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JP2006060174A - Capacitance element, semiconductor device using the same, and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Capacitance element, semiconductor device using the same, and method for manufacturing semiconductor device Download PDF

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JP2006060174A
JP2006060174A JP2004243373A JP2004243373A JP2006060174A JP 2006060174 A JP2006060174 A JP 2006060174A JP 2004243373 A JP2004243373 A JP 2004243373A JP 2004243373 A JP2004243373 A JP 2004243373A JP 2006060174 A JP2006060174 A JP 2006060174A
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Japan
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film
layer
atom
semiconductor device
metal
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JP2004243373A
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Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Nishio
明彦 西尾
Toshiharu Tanpo
敏治 反保
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

【課題】スパッタ法により形成したペロブスカイト型酸化物高誘電体薄膜を用いた容量素子において、低リーク電流と高比誘電率の両立を可能とし、高品質の容量素子を提供する。
【解決手段】本発明の容量素子は、Ti膜103/Pt膜104からなる下部電極とPt膜108からなる上部電極との間にSrTiO3膜からなる容量誘電体膜を備えている。容量誘電体膜は2層に分かれており、主要部分はSrを過剰に含むSrTiO3膜105で、上部電極側の層はTiを過剰に含むSrTiO3膜107からなる。
【選択図】図1
In a capacitive element using a perovskite oxide high dielectric thin film formed by sputtering, it is possible to achieve both a low leakage current and a high relative dielectric constant, and provide a high quality capacitive element.
A capacitive element of the present invention includes a capacitive dielectric film made of a SrTiO 3 film between a lower electrode made of a Ti film 103 / Pt film 104 and an upper electrode made of a Pt film. The capacitive dielectric film is divided into two layers, the main part is an SrTiO 3 film 105 containing excessive Sr, and the layer on the upper electrode side is made of an SrTiO 3 film 107 containing excessive Ti.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、高誘電体薄膜容量素子を有する半導体装置ならびにその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device having a high dielectric thin film capacitive element and a method for manufacturing the same.

SrTiO3(以下、STOという)等のペロブスカイト型酸化物高誘電体薄膜ABO3(AはII族、BはIV族の金属原子)を用いた容量素子は、準マイクロ波帯で損失が少な
く、60GHzまで周波数分散を示さないことから高周波動作のGaAsMMIC用容量として使用されている(例えば、非特許文献1参照)。
A capacitive element using a perovskite oxide high dielectric thin film ABO 3 (A is a group II, B is a group IV metal atom) such as SrTiO 3 (hereinafter referred to as STO) has a small loss in the quasi-microwave band, Since it does not show frequency dispersion up to 60 GHz, it is used as a capacitor for GaAs MMICs operating at high frequency (see, for example, Non-Patent Document 1).

このような容量素子では、リーク電流が大きいことが問題となるので、非特許文献1に開示されているように、リーク電流を低減するため誘電体膜と電極の端面を離した形状にして端面リークを回避したり、酸素雰囲気でのアニールにより誘電体膜の酸素欠損を補填してリーク電流を抑えることで使用されている。   In such a capacitive element, since a large leakage current is a problem, as disclosed in Non-Patent Document 1, in order to reduce the leakage current, the end surfaces of the dielectric film and the electrode are separated from each other. It is used by avoiding leaks or suppressing leak current by filling oxygen vacancies in the dielectric film by annealing in an oxygen atmosphere.

一方、ペロブスカイト型酸化物高誘電体薄膜は、その組成によって電気的特性が異なってくる。例えば、STOや(BaxSr1-x)TiO3(以下、BSTという)において、Ti原子が化学量論比よりも過剰に含まれる状態でリーク電流が抑制されることが知られており、その場合、結晶構造が微結晶あるいはアモルファス構造となることが報告されている(特許文献1、非特許文献2参照)。
特開平11−330411号公報 西辻充他(M.Nishituji et al)著、「低温堆積SrTiO3薄膜容量を用いた新しいGaAs−MMICプロセス技術(New GaAs−MMIC process technology using low−temperature deposited SrTiO3 thin film capacitors)」、Electronics Letters、1995年、第31巻、p.137 明渡邦夫他著、「高耐圧SrTiO3薄膜の作製と評価」、豊田中央研究所R&Dレビュー、1997年9月、第32巻、第3号、p.61−70
On the other hand, the perovskite oxide high dielectric thin film has different electrical characteristics depending on its composition. For example, in STO and (Ba x Sr 1-x ) TiO 3 (hereinafter referred to as BST), it is known that leakage current is suppressed in a state in which Ti atoms are contained in excess of the stoichiometric ratio, In that case, it has been reported that the crystal structure becomes a microcrystal or an amorphous structure (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).
JP-A-11-330411 "New GaAs-MMIC process technology using low-temperature deposited SrTiO3 thin film 95," by M. Nishituji et al., "New GaAs-MMIC process technology using low-temperature deposited SrTiO3 thin film capacitance, SrTiO3 thin film capacitance". Year, Vol. 31, p. 137 Kunio Meido et al., “Fabrication and evaluation of high voltage SrTiO3 thin film”, Toyota Central R & D Review, September 1997, Vol. 32, No. 3, p. 61-70

