JPH0665223B2 - Capacitor and manufacturing method thereof - Google Patents
Capacitor and manufacturing method thereofInfo
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- JPH0665223B2 JPH0665223B2 JP60107587A JP10758785A JPH0665223B2 JP H0665223 B2 JPH0665223 B2 JP H0665223B2 JP 60107587 A JP60107587 A JP 60107587A JP 10758785 A JP10758785 A JP 10758785A JP H0665223 B2 JPH0665223 B2 JP H0665223B2
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はキャパシタに関する。更に詳しくいえば、絶縁
膜が導電体層でサンドイッチ状に挟まれた構成のキャパ
シタにおいて、特に単位面積当たりのキャパシタが非常
に大きなキャパシタに関するものである。FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to capacitors. More specifically, the present invention relates to a capacitor having a structure in which an insulating film is sandwiched between conductor layers, particularly a capacitor having a very large capacitor per unit area.
従来の技術 半導体デバイスの製造技術の進歩に伴って、その大容量
化、高速動作化、低価格化が達成し得るようになってき
たことから、近年ICメモリーが注目を集め、に高速動作
のバイポーラメモリーは実用化されており、またMOSダ
イナミックメモリーなどにあっても大容量の特徴を生か
して電子計算機の主記憶としての応用が広まりつつあ
る。2. Description of the Related Art With the progress of semiconductor device manufacturing technology, it has become possible to achieve high capacity, high speed operation, and low cost. Bipolar memory has been put to practical use, and its application as a main memory of electronic computers is spreading due to the large capacity of MOS dynamic memory.
このように、半導体デバイスを中心とする電子デバイス
の進歩は著しく、それに伴って各構成素子、要素に対す
る要求も次第に苛酷なものとなってきている。これらの
要求を述足させるためには半導体に関る部分、即ち能動
素子部分に関する改良も重要であるが、一方、抵抗、キ
ャパシタなどを代表とする受動素子の改良も前記能動素
子の改良と並行して行わなければならない重要な課題で
ある。As described above, the progress of electronic devices centering on semiconductor devices has been remarkable, and accordingly, the requirements for each constituent element and element have become increasingly severe. In order to meet these requirements, it is important to improve the semiconductor-related part, that is, the active element part. On the other hand, the improvement of passive elements such as resistors and capacitors is also in parallel with that of the active element. This is an important task that must be done.
従って、MOSICなどにおいても能動素子の改良もさるこ
とながら、抵抗あるいはキャパシタ等の受動素子の改良
も並行して行う必要がある。Therefore, in MOSIC and the like, it is necessary to improve passive elements such as resistors and capacitors in parallel with improving active elements.
例えば、キャパシタについては第4図に示すように、金
属層1と、その上に設けられた絶縁膜2と、上部電極3
とからなるサンドイッチ状に絶縁膜を挟んだ三層構造を
有するものが知られている。For example, for a capacitor, as shown in FIG. 4, a metal layer 1, an insulating film 2 provided thereon, and an upper electrode 3 are provided.
One having a three-layer structure in which an insulating film is sandwiched between the two is known.
現在単位面積当たりのキャパシタが非常に大きなキャパ
シタを最も必要としているものの1つに、MOSダイナミ
ックメモリの電荷蓄積用キャパシタがある。即ち、該メ
モリの高集積化を進めるためには、該キャパシタの面積
を縮小しなければならない。ところが、該キャパシタの
キャパシタは回路動作上、それ程減少させることができ
ない。従って、単位面積当たりのキャパシタの大きなキ
ャパシタが必要となる。At present, one of the capacitors that require a very large capacitor per unit area is a charge storage capacitor for a MOS dynamic memory. That is, the area of the capacitor must be reduced in order to increase the integration of the memory. However, the capacitance of the capacitor cannot be reduced so much in terms of circuit operation. Therefore, a large capacitor per unit area is required.
従来、このようなキャパシタとしては、絶縁膜として誘
電率の高い例えば酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタ
ン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物
を用いるものがある。この場合、従来から用いられてい
るような、シリコン基板上に前記の如き金属酸化物の絶
縁膜を形成し、さらにその上に金属電極を形成すること
によって得られるキャパシタにおいては、該絶縁膜形成
時に該シリコン基板と該絶縁膜との界面に、必然的にシ
リコン酸化膜が形成されてしまう。Conventionally, such a capacitor uses an insulating film made of a metal oxide having a high dielectric constant, such as tantalum oxide, niobium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, or zirconium oxide. In this case, in a capacitor obtained by forming a metal oxide insulating film as described above on a silicon substrate and then forming a metal electrode thereon, which is conventionally used, the insulating film formation is performed. At times, a silicon oxide film is inevitably formed at the interface between the silicon substrate and the insulating film.
