JP2000036571A - キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
キャパシタ及びその製造方法Info
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Abstract
り、向上された性能を発揮できる強誘電体キャパシタ及
びその製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、キャパシタ及びその製造方法
に関するものであり、半導体基板100上に形成された
第1絶縁膜106上にキャパシタ下部電極110、上部
にZr成分より相対的にTi成分をより多く含む多層誘
電膜112,113、そしてキャパシタ上部電極114
が順に形成されてキャパシタが形成される。そして、キ
ャパシタを包むようにその上に、キャパシタを構成する
物質が拡散されることを防止する物質層116が形成さ
れる。このようなキャパシタ及びその製造方法により、
キャパシタを構成する強誘電体膜の各部位で、Zr成分
とTi成分の濃度比を均一に分布させることができ強誘
電体の結晶性を向上させることができる。
Description
の製造方法に関するものであり、より詳しくは、FRA
M装置及びその製造方法に関するものである。
うな不揮発性(nonvolatile)特性を有しながらも、フ
ラッシュメモリに比べて相対的にはるかに速い動作速度
を有している(FLASH MEMORY:数msec、FRAM:数十
nsec)。また、かなり強い耐久性(endurance)を
有しながらも、相対的に低いライティング電圧(Writin
gvoltage)(FLASH MEMORY:18−22V、FRAM:5V
以下)そして、DRAMとSRAMに比べて低い消費電
力を持っている(待機電流(standby current):1μ
A以下)。また、DRAMよりは大きいが、SRAMよ
りは、かなり小さいセル大きさであり、高集積化が可能
なため最近多くの研究と関心が集中している。
発性、埋込型応用素子(embedded application)などの
高付加価値を有するメモリ製品として実現させるために
は1T/1C(一メモリ要素が一つのトランジスタと一
つの強誘電キャパシタで構成される)セル構造、多層配
線層の具備のみならず、FRAM装置製造過程中に生じ
る劣化を最少化することが必須である。
としてPZT強誘電体膜が用いられる場合、強誘電体膜
PZTの結晶性は劣化と密接な関係を持っている。PZ
T物質の結晶性は、PZT物質の結晶性のための工程
後、例えば熱処理工程後、PZT物質内のペロブスカイ
ト(perovskite)構造の形成程度と密接な関係があり、
このペロブスカイト(perovskite)構造の形成程度は、
PZT物質内にZrとTi組成比の均一性とTiの量と
非常に密接な関係がある。
おける陽イオン濃度比を示すグラフである。図1を参照
すると、Pbの下部電極から強誘電体物質、PZTの深
さによる陽イオン濃度比は次の通りである。参照番号
“14”ラインはPZT内でTi陽イオンの濃度比を示
し、参照番号“12”はPZT内でZrの濃度比を示
す。参照番号“10”はPbの濃度比を示す。グラフに
示されたようにPbの濃度比は、下部膜からPZTの深
さによって変化がほぼない反面、ZrとTiの濃度比は
かなり変化し、Zrの濃度比は増加し、Tiの濃度比は
減少することが分かる。
る陽イオン濃度比の相対比を示すグラフである。図2を
参照すると、参照番号“16”はPZT内で、Zr陽イ
オンとTi陽イオンの合計に対するPb陽イオン濃度比
の相対比、参照番号“18”はキャパシタ上部電極近く
で多少の減少はあるが、Tiに対するZrの陽イオン濃
度比の相対比は急激に増えていることが分かる。このよ
うに、ZrとTiの組成比がPZT部位によって異なる
ように現れる理由は、PZT物質自体が不均質(hetero
geneous)強誘電体物質であるため、下部膜に依存性を
有するため生じるようになる。
は、上部電極がPtで用いられる場合、さらに増えるよ
うになる。Pt物質の触媒作用(catalitic effect)に
よる還元反応により、上部電極、Pt物質と強誘電体物
質、PZT物質の界面領域に欠陥、Ti組成の欠乏を発
生させることによって劣化を増加させ、付加的にFRA
M装置の信頼性問題を発生させるようになる。
問題点を解決するため提案されたものとして、強誘電体
物質の結晶性を向上させることにより、向上された性能
を発揮できる強誘電体キャパシタ及びその製造方法を提
供する。
め提案された本発明の特徴によると、本発明のキャパシ
タの製造方法は、半導体基板上に形成された絶縁膜上に
キャパシタ下部電極、上部にZr成分より相対的にTi
成分をより多く含む多層誘電膜、そしてキャパシタ上部
電極を順に形成してキャパシタを形成する段階と、さら
に、キャパシタを包むようにその上にキャパシタを構成
する物質が拡散されることを防止する物質層を形成する
段階と、を含む。
明の特徴によると、本発明のキャパシタは、半導体基板
上に絶縁膜を間に置いて形成されたキャパシタ下部電極
と、下部電極上にZr成分より相対的にTi成分をもっ
と多く有する上部層を含んで形成された多層誘電膜と、
