JP2000277705A - Reforming method for ferroelectric film and manufacture of capacitor element - Google Patents
Reforming method for ferroelectric film and manufacture of capacitor elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体膜の改質
方法及び容量素子の製造方法に関するものであり、特
に、2Tr+2C型或いは1Tr+1C型のFeRAM
(Ferroelectric RAM)に用いられる
強誘電体膜のヒステリシス特性やリーク特性等の電気的
特性を改善する方法に特徴のある強誘電体膜の改質方法
及び容量素子の製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for modifying a ferroelectric film and a method for manufacturing a capacitor, and more particularly to a 2Tr + 2C type or 1Tr + 1C type FeRAM.
The present invention relates to a method for improving a ferroelectric film and a method for manufacturing a capacitor element, which are characterized by a method for improving electrical characteristics such as hysteresis characteristics and leak characteristics of a ferroelectric film used for (Ferroelectric RAM).
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、各種の情報を記録するためにDR
AM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)、
SRAM(スタティック・ランダム・アクセス・メモ
リ)、或いは、FLASH(フラッシュ・メモリ)等の
半導体記憶装置が用いられている。この内、DRAMは
読出、書込の速度が速く、また、耐用年数が長いという
特長を有するが、揮発性であるため、リフレッシュ動作
が必要となり、そのために、常に電源電圧とつながって
いなくてはならない。2. Description of the Related Art Conventionally, DR for recording various kinds of information has been used.
AM (dynamic random access memory),
Semiconductor storage devices such as SRAM (static random access memory) or FLASH (flash memory) are used. Among them, DRAM has the characteristics of high read / write speed and long service life. However, since it is volatile, a refresh operation is required. Therefore, it must be always connected to the power supply voltage. No.
【0003】また、SRAMは、電源電圧につなげてい
る限りメモリ内容は消えず、且つ、読出及び書込の速度
が速いという特長があるが、セル面積が大きくDRAM
の3〜4倍を要し、高集積化に向かないという問題があ
る。An SRAM has a feature that the contents of the memory are not erased as long as it is connected to a power supply voltage and that the reading and writing speeds are high, but the DRAM has a large cell area.
3 to 4 times as large as the above, which is not suitable for high integration.
【0004】一方、FLASHは、不揮発性メモリであ
るため、リフレッシュ動作を必要としないが、書込速度
が遅く、且つ、耐用年数が短いという問題がある。例え
ば、書込速度がDRAMの100n秒程度に対して、1
〜10m秒を要し、また、耐用年数は、DRAMの10
15回に対して、105 回程度と大幅に短くなる。[0004] On the other hand, FLASH is a non-volatile memory and does not require a refresh operation. However, there is a problem that the writing speed is slow and the service life is short. For example, for a writing speed of about 100 nsec of DRAM, 1
It takes 10 to 10 milliseconds, and the service life is 10 times that of DRAM.
Against 15 times, it made much shorter and about 10 five times.
【0005】近年、この様な問題を全て解決するメモリ
として、即ち、リフレッシュ動作の必要がなく、動作速
度が速く、且つ、耐用年数の長いメモリとして強誘電体
メモリ(FeRAM:Ferroelectric R
AM)が注目されている。In recent years, a ferroelectric memory (FeRAM: Ferroelectric R) has been proposed as a memory that solves all of these problems, that is, a memory that does not require a refresh operation, has a high operating speed, and has a long service life.
AM) is attracting attention.
【0006】このFeRAMは、強誘電体膜の分極特性
を利用した不揮発性メモリであるためリフレッシュ動作
を必要とせず、また、書込及び読出速度がDRAMと同
程度であり、且つ、耐用年数も1012回以上とFLAS
Hより長いという特長がある。The FeRAM is a non-volatile memory utilizing the polarization characteristics of the ferroelectric film, so that it does not require a refresh operation, has the same write and read speeds as the DRAM, and has a long service life. 10 12 times or more and FLAS
There is a feature that it is longer than H.
【0007】このFeRAMに用いられる強誘電体膜材
料としては、PZT(PbZrx Ti1-x O3 )やPL
ZT(LaドープPZT)等のPbを含むペロブスカイ
ト酸化物、或いは、SBT等のBi系層状ペロブスカイ
ト酸化物が使用されている。この様な強誘電体キャパシ
タに用いる強誘電体薄膜は、スパッタ法やゾル−ゲル
(Sol−Gel)法等によって形成されているので、
図5を参照して従来の強誘電体薄膜の形成フローを説明
する。As a ferroelectric film material used for this FeRAM, PZT (PbZr x Ti 1 -x O 3 ) or PL
A perovskite oxide containing Pb such as ZT (La-doped PZT) or a Bi-based layered perovskite oxide such as SBT is used. Since a ferroelectric thin film used for such a ferroelectric capacitor is formed by a sputtering method, a sol-gel method, or the like,
A conventional ferroelectric thin film forming flow will be described with reference to FIG.
【0008】図5参照 まず、下地絶縁膜上に、下部電極を形成したのち、スパ
ッタ法やゾル−ゲル法等によってアモルファス状態の強
誘電体薄膜を形成し、次いで、酸素雰囲気中で500〜
800℃、例えば、700℃程度の温度で熱処理するこ
とによって結晶化して分極反転が可能な多結晶状のペロ
ブスカイト構造とし、最後に上部電極を形成することに
よって、強誘電体キャパシタの基本構成が完成する。First, after a lower electrode is formed on a base insulating film, an amorphous ferroelectric thin film is formed by a sputtering method, a sol-gel method, or the like.
The basic configuration of the ferroelectric capacitor is completed by forming a polycrystalline perovskite structure that can be crystallized by heat treatment at a temperature of about 800 ° C., for example, about 700 ° C. and that can be inverted, and finally form an upper electrode. I do.