ところで、キャパシタを大きくするためには絶縁膜を薄
くする必要があるが、上記のような理由からシリコン酸
化膜の絶縁膜に対する膜厚の比率が大きくなり、実効的
な誘電率が下がってしまう。例えば絶縁膜として酸化タ
ンタルを用いた場合の酸化タンタル膜厚と実効比誘電率
との関係を第5図の曲線aに示したが、膜厚の減少と共
に急激に実効比誘電率が下がっていることがわかる。By the way, in order to increase the size of the capacitor, it is necessary to reduce the thickness of the insulating film. However, due to the above reasons, the ratio of the film thickness of the silicon oxide film to the insulating film becomes large, and the effective dielectric constant decreases. For example, the relationship between the tantalum oxide film thickness and the effective relative permittivity when tantalum oxide is used as the insulating film is shown by the curve a in FIG. 5, but the effective relative permittivity decreases sharply as the film thickness decreases. I understand.
このような不都合を回避するためには、絶縁膜形成時
に、該絶縁膜との界面に酸化物等を形成しない材料、あ
るいは僅かに酸化物等が形成される場合には、該酸化物
等が導電性を有するか、高誘電率であるような材料を、
キャパシタの下部電極として用いる必要がある。In order to avoid such inconvenience, a material that does not form an oxide or the like at the interface with the insulating film at the time of forming the insulating film, or if a slight oxide or the like is formed, the oxide or the like Materials that have conductivity or high dielectric constant,
It must be used as the lower electrode of the capacitor.
即ちまず、絶縁膜である金属酸化物(AOx)と下部電極
材料(B)とが反応して酸化物(BOy)を形成しないた
めには、 AOx+B→A+BOy の反応式におけるギブスの自由エネルギ変化が正となる
ような材料である必要がある。このような材料の例とし
ては、例えば酸化タンタルに対してはモリブデン、タン
グステン等があげられる。That is, first, in order to prevent the metal oxide (AOx), which is an insulating film, from reacting with the lower electrode material (B) to form an oxide (BOy), the Gibbs free energy change in the reaction formula of AOx + B → A + BOy is It must be a positive material. Examples of such a material include molybdenum and tungsten for tantalum oxide.
次に、酸化物が導電性を有する材料としては、該酸化物
が半導体となるモリブデン、タングステン等があり、こ
の場合は絶縁膜は何であってもよい。Next, as a material in which the oxide has conductivity, there are molybdenum, tungsten, and the like in which the oxide serves as a semiconductor, and in this case, any insulating film may be used.
さらに、酸化物が高誘電率である材料としてはチタン、
タンタル、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム等があ
り、この場合も絶縁膜は何であってもよい。Furthermore, titanium is a material whose oxide has a high dielectric constant.
There are tantalum, niobium, hafnium, zirconium, and the like, and in this case as well, the insulating film may be any.
下部電極としてモリブデンを用いた場合の酸化タンタル
膜厚と実効比誘電率との関係を第5図の曲線bに示し
た。この曲線ら、酸化タンタル膜が100Åになっても実
効比誘電率は低下しないことがわかる。The relationship between the tantalum oxide film thickness and the effective relative dielectric constant when molybdenum is used as the lower electrode is shown by the curve b in FIG. From this curve, it can be seen that the effective relative permittivity does not decrease even when the tantalum oxide film reaches 100 Å.
ところが金属膜を通常のスパッタ法、蒸着法、化学気相
成長法等で形成た場合、得られる膜は多結晶であり、そ
の表面はかなりの凹凸が生じる。特にモリブデン、タン
グステンの如き高融点金属膜は柱状結晶となり、1本1
本の結晶粒は細かつ表面の凹凸が激しいものとして得ら
れる。この様子を第4図をもって示す。これは既に述べ
たように、通常のスパッタ法等でられた金属層1と、絶
縁膜2と、上部電極3とで構成され、これがキャパシタ
として機能する。第4図の如く、下部電極たる金属層の
表面の凹凸が激しいため、絶縁膜2が該金属層1の表面
の凹凸を反映して不均一に形成される。従って、該キャ
パシタに電圧を印加すると絶縁膜2の薄い部分に電界が
集中するため、リーク電流が極めて大きくなる。例え
ば、金属層1としてスパッタ法で形成し3000Åのモリブ
デンを用い、絶縁膜2として100Åの酸化タンタルを用
い、上部電極3としてモリブデンを用いた場合のキャパ
シタのリーク電流特性を第6図の曲線cに示した。この
図からこのような構成のものは明らかに実用に耐えない
リーク電流レベルを有していることがわかる。However, when a metal film is formed by a normal sputtering method, a vapor deposition method, a chemical vapor deposition method, or the like, the obtained film is polycrystalline, and its surface is considerably uneven. In particular, refractory metal films such as molybdenum and tungsten become columnar crystals and
The crystal grains of the book are obtained as being fine and having a highly uneven surface. This is shown in FIG. As described above, this is composed of the metal layer 1 formed by the usual sputtering method, the insulating film 2, and the upper electrode 3, and this functions as a capacitor. As shown in FIG. 4, since the unevenness of the surface of the metal layer as the lower electrode is severe, the insulating film 2 is formed unevenly by reflecting the unevenness of the surface of the metal layer 1. Therefore, when a voltage is applied to the capacitor, the electric field concentrates on the thin portion of the insulating film 2, and the leak current becomes extremely large. For example, the leak current characteristics of the capacitor when the metal layer 1 is formed by sputtering using 3000 Å molybdenum, the insulating film 2 is 100 Å tantalum oxide, and the upper electrode 3 is molybdenum are shown in FIG. It was shown to. From this figure, it is apparent that such a structure has a leak current level that is not practically usable.