多層誘電膜上に形成されたキャパシタ上部電極と、そし
てキャパシタ下部電極、多層誘電膜、そしてキャパシタ
上部電極を構成する成分の拡散を防止するため、その側
壁とキャパシタ上部電極上に形成された物質層を含む。
よる新規のキャパシタ及びその製造方法は、Zr成分よ
り相対的にTi成分をより多く有する上部層を含んで多
層誘電膜が形成され、キャパシタを構成する成分の拡散
を防止するための物質層が形成される。このようなキャ
パシタ及びその製造方法により、キャパシタ強誘電体膜
の各部位でZr成分とTi成分を均一な濃度で分布させ
ることができ、強誘電体の結晶性を向上させることがで
きる。
発明の実施の形態を詳しく説明する。図3乃至図9は本
発明によるキャパシタの製造方法を順次段階的に説明す
るための断面図である。図3を参照すると、まず半導体
基板100上に活性領域と非活性領域を定義するため素
子隔離領域102が形成される。活性領域の半導体基板
100上にゲート酸化膜(図示せず)を間に置いてゲー
ト電極104が形成される。ゲート電極104の両側の
半導体基板100内にソース/ドレーン領域(図示せ
ず)が形成される。ゲート電極104を含んで半導体基
板100上に第1絶縁膜106が形成される。
接合層108が形成される。接合層108は第1絶縁膜
106とキャパシタの下部電極との接合を強化させ、ま
た下部物質と後続工程で形成される上部物質が拡散され
ることを防止する。例えば、接合層108はTiO2で
形成できる。
10が形成される。例えば、下部電極110は白金で形
成される。白金膜110は、約2700オングストロー
ムの厚さを有するように形成される。白金膜110は後
続工程で形成される強誘電体膜の結晶化に有利な格子構
造を提供し、より安定した強誘電体膜が形成できるよう
にする。このような下部電極以外にも下部電極110
は、Ir、Rh、及びRuなどの金属膜で置き換えられ
ることもでき、またIrO2膜、ITO膜、RhO2膜、
RuO2膜、及びMoO3膜のうちいずれか一膜と、P
t、Ir、Rh、及びRuのうちいずれか一膜が順に積
層されて形成されることもできる。
2,113が形成される。多層誘電膜112,113
は、第1強誘電体膜112と第2強誘電体膜113で構
成される。第1強誘電体膜112は白金膜110上にP
ZTで形成される。PZT112はゾル−ゲル(sol−g
el)工程を通して約2500オングストロームの厚さを
有するように形成され、図1Aのグラフに示すように、
PZT内の下部から上部へ行くほどTiのZrに対する
相対比が減少されて強誘電体膜の結晶性に問題を発生さ
せる。このような問題を解決するため本実施の形態では
第1強誘電体膜112上に第2強誘電体膜113が形成
され、多層誘電膜112,113が形成される。第2強
誘電体膜113はZrより相対的にTi成分をより多く
含むTi量の多いPZT112bや、Ti成分を増加さ
せ、第1強誘電体膜112からTi成分が拡散されるこ
とを防止するためのPTO(PbTiO3)113で形
成される。この場合、第2強誘電体膜113は約100
0オングストロームの厚さを有するように形成される。
第2強誘電体膜113上に上部電極層114が形成され
る。例えば、上部電極層114は、Ir、Rh、及びR
uなどの金属膜で形成されることもでき、IrO2、I
TO、RhO2、RuO2、及びMoO3のうちいずれか
一つと、Pt、Ir、Rh、及びRuのうちいずれか一
つとが順に積層されて形成されることもできる。
tive ion etch)工程で上部電極層114が乾式エッチ
ングされてキャパシタ上部電極が形成され、第2強誘電
体膜113の上部表面が露出される。次に、第2強誘電
体膜113がフォトエッチング工程でエッチングされ、
エッチング工程で発生されたエッチング損傷を取り除く
ため、酸素雰囲気で約450℃以上の温度で進められる
熱処理工程が遂行される。その後、よく知られたフォト
エッチング工程で下部電極110と接合層108が順に
エッチングされ、上部電極114及び強誘電体膜112
と下部電極110の一部がオーバーラップ(overlap)
されるキャパシタが形成される。
6上に物質層116が形成される。物質層116は、約
500オングストローム−1000オングストローム範
囲内の厚さを有するTiO2で形成され、物質の拡散を
防止することもでき、物質層がTi成分をZrより多く
含むPZT膜やPbTiO3で形成され、強誘電体膜か
らTi成分が減少することを防止できる。本実施の形態
では物質層116がTiO2膜で形成される。物質層が
TiO2膜で形成され、TiO2膜の拡散防止膜としての
特性を強化するための熱処理工程が遂行される。熱処理
工程は酸素雰囲気で約650℃以上の温度で遂行され
る。次に、フォトエッチング工程で物質層116がエッ
チングされ、図6のような結果物が形成される。
結果物と第1絶縁膜106上に第2絶縁膜118が形成
される。第2絶縁膜118はよく知られたCVD膜で形
成される。第2絶縁膜118と物質層116が部分的に
エッチングされ、キャパシタ下部電極110を露出させ
る第1オープニングと第2絶縁膜と第1絶縁膜が順にエ
ッチングされ、ゲート両側のソース/ドレーン領域が露
出される第2オープニングが形成される。第1金属配線
