JP2004146520A - Capacitor - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体装置の微細化に容易に対応することが可能なキャパシタ構造およびその構造を作成する方法を提供すること。
【解決手段】本発明によれば、所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブ(CNT)より成る第1電極と、前記カーボン・ナノチューブの筒状の壁面周囲に絶縁体を介して設けられる第2電極を有することを特徴とするキャパシタが提供される。これにより、半導体装置の寸法を微細化しても、一定値以上のキャパシタ容量を確保することが可能になる。
【選択図】 図4A capacitor structure capable of easily coping with miniaturization of a semiconductor device and a method for forming the structure are provided.
According to the present invention, a first electrode made of carbon nanotubes (CNT) extending in a cylindrical shape along a predetermined direction, and a first electrode provided around a cylindrical wall surface of the carbon nanotube via an insulator. Provided is a capacitor having a second electrode. As a result, even if the dimensions of the semiconductor device are miniaturized, it is possible to secure a capacitance of a certain value or more.
[Selection diagram] Fig. 4
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に半導体装置に使用されるキャパシタ構造およびその構造を作成する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年における半導体装置のサイズはますます縮小化され、特にダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ(DRAM)のような半導体記憶素子の集積度は極めて向上している。
【0003】
図1および図2は、従来のDRAMを製造するための主要な工程の概略断面図を示す。図1(A)には、メモリ・セルに対するゲート・トランジスタ12,14と、ゲート・トランジスタ12,14の共通ソース・ドレイン領域に結合されたビットライン16が描かれている。ゲート・トランジスタ12,14のゲートは、紙面に垂直な方向に伸びるワードラインに結合される。共通ソース・ドレイン領域とは異なるソース・ドレイン領域は、それぞれ導電性プラグ18,20に結合される。図1(A)の右側には、メモリ・セルに対するセンス・アンプその他の周辺デバイスが模式的に示されている。メモリ・セルに関する領域22及び周辺デバイスに関する領域24の間、及び各トランジスタ間は、シャロー・トレンチ・アイソレーション(STI)のような絶縁体26により分離されている。
【0004】
このような下地構造28上には、エッチ・ストッパとして機能する窒化膜30が成膜され、その上に例えば二酸化珪素(SiO2)より成る絶縁膜32が形成される。そして、リソグラフィ法およびエッチング法を使用して開口部34,36が形成される。開口部は、世代にもよるが、例えば0.15μmノード(ピッチの1/2)の世代では0.2μm×0.5μm程度に形成される。開口部34,36の底部では、導電性プラグ18,20が露出している。これらの開口部34,36は、メモリ・セルを形成するキャパシタ電極を形成するための鋳型の役割を演じることになる。
【0005】
図1(B)に示す工程では、カバレッジ特性に優れた導電膜38が、開口部34,36内および絶縁膜32の全面に成膜される。導電膜38としては、ドープト・シリコン、ルテニウム(Ru)、窒化チタン(TiN)、タングステン(W)等を利用することが可能であるがこれらに限定されない。その後に、化学的機械研磨(CMP)法により、開口部34,36以外の導電膜38を除去する。
【0006】
図1(C)に示す工程では、導電膜38周囲の絶縁膜32が、例えばフッ酸(HF)より成る薬液でエッチングすることにより除去される。これにより、基板から突出した筒型形状の電極40,42が形成され、これらはキャパシタの一方の電極となる。電極40,42の厚さは非常に薄く、例えば20nm程度である。
【0007】
図2(D)に示す工程では、電極40,42の壁面に誘電体膜44を成膜し、その上に導電膜46を成膜する。導電膜46は、キャパシタの他方の電極となる。なお、メモリ・セル領域以外の不要な導電膜44,46は、エッチングにより除去される。
【0008】
図2(E)に示す工程では、導電膜46上に、例えばSiO2より成る絶縁膜48が形成される。そして、導電膜46に至るコンタクト・ホールが形成され、導電膜46に接続する導電性プラグ50が充填される。同様に、周辺デバイスのための導電性プラグ52も充填される。
【0009】
図2(F)に示す工程では、プラグ電極50,52を例えばグランド(GND)のような基準電位に接続するための配線層54が形成され、キャパシタ構造が完成する。
【0010】
図3は、図1および図2により作成された構造における、メモリ・セルの部分22の等価回路を示す。図示されるように、一端が基準電位GNDに接続された2つのキャパシタ(40,44,46),(42,44,46)は、ゲート・トランジスタ12,14を通じてビットライン(B)16に結合される。ゲート・トランジスタ12,14のゲートは、ワードライン(W)に結合される。すなわち、ワードラインとビットラインの交点に1つのメモリ・セルが設けられている。所望のワードラインおよびビットラインをアクティブにすることにより、必要なメモリ・セルにアクセスすることが可能になり、キャパシタに蓄積される電荷を通じて、データの読み書きが行われる。
