JP4409163B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4409163B2 JP4409163B2 JP2002326320A JP2002326320A JP4409163B2 JP 4409163 B2 JP4409163 B2 JP 4409163B2 JP 2002326320 A JP2002326320 A JP 2002326320A JP 2002326320 A JP2002326320 A JP 2002326320A JP 4409163 B2 JP4409163 B2 JP 4409163B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- layer
- insulating film
- capacitor
- lower electrode
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 69
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 67
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 62
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 20
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 319
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 134
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 51
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 43
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 43
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 35
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 26
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 21
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 19
- 230000015654 memory Effects 0.000 description 19
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 18
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 17
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 17
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 16
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 14
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 13
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 13
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 12
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 11
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 10
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 9
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000005268 plasma chemical vapour deposition Methods 0.000 description 8
- 208000005156 Dehydration Diseases 0.000 description 7
- BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N Tetraethyl orthosilicate Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)OCC BOTDANWDWHJENH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000013039 cover film Substances 0.000 description 7
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 7
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 7
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 6
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 6
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 6
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 4
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 4
- 230000003078 antioxidant effect Effects 0.000 description 4
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 4
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 4
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 4
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 3
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 3
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 3
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 3
- 229910002673 PdOx Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910002842 PtOx Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910019897 RuOx Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- VRIVJOXICYMTAG-IYEMJOQQSA-L iron(ii) gluconate Chemical compound [Fe+2].OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O.OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)C([O-])=O VRIVJOXICYMTAG-IYEMJOQQSA-L 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003077 Ti−O Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 description 1
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N strontium oxide Inorganic materials [O-2].[Sr+2] IATRAKWUXMZMIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ANIPLPVHLCEBLF-UHFFFAOYSA-N strontium oxygen(2-) ruthenium(3+) Chemical compound [Ru+3].[O-2].[Sr+2] ANIPLPVHLCEBLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- NXHILIPIEUBEPD-UHFFFAOYSA-H tungsten hexafluoride Chemical compound F[W](F)(F)(F)(F)F NXHILIPIEUBEPD-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 238000001039 wet etching Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に関し、より詳細には、強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電源を切っても情報を記憶することができる不揮発性メモリとして、フラッシュメモリや強誘電体メモリ(FeRAM)が知られている。
【0003】
このうち、フラッシュメモリは、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(IGFET)のフローティングゲートに電荷を蓄積することで情報を記憶するものであり、情報の書き込みの際には、ゲート絶縁膜にトンネル電流を流す必要があり、比較的高い電圧を必要とする。
【0004】
一方、FeRAMは強誘電体キャパシタを備え、そのキャパシタ誘電体膜として強誘電体膜を使用し、上部電極と下部電極との間に書き込み電圧を印加することでキャパシタ誘電体膜に自発分極を生じさせる。その自発分極は、強誘電体のヒステリシス特性により電源を切っても残存し、その大きさと極性を検出することで情報が読み出される。このようなFeRAMは、フラッシュメモリに比べて低電圧で動作し、また、省電力で高速の書き込みができる。
【0005】
強誘電体キャパシタの特性は、キャパシタ誘電体膜の結晶性に大きく依存し、その結晶性が良いほど特性が向上する。そこで、下部電極の最上層としては、配向が一方向に揃って配向性が高くされたPt膜を採用し、そのPt膜の作用により、キャパシタ誘電体膜の結晶性を高くする。ペロプスカイト構造を有するキャパシタ誘電体膜の分極方向は(001)方向なので、その配向も(001)方向に揃うのが好ましい。しかし、実際にはそのようなキャパシタ誘電体膜を形成するのは困難であるため、(111)方向に配向が揃ったPt膜を形成し、その上のキャパシタ誘電体膜も(111)方向に配向が揃うようにする。
【0006】
但し、Pt膜は絶縁膜上に形成すると剥がれやすいので、その剥がれを防止するため、Pt膜の下にはTi膜が形成される。このTi膜は、剥がれ防止の他に、Pt膜の配向を揃える機能も有する。
【0007】
よって、下部電極はTi膜とPt膜との二層構造を有することになるが、このような下部電極の形成方法や、形成後の処理としては以下のものがある。
【0008】
第1の方法は、Ti膜を成膜した後に連続してPt膜を形成する方法であって、これによれば下地のSiO2膜との密着性が良好になると共に、下部電極の抵抗増加を抑えることができる(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