【0009】この様に、結晶化工程において高温の酸素
アニールを行う必要があるので、下部電極及び上部電極
としては、高温の酸素雰囲気中でも酸化しない、或い
は、酸化しても電気伝導性が損なわれないPt,Ru,
Ir等の白金族、或いは、RuO2 ,IrO2 等の白金
族の酸化物が使用されている。As described above, since it is necessary to perform high-temperature oxygen annealing in the crystallization step, the lower electrode and the upper electrode do not oxidize even in a high-temperature oxygen atmosphere, or their electrical conductivity is impaired even if they are oxidized. No Pt, Ru,
A platinum group oxide such as Ir or a platinum group oxide such as RuO 2 or IrO 2 is used.
【0010】次に、図6を参照して、この様な強誘電体
キャパシタを用いたFeRAMの製造工程の一例を説明
する。 図6参照 図6はFeRAMの概略的断面図であり、まず、n型シ
リコン基板21の所定領域にp型ウエル領域22を形成
するとともに、n型シリコン基板21を選択酸化するこ
とによって素子分離酸化膜23を形成したのち、素子形
成領域にゲート酸化膜24を介してゲート電極25を形
成し、ゲート電極25をマスクとしてAs等のイオンを
注入することによってn- 型LDD(Lightly
Doped Drain)領域26を形成する。 次い
で、全面にSiO2 膜等を堆積させ、異方性エッチング
を施すことによってサイドウォール27を形成したの
ち、再び、As等をイオン注入することによってn+ 型
ドレイン領域28及びn+ 型ソース領域29を形成す
る。Next, an example of a manufacturing process of an FeRAM using such a ferroelectric capacitor will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the FeRAM. First, a p-type well region 22 is formed in a predetermined region of an n-type silicon substrate 21, and element isolation oxidation is performed by selectively oxidizing the n-type silicon substrate 21. After the film 23 is formed, a gate electrode 25 is formed in the element forming region via the gate oxide film 24, and ions such as As are implanted using the gate electrode 25 as a mask to thereby form an n - type LDD (Lightly).
A Doped Drain region 26 is formed. Next, a SiO 2 film or the like is deposited on the entire surface, and a sidewall 27 is formed by performing anisotropic etching. Then, ion implantation of As or the like is performed again to thereby form an n + -type drain region 28 and an n + -type source region. 29 are formed.
【0011】次いで、厚いSiO2 膜等からなる第1層
間絶縁膜30を形成したのち、素子分離酸化膜23上の
第1層間絶縁膜30上に、スパッタリング法によって密
着性改善層としてのTi膜31を堆積させ、引き続い
て、Ti膜31上にPt下部電極32を形成する。Next, after forming a first interlayer insulating film 30 made of a thick SiO 2 film or the like, a Ti film as an adhesion improving layer is formed on the first interlayer insulating film 30 on the element isolation oxide film 23 by a sputtering method. Then, a Pt lower electrode 32 is formed on the Ti film 31.
【0012】次いで、スパッタ法を用いてアモルファス
状のスパッタPZT膜を堆積させたのち、700〜80
0℃の大気圧酸素雰囲気中において低速加熱長時間熱処
理を行うことによって、スパッタPZT膜をペロブスカ
イト酸化物として結晶化させることによって、結晶化し
たPZT膜33とする。Next, after depositing an amorphous sputtered PZT film by using a sputtering method, 700 to 80
The sputtered PZT film is crystallized as perovskite oxide by performing low-speed heating and long-time heat treatment in an atmospheric oxygen atmosphere at 0 ° C. to form a crystallized PZT film 33.
【0013】次いで、所定の面積の開口を有するメタル
マスクを用いたマスクスパッタリング法を用いてPZT
膜33上にPt上部電極34を形成したのち、大気圧酸
素雰囲気中において500〜650℃で30分間程度の
熱処理を行なってPZT膜33が受けた損傷を回復し、
最後に、全面に新たに第2層間絶縁膜35を形成したの
ち、n+ 型ソース領域29とPt上部電極34とを接続
する接続電極36を設けるとともに、Pt下部電極31
に接続する接地電極37及びn+ 型ドレイン領域28に
接続するビット線38を形成することによってFeRA
Mの1メモリセルの基本構造が完成する。Next, the PZT is formed by a mask sputtering method using a metal mask having an opening having a predetermined area.
After forming the Pt upper electrode 34 on the film 33, the PZT film 33 is subjected to a heat treatment at 500 to 650 ° C. for about 30 minutes in an atmosphere of oxygen under atmospheric pressure to recover the damage of the PZT film 33,
Finally, after a second interlayer insulating film 35 is newly formed on the entire surface, a connection electrode 36 for connecting the n + type source region 29 and the Pt upper electrode 34 is provided, and the Pt lower electrode 31
Forming a ground electrode 37 connected to the N + -type drain region 28 and a bit line 38 connected to the n + -type drain region 28.
The basic structure of one memory cell of M is completed.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】しかし、この様なPZ
T膜の形成プロセスの場合には、次の様な問題がある。
即ち、FeRAMの高集積化・高性能化の要請に伴って
強誘電体キャパシタ部の強誘電体膜を薄膜化する必要が
あるが、PZT膜を150nm以下に薄膜化した場合
に、リーク電流が増加してしまい、良好なヒステリシス
特性が得られなくなるという問題がある。However, such a PZ
In the case of the T film forming process, there are the following problems.
That is, it is necessary to reduce the thickness of the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor portion in accordance with the demand for higher integration and higher performance of the FeRAM. However, when the PZT film is reduced to 150 nm or less, the leakage current is reduced. However, there is a problem that good hysteresis characteristics cannot be obtained.