しかしながら、高誘電体薄膜の高耐圧化をはかるためには、上記従来技術に開示されたように、高誘電体薄膜をTi過剰にし、結晶状態を微結晶もしくはアモルファスにする必要があるが、この場合、比誘電率が大幅に低下してしまうという問題が生じる(特許文献1、非特許文献1参照)。   However, in order to increase the breakdown voltage of the high dielectric thin film, as disclosed in the prior art, it is necessary to make the high dielectric thin film Ti-excess and to change the crystal state to microcrystal or amorphous. In such a case, there arises a problem that the relative permittivity is significantly reduced (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).

そこで、この問題を回避するために、特許文献1には誘電体膜の大部分を化学量論的組成比とし、一部をTi過剰な組成として比誘電率の低下を防止する構成を開示している。   Therefore, in order to avoid this problem, Patent Document 1 discloses a configuration in which the dielectric film is made to have a stoichiometric composition ratio and a part of which is excessive in Ti to prevent a decrease in the dielectric constant. ing.

しかし、このような構成を実現するには次のような問題がある。   However, there are the following problems in realizing such a configuration.

ペロブスカイト型酸化物高誘電体薄膜を形成する方法として、膜中への不純物混入を防止し、高品質の膜を得るために、近年、スパッタ法が主に用いられてきている。この場合、スパッタリングターゲットとして膜組成とほぼ同じ組成のターゲットを使用することが通常行われているが、スパッタリングに用いるガス(通常はArを用いる)に対する各原子のスパッタ率が異なるため、例えば、STOターゲットを用いた場合、Srを過剰に含む膜が形成されてしまうが、この膜は柱状結晶構造であり、リーク電流が増大する傾向にある。   As a method for forming a perovskite oxide high dielectric thin film, a sputtering method has been mainly used in recent years in order to prevent impurities from being mixed into the film and to obtain a high quality film. In this case, a target having almost the same composition as the film composition is usually used as the sputtering target. However, since the sputtering rate of each atom differs with respect to the gas used for sputtering (usually using Ar), for example, STO. When a target is used, a film containing excessive Sr is formed, but this film has a columnar crystal structure and tends to increase leakage current.

Tiを過剰に含む膜を形成するためには、ターゲット組成をTi過剰にすればよいが、上述したように、その場合、比誘電率の大幅な低下は避けられない。また、実際には放電条件等によってスパッタ率が変動するため、単にターゲットの組成比を変える方法で精密な組成制御をすることは容易でない。また、組成の異なる2つのターゲットを用いて、誘電体薄膜を形成したとしても、誘電体膜中で急激に組成を変化させると、結晶構造の乱れにより比誘電率および耐圧が大幅に低下するという問題を生じる。   In order to form a film containing excessive Ti, the target composition may be set to excessive Ti. However, as described above, in this case, a significant decrease in the relative dielectric constant is inevitable. In addition, since the sputtering rate actually varies depending on the discharge conditions and the like, it is not easy to precisely control the composition by simply changing the composition ratio of the target. In addition, even if a dielectric thin film is formed using two targets having different compositions, if the composition is rapidly changed in the dielectric film, the relative permittivity and breakdown voltage are greatly reduced due to the disorder of the crystal structure. Cause problems.

以上のことから、スパッタ法を用いて低リークかつ高比誘電率のペロブスカイト型酸化物高誘電体薄膜を形成することは困難であった。   From the above, it has been difficult to form a perovskite oxide high dielectric thin film having a low leakage and a high relative dielectric constant using a sputtering method.

そこで、本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、容量誘電体膜ABO3の構造が、B原子が過剰に含まれる層とA原子が過剰に含まれる層とを有し、各層間で連続的に組成が変化するような構造とすることで、低リークかつ比誘電率の高い容量素子を有する半導体装置およびその製造方法を提供するものである。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and the structure of the capacitive dielectric film ABO 3 includes a layer containing an excessive amount of B atoms and a layer containing an excessive amount of A atoms. Thus, a semiconductor device having a capacitor with a low leakage and a high relative dielectric constant and a method for manufacturing the same are provided.

上記課題を解決するため、本発明の容量素子は、ペロブスカイト構造の高誘電体薄膜ABO3(AはII族、BはIV族の金属原子)を容量誘電体膜とし、前記容量誘電体膜を挟む
上部電極と下部電極を備えた容量素子であって、前記容量誘電体膜は少なくとも2層以上の層状構造で、前記層状構造のうち第一の層は、化学量論比に対して前記A原子が過剰に含まれており、第二の膜は化学量論比に対して前記B原子が過剰に含まれていることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the capacitive element of the present invention uses a high dielectric thin film ABO 3 (A is a group II, B is a group IV metal atom) having a perovskite structure as a capacitive dielectric film. A capacitive element having an upper electrode and a lower electrode sandwiched therebetween, wherein the capacitive dielectric film has a layered structure of at least two layers, and the first layer of the layered structure has a ratio A to the stoichiometric ratio. Atoms are excessively contained, and the second film is characterized in that the B atoms are excessively contained with respect to the stoichiometric ratio.