第2の方法は、Ti膜とPt膜を連続して成膜して下部電極を形成した後、強誘電体膜を形成する前に、下部電極に対して急速熱処理を行う方法である(例えば、特許文献2参照)。この方法によれば、下部電極の配向が(111)方向に揃うので、その上の強誘電体膜の配向も高まり、キャパシタの自発分極が高められる。
【0010】
第3の方法は、Ti膜とPt膜よりなる下部電極を形成し、その上に強誘電体膜としてPZT膜を形成した後、PZT膜に対して熱処理を行う方法うである(例えば、特許文献3参照)。この方法によると、PZT膜とPt膜との界面にPb-Pt-Ti-O反応層が形成され、劣化の少ないキャパシタを提供することが可能となる。
【0011】
【特許文献1】
特開平9−223779号公報(段落番号0062)
【特許文献2】
特開2000−91511号公報(段落番号0032)
【特許文献3】
特開2000−40779号公報(段落番号0019)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強誘電体キャパシタの特性を表す指標には種々あるが、その中でも特に重要なものに残留分極量Qswがある。残留分極量Qswとは、電源を切ったときにキャパシタ誘電体膜に残存ししている分極量であって、この値が大きいほど「0」と「1」との分別が容易となる。
【0013】
しかしながら、上記した第1〜第3の方法は残留分極量Qswについて考慮していないため、残留分極量Qswを大きくする点と、該残留分極量Qswのウエハ面内における分布のばらつきを小さくする点において改善の余地がある。
【0014】
本発明は、係る従来例の問題点に鑑みて創作されたものであり、従来よりも残留分極量を大きくすることができ、且つ、残留分極量のウエハ面内における分布のばらつきを小さくすることができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、下部電極用導電膜の下側層として、Tiよりなる層を前記絶縁膜上に形成する工程と、前記半導体基板の温度を0℃〜100℃としつつ前記下側層を大気に曝す工程と、前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層として、Ptよりなる層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決する。
【0017】
次に、本発明の作用について説明する。
【0018】
本発明によれば、下部電極用導電膜の下側層を大気に曝した後、該下側層上に下部電極用導電膜の上側層を形成する。このような方法を採用することにより、FeRAMに必要な強誘電体膜の配向の強さを確保しながら、従来よりも残留分極量Qswの大きさが大きくなり、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきが従来よりも小さくなる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失が従来よりも向上される。しかも、このような利点は、上側層の成膜温度に依存しない。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0020】
図1〜図23は本発明の一実施形態の半導体装置の製造方法を工程順に示す断面図であり、図24は、図7に対応する平面図である。
【0021】
まず、図1に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。
【0022】
図1に示すように、n型又はp型のシリコン(半導体)基板1表面に、素子分離絶縁膜2をLOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により形成する。素子分離絶縁膜2としてはLOCOS法の他、STI(Shallow Trench Isolation)法を採用してもよい。
【0023】
そのような素子分離絶縁膜2を形成した後に、シリコン基板1のメモリセル領域Aと周辺回路領域Bにおける所定の活性領域(トランジスタ形成領域)にp型不純物及びn型不純物を選択的に導入して、pウェル3a及びnウェル3bを形成する。なお、図1には示していないが、周辺回路領域BではCMOSを形成するためにpウェル(不図示)も形成される。
【0024】
その後、シリコン基板1の活性領域表面を熱酸化して、ゲート絶縁膜4としてシリコン酸化膜を形成する。
【0025】
次に、シリコン基板1の上側全面に非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、pウェル3a上ではn型不純物、n型ウェル3b上ではp型不純物をシリコン膜内にイオン注入してシリコン膜を低抵抗化する。その後に、シリコン膜をフォトリソグラフィ法により所定の形状にパターニングして、ゲート電極5a〜5cを形成する。
【0026】
メモリセル領域Aにおける1つのpウェル3a上には2つのゲート電極5a,5bがほぼ平行に配置され、それらのゲート電極5a,5bはワード線WLの一部を構成している。
【0027】
次に、メモリセル領域Aにおいて、ゲート電極5a,5bの両側のpウェル3a内にn型不純物をイオン注入して、nチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるn型不純物拡散領域6aを形成する。これと同時に、周辺回路領域Bのpウェル(不図示)にもn型不純物拡散領域を形成する。続いて、周辺回路領域Bにおいて、ゲート電極5cの両側のnウェル3bにp型不純物をイオン注入して、pチャネルMOSトランジスタのソース/ドレインとなるp型不純物拡散領域6bを形成する。
【0028】
続いて、シリコン基板1の全面に絶縁膜を形成した後、その絶縁膜をエッチバックしてゲート電極5a〜5cの両側部分にのみ側壁絶縁膜7として残す。その絶縁膜として、例えばCVD法により酸化シリコン(SiO2)を形成する。
【0029】
さらに、ゲート電極5a〜5cと側壁絶縁膜7をマスクに使用して、pウェル3a内に再びn型不純物イオンを注入することによりn型不拡散領域6aをLDD構造にし、さらに、nウェル3b内に再びp型不純物イオンを注入することによりp型不純物拡散領域6bもLDD構造とする。
【0030】
なお、n型不純物とp型不純物の打ち分けは、レジストパターンを使用して行われる。
【0031】
以上のように、メモリセル領域Aでは、pウェル3aとゲート電極5a,5bとその両側のn型不純物拡散領域6a等によってn型MOSFETが構成され、また、周辺回路領域Bでは、nウェル3bとゲート電極5cとその両側のp型不純物拡散領域6b等によってp型MOSFETが構成される。
【0032】
次に、全面に高融点金属膜、例えば、Ti、Coの膜を形成した後に、この高融点金属膜を加熱してn型不純物拡散領域6a,p型不純物拡散領域6bの表面にそれぞれ高融点金属シリサイド層8a,8bを形成する。その後、ウエットエッチングにより未反応の高融点金属膜を除去する。
【0033】
次に、プラズマCVD法により、シリコン基板1の全面にカバー膜9として酸窒化シリコン(SiON)膜を約200nmの厚さに形成する。さらに、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、第1の層間絶縁膜10として二酸化シリコン(SiO2)をカバー膜9上に約1.0μmの厚さに成長する。
【0034】
続いて、第1の層間絶縁膜10を化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により研磨してその表面を平坦化する。
【0035】
次に、図2に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0036】
まず、成膜温度と成膜時間をそれぞれ20℃、14秒に設定し、DCスパッタ法により、下部電極用導電膜の下側層11aとしてTi層を第1の層間絶縁膜10上に約20nmの厚さに形成する。下側層11aの成膜温度は20℃に限定されず、0℃〜300℃の温度であってよい。更に、下側層11aとしては、Ti層の他に、Ti、Pt-Ti合金、Ir-Ti合金、及びRu-Ti合金のいずれかよりなる層を形成してよい。
【0037】
その後、下側層11aを形成するのに使用したチャンバからシリコン基板1を取り出し、下側層11aを室温(約24℃)で約2時間大気に曝し、その表面を自然酸化、又は吸湿させる。その結果、下側層11aの表面にはTiの薄い自然酸化膜が形成されることになる。なお、大気に曝す時間は上記に限定されず、5分から7日間であってよい。また、その際のシリコン基板1の温度も上記に限定されず、0℃〜100℃であってよい。このように大気に曝すことで得られる効果については、後で詳述する。
【0038】
次に、図3に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
【0039】
まず、成膜温度と成膜時間とをそれぞれ100℃、112秒に設定し、DCスパッタ法により、下部電極用導電膜の上側層11bとしてPt層を下側層11a上に約175nmの厚さに形成する。その結果、下側層11aと上側層11bとで構成される下部電極用導電膜11が形成されたことになる。このように、Ti層(下側層11a)の上にPt層(上側層11b)を形成することで、Ti層の作用によってPt層の配向が(111)方向に揃い、後で形成されるPZT膜の配向を(111)方向に揃えることができる。更に、下側層11aは、下部電極用導電膜11と第1の層間絶縁膜10との密着強度を高める役割をも果たす。
【0040】
なお、上側層11bとしては、Pt層の他、Pt、Ir、Ru、Pd、PtOx、IrOx、RuOx、及びPdOxのいずれかを含む単層又は複数層構造のものを形成してよい。
【0041】
次に、図4に示す構造を形成するまでの工程について説明する。
【0042】
まず、スパッタ法により、PLZT(lead lanthanum zirconate titanate; (Pb,La)(Zr,Ti)O3)を下部電極用導電膜11の上に100〜300nmの厚さ、例えば240nmに形成し、これを強誘電体膜12として使用する。なお、場合によっては、PLZTにカルシウム(Ca)やストロンチウム(Sr)を微量にドープしてもよい。また、PLZTに代えて、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)、(Sr,Ti)O3、(Ba,Sr)TiO3等の材料や、Bi4Ti2O12等のBi層状構造化合物で強誘電体膜12を構成してもよい。更に、強誘電体膜12の形成方法としては、上記したスパッタ法の他にスピンオン法、ゾル−ゲル法、MOD(Metal Organic Deposition)法、MOCVD法がある。
【0043】
続いて、アルゴンと酸素との混合ガス雰囲気中にシリコン基板1を置き、600℃以上の温度、例えば725℃で20秒間、昇温速度125℃/secの条件で、強誘電体膜12を構成するPLZT膜をRTA(Rapid Thermal Annealing)処理することにより、PLZT膜の結晶化処理を行う。そのような結晶化処理によれば、上側層11bを構成するPtが緻密化し、下部電極用導電膜11と強誘電体膜12との境界面近傍におけるPtとOとの相互拡散を抑制することもできる。
【0044】
そのような強誘電体膜12を形成した後に、その上に上部電極用導電膜13として酸化イリジウム(IrO2)膜をスパッタリング法により100〜300nmの厚さ、例えば200nmの厚さに形成する。なお、上部電極用導電膜13として、プラチナ膜又は酸化ルテニウムストロンチウム(SRO)膜をスパッタ法により形成してもよい。
【0045】
次に、図5に示す構造を得るまでの工程を説明する。
【0046】
まず、上部電極形状のレジストパターン(不図示)を上部電極用導電膜13上に形成した後に、そのレジストパターンをマスクに使用して上部電極用導電膜13をエッチングし、これにより残った上部電極用導電膜13をキャパシタの上部電極13aとして使用する。
【0047】
そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間の条件で、強誘電体膜12を酸素雰囲気中でアニールする。このアニールは、スパッタリング及びエッチングの際に強誘電体膜12に入ったダメージを回復させるために行われる。
【0048】