【0015】この様なPZT膜におけるリーク電流は、
一般的にPZTの酸素欠陥、Pb欠陥に起因する不純物
準位や可動イオンに左右されるために、リーク電流を低
減するためには結晶欠陥の少ないものが理想とされる。
しかし、150nm以下の膜厚の場合には、各種の成膜
方法で成膜されたアモルファス状態のPZT膜は、欠陥
を生じやすい状態にある。The leak current in such a PZT film is as follows:
Generally, PZT is influenced by impurity levels and mobile ions caused by oxygen defects and Pb defects, and therefore, it is ideal that PZT has few crystal defects in order to reduce leakage current.
However, when the film thickness is 150 nm or less, the amorphous PZT film formed by any of various film forming methods is in a state where defects are easily generated.
【0016】例えば、PZT薄膜に対してArスパッタ
リングを施した場合、PZT薄膜中のPb−O結合が切
れて金属Pbになることが報告されている(必要なら
ば、Mater.Res.Soc.Symp.Proc
c.,vol.200,pp.267−274,199
0参照)。For example, it has been reported that when Ar sputtering is performed on a PZT thin film, the Pb—O bond in the PZT thin film is broken to become metal Pb (if necessary, Mater. Res. Soc. Symp. .Proc
c. , Vol. 200, pp. 267-274,199
0).
【0017】この金属Pbは、PZT薄膜中を容易に移
動できるため、結晶化アニール工程中にPZT薄膜、特
に、電極界面近傍にPb欠損が生じてしまうことが容易
に推測できる。このPZT膜の膜厚が厚ければ、PZT
表面の欠陥部分が膜全体に占める割合が少なくなるた
め、リークに対するマージンが向上するが、薄膜化した
場合には、反対にこのマージンが低下することになる。Since this metal Pb can easily move in the PZT thin film, it can be easily inferred that Pb deficiency occurs in the PZT thin film, particularly near the electrode interface during the crystallization annealing step. If the thickness of this PZT film is large, PZT
Since the ratio of the surface defect portion to the entire film is reduced, the margin for leakage is improved. However, when the film is made thinner, the margin is reduced.
【0018】なお、高誘電率膜であるCVD−Ta2 O
5 における酸素空孔や残留カーボンの除去を行う目的
で、結晶化後に600℃以下の温度における改質処理を
行うことが提案(必要ならば、特開平10−13523
3号公報参照)されている。The high dielectric constant film CVD-Ta 2 O
In order to remove oxygen vacancies and residual carbon in Step 5, it is proposed to carry out a reforming treatment at a temperature of 600 ° C. or lower after crystallization (if necessary, see JP-A-10-13523).
No. 3).
【0019】例えば、 O3 を含むガス雰囲気中におけるアニール処理、 H2 O2 を含むエアゾルを噴射しながらのアニール処
理、或いは、 H2 O2 溶液の塗布後のアニール処理が提案されてい
るが、これらの改質処理は、結晶化後の処理であり、P
ZT膜の場合には、結晶化アニール工程においてPb−
O結合欠陥等の欠陥がすでに発生しているので、PZT
膜に適用しても改質効果は期待できない。For example, an annealing process in a gas atmosphere containing O 3 , an annealing process while spraying an aerosol containing H 2 O 2 , or an annealing process after application of an H 2 O 2 solution has been proposed. , These reforming processes are processes after crystallization, and P
In the case of a ZT film, Pb-
Since defects such as O-bond defects have already occurred, PZT
No modification effect can be expected even when applied to a film.
【0020】一方、FeRAMにおいては、図6から明
らかなように、厚い第1層間絶縁膜30及び第2層間絶
縁膜35を形成したのち、スルーホールを形成し、Al
やTiN等を用いてトランジスタ部と強誘電体キャパシ
タ部とを接続する配線を形成しているが、強誘電体キャ
パシタ部の膜厚が厚いとトランジスタ部に形成するスル
ーホールのアスペクト比が大きくなるため、電極配線層
の形成が困難になるという問題がある。On the other hand, in the FeRAM, as is apparent from FIG. 6, after forming the thick first interlayer insulating film 30 and the second interlayer insulating film 35, a through hole is formed, and
The wiring connecting the transistor portion and the ferroelectric capacitor portion is formed by using TiN or TiN, but when the film thickness of the ferroelectric capacitor portion is large, the aspect ratio of the through hole formed in the transistor portion increases. Therefore, there is a problem that it is difficult to form an electrode wiring layer.
【0021】したがって、FeRAMの高集積化のため
には、強誘電体キャパシタを構成するPZT膜を薄膜化
することが望まれる。また、3V以下の低電圧動作の要
求により、ヒステリシスの抗電圧Vc 、即ち、分極反転
が生ずるのに必要な最低の電圧を小さくすることが必須
となるが、膜質が一定ならば、膜厚減少に伴って抗電圧
Vc も小さくなるので、この観点からも薄膜化が望まれ
る。しかし、PZT膜を薄膜化した場合には、上述のリ
ーク電流が増加してしまい、良好なヒステリシス特性が
得られなくなるという問題がある。Therefore, for high integration of the FeRAM, it is desired to reduce the thickness of the PZT film constituting the ferroelectric capacitor. In addition, due to the requirement of low-voltage operation of 3 V or less, it is essential to reduce the coercive voltage V c of hysteresis, that is, the minimum voltage required for the occurrence of polarization inversion. since anti voltage V c with a decrease also becomes small, thin is desired from this point of view. However, when the PZT film is made thinner, the above-mentioned leak current increases, and there is a problem that good hysteresis characteristics cannot be obtained.
【0022】したがって、本発明は、アモルファス状態
の強誘電体膜における結合欠陥の発生を防止し、或い
は、欠陥を修復することによって膜質を飛躍的に改善す
ることを目的とする。Accordingly, an object of the present invention is to prevent the occurrence of coupling defects in a ferroelectric film in an amorphous state, or to remarkably improve the film quality by repairing the defects.