前記第一の層において、前記第二の層に接する領域から離れるに従って前記A原子の含有比率が連続的に増加しており、前記第二の層に接する領域において、前記A原子の含有比率が前記第二の層とほぼ同じであることが好ましい。   In the first layer, the content ratio of the A atom continuously increases as the distance from the region in contact with the second layer increases. In the region in contact with the second layer, the content ratio of the A atom is The second layer is preferably substantially the same as the second layer.

前記第一の層は前記第二の層よりも比誘電率が高く、前記第二の層は前記第一の層よりも高耐圧であることが好ましい。   The first layer preferably has a relative dielectric constant higher than that of the second layer, and the second layer preferably has a higher withstand voltage than the first layer.

前記第一の層は柱状構造であり、前記第二の層は微結晶あるいはアモルファスであることが好ましい。   The first layer preferably has a columnar structure, and the second layer is preferably microcrystalline or amorphous.

前記A原子は、SrかBa、あるいはその双方を含み、前記B原子はTiであることがさらに好ましい。   More preferably, the A atom includes Sr, Ba, or both, and the B atom is Ti.

前記第一の層は前記下部電極側に位置し、前記第二の層は前記上部電極側に位置することがさらに好ましい。   More preferably, the first layer is located on the lower electrode side, and the second layer is located on the upper electrode side.

本発明の半導体装置は、半導体素子と、上記本発明の容量素子が同一基板上に形成されている。   In the semiconductor device of the present invention, the semiconductor element and the capacitor element of the present invention are formed on the same substrate.

前記基板がGaAs、InP等の化合物半導体基板であることが好ましい。   The substrate is preferably a compound semiconductor substrate such as GaAs or InP.

前記基板がGaAs、GaAlAs、InAlAs、InGaP等のエピタキシャル層を有していることが好ましい。   The substrate preferably has an epitaxial layer of GaAs, GaAlAs, InAlAs, InGaP or the like.

前記基板の表面に一導電型の高濃度不純物を含むGaAs、GaAlAsまたはInAlAsのエピタキシャル層を具備していることが好ましい。   It is preferable that the surface of the substrate is provided with an epitaxial layer of GaAs, GaAlAs, or InAlAs containing a high concentration impurity of one conductivity type.

本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の一主面上に、容量素子の下部電極となる金属を形成する工程と、前記下部電極となる金属の上にペロブスカイト構造の高誘電体薄膜ABO3(AはII族、BはIV族の金属原子)を形成する工程と、前記高誘電体薄膜の
上に前記容量素子の上部電極となる金属を形成する工程と、前記上部電極金属、高誘電体薄膜、下部電極金属をエッチングして、前記半導体基板上の所定の領域に、前記上部電極金属、前記高誘電体薄膜、前記下部電極金属を残して容量素子を形成する工程と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記高誘電体薄膜は少なくとも2層以上の層状構造で、前記層状構造のうち第一の層は、化学量論比に対して前記A原子が過剰に含まれ、第二の膜は化学量論比に対して前記B原子が過剰に含まれるように形成したことを特徴とする。
The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a metal to be a lower electrode of a capacitor element on one main surface of a semiconductor substrate, and a high dielectric thin film ABO having a perovskite structure on the metal to be the lower electrode. 3 (A is a group II, B is a group IV metal atom), a step of forming a metal to be an upper electrode of the capacitive element on the high dielectric thin film, the upper electrode metal, Etching the dielectric thin film and the lower electrode metal to form a capacitor element in a predetermined region on the semiconductor substrate, leaving the upper electrode metal, the high dielectric thin film, and the lower electrode metal. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the high dielectric thin film has a layered structure of at least two layers, and the first layer of the layered structure contains the A atom excessively with respect to the stoichiometric ratio. And the second membrane has a B It is formed so as to contain excessive atoms.

前記高誘電体薄膜の形成工程は、さらに、前記金属原子Bを過剰に含む第一の高誘電体膜を形成する工程と、その上に前記金属原子Aのみないしは前記金属原子Aを過剰に含む第二の膜を形成する工程と、前記第一の膜および前記第二の膜を含む前記半導体基板を熱処理して、前記金属原子Aを前記第二の膜中に拡散させる工程と、を含むことが好ましい。   The step of forming the high dielectric thin film further includes the step of forming the first high dielectric film containing the metal atom B excessively, and the metal atom A alone or the metal atom A excessively included thereon. Forming a second film; and heat-treating the semiconductor substrate including the first film and the second film to diffuse the metal atoms A into the second film. It is preferable.

