
、キャパシタが絶縁破壊しやすくなったり、リーク電流
が急増したシするなどの欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は単位面積当りの蓄積容量が大きく、かつ
、リーク電流の少ないキャパシタ用誘電材料を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

気相成長法やスパッタ法などによって基板上にキャパシ
タ用誘電材料を形成すると、緻密な膜が形成されないた
め、比誘電率がその物質に固有な１＠よシ大幅に小さく
なるという欠点を有している。

そこで、上記方法によって形成した窒化シリコンおよび
、酸化タンタル會熱処理し結晶化させてみたところ、そ
れぞれ５チから５０％も比誘電率が増大した。その−例
を、反応性スパッタ法によって形成したｒｅ化メタンタ
ルより示す。

第１図は、酸化タンタルの比誘電率と熱処理温度の関係
を示したものである。第１図かられかるように、膜形成
時その比萌亀率が１９程度で、その後、５０（１＠度の
熱処理で比幼亀率がやや増加し、６５０Ｃケ越えると急
ぽに増力日し、比誘電率は２８にも趣した。葦た、酸化
タンタルの結晶化温度は６５０Ｃであるため、結晶化に
よって比誘電率が大幅に増大することがわかる。

同様に、ＣＶＤ法によって形成した窒化シリコンも、不
活性ガス中での熱処理によって結晶化させた所、その比
８％率は６．５から”７．０に上昇した。

ところが、上記の結晶化したｅｇｇｗキャパシタ用肪奄
体として、その特性全測定した盾、酸化タンタル、窒化
シリコンの場合も両者ともキャパシタのリーク電流が者
しく増大し、ＬＳＩ用誘電材料として使用することは不
可目ヒでるることがわかった。

その原因を調べるため、絶縁膜は結晶化によっていかな
る構造の変化を示すかを調べた。

上記の目的のため、結晶化した絶縁膜の透過電子顕微鏡
および、走査電子顕微腕によって得た、絶縁膜の形状の
概略を第２図に示す。

第２図（ａ）は、ｊ酸化タンタル薄膜を６５０Ｃ以上の
熱処理によって結晶化させた試料の透過寛子顕倣鋭稼の
概略である。ａは酸化タンタルの結晶粒であり、ｂは結
晶粒界であるが、結晶化によりＣの穴または亀裂が結晶
粒界に形成されていることがわかる。第２図（ｂ）には
、その断面図′５ｒ：僕式的に示した。

したがって、絶縁膜の結晶化によるリーク′区流の増大
は、結晶粒界に生ずる亀裂を通して、絶縁膜の両側の電
極が短節するためと考えられる。

故に、本発明の特徴は、伝導性基板に非晶質絶縁膜を形
成し、その後、結晶化させたのち、結晶粒界に生ずる亀
裂からのリーク電流を防止するため、例えば上記絶縁膜
とに容易に結晶化しない絶縁膜などを形成することＫよ
って、小面積かつ大容量のキャパシタを形成することに
ある。

〔発明の実施例および効果〕

以下、実施例によシ本発明を説明する。

実施例１ 第３図に、シリコントに形成したキャパシタの構造を示
す。まず、シリコン基板１上にＣＶＤ法によって厚さ１
００人の非晶質窒化シリコン２を形成し、１２００Ｃ以
上の不活性ガス中又は、水素ガス雰囲気中で熱処理して
結晶化し、その上にＣＶＤ法によって、窒化シリコン２
より薄い厚さ５０人の非晶質窒化シリコン３を形成した
。さらに、その丘に厚さ約２０００人の多結晶３ｉから
なる電極４をＣＶＤ法によ多形成した。なお、本電極は
Ａｔでもよい。この方法によって、単にＣＶＤ法によっ
て窒化シリコンを第３図の窒化シリコン２と窒化とシリ
コン３の重ね膜と同じ膜厚に、シリコン基板上に被着し
キャパシタを形成した場合に比べて、数パーセントの静
電容量の増加が認められた。さらに、上記の方法によっ
て形成したキャパシタのリーク′亀流は、非晶質の窒化
シリコンを誘電体として用いたキャパシタと同程度であ
った。