【0023】[0023]
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理的構
成を示すプロセスフローであり、この図1を参照して本
発明における課題を解決するための手段を説明する。 図1参照 (1)本発明は、強誘電体膜の改質方法に関し、アモル
ファス状態の強誘電体膜を成膜したのち、酸化処理を行
い、次いで、酸化処理後の強誘電体膜を熱処理して結晶
化することを特徴とする。FIG. 1 is a process flow showing the basic configuration of the present invention, and the means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG. See FIG. 1. (1) The present invention relates to a method for modifying a ferroelectric film, in which an amorphous ferroelectric film is formed, an oxidation process is performed, and then the ferroelectric film after the oxidation process is heat-treated. And crystallized.
【0024】この様に、結晶化工程前のアモルファス状
態の強誘電体膜に対して酸化処理を行うことによって、
強誘電体膜を構成する金属元素の遊離による欠陥の発生
を抑制することができ、それによって、結晶化後の強誘
電体膜の電気的特性を向上することができる。As described above, by oxidizing the amorphous ferroelectric film before the crystallization step,
Generation of defects due to release of metal elements constituting the ferroelectric film can be suppressed, whereby the electrical characteristics of the ferroelectric film after crystallization can be improved.
【0025】(2)また、本発明は、上記(1)におい
て、酸化処理が、過酸化水素水を用いた酸化処理である
ことを特徴とする。(2) The present invention is characterized in that, in the above (1), the oxidation treatment is an oxidation treatment using a hydrogen peroxide solution.
【0026】この様に、酸化処理として過酸化水素水を
用いることによって、アモルファス状態の強誘電体膜の
表面における結合欠陥の発生を抑制することができる。As described above, by using the hydrogen peroxide solution as the oxidizing treatment, it is possible to suppress the occurrence of coupling defects on the surface of the amorphous ferroelectric film.
【0027】(3)また、本発明は、上記(2)におい
て、過酸化水素水の濃度が、20容量%以上であること
を特徴とする。(3) The present invention is characterized in that, in the above (2), the concentration of the hydrogen peroxide solution is 20% by volume or more.
【0028】この様に、過酸化水素水として、20容量
%以上の過酸化水素水を用いることによって、アモルフ
ァス状態の強誘電体膜の表面における結合欠陥の発生を
効果的に抑制することができる。なお、100容量%の
場合には、純粋な過酸化水素(H2 O2 )となる。As described above, by using 20% by volume or more of hydrogen peroxide as the hydrogen peroxide, it is possible to effectively suppress the occurrence of the bonding defects on the surface of the amorphous ferroelectric film. . In the case of 100% by volume, pure hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) is obtained.
【0029】(4)また、本発明は、上記(1)乃至
(3)のいずれかにおいて、結晶化後の強誘電体膜が、
Pbを含むペロブスカイト酸化物であることを特徴とす
る。(4) Further, according to the present invention, in any one of the above (1) to (3), the ferroelectric film after crystallization is
It is a perovskite oxide containing Pb.
【0030】この様なアモルファス状態における結合欠
陥は、PZT等のPbを含む酸化物において顕著であ
り、結晶化後に強誘電体特性を示すためには、結晶化後
の強誘電体膜が、ペロブスカイト構造である必要があ
る。なお、結晶化後の強誘電体膜が、パイロクロア構造
の場合には良好な強誘電体特性を示さない。Such a bonding defect in the amorphous state is remarkable in an oxide containing Pb such as PZT. In order to exhibit ferroelectric characteristics after crystallization, the ferroelectric film after crystallization must be made of perovskite. Must be a structure. When the ferroelectric film after crystallization has a pyrochlore structure, it does not show good ferroelectric characteristics.
【0031】(5)また、本発明は、容量素子の製造方
法において、白金族、白金族の酸化物、或いは、これら
の積層構造のいずれかからなる下部電極上に、アモルフ
ァス状態のPbを含む酸化物を成膜したのち、過酸化水
素水処理を行い、次いで、過酸化水素処理したPbを含
む酸化物を熱処理して結晶化してPbを含むペロブスカ
イト酸化物としたのち、上部電極を形成することを特徴
とする。(5) Further, according to the present invention, in the method for manufacturing a capacitive element, amorphous Pb is contained on a lower electrode made of a platinum group oxide, a platinum group oxide, or a laminated structure thereof. After forming the oxide film, a hydrogen peroxide solution treatment is performed, and then the hydrogen peroxide-treated oxide containing Pb is heat-treated and crystallized to form a perovskite oxide containing Pb, and then an upper electrode is formed. It is characterized by the following.
【0032】この様に、上記(1)乃至(4)の強誘電
体膜の改質方法を容量素子、即ち、強誘電体キャパシタ
の製造工程に適用することによって、リーク電流が少な
く良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタ
を製造することができ、また、その際には、下部電極と
しては、酸化を防止し、或いは、酸化後にも電気伝導性
を損なわないために、白金族(Pt,Ru,Ir)、白
金族の酸化物(RuO 2 ,IrO2 )、或いは、これら
の積層構造(Pt/IrO2 等)のいずれかを用いるこ
とが望ましい。As described above, the ferroelectrics of the above (1) to (4)
Capacitor element, that is, ferroelectric capacitor
Low leakage current by applying
Ferroelectric capacitor with good hysteresis characteristics
Can be manufactured, and in that case, the lower electrode and
To prevent oxidation or to maintain electrical conductivity after oxidation
In order not to impair the platinum group (Pt, Ru, Ir), white
Gold oxide (RuO) Two, IrOTwo) Or these
Laminated structure (Pt / IrOTwoEtc.)
Is desirable.
