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DE69205063T2 - Dünnschichtkondensator. - Google Patents

Dünnschichtkondensator.

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DE69205063T2
DE69205063T2 DE69205063T DE69205063T DE69205063T2 DE 69205063 T2 DE69205063 T2 DE 69205063T2 DE 69205063 T DE69205063 T DE 69205063T DE 69205063 T DE69205063 T DE 69205063T DE 69205063 T2 DE69205063 T2 DE 69205063T2
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Germany
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layer
thin film
film capacitor
conductive layer
electrode
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Shogo Matsubara
Toshiyuki Sakuma
Shintaro Yamamichi
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NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Description

    Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Dünnschichtkondensator und insbesondere einen Dünnschichtkondensator, der auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird.
    • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • In herkömmlicher Weise wurde als dieser Typ eines Dünnschichtkondensator in der offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 3-80562, im folgenden als Stand der Technik 1 bezeichnet, ein Aufbau offenbart, in dem eine dielektrische Schicht und eine obere Elektrode der Reihe nach durch eine Sputter- Technik direkt auf einem Elektrodenbereich eines Siliciumsubstrats ausgebildet werden. Ein anderer Aufbau, in dem eine dielektrische Schicht und eine obere Elektrode der Reihe nach auf einer leitenden Schicht ausgebildet werden, die eine erste Schicht, die aus Wenigsterns einem Typ eines Metalls mit hohem Schmelzpunkt wie zum Beispiel Ta oder Ti hergestellt wird, und eine zweite Schicht aufweist, die aus wenigstens einem Typ von Metall wie zum Beispiel Pt oder Pb auf einem Elektrodenbereich eines Siliciumsubstrats hergestellt wird, wurde in der offengelegten Patentanmeldung Nr. Hei 3-101260 offenbart, im folgenden als Stand der Technik 2 bezeichnet. Ein weiterer Aufbau, in dem Pt oder Pb als eine untere Elektrode aufgebracht ist und eine dielektrische Schicht und eine obere Elektrode der Reihe nach auf einem aus Saphir oder ähnlichem hergestellten isolierenden Substrat ausgebildet werden, wurde im IBM Journal of Research and Developement, 68 (1969), S. 686-695 offenbart, im folgenden als Stand der Technik 3 bezeichnet.
  • Was die Dünnschichtkondensatoren, die die wie oben beschriebenen herkömmlichen Aufbauten aufweisen, betrifft, ist jedoch anzumerken, daß Stand der Technik 3 nachteilhaft darin ist, daß, wenn der Dünnschichtkondensator wärmebehandelt wird, nachdem er durch Ausbildung einer unteren Elektrode, einer dielektrischen Schicht und einer oberen Elektrode der Reihe nach auf einem isolierenden Substrat hergestellt wurde, eine Reaktion zwischen der oberen und der unteren Elektrode und der dielektrischen Schicht erfolgt und sich als Folge daraus ein Leckstrom erhöhen wird. Stand der Technik 1 ist nachteilhaft darin, daß, da die dielektrische Schicht mittels einer Sputter-Technik direkt auf der Siliciumelektrode ausgebildet wird, die Oberfläche des Siliciumelektrodenbereichs während der Ausbildung der dielektrischen Schicht oxidiert wird und die Kapazität des Dünnschichtkondensators insgesamt aufgrund von Siliciumdioxid begrenzt ist, das eine niedrige Dielektrizitätskonstante aufweist, die auf den Grenzflächen des Siliciuinelektrodenbereichs und der dielektrischen Schicht hergestellt wird, sogar obwohl eine dielektrische Schicht mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ausgebildet wird, wohingegen Stand der Technik 1 vorteilhaft darin ist, daß nach Ausbilden des Dünnschichtkondensators der Leckstrom aufgrund der Anwesenheit der Siliciumdioxidschicht bei der Wärmebehandlung daran gehindert wird, wirklich grob zu sein.