続いて、メモリセル領域Aにおいて、キャパシタ上部電極13a及びその周辺にレジストパターン(不図示)を形成した状態で強誘電体膜12をエッチングし、これにより残った強誘電体膜12をキャパシタの誘電体膜12aとして使用する。そして、そのレジストパターンを除去した後に、温度650℃、60分間で強誘電体膜12を酸素雰囲気中でアニールする。このアニールは、その下の膜に吸収された水分等を脱ガスするために行われる。
【0049】
次に、図6に示すように、上部電極13a、誘電体膜12a及び下部電極用導電膜11の上に、エンキャップ層14としてPLZT膜をスパッタリング法により50nmの厚さに常温下で形成する。このエンキャップ層14は、還元され易い誘電体膜12aを水素から保護して、水素がその内部に入ることをブロックするために形成される。なお、エンキャップ層14として、PZT膜、アルミナ膜、又は酸化チタン膜を形成してもよい。
【0050】
その後に、酸素雰囲気中で、700℃、60秒間、昇温速度125℃/secの条件で、エンキャップ層14の下の強誘電体膜12を急速熱処理してその膜質を改善する。
【0051】
次に、エンキャップ層14の上にレジストを塗布し、これを露光、現像して上部電極13a及び誘電体膜12aの上とその周辺に残す。そして、レジストをマスクに使用して、エンキャップ層14、下部電極用導電膜11をエッチングし、これにより残った下部電極用導電膜11をキャパシタの下部電極11c(図7参照)として使用する。エンキャップ層14、下部電極用導電膜11のエッチングは、塩素を用いたドライエッチングにより行われる。
【0052】
そのレジストパターンを除去した後に、酸素雰囲気中で温度650℃、60分間の条件で、強誘電体膜12をアニールしてダメージから回復させる。
【0053】
これにより、図7に示すように、第1の層間絶縁膜10の上には、下部電極11c、誘電体膜12a、上部電極13aからなるキャパシタQが形成されることになる。
【0054】
メモリセル領域Aにおける絶縁膜を除いた平面構成を示すと図24のようになり、矩形状の1つの誘電体膜12aの上には複数の上部電極13aが形成され、また、誘電体膜12aの下の下部電極11cは誘電体膜12aの側方に延在する大きさとなっている。なお、図24には、後述するコンタクトホール、ビット線等も描かれている。
【0055】
次に、図8に示すように、キャパシタQ及び第1の層間絶縁膜10の上に、第2の層間絶縁膜15として膜厚1200nmのSiO2膜をCVD法により形成した後に、第2の層間絶縁膜15の表面をCMP法により平坦化する。第2の層間絶縁膜15の成長は、反応ガスとしてシラン(SiH4)を用いてもよいし、TEOSを用いて行ってもよい。第2の層間絶縁膜15の表面の平坦化は、上部電極13aの上面から200nmの厚さとなるまで行われる。
【0056】
次に、図9に示すように、第2の層間絶縁膜15の上にレジスト16を塗布し、これを露光、現像して、メモリセル領域Aの不純物拡散層6aの上とキャパシタ下部電極11cの上と周辺回路領域Bの不純物拡散層6bの上にそれぞれホール形成用窓16a〜16eを形成する。
【0057】
続いて、第1及び第2の層間絶縁膜10,15、カバー膜9をドライエッチングして、メモリセル領域Aの不純物拡散層6a、キャパシタ下部電極11cの上にコンタクトホール15a〜15eを形成するとともに、周辺回路領域Bの不純物拡散層6bの上にもコンタクトホール15d、15eを形成する。第1及び第2の層間絶縁膜10,15とカバー膜9は、CF系ガス、例えばCHF3にCF4、Arを加えた混合ガスを用いてエッチングされる。
【0058】
このエッチングの際には、キャパシタQの下部電極11cを覆っているPLZTエンキャップ層14のエッチングレートが他の絶縁膜よりも小さいので、下部電極11aの上に形成される浅いコンタクトホール15cと他のコンタクトホール15a,15b,15d,15eのエッチング深さの違いはエンキャップ層14によって吸収される。
【0059】
なお、コンタクトホール15a〜15eは、上が広くて下が狭いテーパ状となり、不純物拡散層6a、6bの上のコンタクトホール15a,15b,15d,15eの深さ方向中央での直径は約0.5μmとなる。
【0060】
次に、レジスト16を除去した後に、図10に示すように、第2の層間絶縁膜15の上とコンタクトホール15a〜15eの内面にRF前処理エッチングを行った後、それらの上にスパッタリング法によりチタン(Ti)膜を20nm、窒化チタン(TiN) 膜を50nmの厚さに形成し、これらの膜をグルー膜17とする。さらに、フッ化タングステンガス(WF6)、アルゴン、水素の混合ガスを使用するCVD法により、グルー膜17の上にタングステン膜18を形成する。なお、タングステン膜18の成長初期にはシラン(SiH4)ガスも使用する。タングステン膜18は、各コンタクトホール15a〜15eを完全に埋め込む厚さ、例えば第2の層間絶縁膜15上で500nm程度とする。
【0061】
なお、コンタクトホール15a〜15eはそれぞれテーパ形状となっているので、それらの中に埋め込まれたタングステン膜18には空洞(す、ボイドともいう)が形成され難い。
【0062】
次に、図11に示すように、第2の層間絶縁膜15上のタングステン膜18とグルー膜17をCMP法により除去し、各コンタクトホール15a〜15e内にのみ残す。これにより、コンタクトホール15a〜15e内のタングステン膜18とグルー膜17をプラグ18a〜18eとして使用する。ここで、CMP法の代わりにエッチバックを用いると、タングステン膜18のエッチングとグルー膜17のエッチングでそれぞれ異なるエッチングガスが必要となるので、エッチング管理に手間がかかる。
【0063】
なお、メモリセル領域Aの1つのpウェル3aにおいて、2つのゲート電極5a,5bに挟まれるn型不純物拡散領域6a上の第1のプラグ18aは、後述するビット線に接続され、さらに、残り2つの第2のプラグ18bは、後述する配線を介してキャパシタQの上部電極13aに接続される。さらに、下部電極11cの上のコンタクトホール15cとその中のプラグ18cは、図24に示したように、誘電体膜12aからはみ出した部分に形成されるものであるが、図11以降の図面では、理解を容易にするために、メモリセル領域Aの不純物拡散層6a上の複数のプラグ18a,18bの延長上にあるように便宜的に描かれている。
【0064】
その後に、コンタクトホール15a〜15e形成後の洗浄処理、CMP後の洗浄処理等の工程で第2の層間絶縁膜15表面に付着したり内部に浸透した水分を除去するために、再び、真空チャンバ中で390℃の温度で第2の層間絶縁膜15を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第2の層間絶縁膜15を加熱しながらN2プラズマに曝して膜質を改善するアニールを例えば2分間行う。
【0065】
続いて、図12に示すように、第2の層間絶縁膜15とプラグ18a〜18eの上に、プラズマCVD法によりSiON膜を例えば100nmの厚さに形成する。このSiON膜は、シラン(SiH4)とN2Oの混合ガスを用いて形成され、プラグ18a〜18eの酸化を防止するための酸化防止膜19として使用される。
【0066】
次に、図13に示すように、フォトリソグラフィー法によりエンキャップ層14と第2の層間絶縁膜15をパターニングして、キャパシタQの上部電極13a上にコンタクトホール15fを形成する。
【0067】
この後に、550℃、60分間の条件で、キャパシタQの誘電体膜12aを酸素雰囲気中でアニールして、誘電体膜12aの膜質を改善する。この場合、プラグ18a〜18eは酸化防止膜19によって酸化が防止される。
【0068】
その後に、図14に示すように、CF系のガスを用いてSiON酸化防止膜19をドライエッチングする。そして、RFエッチング法によりプラグ18a〜18e、上部電極13aの各表面を約10nmエッチングして清浄面を露出させる。
【0069】
次いで、図15に示すように、第2の層間絶縁膜15、プラグ18a〜18e、キャパシタQのコンタクトホール15fの上に、アルミニウムを含む4層構造の導電膜をスパッタ法により形成する。その導電膜は、下から順に、膜厚50nmの窒化チタン膜、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚5nmのチタン膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。
【0070】
そして、その導電膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、図15に示すように、コンタクトパッド20a、20cと一層目の配線20b、20d〜20fを形成する。
【0071】
ここで、メモリセル領域Aにおいて、pウェル3aの上の2つのゲート電極5a,5bの間にあるプラグ18aの上にはコンタクトパッド20aが形成されている。また、素子分離絶縁膜2とゲート電極5a,5bの間にあるプラグ18bとキャパシタQの上部電極13aはコンタクトホール15fを通して配線20bによって接続される。さらに、キャパシタQの下部電極11a上のプラグ18c上には、図24に示す配置で、別のコンタクトパッド20cが形成されている。
【0072】
なお、フォトリソグラフィー法に使用されるレジストパターンは、コンタクトパッド20a、配線20b等を形成した後に除去される。
【0073】
次に、図16に示すように、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によりSiO2膜を第3の層間絶縁膜21として2300nmの厚さに形成し、この層間絶縁膜21により第2の層間絶縁膜15、コンタクトパッド20a,20c及び配線20b等を覆う。続いて、第3の層間絶縁膜21の表面をCMP法により平坦化する。
【0074】
この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で第3の層間絶縁膜21を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第3の層間絶縁膜21を加熱しながらN2Oプラズマに曝して脱水と膜質改善を行う。
続いて、図17に示すように、TEOSを用いてプラズマCVD法によりSiO2よりなる保護絶縁膜22を第3の層間絶縁膜21の上に100nm以上の厚さに形成する。第3の層間絶縁膜21にす(ボイド)が生じている場合は、この保護絶縁膜22によりそのボイドが塞がれる。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜22の脱水処理をし、加熱しながらN2Oプラズマに曝して脱水と膜質改善を行う。
【0075】
次に、図18に示すような構造となるまでの工程を説明する。
【0076】
まず、フォトリソグラフィー法により第3の層間絶縁膜21と保護絶縁膜22をパターニングして、メモリセル領域Aのpウェル3aの真ん中にあるコンタクトパッド20aの上と、キャパシタQの下部電極11aの上の配線20cと、周辺回路領域Bの配線20fの上にホール22a〜22cを形成する。
【0077】
次に、保護絶縁膜22の上面とホール22a〜22cの内面の上に、RF前処理エッチングを行った後、膜厚90nm〜150nmの窒化チタン(TiN) よりなるグルー膜23をスパッタ法により形成し、その後、ホール22a〜22cを埋め込むようにブランケットタングステン膜24をCVD法により例えば800nmの厚さに形成する。このブランケットタングステン膜24の成長には、WF6、H2を含むソースガスを使用する。ところで、グルー膜23の膜厚を90nm以上としたのは、比較的厚いタングステン膜24の形成に使用されるH2が保護絶縁膜22内に浸透してキャパシタQへダメージを与えることを緩和するためである。なお、上記したように、図10に示したタングステン膜18は直径の小さいコンタクトホール15a〜15f内に充填するために薄く形成されるので、その上のTiNグルー膜17の膜厚は50nmと薄くてもよい。
【0078】
次に、図19に示すように、タングステン膜24をエッチバックしてホール22a〜22cの中にのみ残し、ホール22a〜22c内のタングステン膜24を二層目のプラグ25a〜25cとして使用する。これにより、保護絶縁膜22の上にはTiNグルー膜23が残った状態となる。
【0079】