発明が解決しようとする問題点 以上述べたように、電子計算機用の大容量のダイナミッ
クメモリーなどとして期待されるMOSICにおいても高集
積化のためにはキャパシタ面積の縮小が要求され、その
結果極めて大な単位面積当たりのキャパシタを有するキ
ャパシタが必要とされることになる。Problems to be Solved by the Invention As described above, even in the MOSIC, which is expected as a large-capacity dynamic memory for electronic computers, reduction of the capacitor area is required for high integration, and as a result, it is extremely large. Capacitors with different capacitors per unit area would be needed.
しかしながら、キャパシタの単位面積当たりのキャパシ
タを大きくするためには解決しなければならないいくつ
かの問題がある。特に、キャパシタを構成する金属膜表
面の凹凸の存在は絶縁膜の薄い部分において電界が集中
するために、リーク電が著しく大きくなってしまい、実
用に耐えないものとなってしまう。However, there are some problems that must be solved in order to increase the capacitor per unit area of the capacitor. In particular, the presence of irregularities on the surface of the metal film forming the capacitor causes the electric field to concentrate in the thin portion of the insulating film, resulting in a significant increase in leakage current, which is not practical.
そこで、この問題を解決し得るキャパシタの開発は、MO
Sダイナミックメモリの高集積化を実現し、計算機の小
型化、大容量化を図る上で極めて大きな意義があり、強
く望まれていることである。Therefore, the development of capacitors that can solve this problem
It is of great significance and highly desired in achieving high integration of S dynamic memory, downsizing, and increasing capacity of computers.
そこで本発明の第1の目的は、単位面積当たりのキャパ
シタが大きくかつリーク電流の小さなキャパシタを提す
ることにある。Therefore, a first object of the present invention is to provide a capacitor having a large capacitor per unit area and a small leak current.
また、本発明の第2の目的は電子デバイスの大集積化ま
たは小型化の動向に合った受動素子としての上記の如き
キャパシタの製造方法を提供することにある。A second object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above-mentioned capacitor as a passive element, which is suitable for the trend of large scale integration or miniaturization of electronic devices.
問題点を解決するための手段 本発明者等は、上記目的を達成し得るキャパシタを開発
すべく種々検討した結果、キャパシタの単位面積当たり
のキャパシタンスを大きくする上で障害となる金属膜の
凹凸はその構造(柱状結晶状態)に問題があるとの着想
に基き、該金属膜の製法を検討し、下部電極の構造を柱
状以外の石垣状、非晶質状等とすることが該表面の平滑
性を達成する上で有効であることを見出し、本発明を完
成した。Means for Solving the Problems As a result of various studies to develop a capacitor capable of achieving the above-mentioned object, the present inventors found that the unevenness of the metal film which is an obstacle in increasing the capacitance per unit area of the capacitor is Based on the idea that there is a problem in the structure (columnar crystal state), the manufacturing method of the metal film is examined, and the structure of the lower electrode is made to be a stone wall shape other than the columnar shape, an amorphous shape, etc. The present invention has been completed by finding that it is effective in achieving the property.
即ち、本発明の第1の目的としてのキャパシタは第1導
電体層と、絶縁膜と、第2電体層とのサンドイッチ構造
を有する薄膜キャパシタであって、該第1導電体層が所
定の材料で形成された、石垣状の構造をもつ層か、非晶
質状の構造をもつ層か、あるいは、低い層抵抗を有する
材料による薄層であり、かつその絶縁膜側の表面の凹凸
が前記絶縁膜の膜厚よりも小さいものであることを特徴
とする。That is, a capacitor as a first object of the present invention is a thin film capacitor having a sandwich structure of a first conductor layer, an insulating film, and a second conductor layer, the first conductor layer having a predetermined thickness. It is a layer with a stone wall structure, a layer with an amorphous structure, or a thin layer made of a material with low layer resistance, and the unevenness of the surface on the insulating film side is It is characterized in that it is smaller than the film thickness of the insulating film.
ここで、まず第1導電体層の材料としてはモリブデン、
タングステン、ニオブ、チタン、タンタル、ハフニウ
ム、ジルコニウムなどを使用することができる。一方、
第2導電体層としては従来公知の任意の材料で形成で
き、特に制限はない。Here, first, as the material of the first conductor layer, molybdenum,
Tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium, zirconium and the like can be used. on the other hand,
The second conductor layer can be formed of any conventionally known material and is not particularly limited.
更に、前記絶縁体膜材料としては酸化タンタル、酸化ニ
オブ、酸化チタン、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム
等をいずれも使用することができる。これは単一材料の
単層構造であっても、また異質の材料の複合層あるいは
多層構造であってもよい。Further, as the insulator film material, any of tantalum oxide, niobium oxide, titanium oxide, hafnium oxide, zirconium oxide and the like can be used. This may be a single layer structure of a single material, or a composite layer or multilayer structure of different materials.