  • Im Falle eines Aufbaus, in dem die erste und die zweite leitende Schicht auf dem Siliciumelektrodenbereich ausgebildet werden und die dielektrische Schicht und die obere Elektrode der Reihe nach wie bei Stand der Technik 2 auf denselben ausgebildet werden, kann die Kapazität des gesamten Dünnschichtkondensators erhöht werden, während die Bildung der Schicht mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante durch eine geeignete Wärmebehandlung verhindert wird, wobei ein durch die dielektrische Schicht fließender Leckstrom jedoch nicht gesteuert werden kann, und insbesondere in dem Fall, dar die Dicke der dielektrischen Schicht 50nm oder weniger beträgt, wird ein Tunneln des Trägers erhöht, wodurch der Leckstrom erhöht wird. Darüberhinaus ist der Aufbau in diesem Falle weiter nachteilhaft darin, dar eine Wärmebehandlung nach Ausbildung der oberen Elektrode eine Reaktion der oberen Elektrode und der dielektrischen Schicht bewirken wird, was eine Erhöhung eines Leckstroms zur Folge haben wird.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe von wenigstens den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in der Lösung solcher herkömmlicher Probleme, um einen Dünnschichtkondensator zu schaffen, der in der Lage ist, die Ausbildung einer Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante und eine Erhöhung des Leckstroms selbst nach einer Wärmebehandlung zu verhindern, indem die untere und die obere Elektrode mit wenigstens zwei leitenden Schichten ausgebildet werden, da die Eigenschaften des Leckstroms nicht aufgrund einer Reaktion der Elektrodenmaterialien und der dielektrischen Schicht nachteilig beeinflußt werden können.
  • Weiter ist aus EP-A-0415751 ein Dünnschichtkondensator bekannt, der eine Siliciumelektrode, eine erste auf der Siliciumelektrode ausgebildete Elektrodenschicht, die aus einem der Materialien Titan, Titansilicid, Titannitrid, Tantal, Molybdän, Wolfram, Tantalsilicid, Molybdänsilicid, Wolframsilicid, Legierungen derselben und Verbindungen derselben besteht, eine zweite, auf derselben ausgebildete Elektrodenschicht, die aus Platin, Palladium oder Rhodium besteht, eine auf derselben ausgebildete dielektrische Schicht, die aus einer ferroelektrischen Oxidsubstanz wie BaTiO&sub3; besteht, und eine dritte auf derselben ausgebildete Elektrodenschicht aufweist. Als die erste Elektrodenschicht kann weiter Rheniumoxid, Osmiumoxid, Rhodiumoxid oder Iridiumoxid verwendet werden.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung schafft einen Dünnschichtkondensator, der ein Substrat aufweist, auf dem eine obere Elektrode, eine untere Elektrode und zwischen denselben eine dielektrische Schicht ausgebildet ist, wobei jede Elektrode eine erste leitende Schicht und eine zweite leitende Schicht aufweist, wobei die erste leitende Schicht jeder Elektrode dem Substrat näher ist als ihre zweite leitende Schicht, wobei die zweite leitende Schicht auf der ersten leitenden Schicht ausgebildet wird, die erste leitende Schicht wenigstens ein Metall, Metalloxid, Metallsilicid oder Metallnitrid aufweist, das einen hohen Schmelzpunkt hat, so daß die Elektrode nicht mit der dielektrischen Schicht reagiert, wenn sie nach Herstellung des Kondensators einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
  • Die erste leitende Schicht kann wenigstens aus einem der Materialien Titan, Tantal, Molybdän, Wolfram, Ruthenium, Rutheniumoxid, Rhenium, Rheniumoxid, Osmium, Osmiumoxid, Rhodium, Rhodiumoxid, einer Silicid-Verbindung des genannten Metalls oder Titannitrid hergestellt sein.
  • Die zweite leitende Schicht kann wenigstens aus einer der Schichten von Platin, Palladium, Rhodium und Aluminium hergestellt sein und die dielektrische Schicht kann aus einer Substanz hergestellt sein, die aus BaTiO&sub3;, SrTiO&sub3;, PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, LiNbO&sub3; und Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2; oder festen Lösungen dieser Substanzen ausgewählt ist, wobei auf diese Weise die Erhöhung des Leckstroms nach einer Wärmebehandlung verhindert wird. Darüberhinaus kann eine leitende Metalloxidschicht, wie erforderlich, wenigstens zwischen der zweiten leitenden Schicht an der unteren Elektrodenseite und der dielektrischen Schicht oder zwischen der ersten leitenden Schicht der oberen Elektrodenseite und der dielektrischen Schicht ausgebildet werden, um auf diese Weise den Leckstrom zu verringern.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt;
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt;
  • Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht, die die dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt;
  • Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht, die die vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt.
  • Detailierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht, die die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt.
  • Auf einem Saphirsubstrat 1 werden nacheinander eine untere Elektrode 2, eine aus SrTiO&sub3; hergestellte dielektrische Schicht 3 und eine obere Elektrode 4 ausgebildet.