次に、図20に示すように、TiNグルー膜23、プラグ25a〜25cの上に3層構造の導電膜26をスパッタ法により形成する。その導電膜26は、下から順に、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚5nmのチタン膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。
【0080】
そして、導電膜26をフォトリソグラフィー法により図21に示すようにパターニングして、二層目のコンタクトパッド、二層目のアルミニウム配線を形成する。例えば、メモリセル領域Aにおいて、pウェル3aの中央の不純物拡散層6aの上方にはプラグ18a,25a、コンタクトパッド20aを介して接続されるビット線26aが形成され、また、キャパシタQの下部電極11cの上方には、プラグ18c,25b、コンタクトパッド20cを介して接続される二層目の配線26bが形成され、さらに周辺回路領域Bの一層目のアルミニウム配線20fの上にはプラグ25cを介して接続される二層目のアルミニウム配線26cが形成されている。この状態の平面図を示すと、図24のようになる。
【0081】
次に、図17〜図21に示したような工程を繰り返して、図22に示すような構造を形成する。その工程は次のようになる。
【0082】
まず、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によりSiO2膜を第4の層間絶縁膜27として2300nmの厚さに形成し、この層間絶縁膜27により下側の保護絶縁膜22、配線26a〜26cを覆う。続いて、第4の層間絶縁膜27の表面をCMP法により平坦化する。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で第4の層間絶縁膜27を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、第4の層間絶縁膜27をN2Oプラズマに曝して膜質を改善する。
【0083】
続いて、TEOSを用いてプラズマCVD法によりSiO2よりなる上側の保護絶縁膜28を第4の層間絶縁膜27の上に100nm以上の厚さに形成する。この後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜28の脱水処理をし、加熱しながらN2Oプラズマに曝して膜質を改善する。さらに、フォトリソグラフィー法により第4の層間絶縁膜27と保護絶縁膜28をパターニングして、キャパシタQの下部電極11cに電気的に接続される二層目のアルミニウム配線26bの上にホール27aを形成する。フォトリソグラフィー法にはレジストマスクを用いるがホール27aを形成した後に除去される。
【0084】
次に、保護絶縁膜28の上面とホール27aの内面の上に、膜厚90nm〜150nmの窒化チタン(TiN)よりなるグルー膜29をスパッタ法により形成し、その後、ホール27aを埋め込むようにブランケットタングステン膜をCVD法により800nmの厚さに形成する。さらにに、ブラケットタングステン膜をエッチバックしてホール27aの中にのみ残し、ホール27a内のブラケットタングステン膜を三層目のプラグ30として使用する。
【0085】
これにより、保護絶縁膜28の上にはTiNグルー膜29が残った状態となる。
【0086】
その後、グルー膜29、プラグ30の上に2層構造の導電膜をスパッタ法により形成する。その導電膜は、下から順に、膜厚500nmの銅含有(0.5%)アルミニウム膜、膜厚100nmの窒化チタン膜である。そして、導電膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングして、三層目のアルミニウム配線31a〜31cを形成する。
【0087】
次に、図23に示すように、TEOSをソースに用いたプラズマCVD法によってSiO2よりなる保護絶縁膜32を100nmの厚さに形成する。その後に、真空チャンバ中で390℃の温度で保護絶縁膜32を加熱して水を外部に放出させる。このような脱水処理の後に、保護絶縁膜32をN2Oプラズマに曝して脱水とともに膜質を改善する。
【0088】
続いて、保護絶縁膜32上にシリコン窒化膜33をCVD法により350nmの厚さに形成して保護絶縁膜32への水の侵入を阻止する。
【0089】
その後に、シリコン窒化膜33の上にポリイミド膜を3μmの厚さに塗布し、これを230℃で30分間のベークを施して、これをカバー膜34とする。
【0090】
ここまでの工程により、FeRAMが完成する。
【0091】
以上説明したように、本実施形態では、下部電極用導電膜11のTi下側層11aを形成した後、一度それを大気に曝し、その後Pt上側層11bを形成するようにした。このような方法により得られる効果について、次に説明する。
【0092】
図25は、Ti下側層11aを形成後にそれを大気に曝すことなしに連続してPt上側層11bを形成する従来例と、本発明とについて、Pt上側層11bとPLZT強誘電体膜12のそれぞれの配向の強さを調査して得られた結果を示すグラフである。調査には、X線回折装置(XRD)が使用された。なお、Pt上側層11bについては(222)方向の配向の強さが調べられ、PLZT強誘電体膜12については(111)方向の配向の強さが調べられた。グラフの系列の中で、「不連続W/N1〜W/N3」で示されるものは本発明を示し、「W/N1〜W/N3」はウエハ番号を示す。一方、「連続W/N1〜W/N3」で示されるものは、Ti下側層11aとPt上側層11bとを連続して成膜した従来例を示す。この従来例は、特開平9−223779号公報に記載の技術に対応し、そこでは各層11a、11bの成膜条件を本実施形態と同じにした。
【0093】
図25に示すように、本実施形態では、強誘電体膜12の配向の強さは従来例と比較してやや小さいが、FeRAMに必要な500000cpsを確保することができている。
【0094】
図26は、キャパシタQに3Vの電圧を印加した場合における残留分極量Qswをウエハ面内71ポイントにおいて調査した結果を示す累積グラフである。グラフの縦軸には累積確率を採ってある。同図においては、本発明と従来例とについて、それぞれ三つの系列があるが、各系列は図25の三つのウエハに対応する。また、この調査においては、本発明とも従来例とも異なる比較例が調査された。この比較例は、Ti下側層11aを形成後、それを酸素とアルゴンの混合雰囲気中でRTAして酸化させ、再度真空中でPt上側層11bを形成したものである。なお、比較例において、各層11a、11bの成膜条件は本実施形態と同じである。
【0095】
図26より理解されるように、本発明の残留分極量Qswは従来例のそれよりも大きくなる。更に、比較例のようにTi下側層11bを熱酸化すると、本発明のように自然酸化させる場合と比較して残留分極量Qswが小さくなってしまうことも理解される。
【0096】
図27は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内平均値と標準偏差とを計算して得られたグラフである。
【0097】
図27に示されるように、本発明では、残留分極量Qswの平均値が最も大きく、しかもその標準偏差も三者のうちで最も小さくなり、残留分極量Qswのウエハ面内分布が良好になることが分かる。これは、Ti下側層11bの表面を自然酸化すると、PLZT強誘電体膜12に結晶化アニ−ルを施す際、Tiが強誘電体膜12に拡散し難くなり、PLZT強誘電体膜12とPt上側層11bとの界面の特性が改善されるためであると考えられる。
【0098】
なお、図34は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内における分布をグラフ化したものである。そこに示されるように、本発明における標準偏差は0.372〜0.425の範囲に収まり、従来例(0.539〜1.006)よりも小さい。
【0099】
図28(a)、(b)は、図26の調査で使用した本発明、従来例、比較例におけるキャパシタQのリーク電流密度の累積グラフである。図28(a)、(b)では、キャパシタQに大きさ6Vの電圧を印加しているが、その電圧の極性が図28(a)と図28(b)とでは逆である。また、リーク電流密度は、ウエハ面内71ポイントで測定した。
【0100】
図28(a)、(b)より理解されるように、Ti下側層11aを熱酸化させる比較例では、従来例よりもリーク電流密度が1〜1.5桁程度上昇する。一方、本発明のようにTi下側層11aを自然酸化させると、リーク電流の特性は従来例と殆ど同じであり、比較例のように上昇してしまうことがない。
【0101】
図29は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ2(88)のグラフである。Q2(88)とは、二つのキャパシタQを対にして3Vの電圧を印加し、その後一方をプラス方向分極、他方をマイナス方向分極の状態にし、電源を切って150℃で88時間放置した後に残留する分極量を指す。このQ2(88)はキャパシタの特性を表す一つの指標であって、その値が大きいほどキャパシタのリテンション特性が良いと言われる。
【0102】
図29に示されるように、本発明のQ2(88)は従来例のそれよりも約2〜3μC/cm2ほど高く、リテンション特性が向上されるのが理解できる。一方、比較例のようにTi下側層11aを熱酸化する場合は、従来例よりもリテンション特性が劣化してしまう。
【0103】
図30は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ3(88)のグラフである。Q3(88)とは、二つのキャパシタQを対にして3Vの電圧を印加し、一方をプラス方向分極、他方をマイナス方向分極の状態にし、電源を切って150℃で88時間放置した後、再び3Vの電圧を印加して極性を反対にしたときの分極量を指す。このQ3(88)は、キャパシタのインプリント特性を示すものであって、その値が小さいほどキャパシタが一方の極性に癖づいてしまうことを表す。よって、Q3(88)が大きいほどキャパシタのインプリント特性が良好であることになる。
【0104】
図30に示されるように、本発明においては、Q3(88)が従来例のそれよりも約4μC/cm2ほど高く、インプリント特性が向上することが理解される。また、本発明は、比較例と比べても、インプリント特性が良いのが理解される。
【0105】
図31は、上記した本発明、従来例、比較例のそれぞれにおけるPLZTキャパシタ強誘電体膜12aの疲労損失(Fatigue Loss)を示すグラフである。Fatigue Lossとは、7Vの加速電圧で2.88×107回キャパシタQに書き込みを行った後、3Vの電圧でデータを書き込み、その後電源を切った場合の残留分極量Qswを指す。具体的には、Fatigue Loss(%)とは、100×{(加速前のQsw)−(加速後のQsw)}/(加速前のQsw)で定義され、この値が小さいほどキャパシタが劣化し難いことになる。
【0106】
図31に示されるように、本発明のFatigue Lossは従来例と殆ど変わらない。一方、Ti下側層11aを熱酸化する比較例では、従来例よりもFatigue Lossが大きくなってしまうのが理解される。
【0107】
図32は、Pt上側層11bの成膜温度を振った場合における、ウエハ面内71ポイントでの残留分極量Qswの最大値、最小値、平均値、標準偏差を調査して得られたグラフである。この調査は、本発明の他に、上記の従来例に対しても行われた。
【0108】
図32に示されるように、本発明では、Pt上側層11bの成膜温度に関わらず、従来例よりも残留分極量Qswの平均値が高く、また、その標準偏差も小さくなって面内分布が改善される。
【0109】
上記した各実験結果より、本発明では、FeRAMに必要な強誘電体膜12の配向の強さ(約500000cps)を確保しつつ、従来よりも残留分極量Qswの大きさを大きくすることができ、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきを従来よりも小さくすることができる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失を従来よりも向上させることができる。しかも、このような利点は、Pt上側層11bの成膜温度に依らず得ることができる。
【0110】
