JP2008078389A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】ゾルゲル法で形成した強誘電体膜を有する強電体メモリにおいて、強誘電体キャパシタの電気特性を向上させる半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法を、下部電極層72上にペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極72上において非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜73を形成する成膜工程と、前記非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜73を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、前記結晶化した強誘電体膜73を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程とにより、実行する。
【選択図】図6GIn a ferroelectric memory having a ferroelectric film formed by a sol-gel method, a semiconductor device for improving electrical characteristics of a ferroelectric capacitor and a manufacturing method thereof are provided.
According to a method for manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film, a sol-gel solution in which a perovskite ferroelectric material is dissolved in a solvent is applied onto a lower electrode layer 72, and the coating film of the ferroelectric material is applied. A step of forming, a film forming step of removing the solvent from the coating film, and forming a ferroelectric film 73 made of an amorphous state or microcrystals on the lower electrode 72, and the amorphous state or microscopic state. A first heat treatment step of heat-treating the ferroelectric film 73 made of crystals at a first temperature in the vicinity of the crystallization temperature of the ferroelectric material, and crystallizing in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer; A second heat treatment step for heat-treating the crystallized ferroelectric film 73 at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized ferroelectric film. And execute.
[Selection] Figure 6G
Description
本発明は一般に半導体装置に係り、特に強誘電体キャパシタを有する半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention generally relates to semiconductor devices, and more particularly to a semiconductor device having a ferroelectric capacitor and a method for manufacturing the same.
強誘電体メモリは電圧駆動される不揮発性半導体メモリ素子であり、高速で動作し、消費電力が小さく、しかも電源を遮断しても保持している情報が消失しない好ましい特性を有している。強誘電体メモリは、すでにICカードや携帯電子機器に使われている。 A ferroelectric memory is a voltage-driven non-volatile semiconductor memory element, which operates at high speed, has low power consumption, and has preferable characteristics that do not lose stored information even when the power is turned off. Ferroelectric memories are already used in IC cards and portable electronic devices.
図1は、いわゆるスタック型とよばれる強誘電体メモリ装置10の構成を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a so-called stack type ferroelectric memory device 10.
図1を参照するに、強誘電体メモリ装置10はいわゆる1T1C型の装置であり、シリコン基板11上に素子分離領域11Iにより画成された素子領域中11Aに二つのメモリセルトランジスタが、ビット線を共有して形成されている。 Referring to FIG. 1, a ferroelectric memory device 10 is a so-called 1T1C type device, in which two memory cell transistors are provided in a bit line in an element region 11A defined by an element isolation region 11I on a silicon substrate 11. Is formed by sharing.
より具体的には、前記シリコン基板11中には前記素子領域11Aとしてn型ウェルが形成されており、前記素子領域11A上には、ポリシリコンゲート電極13Aを有する第1のMOSトランジスタとポリシリコンゲート電極13Bを有する第2のMOSトランジスタが、それぞれゲート絶縁膜12Aおよび12Bを介して形成されている。 More specifically, an n-type well is formed as the element region 11A in the silicon substrate 11, and a first MOS transistor having a polysilicon gate electrode 13A and polysilicon are formed on the element region 11A. A second MOS transistor having a gate electrode 13B is formed through gate insulating films 12A and 12B, respectively.
さらに前記シリコン基板11中には、前記ゲート電極13Aの両側壁面に対応してp−型のLDD領域11a,11bが形成されており、また前記ゲート電極13Bの両側壁面に対応してp−型のLDD領域11c,11dが形成されている。ここで前記第1および第2のMOSトランジスタは前記素子領域11A中に共通に形成されているため、同一のp−型拡散領域が、LDD領域11bとLDD領域11cとして共用されている。 The further in the silicon substrate 11, the p in correspondence to respective sidewalls of the gate electrode 13A - -type LDD region 11a, and 11b are formed, also in correspondence to respective sidewalls of the gate electrode 13B p - -type LDD regions 11c and 11d are formed. Here, since the first and second MOS transistors are formed in common in the element region 11A, the same p − type diffusion region is shared as the LDD region 11b and the LDD region 11c.
前記ポリシリコンゲート電極13A上には、シリサイド層14Aが、またポリシリコンゲート電極13B上にはシリサイド層14Bが、それぞれ形成されており、さらに前記ポリシリコンゲート電極13Aの両側壁面および前記ポリシリコンゲート電極13Bの両側壁面上には、それぞれの側壁絶縁膜が形成されている。 A silicide layer 14A is formed on the polysilicon gate electrode 13A, and a silicide layer 14B is formed on the polysilicon gate electrode 13B. Further, both side walls of the polysilicon gate electrode 13A and the polysilicon gate are formed. Each side wall insulating film is formed on both side wall surfaces of the electrode 13B.
さらに前記シリコン基板11中には、前記ゲート電極13Aのそれぞれの側壁絶縁膜の外側に、p+型の拡散領域11eおよび11fが形成されており、また前記ゲート電極13Bのそれぞれの側壁絶縁膜の外側には、p+型の拡散領域11gおよび11hが形成されている。ただし、前記拡散領域11fと11gは、同一のp+型拡散領域より構成されている。 Further, in the silicon substrate 11, p + type diffusion regions 11e and 11f are formed outside the respective side wall insulating films of the gate electrode 13A, and each of the side wall insulating films of the gate electrode 13B is formed. On the outside, p + -type diffusion regions 11g and 11h are formed. However, the diffusion regions 11f and 11g are composed of the same p + -type diffusion region.
さらに前記シリコン基板11上には、前記シリサイド層14Aおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極13Aを覆うように、また前記シリサイド層14Bおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極13Bを覆うように、SiON膜15が形成されており、前記SiON膜15上にはSiO2よりなる層間絶縁膜16が形成されている。さらに前記層間絶縁膜16中には、前記拡散領域11e,11f(従って拡散領域11g),11hをそれぞれ露出するようにコンタクトホール16A,16B,16Cが形成され、前記コンタクトホール16A,16B,16Cには、Ti膜とTiN膜を積層した密着層17a,17b,17cを介して、W(タングステン)よりなるビアプラグ17A,17B,17Cが形成される。 Further, on the silicon substrate 11, the gate electrode 13A including the silicide layer 14A and the sidewall insulating film is covered, and the gate electrode 13B including the silicide layer 14B and the sidewall insulating film is covered. A SiON film 15 is formed, and an interlayer insulating film 16 made of SiO 2 is formed on the SiON film 15. Further, contact holes 16A, 16B, and 16C are formed in the interlayer insulating film 16 so as to expose the diffusion regions 11e, 11f (and hence the diffusion regions 11g) and 11h, respectively, and are formed in the contact holes 16A, 16B, and 16C. The via plugs 17A, 17B, and 17C made of W (tungsten) are formed through the adhesion layers 17a, 17b, and 17c in which the Ti film and the TiN film are stacked.
さらに前記層間絶縁膜16上には、前記タングステンプラグ17Aにコンタクトして、下部電極18Aと多結晶強誘電体膜19Aと上部電極20Aを積層した第1の強誘電体キャパシタC1が、また前記前記タングステンプラグ17Cにコンタクトして、下部電極18Cと多結晶強誘電体膜19Cと上部電極20Cを積層した第2の強誘電体キャパシタC2が形成されている。 Further, a first ferroelectric capacitor C1 in which a lower electrode 18A, a polycrystalline ferroelectric film 19A, and an upper electrode 20A are stacked on the interlayer insulating film 16 in contact with the tungsten plug 17A is also provided. A second ferroelectric capacitor C2 in which a lower electrode 18C, a polycrystalline ferroelectric film 19C, and an upper electrode 20C are stacked is formed in contact with the tungsten plug 17C.
さらに前記層間絶縁膜16上には前記強誘電体キャパシタC1,C2を覆うようにAl2O3よりなる水素バリア膜21が形成され、さらに前記水素バリア膜21上には次の層間絶縁膜22が形成されている。 Further, a hydrogen barrier film 21 made of Al 2 O 3 is formed on the interlayer insulating film 16 so as to cover the ferroelectric capacitors C 1 and C 2 , and the next interlayer insulating film 22 is further formed on the hydrogen barrier film 21. Is formed.
さらに前記層間絶縁膜22中には、前記強誘電体キャパシタC1の上部電極20Aを露出するコンタクトホール22Aと、前記ビアプラグ17Bを露出するコンタクトホール22Bと、前記強誘電体キャパシタC2の上部電極20Cを露出するコンタクトホール22Cが形成され、前記コンタクトホール22A〜22CにはTi膜とTiN膜を積層した密着層23a,23b,23cをそれぞれ介してタングステンプラグ23A,23B,23Cがそれぞれ形成される。 Further, in the interlayer insulating film 22, a contact hole 22A exposing the upper electrode 20A of the ferroelectric capacitor C1, a contact hole 22B exposing the via plug 17B, and an upper electrode 20C of the ferroelectric capacitor C2 are provided. An exposed contact hole 22C is formed, and tungsten plugs 23A, 23B, and 23C are formed in the contact holes 22A to 22C through adhesion layers 23a, 23b, and 23c in which a Ti film and a TiN film are laminated, respectively.
さらに前記層間絶縁膜22上には、前記タングステンプラグ23A,23B,23Cにそれぞれ対応して、Ti/TiN積層構造のバリアメタル膜を伴って、Al配線パターン24A,24B,24Cが形成されている。
従来、強誘電体メモリを構成する強誘電体膜は、ゾルゲル法、スパッタ法あるいはMOCVD法により形成する技術が提案されているが、真空プロセスを必要としないゾルゲル法では、強誘電体膜を安価に形成することができる。 Conventionally, a technique for forming a ferroelectric film constituting a ferroelectric memory by a sol-gel method, a sputtering method, or a MOCVD method has been proposed. However, in the sol-gel method that does not require a vacuum process, the ferroelectric film is inexpensive. Can be formed.
一方、図1のような強誘電体メモリでは、強誘電体キャパシタ絶縁膜となる多結晶強誘電体膜19A,19Cの結晶配向が非常に重要である。PZTなどの強誘電体は正方晶系のペロブスカイト構造を有し、TiやZrなどの金属原子がペロブスカイト構造中でc軸方向に変位することで強誘電性が発現する。そこで、図1の強誘電体メモリ10のように、強誘電体膜を上下電極間に挟持した構成の強誘電体キャパシタでは、電界方向が強誘電体のc軸方向に平行になるように強誘電体膜は(001)配向を有するのが理想的で、前記強誘電体膜が(100)配向を有する場合には、強誘電性は発現しない。 On the other hand, in the ferroelectric memory as shown in FIG. 1, the crystal orientation of the polycrystalline ferroelectric films 19A and 19C to be the ferroelectric capacitor insulating film is very important. Ferroelectric materials such as PZT have a tetragonal perovskite structure, and ferroelectric properties are manifested when metal atoms such as Ti and Zr are displaced in the c-axis direction in the perovskite structure. Therefore, in a ferroelectric capacitor having a configuration in which a ferroelectric film is sandwiched between upper and lower electrodes, as in the ferroelectric memory 10 of FIG. 1, the electric field direction is strong so that it is parallel to the c-axis direction of the ferroelectric. Ideally, the dielectric film has a (001) orientation. When the ferroelectric film has a (100) orientation, ferroelectricity does not appear.
しかし、ペロブスカイト膜では、正方晶系とは言っても、c軸とa軸の差はわずかであり、このため通常の製法で形成したPZT膜では、(001)配向した結晶粒と(100)配向した結晶粒がほぼ同数発生し、その他の方位のものも発生することを考えると、実際に強誘電体キャパシタの動作に寄与する結晶の割合はわずかであった。このような事情から、従来、強誘電体メモリの技術分野では、強誘電体膜19A,19Cを、全体として(111)配向膜として形成し、配向方位を<111>方向にそろえることで、大きなスイッチング電荷量QSWを確保することが行われている。 However, in the perovskite film, the difference between the c-axis and the a-axis is small even though it is tetragonal. Therefore, in the PZT film formed by the usual manufacturing method, the (001) -oriented crystal grains and (100) Considering that almost the same number of oriented crystal grains are generated and those with other orientations are also generated, the proportion of crystals that actually contribute to the operation of the ferroelectric capacitor was small. Under such circumstances, conventionally, in the technical field of ferroelectric memory, the ferroelectric films 19A and 19C are formed as a (111) orientation film as a whole, and the orientation direction is aligned in the <111> direction. The switching charge amount QSW is ensured.