【0011】
ところで、半導体装置の総ての寸法を一律に縮小すれば、より微細な半導体装置を実現できると考えられる。ゲート長や線幅その他総ての寸法が小さくなるので、キャパシタの寸法も小さくなり、蓄積される電荷量も少なくなる。しかしながら、電荷量が少なすぎると、宇宙線(アルファ線等)による影響、電気的ノイズの影響、熱的揺らぎによる影響等に起因して、キャパシタに蓄積される電荷の存否の判定(すなわち、情報の読み出し)が困難になることが懸念される。このため、メモリ・セルに必要なキャパシタの容量として所定の下限値を考慮する必要があり、この下限値は例えば1セル当たり30フェムト・ファラッド(fF/cell)である。
【0012】
したがって、半導体装置の微細化を進める場合には、一定のキャパシタ容量を維持しつつ、素子の寸法を縮小する必要がある。一般に、キャパシタの容量は、誘電率および電極面積が増加すると増加し、極板間距離が増加すると小さくなる傾向にある。微細化の前後を通じて同じ誘電体膜を使用するならば、電極面積を増加させる必要がある。このため、図1および図2に示されるような半導体装置を微細化する場合には、ゲート長や線幅を縮小すると共に、図1(C)で形成するキャパシタ電極40,42のアスペクト比を大きくして(電極を高く形成して)電極面積を増加させる必要がある。
【0013】
しかしながら、アスペクト比の大きな電極40,42を形成するには、その電極の鋳型となる開口34,36(図1A)のアスペクト比も大きく形成する必要があり、開口を形成するためのエッチングが困難になるという問題が生じる。アスペクト比の大きな開口内に導電膜38(図1B)を適切に成膜することが困難になるという問題も生じる。更に、電極40,42のアスペクト比が大きいと、電極40,42の機械的強度が弱くなり、電極40,42が倒れやすくなるという問題も生じる。例えば、鋳型としての役割を果たした絶縁膜32を除去する際に、薬液の撹拌に起因して倒れたり、薬液からの引き上げ時に電極同士が接近して接触し電極構造が破壊されてしまうという問題も生じ得る。このように、従来の半導体装置の微細化は必ずしも容易ではなかった。
【0014】
【非特許文献1】
「日経サイエンス」,2002年8月号,p.18−45。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本願の一般的課題は、半導体装置の微細化に容易に対応することが可能なキャパシタ構造およびその構造を作成する方法を提供することである。
【0016】
本願の具体的課題は、半導体装置の寸法を微細化しても、一定値以上のキャパシタ容量を確保することが可能なキャパシタ構造およびその構造を作成する方法を提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、
所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブより成る第1電極と、
前記カーボン・ナノチューブの筒状の壁面周囲に絶縁体を介して設けられる第2電極
を有することを特徴とするキャパシタ
が、提供される。
【0018】
【作用】
本発明によるキャパシタの少なくとも一方の電極は、所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブ(CNT:carbon nanotube)より成る。CNTは、炭素原子(C)より成る筒状の物質であり、多数の6角形の網目状の構造を有するグラファイトを丸めることによって形成され得る筒状の構造を有する。丸め方によってCNTの電気特性も相違する。一般に、CNTは、半導体ないし導体の性質を有する。その丸め方には、CNTの伸びる方向に対して、6角形の構造がねじれることなく整列している「アームチェア型」、6角形の構造が交互に整列している「ジグザグ型」、6角形の構造が螺旋状にねじれて並んでいる「らせん型」等がある。CNTは、炭素同士が強く結合しているので、機械的強度が強いことに加えて、大電流を流してもエレクトロ・マイグレーションのような不具合が生じにくいという性質を有する。また、導電性は非局在化したπ電子に起因するので、抵抗の小さな優れた導電性を示す。(カーボン・ナノチューブについては、例えば、非特許文献1参照。)
本発明によれば、このような性質を有するCNTを用いてキャパシタの電極を作成する。このため、従来の電極を形成するための鋳型構造は不要であり、従来形成することが困難であった高アスペクト比の電極を、適切に形成することが可能になる。これにより、半導体装置の微細化に容易に対応することが可能なキャパシタ構造が得られる。また、半導体装置の寸法を微細化しても、一定値以上のキャパシタ容量を確保することも可能になる。
【0019】
CNTは、アーク放電を起こして炭素を蒸発させることによりCNTを作成するアーク放電法、グラファイトを電気炉で加熱してレーザ光を照射して炭素を蒸発させるレーザー・アブレーション(レーザ・ファーネス)法、および触媒となる金属微粒子を高温の反応炉に吹き込んでCNTを成長させる化学気相成長(CVD)法等により作成することが可能である。特に、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、チタニウム(Ti)のような遷移金属元素の触媒微粒子を含むシード層を作成しておくと、そこを起点にしてCNTを成長させることが可能になる。このため、適切な場所にシード層を形成することにより、所望のCNTを形成することが可能になる。
【0020】
CNTには、筒状の構造が1層だけの単層ナノチューブだけでなく、複数の筒が入れ子状に形成される多層ナノチューブも存在する。これらは、CNTを成長させるための諸条件(特に反応温度)やシード層の材料を変更することにより、作り分けることが可能である。
【0021】
シード層の条件およびCNTの成長時の条件(温度、圧力、時間等)を適宜変更することによって、CNTの太さ、長さ、本数、電気的特性等を調整することが可能である。なお、半導体のCNTは通常はP型の性質を有するが、N型のCNTを形成するには、カリウム(K)等の元素をイオン注入することが有効である。また、CNTを真空中で加熱することにより、P型からN型に変換することも可能である。
【0022】
【発明の実施の形態】