層の形成のため、第1オープニングと第2オープニング
を含んで第2絶縁膜上にTi、第1TiN、Al、そし
て第2TiN順で形成される。この場合、Tiは約30
0オングストロームの厚さ、第1TiNは約900オン
グストロームの厚さ、Alは約6000オングストロー
ムの厚さ、そして、第2TiNは250オングストロー
ムの厚さを有するように形成される。Ti、第1Ti
N、Al、そして、第2TiNがよく知られたフォトエ
ッチング工程でエッチングされ、図8のような結果物
の、その第1金属配線120が形成される。
含んで第2絶縁膜118上に第3絶縁膜124が形成さ
れる。第3絶縁膜124は、まずCVD工程によるEC
Rタイプの酸化膜を約6500オングストローム形成
し、ECRタイプの酸化膜がRIE方式のエッチバック
工程で平坦化エッチングされる。そして約6500オン
グストローム程度のECRタイプの酸化膜を追加で形成
して形成される。この場合、追加で形成されるECRタ
イプの酸化膜はTEOSベースCVD膜で置き換えられ
て形成できる。
れてキャパシタの上部電極114、そして周辺(periph
eral)及びコア(core)回路領域の第1金属配線(図示
せず)が露出されるように第3オープニングが形成され
る。続いて、第1金属配線層120とソース/ドレーン
領域を接触させるTiを活性化させ、第3オープニング
を形成するためのエッチング工程で生じたエッチング損
傷を取り除くための熱処理工程が遂行される。熱処理工
程は窒素雰囲気で約450℃以上の温度で遂行される。
次に、第3オープニングを含んで第3絶縁膜124上に
第2金属配線層126が形成される。第2金属配線層1
26はAlとTiNが順に積層されて形成される。この
場合、Alは約6000オングストロームの厚さで形成
され、TiNは約250オングストロームの厚さを有す
るように形成される。続いてよく知られたフォトエッチ
ング工程で第2金属配線層126がエッチングされて第
2金属配線126が形成される。
ャパシタは、半導体基板100上に第1絶縁膜106が
形成されており、第1絶縁膜106上に接合層108を
間に置いてキャパシタ下部電極110が形成されてい
る。接合層108は、第1絶縁膜106と下部電極11
0の接合強化及び物質の拡散を防止するためである。接
合層108はTiO2で形成されている。下部電極11
0は白金で形成されてIr、Rh及びRuなどの金属膜
で形成されることもでき、IrO2、ITO、RhO2、
RuO2、及びMoO3のうちいずれか一つとPt、I
r、Rh、及びRuのうちいずれか一つとが順に積層さ
れて形成されることもできる。
体膜112と第2強誘電体膜113が順に積層されて構
成された多層誘電膜が形成されている。第1強誘電体膜
112は約2500オングストロームの厚さを有するP
ZT膜で形成され、第2強誘電体膜113は約1000
オングストロームの厚さを有し、Zrに対するTiの組
成比が相対的にもっと大きいPZT及びPbTiO3の
うちいずれかで形成される。
上部電極114が形成されており、キャパシタ上部電極
114の上部表面、多層誘電膜112,113の両側
壁、下部電極110の両側壁及び接合層108の両側壁
上にこれを構成している成分の拡散を防止するため、物
質層116が形成されている。上部電極114は、I
r、Rh、及びRuなどの金属膜で形成されることもで
き、IrO2、ITO、RhO2、RuO2、及びMoO3
のうちいずれか一つと、Pt、Ir、Rh、及びRuの
うちいずれか一つとが順に積層されて形成されることも
できる。物質層116は、Zrに対するTiの組成比が
相対的により大きいPZT及びPbTiO 3、そしてT
iO2のいずれか一つが順に積層されて形成される。
絶縁膜118が形成されており、第2絶縁膜118及び
物質層を貫いて下部電極110と半導体基板100を電
気的に接続させる第1金属配線120が形成されてい
る。第1金属配線120と第2絶縁膜118上に第3絶
縁膜が形成されており、第3絶縁膜124及び物質層1
16を貫いて上部電極114と電気的に接続される第2
金属配線126が形成されている。第1金属配線120
はTi、TiN、Al、そしてTiNが順に積層されて
形成される。第2金属配線126はAlとTiNが順に
積層されて形成される。
T膜をキャパシタの誘電膜として用いる場合、製造工程
上の特性と強誘電体膜の特性により、PZT膜を構成す
る成分の構成比が各部位別に不均一になる。これによっ
て、PZT膜の結晶性が低下されてキャパシタの性能が
悪くなる問題点を解決したものとして、強誘電体膜の各
部位別成分比を均一に維持でき、強誘電体膜の結晶性を
向上でき、これにより、強誘電体膜の誘電特性を向上で
きる効果がある。
イオン濃度比を示すグラフである。
濃度比の相対比を示すグラフである。
階的に説明する断面図であって、第一の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第二の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第三の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第四の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第五の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第六の段階を示す図で