このような事情で強誘電体メモリでは、強誘電体キャパシタの下部電極としてPt膜を自己配向Ti膜などの配向制御膜上に、(111)配向で形成し、その上にPZTなどの強誘電体膜を(111)配向で形成している。ここで自己配向Ti膜は、(002)配向を示す。 Under such circumstances, in a ferroelectric memory, a Pt film is formed as a lower electrode of a ferroelectric capacitor on an orientation control film such as a self-aligned Ti film with a (111) orientation, and a ferroelectric such as PZT is formed thereon. The body film is formed with (111) orientation. Here, the self-oriented Ti film exhibits a (002) orientation.
ゾルゲル法で強誘電体膜を形成する場合には、形成したい強誘電体膜のゾルゲル溶液を、下部電極を形成された下地層上に塗布し、これを結晶化が生じないような低温で熱処理することでゾルゲル溶液中の溶媒を除去した後、残ったアモルファス相あるいは微結晶状態の膜を、結晶化温度を大きく超える高温、例えば650℃の酸化雰囲気、例えば酸素ガス雰囲気中で熱処理し、強誘電体膜を前記下部電極の結晶方位に整合した方位で結晶化させることが行われる。このような高温酸化雰囲気中での熱処理により、強誘電体膜は、所定配向で結晶化すると同時に、膜中の酸素欠損が補償される。 When forming a ferroelectric film by the sol-gel method, apply the sol-gel solution of the ferroelectric film to be formed on the underlying layer on which the lower electrode is formed, and heat-treat it at a low temperature so that crystallization does not occur After removing the solvent in the sol-gel solution, the remaining amorphous phase or microcrystalline film is heat-treated in an oxidizing atmosphere, for example, 650 ° C., which greatly exceeds the crystallization temperature, for example, an oxygen gas atmosphere, The dielectric film is crystallized in an orientation that matches the crystal orientation of the lower electrode. By such heat treatment in a high-temperature oxidizing atmosphere, the ferroelectric film is crystallized in a predetermined orientation, and at the same time, oxygen vacancies in the film are compensated.
ところで本発明の発明者は、本発明の基礎となる研究においてゾルゲル法で形成した強誘電体膜、特にPZT膜の電気特性を向上させる研究を行っていたところ、このような結晶化熱処理の結果、図2(A),2(B)に示すように、PZT膜の表面に、異なった配向方位でPZT結晶粒が形成されることがあることを見出した。ただし図2(A)はこのようにして得られたPZT膜の走査電子顕微鏡写真を、図2(B)はその模式的断面図を示す。 By the way, the inventors of the present invention conducted research to improve the electrical properties of a ferroelectric film formed by the sol-gel method, particularly a PZT film, in the research that is the basis of the present invention. As shown in FIGS. 2A and 2B, it has been found that PZT crystal grains may be formed on the surface of the PZT film with different orientations. 2A is a scanning electron micrograph of the PZT film thus obtained, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view thereof.
図2(A),2(B)を参照するに、PZT膜は100%の酸素雰囲気中、650℃で結晶化熱処理をされたものであり、試料基板中央部の状態を示しているが、PZT膜は(111)配向したPt膜上に形成されており、一方前記Pt膜は、同じく(111)配向したIrOx膜上に形成されている。 Referring to FIGS. 2A and 2B, the PZT film has been subjected to crystallization heat treatment at 650 ° C. in a 100% oxygen atmosphere, and shows the state of the central portion of the sample substrate. The PZT film is formed on a (111) -oriented Pt film, while the Pt film is formed on a (111) -oriented IrOx film.
図2A,2Bよりわかるように、前記PZT膜はPt膜から成長した柱状のPZT結晶より構成されており、前記Pt膜の(111)配向を引き継いで(111)配向している。 As can be seen from FIGS. 2A and 2B, the PZT film is composed of a columnar PZT crystal grown from the Pt film, and takes on the (111) orientation of the Pt film and is (111) oriented.
一方、図2Aには、このようなPZTの柱状結晶で構成される膜の表面部分に、別の大きなPZT結晶が生じているのがわかる。この別のPZT結晶は、前記Pt膜の界面から成長したものではなく、このためPt膜の配向方位を引き継ぐことなく、ランダムな方位を有している。 On the other hand, FIG. 2A shows that another large PZT crystal is formed on the surface portion of the film composed of such PZT columnar crystals. This other PZT crystal is not grown from the interface of the Pt film, and therefore has a random orientation without taking over the orientation direction of the Pt film.
強誘電体キャパシタにおいて強誘電体膜中にこのような配向方位の規制されない強誘電体結晶が多数存在すると、スイッチング電荷量などの強誘電体キャパシタの電気特性は劣化してしまう。 In a ferroelectric capacitor, if there are many ferroelectric crystals whose orientations are not restricted in the ferroelectric film, the electrical characteristics of the ferroelectric capacitor such as the switching charge amount deteriorate.
一の側面において本発明は、強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法であって、下部電極層上に、ペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極上において非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を形成する成膜工程と、前記非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、前記結晶化した強誘電体膜を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法を、提供する。 In one aspect, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film, wherein a sol-gel solution in which a perovskite ferroelectric material is dissolved in a solvent is applied on a lower electrode layer, Forming a coating film of a body material; removing the solvent from the coating film; forming a ferroelectric film made of an amorphous state or a microcrystal on the lower electrode; and the amorphous A first heat treatment step of heat-treating a ferroelectric film made of a crystalline state or microcrystals at a first temperature near the crystallization temperature of the ferroelectric material and crystallizing in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer And heat treating the crystallized ferroelectric film at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized ferroelectric film. And a heat treatment step. The method of manufacture, and provides.
本発明によれば、ゾルゲル法により成膜された非晶質あるいは微結晶よりなる強誘電体膜を結晶化する際に、熱処理温度を制御することにより、前記強誘電体膜の表面部分から下方に進行する結晶化を抑制することができ、結晶化工程を、前記強誘電体膜の結晶化が、その下の下部電極との界面からのみ、かつ上方に進行するように制御することが可能で、膜全体にわたり、結晶配向が下部電極表面における結晶配向に整合した強誘電体膜を得ることが可能である。 According to the present invention, when crystallizing an amorphous or microcrystalline ferroelectric film formed by the sol-gel method, by controlling the heat treatment temperature, the surface of the ferroelectric film is lowered from the surface portion. The crystallization process can be controlled so that the crystallization of the ferroelectric film proceeds only upward from the interface with the lower electrode below the crystallization process. Thus, it is possible to obtain a ferroelectric film whose crystal orientation matches the crystal orientation on the surface of the lower electrode over the entire film.
[第1の実施形態]
図3(A)〜(E)は、本発明の第1の実施形態による強電体キャパシタの製造工程を示す。
[First Embodiment]
3A to 3E show a manufacturing process of the high-electric capacitor according to the first embodiment of the present invention.
図3(A)を参照するに、図示しないシリコン基板を覆うシリコン酸化膜41上には、(002)配向を有するTi膜42が配向制御膜としてスパッタ法により形成されており、前記配向制御膜42上には、TiAlN膜43が、酸素拡散バリア膜として、反応性スパッタ法により形成されている。なお前記シリコン酸化膜41は、その表面にAl2O3膜を担持していてもよい。なお、後の実施形態で説明するが、前記シリコン酸化膜41の表面、あるいは前記Al2O3膜の表面の酸素原子をNH基で終端しておくことにより、前記Ti膜42の(002)配向を促進することができる。 Referring to FIG. 3A, a Ti film 42 having (002) orientation is formed by sputtering as an orientation control film on a silicon oxide film 41 covering a silicon substrate (not shown). On the surface 42, a TiAlN film 43 is formed as an oxygen diffusion barrier film by a reactive sputtering method. The silicon oxide film 41 may carry an Al 2 O 3 film on its surface. As will be described later, by terminating oxygen atoms on the surface of the silicon oxide film 41 or the surface of the Al 2 O 3 film with NH groups, (002) of the Ti film 42 is obtained. Orientation can be promoted.
例えば前記Ti膜42は、DCスパッタ装置中において被処理基板とターゲット間の距離を60mmに設定し、圧力が0.15PaのAr雰囲気中、20℃の基板温度で2.6kWのスパッタパワーを5秒間供給することにより形成される。また前記TiAlN膜43は、同じDCスパッタ装置中、TiおよびAlの合金ターゲットを使い、圧力が253.3PaのAr/N2雰囲気中、Arガスを40sccm、窒素ガスを10sccmの流量で供給しながら400℃の基板温度で、1.0kWのスパッタパワーを供給することにより、100nmの膜厚に形成される。 For example, the Ti film 42 has a sputtering power of 2.6 kW at a substrate temperature of 20 ° C. in an Ar atmosphere having a pressure of 0.15 Pa in a DC sputtering apparatus with a distance between the substrate to be processed and the target set to 60 mm. It is formed by supplying for 2 seconds. The TiAlN film 43 uses Ti and Al alloy targets in the same DC sputtering apparatus and supplies Ar gas at a flow rate of 40 sccm and nitrogen gas at a flow rate of 10 sccm in an Ar / N 2 atmosphere at a pressure of 253.3 Pa. The film is formed to a thickness of 100 nm by supplying a sputtering power of 1.0 kW at a substrate temperature of 400 ° C.
さらに前記酸素拡散バリア膜43上には、厚さが50〜100nmのIr膜と、厚さが30nmのIrOx膜と、厚さが50nmのPt膜を積層した下部電極44が形成されている。ここで前記Pt膜は(111)配向を有し、その上に形成される強誘電体膜の配向を(111)配向に効果的に規制する。一方前記Ir膜は、Pbなどの金属元素の拡散バリアとして設けられ、強誘電体膜中のPbなどの金属元素がTiAlN膜13へと拡散し、強誘電体膜が剥離するのを抑制する。さらに前記Ir膜とPt膜の間に形成されるIrOx膜はアモルファス相で形成され、その上に形成されるPt膜の(111)配向を促進する。ここで前記Pt膜はAr雰囲気中、400℃の基板温度および0.2Paの圧力で、0.5kWのスパッタパワーで100nmの膜厚に形成され、一方、前記Ir膜は、基板温度400℃のスパッタにより形成され、さらに前記IrOx膜は、基板温度50℃のスパッタにより、先にも述べたようにアモルファス相で形成される。 Further, on the oxygen diffusion barrier film 43, a lower electrode 44 is formed by laminating an Ir film having a thickness of 50 to 100 nm, an IrOx film having a thickness of 30 nm, and a Pt film having a thickness of 50 nm. Here, the Pt film has a (111) orientation, and the orientation of the ferroelectric film formed thereon is effectively restricted to the (111) orientation. On the other hand, the Ir film is provided as a diffusion barrier for a metal element such as Pb, and suppresses diffusion of the metal element such as Pb in the ferroelectric film into the TiAlN film 13 and separation of the ferroelectric film. Further, the IrOx film formed between the Ir film and the Pt film is formed in an amorphous phase, and promotes the (111) orientation of the Pt film formed thereon. Here, the Pt film is formed in an Ar atmosphere at a substrate temperature of 400 ° C. and a pressure of 0.2 Pa to a film thickness of 100 nm with a sputtering power of 0.5 kW, while the Ir film has a substrate temperature of 400 ° C. Further, the IrOx film is formed in an amorphous phase by sputtering at a substrate temperature of 50 ° C. as described above.
次に図3(A)の工程では、このようにして得られた構造に対してAr雰囲気中、650℃の温度で60秒間の急速熱処理を行い、前記下部電極44中において、前記Pt膜とIrOx膜、Ir膜を緻密化し、密着性および結晶性を向上させる。 Next, in the step shown in FIG. 3A, the structure obtained in this manner is subjected to rapid heat treatment at a temperature of 650 ° C. for 60 seconds in an Ar atmosphere. The IrOx film and the Ir film are densified to improve adhesion and crystallinity.
なお前記Pt膜の代わりに、Ptを含む貴金属合金を使うことも可能である。 In place of the Pt film, a noble metal alloy containing Pt can be used.