【0033】[0033]
【発明の実施の形態】ここで、まず、図2及び図3を参
照して、本発明の第1の実施の形態を説明するが、ま
ず、図2を参照して本発明の第1の実施の形態の製造工
程を説明し、次いで、図3を参照して、本発明の第1の
実施の形態の結晶化PZT膜の特性の説明図である。 図2(a)参照 まず、シリコン基板(図示せず)の表面を熱酸化して、
厚さが、例えば、500nmの下地SiO2 膜11を形
成したのち、この下地SiO2 膜11上に、スパッタリ
ング法を用いて、厚さ20nmのTi膜12及び厚さ2
00nmのPt下部電極13を順次堆積させて、強誘電
体キャパシタの下部電極とする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3. First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4A and 4B are explanatory diagrams of a manufacturing process according to the embodiment, and then with reference to FIG. 3, illustrating characteristics of the crystallized PZT film according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2A, first, the surface of a silicon substrate (not shown) is thermally oxidized,
After forming an underlying SiO 2 film 11 having a thickness of, for example, 500 nm, a Ti film 12 having a thickness of 20 nm and a thickness of 2 nm are formed on the underlying SiO 2 film 11 by sputtering.
A 00 nm Pt lower electrode 13 is sequentially deposited to form a lower electrode of a ferroelectric capacitor.
【0034】次いで、Pb1.1 Zr0.53Ti0.47O3 組
成で直径が50mmの円板をターゲットとして用いて、
ArとO2 の流量比がAr:O2 =8:2のプロセスガ
スを流して0.02Torrとした状態で、50WのR
Fパワーを印加して室温において、膜厚が70nm及び
110nmのスパッタPZT膜14を成膜する。このス
パッタPZT膜14は、成膜した状態においてはアモル
ファス状態である。[0034] Then, diameter Pb 1.1 Zr 0.53 Ti 0.47 O 3 composition with a disc of 50mm as a target,
With a flow rate of Ar: O 2 = 8: 2 and a flow rate of Ar: O 2 of 0.02 Torr, 50 W of R
The F power is applied to form a sputtered PZT film 14 having a thickness of 70 nm and 110 nm at room temperature. This sputtered PZT film 14 is in an amorphous state when formed.
【0035】図2(b)参照 次いで、これらのスパッタPZT膜14の表面に、室温
(24℃)において、濃度が20〜100容量%の過酸
化水素水15を塗布し、1秒後に除去する。この際の濃
度としては、20容量%、30容量%、50容量%、1
00容量%を採用した。Next, referring to FIG. 2B, a hydrogen peroxide solution 15 having a concentration of 20 to 100% by volume is applied to the surface of the sputtered PZT film 14 at room temperature (24 ° C.), and is removed after one second. . The concentration at this time was 20% by volume, 30% by volume, 50% by volume,
00% by volume was adopted.
【0036】図2(c)参照 次いで、500〜800℃、例えば、650℃の大気圧
酸素雰囲気中において30分間の熱処理を行うことによ
って、スパッタPZT膜14をペロブスカイト酸化物と
して結晶化させて結晶化PZT膜16とする。Next, as shown in FIG. 2 (c), the sputtered PZT film 14 is crystallized as a perovskite oxide by performing a heat treatment for 30 minutes in an atmospheric oxygen atmosphere at 500 to 800 ° C., for example, 650 ° C. The PZT film 16 is used.
【0037】次いで、図示しないものの、直径0.2〜
0.5mmの開口を有するメタルマスクを用いたマスク
スパッタリング法を用いて結晶化PZT膜16上に、厚
さが、例えば、200nmのPt上部電極を形成し、次
いで、500℃の大気圧酸素雰囲気中において30分間
の熱処理を行うことによって、Pt上部電極の堆積工程
において、結晶化PZT膜16が受けた損傷を回復させ
ることによって、強誘電体キャパシタの基本構成が完成
する。Next, although not shown, a diameter of 0.2 to
A Pt upper electrode having a thickness of, for example, 200 nm is formed on the crystallized PZT film 16 by using a mask sputtering method using a metal mask having an opening of 0.5 mm. By performing a heat treatment for 30 minutes in the inside, the damage of the crystallized PZT film 16 in the deposition step of the Pt upper electrode is recovered, thereby completing the basic configuration of the ferroelectric capacitor.
【0038】この様にして形成した結晶化PZT膜16
の表面を反射顕微鏡を用いて観察したところ、欠陥は殆
ど見られなかったが、比較のために過酸化水素水処理を
行わずに結晶化した場合には、数μm程度の大きさの凸
状の欠陥が多数観測された。The crystallized PZT film 16 thus formed
When the surface was observed using a reflection microscope, almost no defects were found, but for comparison, when crystallized without hydrogen peroxide solution treatment, a convex shape with a size of about several μm was observed. Many defects were observed.
【0039】図3(a)参照 図3(a)は、過酸化水素水処理における過酸化水素濃
度と欠陥密度の関係を示した図であり、比較のために、
過酸化水素水処理を行わずに結晶化した場合、及び、0
容量%、即ち、純水、及び、10容量%の濃度の過酸化
水素水処理を行った場合の結果も合わせて示している。
図から明らかなように、過酸化水素濃度を20容量%以
上にした場合に、欠陥密度の低減効果は明らかである。FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the concentration of hydrogen peroxide and the defect density in the treatment with aqueous hydrogen peroxide. For comparison, FIG.
Crystallized without hydrogen peroxide treatment, and 0
Also shown are the results obtained when a volume%, that is, pure water, and a hydrogen peroxide solution treatment at a concentration of 10% by volume are performed.
As is clear from the figure, the effect of reducing the defect density is apparent when the hydrogen peroxide concentration is 20% by volume or more.
【0040】図3(b)参照 図3(b)は、結晶化PZT膜のヒステリシス特性の説
明図であり、過酸化水素水処理を行わない場合には、リ
ーク電流が多いためにヒステリシスが膨らんでいるが、
30容量%の濃度の過酸化水素水処理を行った場合に
は、リーク電流が少なく、シャープなヒステリシスとな
っているのが分かる。FIG. 3B is an explanatory diagram of the hysteresis characteristics of the crystallized PZT film. In the case where the hydrogen peroxide solution treatment is not performed, the hysteresis expands due to a large leak current. But
It can be seen that when the treatment with the aqueous solution of hydrogen peroxide at a concentration of 30% by volume is performed, the leak current is small and the sharp hysteresis is obtained.
【0041】この様に、アモルファス状のスパッタPZ
T膜を成膜後、過酸化水素水を用いた酸化処理を行うこ
とによって、Pb−O結合欠陥等の欠陥の発生を抑制す
ることができ、それによってリーク電流を低減すること
ができるので、良好なヒステリシス特性を有する強誘電
体キャパシタを形成することができる。As described above, the amorphous sputter PZ
By performing an oxidation treatment using a hydrogen peroxide solution after forming the T film, it is possible to suppress the occurrence of defects such as a Pb-O bond defect, thereby reducing a leak current. A ferroelectric capacitor having good hysteresis characteristics can be formed.
【0042】次に、下部電極として、Pt/IrO2 の
積層構造を用いた本発明の第2の実施の形態を説明する
が、下部電極の構造以外は上記の第1の実施の形態と同
様であるので図示は省略する。まず、シリコン基板の表
面を熱酸化して、厚さが、例えば、500nmの下地S
iO2 膜を形成したのち、この下地SiO2 膜上に、ス
パッタリング法を用いて、厚さ50nmのIrO2 膜及
び厚さ150nmのPt下部電極を順次堆積させて、強
誘電体キャパシタの下部電極とする。Next, a second embodiment of the present invention using a laminated structure of Pt / IrO 2 as the lower electrode will be described. The structure of the second embodiment is the same as that of the first embodiment except for the structure of the lower electrode. Therefore, the illustration is omitted. First, the surface of a silicon substrate is thermally oxidized to form an underlayer S having a thickness of, for example, 500 nm.
After forming the iO 2 film, an IrO 2 film having a thickness of 50 nm and a Pt lower electrode having a thickness of 150 nm are sequentially deposited on the underlying SiO 2 film by sputtering, thereby forming a lower electrode of the ferroelectric capacitor. And
【0043】以降は、上記の第1の実施の形態と同様
に、Pb1.1 Zr0.53Ti0.47O3 をターゲットとして
用いて、ArとO2 の流量比がAr:O2 =8:2のプ
ロセスガスを流して0.02Torrとした状態で、5
0WのRFパワーを印加して室温において、膜厚が70
nm及び140nmのスパッタPZT膜を成膜する。[0043] Thereafter, similarly to the first embodiment described above, using a Pb 1.1 Zr 0.53 Ti 0.47 O 3 as a target, the flow rate ratio of Ar and O 2 is Ar: O 2 = 8: 2 Process With the gas flowing to 0.02 Torr, 5
At room temperature by applying 0 W RF power,
A sputtered PZT film having a thickness of 140 nm is formed.
【0044】次いで、これらのスパッタPZT膜の表面
に、室温(24℃)において、濃度が20〜100容量
%の過酸化水素水を塗布し、1秒後に除去したのち、5
00〜800℃、例えば、650℃の大気圧酸素雰囲気
中において30分間の熱処理を行うことによって、スパ
ッタPZT膜をペロブスカイト酸化物として結晶化させ
て結晶化PZT膜とする。Next, an aqueous solution of hydrogen peroxide having a concentration of 20 to 100% by volume is applied on the surface of these sputtered PZT films at room temperature (24 ° C.), and after 1 second, it is removed.
By performing a heat treatment for 30 minutes in an atmospheric oxygen atmosphere at 00 to 800 ° C., for example, 650 ° C., the sputtered PZT film is crystallized as a perovskite oxide to form a crystallized PZT film.
【0045】次いで、直径0.2〜0.5mmの開口を
有するメタルマスクを用いたマスクスパッタリング法を
用いて結晶化PZT膜上に、厚さが、例えば、200n
mのPt上部電極を形成し、次いで、500℃の大気圧
酸素雰囲気中において30分間の熱処理を行うことによ
って、Pt上部電極の堆積工程において、結晶化PZT
膜が受けた損傷を回復させることによって、強誘電体キ
ャパシタの基本構成が完成する。Then, the thickness of the crystallized PZT film is set to, for example, 200 nm by using a mask sputtering method using a metal mask having an opening having a diameter of 0.2 to 0.5 mm.
m Pt upper electrode is formed, and then a heat treatment is performed for 30 minutes in an atmospheric pressure oxygen atmosphere at 500 ° C., so that crystallized PZT
By recovering the damage from the film, the basic structure of the ferroelectric capacitor is completed.
【0046】図4(a)参照 図4(a)は、比較のために140nmの膜厚に形成し
たスパッタPZT膜を過酸化水素水処理を行うことなく
結晶化アニールを行った場合の結晶化PZT膜のヒステ
リシス特性を示す図であり、膜厚が140nmの場合に
は、酸化処理を行わなくとも良好な特性が得られてい
る。FIG. 4 (a) shows the crystallization of a sputtered PZT film formed to a thickness of 140 nm for crystallization annealing without performing hydrogen peroxide treatment for comparison. FIG. 4 is a graph showing hysteresis characteristics of a PZT film. When the film thickness is 140 nm, good characteristics are obtained without performing an oxidation treatment.
【0047】図4(b)参照 図4(b)も、比較のために70nmの膜厚に形成した
スパッタPZT膜を過酸化水素水処理を行うことなく結
晶化アニールを行った場合の結晶化PZT膜のヒステリ
シス特性を示す図であり、欠陥密度が増加することによ
って、リーキーなキャパシタとなってしまうことが理解
される。FIG. 4 (b) also shows, for comparison, the crystallization when the sputtered PZT film formed to a thickness of 70 nm is subjected to crystallization annealing without performing hydrogen peroxide treatment. FIG. 4 is a diagram showing hysteresis characteristics of the PZT film, and it is understood that an increase in defect density results in a leaky capacitor.
【0048】図4(c)参照 図4(c)は、70nmの膜厚に形成したスパッタPZ
T膜を30容量%の濃度の過酸化水素水によって酸化処
理を行った場合の結晶化PZT膜のヒステリシス特性を
示す図であり、良好なヒステリシス特性が得られてい
る。なお、図においては、印加電圧を2V,3V,5V
の3つの電圧にした場合のヒステリシス特性を示してい
る。Referring to FIG. 4C, FIG. 4C shows a sputter PZ formed to a thickness of 70 nm.
FIG. 9 is a diagram showing the hysteresis characteristics of the crystallized PZT film when the T film is oxidized with a hydrogen peroxide solution having a concentration of 30% by volume, and excellent hysteresis characteristics are obtained. In the figure, the applied voltage is 2 V, 3 V, 5 V
3 shows hysteresis characteristics when three voltages are used.
【0049】この第2の実施の形態においても、過酸化
水素水による酸化処理を行うことによって、PZT膜を
薄膜化した場合にも、Pb−O結合欠陥等の欠陥が低減
してリークパスが少なくなるのでリーク電流が減少し、
且つ、良好なヒステリシス特性が得られることが確認さ
れた。Also in the second embodiment, even when the PZT film is thinned, defects such as Pb-O bond defects are reduced and the number of leak paths is reduced by performing the oxidation treatment with the hydrogen peroxide solution. The leakage current decreases,
And it was confirmed that good hysteresis characteristics were obtained.
【0050】以上、本発明の各実施の形態を説明してき
たが、本発明は各実施の形態に示した構成に限られるも
のでなく、各種の変更が可能である。例えば、上記の各
実施の形態においては、強誘電体膜としてPZTを用い
ているが、PZTに限られるものではなくPZ,PT,
PLZT等のPbを含むペロブスカイト酸化物一般にも
適用されるものである。The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configuration shown in each embodiment, and various modifications are possible. For example, in each of the above embodiments, PZT is used as the ferroelectric film. However, the present invention is not limited to PZT, but PZT, PT,
The present invention is generally applied to perovskite oxides containing Pb such as PLZT.
【0051】また、Pbを含むペロブスカイト酸化物以
外にも、SBT等の下記の一般式 (Bi2 O2 )2+(An-1 Bn O3n+1)2- 但し、A=Bi,Pb,Ba,Sr,Ca,Na、 B=Ti,Ta,Nb,W,Mo,Fe,Co,Cr、 n=1〜5 で表されるBi系層状ペロブスカイト酸化物において
も、BiがPbを含むペロブスカイト酸化物におけるP
bと同様の振る舞いをするので、この様なBi系層状ペ
ロブスカイト酸化物に対しても、結晶化アニール工程前
に酸化処理を行うことが効果的である。In addition to the perovskite oxide containing Pb, the following general formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (A n-1 B n O 3n + 1 ) 2- such as SBT, where A = Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, Na, B = Ti, Ta, Nb, W, Mo, Fe, Co, Cr, Bi Bi-layered perovskite oxides represented by P in perovskite oxide containing
Since it behaves similarly to b, it is effective to perform an oxidation treatment on such a Bi-based layered perovskite oxide before the crystallization annealing step.
【0052】また、上記の各実施の形態の説明において
は、PZT膜をスパッタ法によって成膜しているが、ゾ
ル−ゲル法或いはMOCVD法によって成膜したPZT
膜にも適用されるものであり、いずれにしても、結晶化
アニール工程の前に酸化処理すれば良い。In the description of each of the above embodiments, the PZT film is formed by the sputtering method, but the PZT film formed by the sol-gel method or the MOCVD method is used.
The present invention is also applied to a film, and in any case, an oxidation treatment may be performed before the crystallization annealing step.
【0053】また、過酸化水素水による酸化処理は、過
酸化水素水の塗布に限られるものではなく、スパッタP
ZT膜を成膜したシリコン基板を過酸化水素水中に漬け
ることによって接触させても良いものであり、さらに
は、過酸化水素を含むエアゾルを噴霧しても良いもので
ある。The oxidation treatment with the hydrogen peroxide solution is not limited to the application of the hydrogen peroxide solution.
The silicon substrate on which the ZT film has been formed may be brought into contact with the substrate by immersing it in a hydrogen peroxide solution, and further, an aerosol containing hydrogen peroxide may be sprayed.
【0054】また、この様な酸化処理は、必ずしも、過
酸化水素水を用いた酸化処理に限られるものではなく、
オゾン(O3 )を含む雰囲気中に晒しても良いものであ
る。Such an oxidation treatment is not necessarily limited to an oxidation treatment using a hydrogen peroxide solution.
It may be exposed to an atmosphere containing ozone (O 3 ).
【0055】また、上記の各実施の形態においては、下
部電極として、Pt或いはPt/IrO2 を用いている
が、高温の酸素雰囲気中の結晶化処理工程において酸化
しない物質或いは酸化しても電気伝導性を損なわない物
質であれば良く、例えば、Ru,Ir,或いは、RuO
2 等を用いても良いものである。即ち、白金族(Pt,
Ru,Ir)、白金族の酸化物(RuO2 ,Ir
O2 )、或いは、これらの積層構造(Pt/IrO
2 等)のいずれかを用いることが望ましい。In each of the above embodiments, Pt or Pt / IrO 2 is used as the lower electrode. However, a substance that does not oxidize in the crystallization process in a high-temperature oxygen atmosphere, or an electric substance that does not oxidize. Any material that does not impair the conductivity may be used, for example, Ru, Ir, or RuO.