このような本発明のキャパシタにおいて各構成層の膜厚
は特別なものではなく、従来公知のものと同様であり、
特に制限はないが、一般的には第1導電体層は数千Åで
あり、第2導体層は数千Åであり、中間の絶縁膜は約10
0〜1000Å程度である。ただし、第1導電体層において
低い層抵抗値を有する材料の薄層とする場合には絶縁膜
の厚さよりも薄いことが好ましい。この場合下限は材料
により変化するが、層抵抗値が104Ω/□以下となるよ
うな厚さであり、この条件を満たさない場合にはキャパ
シタとして機能せず、また溶断などを生ずる恐れがある
ので好ましくない。In such a capacitor of the present invention, the film thickness of each constituent layer is not special and is similar to the conventionally known one,
There is no particular limitation, but in general, the first conductor layer is several thousand liters, the second conductor layer is several thousand liters, and the intermediate insulating film is about 10 liters.
It is about 0 to 1000Å. However, when the first conductor layer is a thin layer of a material having a low layer resistance value, it is preferably thinner than the thickness of the insulating film. In this case, the lower limit varies depending on the material, but the thickness is such that the layer resistance value is 10 4 Ω / □ or less. If this condition is not satisfied, it will not function as a capacitor and there is a risk of fusing or the like. It is not preferable because it exists.
本発明の第1の態様によれば、第1導電体層は石垣状の
結晶構造を有するものであり、これは一旦気相蒸着法、
例えばスパッタ法、真空蒸着法、化学気相成長法等で成
膜を行った後、熱処理することにより実現できる。この
処理は使用する材料によって多少変化するが、一般に材
料の融点の1/5〜材料の融点近傍の温度にて処理する
ことからなる。この熱処理は不活性ガス雰囲気、例えば
窒素ガス雰囲気中で行う。According to the first aspect of the present invention, the first conductor layer has a stone wall-shaped crystal structure, which is obtained by once using a vapor deposition method,
For example, it can be realized by forming a film by a sputtering method, a vacuum deposition method, a chemical vapor deposition method or the like, and then performing a heat treatment. Although this treatment varies somewhat depending on the material used, it generally comprises treatment at a temperature in the range of ⅕ to about the melting point of the material. This heat treatment is performed in an inert gas atmosphere, for example, a nitrogen gas atmosphere.
また、上記熱処理は、膜形成操作中に基板温度を上記の
ような範囲内の温度に高めることにより、成膜と同時に
行うことも可能である。いずれにしても従来の第4図に
示したような柱状結晶の如き凹凸の激しい構造から石垣
状結晶のような平担な構造に移行できれば良い。The heat treatment can be performed simultaneously with the film formation by raising the substrate temperature to a temperature within the above range during the film forming operation. In any case, it suffices to be able to shift from a structure having severe irregularities such as the conventional columnar crystal shown in FIG. 4 to a flat structure such as a stone wall crystal.
また、本発明の第2の態様においては、第1導電体層は
非晶質状の構造を有する。このように非質構造とすれば
表面の凹凸は著しく下げることが可能であり、この非晶
質状態は以下のようにすることにより達成できる。In addition, in the second aspect of the present invention, the first conductor layer has an amorphous structure. With such a non-structure, surface irregularities can be significantly reduced, and this amorphous state can be achieved by the following method.
即ち、まず不純物、例えば酸素を含むアルゴンガス中で
反応スパッタ法を行ことにより形成することができる。
この場合、膜の結晶構造は必ずしも非晶質状になってい
る必要はなく、結晶粒径が小さいだけでも有効である。That is, it can be formed by first performing the reactive sputtering method in an argon gas containing impurities such as oxygen.
In this case, the crystal structure of the film does not necessarily have to be amorphous, and it is effective even if the crystal grain size is small.
例えば、第7図にモリブデン膜中の酸素濃度と結晶粒径
との関係を示したが、酸素濃度が10原子%程度以上とす
ると結晶粒径を小さくするする効果が著しいことが理解
できる。従って、この場合において、酸素濃度としては
10原子%以上で、しかも酸化物結晶を形成しない程度の
濃度、即ち酸化物のストイキオメトリー以下の濃度の範
囲とすることができる。For example, FIG. 7 shows the relationship between the oxygen concentration in the molybdenum film and the crystal grain size. It can be understood that the effect of reducing the crystal grain size is remarkable when the oxygen concentration is about 10 atomic% or more. Therefore, in this case, the oxygen concentration is
The concentration can be 10 atomic% or more, and the concentration is such that oxide crystals are not formed, that is, the concentration is equal to or lower than the stoichiometry of the oxide.
また、不純物としては上記酸素の他窒素などを使用する
ことができ、その濃度については上記酸素と同様であ
る。更に、成膜法としは上記反応性スパッタ法の他、反
応性蒸着法、通常の成膜法に従って膜形成した後イオン
注入法により不純物を注入することにより結晶を破壊
し、結晶粒径を小さくするか、非晶質化することができ
る。即ち、結晶粒径を小さくするか、あるいは非晶質化
することの可能な方法であればいかなる方法であっても
よい。In addition to the above oxygen, nitrogen or the like can be used as the impurity, and the concentration thereof is the same as that of the above oxygen. Further, as the film forming method, in addition to the reactive sputtering method, a film is formed by a reactive vapor deposition method or a normal film forming method, and then an impurity is injected by an ion injection method to destroy the crystal and reduce the crystal grain size. Or can be made amorphous. That is, any method can be used as long as it can reduce the crystal grain size or can amorphize.