次に図3(B)の工程において、前記下部電極44上に、ゾルゲルPZT溶液をスピンコートし、PZT塗布膜45aを形成する。かかるゾルゲルPZT溶液のスピンコートは、例えば所望のPZT膜の構成元素の前駆体を所定のモル比で混合した有機溶媒、例えば10重量%ブタノール溶液からなる強誘電体薄膜形成用ゾルゲル溶液を使い、これを湿度40%の大気中、室温で被処理基板を5000rpmの回転数で30秒間スピンコートすることにより形成される。本実施形態では、Pb,La,Zr,Tiを、モル比で1.10:2:40:60の割合(Pb,La,Zr,Ti=1.10:2:40:60)で含むゾルゲルPZT溶液を使っている。このPZT溶液は、実際にはPLZT溶液となっているが、以下では、PLZT組成もPZTと一括して表記することにする。 Next, in the step of FIG. 3B, a sol-gel PZT solution is spin-coated on the lower electrode 44 to form a PZT coating film 45a. The spin coating of the sol-gel PZT solution uses, for example, a sol-gel solution for forming a ferroelectric thin film composed of an organic solvent in which a precursor of a constituent element of a desired PZT film is mixed in a predetermined molar ratio, for example, a 10 wt% butanol solution, This is formed by spin-coating the substrate to be processed at a room temperature in a 40% humidity atmosphere at room temperature for 30 seconds. In the present embodiment, the sol-gel containing Pb, La, Zr, and Ti at a molar ratio of 1.10: 2: 40: 60 (Pb, La, Zr, Ti = 1.10: 2: 40: 60). PZT solution is used. This PZT solution is actually a PLZT solution, but in the following, the PLZT composition is also collectively referred to as PZT.
次に図3(B)の工程において、前記図3(A)の構造を常圧の酸素雰囲気中、PZTの結晶化が生じないような200〜450℃の温度、例えば240℃において熱処理し、前記PZT塗布膜45aに含まれるブタノールなどの溶媒を気化させる。 Next, in the process of FIG. 3 (B), the structure of FIG. 3 (A) is heat-treated at a temperature of 200 to 450 ° C. such as 240 ° C. so as not to cause crystallization of PZT in an oxygen atmosphere at normal pressure. A solvent such as butanol contained in the PZT coating film 45a is vaporized.
図3(B)の工程では、このような溶媒の気化に伴い、PZT塗布膜45aは収縮し、前記膜45aを構成するゲルの密度が、次の結晶化工程に向けて増大される。 In the process of FIG. 3B, the PZT coating film 45a contracts with the vaporization of the solvent, and the density of the gel constituting the film 45a is increased toward the next crystallization process.
ここで図3(B)の最適熱処理温度は形成したい強誘電体膜の材料組成に応じて異なり、本実施形態では240℃が最適である。 Here, the optimum heat treatment temperature in FIG. 3B varies depending on the material composition of the ferroelectric film to be formed, and 240 ° C. is optimum in this embodiment.
図3(B)の工程熱処理を例えば4回繰り返すことにより、前記下部電極44上には厚さが120nmのアモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aが、120nmの膜厚に形成される。 3B is repeated four times, for example, an amorphous phase or a microcrystalline PZT film 45A having a thickness of 120 nm is formed on the lower electrode 44 with a thickness of 120 nm.
次に図3(C)の工程において、前記図3(B)の構造を酸素雰囲気中、あるいは不活性ガスを含む酸素雰囲気中など、適当な雰囲気中において、常圧下あるいは減圧下、40〜150℃/分、例えば125℃/分程度の大きな昇温速度で急速熱処理(RTA)を行い、前記アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aを結晶化させ、これを結晶化PZT膜45Bに変換する。 Next, in the step of FIG. 3C, the structure of FIG. 3B is subjected to 40 to 150 at normal pressure or reduced pressure in an appropriate atmosphere such as an oxygen atmosphere or an oxygen atmosphere containing an inert gas. Rapid thermal processing (RTA) is performed at a high temperature rising rate of about 125 ° C./minute, for example, 125 ° C./minute to crystallize the amorphous phase or the microcrystalline PZT film 45A and convert it into a crystallized PZT film 45B. .
特に本実施形態では、前記図3(C)の結晶化熱処理を常圧で行う場合、その際の熱処理温度を、前記アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aの結晶化温度に対し、これより15℃低い温度を下限、またこれより50℃高い温度を上限とする温度範囲に設定して行う。また前記図3(C)の結晶化熱処理を減圧下、例えば100Paで行う場合、熱処理温度を、前記アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aの結晶化温度に対し、これより25℃低い温度を下限、またこれより40℃高い温度を上限とする温度範囲、例えば550℃に設定して行う。 In particular, in the present embodiment, when the crystallization heat treatment of FIG. 3C is performed at normal pressure, the heat treatment temperature at this time is higher than the crystallization temperature of the PZT film 45A in the amorphous phase or the microcrystalline state. The temperature is set to a temperature range where the lower temperature is 15 ° C. and the upper temperature is 50 ° C. higher than this. When the crystallization heat treatment of FIG. 3C is performed under reduced pressure, for example, at 100 Pa, the heat treatment temperature is set to 25 ° C. lower than the crystallization temperature of the amorphous phase or the microcrystalline PZT film 45A. The lower limit is set at a temperature range having an upper limit of 40 ° C., for example, 550 ° C.
前記図3(C)の工程のPZT膜45Aの結晶化熱処理を、このように膜45Aの結晶化温度に近い温度において実行することにより、前記アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aの結晶化が、下部電極44との界面から上方へと進行するが、前記PZT膜45Aの表面部分から下方へ結晶化が進むことはない。これに伴い、前記結晶化PZT膜45Bは図4に示すように(111)配向した柱状のPZT結晶よりなる微構造を示し、先に図2(A),(B)で説明したような配向方位が規制されない結晶粒が生じることがない。 By performing the crystallization heat treatment of the PZT film 45A in the step of FIG. 3C at a temperature close to the crystallization temperature of the film 45A in this way, the crystallization of the PZT film 45A in the amorphous phase or the microcrystalline state is performed. However, although it proceeds upward from the interface with the lower electrode 44, crystallization does not proceed downward from the surface portion of the PZT film 45A. Accordingly, the crystallized PZT film 45B has a microstructure composed of (111) -oriented columnar PZT crystals as shown in FIG. 4, and has the orientation as described above with reference to FIGS. 2 (A) and 2 (B). Crystal grains whose orientation is not regulated are not generated.
なお前記図3(C)の熱処理工程は、酸化雰囲気あるいは不活性雰囲気など、適当な雰囲気で実行することができ、特定の雰囲気に限定されることはない。 Note that the heat treatment step in FIG. 3C can be performed in an appropriate atmosphere such as an oxidizing atmosphere or an inert atmosphere, and is not limited to a specific atmosphere.
次に図3(D)の工程において、前記図3(C)の構造が酸化雰囲気中、前記図3(C)の工程の熱処理温度よりも50℃以上高い温度、例えば650℃で熱処理され、前記結晶化PZT膜45B中において酸素欠損補償を行う。この図3(D)の工程では、すでに図3(C)の工程においてアモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜45Aの結晶化が実質的に完了しているため、高い温度で熱処理を行っても、不規則な結晶成長が生じることはない。また図3(D)の段階でさらにPZT膜45Bの結晶化が進行しても、その程度がわずかであれば、結晶化は既に形成されている(111)配向のPZT柱状結晶粒に規制されて生じるため、不規則な結晶方位を有するPZT結晶が成長することはない。 Next, in the step of FIG. 3D, the structure of FIG. 3C is heat-treated in an oxidizing atmosphere at a temperature higher than the heat treatment temperature of the step of FIG. Oxygen deficiency compensation is performed in the crystallized PZT film 45B. In the step of FIG. 3D, since the crystallization of the amorphous phase or microcrystalline PZT film 45A has already been substantially completed in the step of FIG. 3C, even if the heat treatment is performed at a high temperature. Irregular crystal growth does not occur. Further, even if the crystallization of the PZT film 45B further proceeds at the stage of FIG. 3D, if the degree is slight, the crystallization is restricted to the (111) -oriented PZT columnar crystal grains already formed. Therefore, a PZT crystal having an irregular crystal orientation does not grow.
一方、前記図3(C)の結晶化工程が不十分であると、図3(D)の高温熱処理工程で不規則な結晶成長が生じる恐れがあるため、前傷3(C)の熱処理温度は、強誘電体膜の結晶化温度を基準に、先に説明した下限値を下回らないように設定する必要がある。 On the other hand, if the crystallization process of FIG. 3C is insufficient, irregular crystal growth may occur in the high-temperature heat treatment process of FIG. 3D. Needs to be set so as not to fall below the lower limit described above, based on the crystallization temperature of the ferroelectric film.
さらに図3(E)の工程において、前記PZT膜45B上に、PZTとの間に良好な界面を形成するIrOxを使って、上部電極46が、スパッタ法により形成される。本実施形態では前記上部電極46として触媒作用にあるPtの使用を避けており、これにより活性化された水素によるPZT膜45Bの還元が抑制される。 Further, in the step of FIG. 3E, the upper electrode 46 is formed on the PZT film 45B by sputtering using IrOx that forms a good interface with the PZT. In the present embodiment, the use of Pt in catalytic action as the upper electrode 46 is avoided, whereby the reduction of the PZT film 45B by activated hydrogen is suppressed.
より具体的に説明すると、前記図3(D)の工程の後、前記PZT膜45B上には、最初に厚さが50nmのIrOx膜がスパッタ法により、例えば300℃の基板温度でArガスおよび酸素ガスを、それぞれ120sccmおよび80sccmの流量で供給し、1〜2kWのスパッタパワーを投入することで、例えば50nmの膜厚に、また成膜時点ですでに結晶化した状態で、形成される。 More specifically, after the step of FIG. 3D, an IrOx film having a thickness of 50 nm is first sputtered on the PZT film 45B by sputtering, for example, at a substrate temperature of 300 ° C. Oxygen gas is supplied at a flow rate of 120 sccm and 80 sccm, respectively, and a sputtering power of 1 to 2 kW is applied to form, for example, a film thickness of 50 nm and in a state already crystallized at the time of film formation.
次にこのようにして形成されたIrOx膜は、酸素ガスを20sccm,Arガスを2000sccmの流量で供給しながら725℃の温度で60秒間急速熱処理され、完全に結晶化される。またこの急速熱処理により、前記PZT膜45B中に上部電極46の形成に伴って生じた酸素欠損が補償される。 Next, the IrOx film thus formed is rapidly crystallized at a temperature of 725 ° C. for 60 seconds while supplying oxygen gas at a flow rate of 20 sccm and Ar gas at a flow rate of 2000 sccm, and is completely crystallized. In addition, this rapid heat treatment compensates for oxygen vacancies caused by the formation of the upper electrode 46 in the PZT film 45B.
次に、このようにして形成された第1の酸化イリジウム膜(前記IrOx膜)上に、第2の酸化イリジウム膜(IrOy膜)がスパッタ法により、0.8PaのAr雰囲気中、1.0kWのスパッタパワーで100〜300nm、例えば200nmの厚さに形成される。このようにして形成された前記第2の酸化イリジウム膜は、IrO2の化学量論組成に近い組成を有し、水素あるいは水に対してPtのような触媒作用を生じることがなく、図3(E)の構造上に多層配線構造を形成した場合にも、PZT膜45Bが、水分を含む層間絶縁膜から放出される水素により還元されてしまう問題が抑制され、強誘電体キャパシタの水素耐性が向上する。 Next, a second iridium oxide film (IrOy film) is formed on the first iridium oxide film (the IrOx film) thus formed by sputtering in an Ar atmosphere of 0.8 Pa by 1.0 kW. With a sputtering power of 100 to 300 nm, for example, a thickness of 200 nm is formed. The second iridium oxide film thus formed has a composition close to the stoichiometric composition of IrO 2 , and does not cause a catalytic action such as Pt against hydrogen or water. Even when the multilayer wiring structure is formed on the structure (E), the problem that the PZT film 45B is reduced by hydrogen released from the interlayer insulating film containing moisture is suppressed, and the hydrogen resistance of the ferroelectric capacitor is suppressed. Will improve.