図4および図5は、本願第1実施例によるDRAMを製造するための主要な工程の概略断面図を示す。図4(A)には、図1(A)で説明したのと同様な下地構造28が形成されている。メモリ・セルの領域22には、ゲート・トランジスタ12,14が形成され、ゲート・トランジスタ12,14の共通ソース・ドレイン領域はビットライン16に結合される。ゲート・トランジスタ12,14のゲートは、紙面に垂直な方向に伸びるワードラインを構成している。共通ソース・ドレイン領域とは異なるソース・ドレイン領域は、それぞれ導電性プラグ18,20に結合される。導電性プラグ18,20は、例えばドープト・シリコンより成る。図4(A)の右側には、メモリ・セルに対するセンス・アンプその他の周辺デバイスが模式的に示されている。メモリ・セルに関する領域22及び周辺デバイスに関する領域24の間、及び各トランジスタ間は、シャロー・トレンチ・アイソレーション(STI)のような絶縁体26により分離されている。
【0023】
このような下地構造28上には、例えばSiNより成る絶縁膜402が形成される。リソグラフィ法およびエッチング法を使用して、導電性プラグ18,20に至る開口部404,406が形成される。従来の工程(図1A)とは異なり、キャパシタ電極のための鋳型となる絶縁膜32と深い開口部34,36が形成されていない点に留意を要する。
【0024】
図4(B)に示す工程では、図1(A)で作成した構造上の全面に、例えばCVDやスパッタリングのような成膜手法を利用して、例えばコバルト(Co)のような遷移金属元素より成る層を成膜する。次に、例えば500℃ないし700℃の熱処理を行う。この熱処理によって、開口部404,406内にシリサイドが形成される。そして、絶縁膜402上の余分な金属膜を除去する。このようにして、開口部404,406内に、カーボン・ナノチューブの成長の起点となるシード層408,410が形成される。シード層を形成するための遷移金属元素としては、コバルト以外には、例えば鉄(Fe)、ニッケル(Ni)およびチタニウム(Ti)等を使用することが可能である。本実施例では、導電性プラグ18,20はドープト・シリコンより成るが、他の導電性材料を使用することも可能である。ただし、シリサイド化による低抵抗化を図りつつシード層を形成する観点からは、ドープト・シリコンを使用することが好ましい。
【0025】
本実施例では、開口部404,406は、導電性プラグ18,20のサイズよりも大きく形成されているが、本発明はこれに限定されない。しかし、このようなサイズにすると、例えばキャパシタの容量を増加させることができる点で有利である。
【0026】
シリサイド化は、シリコンと金属元素との反応であるため、シリサイドを形成する観点からは、絶縁膜402は必ずしも必要ない点に留意を要する。下部構造28上に直接コバルトより成る層を成膜し、熱処理を行うことによっても、導電性プラグ18,20上にシリサイドが形成される。ただし、導電性プラグの直径より大きなシード層を適切に形成する観点からは、開口部404,406を設けるための絶縁層402が用意されていることが好ましい。
【0027】
図4(C)に示す工程では、シード層408,410を起点に、導体としての性質を有するカーボン・ナノチューブ(CNT)412,414を成長させる。本実施例では、複数の細いCNTの束が形成される。図中、413,415は、CNT412,414の束の断面を模式的に示す。本実施例では、CNT412(又は414)は、柱状の導体として機能することが可能であり、柱の高さを増やすことによって電極面積を増やすことが可能になる。CNTは機械的強度に優れているので、従来の鋳型構造を使用することなしに、基板から突出した形状の(アスペクト比の大きい)キャパシタ電極を簡易に形成することが可能になる。
【0028】
図5(D)に示す工程では、CNT412,414の周囲および絶縁膜402上に誘電体膜416が成膜される。誘電体膜416としては、SiO2、窒化膜、アルミナ膜、TaO5、BST,STO等のカバレッジ特性に優れた材料を使用することが可能である。次に、誘電体膜416上に導電膜418が成膜される。導電膜418は、CNTより成る電極412,414に対向する対向電極となる。導電膜418としては、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuxOy)ドープト・シリコン、窒化チタニウム(TiN)、タングステン(W)、窒化タングステン(WN)、カーボン(C)その他のカバレッジ特性に優れた導電性材料を使用することが可能である。誘電体膜416の膜厚は、必要に応じて適宜調整することが可能である。本実施例では、CNT412,414は、それぞれが異なるメモリ・セルを形成するので、両者の間に電極(導電膜418)を形成するための隙間を確保できる程度に、誘電体膜416の膜厚が制限される。
【0029】
図5(E)に示す工程では、誘電体膜416および導電膜418の不要な部分が除去され、全面にSiO2より成る絶縁膜420が形成される。
【0030】
図5(F)に示す工程では、導電膜418に至るコンタクト・ホールが形成され、キャパシタの電極である導電膜418に対する導電性プラグ422が形成される。同様に、周辺デバイスのための導電性プラグ424も形成される。プラグ電極422,424は、例えばグランド(GND)のような基準電位に接続され、キャパシタ構造が完成する。
【0031】
第1実施例では、複数の細いCNTを束にして全体として1つの柱状の導体を形成するようにして、キャパシタ電極の一方を形成した。この形態は、例えば機械的強度に非常に優れている点で有利である。しかし、CNTより成る電極は、この形態に限定されず、様々な形状を利用することが可能である。
【0032】
図6は、本願第2実施例によるキャパシタに使用される電極を形成する工程を示す。この工程は、第1実施例の製造工程のうち図4(C)に示される工程に代えて行われるものである。本実施例によれば、互いに離間された細いCNTの一群(603又は605)が、1つのキャパシタ電極を形成している。これらのCNTに対する模式的な断面図が606により示されている。本実施例では、CNTの1つ1つの形状が揃っているというCNTの性質を利用している。本実施例によれば、個々のCNT602(又は604)の外側表面が電極面積に寄与するので、CNTの高さ(長さ)だけでなく本数を増やすことによってもキャパシタ容量を増やすことが可能になる。高さを低くする代わりに本数を増やすことも可能になる。ただし、互いに離間されたCNT同士の間に誘電体膜および対向電極が作成される必要があるので、例えば、SiN又はTa2O5より成る誘電体膜及びTiN、Ru又はドープトシリコンより成る対向電極のような、カバレッジ特性に優れた誘電体膜および対向電極の材料を選択する必要がある。