次に、FeRAMの製造に使用される半導体製造装置について考える。
【0111】
図33(a)は、従来例に係る半導体製造装置の構成図である。従来例では、Ti下側層11aとPt上側層11bとを連続して成膜するので、Tiチャンバ102とPtチャンバ103とは対を成す必要があり、そのため各チャンバ102、103は同じ数づつトランスファチャンバ101の周囲に設けられる。
【0112】
ところが、Pt上側層11bの成膜時間はTi下側層11aのそれよりも数倍長いため、Ptチャンバ103内でPt上側層11bを成膜しているときには、Tiチャンバ102での成膜が既に終了し、Tiチャンバが待機状態となってしまい、Tiチャンバの稼働率が落ちてしまうという不都合がある。
【0113】
これに対し、本発明では、Ti下側層11aを成膜した後にそれを大気に曝すため、Tiチャンバ102とPtチャンバ103の数を等しくする必要が無い。
【0114】
そこで、例えば、図33(b)に示すように、Ptチャンバ103を一つに減らし、Tiチャンバ102を三つに増設することで、三つのTiチャンバ102内では常に成膜が行われているようにし、Ti下側層11aの成膜が終了したらシリコン基板1をロードロック等に退避させることで、Tiチャンバ102の稼動率を従来の1.5倍(=3/2)に高めることができる。
【0115】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【0116】
(付記1) 半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成された絶縁膜と、
下側層と上側層とが順に積層された下部電極と、キャパシタ誘電体膜と、上部電極とを前記絶縁膜上に順に形成してなるキャパシタと、
を備え、
前記下部電極の前記下側層の表面に、該下側層の自然酸化膜が形成されたことを特徴とする半導体装置。
【0117】
(付記2) 前記下側層は、Ti、Pt-Ti合金、Ir-Ti合金、及びRu-Ti合金のいずれかよりなる層であることを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
【0118】
(付記3) 半導体基板の上方に絶縁膜を形成する工程と、
下部電極用導電膜の下側層を前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記下側層を大気に曝す工程と、
前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、
前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、
前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0119】
(付記4) 前記大気に曝す工程における前記半導体基板の温度は0℃〜100℃であることを特徴とする付記3に記載の半導体装置の製造方法。
【0120】
(付記5) 前記大気に曝す工程は、5分〜7日間行われることを特徴とする付記3又は付記4に記載の半導体装置の製造方法。
【0121】
(付記6) 前記下側層は、0℃〜300℃の温度で形成されることを特徴とする付記3乃至付記5のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0122】
(付記7) 前記下側層は、Ti、Pt-Ti合金、Ir-Ti合金、及びRu-Ti合金のいずれかよりなる層であることを特徴とする付記3乃至付記6のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0123】
(付記8) 前記上側層は、Pt、Ir、Ru、Pd、PtOx、IrOx、RuOx、及びPdOxのいずれかを含む単層又は複数層構造を有することを特徴とする付記3乃至付記7のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0124】
(付記9) 前記強誘電体膜は、(Sr,Ti)O3、(Ba,Sr)TiO3、Pb(Zr,Ti)O3、(Pb,La)(Zr,Ti)O3、及びBi層状構造化合物のいずれかよりなる膜であることを特徴とする付記3乃至付記8のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0125】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、下部電極用導電膜の下側層を大気に曝して自然酸化させ、その後、下側層上に下部電極用導電膜の上側層を形成するようにした。
【0126】
これにより、FeRAMに必要な強誘電体膜の配向の強さを確保しながら、従来よりも残留分極量Qswを大きくすることができ、且つ、ウエハ面内における残留分極量Qswのばらつきを従来よりも小さくすることができる。更に、リーク電流特性を悪化させること無しに、キャパシタのリテンション特性、インプリント特性、及び疲労損失を従来よりも向上させることができる。しかも、このような利点は、上側層の成膜温度に依らずに得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その1)である。
【図2】 図2は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その2)である。
【図3】 図3は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その3)である。
【図4】 図4は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その4)である。
【図5】 図5は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その5)である。
【図6】 図6は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その6)である。
【図7】 図7は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その7)である。
【図8】 図8は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その8)である。
【図9】 図9は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その9)である。
【図10】 図10は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その10)である。
【図11】 図11は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その11)である。
【図12】 図12は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その12)である。
【図13】 図13は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その13)である。
【図14】 図14は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その14)である。
【図15】 図15は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その15)である。
【図16】 図16は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その16)である。
【図17】 図17は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その17)である。
【図18】 図18は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その18)である。
【図19】 図19は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その19)である。
【図20】 図20は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その20)である。
【図21】 図21は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その21)である。
【図22】 図22は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その22)である。
【図23】 図23は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す断面図(その23)である。
【図24】 図24は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の製造方法について示す平面図である。
【図25】 図25は、Pt上側層とPLZT強誘電体膜のそれぞれの配向の強さについて、本発明と従来例とに対して調査を行って得られたグラフである。
【図26】 図26は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタの残留分極量Qswを示す累積グラフである。
【図27】 図27は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタの残留分極量Qswのウエハ内平均値と標準偏差とを示すグラフである。
【図28】 図28(a)は、本発明、従来例、及び比較例のそれぞれにおけるキャパシタのリーク電流密度の累積グラフであり、図28(b)は、図28(a)とは印加電圧を逆にした場合のリーク電流密度の累積グラフである。
【図29】 図29は、本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ2(88)のグラフである。
【図30】 図30は、本発明、従来例、比較例のそれぞれのQ3(88)のグラフである。
【図31】 本発明、従来例、比較例のそれぞれにおけるPLZTキャパシタ強誘電体膜の疲労損失を示すグラフである。
【図32】 Pt上側層の成膜温度を振った場合における、ウエハ面内での残留分極量Qswの最大値、最小値、平均値、標準偏差を本発明と従来例とで調査して得られたグラフである。
【図33】 図33(a)は、従来例に係る半導体製造装置の構成図であり、図33(b)は、本発明の実施の形態に係る半導体製造装置の構成図である。
【図34】 図34は、図26の調査結果に基づき、残留分極量Qswのウエハ面内における分布をグラフ化したものである。
【符号の説明】
1…シリコン基板(半導体基板)、2…素子分離絶縁膜、3a、3b…ウェル、4…ゲート絶縁膜、5a〜5c…ゲート電極、6a,6b…不純物拡散層、7…側壁絶縁膜、8a,8b…高融点金属シリサイド膜、9…カバー膜、10…層間絶縁膜、11…下部電極用導電膜、11a…下側層、11b…上側層、11c…下部電極、12…強誘電体膜、12a…誘電体膜、13…上部電極用導電膜、13a…上部電極、14…エンキャップ層、15…層間絶縁膜、15a〜15f…コンタクトホール、16…レジスト、17…グルー膜、18…タングステン層、18a〜18e…プラグ、19…酸化防止膜、20a,20c…コンタクトパッド、20b,20c〜20f…配線、21…層間絶縁膜、22…保護絶縁膜、23…グルー膜、24…タングステン膜、25a〜25c…プラグ、26…導電層、27…層間絶縁膜、28…保護絶縁膜、29…密着層、30…プラグ、31a〜31f…配線、32…保護絶縁膜、33…シリコン窒化膜、34…カバー膜、101…トランスファチャンバ、102…Tiチャンバ、103…Ptチャンバ、A…メモリセル領域、B…周辺回路領域、Q…キャパシタ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Manufacturing method of semiconductor device And more particularly with ferroelectric capacitors Manufacturing method of semiconductor device About.