  • Die untere Elektrode 2 weist eine Ti (Titan)-Schicht 2A als eine erste leitende Schicht und eine Pt (Platin)-Schicht 28 als eine zweite leitende Schicht auf, und die obere Elektrode 4 weist eine W (Wolfram)-Schicht 4A als die erste leitende Schicht und eine Al (Aluminium)-Schicht 48 als die zweite leitende Schicht auf.
  • In der ersten Ausführungsform wird SrTi&sub3; als die dielektrische Schicht 3 verwendet, ein ähnlicher Effekt könnte jedoch durch Verwenden von BaTiO&sub3;, PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, LiNbO&sub3;, Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2; oder eine der festen Lösungen dieser Substanzen erzielt werden. Andere isolierende Substrate als das Saphirsubstrat 1 erzielten einen ähnlichen Effekt.
  • Außerdem wurden in der ersten Ausführungsform Titan und Wolfram als die ersten leitenden Schichten auf der unteren und der oberen Elektrode 2 und 4 verwendet, aber ein ähnlicher Effekt wurde durch Verwenden von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Tantal, Molybdän, Ruthenium, Rutheniumsilicid, Rutheniumoxid, Rhenium, Rheniumsilicid, Rheniumoxid, Osmium, Osmiumsilicid, Osmiumoxid, Rhodium, Rhodiumsilicid und Rhodiumoxid oder Silicid-Verbindungen dieser Metalle oder Titannitrid als die erste leitende Schicht erzielt. Platin und Aluminium wurden als die zweiten leitenden Schichten der unteren und der oberen Elektrode 2 und 4 verwendet, aber ein ähnlicher Effekt wurde durch Verwenden von Palladium oder Rhodium erzielt.
  • Der oben beschriebene Dünnschichtkondensator der ersten Ausführungsform wird wie im folgenden beschrieben durch eine bekannte Dünnschicht-Auftragstechnik hergestellt.
  • Zuerst werden die Ti (Titan)- und die Pt (Platin)- Schicht 2A und 28 als die untere Elektrode 2 jeweils in Dicken von 10 bis 150nm und 20 bis 150nm nacheinander mittels der Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Technik auf das Saphirsubstrat 1 aufgebracht, und anschließend wird mittels der Hochfrequenz-Magnetron-Sputter-Technik SrTiO&sub3; als die dielektrische Schicht 3 in einer Dicke von 30 bis 500nm auf die untere Elektrode 2 aufgebracht. Schließlich werden die Wolfram- und die Aluminiumschicht 4A und 48 mittels der Gleichstrom- Magnetron-Sputter-Technik als die obere Elektrode 4 jeweils in Dicken von 10 bis lsonm und 100 bis 1200nm auf die dielektrische Schicht 3 aufgebracht.
  • Wenn der wie oben beschrieben hergestellte Dünnschichtkondensator einer Wärmebehandelung bei 400 bis 500ºC für 10 bis 90 Minuten unterworfen wurde, erhöhte sich der Leckstrom nicht. Dies liegt darin begründet, dar eine Reaktion zwischen der Aluminiumschicht 48 als ein Teil der oberen Elektrode 4 und der dielektrischen Schicht 3 durch die Wolframschicht 4A gehindert wird.
  • Die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht, die die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnschichtkondensators zeigt.
  • Auf einem n-Typ Siliciumsubstrat 5 mit niedrigem Widerstand werden nacheinander eine untere Elektrode 6, eine dielektrische Schicht 7 aus SrTiO&sub3; und eine obere Elektrode 8 ausgebildet.
  • Die untere Elektrode 6 weist eine Ta (Tantal)-Schicht 6A als eine erste leitende Schicht und eine Pt (Platin)-Schicht 68 als eine zweite leitende Schicht auf, und die obere Elektrode 8 weist eine Ti (Titan)-Schicht 8A und eine TiN (Titannitrid)-Schicht 8B als eine erste leitende Schicht und eine Al (Aluminium)-Schicht 8C als eine zweite leitende Schicht auf.
  • Bei der zweiten Ausführungsform wurde SrTiO&sub3; als die dielektrische Schicht 7 verwendet, ein ähnlicher Effekt wurde jedoch durch Verwenden von BaTiO&sub3;, PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, LiNbO&sub3; und Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2; oder fester Lösungen dieser Substanzen erzielt. Darüberhinaus wurde ein ähnlicher Effekt durch Verwenden eines p-Typ Siliciumsubstrats, eines aus Ge oder einem Verbindungshalbleiter aus Elementen der Gruppe III-V, Ga, As, In, P und Al hergestellten Substrats, außer dem n-Typ Siliciumsubstrat 5, als das Substrat 5 erzielt.