【0033】
キャパシタ容量を大きくする観点からは、CNT602,604の周囲は隙間なく誘電体膜および対向電極で被覆されることが好ましいが、全部でなく一部分しか被覆されていない場合であっても、被覆された部分に関してはキャパシタとして機能する。ただし、誘電体膜で被覆されていないCNTの部分に導電膜が形成されるとショートしてしまうので、誘電体膜のカバレッジ特性は、導電膜より優れていることが好ましい。このことは、本実施例だけでなく、他の実施例についても当てはまる。
【0034】
本実施例で作成されるようなCNTは、非常に細く長い形状を有するが、このような形状の電極は、従来の鋳型構造およびリソグラフィによる手法では形成することが困難である。
【0035】
図7は、本願第3実施例によるキャパシタに使用される電極を形成する工程を示す。この工程は、第1実施例の製造工程のうち図4(C)に示される工程に代えて行われるものである。本実施例によれば、1本の筒状のCNT702(又は704)により1つの電極を形成している。これらのCNTに対する模式的な断面図が706により示されている。誘電体膜および導電膜をCNT内部に充填することが可能な太さを有することを条件として、1本に限らず複数の太いCNTを利用することも可能である。本実施例によれば、対向電極が、CNTの内側および外側の壁面に対向するよう設けられる。このため、CNTの内外の壁面が電極面積に寄与するので、キャパシタ容量の向上を図ることが可能になる。なお、この形状は、従来の鋳型構造を利用して形成される電極(図1C)と同様であるが、従来の電極とは異なり、本実施例による電極は例えば機械的強度や導電性に極めて優れている。
【0036】
以上本願実施例によれば、キャパシタは、所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブ(CNT)より成る第1電極と、CNTの筒状の壁面周囲に絶縁体を介して設けられる第2電極を有する。電極を形成するための鋳型を形成することなしに、機械的強度に優れた高アスペクト比の電極を形成することが可能になる。従来形成することが困難であった高アスペクト比の電極構造を形成することが可能になり、半導体装置の微細化に容易に対応することが可能になる。鋳型構造を形成するために、高アスペクト比の開口を形成し、高カバレッジの導電膜を成膜し、鋳型を除去する等の工程を行う必要がなくなり、製造工程も簡易になる。CNTの太さ、長さ、本数等を変化させることによって、電極面積を調整することができるので、容量を増やす自由度も増える。
【0037】
本願実施例によれば、カーボン・ナノチューブの成長の起点となる箇所に、所定の遷移金属元素を含むシード層が設けられている。所望の箇所にシード層を設けることによって、所望のCNTを成長させることが可能になる。マスクによる位置合わせを必要とせずに、自己整合によってCNTの電極を形成することができるので、半導体装置の微細化に有利である。また、鉄、コバルト、ニッケルおよびチタニウムのような遷移金属元素とシリコンを反応させることによって得られるシリサイドを利用してシード層を形成すると、電極における低抵抗化を図りつつ所望のCNTを形成することが可能になる。
【0038】
本願実施例によれば、キャパシタの一方の電極(第1電極)のみがCNTより成る構造となっていた。しかしながら、一方だけでなく、他方の電極(第2電極)も所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブにより形成することも可能である。複数のナノチューブが入れ子状に形成される多層ナノチューブを形成すると、第1および第2電極を同時に形成することも可能になる。
【0039】
本願実施例によれば、キャパシタが半導体記憶装置のメモリ・セルに使用されているが、本発明はこれに限定されず、任意のキャパシタに本発明を適用することが可能である。半導体記憶装置では、微細化の前後を通じて一定値以上のキャパシタ容量を確保する必要がある。CNTの形状を調整する(特に、CNTの長さを長くする)ことによって、容易にメモリ・セルの容量が確保できるので、本発明によるキャパシタ構造は、半導体記憶装置に有利である。特にDRAMでは、集積度の向上が強く求められており、キャパシタの構造が微細化の可否に大きく影響するので、本発明はDRAMに特に有利である。
【0040】
例えば、DRAM以外にもFeRAMのような、キャパシタでメモリ・セルを形成する半導体記憶装置に本発明を適用することが可能である。FeRAMのメモリ・セルはDRAMと構造的には同一であり、そのメモリ・セルは、例えば1つのトランジスタと1つのキャパシタから構成することが可能である。ただし、FeRAMは、キャパシタの誘電体膜を強誘電体にする点でDRAMと大きく異なる。このため、FeRAMは、電源を切った後も記憶が消えない不揮発性の機能を有する。このように、構造的に同一のキャパシタを利用する用途に広く本発明を適用することが可能である。
【0041】
また、シード層に遷移金属以外の遷移元素を使用することも可能である。更に、CやSiC等のような遷移元素以外の元素を使用することも可能である。要するに、CNTの起点となるシード層を形成するものであればよい。なお、遷移金属元素には、Sc,Ti,Fe,Co,Ni,Cu,Y,Zr,Nb,Pd,Ag,Cd,Hf,Ta,Ir,Pt,Au,Hgが含まれ、遷移元素には、遷移金属元素に加えて、原子番号が21〜30,39〜48,57〜80,89〜112である元素が含まれる。
【0042】
本願実施例では、所定の方向に沿って伸びるカーボン・ナノチューブを使用した。カーボン・ナノチューブは、ゴムホースのように曲がる柔軟性(しなやかさ)を有するように形成され得る。従って、本発明にて使用されるカーボン・ナノチューブも、完全に直線的であることは必須ではなく、ゆるやかな曲線状であったり、螺旋状であったり、全部又は一部が曲がっているような様々な形状とすることが可能である。