前記高誘電体薄膜はコスパッタ法で形成されているのが好ましい。   The high dielectric thin film is preferably formed by co-sputtering.

本発明によれば、B原子を過剰に含む第二の層を容量誘電体膜の主要部分とすることにより容量を確保し、A原子を過剰に含む第一の層で耐圧を確保できるのでリーク電流を抑え、高耐圧かつ比誘電率の高い容量素子を実現することが可能である。   According to the present invention, the second layer containing excessive B atoms is used as the main part of the capacitive dielectric film, so that the capacitance can be ensured, and the first layer containing excessive A atoms can ensure the breakdown voltage. It is possible to realize a capacitor element that suppresses current and has a high withstand voltage and a high relative dielectric constant.

また、高耐圧かつ比誘電率の高い容量素子を半導体装置内に配置することで、半導体装置外部に接続していた容量素子が不要となるため、半導体装置の高機能化、高集積化が可能となる。   In addition, by disposing a capacitive element having a high withstand voltage and a high relative dielectric constant in the semiconductor device, the capacitive element connected to the outside of the semiconductor device is not required, so that the semiconductor device can have high functionality and high integration. It becomes.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1、図2は、本発明の実施の形態1における容量素子の製造工程説明図であり、図2は、誘電体膜中の組成分布の従来方法と本発明との比較を示したものである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 and FIG. 2 are explanatory diagrams of the manufacturing process of the capacitive element according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a comparison between the conventional method of composition distribution in the dielectric film and the present invention. is there.

GaAsエピタキシャル基板101上に基板前面にプラズマCVD法を用いてプラズマSiO2膜102を形成する。この上に下部電極となるTi膜103、Pt膜104をスパッタ法により形成する(図1(a))。 A plasma SiO 2 film 102 is formed on the front surface of the GaAs epitaxial substrate 101 using a plasma CVD method. On top of this, a Ti film 103 and a Pt film 104 to be lower electrodes are formed by sputtering (FIG. 1A).

次に、Pt膜104上にO2を含むArプラズマ中でRFスパッタ法によりSrTiO3膜105を形成する(図1(b))。この場合、スパッタリングターゲットとして、化学量論的組成比のターゲットを使用しているため、SrTiO3膜105にはSrが過剰に含まれることとなる。 Next, an SrTiO 3 film 105 is formed on the Pt film 104 by RF sputtering in Ar plasma containing O 2 (FIG. 1B). In this case, since a target having a stoichiometric composition ratio is used as the sputtering target, the SrTiO 3 film 105 contains excessive Sr.

次に、SrTiO3膜105上にDCスパッタ法にてTi膜106を形成する(図1(c))。 Next, a Ti film 106 is formed on the SrTiO 3 film 105 by DC sputtering (FIG. 1C).

さらに熱処理を加えてTi膜106をSrTiO3膜中に拡散させ、Tiが過剰に含まれたSrTiO3膜107を形成する(図1(d))。 Further, heat treatment is applied to diffuse the Ti film 106 into the SrTiO 3 film, thereby forming the SrTiO 3 film 107 containing excessive Ti (FIG. 1D).

次に、酸素雰囲気中にてアニールを行い、SrTiO3の結晶化の促進と酸素欠損補償を行う。このとき、SrTiO3膜107内に過剰に存在するTiのうち未酸化の大部分は酸化チタンに変化する。最初のTi拡散熱処理あるいは上記の酸化処理の条件、特に温度によってSrTiO3膜107が微結晶となるか、あるいはアモルファス構造となるかが決定され、処理温度が高温であるほど微結晶構造となりやすい。 Next, annealing is performed in an oxygen atmosphere to promote SrTiO 3 crystallization and compensate for oxygen deficiency. At this time, most of the unoxidized of Ti present in excess in the SrTiO 3 film 107 is changed to titanium oxide. Whether the SrTiO 3 film 107 has a microcrystal or an amorphous structure is determined depending on the conditions of the first Ti diffusion heat treatment or the above-described oxidation treatment, particularly the temperature. The higher the processing temperature, the easier the microcrystalline structure.

次に、SrTiO3膜105、107上に上部電極となるPt膜108をスパッタ法により形成する(図1(e))。 Next, a Pt film 108 serving as an upper electrode is formed on the SrTiO 3 films 105 and 107 by sputtering (FIG. 1E).

上部電極となる所定の領域にフォトレジストマスク109を形成し、Pt膜と誘電膜のエッチングを同時に行う(図2(f))。   A photoresist mask 109 is formed in a predetermined region to be the upper electrode, and the Pt film and the dielectric film are etched simultaneously (FIG. 2 (f)).

さらに、下部電極となる所定の領域にフォトレジストマスク110を形成し、Ti/Pt膜のエッチングを行って、下部電極を形成する(図2(g))。   Further, a photoresist mask 110 is formed in a predetermined region to be the lower electrode, and the Ti / Pt film is etched to form the lower electrode (FIG. 2G).