[0002]
[Prior art]
Flash memories and ferroelectric memories (FeRAM) are known as nonvolatile memories that can store information even when the power is turned off.
[0003]
Among them, the flash memory stores information by accumulating electric charges in the floating gate of an insulated gate field effect transistor (IGFET), and a tunnel current flows through the gate insulating film when writing information. And requires a relatively high voltage.
[0004]
On the other hand, FeRAM has a ferroelectric capacitor, uses a ferroelectric film as the capacitor dielectric film, and causes spontaneous polarization in the capacitor dielectric film by applying a write voltage between the upper electrode and the lower electrode. Let The spontaneous polarization remains even when the power is turned off due to the hysteresis characteristic of the ferroelectric material, and information is read out by detecting the magnitude and polarity. Such an FeRAM operates at a lower voltage than a flash memory, and can perform high-speed writing with low power consumption.
[0005]
The characteristics of the ferroelectric capacitor greatly depend on the crystallinity of the capacitor dielectric film, and the better the crystallinity, the better the characteristics. Therefore, as the uppermost layer of the lower electrode, a Pt film whose orientation is aligned in one direction and whose orientation is high is adopted, and the crystallinity of the capacitor dielectric film is increased by the action of the Pt film. Since the polarization direction of the capacitor dielectric film having a perovskite structure is the (001) direction, the orientation is preferably aligned with the (001) direction. However, in practice, it is difficult to form such a capacitor dielectric film. Therefore, a Pt film aligned in the (111) direction is formed, and the capacitor dielectric film thereon is also formed in the (111) direction. Make sure the alignment is aligned.
[0006]
However, since the Pt film is easily peeled off when formed on the insulating film, a Ti film is formed under the Pt film in order to prevent the peeling. This Ti film has a function of aligning the orientation of the Pt film in addition to preventing peeling.
[0007]
Therefore, the lower electrode has a two-layer structure of a Ti film and a Pt film. As a method for forming such a lower electrode and processes after the formation, there are the following.
[0008]
The first method is a method of continuously forming a Pt film after forming a Ti film. 2 Adhesion with the film is improved and an increase in resistance of the lower electrode can be suppressed (see, for example, Patent Document 1).
[0009]
In the second method, a Ti film and a Pt film are continuously formed to form a lower electrode, and then a rapid heat treatment is performed on the lower electrode before forming a ferroelectric film (for example, , See Patent Document 2). According to this method, since the orientation of the lower electrode is aligned in the (111) direction, the orientation of the ferroelectric film thereon is also increased, and the spontaneous polarization of the capacitor is enhanced.
[0010]
The third method is a method in which a lower electrode made of a Ti film and a Pt film is formed, a PZT film is formed thereon as a ferroelectric film, and then the PZT film is subjected to heat treatment (for example, a patent). Reference 3). According to this method, a Pb—Pt—Ti—O reaction layer is formed at the interface between the PZT film and the Pt film, and a capacitor with little deterioration can be provided.
[0011]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-223779 (paragraph number 0062)
[Patent Document 2]
JP 2000-91511 A (paragraph number 0032)
[Patent Document 3]
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-40779 (paragraph number 0019)
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, there are various indexes representing the characteristics of ferroelectric capacitors, but the most important one is the residual polarization quantity Q. sw There is. Residual polarization Q sw Is the amount of polarization remaining in the capacitor dielectric film when the power is turned off, and the larger the value, the easier the separation between “0” and “1”.
[0013]
However, the first to third methods described above have the residual polarization quantity Q. sw The amount of residual polarization Q sw And the residual polarization quantity Q sw There is room for improvement in reducing variation in the distribution of wafers in the wafer plane.
[0014]
The present invention has been created in view of the problems of the related art, and can increase the amount of remanent polarization compared to the prior art and reduce the variation in distribution of the amount of remanent polarization in the wafer surface. Can Manufacturing method of semiconductor device The purpose is to provide.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The above issues A step of forming an insulating film above the semiconductor substrate; a step of forming a layer of Ti on the insulating film as a lower layer of the conductive film for the lower electrode; and a temperature of the semiconductor substrate of 0 ° C. to 100 ° C. And exposing the lower layer to the atmosphere, and after exposing the lower layer to the atmosphere, forming a layer made of Pt on the lower layer as the upper layer of the conductive film for the lower electrode, Forming a layer and the upper layer into a conductive film for a lower electrode; forming a ferroelectric film on the upper layer; forming a conductive film for an upper electrode on the ferroelectric film; Patterning the conductive film for the lower electrode, the ferroelectric film, and the conductive film for the upper electrode, a lower electrode made of the conductive film for the lower electrode, a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film, A capacitor comprising an upper electrode made of the upper electrode conductive film; The method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that it comprises the steps of forming, the Solved by.
[0017]
Next, the operation of the present invention will be described.
[0018]
According to the present invention, after the lower layer of the lower electrode conductive film is exposed to the atmosphere, the upper layer of the lower electrode conductive film is formed on the lower layer. By adopting such a method, while maintaining the ferroelectric film orientation strength required for FeRAM, the remanent polarization Q sw And the residual polarization quantity Q in the wafer plane becomes larger. sw Variation is smaller than conventional. Furthermore, the retention characteristic, imprint characteristic, and fatigue loss of the capacitor are improved as compared with the conventional one without deteriorating the leakage current characteristic. Moreover, such an advantage does not depend on the upper layer deposition temperature.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0020]
1 to 23 are sectional views showing a method of manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention in the order of steps, and FIG. 24 is a plan view corresponding to FIG.
[0021]
First, steps required until a sectional structure shown in FIG.
[0022]
As shown in FIG. 1, an element
[0023]
After such an element
[0024]
Thereafter, the surface of the active region of the
[0025]
Next, an amorphous or polycrystalline silicon film is formed on the entire upper surface of the
[0026]
Two
[0027]
Next, in the memory cell region A, an n-type impurity is ion-implanted into the p-
[0028]
Subsequently, after an insulating film is formed on the entire surface of the
[0029]
Further, by using the
[0030]
The n-type impurity and the p-type impurity are divided using a resist pattern.
[0031]
As described above, in the memory cell region A, an n-type MOSFET is configured by the p-
[0032]
Next, after forming a refractory metal film, for example, a film of Ti or Co, on the entire surface, the refractory metal film is heated to form a high melting point on the surfaces of the n-type
[0033]
Next, a silicon oxynitride (SiON) film having a thickness of about 200 nm is formed as a
[0034]
Subsequently, the first
[0035]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0036]
First, a film formation temperature and a film formation time are set to 20 ° C. and 14 seconds, respectively, and a Ti layer is formed on the first
[0037]
Thereafter, the
[0038]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0039]
First, the film formation temperature and the film formation time are set to 100 ° C. and 112 seconds, respectively, and a Pt layer is formed on the
[0040]
In addition to the Pt layer, the
[0041]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0042]
First, PLZT (lead lanthanum zirconate titanate; (Pb, La) (Zr, Ti) O Three ) Is formed on the lower electrode
[0043]
Subsequently, the
[0044]
After such a
[0045]
Next, steps required until a structure shown in FIG.