【0043】
以下、本発明が教示する手段を列挙する。
【0044】
(付記1) 所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブより成る第1電極と、
前記カーボン・ナノチューブの筒状の壁面周囲に絶縁体を介して設けられる第2電極
を有することを特徴とするキャパシタ。
【0045】
(付記2) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記カーボン・ナノチューブの成長の起点となる箇所に、所定の元素を含むシード層が設けられていることを特徴とするキャパシタ。
【0046】
(付記3) 付記2記載のキャパシタにおいて、前記所定の元素が、少なくとも鉄、コバルト、ニッケルおよびチタニウムより成る群から選択された金属元素であることを特徴とするキャパシタ。
【0047】
(付記4) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記第1電極が、所定の方向に沿って伸びる複数のカーボン・ナノチューブの束によって形成されることを特徴とするキャパシタ。
【0048】
(付記5) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記第1電極が、互いに離間した位置関係にある複数のカーボン・ナノチューブより成ることを特徴とするキャパシタ。
【0049】
(付記6) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記第2電極が、前記第1電極を形成する筒状の前記カーボン・ナノチューブの内側の壁面に対向するよう設けられることを特徴とするキャパシタ。
【0050】
(付記7) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記第2電極が、複数のキャパシタに共通する基準電位を提供するよう設けられることを特徴とするキャパシタ。
【0051】
(付記8) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記第2電極も所定の方向に沿って筒状に伸びるカーボン・ナノチューブより成ることを特徴とするキャパシタ。
【0052】
(付記9) 付記1記載のキャパシタにおいて、前記絶縁体が、前記第2電極のカバレッジ特性よりも優れたカバレッジ特性を有する材料より成ることを特徴とするキャパシタ。
【0053】
(付記10) 付記1記載のキャパシタにより形成されるメモリ・セルを有することを特徴とする半導体記憶装置。
【0054】
(付記11) キャパシタ構造を作成する方法であって、
半導体基板上に導電層の少なくとも一部が露出した構造を形成する工程と、
前記導電層の露出した箇所に、所定の遷移金属元素を導入することによって、カーボン・ナノチューブの成長の起点となるシード層を形成する工程と、
前記シード層を起点として、所定の長さの筒状の形状を有するカーボン・ナノチューブを成長させることにより、第1のキャパシタ電極を形成する工程と、
前記カーボン・ナノチューブの筒状の壁面の周囲に絶縁層を設ける工程と、
前記絶縁層に導電層を設けることによって、第2のキャパシタ電極を形成する工程
より成ることを特徴とするキャパシタ構造を作成する方法。
【0055】
(付記12) 付記11記載の方法において、前記シード層を形成する工程が、シリコンを含む前記導電層に前記所定の遷移金属元素を導入し、前記導電層の表面をシリサイド化する工程より成ることを特徴とする方法。
【0056】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、半導体装置の微細化に容易に対応することが可能になる。また、半導体装置の寸法を微細化しても、一定値以上のキャパシタ容量を確保することが可能になる。
【0057】
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、従来のDRAMの主要な製造工程の概略断面図(その1)を示す。
【図2】図2は、従来のDRAMの主要な製造工程の概略断面図(その2)を示す。
【図3】図3は、図1および図2により作成された構造における、メモリ・セルの部分22に関する等価回路を示す。
【図4】図4は、第1実施例によるDRAMの主要な製造工程の概略断面図(その1)を示す。
【図5】図5は、第1実施例によるDRAMの主要な製造工程の概略断面図(その2)を示す。
【図6】図6は、第2実施例によるキャパシタの電極を形成する工程の概略断面図を示す。
【図7】図7は、第3実施例によるキャパシタの電極を形成する工程の概略断面図を示す。
【符号の説明】
12,14 ゲート・トランジスタ
16 ビットライン
18,20 導電性プラグ
22 メモリセル領域
24 周辺デバイス領域
26 フィールド絶縁膜
28 下部構造
30,32 絶縁膜
34,36 開口部
38 導電膜
40,42 キャパシタ電極
44 誘電体膜
46 導電膜
48 絶縁膜
50,52 導電性プラグ
54 配線層
402 絶縁膜
404,406 開口部
408,410 シード層
412,414 CNT
416 誘電体膜
418 導電膜
420 絶縁膜
422,424 導電性プラグ
602,604 CNT
603,605 CNT群
702,704 CNT[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates generally to a capacitor structure used in a semiconductor device and a method of making the structure.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In recent years, the size of semiconductor devices has been increasingly reduced, and in particular, the degree of integration of semiconductor storage elements such as dynamic random access memories (DRAMs) has been extremely improved.