実施例２ 本発明の効果がさらに顕著になった例を以下に示す。

第４図に、シリコン基板１上に反応性スパッタ法によっ
て厚き１００人の非晶質酸化タンタル５を形成し、６５
０Ｃ以上の齢度で熱処理し結晶化させたのち、数十オン
グストロームの厚さ５０人の非晶質窒化シリコン６をＣ
ｖｌＪ法によって形成した。さらに、この上に、実施例
１と同様に′電極４を形成した。この方法により、酸化
タンタルを結晶化させない場合に戟べて、叡１０％も静
電容量が増大し、ＬＳＩ用キャパシタの誘゛屯材料とし
て元号な蓄積容重倉有し、リーク電流の小さいキャパシ
タを形成することができた。

ちなみに、酸化タンタルを誘電体としてＬＳＩ用のキャ
パシタ材として用いる際、酸化タンタルは６５０Ｃ以上
で結晶化し、リーク′亀流が急増するために、６５０Ｃ
以上の熱処理を含むＬＳＩフ。

ロセスに入れることが困難であった。しかし、第４図に
示したキャパシタ用誘電体の構造により、６５０Ｃ以上
のプロセスにも容易に適合できることがわかる。

本実施例では、キャノくシタ材として、霊化シ１ノコン
、酸化シリコン、酸化タンタルなどを例にとって説明し
たが、本発明の本質は、伝鳩性基板上に結晶化した絶縁
膜を形成し、その上部に非晶賀絶＃膜を形成することに
あるのであって、絶縁材料の種類をおよび絶縁膜の形成
方法を限定するものでないことを付記しておく。

したがって、本発明によれば、リーク電流の少ない大容
量のキャパシタを形成する効果がるる。

つぎに、本発明者らによる、キャノ（シタに関する第２
の発明について説明する。ます、本第２の発明の実施態
様を以下に示す。

１、纏喝性基板上に、多結晶のｅ縁膜が少なくとも２層
以上槙層されていることを特徴とするキャパシタ。

２、前記多結晶の絶縁膜は、４号金属酸化物もしくは、
酸化アルミニウムであること全持直とするキャパシタ。

本第２の発明はキャノ；シタとその製造方法に係り、特
に大規模集積回路（ＬＳＩと略記）の実現に適している
キャパシタとその製造方法に関するものである。

ＬＳＩ、特にダイナミックメモリでは、その集積度の向
上に伴ってキャノくシタの面積が縮小されてきたが、α
繊による誤動作や回路の動作余裕度を確保するためｎ寛
谷量はある限度よシも小さくすることはできない。従来
、ダイナミックメモリ用のキャパシタ用誘電材料として
、熱酸化シリコンが用いられてきたが、メモリの鍋集積
化とともに、一定の静電容量を確保するためには酸化シ
リコン族を薄くシ渣ければならず、かつ、一定の電源電
圧が印加されるために、酸化シリコン膜中の電界強度が
大きくなる。したがって、従来のキャパシタ材どしての
酸化シリコンの静電破壊耐圧に近づきつつあシ、十分な
キャパシタの歩留ｂｉ確保することは困難になシつつあ
る。したがって、酸化シリコンよυも比誘電率の大きい
キャパシタ用誘電材料に対する要求が高まっている。そ
のための新しい誘電材料として、酸化タンタルに代表さ
れる遷移金属酸化物や酸化アルミニウムなどの金属酸化
物’ｋＬｓＩ用キャパシタ材として用いようとする試み
がなされている。しかし、ＬＳＩプロセスに適する気相
成長法（ＣＶＤ法）やスパッタ法によって上記の誘電材
料を形成すると非晶質になるものが多く、数百度の熱処
理によって静電容量が変動したシ、絶縁破壊しやすくな
るなどの欠点があった。

本第２の発明の目的は上記のキャパシタ材の熱処理によ
る不安定性を除き、かつ静電容量が大きくかつ絶縁耐圧
の高いキャパシタ用誘電材料を提供することにある。

ＬＳＩ製造工程に適した気相成長法やスパッタ法などに
よって基板上にキャパシタ用誘電材料を形成すると、緻
密な膜が形成されないため、比誘電率がバルク値つま多
物質固有な値よシも大幅に小さくなるという欠点を有す
る。

そこで、上記方法によって形成した酸化タンタルを熱処
理し、結晶化させてみたところ、前述のように５０チ近
くも比誘電率つまり静電容量が増大した（第１図）。

しかし、前述のように、絶縁膜の結晶化によるリーク電
流の増大が、結晶粒界に生ずる亀裂全通してＰ３縁膜の
両側の電極が短絡するために生じて好ましくない。

故に、本第２の発明の特徴は、伝纏性恭板に非晶質絶憾
膜を形成し、その俊、熱処理によって結晶化させたのち
、結晶粒界に生ずる亀裂からのリーク電流を防止するた
め、上記絶縁膜上に第２の杷脈膜上に非晶質の絶縁膜を
形成し、結晶化させることによって、欠陥密度を減少さ
せ、小面積かつ大容量のキャパシタを歩留シよく形成す
ることにある。