前記上部電極46をこのように二層構造とすることにより、前記下層のIrOx膜とその下のPZT膜45Bとの間に優れた密着性が確保され、前記上層のIrOy膜により、上に述べたように強誘電体キャパシタの水素耐性が向上する。 By making the upper electrode 46 in this two-layer structure, excellent adhesion is secured between the lower IrOx film and the PZT film 45B below it, and the upper IrOy film described above. As described above, the hydrogen resistance of the ferroelectric capacitor is improved.
なお本実施形態において前記上部電極46として、IrOxの代りにIr,Ru,Rh,Re,Os,Pd、あるいはこれらの酸化物、さらにSrRuO3などの導電性酸化物を使うことも可能である。また前記上部電極46を、これらの金属または導電性酸化物層の積層構造とすることも可能である。 In the present embodiment, Ir, Ru, Rh, Re, Os, Pd, or an oxide thereof, or a conductive oxide such as SrRuO 3 can be used as the upper electrode 46 instead of IrOx. In addition, the upper electrode 46 may have a laminated structure of these metals or conductive oxide layers.
本実施例では、さらに前記上部電極46の表面部分に、図示は省略するがIr膜を形成してもよい。これにより、前記上部電極46を介したH2Oの強誘電体膜15Bへの侵入が抑制され、また配線パターンとのコンタクト特性が向上する。 In this embodiment, an Ir film may be formed on the surface of the upper electrode 46, although not shown. Thereby, the penetration of H 2 O into the ferroelectric film 15B through the upper electrode 46 is suppressed, and the contact characteristics with the wiring pattern are improved.
図5(A)は、このようにして得られた強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量QSWを、図5(B)は、前記強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量QSWを、前記強誘電体キャパシタ上に三層構造の多層配線構造を形成した後の状態、すなわち実際の強誘電体キャパシタが使われる状態について、それぞれ示す図である。ただし図5(A)中、曲線Aは、上記実施形態による強誘電体キャパシタ(試料1)の特性を、曲線B,Cは、ゾルゲル法で形成したPZT膜を、溶媒除去工程の後、直ちに酸素雰囲気中、650℃で結晶化熱処理および酸素欠損補償処理を行う従来の方法で形成したもので、曲線Bは上部電極をPtで形成した場合(試料2)、曲線CはIrOxにより形成した場合(試料3)を示す。 FIG. 5A shows the switching charge amount Q SW of the ferroelectric capacitor thus obtained. FIG. 5B shows the switching charge amount Q SW of the ferroelectric capacitor. It is a figure which shows each about the state after forming the multilayer wiring structure of a three-layer structure on a capacitor, ie, the state where an actual ferroelectric capacitor is used. However, in FIG. 5A, curve A shows the characteristics of the ferroelectric capacitor (sample 1) according to the above embodiment, and curves B and C show the PZT film formed by the sol-gel method immediately after the solvent removal step. Formed by a conventional method in which crystallization heat treatment and oxygen deficiency compensation processing are performed at 650 ° C. in an oxygen atmosphere. Curve B shows the case where the upper electrode is made of Pt (sample 2), and curve C shows the case of IrOx. (Sample 3) is shown.
図5(A),(B)を参照するに、図5(A)の強誘電体キャパシタ形成直後の状態では、従来の条件で、かつ上部電極としてPt膜を形成した試料が、最も大きなスイッチング電荷量を示すのに対し、図5(B)に示すように実際に強誘電体キャパシタ上に多層配線構造を形成した場合には、上部電極にPtを使った試料の電気特性は著しく劣化し、一方、曲線Aで示す本願発明の試料が最も大きなスイッチング電荷量を示すのがわかる。 Referring to FIGS. 5A and 5B, in the state immediately after the formation of the ferroelectric capacitor in FIG. 5A, the sample with the Pt film formed as the upper electrode under the conventional conditions has the largest switching. In contrast to the charge amount, when the multilayer wiring structure is actually formed on the ferroelectric capacitor as shown in FIG. 5B, the electrical characteristics of the sample using Pt for the upper electrode are remarkably deteriorated. On the other hand, it can be seen that the sample of the present invention indicated by curve A shows the largest switching charge amount.
前記試料2において、多層配線構造の形成後にスイッチング電荷量が大きく減少する現象は、明らかに多層配線構造を構成する層間絶縁膜中のH2OがPt上部電極により活性化され、その結果形成された水素ラジカルが強誘電体キャパシタ中に侵入し、強誘電体膜を還元していることを示している。
[第2の実施形態]
次に図6A〜6Tを参照しながら、本発明の第2の実施形態による強誘電体メモリの製造工程を説明する。
In the sample 2, the phenomenon that the switching charge amount greatly decreases after the formation of the multilayer wiring structure is apparently formed as a result of H 2 O in the interlayer insulating film constituting the multilayer wiring structure being activated by the Pt upper electrode. It is shown that hydrogen radicals penetrated into the ferroelectric capacitor and reduced the ferroelectric film.
[Second Embodiment]
Next, a manufacturing process of the ferroelectric memory according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図6Aを参照するに、シリコン基板61中には素子領域61Aとしてn型ウェルが形成されており、前記素子領域61A上には、ポリシリコンゲート電極63Aを有する第1のMOSトランジスタとポリシリコンゲート電極63Bを有する第2のMOSトランジスタが、それぞれゲート絶縁膜62Aおよび62Bを介して形成されている。 Referring to FIG. 6A, an n-type well is formed as an element region 61A in a silicon substrate 61. A first MOS transistor having a polysilicon gate electrode 63A and a polysilicon gate are formed on the element region 61A. A second MOS transistor having an electrode 63B is formed through gate insulating films 62A and 62B, respectively.
さらに前記シリコン基板61中には、前記ゲート電極63Aの両側壁面に対応してp−型のLDD領域61a,61bが形成されており、また前記ゲート電極13Bの両側壁面に対応してp−型のLDD領域61c,61dが形成されている。ここで前記第1および第2のMOSトランジスタは前記素子領域61A中に共通に形成されているため、同一のp−型拡散領域が、前記LDD領域61bとLDD領域61cとして共用されている。 The further in the silicon substrate 61, the p in correspondence to respective sidewalls of the gate electrode 63A - -type LDD region 61a, and 61b are formed, also in correspondence to respective sidewalls of the gate electrode 13B p - -type LDD regions 61c and 61d are formed. Here, since the first and second MOS transistors are formed in common in the element region 61A, the same p − type diffusion region is shared as the LDD region 61b and the LDD region 61c.
前記ポリシリコンゲート電極63A上には、シリサイド層64Aが、またポリシリコンゲート電極63B上にはシリサイド層64Bが、それぞれ形成されており、さらに前記ポリシリコンゲート電極63Aの両側壁面および前記ポリシリコンゲート電極63Bの両側壁面上には、それぞれの側壁絶縁膜が形成されている。 A silicide layer 64A is formed on the polysilicon gate electrode 63A, and a silicide layer 64B is formed on the polysilicon gate electrode 63B. Further, both side walls of the polysilicon gate electrode 63A and the polysilicon gate are formed. Each side wall insulating film is formed on both side wall surfaces of the electrode 63B.
さらに前記シリコン基板61中には、前記ゲート電極63Aのそれぞれの側壁絶縁膜の外側に、p+型の拡散領域61eおよび61fが形成されており、また前記ゲート電極63Bのそれぞれの側壁絶縁膜の外側には、p+型の拡散領域61gおよび61hが形成されている。ただし、前記拡散領域61fと61gは、同一のp+型拡散領域より構成されている。 Further, in the silicon substrate 61, p + type diffusion regions 61e and 61f are formed outside the respective side wall insulating films of the gate electrode 63A, and each of the side wall insulating films of the gate electrode 63B is formed. On the outside, p + -type diffusion regions 61g and 61h are formed. However, the diffusion regions 61f and 61g are composed of the same p + -type diffusion region.
さらに前記シリコン基板61上には、前記シリサイド層64Aおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極63Aを覆うように、また前記シリサイド層64Bおよび側壁絶縁膜を含めて前記ゲート電極63Bを覆うように、SiON膜65が例えば200nmの厚さに形成されており、前記SiON膜65上にはSiO2よりなる層間絶縁膜66が、TEOSを原料としたプラズマCVD法により、例えば1000nmの厚さに形成されている。さらに前記層間絶縁膜66はCMP法により平坦化され、さらに前記層間絶縁膜66中に、前記拡散領域61e,61f(従って拡散領域61g),61hをそれぞれ露出するようにコンタクトホール66A,66B,66Cが形成される。前記コンタクトホール66A,66B,66Cには、厚さが30nmのTi膜と厚さが20nmのTiN膜を積層した密着層67a,67b,67cを介して、W(タングステン)よりなるビアプラグ67A,67B,67Cが形成される。 Further, on the silicon substrate 61, the gate electrode 63A is covered including the silicide layer 64A and the sidewall insulating film, and the gate electrode 63B is covered including the silicide layer 64B and the sidewall insulating film. The SiON film 65 is formed to a thickness of 200 nm, for example, and an interlayer insulating film 66 made of SiO 2 is formed on the SiON film 65 by a plasma CVD method using TEOS as a material to a thickness of 1000 nm, for example. ing. Further, the interlayer insulating film 66 is planarized by CMP, and contact holes 66A, 66B, 66C are exposed in the interlayer insulating film 66 so as to expose the diffusion regions 61e, 61f (and hence the diffusion regions 61g), 61h, respectively. Is formed. Via plugs 67A, 67B made of W (tungsten) are formed in the contact holes 66A, 66B, 66C through adhesion layers 67a, 67b, 67c in which a Ti film having a thickness of 30 nm and a TiN film having a thickness of 20 nm are laminated. , 67C are formed.
さらに図6Aの構造では前記層間絶縁膜66上に、厚さが例えば130nmの別のSiON膜67を介してシリコン酸化膜よりなる次の層間絶縁膜68が、前記層間絶縁膜66と同様にしてTEOSを原料とするプラズマCVD法により、例えば300nmの厚さに形成されている。ここで前記SiON膜67に代わりにSiN膜あるいはAl2O3膜を使うことも可能である。 Further, in the structure of FIG. 6A, the next interlayer insulating film 68 made of a silicon oxide film is formed on the interlayer insulating film 66 through another SiON film 67 having a thickness of, for example, 130 nm in the same manner as the interlayer insulating film 66. The film is formed to a thickness of, for example, 300 nm by a plasma CVD method using TEOS as a raw material. Here, instead of the SiON film 67, an SiN film or an Al 2 O 3 film can be used.
次に図6Bの工程において前記層間絶縁膜68中に、前記ビアプラグ67A,67Cを露出するビアホール68A,68Cがそれぞれ形成され、前記ビアホール68Aにはタングステンよりなり前記ビアプラグ67Aとコンタクトするように、ビアプラグ69Aが、前記密着層67aと同様なTi膜とTiN膜を積層した密着層69aを介して形成される。また前記ビアホール68Cにはタングステンよりなり前記ビアプラグ67Cとコンタクトするようにビアプラグ69Cが、前記密着層67cと同様なTi膜とTiN膜を積層した密着層69cを介して形成される。 Next, in the step of FIG. 6B, via holes 68A and 68C exposing the via plugs 67A and 67C are formed in the interlayer insulating film 68, and the via plugs are made of tungsten and are in contact with the via plugs 67A. 69A is formed through an adhesion layer 69a in which the same Ti film and TiN film as the adhesion layer 67a are laminated. A via plug 69C is formed in the via hole 68C to be in contact with the via plug 67C through a contact layer 69c formed by laminating a Ti film and a TiN film similar to the contact layer 67c.