[0003]
FIG. 1 and FIG. 2 are schematic sectional views showing main steps for manufacturing a conventional DRAM. FIG. 1A illustrates a
[0004]
On such a
[0005]
In the step shown in FIG. 1B, a
[0006]
In the step shown in FIG. 1C, the
[0007]
In the step shown in FIG. 2D, a
[0008]
In the step shown in FIG. 2E, for example, SiO 2 is formed on the
[0009]
In the step shown in FIG. 2F, a
[0010]
FIG. 3 shows an equivalent circuit of the
[0011]
By the way, it is considered that a finer semiconductor device can be realized by uniformly reducing all dimensions of the semiconductor device. Since the gate length, line width, and all other dimensions are reduced, the dimensions of the capacitor are also reduced, and the amount of charge stored is also reduced. However, if the charge amount is too small, it is determined whether or not the charge stored in the capacitor exists due to the effects of cosmic rays (such as alpha rays), the effects of electrical noise, and the effects of thermal fluctuations (ie, information Is difficult to read. For this reason, it is necessary to consider a predetermined lower limit as the capacitance of the capacitor required for the memory cell, and this lower limit is, for example, 30 femto farads (fF / cell) per cell.
[0012]
Therefore, when miniaturizing a semiconductor device, it is necessary to reduce the size of the element while maintaining a certain capacitor capacitance. In general, the capacitance of a capacitor tends to increase as the dielectric constant and the electrode area increase, and decrease as the distance between the electrode plates increases. If the same dielectric film is used before and after miniaturization, it is necessary to increase the electrode area. Therefore, when miniaturizing the semiconductor device as shown in FIGS. 1 and 2, the gate length and the line width are reduced and the aspect ratio of the
[0013]
However, in order to form the
[0014]
[Non-patent document 1]
Nikkei Science, August 2002, p. 18-45.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
A general object of the present application is to provide a capacitor structure which can easily cope with miniaturization of a semiconductor device and a method for manufacturing the structure.
[0016]
A specific object of the present application is to provide a capacitor structure capable of securing a capacitor capacitance of a certain value or more even when the size of a semiconductor device is miniaturized, and a method of forming the structure.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention,
A first electrode made of carbon nanotubes extending in a cylindrical shape along a predetermined direction;
A second electrode provided around the cylindrical wall surface of the carbon nanotube via an insulator
Capacitor characterized by having
Is provided.
[0018]
[Action]
At least one electrode of the capacitor according to the present invention is made of carbon nanotube (CNT) extending in a cylindrical shape along a predetermined direction. CNT is a cylindrical substance composed of carbon atoms (C), and has a cylindrical structure that can be formed by rolling graphite having a large number of hexagonal network structures. The electrical characteristics of the CNT also differ depending on the rounding method. In general, CNT has semiconductor or conductor properties. In the rounding method, the "armchair type" in which hexagonal structures are aligned without twisting in the direction in which the CNTs extend, the "zigzag type" in which hexagonal structures are alternately aligned, hexagonal There is a "spiral type" in which the structure is spirally twisted. Since CNTs are strongly bonded to each other, CNTs have not only a high mechanical strength, but also a property that problems such as electromigration hardly occur even when a large current flows. In addition, since conductivity is caused by delocalized π electrons, the material exhibits excellent conductivity with low resistance. (For carbon nanotubes, see Non-Patent Document 1, for example.)
According to the present invention, an electrode of a capacitor is formed using CNT having such properties. For this reason, a mold structure for forming a conventional electrode is unnecessary, and an electrode having a high aspect ratio, which has conventionally been difficult to form, can be appropriately formed. Thereby, a capacitor structure that can easily cope with miniaturization of a semiconductor device is obtained. Further, even if the dimensions of the semiconductor device are miniaturized, it is possible to secure a capacitor capacity of a certain value or more.
[0019]
CNTs are produced by an arc discharge method in which CNTs are produced by causing an arc discharge to evaporate carbon, a laser ablation (laser furnace) method in which graphite is heated in an electric furnace and irradiated with a laser beam to evaporate the carbon, Alternatively, it can be formed by a chemical vapor deposition (CVD) method in which CNTs are grown by blowing metal fine particles serving as a catalyst into a high-temperature reactor. In particular, if a seed layer containing catalyst fine particles of a transition metal element such as iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), or titanium (Ti) is prepared, CNTs are grown from the seed layer. It becomes possible. Therefore, a desired CNT can be formed by forming a seed layer at an appropriate place.
[0020]
CNTs include not only single-walled nanotubes having a single-walled tubular structure but also multi-walled nanotubes in which a plurality of tubes are nested. These can be separately formed by changing various conditions (especially reaction temperature) for growing the CNT and changing the material of the seed layer.
[0021]
By appropriately changing the conditions of the seed layer and the conditions (temperature, pressure, time, and the like) during the growth of the CNT, it is possible to adjust the thickness, length, number, and electrical characteristics of the CNT. Note that CNT of a semiconductor usually has P-type properties, but ion implantation of an element such as potassium (K) is effective for forming N-type CNTs. Further, by heating the CNT in a vacuum, it is possible to convert the P-type to the N-type.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIGS. 4 and 5 are schematic sectional views showing the main steps for manufacturing the DRAM according to the first embodiment of the present invention. 4A, a
[0023]
On such a
[0024]
In the step shown in FIG. 4B, a transition metal element such as cobalt (Co) is formed on the entire surface of the structure formed in FIG. 1A by using a film forming technique such as CVD or sputtering. Is formed. Next, a heat treatment at, for example, 500 ° C. to 700 ° C. is performed. By this heat treatment, silicide is formed in the
[0025]
In this embodiment, the
[0026]
Note that since silicidation is a reaction between silicon and a metal element, the insulating
[0027]
In the step shown in FIG. 4C, starting from the seed layers 408 and 410, carbon nanotubes (CNT) 412 and 414 having properties as a conductor are grown. In this embodiment, a plurality of bundles of thin CNTs are formed. In the drawing,
[0028]
In the step shown in FIG. 5D, a
[0029]
In the step shown in FIG. 5E, unnecessary portions of the
[0030]
In the step shown in FIG. 5F, a contact hole reaching the
[0031]
In the first embodiment, one of the capacitor electrodes is formed by bundling a plurality of thin CNTs to form one columnar conductor as a whole. This form is advantageous, for example, in that it is very excellent in mechanical strength. However, the electrode made of CNT is not limited to this form, and various shapes can be used.