次に、容量素子を含む基板全面に、プラズマCVD法を用いてプラズマSiO2膜111を形成する(図2(h))。これは容量端部の保護と次工程で形成するAu配線と容量との絶縁を保つためである。 Next, a plasma SiO 2 film 111 is formed on the entire surface of the substrate including the capacitive element by using a plasma CVD method (FIG. 2H). This is to protect the capacitor end and to maintain insulation between the Au wiring formed in the next process and the capacitor.

次に、Auメッキ法を用いて上部電極、下部電極に接続する配線112、113をそれぞれ形成し、容量構造を完成させる(図2(i))。   Next, wirings 112 and 113 connected to the upper electrode and the lower electrode are respectively formed by using an Au plating method, thereby completing the capacitor structure (FIG. 2 (i)).

図3に示すように、従来の通常のRFスパッタ法で形成したSTO膜は、膜厚方向全体にわたって、Srの含有比率がTiのそれよりも高くなっているのに対し、本実施の形態に示した方法で作製した誘電体薄膜は、下部電極側から膜の途中までSrの含有比率がTiのそれよりも高く、そこから連続的にTiの含有比率が増加し、上部電極側ではTiの含有比率がSrのそれよりも高くなっていることがわかる。   As shown in FIG. 3, the STO film formed by the conventional normal RF sputtering method has an Sr content ratio higher than that of Ti throughout the film thickness direction. In the dielectric thin film produced by the method shown, the content ratio of Sr is higher than that of Ti from the lower electrode side to the middle of the film, and the content ratio of Ti continuously increases from there. It can be seen that the content ratio is higher than that of Sr.

以上のように本実施の形態によれば、容量誘電体膜の主要部分を、Tiを過剰に含む膜よりも比誘電率が比較的高い、いわばSrリッチ層とすることにより容量膜全体の比誘電率の低下を抑制しつつ、一部分をTiを過剰に含む、いわばTiリッチ層に変化させ、結晶構造を微結晶あるいはアモルファス構造とすることにより、リーク電流を抑制し、耐圧を向上させることが可能となり、電気的特性の優れた容量素子を得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the main part of the capacitive dielectric film has a relative dielectric constant relatively higher than that of the film excessively containing Ti, that is, the Sr-rich layer, so that the ratio of the entire capacitive film is increased. While suppressing a decrease in the dielectric constant, a part of the Ti is excessively changed, that is, a Ti-rich layer, and the crystal structure is changed to a microcrystalline or amorphous structure, thereby suppressing leakage current and improving withstand voltage. This makes it possible to obtain a capacitive element with excellent electrical characteristics.

また、本実施の形態によれば、STO膜の表面からTiを熱拡散させることでTiリッチ層を形成しているため、Tiリッチ層の膜厚が最初に堆積するTi膜厚でほぼ決定される。よって、Tiリッチ層の膜厚制御が容易である。   Further, according to the present embodiment, since the Ti-rich layer is formed by thermally diffusing Ti from the surface of the STO film, the thickness of the Ti-rich layer is almost determined by the Ti film thickness deposited first. The Therefore, it is easy to control the film thickness of the Ti rich layer.

さらに、STO膜表面側から改質しているため、容量誘電体膜全体の膜堆積とは独立に工程制御が可能であり、容量誘電体膜の主要部分において、膜構造および膜組成の変化を引き起こすことがなく、電気的特性を損なわない良好な容量誘電体膜を得ることができる。   Furthermore, since the STO film is modified from the surface side, the process can be controlled independently from the film deposition of the entire capacitive dielectric film, and the film structure and film composition change in the main part of the capacitive dielectric film. It is possible to obtain a good capacitive dielectric film that does not cause the damage and does not impair the electrical characteristics.

上記した製造方法では、STO膜の表面にTi膜を堆積し、さらに熱拡散させて連続的に組成が変化したTiリッチ層を形成したが、他の方法、例えば、公知のコスパッタ法を用いてTiO2ターゲットとSrO2ターゲットのそれぞれに独立に電力を印加して膜の表面近傍でTi含有率を向上させることも可能である。 In the manufacturing method described above, a Ti film is deposited on the surface of the STO film and further thermally diffused to form a Ti-rich layer whose composition is continuously changed. However, other methods such as a known co-sputtering method are used. It is also possible to improve the Ti content in the vicinity of the surface of the film by applying power independently to each of the TiO 2 target and the SrO 2 target.

あるいは、STOターゲットにRF電力を印加してSrリッチのSTO膜を形成した後、TiターゲットかTiO2ターゲットないしはTiを過剰に含むSTOターゲットに独立に電力を印加して膜の表面に向かってTi含有率を向上させるようにしてもよい。コスパッタ法を適用する場合、組成を連続的に変化させる方法は上記の方法に限られず、様々な態様が適用可能である。 Alternatively, an RF power is applied to the STO target to form a Sr-rich STO film, and then power is independently applied to the Ti target, the TiO 2 target, or the STO target containing excessive Ti to move the Ti toward the film surface. You may make it improve a content rate. When the co-sputtering method is applied, the method of continuously changing the composition is not limited to the above method, and various modes can be applied.