  • Weiter wurden bei der zweiten Ausführungsform Tantal, Titan und Titannitrid als die ersten leitenden Schichten der oberen und der unteren Elektrode 6 und 8 verwendet, ein ähnlicher Effekt wurde jedoch durch Verwenden von Metallen mit hohem Schmelzpunkt wie Tantal, Molybdän, Wolfram, Ruthenium, Rutheniumsilicid, Rutheniumoxid, Rhenium, Rheniumsilicid, Rheniumoxid, Osmium, Osmiumsilicid, Osmiumoxid, Rhodium, Rhodiumsilicid und Rhodiumoxid oder Silicid-Verbindungen dieser Metalle oder Titannitrid als die ersten leitenden Schichten der oberen und der unteren Elektrode 6 und 8 erzielt. Platin und Aluminium wurden als die zweiten leitenden Filme der unteren und der oberen Elektrode 6 und 8 verwendet, ein ähnlicher Effekt wurde jedoch durch Verwenden von Palladium oder Rhodium erzielt.
  • Der oben beschriebene Dünnschichtkondensator der zweiten Ausführungsform wird wie im folgenden beschrieben durch eine bekannte Auftragstechnik hergestellt.
  • Zuerst werden eine Ti (Titan)-Schicht 6A und eine Pt (Platin)-Schicht 68 als die untere Elektrode 6 jeweils in Dicken von 10 bis 150nm und 20 bis 150nm mittels der Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Technik auf das Siliciumsubstrat 5 aufgebracht, und anschließend wird eine SrTiO&sub3;-Schicht als die dielektrische Schicht 7 in einer Dicke von 30 bis 500 nm mittels der Hochfrequenz-Magnetron-Sputter-Technik auf die untere Elektrode 9 aufgebracht. Als nächstes werden eine Ti (Titan)-Schicht 8A, eine TiN (Titannitrid)-Schicht 88 und eine Al (Aluminium)-Schicht 8C als die obere Elektrode 8 in Dicken von jeweils 10 bis 150nm, 10 bis 150nm und 100 bis 1200nm auf die dielektrische Schicht 7 aufgebracht.
  • Die Ti-Schicht 8A und die Al-Schicht 8C als die obere Elektrode 8 wurden durch die Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Technik ausgebildet und die TiN-Schicht 88 wurde durch die reaktive Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Technik ausgebildet.
  • Wenn der auf diese Weise hergestellte Dünnschichtkondensator der zweiten Ausführungsform einer Wärmebehandlung bei 400 bis 500ºC für 10 bis 90 Minuten unterworfen wurde, erhöhte sich der Leckstrom nicht.
  • Gemäß der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform, kann die Erhöhung des Leckstroms nach einer Wärmebehandlung verhindert werden. Wenn, wie in dem Fall der in Fig. 3 gezeigten dritten Ausführungsform, bei dem in Fig. 1 gezeigten Dünnschichtkondensator mittels der reaktiven Gleichstrom-Magnetron-Sputter-Technik eine leitende Metalloxidschicht 9 aus PbO mit einer Dicke von 5 bis 150nm zwischen der Pt-Schicht 28 als die zweite leitende Schicht der unteren Elektrodenseite 2 und der dielektrischen Schicht 3 ausgebildet wird, kann die Erhöhung des Leckstroms selbst dann verhindert werden, wenn die Dicke der dielektrischen Schicht 3 des Dünnschichtkondensators 50nm oder weniger beträgt. Dies liegt darin begründet, daß die Träger in der unteren Elektrode 2 durch das Vorhandensein der leitenden Metalloxidschicht 9 ausgelöscht sein können.
  • Bei dem Dünnschichtkondensator der dritten Ausführungsform ist, wenn die obere Elektrode eine positive Spannung aufweist und die untere Elektrode eine negative Spannung aufweist, der durch den Dünnschichtkondensator fliegende Leckstrom klein, wenn die Spannung jedoch umgekehrt angelegt wird, ist der Leckstrom groß. Aus diesem Grunde kann der Leckstrom ungeachtet der Polung der anzulegenden Spannung durch Ausbilden einer leitenden Metalloxidschicht 9 zwischen der W-Schicht 4A als die erste leitende Schicht an der oberen Elektrodenseite 4 und der dielektrischen Schicht 3 verringert werden.
  • Der in Fig. 4 gezeigte Dünnschichtkondensator der vierten Ausführungsform wird hergestellt, indem bei dem in Fig. 2 gezeigten Dünnschichtkondensator PbO leitende Metalloxidschichten 10 und 11, die jeweils eine Dicke von 5 bis 150nm aufweisen, zwischen der Pt-Schicht 6B als die zweite leitende Schicht der unteren Elektrode 6 und der dielektrischen Schicht 7 und zwischen der Ti-Schicht 8A als die erste leitende Schicht der oberen Elektrode 8 und der dielektrischen Schicht 7 ausgebildet werden.