次に図6Cの工程において、前記層間絶縁膜68の表面をNH3プラズマで処理し、NH基を前記層間絶縁膜68表面の酸素原子に結合させ、次いでTi膜70がスパッタ法により、前記層間絶縁膜68上に前記ビアプラグ69A,69Bを覆うように、例えば先の図3(A)のTi膜42と同様な条件で、例えば20nmの厚さに形成される。前記層間絶縁膜68の表面をこのようにNH3プラズマで処理しておくことにより、前記層間絶縁膜68表面の酸素原子はNH基により終端され、Ti原子と優先的に結合してその配向を規制することがないため、前記Ti膜70は理想的な(002)配向を有する。 Next, in the step of FIG. 6C, the surface of the interlayer insulating film 68 is treated with NH 3 plasma, NH groups are bonded to oxygen atoms on the surface of the interlayer insulating film 68, and then the Ti film 70 is sputtered to form the interlayer insulating film 68. For example, a thickness of 20 nm is formed on the insulating film 68 so as to cover the via plugs 69A and 69B under the same conditions as those of the Ti film 42 shown in FIG. By treating the surface of the interlayer insulating film 68 with NH 3 plasma in this way, the oxygen atoms on the surface of the interlayer insulating film 68 are terminated by NH groups, and are preferentially bonded to Ti atoms to have their orientation. Since there is no restriction, the Ti film 70 has an ideal (002) orientation.
さらに図6Cでは、前記Ti膜70を窒素雰囲気中、650℃の温度で急速熱処理し、(111)配向のTiN膜70に変換する。 Further, in FIG. 6C, the Ti film 70 is rapidly heat-treated at a temperature of 650 ° C. in a nitrogen atmosphere to convert it into a (111) -oriented TiN film 70.
次に図6Dの工程において、前記TiN膜70上にTiAlN膜71を、酸素拡散バリアとして、前記図3(A)のTiAlN膜43と同様な条件で形成し、さらに図6Eの工程では、前記TiAlN膜71上に、やはり前記図3(A)の下部電極44と同様に、厚さが50〜100nmのIr膜と厚さが30nmのIrOx膜と厚さが50nmのPt膜がスパッタ法により積層され、下部電極層72が形成される。 Next, in the step of FIG. 6D, a TiAlN film 71 is formed on the TiN film 70 as an oxygen diffusion barrier under the same conditions as the TiAlN film 43 of FIG. 3A, and in the step of FIG. Similarly to the lower electrode 44 in FIG. 3A, an Ir film having a thickness of 50 to 100 nm, an IrOx film having a thickness of 30 nm, and a Pt film having a thickness of 50 nm are formed on the TiAlN film 71 by sputtering. The lower electrode layer 72 is formed by stacking.
次に前記図6Eの構造を先の実施形態と同様にAr雰囲気中、650℃以上の温度で60秒間熱処理し、引き続き、図6Fの工程において、前記下部電極層72上にPZT塗布膜が、先に図3(B)のPZT塗布膜45aと同様にゾルゲル法により形成される。さらに240℃の熱処理により溶媒を除去することにより、前記下部電極層72上に前記PZT塗布膜から、アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜73aが、前記図3(B)のPZT膜45Aと同様に、例えば120nmの厚さに形成される。 Next, the structure of FIG. 6E is heat-treated in an Ar atmosphere at a temperature of 650 ° C. or higher for 60 seconds as in the previous embodiment. Subsequently, in the process of FIG. 6F, a PZT coating film is formed on the lower electrode layer 72. First, it is formed by the sol-gel method similarly to the PZT coating film 45a of FIG. Further, by removing the solvent by heat treatment at 240 ° C., the PZT film 73a in the amorphous phase or the microcrystalline state is formed on the lower electrode layer 72 from the PZT coating film in the same manner as the PZT film 45A in FIG. For example, it is formed to a thickness of 120 nm.
次に図6Gの工程において、このようにして得られたアモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜73aは、550℃の温度で、酸素ガスを1000sccm、Arガスを1000sccmに流量で供給しながら30〜120秒間熱処理され、その結果、前記PZT膜73aは前記図3(C)のPZT膜45Bと同様に結晶化され、結晶化PZT膜73に変換される。 Next, in the process of FIG. 6G, the PZT film 73a in the amorphous phase or microcrystalline state thus obtained is heated at a temperature of 550 ° C. while supplying oxygen gas at 1000 sccm and Ar gas at a flow rate of 1000 sccm. As a result of the heat treatment for 120 seconds, the PZT film 73a is crystallized in the same manner as the PZT film 45B in FIG. 3C and converted into the crystallized PZT film 73.
このPZT膜73の結晶化熱処理は、前にも説明したように、PZTの結晶化温度の近傍の温度で、特にPZT膜の表面部分からの結晶化が生じないような温度で実行され、その結果、先に図4で説明したように、(111)配向の柱状PZT結晶が、前記下部電極72の表面から上方に向かって成長する。 As described above, the crystallization heat treatment of the PZT film 73 is performed at a temperature in the vicinity of the crystallization temperature of the PZT, particularly at a temperature at which crystallization from the surface portion of the PZT film does not occur. As a result, as described above with reference to FIG. 4, (111) oriented columnar PZT crystals grow upward from the surface of the lower electrode 72.
なお本発明において強誘電体膜はPZT膜に限定されるものではなく、La,Ca,Sr及びSiから選ばれる少なくとも一つの元素がドープされたPZT膜、PLZT膜、BLT((Bi,La)4Ti3O12)膜、SBT膜、及びBi層状構造、例えば(Bi1−xRx)Ti3O12(Rは希土類元素、0<x<1)、SrBi2Ta2O9,SrBi4Ti4O15などを使うことも可能である。これらの誘電体材料もPZTと同様にペロブスカイト構造を単位としているが、最適な結晶化温度は異なり、PZTあるいはLa,Ca,Sr,Siなどを微量添加されるPZTは600℃以下で結晶化させるのが好ましく、一方、BLTは670℃以下、またSBTは750℃以下で結晶化させるのが好ましい。 In the present invention, the ferroelectric film is not limited to the PZT film, but is a PZT film, a PLZT film, or a BLT ((Bi, La) doped with at least one element selected from La, Ca, Sr and Si. 4 Ti 3 O 12 ) film, SBT film, and Bi layered structure, such as (Bi 1-x R x ) Ti 3 O 12 (R is a rare earth element, 0 <x <1), SrBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi It is also possible to use 4 Ti 4 O 15 or the like. These dielectric materials also have a perovskite structure as in PZT, but the optimum crystallization temperature is different, and PZT or PZT to which a small amount of La, Ca, Sr, Si, etc. is added is crystallized at 600 ° C. or lower. On the other hand, BLT is preferably crystallized at 670 ° C. or lower, and SBT is preferably crystallized at 750 ° C. or lower.
このため本発明では、図6Gの結晶化熱処理温度を、前記図3(C)の結晶化工程と同様に、強誘電体材料の結晶化温度を基準に設定しており、常圧下で前記結晶化熱処理を行う場合には結晶化熱処理温度の上限を結晶化温度の50℃以内に設定し、また下限を15℃以内に設定する。また減圧下で前記結晶化熱処理を行う場合には結晶化熱処理温度の上限を結晶化温度の40℃以内に設定し、また下限を25℃以内に設定する。この結晶化熱処理温度が低すぎると、強誘電体膜の結晶化が十分に進まず、次に説明するより高温での酸素欠損補償熱処理の際に、強誘電体膜表面からの結晶化を招く恐れがある。 For this reason, in the present invention, the crystallization heat treatment temperature in FIG. 6G is set based on the crystallization temperature of the ferroelectric material as in the crystallization step in FIG. When performing the crystallization heat treatment, the upper limit of the crystallization heat treatment temperature is set within 50 ° C. of the crystallization temperature, and the lower limit is set within 15 ° C. When the crystallization heat treatment is performed under reduced pressure, the upper limit of the crystallization heat treatment temperature is set within 40 ° C. of the crystallization temperature, and the lower limit is set within 25 ° C. If the crystallization heat treatment temperature is too low, the crystallization of the ferroelectric film will not proceed sufficiently, and will cause crystallization from the surface of the ferroelectric film during the oxygen deficiency compensation heat treatment at a higher temperature described below. There is a fear.
図6Gの工程では、さらに前記結晶化熱処理工程の後、前記結晶化熱処理温度よりも50℃以上高い、例えば650℃の酸素雰囲気中において、前記図3(D)の工程と同様に熱処理され、PZT膜73中の酸素欠損が補償される。なお図示の例では、この酸素欠損補償を酸素100%の雰囲気中で行っているが、本発明はこのような特定の場合に限定されるものではなく、酸素と不活性ガスの混合ガス中においてこの酸素欠損補償熱処理を行うことも可能である。 In the step of FIG. 6G, after the crystallization heat treatment step, heat treatment is performed in the same manner as in the step of FIG. 3D in an oxygen atmosphere that is 50 ° C. higher than the crystallization heat treatment temperature, for example, 650 ° C. Oxygen deficiency in the PZT film 73 is compensated. In the illustrated example, this oxygen deficiency compensation is performed in an atmosphere of 100% oxygen, but the present invention is not limited to such a specific case, and in a mixed gas of oxygen and inert gas. It is also possible to perform this oxygen deficiency compensation heat treatment.
次に図6Hの工程において、前記PZT膜73上には先の実施形態の図3(E)の上部電極層46と同様にして二層構造のIrOxよりなる上部電極膜74がスパッタ法により形成され、図6Iの工程において前記上部電極膜74上に、TiAlN膜75とシリコン酸化膜76が、それぞれ反応性スパッタ法およびTEOS原料を使ったプラズマCVD法により、ハードマスク層として形成される。 Next, in the step of FIG. 6H, an upper electrode film 74 made of IrOx having a two-layer structure is formed on the PZT film 73 by the sputtering method in the same manner as the upper electrode layer 46 of FIG. 3E of the previous embodiment. 6I, a TiAlN film 75 and a silicon oxide film 76 are formed on the upper electrode film 74 as a hard mask layer by a reactive sputtering method and a plasma CVD method using a TEOS material, respectively.
さらに図6Jの工程で前記シリコン酸化膜76がパターニングされ、所望の強誘電体キャパシタC1,C2に対応したハードマスクパターン76A,76Bが形成される。 Further, in the step of FIG. 6J, the silicon oxide film 76 is patterned to form hard mask patterns 76A and 76B corresponding to desired ferroelectric capacitors C1 and C2.
さらに次の図6Kの工程において、前記ハードマスクパターン76A,76Bをマスクに、その下のTiAlN膜75,上部電極層74,PZT膜73および下部電極層72が、前記TiAlN膜71が露出するまで、HBr,O2,ArおよびC4F8を使ったドライエッチングによりパターニングされ、前記ハードマスクパターン76Aの下に前記強誘電体キャパシタC1に対応して、下部電極パターン72A,PZTパターン73A,上部電極パターン74AおよびTiAlNマスクパターン75Aを積層した構造が、また前記ハードマスクパターン76Bの下に前記強誘電体キャパシタC2に対応して、下部電極パターン72B,PZTパターン73B,上部電極パターン74BおよびTiAlNマスクパターン75Bを積層した構造が得られる。ここで前記下部電極パターン72A,PZTパターン73A,上部電極パターン74Aが強誘電体キャパシタC1を構成し、下部電極パターン72B,PZTパターン73B,上部電極パターン74Bが強誘電体キャパシタC2を構成する。 Further, in the next step of FIG. 6K, using the hard mask patterns 76A and 76B as a mask, the TiAlN film 75, the upper electrode layer 74, the PZT film 73 and the lower electrode layer 72 thereunder are exposed until the TiAlN film 71 is exposed. , HBr, O 2 , Ar, and C 4 F 8 are used for patterning, and under the hard mask pattern 76A, corresponding to the ferroelectric capacitor C1, the lower electrode pattern 72A, the PZT pattern 73A, the upper part The structure in which the electrode pattern 74A and the TiAlN mask pattern 75A are stacked corresponds to the ferroelectric capacitor C2 below the hard mask pattern 76B, and the lower electrode pattern 72B, the PZT pattern 73B, the upper electrode pattern 74B, and the TiAlN mask. Structure with layered pattern 75B It is obtained. Here, the lower electrode pattern 72A, PZT pattern 73A, and upper electrode pattern 74A constitute a ferroelectric capacitor C1, and the lower electrode pattern 72B, PZT pattern 73B, and upper electrode pattern 74B constitute a ferroelectric capacitor C2.