また、上記のように組成の変化するSTO膜を形成するにあたって、コスパッタ法に限られず、その他の方法、例えば、蒸着法や別装置で組成の異なる層の成膜を別々に行う方法等でもよい。   Further, the formation of the STO film with the composition changing as described above is not limited to the co-sputtering method, and other methods such as a method of separately forming layers having different compositions using a vapor deposition method or another apparatus may be used. .

(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における容量素子を搭載した半導体装置の構成を示した断面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor device on which the capacitive element according to the second embodiment of the present invention is mounted.

図4に示した半導体装置では、GaAsエピタキシャル基板300上に、信号処理回路等を構成するFET部301、端子間のバイパスコンデンサの役割を果たす大容量のSTO容量部302、低抵抗素子となるエピ抵抗部303、高抵抗素子となるWSiN抵抗部304、フィードバックバイアス回路等で内部容量となる小容量のSiN容量部305がそれぞれ形成されている。   In the semiconductor device shown in FIG. 4, on a GaAs epitaxial substrate 300, an FET portion 301 constituting a signal processing circuit, a large-capacity STO capacitor portion 302 serving as a bypass capacitor between terminals, and an epitaxial layer serving as a low-resistance element. A resistor 303, a WSiN resistor 304 serving as a high resistance element, and a small-capacity SiN capacitor 305 serving as an internal capacitor are formed by a feedback bias circuit or the like.

本装置は、入力信号のDC成分をSTO容量部302でカットし、後段のFET部301で信号増幅させ、その信号バイアスレベルをエピ抵抗部303やWSiN抵抗部304、SiN容量部305等で可変とする中出力増幅器である。   In this apparatus, the DC component of the input signal is cut by the STO capacitor unit 302, the signal is amplified by the FET unit 301 at the subsequent stage, and the signal bias level is variable by the epi resistor unit 303, the WSiN resistor unit 304, the SiN capacitor unit 305, and the like. Is a medium output amplifier.

FET部301では、TiとAuの積層膜からなるゲート電極307およびソース電極306、ドレイン電極308が形成されている。また、STO容量部302はPtからなる上部電極309、STO容量膜310、Ti/Ptからなる下部電極311で構成されている。エピ抵抗部303の抵抗体は、高濃度に不純物が添加されたInGaAsエピ抵抗312、WSiN抵抗部304の抵抗体はWSiN抵抗313で構成されている。また、SiN容量部305は、基板ないしは基板上の半導体層を下部電極とし、SiN容量膜315、TiとAuの積層膜からなる上部電極314で構成される。   In the FET portion 301, a gate electrode 307, a source electrode 306, and a drain electrode 308 made of a laminated film of Ti and Au are formed. The STO capacitor 302 includes an upper electrode 309 made of Pt, an STO capacitor film 310, and a lower electrode 311 made of Ti / Pt. The resistor of the epi resistor 303 includes an InGaAs epi resistor 312 doped with impurities at a high concentration, and the resistor of the WSiN resistor 304 includes a WSiN resistor 313. The SiN capacitor unit 305 includes a substrate or a semiconductor layer on the substrate as a lower electrode, and includes a SiN capacitor film 315 and an upper electrode 314 made of a laminated film of Ti and Au.

ここで、STO容量膜310は、実施の形態1に示した構造、すなわち、Srリッチ層とTiリッチ層とを含む構造である。   Here, the STO capacitor film 310 has the structure shown in Embodiment 1, that is, the structure including the Sr rich layer and the Ti rich layer.

本実施の形態によれば、STO容量部において、強誘電体材料を容量素子の誘電体膜として用いているため、容量素子の小型化が図れ、従来、外付け部品であったバイパスコンデンサを半導体装置内部に取り込め、部品点数の削減ひいては低コスト化が可能となる。   According to the present embodiment, since the ferroelectric material is used as the dielectric film of the capacitor element in the STO capacitor portion, the capacitor element can be reduced in size, and the bypass capacitor that has conventionally been an external component is replaced with a semiconductor. It is possible to reduce the number of parts and reduce the cost by taking it into the device.

さらに、本実施の形態のSTO容量素子では、容量値を損なうことなく、リーク電流を低く抑え、耐圧を高くできるため、半導体装置の信頼性を大幅に向上することが可能となる。   Furthermore, in the STO capacitor element of this embodiment, the leakage current can be suppressed and the breakdown voltage can be increased without impairing the capacitance value, so that the reliability of the semiconductor device can be greatly improved.

なお、実施の形態1、2では、SrTiO3について説明したが、BaSrTiO3(BST)等の他のペロブスカイト型酸化膜誘電体薄膜についても、上記の効果を奏するものである。また、これらの膜にSiOx等の酸化不純物を添加した膜でも同様の効果を奏する。 In the first and second embodiments, SrTiO 3 has been described. However, other perovskite oxide dielectric thin films such as BaSrTiO 3 (BST) also have the above-described effects. Further, the same effect can be obtained with films obtained by adding oxidation impurities such as SiOx to these films.