以下、実施例によシ本第２の発明を説明する。

ＬＳＩ用キャパシタ材の形成法としては、スパッタ法、
ＣＶＩ）法、陽極酸化法などが用いられているが、膜全
均一に成長させるためには、低温でキャパシタ材を形成
しなければならないためＩｌ、とんどの絶線材料は非晶
質である。したがって、絶縁材料全被着する場合は非晶
質とならざるを得ないことを付記しておく。

以下、キャパシタ材の一例として酸化タンタルを用いて
本発明の詳細な説明する。

第５図（ａ）に、シリコン基板１１上に反応性スパッタ
法によって非晶質の酸化タンタルを形成し、酸化タンタ
ルの結晶化温１ｉ６５００以上の温度で熱処理し、結晶
酸化タンタル１２を形成した構造を示す。この場合は、
結晶化に伴い、結晶粒界に、亀裂１６′ｌ１ｌ−生じる
。

次圧、この亀裂による欠陥を救済するために、さらに、
結晶酸化タンタル１２の上部に、非晶質酸化タンタルを
形成し、前記と同様な方法にて、結晶酸化タンタル１２
の上部に１結晶酸化タンタル１３を形成する。５１ｇ３
図（ｂ）　Ｋこの方法によって形成した酸化クンタルの
多層構造を示す。このように、酸化タンタルを積層する
ことにより欠陥が大幅に減少してゆくことが明らかであ
る。各層の厚さはいずれも約１００Ａとした。

第３図（Ｃ）に、結晶酸化クンタル１２，１３゜１４を
積層し、その上部にＡｔｔ極１５を形成したキャパシタ
構造を示した。

以上の方法によって、比誘電率の高い結晶化した絶縁膜
を用いたキャパシタを形成できる。

本実施例では、ば化タンタルを例にとって本発明の概念
を説明したが、本発明の概念は、キャパシタ材および電
極を限定するものではなく、絶縁膜の裡類としては結晶
化によって比誘電率が上昇するものであれハ、通用でき
ることはいうまでもない。

したがって、本第２の発明によれば、結晶化したｉ＃！
３縁膜を積層して形成することによシ、静電容量が大キ
く、かつ、欠陥密度の低いキャパシタ材が形成できる。

また、同方法によって形成したキャパシタは、キャパシ
タ材の結晶化温度以上の熱処理プロセスを通っても特性
の変動が起こらないのは明白である。

【図面の簡単な説明】

第１図は酸化タンタルの比誘電率と熱処理温度の関係を
示したものであシ、第２図（ａ）、（ｂ）は非晶質酸化
タンタルを結晶化させた場合の表面の形状の概略図であ
り、第３図はＳｉ／多結晶Ｓ　１ｓＮａ／非晶質８ｉｓ
Ｎ４／Ａｔ（もしくは多結晶Ｓｉ）のキャパシタの断面
図金示し、第４図はＳｉ／多結晶ＴａｘＯｓ／非晶質８
ｉｓＮ４／Ａｔ（もしくは多結晶Ｓｉ）のキャパシタの
断面を示したもので、第５図（ａ）、　（ｂ）は基板に
被層した結晶酸化タンタルの断面図でめシ、第５図（Ｃ
）は、Ｓ！／結晶酸化タンタル／Ａｔのキャパシタの１
９ｉ面図を示したものである。 １・・・シリコン基板、２・・・多結晶Ｓ　”ｓＮａ　
、３・・・非晶質ｓ　ｊｓＮ４．４・・・Ａｔ又は多結
晶Ｓｉ電極、５・・・多結晶Ｔａ２０ＩＩ、６・・・非
晶質Ｓ　ｌ５Ｎａ　、１１−　シリコン基板、１２，１
３．１４・・・多結晶酸化タンタル、１５・・・Ａｔ電
極、１６・・・亀裂。 ％１　　　目 ０　２００　４００　　６００　８００　　／θθ０性
処理温麦（°Ｃ） 第　Ｚ　図 （α） 第　３　図 第　５　　目 （α）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、導電性基板と該導電性基板のと部に結晶化した第１
   の絶縁膜が形成され、該第１の絶縁膜上に非晶質の第２
   の絶縁膜が形成されていることを特徴とするキャパシタ
   。