  • Auch bei dem Dünnschichtkondensator der vierten Ausführungsform kann eine Erhöhung des Leckstroms nach einer Wärmebehandlung verhindert werden und darüberhinaus kann im Falle des Dünnschichtkondensators, dessen dielektrische Schicht 7 eine Dicke von 50nm oder weniger aufweist, die Erhöhung eines Leckstroms verhindert werden. Weiter kann in diesem Falle als etwas Selbstverständliches eine der leitenden Schichten 10 und 11 zufriedenstellend verwendet werden.
  • Die leitende Metalloxidschicht kann außer aus PbO aus leitendem TaOx, SrTiOx etc. hergestellt sein.
  • Wie oben beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung einen Effekt, der es ermöglicht, die Ausbildung einer Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die die Kapazität eines Dünnschichtkondensators verringert, und die Erhöhung des Leckstroms, der nach Herstellung des Kondensators aus Reaktionen der oberen und der unteren Elektrode mit der dielektrischen Schicht bei Wärmebehandlung resultiert, und weiter die Erhöhung des Leckstroms selbst dann zu verhindern, wenn die Dicke der dielektrischen Schicht klein ist.

Claims (8)

1. Dünnschicht-Kondensator, der ein Substrat (1) aufweist, auf dem eine obere Elektrode (4) eine untere Elektrode (2) und zwischen denselben eine dielektrische Schicht (3) ausgebildet ist, wobei jede Elektrode eine erste leitende Schicht (4a,2a) und eine zweite leitende Schicht (4b,2b) aufweist, wobei die erste leitende Schicht jeder Elektrode dem Substrat näher ist als ihre zweite leitende Schicht, wobei die zweite leitende Schicht auf der ersten leitenden Schicht ausgebildet wird, die erste leitende Schicht (4a,2a) wenigstens ein Metall, Metalloxid, Metallsilicid oder Metallnitrid aufweist, das einen hohen Schmelzpunkt hat, so daß die Elektrode (4,2) nicht mit der dielektrischen Schicht (3) reagiert, wenn sie nach Herstellung des Kondensators einer Wärmebehandlung unterworfen wird.
2. Dünnschicht-Kondensator nach Anspruch 1, bei dem die erste leitende Schicht (4a,2a) wenigstens aus einem der Materialien Titan, Tantal, Molybdän, Wolfram, Ruthenium, Rutheniumoxid, Rhenium, Rheniumoxid, Osmium, Osmiumoxid, Rhodium, Rhodiumoxid, einer Silicid-Verbindung des genannten Metalls oder Titannitrid hergestellt ist.
3. Dünnschicht-Kondensator nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem die zweite leitende Schicht (4b,2b) wenigstens aus einem der Materialien Platin, Palladium, Rhodium oder Aluminium hergestellt ist.
4. Dünnschicht-Kondensator nach einein vorangehenden Anspruch, bei dem die dielektrische Schicht (3) aus einer Substanz hergestellt ist, die aus BaTiO&sub3;, SrTiO&sub3;, PbTiO&sub3;, PbZrO&sub3;, LiNbO&sub3; od er Bi&sub4;Ti&sub3;O&sub1;&sub2; oder festen Lösungen (Mischkristallen) dieser Substanzen ausgewählt ist.
5. Dünnschicht-Kondensator nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das Substrat (1) ein Halbleitersubstrat, das als n-Typ oder p-Typ Störstellen-dotiert ist, ein Substrat, das aus einer Verbindung von wenigstens zwei Elementen von Ga, As, In, P und Al hergestellt ist, oder ein Mischkritallsubstrat von Si und Ge ist.
6. Dünnschicht-Kondensator nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem das Substrat (1) ein Saphirsubstrat ist.
7. Dünnschicht-Kondensator nach einem vorangehenden Anspruch, bei dem eine leitende Metalloxidschicht (11) wenigstens zwischen der zweiten leitenden Schicht (2b) der unteren Elektrode (2) und der dielektrischen Schicht (3) und/oder zwischen der ersten leitenden Schicht (4a) der oberen Elektrode (4) und der dielektrischen Schicht (3) gebildet ist.
8. Dünnschicht-Kondensator nach Anspruch 7, bei dem der leitende Metalloxidfilm (11) aus PbO hergestellt ist.
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