また、実施の形態2では、GaAsエピタキシャル基板上に形成された半導体装置について説明したが、他の化合物半導体基板、例えば、 InP等や、基板上にGaAs、 AlGaAs、 InAlAs、InGaP等のエピタキシャル層を具備する半導体基板を用いてもよい。   In the second embodiment, the semiconductor device formed on the GaAs epitaxial substrate has been described. However, another compound semiconductor substrate such as InP or an epitaxial layer such as GaAs, AlGaAs, InAlAs, or InGaP is formed on the substrate. A semiconductor substrate may be used.

また、本発明の容量素子はDRAMやFeRAMといった記憶装置を有した半導体装置にも適用してもよい。   The capacitive element of the present invention may also be applied to a semiconductor device having a storage device such as DRAM or FeRAM.

本発明に係る容量素子は、大容量でかつ低リーク、高耐圧といった優れた電気特性を有し、数十〜数千pFの段間容量やバイパス容量を有する増幅IC回路等に適用できる容量素子として特に有用である。   The capacitive element according to the present invention has a large capacity, excellent electrical characteristics such as low leakage and high breakdown voltage, and can be applied to an amplifier IC circuit having interstage capacitance of several tens to several thousand pF or bypass capacitance. As particularly useful.

本発明の実施の形態1における容量素子の製造工程説明図Manufacturing process explanatory drawing of the capacitive element in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における容量素子の製造工程説明図Manufacturing process explanatory drawing of the capacitive element in Embodiment 1 of this invention 本発明の実施の形態1における容量素子の誘電体膜中の組成分布の従来方法と本発明との比較を示す図The figure which shows the comparison with the conventional method of the composition distribution in the dielectric film of the capacitive element in Embodiment 1 of this invention, and this invention 本発明の実施の形態2における容量素子を搭載した半導体装置の構成を示した断面図Sectional drawing which showed the structure of the semiconductor device carrying the capacitive element in Embodiment 2 of this invention

符号の説明Explanation of symbols

101 GaAsエピタキシャル基板
102 プラズマSiO2
103 Ti膜
104 Pt膜
105 Srを過剰に含むSrTiO3
106 Ti膜
107 Tiを過剰に含むSrTiO3
108 Pt膜
109 フォトレジストマスク
110 フォトレジストマスク
111 プラズマSiO2
112 上部電極に接続する配線
113 下部電極に接続する配線
300 GaAsエピタキシャル基板
301 FET部
302 STO容量部
303 エピ抵抗部
304 WSiN抵抗部
305 SiN容量部
306 ソース電極
307 ゲート電極
308 ドレイン電極
309 上部電極
310 STO容量膜
311 下部電極
312 InGaAsエピ抵抗
313 WSiN抵抗
314 上部電極
315 SiN容量膜
101 GaAs epitaxial substrate 102 plasma SiO 2 film 103 Ti film 104 Pt film 105 SrTiO 3 film containing excessive Sr 106 Ti film 107 SrTiO 3 film containing excessive Ti 108 Pt film 109 photoresist mask 110 photoresist mask 111 plasma SiO 2 film 112 the wiring 300 GaAs epitaxial substrate 301 FET unit 302 STO capacitance section 303 epitaxial resistor unit 304 WSiN resistance unit 305 SiN capacitor portion 306 source electrode 307 gate electrode 308 drain electrode 309 upper wiring 113 connected to the lower electrode to be connected to the upper electrode Electrode 310 STO capacitive film 311 Lower electrode 312 InGaAs epiresistance 313 WSiN resistance 314 Upper electrode 315 SiN capacitive film

Claims (13)