次に図6Lの工程で前記ハードマスクパターン76A,76Bがドライエッチングまたはウェットエッチングにより除去され、図6Mの工程において前記強誘電体キャパシタC1,C2をマスクに、前記層間絶縁膜68上のTiN膜70およびその上のTiAlN膜71がドライエッチングにより除去される。 Next, the hard mask patterns 76A and 76B are removed by dry etching or wet etching in the step of FIG. 6L, and the TiN film on the interlayer insulating film 68 is masked using the ferroelectric capacitors C1 and C2 in the step of FIG. 6M. 70 and the TiAlN film 71 thereon are removed by dry etching.
さらに図6Nの工程で、前記図6Mの工程で露出した前記層間絶縁膜68上に、前記強誘電体キャパシタC1およびC2の側壁面および上面を連続して覆うように非常に薄い、膜厚が20nm以下のAl2O3膜が、水素バリア膜としてスパッタ法あるいはALD法により形成され、次いで図6Oの工程で、酸素雰囲気中、550〜750℃、例えば650℃で熱処理を行うことにより、前記強誘電体キャパシタC1,C2中のPZT膜73A,73Bにおいて、図6Kのドライエッチング工程などで生じたダメージを回復させる。 Further, in the process of FIG. 6N, the interlayer insulating film 68 exposed in the process of FIG. 6M is very thin and has a film thickness so as to continuously cover the side wall surface and the upper surface of the ferroelectric capacitors C1 and C2. An Al 2 O 3 film having a thickness of 20 nm or less is formed as a hydrogen barrier film by sputtering or ALD, and then heat treatment is performed at 550 to 750 ° C., for example, 650 ° C. in an oxygen atmosphere in the step of FIG. In the PZT films 73A and 73B in the ferroelectric capacitors C1 and C2, damage caused by the dry etching process of FIG. 6K is recovered.
さらに図6Pの工程において前記図6OのAl2O3膜上に次のAl2O3膜78がMOCVD法により例えば20nmの膜厚に、やはり水素バリア膜として形成され、さらにこのようにして形成されたAl2O3水素バリア膜77,78を覆うように、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜79が、TEOSと酸素とヘリウムの混合ガスを原料としたプラズマCVD法により1500nmの膜厚に形成される。図6Qの工程では、このようにして形成された層間絶縁膜79の表面をCMP法により平坦化した後、N2Oまたは窒素ガスを用いたプラズマ中で熱処理し、前記層間絶縁膜79中の水分を除去する。さらに図6Qの工程では、前記層間絶縁膜79上にAl2O3膜80が水素バリア膜として、スパッタまたはMOCVD法により20〜100nmの厚さに形成される。図6Qの工程では前記層間絶縁膜79は、CMP法による平坦化工程の結果、例えば700nmの膜厚を有する。 Further, in the step of FIG. 6P, the next Al 2 O 3 film 78 is formed as a hydrogen barrier film to a thickness of, for example, 20 nm by the MOCVD method on the Al 2 O 3 film of FIG. 6O. An interlayer insulating film 79 made of a silicon oxide film is formed to a thickness of 1500 nm by plasma CVD using a mixed gas of TEOS, oxygen and helium as a raw material so as to cover the Al 2 O 3 hydrogen barrier films 77 and 78 formed. Is done. In the step of FIG. 6Q, the surface of the interlayer insulating film 79 formed in this way is flattened by the CMP method, and then heat-treated in plasma using N 2 O or nitrogen gas. Remove moisture. 6Q, an Al 2 O 3 film 80 is formed as a hydrogen barrier film on the interlayer insulating film 79 to a thickness of 20 to 100 nm by sputtering or MOCVD. In the process of FIG. 6Q, the interlayer insulating film 79 has a film thickness of, for example, 700 nm as a result of the planarization process by the CMP method.
次に図6Rの工程において前記水素バリア膜80上には、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜81が、TEOS原料のプラズマCVD法により300〜500nmの膜厚に形成され、CMP法により平坦化された後、図6Sの工程において、前記層間絶縁膜81中に前記強誘電体キャパシタC1の上部電極74Aを露出するビアホール81Aおよび前記強誘電体キャパシタC2の上部電極74Cを露出するビアホール81Cが形成される。 Next, in the step of FIG. 6R, an interlayer insulating film 81 made of a silicon oxide film is formed on the hydrogen barrier film 80 to a thickness of 300 to 500 nm by a plasma CVD method using a TEOS material, and is flattened by a CMP method. 6S, a via hole 81A exposing the upper electrode 74A of the ferroelectric capacitor C1 and a via hole 81C exposing the upper electrode 74C of the ferroelectric capacitor C2 are formed in the interlayer insulating film 81. The
さらに図6Sの工程では、このようにして形成されたビアホール81Aおよび81Cを介して酸化雰囲気中で熱処理を行い、前記PZT膜73Aおよび73Cに、かかるビアホール形成工程に伴って生じた酸素欠損を補償する。 Further, in the step of FIG. 6S, heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere through the via holes 81A and 81C thus formed, and the PZT films 73A and 73C are compensated for oxygen vacancies caused by the via hole forming step. To do.
次いで前記ビアホール81A,81Cの底面および内壁面を、TiNの単層膜よりなるバリアメタル膜82a,82cによりそれぞれ覆い、さらに前記ビアホール81Aをタングステンプラグ82Aにより、また前記ビアホール81Cをタングステンプラグ82Cにより充填する。 Next, the bottom and inner wall surfaces of the via holes 81A and 81C are respectively covered with barrier metal films 82a and 82c made of a single layer film of TiN, the via hole 81A is filled with a tungsten plug 82A, and the via hole 81C is filled with a tungsten plug 82C. To do.
さらに前記タングステンプラグ82A,82Cの形成の後、前記層間絶縁膜81中に前記ビアプラグ67Bを露出するビアホール81Bを形成し、これをタングステンビアプラグ82Bで充填する。なお前記タングステンビアプラグ82Bは通常のように、Ti/TiN積層構造の密着膜82bを伴っている。 Further, after the formation of the tungsten plugs 82A and 82C, a via hole 81B exposing the via plug 67B is formed in the interlayer insulating film 81, and this is filled with the tungsten via plug 82B. The tungsten via plug 82B is accompanied by an adhesion film 82b having a Ti / TiN laminated structure as usual.
さらに図6Tの工程において、前記層間絶縁膜81上に、前記ビアプラグ82Aに対応してAlCu合金よりなる配線パターン83Aが、Ti/TiN積層構造の密着膜83a,83dに挟持された形で、前記ビアプラグ82Bに対応してAlCu合金よりなる配線パターン83Bが、Ti/TiN積層構造の密着膜83b,83eに挟持された形で、さらに前記ビアプラグ82Cに対応してAlCu合金よりなる配線パターン83Cが、Ti/TiN積層構造の密着膜83c,83fに挟持された形で、形成される。 Further, in the step of FIG. 6T, on the interlayer insulating film 81, a wiring pattern 83A made of an AlCu alloy corresponding to the via plug 82A is sandwiched between adhesion films 83a and 83d having a Ti / TiN laminated structure. A wiring pattern 83B made of an AlCu alloy corresponding to the via plug 82B is sandwiched between adhesion films 83b and 83e having a Ti / TiN laminated structure, and a wiring pattern 83C made of an AlCu alloy corresponding to the via plug 82C It is formed so as to be sandwiched between adhesion films 83c and 83f having a Ti / TiN laminated structure.
また前記図6Tの構造上に、必要に応じてさらなる配線層が形成される。 Further, a further wiring layer is formed on the structure of FIG. 6T as necessary.
このようにして形成された強誘電体メモリでは、前記強誘電体キャパシタC1,C3を構成するPZT膜73A,73C中において、一様な(111)配向の柱状PZT結晶より構成されるため、先に図5(A),(B)で説明したように優れた電気特性を有している。 Since the ferroelectric memory formed in this way is composed of uniform (111) -oriented columnar PZT crystals in the PZT films 73A and 73C constituting the ferroelectric capacitors C1 and C3, As shown in FIGS. 5A and 5B, it has excellent electrical characteristics.
図7中、曲線Aは、図6Tの強誘電体メモリにおける前記PZT膜73Aおよび73Cのスイッチング電荷量を、曲線Bは、図6(G)の結晶化工程と酸素欠損補償工程を同時に、650℃の温度で酸素100%雰囲気中において行った場合を、また曲線Cは、前記曲線Bと同様に図6(G)の結晶化工程と酸素欠損補償工程を同時に、650℃の温度で酸素100%雰囲気中において行い、さらに前記PZT膜を上部電極にPt膜を使った場合のスイッチング電荷量を示す。 In FIG. 7, the curve A shows the switching charge amount of the PZT films 73A and 73C in the ferroelectric memory of FIG. 6T, and the curve B shows the crystallization process and the oxygen deficiency compensation process of FIG. In the case of performing in a 100% oxygen atmosphere at a temperature of 0 ° C., and curve C is similar to the curve B, the crystallization step and the oxygen deficiency compensation step of FIG. The amount of switching charge is shown when the PZT film is used in the upper atmosphere and the PZ film is used as the upper electrode.
図7を参照するに、本実施形態による強誘電体メモリでは、他の方法B,Cに比べて最大のスイッチング電荷量が確保されるのみならず、印加電圧に対する立ち上がりが急峻で、強誘電体メモリは低電圧動作可能であることがわかる。 Referring to FIG. 7, in the ferroelectric memory according to the present embodiment, the maximum switching charge amount is ensured as compared with the other methods B and C, and the rise with respect to the applied voltage is steep, and the ferroelectric memory It can be seen that the memory can operate at a low voltage.
図7の結果は、本発明の方法により、前記強誘電体キャパシタC1,C3を構成するPZT膜73A,73Cが、一様な(111)配向の柱状PZT結晶より構成され、不規則な配向を有するPZT結晶粒の形成が抑制されていることを示している。
[第3の実施形態]
図8A〜図8Cは、本発明の第3の実施形態による強誘電体メモリの製造工程の一部を示す。
The results of FIG. 7 show that the PZT films 73A and 73C constituting the ferroelectric capacitors C1 and C3 are formed of uniform (111) -oriented columnar PZT crystals by the method of the present invention. This shows that the formation of PZT crystal grains is suppressed.
[Third Embodiment]
8A to 8C show a part of the manufacturing process of the ferroelectric memory according to the third embodiment of the present invention.
図8Aは、先の実施形態において図6Eに続く工程であり、前記下部電極層72上にPZT膜73Mが、MOCVD法により形成される。 FIG. 8A is a process subsequent to FIG. 6E in the previous embodiment, and a PZT film 73M is formed on the lower electrode layer 72 by MOCVD.
より具体的には、Pbの原料としてPb(DPM)2を、Zrの原料としてZr(dmhd)4を、Tiの原料としてTi(O−iOr)2(DPM)2を、いずれもTHF溶媒中に3モル%の濃度で溶解し、このようにして形成されたそれぞれの液体原料を、MOCVD装置の原料気化器に、流量が0.474ml/分のTHF溶媒とともに、それぞれ0.326ml/分,0.200ml/分、および0.200ml/分の流量で供給し、Pb,ZrおよびTiの原料ガスを形成する。 More specifically, Pb (DPM) 2 is used as a raw material for Pb, Zr (dmhd) 4 is used as a raw material for Zr, and Ti (O-iOr) 2 (DPM) 2 is used as a raw material for Ti, both in a THF solvent. Each liquid raw material thus formed was dissolved in a raw material vaporizer of the MOCVD apparatus together with a THF solvent at a flow rate of 0.474 ml / min, 0.326 ml / min, respectively. Supply is performed at a flow rate of 0.200 ml / min and 0.200 ml / min to form source gases of Pb, Zr and Ti.
さらにこのようにして形成された原料ガスを前記MOCVD装置中に導入し、PZT膜73Mを、前記下部電極層71上に665Paの圧力下、620℃の基板温度で例えば80nmの膜厚に形成する。 Further, the source gas thus formed is introduced into the MOCVD apparatus, and the PZT film 73M is formed on the lower electrode layer 71 at a substrate temperature of 620 ° C. under a pressure of 665 Pa, for example, with a film thickness of 80 nm. .