更に、本発明の第3の態様によれば第1導電体層は低い
層抵抗を有する材料により薄い層として形成される。該
材料としては、上記の各材料がいずれも使用できる。絶
縁膜、第2導電体層については上記第1、第2の態様と
同じであり、厚さについては既に述べた通りである。Furthermore, according to the third aspect of the present invention, the first conductor layer is formed as a thin layer of a material having a low layer resistance. As the material, any of the above materials can be used. The insulating film and the second conductor layer are the same as those in the first and second modes, and the thickness is as described above.
作用 半導体IC、LSIを中心とする各種電デバイスの高集積
化、小型化、大容量化の要求を満たすために、受動素子
の一つであるキャパシタについても小型化が要求され、
そのために単位面積当たりのキャパシタの大きなものが
要求されるようになってきたが、従来の第4図に示すよ
うな3層構造のものではシリコン基板上に絶縁膜を形成
する際、これらの界面にシリコン酸化膜が形成されてし
まい、実効的な誘電率が低下してしまうという問題があ
った。この問題は既に詳細に説明したように、キャパシ
タの下部電極として絶縁膜との界面に酸化物を形成しな
いなどの特定の性質を有する金属材料を選択することで
解決できるが、該下部電極の製法上の限界から、その表
面にはかなりの凹凸が生じ、これによってキャパシタの
リーク電流が大きくなったり、ショートの原因となり、
キャパシタの歩留り、信頼性を大きく損なう原因となっ
ていた。Action In order to meet the demands for high integration, miniaturization, and large capacity of various electric devices such as semiconductor ICs and LSIs, miniaturization of capacitors, which is one of the passive elements, is required.
Therefore, a large capacitor per unit area has been required, but in the conventional three-layer structure as shown in FIG. 4, when an insulating film is formed on a silicon substrate, these interfaces are formed. However, there is a problem that a silicon oxide film is formed on the surface and the effective dielectric constant is lowered. This problem can be solved by selecting a metal material having a specific property such as not forming an oxide at the interface with the insulating film as the lower electrode of the capacitor, as described above in detail. Due to the upper limit, considerable unevenness occurs on the surface, which increases the leakage current of the capacitor and causes a short circuit,
This has been a cause of greatly impairing the yield and reliability of the capacitor.
この問題は該下部電極の表面平滑化によって克服し得る
ものと考えられる。そこで、本発明では下部電極の構成
を、特の材料、特にモリブデン、タングステン、ニオ
ブ、チタン、タンタル、ハフニウム、ジルコニウムから
なる群から選ばれるものとし、かつ、石垣状の構造をも
つ層か、非晶質状の構造をもつ層か、あるいは、低い層
抵抗を有する材料による薄層とすることにより、その絶
縁膜側の表面の凹凸を該絶縁膜の厚さよりも小しくする
ことができるため上記目的が達成し得ることを見出し
た。It is considered that this problem can be overcome by smoothing the surface of the lower electrode. Therefore, in the present invention, the structure of the lower electrode is selected from the group consisting of special materials, particularly molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium, and zirconium, and a layer having a stone wall structure or By using a layer having a crystalline structure or a thin layer made of a material having low layer resistance, the unevenness on the surface on the insulating film side can be made smaller than the thickness of the insulating film. We have found that the purpose can be achieved.
第1の態様によれば、第1図に示したように、結晶形を
石垣状とすることにより上記結果を達成した。第1図の
例は石垣状の結晶構造を有する下部電極4と、絶縁膜5
と上部電極6とで構成され、該石垣構造は一旦従来と同
様に柱状の大結晶を形成した後熱処理することにより実
現される。According to the first aspect, as shown in FIG. 1, the above results were achieved by making the crystal form a stone wall. The example shown in FIG. 1 is a lower electrode 4 having a crystal structure of a stone wall and an insulating film 5.
And the upper electrode 6, the stone wall structure is realized by once forming columnar large crystals as in the conventional case and then performing heat treatment.
また、第2の態様によれば、第2図に示したように、下
部電極層7の結晶粒径縮小のために非晶質状とした。こ
れは、必ずしも非晶質である必要はなく、単に結晶粒径
を小さくするのみで足りる。そのために、酸素等の不純
物を所定量で添加する。Further, according to the second aspect, as shown in FIG. 2, the lower electrode layer 7 is made amorphous in order to reduce the crystal grain size. This does not necessarily need to be amorphous, and merely reducing the crystal grain size is sufficient. Therefore, impurities such as oxygen are added in a predetermined amount.
更に、第3の態様よれば、第3図に示したように、下部
電極層8の厚さを小さくすることによって粒径の縮小化
を達成しており、この場合にも同様な効果を達成するこ
とができる。Furthermore, according to the third aspect, as shown in FIG. 3, the particle size can be reduced by reducing the thickness of the lower electrode layer 8, and the same effect can be achieved in this case as well. can do.