[0032]
FIG. 6 shows a process of forming an electrode used for a capacitor according to the second embodiment of the present invention. This step is performed in place of the step shown in FIG. 4C in the manufacturing steps of the first embodiment. According to this embodiment, a group (603 or 605) of thin CNTs separated from each other forms one capacitor electrode. A schematic cross-sectional view for these CNTs is indicated by 606. This embodiment utilizes the property of CNTs in that the shapes of the CNTs are aligned one by one. According to this embodiment, since the outer surface of each CNT 602 (or 604) contributes to the electrode area, it is possible to increase the capacitance of the capacitor by increasing not only the height (length) but also the number of CNTs. Become. Instead of reducing the height, it is also possible to increase the number. However, since it is necessary to form a dielectric film and a counter electrode between CNTs separated from each other, for example, SiN or Ta is used. 2 O 5 It is necessary to select a material for the dielectric film and the counter electrode having excellent coverage characteristics, such as a dielectric film made of and a counter electrode made of TiN, Ru or doped silicon.
[0033]
From the viewpoint of increasing the capacitance of the capacitor, it is preferable that the periphery of the
[0034]
Although the CNTs formed in this embodiment have a very thin and long shape, it is difficult to form an electrode having such a shape by a conventional mold structure and a technique using lithography.
[0035]
FIG. 7 shows a step of forming an electrode used in a capacitor according to the third embodiment of the present invention. This step is performed in place of the step shown in FIG. 4C in the manufacturing steps of the first embodiment. According to this embodiment, one electrode is formed by one cylindrical CNT 702 (or 704). A schematic cross-sectional view for these CNTs is shown at 706. It is possible to use not only one CNT but also a plurality of thick CNTs, provided that the CNTs have a thickness capable of filling the inside of the CNT with the dielectric film and the conductive film. According to this embodiment, the counter electrode is provided so as to face the inner and outer wall surfaces of the CNT. For this reason, since the inner and outer wall surfaces of the CNT contribute to the electrode area, it is possible to improve the capacitance of the capacitor. The shape is the same as that of the electrode formed by using the conventional mold structure (FIG. 1C), but unlike the conventional electrode, the electrode according to the present embodiment has extremely low mechanical strength and conductivity. Are better.
[0036]
As described above, according to the embodiment of the present application, the capacitor is provided with the first electrode made of carbon nanotubes (CNT) extending in a cylindrical shape in a predetermined direction and the first electrode provided around the cylindrical wall surface of the CNT via the insulator. It has two electrodes. It is possible to form a high aspect ratio electrode having excellent mechanical strength without forming a mold for forming the electrode. It becomes possible to form an electrode structure having a high aspect ratio, which was difficult to form conventionally, and it is possible to easily cope with miniaturization of a semiconductor device. In order to form the mold structure, it is not necessary to perform steps such as forming an opening with a high aspect ratio, forming a high-coverage conductive film, and removing the mold, thereby simplifying the manufacturing process. The electrode area can be adjusted by changing the thickness, the length, the number, and the like of the CNTs, so that the degree of freedom to increase the capacitance is increased.
[0037]
According to the embodiment of the present application, a seed layer containing a predetermined transition metal element is provided at a position where the growth of carbon nanotubes starts. By providing a seed layer at a desired location, a desired CNT can be grown. Since CNT electrodes can be formed by self-alignment without the need for alignment using a mask, it is advantageous for miniaturization of a semiconductor device. In addition, when a seed layer is formed using silicide obtained by reacting silicon with a transition metal element such as iron, cobalt, nickel and titanium, desired CNTs can be formed while lowering the resistance of the electrode. Becomes possible.
[0038]
According to the embodiment of the present application, only one electrode (first electrode) of the capacitor has a structure made of CNT. However, not only one but also the other electrode (second electrode) can be formed of carbon nanotubes extending in a cylindrical shape along a predetermined direction. When a multi-walled nanotube in which a plurality of nanotubes are nested is formed, the first and second electrodes can be formed simultaneously.
[0039]
According to the embodiment of the present invention, the capacitor is used in the memory cell of the semiconductor memory device. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to any capacitor. In a semiconductor memory device, it is necessary to secure a capacitance of a certain value or more before and after miniaturization. By adjusting the shape of the CNT (especially, by increasing the length of the CNT), the capacity of the memory cell can be easily ensured. Therefore, the capacitor structure according to the present invention is advantageous for a semiconductor memory device. Particularly, in the case of a DRAM, an improvement in the degree of integration is strongly demanded, and the structure of a capacitor greatly affects the possibility of miniaturization.
[0040]
For example, the present invention can be applied to a semiconductor memory device in which a memory cell is formed by a capacitor, such as an FeRAM, other than a DRAM. The memory cell of the FeRAM is structurally the same as the DRAM, and the memory cell can be composed of, for example, one transistor and one capacitor. However, FeRAM is significantly different from DRAM in that the dielectric film of the capacitor is made of a ferroelectric material. For this reason, FeRAM has a non-volatile function that the memory is not erased even after the power is turned off. As described above, the present invention can be widely applied to applications using structurally identical capacitors.