このようにして形成されたPZT膜73Mは、表面モフォロジが劣り、そのまま上部電極を形成すると界面特性が劣るのみならず、工程劣化も増大するため、本実施形態では、図8Bの工程において、前記PZT膜73M上にゾルゲル法により、先の図6Fと同様にしてPZT塗布膜を形成し、これを例えば240℃で熱処理して溶媒を除去することにより、アモルファス相あるいは微結晶状態のPZT膜73aを形成する。 The PZT film 73M formed in this way is inferior in surface morphology, and when the upper electrode is formed as it is, not only the interface characteristics are inferior, but also the process deterioration increases. Therefore, in this embodiment, in the process of FIG. A PZT coating film is formed on the PZT film 73M by the sol-gel method in the same manner as in FIG. 6F, and the PZT film 73a in an amorphous phase or a microcrystalline state is removed by heat-treating the film at, for example, 240 ° C. Form.
さらに図8Cの工程において、前記PZT膜73aを先の図6Gの工程と同様に、最初に550℃の結晶化熱処理工程で結晶化させ、次いでより高い650℃の酸化熱処理工程を行うことにより酸素欠損を補償し、PZT膜73を前記PZT膜73M上に形成する。ここで前記PZT膜73は塗布膜から形成されているため、優れた表面モフォロジを有している。 Further, in the step of FIG. 8C, the PZT film 73a is first crystallized in a crystallization heat treatment step at 550 ° C., and then a higher oxidation heat treatment step at 650 ° C. is performed as in the step of FIG. 6G. The defect is compensated, and a PZT film 73 is formed on the PZT film 73M. Here, since the PZT film 73 is formed from a coating film, it has an excellent surface morphology.
さらに図8Dの工程において前記PZT膜73上に上部電極74が形成され、さらに前記図6I以降の工程が、引き続きなされる。 Further, in the step of FIG. 8D, the upper electrode 74 is formed on the PZT film 73, and the steps after FIG. 6I are continued.
本発明により、MOCVD法で形成されたPZT膜の表面モフォロジを向上させ、半導体装置の歩留まりおよび信頼性を向上させることが可能となる。
[第4の実施形態]
図9は、本発明の第4の実施形態による強誘電体メモリの構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
According to the present invention, the surface morphology of a PZT film formed by the MOCVD method can be improved, and the yield and reliability of a semiconductor device can be improved.
[Fourth Embodiment]
FIG. 9 shows a configuration of a ferroelectric memory according to the fourth embodiment of the present invention. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
先に説明した図6A〜6Tの実施形態では、図6Bの工程において、前記ビアプラグ69A,69Cの形成を、前記ビアホール68a,68cをタングステン膜で充填した後、前記層間絶縁膜68上の余計なタングステン膜をCMP法で除去することにより形成しているが、このようなCMP法では、前記ビアプラグ69A,69Bの表面を完全に平坦にすることは困難で、前記ビアプラグ69A,69Cの上部には、一般に深さが20〜50nmに達する凹部が形成されてしまう。 In the embodiment of FIGS. 6A to 6T described above, in the step of FIG. 6B, the via plugs 69A and 69C are formed after the via holes 68a and 68c are filled with a tungsten film, and then an extra layer on the interlayer insulating film 68 is formed. It is formed by removing the tungsten film by the CMP method. However, it is difficult to completely flatten the surfaces of the via plugs 69A and 69B by such a CMP method. In general, a recess whose depth reaches 20 to 50 nm is formed.
このような凹部は、その上に形成される強誘電体キャパシタの結晶配向に大きな影響を与えるため、本実施形態では、前記図6Bの工程の後、図6Cの工程の前に、前記層間絶縁膜68上に(002)配向のTi膜を、かかる凹部を充填するように堆積し、窒化処理により(111)配向のTiN膜に変換した後、その表面をCMP法で平坦化することを行っている。 Such a recess greatly affects the crystal orientation of the ferroelectric capacitor formed thereon. Therefore, in the present embodiment, the interlayer insulation is performed after the step of FIG. 6B and before the step of FIG. 6C. A (002) -oriented Ti film is deposited on the film 68 so as to fill the recesses, and is converted into a (111) -oriented TiN film by nitriding, and then the surface is planarized by CMP. ing.
その結果、図9の強誘電体メモリでは、前記層間絶縁膜68と前記TiN膜70Aの間に、前記ビアプラグ69A上部の凹部を充填するように、(111)配向のTiN膜70aが介在し、また前記層間絶縁膜68と前記TiN膜70Cの間に、前記ビアプラグ69C上部の凹部を充填するように、(111)配向のTiN膜70cが介在している。なおこのようなTiN膜70a,70cは、図6Kのパターニング工程において、強誘電体キャパシタC1,C2を構成する他の膜と共にパターニングされる。 As a result, in the ferroelectric memory of FIG. 9, the (111) -oriented TiN film 70a is interposed between the interlayer insulating film 68 and the TiN film 70A so as to fill the recess above the via plug 69A. In addition, a (111) -oriented TiN film 70c is interposed between the interlayer insulating film 68 and the TiN film 70C so as to fill the recess above the via plug 69C. Such TiN films 70a and 70c are patterned together with other films constituting the ferroelectric capacitors C1 and C2 in the patterning step of FIG. 6K.
本発明によれば、かかる構成により、前記ビアプラグ69A,69Cの上部にCMP工程において凹部が形成されても、強誘電体膜73A,73Cの配向を(111)方向に確実に規制することが可能である。 According to the present invention, even if a recess is formed in the upper part of the via plugs 69A and 69C in the CMP process, the orientation of the ferroelectric films 73A and 73C can be reliably regulated in the (111) direction. It is.
図10は、図9の一変形例により強誘電体メモリの構成を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。 FIG. 10 shows a configuration of a ferroelectric memory according to a modification of FIG. However, in the figure, the same reference numerals are given to the parts described above, and the description will be omitted.
図10を参照するに、本実施形態では、前記TiN膜70a,70cをCMPにより平坦化する際に、前記層間絶縁膜68上の部分を除去しており、その結果、前記TiN膜70a,70cは、ビアホール68A,68C中にだけ残存している。 Referring to FIG. 10, in this embodiment, when the TiN films 70a and 70c are planarized by CMP, the portions on the interlayer insulating film 68 are removed. As a result, the TiN films 70a and 70c are removed. Remains only in the via holes 68A and 68C.
その他は図9と同様であり、説明を省略する。
[第5の実施形態]
図11は、本発明の第5の実施形態による強誘電体メモリの構成を示す。
Others are the same as those in FIG.
[Fifth Embodiment]
FIG. 11 shows the configuration of a ferroelectric memory according to the fifth embodiment of the present invention.
図11を参照するに、本実施形態では前記図6Pの工程の後、図6Qの工程で層間絶縁膜79を形成した後、直ちに前記層間絶縁膜79中に、前記ビアプラグ67Bを露出するビアホールを形成し、これをタングステンで充填して前記ビアプラグ82Bを形成する。 Referring to FIG. 11, in this embodiment, after forming the interlayer insulating film 79 in the process of FIG. 6Q after the process of FIG. 6P, a via hole exposing the via plug 67B is immediately formed in the interlayer insulating film 79. The via plug 82B is formed by filling it with tungsten.
さらに前記ビアプラグ82Bが形成された後、前記層間絶縁膜79上にSiON膜などの酸素バリア膜を形成し、この状態で前記層間絶縁膜79中に、前記強誘電体キャパシタC1の上部電極74Aと前記強誘電体キャパシタC2の上部電極74Cを露出するコンタクトホールを形成する。 Further, after the via plug 82B is formed, an oxygen barrier film such as a SiON film is formed on the interlayer insulating film 79. In this state, the upper electrode 74A of the ferroelectric capacitor C1 and the upper electrode 74A of the ferroelectric capacitor C1 are formed in the interlayer insulating film 79. A contact hole exposing the upper electrode 74C of the ferroelectric capacitor C2 is formed.
さらに前記コンタクトホールを介して前記強誘電体キャパシタC1中のPZT膜73Aおよび強誘電体キャパシタC2中のPZT膜73Cを酸素雰囲気中で熱処理し、酸素欠損を補償した後、前記酸素バリア膜を除去し、前記層間絶縁膜79上に、電極パターン83A,83B,83Cを、それぞれ前記強誘電体キャパシタC1の上部電極74A、ビアプラグ82B,および前記強誘電体キャパシタC2の上部電極74Cに対応して形成する。 Further, the PZT film 73A in the ferroelectric capacitor C1 and the PZT film 73C in the ferroelectric capacitor C2 are heat-treated in an oxygen atmosphere through the contact holes to compensate for oxygen vacancies, and then the oxygen barrier film is removed. On the interlayer insulating film 79, electrode patterns 83A, 83B, 83C are formed corresponding to the upper electrode 74A, the via plug 82B of the ferroelectric capacitor C1, and the upper electrode 74C of the ferroelectric capacitor C2, respectively. To do.
かかる構成においても、前記PZT膜73A,73Bが、(111)配向した柱状のPZT膜で形成され、しかも不規則な配向のPZT粒子の形成が抑制されるため、強誘電体キャパシタC1,C2は、先に図7で説明したのと同様な優れた電気特性を示す。
[第6の実施形態]
以上の各実施形態では、強誘電体キャパシタをメモリセルトランジスタ直上に形成した、いわゆるスタック構造の強誘電体メモリであったが、本発明は図9に示すように、いわゆるプレーナ型構造の強誘電体メモリの製造においても同様に有効である。
Even in such a configuration, the PZT films 73A and 73B are formed of (111) -oriented columnar PZT films, and the formation of irregularly oriented PZT particles is suppressed. The same excellent electrical characteristics as described above with reference to FIG.
[Sixth Embodiment]
In each of the above embodiments, a ferroelectric memory having a so-called stack structure in which a ferroelectric capacitor is formed immediately above a memory cell transistor is used. However, as shown in FIG. This is also effective in the production of a body memory.
図9を参照するに、シリコン基板101中には素子分離領域101Iにより、例えばn型の素子領域101Aが画成されており、前記シリコン基板101上には前記素子領域101Aにおいてp型のポリシリコンゲート電極103が、ゲート絶縁膜102を介して形成されている。 Referring to FIG. 9, in the silicon substrate 101, for example, an n-type element region 101A is defined by an element isolation region 101I. On the silicon substrate 101, p-type polysilicon is formed in the element region 101A. A gate electrode 103 is formed with a gate insulating film 102 interposed therebetween.
前記シリコン基板101中には、前記素子領域101A中、前記ゲート電極103の第1の側にp-型の第1の拡散領域101aが形成され、第2の側には同じp-型の第2の拡散領域101bが形成されている。さらに
前記ゲート電極103には側壁絶縁膜が形成され、前記シリコン基板101中、前記側壁絶縁膜の外側には、前記拡散領域101a、101bにそれぞれ対応してp+型の拡散領域101c,10dが形成されている。
In the silicon substrate 101, a p − type first diffusion region 101a is formed on the first side of the gate electrode 103 in the element region 101A, and the same p − type first region is formed on the second side. Two diffusion regions 101b are formed. Further, a sidewall insulating film is formed on the gate electrode 103, and p + type diffusion regions 101c and 10d are formed in the silicon substrate 101 on the outside of the sidewall insulating film corresponding to the diffusion regions 101a and 101b, respectively. Has been.
さらに前記シリコン基板101上には前記ゲート電極104を覆うようにSiON膜105が形成されており、前記SiON膜105上には層間絶縁膜106が形成されている。 Further, a SiON film 105 is formed on the silicon substrate 101 so as to cover the gate electrode 104, and an interlayer insulating film 106 is formed on the SiON film 105.
さらに前記層間絶縁膜106は酸素バリア膜を構成する別のSiON膜107により覆われており、前記SiON膜107上には前記素子分離構造101I上に、下部電極108と強誘電体膜109と上部電極110を積層した強誘電体キャパシタCが形成されている。 Further, the interlayer insulating film 106 is covered with another SiON film 107 constituting an oxygen barrier film. On the SiON film 107, the lower electrode 108, the ferroelectric film 109, and the upper part are formed on the element isolation structure 101I. A ferroelectric capacitor C in which the electrodes 110 are stacked is formed.