かくして、本発によれば、キャパシタ下部電極の表面平
滑化が達成でき、単位面積当たりのキャパシタンスの大
きなキャパシタを得ることができ、各種電子デバイスの
最近の要求に合った受動素子が有利に提供できる。Thus, according to the present invention, the surface smoothing of the capacitor lower electrode can be achieved, a capacitor having a large capacitance per unit area can be obtained, and a passive element that meets recent demands of various electronic devices can be advantageously provided. .
実施例 以下実施例に従って本発明を更に具体的に説明すると共
に、その効果を実証する。しかしながら、これら実施例
により本発明の範囲は何等制限されない。EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples below, and the effects thereof will be demonstrated. However, the scope of the present invention is not limited by these examples.
実施例1 本例では第1図に示すような本発明の第1の態様に従う
キャパシタを作製した。まず、下部電極4はそれ自体公
知のスパッタ法で形成した後、1000℃の窒素中で熱処理
した3000Åのモリブデン膜である。又、絶縁膜5はそれ
自体公知のスパッタ法で形成した100Åの酸化タンタル
膜であり、上部電極6はそれ自体公知のスパッタ法で形
成した3000Åのモリブデン膜である。モリブデン膜は高
温での熱処理を施すことにより、第4図の金属層1の如
き柱状結晶から第1図のモリブデン膜4の如き、非常に
表面の平坦な石垣状結晶に変化する。従って熱処理前の
膜に比して表面の凹凸が減ると共に、結晶粒径が大きく
なることで凹凸の数も少なくなる。従って本構造のキャ
パシタは下部電極の表面の凹凸が絶縁膜の膜厚よりも小
さいキャパシタとなっている。このキャパシタのリーク
電流特性を第6図の曲線dとして示した。従来のキャパ
シタ(同図の曲線c)に比して格段にリーク電流が減少
していることは明らかである。Example 1 In this example, a capacitor according to the first aspect of the present invention as shown in FIG. 1 was produced. First, the lower electrode 4 is a 3000 Å molybdenum film which is formed by a sputtering method known per se and then heat-treated in nitrogen at 1000 ° C. The insulating film 5 is a 100Å tantalum oxide film formed by a known sputtering method, and the upper electrode 6 is a 3000Å molybdenum film formed by a known sputtering method. By subjecting the molybdenum film to a heat treatment at a high temperature, a columnar crystal such as the metal layer 1 in FIG. 4 changes into a stone-wall-shaped crystal with a very flat surface like the molybdenum film 4 in FIG. Therefore, as compared with the film before the heat treatment, the unevenness on the surface is reduced and the number of the unevenness is reduced due to the increase in the crystal grain size. Therefore, the capacitor of this structure is a capacitor in which the unevenness of the surface of the lower electrode is smaller than the thickness of the insulating film. The leakage current characteristic of this capacitor is shown as a curve d in FIG. It is clear that the leakage current is significantly reduced as compared with the conventional capacitor (curve c in the same figure).
実施例2 本例では第2図に示すような本発明の第2の態様に従う
キャパシタを作製した。まず、下部電極7はそれ自体公
知の、酸素を含むアルゴンガス中の反応性スパッタ法に
より形成した、酸素を含み非晶質状をなす3000Åのモリ
ブデン膜である。絶縁膜5及び上部電極6は実施例1と
同様である。モリブデン膜7は非晶質状であるため、表
面の凹凸は極めて小さい。従って本構造のキャパシタは
下部電極の表面の凹凸が絶縁膜の膜厚よりも小さいキャ
パシタとなっている。このキャパシタのリーク電流特性
を第6図の曲線eとして示した。従来のキャパシタに比
して格段にクーク電流が減少していることは明らかであ
る。Example 2 In this example, a capacitor according to the second aspect of the present invention as shown in FIG. 2 was produced. First, the lower electrode 7 is a 3000-liter amorphous molybdenum film containing oxygen, which is formed by a reactive sputtering method in argon gas containing oxygen, which is known per se. The insulating film 5 and the upper electrode 6 are the same as in the first embodiment. Since the molybdenum film 7 is amorphous, the surface unevenness is extremely small. Therefore, the capacitor of this structure is a capacitor in which the unevenness of the surface of the lower electrode is smaller than the thickness of the insulating film. The leakage current characteristic of this capacitor is shown as a curve e in FIG. It is clear that the Cooke current is significantly reduced compared to the conventional capacitor.
実施例3 本例では第3図に示すような本発明の第3の態様に従う
キャパシタを作製した。ここで、下部電極8はそれ自体
公知のスパッタ法で形成した20Åのモリブデン膜であ
る。絶縁膜5及び上部電極6は実施例1と同様である。
モリブデン膜8は20Åと薄いにも拘らず第8図に示すよ
うに十分低い層抵抗値を持っており、良好な導電体層を
形成している。第3図の構造ではモリブデン膜8の表面
の凹凸は高々20Å以下であるから、下部電極の表面の凹
凸が絶縁膜の膜厚よりも小さいキャパシタとなってい
る。このキャパシタのリーク電流特性を第6図fに示
す。従来のキャパシタに比して格段にリーク電流が減少
していることは明らかである。Example 3 In this example, a capacitor according to the third aspect of the present invention as shown in FIG. 3 was produced. Here, the lower electrode 8 is a 20Å molybdenum film formed by a sputtering method known per se. The insulating film 5 and the upper electrode 6 are the same as in the first embodiment.