[0046]
First, after an upper electrode-shaped resist pattern (not shown) is formed on the upper electrode conductive film 13, the upper electrode conductive film 13 is etched using the resist pattern as a mask. The conductive film 13 is used as the
[0047]
Then, after removing the resist pattern, the
[0048]
Subsequently, in the memory cell region A, the
[0049]
Next, as shown in FIG. 6, a PLZT film is formed as an
[0050]
Thereafter, the
[0051]
Next, a resist is applied on the
[0052]
After removing the resist pattern, the
[0053]
As a result, as shown in FIG. 7, a capacitor Q including the
[0054]
A planar configuration excluding the insulating film in the memory cell region A is as shown in FIG. 24, and a plurality of
[0055]
Next, as shown in FIG. 8, a SiO2 film having a thickness of 1200 nm is formed as a second
[0056]
Next, as shown in FIG. 9, a resist 16 is applied on the second
[0057]
Subsequently, the first and second
[0058]
In this etching, the etching rate of the
[0059]
The contact holes 15a to 15e have a tapered shape with a wide upper portion and a narrow lower portion. 5 μm.
[0060]
Next, after removing the resist 16, as shown in FIG. 10, RF pretreatment etching is performed on the second
[0061]
Since the contact holes 15a to 15e each have a tapered shape, it is difficult to form a cavity (also referred to as a void) in the
[0062]
Next, as shown in FIG. 11, the
[0063]
In one p-
[0064]
Thereafter, in order to remove moisture adhering to the surface of the second
[0065]
Subsequently, as shown in FIG. 12, an SiON film is formed to a thickness of, for example, 100 nm on the second
[0066]
Next, as shown in FIG. 13, the
[0067]
Thereafter, the
[0068]
Thereafter, as shown in FIG. 14, the
[0069]
Next, as shown in FIG. 15, a conductive film having a four-layer structure containing aluminum is formed on the second
[0070]
Then, the conductive film is patterned by photolithography to form
[0071]
Here, in the memory cell region A, a
[0072]
Note that the resist pattern used in the photolithography method is removed after the
[0073]
Next, as shown in FIG. 16, SiO CVD is performed by plasma CVD using TEOS as a source. 2 A film is formed as a third
[0074]
Thereafter, the third
Then, as shown in FIG. 17, SiO2 is formed by plasma CVD using TEOS. 2 A protective insulating
[0075]
Next, steps required until a structure as shown in FIG.
[0076]
First, the third
[0077]
Next, after performing RF pretreatment etching on the upper surface of the protective insulating
[0078]
Next, as shown in FIG. 19, the
[0079]
Next, as shown in FIG. 20, a
[0080]
Then, the
[0081]
Next, the steps as shown in FIGS. 17 to 21 are repeated to form the structure as shown in FIG. The process is as follows.
[0082]
First, SiO2 is formed by plasma CVD using TEOS as a source. 2 A film is formed to a thickness of 2300 nm as the fourth
[0083]
Subsequently, SiO2 is formed by plasma CVD using TEOS. 2 An upper protective insulating
[0084]
Next, a
[0085]
As a result, the
[0086]
Thereafter, a conductive film having a two-layer structure is formed on the
[0087]
Next, as shown in FIG. 23, SiO CVD is performed by plasma CVD using TEOS as a source. 2 A protective insulating
[0088]
Subsequently, a
[0089]
Thereafter, a polyimide film is applied to a thickness of 3 μm on the
[0090]
The process so far completes the FeRAM.
[0091]
As described above, in this embodiment, after the Ti
[0092]
FIG. 25 shows the Pt
[0093]
As shown in FIG. 25, in this embodiment, the strength of the orientation of the
[0094]
FIG. 26 shows the residual polarization quantity Q when a voltage of 3 V is applied to the capacitor Q. sw Is a cumulative graph showing the results of examining the 71 points in the wafer surface. The vertical axis of the graph shows the cumulative probability. In this figure, there are three series for the present invention and the conventional example, but each series corresponds to the three wafers in FIG. In this investigation, a comparative example different from the present invention and the conventional example was investigated. In this comparative example, after the Ti
[0095]
As is understood from FIG. 26, the residual polarization quantity Q of the present invention. sw Becomes larger than that of the conventional example. Further, when the Ti
[0096]
FIG. 27 shows the amount of remanent polarization Q based on the investigation result of FIG. sw 6 is a graph obtained by calculating the average value and standard deviation in the wafer surface.
[0097]
As shown in FIG. 27, in the present invention, the residual polarization quantity Q sw The average value is the largest, and the standard deviation is the smallest of the three. sw It can be seen that the distribution in the wafer surface becomes good. This is because when the surface of the Ti
[0098]
Note that FIG. 34 shows the residual polarization quantity Q based on the investigation result of FIG. sw This is a graph of the distribution in the wafer plane. As shown therein, the standard deviation in the present invention falls within the range of 0.372 to 0.425, and is smaller than the conventional example (0.539 to 1.006).
[0099]
28A and 28B are cumulative graphs of the leakage current density of the capacitor Q in the present invention, the conventional example, and the comparative example used in the investigation of FIG. In FIGS. 28A and 28B, a voltage of 6V is applied to the capacitor Q, but the polarity of the voltage is opposite to that in FIGS. 28A and 28B. The leakage current density was measured at 71 points in the wafer surface.
[0100]
As understood from FIGS. 28A and 28B, in the comparative example in which the Ti
[0101]
FIG. 29 is a graph of Q2 (88) for each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. Q2 (88) means that two capacitors Q are paired and a voltage of 3 V is applied, then one is set in a positive direction polarization, the other is set in a negative direction polarization, and the power is turned off and left at 150 ° C. for 88 hours. Refers to the amount of polarization remaining. This Q2 (88) is an index indicating the characteristics of the capacitor, and it is said that the larger the value, the better the retention characteristics of the capacitor.
[0102]
As shown in FIG. 29, Q2 (88) of the present invention is about 2-3 μC / cm than that of the conventional example. 2 It can be understood that the retention characteristic is improved. On the other hand, when the Ti
[0103]
FIG. 30 is a graph of Q3 (88) for each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. Q3 (88) is a pair of two capacitors Q, a voltage of 3 V is applied, one is positively polarized, the other is negatively polarized, and the power is turned off and left at 150 ° C. for 88 hours. It refers to the amount of polarization when the polarity is reversed by applying a voltage of 3 V again. This Q3 (88) indicates the imprint characteristic of the capacitor, and the smaller the value, the more the capacitor is affected by one polarity. Therefore, the larger Q3 (88), the better the imprint characteristics of the capacitor.
[0104]
As shown in FIG. 30, in the present invention, Q3 (88) is about 4 μC / cm higher than that of the conventional example. 2 It is understood that the imprint characteristics are improved. It is also understood that the present invention has better imprint characteristics than the comparative example.
[0105]
FIG. 31 is a graph showing fatigue loss of the
[0106]
As shown in FIG. 31, the fatigue loss of the present invention is almost the same as the conventional example. On the other hand, it is understood that the fatigue loss is larger in the comparative example in which the Ti
[0107]
FIG. 32 shows the residual polarization quantity Q at 71 points in the wafer surface when the film forming temperature of the Pt
[0108]
As shown in FIG. 32, in the present invention, the residual polarization quantity Q is higher than that of the conventional example regardless of the deposition temperature of the Pt
[0109]
From the above experimental results, in the present invention, the remanent polarization amount Q is higher than that of the prior art while ensuring the orientation strength (about 500,000 cps) of the
[0110]
Next, consider a semiconductor manufacturing apparatus used for manufacturing FeRAM.
[0111]
FIG. 33A is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus according to a conventional example. In the conventional example, since the Ti
[0112]
However, since the deposition time of the Pt
[0113]
In contrast, in the present invention, since the Ti
[0114]
Therefore, for example, as shown in FIG. 33B, the number of
[0115]
The features of the present invention are added below.
[0116]
(Appendix 1) a semiconductor substrate;
An insulating film formed above the semiconductor substrate;
A lower electrode in which a lower layer and an upper layer are sequentially stacked, a capacitor dielectric film, and a capacitor formed by sequentially forming an upper electrode on the insulating film;
With
A semiconductor device, wherein a natural oxide film of the lower layer is formed on a surface of the lower layer of the lower electrode.