ここで前記下部電極108は、先に説明した下部電極層72と同様にスパッタ法により形成され、強誘電体膜109は前記強誘電体膜73と同様にゾルゲル法により形成される。また前記上部電極は、先に説明した上部電極層74と同様にスパッタ法により形成される。 Here, the lower electrode 108 is formed by the sputtering method in the same manner as the lower electrode layer 72 described above, and the ferroelectric film 109 is formed by the sol-gel method similarly to the ferroelectric film 73. The upper electrode is formed by a sputtering method in the same manner as the upper electrode layer 74 described above.
前記強誘電体キャパシタは、Al2O3膜よりなる水素バリア膜111により覆われ、さらにその上に、前記SiON膜107を覆うように形成された別のAl2O3膜112が、やはり水素バリア膜111として形成されている。 The ferroelectric capacitor is covered by the hydrogen barrier film 111 made of Al 2 O 3 film, further thereon, the SiON film 107 Another of the Al 2 O 3 film 112 formed to cover the can, also hydrogen The barrier film 111 is formed.
さらに前記水素バリア膜112上には層間絶縁膜113が、前記強誘電体キャパシタCを覆うように形成され、前記層間絶縁膜113中には、前記上部電極110および下部電極108を露出するビアホール113A,113Bがそれぞれ形成されており、かかるビアホール113A,113Bを介して前記強誘電体膜109の酸素欠損補償を行った後、ビアプラグ114A,114Bを前記ビアホール113A,113B中にそれぞれ形成する。 Further, an interlayer insulating film 113 is formed on the hydrogen barrier film 112 so as to cover the ferroelectric capacitor C. In the interlayer insulating film 113, a via hole 113A exposing the upper electrode 110 and the lower electrode 108 is formed. 113B are formed, and after the oxygen deficiency compensation of the ferroelectric film 109 is performed through the via holes 113A and 113B, via plugs 114A and 114B are formed in the via holes 113A and 113B, respectively.
さらに前記ビアプラグ114A,114Bの形成の後、前記拡散領域101cを露出するビアホール113C中に、タングステンビアプラグ114Cが形成される。 Further, after the formation of the via plugs 114A and 114B, a tungsten via plug 114C is formed in the via hole 113C exposing the diffusion region 101c.
かかる構成においても、ゾルゲル法で形成された強誘電体膜109が最初に結晶化温度に近い温度で熱処理され、その後酸化雰囲気中、より高い温度で熱処理されるため、前記強誘電体膜109は(111)配向した柱状結晶より構成され、先に図2で説明したような問題が回避される。 Even in such a configuration, the ferroelectric film 109 formed by the sol-gel method is first heat-treated at a temperature close to the crystallization temperature and then heat-treated at a higher temperature in an oxidizing atmosphere. It is composed of (111) -oriented columnar crystals, and the problem described above with reference to FIG. 2 is avoided.
以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された要旨内において様々な変形・変更が可能である。 As mentioned above, although this invention was described about preferable embodiment, this invention is not limited to this specific embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the summary described in the claim.
(付記1) 強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法であって、
下部電極層上にペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極上において非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を形成する成膜工程と、
前記非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、
前記結晶化した強誘電体膜を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 1) A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
Applying a sol-gel solution obtained by dissolving a perovskite ferroelectric material in a solvent on the lower electrode layer to form a coating film of the ferroelectric material;
A film forming step of removing the solvent from the coating film and forming a ferroelectric film made of an amorphous state or a microcrystal on the lower electrode;
The ferroelectric film made of the amorphous state or microcrystal is heat-treated at a first temperature in the vicinity of the crystallization temperature of the ferroelectric material, and is crystallized in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer. Heat treatment process of
A second heat treatment step of heat-treating the crystallized ferroelectric film at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized ferroelectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
(付記2)
前記第1の温度は、前記非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜の結晶化が、前記下部電極との界面からのみ生じるように選択されることを特徴とする付記1記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 2)
The semiconductor according to claim 1, wherein the first temperature is selected such that crystallization of the ferroelectric film made of the amorphous state or microcrystals occurs only from the interface with the lower electrode. Device manufacturing method.
(付記3)
前記第2の温度は、前記第1の温度よりも50℃以上高いことを特徴とする付記1または2記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 3)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the second temperature is higher by 50 ° C. than the first temperature.
(付記4)
前記第1の熱処理工程は常圧下での急速熱処理により実行され、前記第1の温度は、前記強誘電体膜の結晶化温度に対し50℃を超えて高くなることがなく、また前記結晶化温度に対して15℃を超えて低くなることがない温度範囲に設定されることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 4)
The first heat treatment step is performed by a rapid heat treatment under normal pressure, and the first temperature does not exceed 50 ° C. with respect to the crystallization temperature of the ferroelectric film, and the crystallization 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the temperature is set in a temperature range in which the temperature does not exceed 15 [deg.] C. and does not decrease.
(付記5)
前記第1の熱処理工程は、減圧下での急速熱処理により実行され、前記第1の温度は、前記強誘電体膜の結晶化温度に対し40℃を超えて高くなることがなく、また前記結晶化温度に対して25℃を超えて低くなることがない温度範囲に設定されることを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 5)
The first heat treatment step is performed by rapid heat treatment under reduced pressure, and the first temperature does not exceed 40 ° C. with respect to the crystallization temperature of the ferroelectric film, and the crystal 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the temperature is set in a temperature range in which the temperature does not become lower than 25 ° C. with respect to the annealing temperature.
(付記6)
前記第1の温度は、480〜700℃の温度範囲に設定されることを特徴とする付記3記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 6)
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 3, wherein the first temperature is set in a temperature range of 480 to 700 ° C.
(付記7)
前記第2の温度は、650℃以上であることを特徴とする付記6記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 7)
The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 6, wherein the second temperature is 650 ° C. or higher.
(付記8)
前記強誘電体膜はPZT膜であり、前記第1の熱処理は、200〜550℃の温度範囲で実行され、前記第2の熱処理は、480〜700℃の温度範囲で実行されることを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 8)
The ferroelectric film is a PZT film, and the first heat treatment is performed in a temperature range of 200 to 550 ° C., and the second heat treatment is performed in a temperature range of 480 to 700 ° C. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of appendices 1-7.
(付記9)
前記下部電極層は、その表面において(111)配向を有し、前記強誘電体膜は、(111)配向の柱状結晶粒より構成されることを特徴とする付記1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
Any one of Supplementary notes 1 to 5, wherein the lower electrode layer has (111) orientation on a surface thereof, and the ferroelectric film is composed of columnar crystal grains having (111) orientation. A method for manufacturing a semiconductor device according to one item.
(付記10)
強誘電体膜を含む半導体装置の製造方法であって、
下部電極層上に、ペロブスカイト型強誘電体材料よりなる第1の強誘電体膜をMOCVD法により形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜上に、ペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極上において非晶質状態または微結晶よりなる第2の強誘電体膜を形成する成膜工程と、
前記非晶質状態または微結晶よりなる第2の強誘電体膜を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、
前記結晶化した第2の強誘電体膜を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した第2の強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
Forming a first ferroelectric film made of a perovskite ferroelectric material on the lower electrode layer by MOCVD;
Applying a sol-gel solution obtained by dissolving a perovskite ferroelectric material in a solvent on the first ferroelectric film to form a coating film of the ferroelectric material;
A film forming step of removing the solvent from the coating film and forming a second ferroelectric film made of an amorphous state or a microcrystal on the lower electrode;
The second ferroelectric film made of the amorphous state or microcrystal is heat-treated at a first temperature near the crystallization temperature of the ferroelectric material, and crystallized in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer. A first heat treatment step,
The crystallized second ferroelectric film is heat-treated at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized second ferroelectric film. And a second heat treatment step. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
41 絶縁層
42,70,70A,70C Ti膜
43,71,71A,71C75 TiAlN膜
44,72,72A,72C,108 下部電極
45a PZT塗布膜
45A,73a アモルファスPZT膜
45B,73,73A,73C,109 結晶化PZT膜
46,74,74A,74C.110 上部電極
61,101 基板
61A,101A 素子領域
61I,101I 素子分離構造
61a〜61f,101a〜101d 拡散領域
62A,62B,102 ゲート絶縁膜
63A,63B,103 ゲート電極
64A,64B,104 ゲートシリサイド層
65,67,107 SiON膜
66,68,79,81,106,113 層間絶縁膜
66A,66B,66C,68A,68C,81A,81B,81C ビアホール
67A〜67C,69A,69C,82A〜82C,114A〜114C ビアプラグ
67a,67b,67c,69a,69c,82a,82b,82c 密着膜
76 ハードマスク膜
76A,76B ハードマスクパターン
77,78,80,111,112 Al2O3水素バリア膜
83A,83B,83C 配線パタ―ン
41 Insulating layer 42, 70, 70A, 70C Ti film 43, 71, 71A, 71C75 TiAlN film 44, 72, 72A, 72C, 108 Lower electrode 45a PZT coating film 45A, 73a Amorphous PZT film 45B, 73, 73A, 73C, 109 Crystallized PZT film 46, 74, 74A, 74C. 110 Upper electrode 61, 101 Substrate 61A, 101A Element region 61I, 101I Element isolation structure 61a-61f, 101a-101d Diffusion region 62A, 62B, 102 Gate insulating film 63A, 63B, 103 Gate electrode 64A, 64B, 104 Gate silicide layer 65, 67, 107 SiON film 66, 68, 79, 81, 106, 113 Interlayer insulating film 66A, 66B, 66C, 68A, 68C, 81A, 81B, 81C Via hole 67A-67C, 69A, 69C, 82A-82C, 114A -114C Via plug 67a, 67b, 67c, 69a, 69c, 82a, 82b, 82c Adhesion film 76 Hard mask film 76A, 76B Hard mask pattern 77, 78, 80, 111, 112 Al 2 O 3 hydrogen barrier film 83A, 83B, 8 3C wiring pattern
Claims (5)
下部電極層上に、ペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極上において非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を形成する成膜工程と、
前記非晶質状態または微結晶よりなる強誘電体膜を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、
前記結晶化した強誘電体膜を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
Applying a sol-gel solution obtained by dissolving a perovskite ferroelectric material in a solvent on the lower electrode layer to form a coating film of the ferroelectric material;
A film forming step of removing the solvent from the coating film and forming a ferroelectric film made of an amorphous state or a microcrystal on the lower electrode;
The ferroelectric film made of the amorphous state or microcrystal is heat-treated at a first temperature in the vicinity of the crystallization temperature of the ferroelectric material, and is crystallized in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer. Heat treatment process of
A second heat treatment step of heat-treating the crystallized ferroelectric film at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized ferroelectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
下部電極層上に、ペロブスカイト型強誘電体材料よりなる第1の強誘電体膜をMOCVD法により形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜上に、ペロブスカイト型強誘電体材料を溶媒中に溶解したゾルゲル溶液を塗布し、前記強誘電体材料の塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜から前記溶媒を除去し、前記下部電極上において非晶質状態または微結晶よりなる第2の強誘電体膜を形成する成膜工程と、
前記非晶質状態または微結晶よりなる第2の強誘電体膜を、前記強誘電体材料の結晶化温度近傍の第1の温度で熱処理し、前記下部電極層の結晶配向に合わせて結晶化する第1の熱処理工程と、
前記結晶化した第2の強誘電体膜を、酸化雰囲気中、前記第1の温度よりも高い第2の温度で熱処理し、前記結晶化した第2の強誘電体膜中の酸素欠損を補償する第2の熱処理工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device including a ferroelectric film,
Forming a first ferroelectric film made of a perovskite ferroelectric material on the lower electrode layer by MOCVD;
Applying a sol-gel solution obtained by dissolving a perovskite ferroelectric material in a solvent on the first ferroelectric film to form a coating film of the ferroelectric material;
A film forming step of removing the solvent from the coating film and forming a second ferroelectric film made of an amorphous state or a microcrystal on the lower electrode;
The second ferroelectric film made of the amorphous state or microcrystal is heat-treated at a first temperature near the crystallization temperature of the ferroelectric material, and crystallized in accordance with the crystal orientation of the lower electrode layer. A first heat treatment step,
The crystallized second ferroelectric film is heat-treated at a second temperature higher than the first temperature in an oxidizing atmosphere to compensate for oxygen vacancies in the crystallized second ferroelectric film. And a second heat treatment step. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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