Although the molybdenum film 8 is as thin as 20Å, it has a sufficiently low layer resistance value as shown in FIG. 8 and forms a good conductor layer. In the structure shown in FIG. 3, since the surface roughness of the molybdenum film 8 is at most 20 Å or less, the surface roughness of the lower electrode is a capacitor smaller than the thickness of the insulating film. The leakage current characteristic of this capacitor is shown in FIG. It is clear that the leakage current is remarkably reduced as compared with the conventional capacitor.
発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、下部電極の凹凸
を小さくできるのでリーク電流を小さくでき、単位面積
当たりのキャパシタが非常に大きく、かつ絶縁性に優れ
たキャパシタを得ることができる。As described above, according to the present invention, since the unevenness of the lower electrode can be reduced, the leakage current can be reduced, and the capacitor per unit area can be very large, and a capacitor having excellent insulation can be obtained. it can.
従って、このようなキャパシタを使用すれば、電子計算
機のMOSダイナミックメモリーをはじめとする各種電子
機器の小型化、高集積化あるいは大容量化を実現するこ
とができる。Therefore, by using such a capacitor, various electronic devices such as a MOS dynamic memory of an electronic computer can be downsized, highly integrated, or have a large capacity.
更に、本発明の方法よれば上記キャパシタを高い信頼度
で歩留りよく製造することができる。Furthermore, according to the method of the present invention, the capacitor can be manufactured with high reliability and high yield.
第1図は本発明の第1の態様に従うキャパシタの断面
図、 第2図は本発明の第2の態様に従うキャパシタの断面
図、 第3図は本発明の第3の態様に従うキャパシタの断面
図、 第4図は従来のキャパシタの断面図、 第5図は絶縁膜として酸化タンタルを用いたキャパシタ
の酸化タンタル膜厚と実効比誘電率との関係を示す特性
図、 第6図は本発明及び従来例において形成されたキャパシ
タのリーク電流特性図、 第7図は反応性スパッタ法で酸素を含んだモリブデンを
形成した場合のモリブデン結晶粒径とモリブデン膜中の
酸素濃度との関係を示す特性図、 第8図はスパッタ法でモリブデンを形成した場合の層抵
抗値とモリブデン膜厚との関係を示す特性図である。 (主な参照番号) 1……金属層、2……絶縁膜、 3……上部電極、 4、6、7、8……モリブデン膜、 5……酸化タンタル膜1 is a sectional view of a capacitor according to the first aspect of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a capacitor according to the second aspect of the present invention, and FIG. 3 is a sectional view of a capacitor according to the third aspect of the present invention. FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional capacitor, FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the tantalum oxide film thickness and the effective relative dielectric constant of a capacitor using tantalum oxide as an insulating film, and FIG. FIG. 7 is a characteristic diagram showing the relationship between the molybdenum crystal grain size and the oxygen concentration in the molybdenum film when molybdenum containing oxygen is formed by the reactive sputtering method. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the layer resistance value and the molybdenum film thickness when molybdenum is formed by the sputtering method. (Main reference numbers) 1 ... metal layer, 2 ... insulating film, 3 ... upper electrode, 4,6,7,8 ... molybdenum film, 5 ... tantalum oxide film
Claims (7)
縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第2の導電体層を含む
3層積層体構造のキャパシタにおいて、前記第1の導電
体層がモリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、タ
ンタル、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から
選ばれる1種で構成された石垣状結晶構造を有してお
り、前記第1の導電体層の表面の凹凸が前記絶縁膜の厚
さよりも小さいことを特徴とする上記キャパシタ。1. A capacitor having a three-layer laminate structure including a first conductor layer, an insulating film formed on the first conductor layer, and a second conductor layer provided on the insulating film. The first conductor layer has a stone wall crystal structure composed of one selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium and zirconium, and the surface of the first conductor layer The unevenness of is smaller than the thickness of the insulating film.
縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第2の導電体層を含む
3層積層体構造のキャパシタにおいて、前記第1の導電
体層がモリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、タ
ンタル、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から
選ばれる1種で構成された不純物としての酸素または窒
素を含む非晶質状の層であって、その表面の凹凸が前記
絶縁膜の厚さよりも小さいことを特徴とする上記キャパ
シタ。2. A capacitor having a three-layer laminated structure including a first conductor layer, an insulating film formed on the first conductor layer, and a second conductor layer provided on the insulating film. Wherein one conductor layer is an amorphous layer containing oxygen or nitrogen as an impurity composed of one selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium and zirconium, The above capacitor, wherein surface irregularities are smaller than the thickness of the insulating film.