2 or the like may be used. That is, the platinum group (Pt,
Ru, Ir), oxides of the platinum group (RuO 2 , Ir)
O 2 ) or a laminated structure of these (Pt / IrO)
2 ) is desirable.
【0056】また、上記の実施の形態の説明において
は、2Tr+2C型の強誘電体メモリの情報蓄積キャパ
シタを前提として説明しているが、1Tr+1C型の強
誘電体メモリの情報蓄積キャパシタにも適用されるもの
であり、さらに、この様な強誘電体メモリ用のキャパシ
タに限られるものではなく、通常の半導体集積回路装置
における容量の大きな微小キャパシタとして、或いは、
他の電子デバイスのキャパシタとしても適用されるもの
である。In the description of the above embodiment, the information storage capacitor of the 2Tr + 2C type ferroelectric memory is described, but the present invention is also applied to the information storage capacitor of the 1Tr + 1C type ferroelectric memory. Further, the present invention is not limited to such a capacitor for a ferroelectric memory, but may be used as a small capacitor having a large capacitance in a normal semiconductor integrated circuit device, or
It is also applied as a capacitor for other electronic devices.
【0057】[0057]
【発明の効果】本発明によれば、結晶化アニール工程前
のアモルファス状の強誘電体膜に対して酸化処理を行っ
ているので、強誘電体膜を薄膜化した場合も良好な特性
が得られ、それによって、強誘電体キャパシタに用いる
強誘電体膜の薄膜化が可能になり、ひいては、FeRA
Mの高集積化、高性能化、高信頼性化が可能になり、ロ
ジック回路混載置FeRAMの実現に寄与するところが
大きい。According to the present invention, since the oxidation treatment is performed on the amorphous ferroelectric film before the crystallization annealing step, good characteristics can be obtained even when the ferroelectric film is thinned. This makes it possible to reduce the thickness of the ferroelectric film used for the ferroelectric capacitor.
M can achieve high integration, high performance, and high reliability, greatly contributing to the realization of a FeRAM with a logic circuit mixed therein.
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施の形態の製造工程の説明図
である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a manufacturing process according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第1の実施の形態の結晶化PZT膜の
特性の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of characteristics of a crystallized PZT film according to the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第2の実施の形態の結晶化PZT膜の
特性の説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of characteristics of a crystallized PZT film according to a second embodiment of the present invention.
【図5】従来の強誘電体薄膜の形成フローを示す図であ
る。FIG. 5 is a view showing a flow of forming a conventional ferroelectric thin film.
【図6】従来のFeRAMの概略的断面図である。FIG. 6 is a schematic sectional view of a conventional FeRAM.
11 下地SiO2 膜 12 Ti膜 13 Pt下部電極 14 スパッタPZT膜 15 過酸化水素水 16 結晶化PZT膜 21 n型シリコン基板 22 p型ウエル領域 23 素子分離酸化膜 24 ゲート酸化膜 25 ゲート電極 26 n- 型LDD領域 27 サイドウォール 28 n+ 型ドレイン領域 29 n+ 型ソース領域 30 第1層間絶縁膜 31 Ti膜 32 Pt下部電極 33 PZT膜 34 Pt上部電極 35 第2層間絶縁膜 36 接続電極 37 接地電極 38 ビット線REFERENCE SIGNS LIST 11 base SiO 2 film 12 Ti film 13 Pt lower electrode 14 sputtered PZT film 15 hydrogen peroxide 16 crystallized PZT film 21 n-type silicon substrate 22 p-type well region 23 element isolation oxide film 24 gate oxide film 25 gate electrode 26 n - -type LDD region 27 the sidewalls 28 n + -type drain region 29 n + -type source region 30 first interlayer insulating film 31 Ti film 32 Pt lower electrode 33 PZT film 34 Pt upper electrode 35 the second interlayer insulating film 36 connection electrode 37 grounded Electrode 38 bit line
Claims (5)
たのち、酸化処理を行い、次いで、酸化処理後の強誘電
体膜を熱処理して結晶化することを特徴とする強誘電体
膜の改質方法。1. A ferroelectric film, comprising: forming an amorphous ferroelectric film, performing an oxidation treatment, and then heat-treating the oxidized ferroelectric film for crystallization. Reforming method.
酸化処理であることを特徴とする請求項1記載の強誘電
体膜の改質方法。2. The method for modifying a ferroelectric film according to claim 1, wherein the oxidation treatment is an oxidation treatment using a hydrogen peroxide solution.
以上であることを特徴とする請求項2記載の強誘電体膜
の改質方法。3. The concentration of the hydrogen peroxide solution is 20% by volume.
3. The method for modifying a ferroelectric film according to claim 2, wherein:
むペロブスカイト酸化物であることを特徴とする請求項
1乃至3のいずれか1項に記載の強誘電体膜の改質方
法。4. The method for modifying a ferroelectric film according to claim 1, wherein the ferroelectric film after crystallization is a perovskite oxide containing Pb. .
らの積層構造のいずれかからなる下部電極上に、アモル
ファス状態のPbを含む酸化物を成膜したのち、過酸化
水素水処理を行い、次いで、過酸化水素処理したPbを
含む酸化物を熱処理して結晶化してPbを含むペロブス
カイト酸化物としたのち、上部電極を形成することを特
徴とする容量素子の製造方法。5. An oxide containing Pb in an amorphous state is formed on a lower electrode made of a platinum group oxide, a platinum group oxide, or a laminated structure of any of these, and then treated with a hydrogen peroxide solution. Performing a heat treatment of the oxide containing Pb, which has been subjected to hydrogen peroxide treatment, and then crystallizing the resultant to form a perovskite oxide containing Pb, and then forming an upper electrode.
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