[0041]
It is also possible to use a transition element other than a transition metal for the seed layer. Furthermore, it is also possible to use elements other than transition elements, such as C and SiC. In short, what is necessary is just to form the seed layer which becomes the starting point of CNT. The transition metal elements include Sc, Ti, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, Ir, Pt, Au, and Hg. Includes elements having atomic numbers of 21 to 30, 39 to 48, 57 to 80, and 89 to 112 in addition to the transition metal elements.
[0042]
In the embodiment of the present invention, a carbon nanotube extending along a predetermined direction was used. Carbon nanotubes can be formed to have the flexibility (flexibility) of bending like a rubber hose. Therefore, it is not essential that the carbon nanotubes used in the present invention be completely linear, but it is not limited to a gentle curve, a spiral, or a whole or a part of the nanotube. Various shapes are possible.
[0043]
Hereinafter, means taught by the present invention will be listed.
[0044]
(Supplementary Note 1) A first electrode made of carbon nanotubes extending in a cylindrical shape along a predetermined direction;
A second electrode provided around the cylindrical wall surface of the carbon nanotube via an insulator
A capacitor comprising:
[0045]
(Supplementary Note 2) The capacitor according to Supplementary Note 1, wherein a seed layer containing a predetermined element is provided at a position that is a starting point of the growth of the carbon nanotube.
[0046]
(Supplementary note 3) The capacitor according to supplementary note 2, wherein the predetermined element is a metal element selected from at least a group consisting of iron, cobalt, nickel, and titanium.
[0047]
(Supplementary note 4) The capacitor according to supplementary note 1, wherein the first electrode is formed by a bundle of a plurality of carbon nanotubes extending along a predetermined direction.
[0048]
(Supplementary Note 5) The capacitor according to Supplementary Note 1, wherein the first electrode is made of a plurality of carbon nanotubes having a positional relationship separated from each other.
[0049]
(Supplementary Note 6) The capacitor according to supplementary note 1, wherein the second electrode is provided so as to face an inner wall surface of the tubular carbon nanotube that forms the first electrode.
[0050]
(Supplementary note 7) The capacitor according to supplementary note 1, wherein the second electrode is provided to provide a reference potential common to a plurality of capacitors.
[0051]
(Supplementary Note 8) The capacitor according to supplementary note 1, wherein the second electrode is also made of carbon nanotubes extending in a cylindrical shape along a predetermined direction.
[0052]
(Supplementary Note 9) The capacitor according to Supplementary Note 1, wherein the insulator is made of a material having coverage characteristics better than the coverage characteristics of the second electrode.
[0053]
(Supplementary Note 10) A semiconductor memory device including a memory cell formed by the capacitor according to Supplementary Note 1.
[0054]
(Supplementary Note 11) A method for creating a capacitor structure, comprising:
Forming a structure in which at least a part of the conductive layer is exposed on the semiconductor substrate,
Forming a seed layer serving as a starting point of carbon nanotube growth by introducing a predetermined transition metal element to the exposed portion of the conductive layer;
Forming a first capacitor electrode by growing a carbon nanotube having a cylindrical shape with a predetermined length from the seed layer as a starting point;
Providing an insulating layer around the cylindrical wall surface of the carbon nanotube,
Forming a second capacitor electrode by providing a conductive layer on the insulating layer;
A method of making a capacitor structure comprising:
[0055]
(Supplementary Note 12) In the method according to Supplementary Note 11, the step of forming the seed layer includes a step of introducing the predetermined transition metal element into the conductive layer containing silicon and silicidizing a surface of the conductive layer. The method characterized by the above.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to easily cope with miniaturization of a semiconductor device. Further, even if the dimensions of the semiconductor device are miniaturized, it is possible to secure a capacitor capacity of a certain value or more.
[0057]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view (part 1) of a main manufacturing process of a conventional DRAM.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view (No. 2) of main manufacturing steps of a conventional DRAM.
FIG. 3 shows an equivalent circuit for a
FIG. 4 is a schematic sectional view (part 1) of a main manufacturing process of the DRAM according to the first embodiment;
FIG. 5 is a schematic sectional view (part 2) of a main manufacturing step of the DRAM according to the first embodiment;
FIG. 6 is a schematic sectional view of a step of forming an electrode of a capacitor according to a second embodiment.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a step of forming an electrode of a capacitor according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
12,14 gate transistor
16 bit line
18,20 conductive plug
22 Memory cell area
24 Peripheral device area
26 Field insulation film
28 Substructure
30, 32 insulating film
34,36 opening
38 Conductive Film
40, 42 capacitor electrode
44 Dielectric film
46 conductive film
48 Insulating film
50, 52 conductive plug
54 Wiring layer
402 insulating film
404,406 opening
408,410 Seed layer
412,414 CNT
416 Dielectric film
418 conductive film
420 insulating film
422,424 conductive plug
602,604 CNT
603,605 CNT group
702,704 CNT
Claims (5)
前記カーボン・ナノチューブの筒状の壁面周囲に絶縁体を介して設けられる第2電極
を有することを特徴とするキャパシタ。A first electrode made of carbon nanotubes extending in a cylindrical shape along a predetermined direction;
A capacitor comprising a second electrode provided around a cylindrical wall surface of the carbon nanotube via an insulator.
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