縁膜と、該絶縁膜上に設けられた第2の導電体層を含む
3層積層体構造のキャパシタにおいて、前記絶縁膜は厚
さが1000Å以下であり、前記第1の導電体層がモリブデ
ン、タングステン、ニオブ、チタン、タンタル、ハフニ
ウムおよびジルコニウムからなる群から選ばれる1種で
構成され、その表面の凹凸が前記絶縁膜の厚さよりも小
さく、かつ、厚さが層抵抗104Ω/□以下を与える厚さ
以上で、前記絶縁膜の厚さ以下であることを特徴とする
上記キャパシタ。3. A capacitor having a three-layer structure including a first conductor layer, an insulating film formed on the first conductor layer, and a second conductor layer provided on the insulating film. The film has a thickness of 1000 Å or less, and the first conductor layer is composed of one kind selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium and zirconium, and the unevenness of the surface thereof is the insulation. The above capacitor, which is smaller than the thickness of the film and is not less than the thickness that gives a layer resistance of 10 4 Ω / □ or less and not more than the thickness of the insulating film.
酸化チタン、酸化ハフニウムおよび酸化ジルコニウムか
らなる群から選ばれる少なくとも1種の単層もしくは複
数の層からなる積層構造を有することを特徴とする特許
請求の範囲第1〜3項のいずれか1項に記載のキャパシ
タ。4. The insulating film comprises tantalum oxide, niobium oxide,
A single layer of at least one kind selected from the group consisting of titanium oxide, hafnium oxide and zirconium oxide, or a laminated structure consisting of a plurality of layers, characterized in that any one of claims 1 to 3. The described capacitor.
び第2の導電体層をこの順序で積層することによる3層
積層構造のキャパシタの製造方法であって、前記第1の
導電体層が、気相蒸着法によりモリブデン、タングステ
ン、ニオブ、チタン、タンタル、ハフニウムおよびジル
コニウムからなる群から選ばれる1種で所定の厚さの層
を形成した後、該導電体材料の融点未満で、かつ該融点
の1/5以上の温度にて熱処理することにより形成さ
れ、その表面の凹凸が前記絶縁膜の厚さよりも小さいこ
とを特徴とする上記キャパシタの製造方法。5. A method of manufacturing a capacitor having a three-layer laminated structure by laminating a first conductor layer, an insulating film and a second conductor layer in this order by a vapor deposition method, the method comprising the steps of: Is formed by a vapor deposition method using molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium and zirconium to form a layer having a predetermined thickness, and then the melting point of the conductor material. The method for producing a capacitor is characterized in that it is formed by heat treatment at a temperature of less than ⅕ and at least ⅕ of the melting point, and the surface irregularities are smaller than the thickness of the insulating film.
び第2の導電体層をこの順序で積層することによる3層
積層構造のキャパシタの製造方法であって、前記第1の
導電体層が、不純物としての酸素または窒素の共存下で
モリブデン、タングステン、ニオブ、チタン、タンタ
ル、ハフニウムおよびジルコニウムからなる群から選ば
れる1種を気相蒸着することによって形成された10原子
%〜導電体材料の酸化物または窒化物のストイキオメト
リー以下の酸素または窒素を含有する非晶質状の層であ
り、その表面の凹凸が前記絶縁膜の厚さよりも小さいこ
とを特徴とするキャパシタの製造方法。6. A method of manufacturing a capacitor having a three-layer laminated structure by laminating a first conductor layer, an insulating film, and a second conductor layer in this order by a vapor deposition method, the method comprising the steps of: The conductive layer of 10 atomic% formed by vapor deposition of one selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, niobium, titanium, tantalum, hafnium and zirconium in the presence of oxygen or nitrogen as impurities. ~ A capacitor characterized by being an amorphous layer containing oxygen or nitrogen having a stoichiometry of oxide or nitride of a conductive material and having surface irregularities smaller than the thickness of the insulating film. Manufacturing method.
法により行うことを特徴とする特許請求の範囲第6項記
載のキャパシタの製造方法。7. The method of manufacturing a capacitor according to claim 6, wherein the impurity is added to the first layer by an ion implantation method.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60107587A JPH0665223B2 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | Capacitor and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60107587A JPH0665223B2 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | Capacitor and manufacturing method thereof |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61265856A JPS61265856A (en) | 1986-11-25 |
| JPH0665223B2 true JPH0665223B2 (en) | 1994-08-22 |
Family
ID=14462935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60107587A Expired - Lifetime JPH0665223B2 (en) | 1985-05-20 | 1985-05-20 | Capacitor and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Families Citing this family (4)
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|---|---|---|---|---|
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| JPH01225149A (en) * | 1988-03-04 | 1989-09-08 | Toshiba Corp | Capacitor and manufacture thereof |
| JP2829023B2 (en) * | 1989-02-28 | 1998-11-25 | 株式会社東芝 | Capacitors for semiconductor integrated circuits |
| JP4228560B2 (en) * | 2000-11-01 | 2009-02-25 | ソニー株式会社 | Capacitor element and manufacturing method thereof |
-
1985
- 1985-05-20 JP JP60107587A patent/JPH0665223B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS61265856A (en) | 1986-11-25 |
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