ペロブスカイト構造の高誘電体薄膜ABO3(AはII族、BはIV族の金属原子)を容量誘
電体膜とし、前記容量誘電体膜を挟む上部電極と下部電極を備えた容量素子であって、
前記容量誘電体膜は少なくとも2層以上の層状構造で、
前記層状構造のうち第一の層は、化学量論比に対して前記A原子が過剰に含まれており、
第二の膜は化学量論比に対して前記B原子が過剰に含まれていることを特徴とする容量素子。
A capacitive element comprising a high dielectric thin film ABO 3 (A is a group II, B is a group IV metal atom) having a perovskite structure as a capacitive dielectric film, and an upper electrode and a lower electrode sandwiching the capacitive dielectric film. ,
The capacitive dielectric film has a layered structure of at least two layers,
The first layer of the layered structure contains the A atom in excess relative to the stoichiometric ratio,
The capacitor element, wherein the second film contains an excess of the B atom relative to the stoichiometric ratio.
前記第一の層において、前記第二の層に接する領域から離れるに従って前記A原子の含有比率が連続的に増加しており、
前記第二の層に接する領域において、前記A原子の含有比率が前記第二の層とほぼ同じであることを特徴とする請求項1記載の容量素子。
In the first layer, the content ratio of the A atom continuously increases as the distance from the region in contact with the second layer increases.
2. The capacitor according to claim 1, wherein a content ratio of the A atom is substantially the same as that of the second layer in a region in contact with the second layer.
前記第一の層は前記第二の層よりも比誘電率が高く、前記第二の層は前記第一の層よりも高耐圧であることを特徴とする請求項1または2記載の容量素子。 3. The capacitive element according to claim 1, wherein the first layer has a relative dielectric constant higher than that of the second layer, and the second layer has a higher withstand voltage than the first layer. . 前記第一の層は柱状構造であり、前記第二の層は微結晶あるいはアモルファスであることを特徴とする請求項1または2記載の容量素子。 3. The capacitive element according to claim 1, wherein the first layer has a columnar structure, and the second layer is microcrystalline or amorphous. 前記A原子は、SrかBa、あるいはその双方を含み、前記B原子はTiであることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の容量素子。 4. The capacitive element according to claim 1, wherein the A atom includes Sr, Ba, or both, and the B atom is Ti. 前記第一の層は前記下部電極側に位置し、前記第二の層は前記上部電極側に位置することを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載の容量素子。 5. The capacitive element according to claim 1, wherein the first layer is located on the lower electrode side, and the second layer is located on the upper electrode side. 半導体素子と、請求項1ないし5のいずれかに記載の容量素子が同一基板上に形成された半導体装置。 6. A semiconductor device in which a semiconductor element and the capacitive element according to claim 1 are formed on the same substrate. 前記基板がGaAs、InP等の化合物半導体基板であることを特徴とする請求項7記載の半導体装置。 8. The semiconductor device according to claim 7, wherein the substrate is a compound semiconductor substrate such as GaAs or InP. 前記基板がGaAs、GaAlAs、InAlAs、InGaP等のエピタキシャル層を有していることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the substrate has an epitaxial layer of GaAs, GaAlAs, InAlAs, InGaP or the like. 前記基板の表面に一導電型の高濃度不純物を含むGaAs、GaAlAsまたはInAlAsのエピタキシャル層を具備していることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。 9. The semiconductor device according to claim 8, further comprising an epitaxial layer of GaAs, GaAlAs, or InAlAs containing a high-concentration impurity of one conductivity type on the surface of the substrate. 半導体基板の一主面上に、容量素子の下部電極となる金属を形成する工程と、
前記下部電極となる金属の上にペロブスカイト構造の高誘電体薄膜ABO3(AはII族、
BはIV族の金属原子)を形成する工程と、
前記高誘電体薄膜の上に前記容量素子の上部電極となる金属を形成する工程と、
前記上部電極金属、高誘電体薄膜、下部電極金属をエッチングして、前記半導体基板上の所定の領域に、前記上部電極金属、前記高誘電体薄膜、前記下部電極金属を残して容量素子を形成する工程と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
前記高誘電体薄膜は少なくとも2層以上の層状構造で、
前記層状構造のうち第一の層は、化学量論比に対して前記A原子が過剰に含まれ、
第二の膜は化学量論比に対して前記B原子が過剰に含まれるように形成したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a metal to be a lower electrode of the capacitive element on one main surface of the semiconductor substrate;
A high dielectric thin film ABO 3 of a perovskite structure (A is a group II,
B is a group IV metal atom),
Forming a metal to be an upper electrode of the capacitive element on the high dielectric thin film;
Etching the upper electrode metal, the high dielectric thin film, and the lower electrode metal to form a capacitor element in a predetermined region on the semiconductor substrate, leaving the upper electrode metal, the high dielectric thin film, and the lower electrode metal. A method of manufacturing a semiconductor device comprising:
The high dielectric thin film has a layered structure of at least two layers,
The first layer of the layered structure contains the A atom in excess relative to the stoichiometric ratio,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the second film is formed so that the B atom is excessively contained relative to the stoichiometric ratio.
前記高誘電体薄膜の形成工程は、さらに
前記金属原子Bを過剰に含む第一の高誘電体膜を形成する工程と、
その上に前記金属原子Aのみないしは前記金属原子Aを過剰に含む第二の膜を形成する工程と、
前記第一の膜および前記第二の膜を含む前記半導体基板を熱処理して、前記金属原子Aを前記第二の膜中に拡散させる工程と、を含むことを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。
The step of forming the high dielectric thin film further includes a step of forming a first high dielectric film that contains the metal atom B in excess.
Forming a second film containing only the metal atom A or an excess of the metal atom A thereon;
11. The method according to claim 10, further comprising: heat-treating the semiconductor substrate including the first film and the second film to diffuse the metal atoms A into the second film. A method for manufacturing a semiconductor device.
前記高誘電体薄膜はコスパッタ法で形成されたことを特徴とする請求項10記載の半導体装置の製造方法。 11. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 10, wherein the high dielectric thin film is formed by a co-sputtering method.
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