ある。
階的に説明する断面図であって、第七の段階を示す図で
ある。
Claims (17)
- 【請求項1】 半導体基板上に形成された第1絶縁膜上
に、キャパシタ下部電極、上部領域にZr成分より相対
的にTi成分をより多く含む多層誘電膜、及びキャパシ
タ上部電極を順に形成してキャパシタを形成する段階
と、 前記キャパシタを構成する物質が拡散されることを防止
する物質層を、前記キャパシタを包むように該キャパシ
タ上に形成する段階と、を含むことを特徴とするキャパ
シタの製造方法。 - 【請求項2】 前記下部電極は、Pt、Ir、Rh、及
びRuのうちいずれか一つで形成されることを特徴とす
る請求項1に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項3】 前記下部電極は、IrO2膜、ITO
膜、RhO2膜、RuO 2膜、及びMoO3膜のうちいず
れか一膜と、Pt、Ir、Rh、及びRuのうちいずれ
か一膜が順に積層された多層膜で形成されることを特徴
とする請求項1に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項4】 前記多層誘電膜は、第1強誘電体膜とZ
r成分より相対的にTi成分をより多く含む第2強誘電
体膜とが順に積層されて形成されることを特徴とする請
求項1に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項5】 前記第1強誘電体膜は、PZTで形成さ
れることを特徴とする請求項4に記載のキャパシタの製
造方法。 - 【請求項6】 前記第1強誘電体膜は、約2500オン
グストロームの厚さを有するように形成されることを特
徴とする請求項4に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項7】 前記第2強誘電体膜は、Zr成分より相
対的にTi成分をより多く含むPZT及びPbTiO3
のいずれかで形成されることを特徴とする請求項4に記
載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項8】 前記第2強誘電体膜は、約1000オン
グストロームの厚さを有するように形成されることを特
徴とする請求項4に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項9】 前記上部電極は、Pt、Ir、Rh、及
びRuのうちいずれか一つで形成されることを特徴とす
る請求項1に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項10】 前記上部電極は、IrO2、ITO、
RhO2、RuO2、及びMoO3のうちいずれか一つ
と、Pt、Ir、Rh、及びRuのうちいずれか一つが
順に積層された多層膜で形成されることを特徴とする請
求項1に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項11】 前記物質層は、Ti成分をZr成分よ
り相対的に多く含むPZT及びPbTiO3、及びTi
O2のいずれかで形成されることを特徴とする請求項1
に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項12】 半導体基板上に第1絶縁膜を間に介在
させて形成されたキャパシタ下部電極と、 前記下部電極上にZr成分より相対的にTi成分をより
多く有する上部層を含んで形成された多層誘電膜と、 前記多層誘電膜に形成されたキャパシタ上部電極と、 前記キャパシタ下部電極、多層誘電膜、及びキャパシタ
上部電極を構成する成分の拡散を防止するため、その側
壁と前記キャパシタ上部電極上に形成された物質層を含
むことを特徴とするキャパシタ。 - 【請求項13】 前記多層誘電膜は、第1強誘電体膜と
Zr成分より相対的にTi成分をより多く含む第2強誘
電体膜が順に積層されて形成されることを特徴とする請
求項12に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項14】 前記第1強誘電体膜は、PZTで形成
されることを特徴とする請求項13に記載のキャパシタ
の製造方法。 - 【請求項15】 前記第1強誘電体膜は、約2500オ
ングストロームの厚さを有するように形成されることを
特徴とする請求項13に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項16】 前記第2強誘電体膜は、Zr成分より
相対的にTi成分をより多く含むPZT及びPbTiO
3のいずれかで形成されることを特徴とする請求項13
に記載のキャパシタの製造方法。 - 【請求項17】 前記第2強誘電体膜は、約1000オ
ングストロームの厚さを有するように形成されることを
特徴とする請求項13に記載のキャパシタの製造方法。
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