[0117]
(Additional remark 2) The said lower layer is a layer which consists of either Ti, a Pt-Ti alloy, an Ir-Ti alloy, and a Ru-Ti alloy, The semiconductor device of
[0118]
(Additional remark 3) The process of forming an insulating film above a semiconductor substrate,
Forming a lower layer of the lower electrode conductive film on the insulating film;
Exposing the lower layer to the atmosphere;
After exposing the lower layer to the atmosphere, forming an upper layer of the lower electrode conductive film on the lower layer, and making the upper layer and the upper layer a lower electrode conductive film;
Forming a ferroelectric film on the upper layer;
Forming an upper electrode conductive film on the ferroelectric film;
Patterning the conductive film for the lower electrode, the ferroelectric film, and the conductive film for the upper electrode to form a lower electrode made of the conductive film for the lower electrode, a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film, Forming a capacitor comprising an upper electrode made of the upper electrode conductive film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
[0119]
(Additional remark 4) The temperature of the said semiconductor substrate in the process to expose to the said atmosphere is 0 degreeC-100 degreeC, The manufacturing method of the semiconductor device of
[0120]
(Additional remark 5) The manufacturing method of the semiconductor device of
[0121]
(Additional remark 6) The said lower layer is formed at the temperature of 0 degreeC-300 degreeC, The manufacturing method of the semiconductor device in any one of
[0122]
(Additional remark 7) The said lower side layer is a layer which consists of either Ti, a Pt-Ti alloy, an Ir-Ti alloy, and a Ru-Ti alloy, It is any one of
[0123]
(Supplementary note 8) Any of
[0124]
(Supplementary Note 9) The ferroelectric film is (Sr, Ti) O. Three , (Ba, Sr) TiO Three , Pb (Zr, Ti) O Three , (Pb, La) (Zr, Ti) O Three The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of
[0125]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the lower layer of the lower electrode conductive film is exposed to the atmosphere and naturally oxidized, and then the upper layer of the lower electrode conductive film is formed on the lower layer. did.
[0126]
As a result, the amount of remanent polarization Q can be increased more than before, while ensuring the orientation strength of the ferroelectric film necessary for FeRAM. sw And the residual polarization quantity Q in the wafer plane can be increased. sw Variation can be made smaller than before. Furthermore, the retention characteristic, imprint characteristic, and fatigue loss of the capacitor can be improved as compared with the conventional one without deteriorating the leakage current characteristic. Moreover, such an advantage can be obtained regardless of the film formation temperature of the upper layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view (No. 1) illustrating a method for manufacturing a semiconductor manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view (No. 2) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view (No. 3) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view (No. 4) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view (No. 5) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view (No. 6) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view (No. 7) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view (No. 8) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a sectional view (No. 9) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view (No. 10) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view (No. 11) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view (No. 12) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a sectional view (No. 13) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view (No. 14) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view (No. 15) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view (No. 16) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view (No. 17) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view (No. 18) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a cross-sectional view (No. 19) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 20 is a sectional view (No. 20) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 21 is a sectional view (No. 21) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 22 is a cross-sectional view (No. 22) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 23 is a cross-sectional view (No. 23) showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 24 is a plan view showing the method for manufacturing the semiconductor manufacturing apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a graph obtained by investigating the present invention and the conventional example with respect to the orientation strength of the Pt upper layer and the PLZT ferroelectric film.
FIG. 26 is a diagram illustrating a residual polarization quantity Q of a capacitor in each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. sw It is a cumulative graph which shows.
FIG. 27 is a diagram showing a residual polarization quantity Q of a capacitor in each of the present invention, the conventional example, and the comparative example. sw It is a graph which shows the average value in a wafer, and a standard deviation.
FIG. 28 (a) is a cumulative graph of capacitor leakage current density in each of the present invention, the conventional example, and the comparative example, and FIG. 28 (b) is an applied voltage to FIG. 28 (a). It is a cumulative graph of the leakage current density when the above is reversed.
FIG. 29 is a graph of Q2 (88) of each of the present invention, the conventional example, and the comparative example.
FIG. 30 is a graph of Q3 (88) for each of the present invention, the conventional example, and the comparative example.
FIG. 31 is a graph showing fatigue loss of a ferroelectric film of a PLZT capacitor in each of the present invention, a conventional example, and a comparative example.
FIG. 32 shows the amount of residual polarization Q in the wafer surface when the film formation temperature of the Pt upper layer is varied. sw It is the graph obtained by investigating the maximum value, the minimum value, the average value, and the standard deviation in the present invention and the conventional example.
FIG. 33 (a) is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus according to a conventional example, and FIG. 33 (b) is a configuration diagram of a semiconductor manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 34 shows the amount of remanent polarization Q based on the investigation result of FIG. sw This is a graph of the distribution in the wafer plane.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (3)
下部電極用導電膜の下側層として、Tiよりなる層を前記絶縁膜上に形成する工程と、
前記半導体基板の温度を0℃〜100℃としつつ前記下側層を大気に曝す工程と、
前記下側層を大気に曝した後、下部電極用導電膜の上側層として、Ptよりなる層を前記下側層上に形成し、前記上側層と前記上側層とを下部電極用導電膜とする工程と、
前記上側層上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極用導電膜を形成する工程と、
前記下部電極用導電膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極用導電膜をパターニングして、前記下部電極用導電膜よりなる下部電極と、前記強誘電体膜よりなるキャパシタ誘電体膜と、前記上部電極用導電膜よりなる上部電極とを備えたキャパシタを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film above the semiconductor substrate;
Forming a layer of Ti on the insulating film as a lower layer of the lower electrode conductive film;
Exposing the lower layer to the atmosphere while setting the temperature of the semiconductor substrate to 0 ° C. to 100 ° C . ;
After the lower layer is exposed to the atmosphere, a layer made of Pt is formed on the lower layer as an upper layer of the lower electrode conductive film, and the upper layer and the upper layer are formed on the lower electrode conductive film. And the process of
Forming a ferroelectric film on the upper layer;
Forming an upper electrode conductive film on the ferroelectric film;
Patterning the conductive film for the lower electrode, the ferroelectric film, and the conductive film for the upper electrode to form a lower electrode made of the conductive film for the lower electrode, a capacitor dielectric film made of the ferroelectric film, Forming a capacitor comprising an upper electrode made of the upper electrode conductive film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002326320A JP4409163B2 (en) | 2002-11-11 | 2002-11-11 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002326320A JP4409163B2 (en) | 2002-11-11 | 2002-11-11 | Manufacturing method of semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004165235A JP2004165235A (en) | 2004-06-10 |
JP4409163B2 true JP4409163B2 (en) | 2010-02-03 |
Family
ID=32805257
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002326320A Expired - Fee Related JP4409163B2 (en) | 2002-11-11 | 2002-11-11 | Manufacturing method of semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4409163B2 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4766299B2 (en) * | 2005-01-18 | 2011-09-07 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | (111) Oriented PZT Dielectric Film Forming Substrate, (111) Oriented PZT Dielectric Film Formed Using This Substrate |
JP2006302976A (en) * | 2005-04-15 | 2006-11-02 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP4617227B2 (en) * | 2005-09-01 | 2011-01-19 | 富士通セミコンダクター株式会社 | Ferroelectric memory device and manufacturing method thereof |
JP4816916B2 (en) * | 2006-03-15 | 2011-11-16 | セイコーエプソン株式会社 | Ferroelectric memory and manufacturing method thereof |
JP2011119417A (en) * | 2009-12-03 | 2011-06-16 | Fujitsu Semiconductor Ltd | Method of manufacturing semiconductor device |
-
2002
- 2002-11-11 JP JP2002326320A patent/JP4409163B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004165235A (en) | 2004-06-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3907921B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP3331334B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JP3961399B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2004095861A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4690234B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2005183842A (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP4050004B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JPWO2009057225A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5168273B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
WO2004059736A1 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JP2005183841A (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP4930371B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP5076890B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4409163B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP3833580B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2004079675A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
KR100668881B1 (en) | Capacitor and manufacturing method thereof | |
JP2004039699A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4579236B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2004235287A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP4798979B2 (en) | Manufacturing method of ferroelectric memory | |
JP2002043540A (en) | Semiconductor device | |
JP4809367B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
CN1316573C (en) | Method for producing semiconductor device | |
JP5998844B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20051007 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080625 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080722 |
|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20080731 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080918 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090721 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090915 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20091110 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20091111 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4409163 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121120 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121120 Year of fee payment: 3 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121120 Year of fee payment: 3 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20121120 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131120 Year of fee payment: 4 |
|
S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |