JP2000340761A - Method of manufacturing semiconductor device and ferroelectric capacitor - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor device and ferroelectric capacitor

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JP2000340761A
JP2000340761A JP11152943A JP15294399A JP2000340761A JP 2000340761 A JP2000340761 A JP 2000340761A JP 11152943 A JP11152943 A JP 11152943A JP 15294399 A JP15294399 A JP 15294399A JP 2000340761 A JP2000340761 A JP 2000340761A
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ferroelectric
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gauss
ferroelectric film
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Sha Shu
莎 朱
Satoshi Mihara
智 三原
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To maximize remanen of a ferroelectrics film, while minimizing a voltage required for writing for to a semiconductor device having a ferroelectrics capacitor. SOLUTION: When only a thermal process in an oxidizing atmosphere is performed with a film which is formed by sputtering a ferroelectrics film, the magnetic field applied to a target is set to 270 Gausses or higher, and when thermal process in an inert atmosphere and that in the oxidizing atmosphere are performed with the formed film, the magnetic field applied to the target is set to 349 Gausses or lower.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は一般に半導体装置に
関し、特に強誘電体薄膜を使った半導体記憶装置の製造
方法に関する。いわゆるDRAMあるいはSRAM等の
半導体記憶装置はコンピュータを始めとする情報処理装
置において高速主記憶装置として広く使われているが、
これらは揮発性の記憶装置であり、電源をオフにすると
記憶された情報は失われてしまう。これに対し、従来よ
りプログラムやデータを格納する大容量補助記憶装置と
して不揮発性の磁気ディスク装置が使われている。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention generally relates to a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film. Semiconductor storage devices such as so-called DRAM or SRAM are widely used as high-speed main storage devices in information processing devices such as computers.
These are volatile storage devices, and stored information is lost when the power is turned off. On the other hand, a nonvolatile magnetic disk device has conventionally been used as a large-capacity auxiliary storage device for storing programs and data.

【0002】しかし、磁気ディスク装置は大型で機械的
に脆弱であり、消費電力も大きく、さらに情報を読み書
きする際のアクセス速度が遅い欠点を有している。これ
に対し、最近では不揮発性補助記憶装置として、フロー
ティングゲート電極に情報を電荷の形で蓄積するEEP
ROMあるいはフラッシュメモリが使われていることが
多くなっている。特にフラッシュメモリはDRAMと同
様なセル構成を有するため大きな集積密度に形成しやす
く、磁気ディスク装置に匹敵する大容量記憶装置として
期待されている。
However, magnetic disk drives have the disadvantages of being large and mechanically fragile, consuming large amounts of power, and having low access speeds when reading and writing information. On the other hand, recently, as a nonvolatile auxiliary storage device, an EEPP which stores information in the form of electric charges in a floating gate electrode has been developed.
ROMs or flash memories are often used. In particular, since a flash memory has a cell configuration similar to that of a DRAM, it can be easily formed at a large integration density, and is expected as a large-capacity storage device comparable to a magnetic disk device.

【0003】一方、EEPROMやフラッシュメモリで
は、情報の書き込みがトンネル絶縁膜を介してのフロー
ティングゲート電極へのホットエレクトロンの注入によ
ってなされるため、必然的に書き込みに時間がかかり、
また情報の書き込みおよび消去を繰り返すとトンネル絶
縁膜が劣化してしまう問題が生じていた。トンネル絶縁
膜が劣化してしまうと書き込みあるいは消去動作が不安
定になってしまう。
On the other hand, in an EEPROM or a flash memory, information is written by injecting hot electrons into a floating gate electrode through a tunnel insulating film.
Further, there has been a problem that the tunnel insulating film is deteriorated when information is repeatedly written and erased. If the tunnel insulating film is deteriorated, the writing or erasing operation becomes unstable.

【0004】これに対し、情報を強誘電体膜の自発分極
の形で記憶する強誘電体記憶装置(以下FeRAMと記
す)が提案されている。かかるFeRAMでは個々のメ
モリセルトランジスタがDRAMの場合と同様に単一の
MOSFETよりなり、メモリセルキャパシタ中の誘電
体膜をPZT(Pb(Zr,Ti)O3 )あるいはPL
ZT(Pb(Zr,Ti,La)O3 )等の強誘電体に
置き換えた構成を有しており、高い集積密度での集積が
可能である。また、FeRAMは電界の印加により強誘
電体キャパシタの自発分極を制御するため、書き込みを
ホットエレクトロンの注入によって行なうEEPROM
やフラッシュメモリに比べて書き込み速度が1000倍
あるいはそれ以上速くなり、また消費電力が約1/10
に低減される有利な特徴を有している。さらにトンネル
酸化膜を使う必要がないため寿命も長く、フラッシュメ
モリの10万倍の書き換え回数を確保できると考えられ
る。
On the other hand, there has been proposed a ferroelectric memory device (hereinafter referred to as FeRAM) for storing information in the form of spontaneous polarization of a ferroelectric film. In such an FeRAM, each memory cell transistor is formed of a single MOSFET as in the case of a DRAM, and the dielectric film in the memory cell capacitor is formed of PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) or PL.
It has a configuration in which it is replaced with a ferroelectric such as ZT (Pb (Zr, Ti, La) O 3 ), and can be integrated at a high integration density. In addition, since FeRAM controls spontaneous polarization of a ferroelectric capacitor by applying an electric field, an EEPROM is used to perform writing by injecting hot electrons.
Write speed is 1000 times or more faster than that of flash memory and flash memory, and power consumption is about 1/10
It has the advantageous feature of being reduced to Furthermore, since it is not necessary to use a tunnel oxide film, the lifetime is long, and it is considered that 100,000 times the number of rewrites of the flash memory can be secured.

【0005】現在実現されているFeRAMは1μm前
後の比較的緩い設計ルールで設計されているものが多い
が、集積回路上においてサブミクロンまで微細化された
最近の高速CMOS論理回路との混載が可能なように、
FeRAMの微細化をさらに進めることが研究されてい
る。
Although many of the currently realized FeRAMs are designed with relatively loose design rules of about 1 μm, they can be mixed with recent high-speed CMOS logic circuits down to submicron on integrated circuits. Like,
There is research into further miniaturization of FeRAM.

【0006】[0006]

【従来の技術】図1は従来のFeRAM10の構成を示
す。図1を参照するに、FeRAM10はp型Si基板
11上に形成され、前記Si基板11表面にはフィール
ド酸化膜12により活性領域が画成される。前記活性領
域中には図示を省略したゲート酸化膜を介してメモリセ
ルトランジスタのゲート電極13がFeRAMのワード
線に対応して形成され、さらに前記基板11中には前記
ゲート電極13の両側にn+ 型の拡散領域11A11
Bが、それぞれメモリセルトランジスタのソース領域お
よびドレイン領域として形成される。また、前記基板1
1中には前記拡散領域11Aと11Bとの間にチャネル
領域が形成される。
2. Description of the Related Art FIG. 1 shows a configuration of a conventional FeRAM 10. Referring to FIG. 1, a FeRAM 10 is formed on a p-type Si substrate 11, and an active region is defined on a surface of the Si substrate 11 by a field oxide film 12. A gate electrode 13 of a memory cell transistor is formed in the active region via a gate oxide film (not shown) corresponding to a word line of FeRAM. + Type diffusion regions 11A , 11
B is formed as a source region and a drain region of the memory cell transistor, respectively. Further, the substrate 1
In 1, a channel region is formed between the diffusion regions 11A and 11B.

【0007】前記ゲート電極13は前記Si基板11の
表面を前記活性領域において覆うCVD酸化膜14によ
り覆われ、さらに前記CVD酸化膜14は平坦化層間絶
縁膜15により覆われる。前記層間絶縁膜15中には前
記拡散領域11Bを露出するコンタクトホール15Aが
形成され、前記コンタクトホール15Aはポリシリコン
あるいはWSiよりなるプラグ16により充填される。
The gate electrode 13 is covered with a CVD oxide film 14 covering the surface of the Si substrate 11 in the active region, and the CVD oxide film 14 is covered with a planarizing interlayer insulating film 15. A contact hole 15A exposing the diffusion region 11B is formed in the interlayer insulating film 15, and the contact hole 15A is filled with a plug 16 made of polysilicon or WSi.

【0008】さらに、前記層間絶縁膜15上には前記プ
ラグ16の露出部を覆うようにTi/TiN構造の密着
膜17が形成され、前記密着膜17上にPt等よりなる
下側電極18が形成される。さらに前記下側電極18上
にはPZTあるいはPLZTよりなる強誘電体膜19が
形成され、前記強誘電体膜19上にはPt等よりなる上
側電極20が形成される。
Further, an adhesion film 17 having a Ti / TiN structure is formed on the interlayer insulation film 15 so as to cover the exposed portion of the plug 16, and a lower electrode 18 made of Pt or the like is formed on the adhesion film 17. It is formed. Further, a ferroelectric film 19 made of PZT or PLZT is formed on the lower electrode 18, and an upper electrode 20 made of Pt or the like is formed on the ferroelectric film 19.

【0009】前記下側電極18,強誘電体膜19および
上側電極20よりなる強誘電体キャパシタの側壁面はC
VD酸化膜21により覆われ、さらに前記強誘電体キャ
パシタの全体は層間絶縁膜22により覆われる。前記層
間絶縁膜22中には前記拡散領域22Aを露出するコン
タクトホール22Aが形成され、前記層間絶縁膜22上
には前記コンタクトホール22Aにおいて前記拡散領域
22AとコンタクトするAlあるいはAl合金よりなる
ビット線パターン23が形成される。
The side wall surface of the ferroelectric capacitor composed of the lower electrode 18, the ferroelectric film 19 and the upper electrode 20 is C
The ferroelectric capacitor is entirely covered with an interlayer insulating film 22. A contact hole 22A that exposes the diffusion region 22A is formed in the interlayer insulating film 22, and a bit line made of Al or an Al alloy that contacts the diffusion region 22A in the contact hole 22A on the interlayer insulating film 22. A pattern 23 is formed.

【0010】図2は図1のFeRAM10において前記
強誘電体膜19として使われるPLZTの自発分極特性
を示す。図2を参照するに、図1のFeRAM10にお
いて前記下側電極18と上側電極20との間に所定の書
き込み電圧を印加することにより、前記強誘電体膜19
を構成するPLZT膜中の自発分極が反転し、所望の二
値情報が前記強誘電体膜19中に書き込まれる。また、
図1のFeRAM10において書き込まれた二値情報を
読み出すには前記ワード線、すなわちゲート電極13を
活性化し、前記チャネル領域を通って前記ビット線電極
23に現れる電圧を検出する。図2のヒステリシスルー
プにおいて電界強度がゼロにおける幅2Pr、すなわち
残留分極の値が大きいほどFeRAM10による情報の
保持が確実になされる。また書き込みに要する電界の値
も減少する傾向にあり、その結果FeRAM10の低電
力駆動が可能になる。換言すると、図1のFeRAM1
0では強誘電体膜19の残留分極2Prの値を最大化す
ることが望ましい。
FIG. 2 shows spontaneous polarization characteristics of PLZT used as the ferroelectric film 19 in the FeRAM 10 of FIG. Referring to FIG. 2, by applying a predetermined write voltage between the lower electrode 18 and the upper electrode 20 in the FeRAM 10 of FIG.
, The spontaneous polarization in the PLZT film is inverted, and desired binary information is written in the ferroelectric film 19. Also,
In order to read the binary information written in the FeRAM 10 of FIG. 1, the word line, that is, the gate electrode 13 is activated, and the voltage appearing on the bit line electrode 23 through the channel region is detected. In the hysteresis loop of FIG. 2, the larger the width 2Pr when the electric field intensity is zero, that is, the larger the value of the remanent polarization, the more securely the FeRAM 10 holds the information. In addition, the value of the electric field required for writing tends to decrease, and as a result, the FeRAM 10 can be driven with low power. In other words, the FeRAM1 of FIG.
At 0, it is desirable to maximize the value of the remanent polarization 2Pr of the ferroelectric film 19.

【0011】また、図1の半導体装置はそのままDRA
Mとして使うことも可能である。この場合、強誘電体膜
19の誘電率が非常に大きいため、キャパシタを特殊な
形状としなくても十分なキャパシタ容量が確保できる。
かかる強誘電体膜をキャパシタ誘電体膜として使ったD
RAMでは、半導体装置を微細化しても情報の保持に問
題は生じない。
The semiconductor device shown in FIG.
It is also possible to use it as M. In this case, since the ferroelectric film 19 has a very large dielectric constant, a sufficient capacitor capacity can be ensured even if the capacitor is not specially shaped.
D using such a ferroelectric film as a capacitor dielectric film
In the RAM, even if the semiconductor device is miniaturized, no problem occurs in retaining information.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
強誘電体キャパシタを有する半導体装置において、前記
強誘電体キャパシタを構成する強誘電体膜19の残留分
極を最大化するには、前記強誘電体膜19の堆積工程と
結晶化工程が非常に重要になる。このため、前記強誘電
体膜19の堆積に先立つ下側電極18の前処理や、結晶
化工程における温度・雰囲気などについて、すでに研究
あるいは提案がなされている。
By the way, in a semiconductor device having such a ferroelectric capacitor, in order to maximize the remanent polarization of the ferroelectric film 19 constituting the ferroelectric capacitor, it is necessary to use the ferroelectric capacitor. The deposition step and the crystallization step of the body film 19 become very important. For this reason, studies or proposals have already been made on the pretreatment of the lower electrode 18 prior to the deposition of the ferroelectric film 19 and the temperature and atmosphere in the crystallization step.

【0013】本発明の発明者は、本発明の基礎になる研
究において、強誘電体膜をスパッタリングにより形成す
る際、膜に印加される磁場の大きさが得られる強誘電体
膜の特性に大きな影響を及ぼすこと、また最適な熱処理
条件が、強誘電体膜の形成時に印加された磁場の大きさ
によって変化することを発見した。すなわち、強誘電体
膜の形成時、膜に印加される磁場の大きさと熱処理条件
の組み合わせが最適であった場合、膜の残留分極は最大
になり、また分極を反転させるにに要する電界の大きさ
が最小になるのに対し、不適当であった場合には所望の
特性を有する強誘電体膜を得ることができない。
In the research on which the present invention is based, the inventor of the present invention has found that when a ferroelectric film is formed by sputtering, the magnitude of the magnetic field applied to the film is greatly affected by the characteristics of the ferroelectric film. And found that the optimal heat treatment conditions vary with the magnitude of the magnetic field applied during the formation of the ferroelectric film. That is, if the combination of the magnitude of the magnetic field applied to the film and the heat treatment conditions is optimal during the formation of the ferroelectric film, the remanent polarization of the film is maximized, and the magnitude of the electric field required to reverse the polarization is maximized. In contrast, if it is inappropriate, a ferroelectric film having desired characteristics cannot be obtained.

【0014】そこで、本発明は上記の課題を解決した、
新規で有用な半導体装置の製造方法および強誘電体キャ
パシタの製造方法を提供することを概括的課題とする。
本発明のより具体的な課題は、本発明の発明者による上
記の知見に鑑み、強誘電体膜の特性を最適化した強誘電
体キャパシタの製造方法、およびかかる強誘電体キャパ
シタを有する半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。
Therefore, the present invention has solved the above-mentioned problems.
It is a general object to provide a new and useful method for manufacturing a semiconductor device and a method for manufacturing a ferroelectric capacitor.
A more specific object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ferroelectric capacitor in which the characteristics of a ferroelectric film are optimized in view of the above findings by the inventor of the present invention, and a semiconductor device having such a ferroelectric capacitor It is to provide a manufacturing method of.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を、
請求項1に記載したように、強誘電体キャパシタを有す
る半導体装置の製造方法において、基板上に下側電極を
形成する工程と、前記下側電極上に強誘電体膜を堆積す
る工程と、前記強誘電体膜を酸化雰囲気中における単一
の急速熱処理工程により熱処理し、結晶化する工程と、
前記強誘電体膜上に上側電極を形成する工程とを含み、
前記強誘電体膜を堆積する工程は、スパッタリングによ
り、ターゲット中心における磁場の強度を約270Ga
uss以上に設定して実行されることを特徴とする半導
体装置の製造方法により解決する。
The present invention solves the above problems,
As described in claim 1, in a method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, a step of forming a lower electrode on a substrate; and a step of depositing a ferroelectric film on the lower electrode. Heat-treating the ferroelectric film by a single rapid heat-treating step in an oxidizing atmosphere, and crystallizing;
Forming an upper electrode on the ferroelectric film,
In the step of depositing the ferroelectric film, the strength of the magnetic field at the center of the target is reduced to about 270 Ga by sputtering.
The problem is solved by a method of manufacturing a semiconductor device, characterized in that the method is executed with the setting being at least uss.

【0016】請求項1記載の半導体装置の製造方法にお
いて、請求項2に記載したように、前記強誘電体膜を結
晶化する工程は、前記磁場の強度を約349Gauss
以上に設定して実行されるのが好ましい。本発明はま
た、上記の課題を請求項3に記載したように、強誘電体
キャパシタを有する半導体装置の製造方法において、基
板上に下側電極を形成する工程と、前記下側電極上に強
誘電体膜を堆積する工程と、前記強誘電体膜を、不活性
雰囲気中における第1の急速熱処理工程と、酸化雰囲気
中における第2の急速熱処理工程とにより熱処理し、結
晶化する工程と、前記強誘電体膜上に上側電極を形成す
る工程とを含み、前記強誘電体膜を堆積する工程は、ス
パッタリングにより、ターゲット中心における磁場の強
度を、100Gauss以上、349Gauss以下に
設定して実行されることを特徴とする半導体装置の製造
方法により解決する。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, as in the second aspect, the step of crystallizing the ferroelectric film includes reducing the intensity of the magnetic field to about 349 Gauss.
It is preferable to execute the above setting. According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, comprising: forming a lower electrode on a substrate; Depositing a dielectric film, heat treating the ferroelectric film by a first rapid heat treatment step in an inert atmosphere, and a second rapid heat treatment step in an oxidizing atmosphere, and crystallizing the ferroelectric film; Forming an upper electrode on the ferroelectric film, the step of depositing the ferroelectric film is performed by setting the strength of the magnetic field at the center of the target to 100 Gauss or more and 349 Gauss or less by sputtering. And a method for manufacturing a semiconductor device.

【0017】その際、前記請求項3記載の半導体装置の
製造方法において前記スパッタリング工程は、前記磁場
の強度を323Gauss以下に設定して実行するのが
好ましい。また、前記請求項3記載の半導体装置の製造
方法において、前記スパッタリング工程は、前記磁場の
強度を296Gauss以下に設定して実行するのが好
ましい。
In this case, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the third aspect, it is preferable that the sputtering step is performed by setting the intensity of the magnetic field to 323 Gauss or less. Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the third aspect, it is preferable that the sputtering step is performed with the intensity of the magnetic field set to 296 Gauss or less.

【0018】さらに、請求項3記載の半導体装置の製造
方法において、前記スパッタリング工程は、前記磁場の
強度を270Gauss以下に設定して実行するのが好
ましい。また、本発明は、基板上に下側電極を形成する
工程と、前記下側電極上に強誘電体膜を堆積する工程
と、前記強誘電体膜を酸化雰囲気中における単一の急速
熱処理工程により熱処理し、結晶化する工程と、前記強
誘電体膜上に上側電極を形成する工程とを含み、前記強
誘電体膜を堆積する工程は、スパッタリングにより、タ
ーゲット中心における磁場の強度を約270Gauss
以上に設定して実行されることを特徴とする強誘電体キ
ャパシタの製造方法を提供する。
Furthermore, in the method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, it is preferable that the sputtering step is performed with the intensity of the magnetic field set to 270 Gauss or less. The present invention also provides a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of depositing a ferroelectric film on the lower electrode, and a step of subjecting the ferroelectric film to a single rapid heat treatment in an oxidizing atmosphere. And a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film, wherein the step of depositing the ferroelectric film comprises the step of reducing the intensity of a magnetic field at the center of the target by about 270 Gauss by sputtering.
A method for manufacturing a ferroelectric capacitor characterized by being set and executed as described above is provided.

【0019】その際、前記強誘電体膜を結晶化する工程
は、前記磁場の強度を約349Gauss以上に設定し
て実行するのが好ましい。さらに、本発明は、請求項4
に記載したように、基板上に下側電極を形成する工程
と、前記下側電極上に強誘電体膜を堆積する工程と、前
記強誘電体膜を、不活性雰囲気中における第1の急速熱
処理工程と、酸化雰囲気中における第2の急速熱処理工
程とにより熱処理し、結晶化する工程と、前記強誘電体
膜上に上側電極を形成する工程とを含み、前記強誘電体
膜を堆積する工程は、スパッタリングにより、ターゲッ
ト中心における磁場の強度を、100Gauss以上、
349Gauss以下に設定して実行されることを特徴
とする強誘電体キャパシタの製造方法により、前記の課
題を解決する。
In this case, it is preferable that the step of crystallizing the ferroelectric film is performed by setting the intensity of the magnetic field to about 349 Gauss or more. Furthermore, the present invention relates to claim 4
Forming a lower electrode on the substrate, depositing a ferroelectric film on the lower electrode, and forming the ferroelectric film in a first rapid atmosphere in an inert atmosphere. Depositing the ferroelectric film, including a heat treatment step, a heat treatment and a crystallization step by a second rapid heat treatment step in an oxidizing atmosphere, and a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film. In the step, by sputtering, the intensity of the magnetic field at the center of the target is set to 100 Gauss or more,
The above-mentioned problem is solved by a method of manufacturing a ferroelectric capacitor, wherein the method is performed with the temperature set to 349 Gauss or less.

【0020】請求項4記載の強誘電体キャパシタの製造
方法において、前記スパッタリング工程は、前記磁場の
強度を323Gauss以下に設定して実行するのが好
ましい。さらに、請求項4記載の強誘電体キャパシタの
製造方法において、前記スパッタリング工程は、前記磁
場の強度を296Gauss以下に設定して実行するの
が好ましい。
In the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to a fourth aspect of the present invention, it is preferable that the sputtering step is performed with the intensity of the magnetic field set to 323 Gauss or less. Further, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, it is preferable that the sputtering step is performed with the intensity of the magnetic field set to 296 Gauss or less.

【0021】また、請求項4に記載の強誘電体キャパシ
タの製造方法において、前記スパッタリング工程は、前
記磁場の強度を270Gauss以下に設定して実行す
るのが好ましい。本発明によれば、前記強誘電体膜をス
パッタリングにより堆積する際に、スパッタターゲット
に印加される磁場の強さを最適化することにより、また
印加される磁場の強さに応じて強誘電体膜の結晶化工程
を最適化することにより、形成された強誘電体膜の残留
分極を最大化することができる。また、このように最適
化された条件下で形成された強誘電体膜では分極を反転
させるのに必要な電界の大きさが減少し、これに伴い、
かかる強誘電体膜を使った半導体装置において書き込み
電圧を実質的に減少させることが可能になる。
Further, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 4, it is preferable that the sputtering step is performed with the intensity of the magnetic field set to 270 Gauss or less. According to the present invention, when depositing the ferroelectric film by sputtering, by optimizing the strength of the magnetic field applied to the sputter target, and according to the strength of the applied magnetic field, By optimizing the film crystallization process, the remanent polarization of the formed ferroelectric film can be maximized. In addition, in the ferroelectric film formed under such optimized conditions, the magnitude of the electric field required for reversing the polarization is reduced.
In a semiconductor device using such a ferroelectric film, it becomes possible to substantially reduce the write voltage.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】[第1実施例]図3は、本発明で
使われるスパッタ装置1の構成を示す図である。図3を
参照するに前記スパッタ装置1は、排気ポート2Aによ
り排気され導入ポート2Bによりスパッタガスを導入さ
れる堆積室2を備え、前記堆積室2中には、前記堆積室
2に電気的に接続され、スパッタリングにより膜を堆積
される基板4を保持する基板ホルダ3と、スパッタター
ゲット6を、前記基板4に対面するように保持するター
ゲットホルダ5とを含み、前記ターゲットホルダ5から
は前記堆積室2の外部に引き出される端子7が形成され
ている。さらに、前記堆積室2中ターゲット6の近傍に
は、前記ターゲット6に磁場を印加するマグネットMが
形成される。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [First Embodiment] FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a sputtering apparatus 1 used in the present invention. Referring to FIG. 3, the sputtering apparatus 1 includes a deposition chamber 2 which is evacuated by an exhaust port 2A and into which a sputter gas is introduced by an introduction port 2B. A substrate holder 3 for holding a substrate 4 on which a film is deposited by sputtering, and a target holder 5 for holding a sputter target 6 so as to face the substrate 4; A terminal 7 extending to the outside of the chamber 2 is formed. Further, a magnet M for applying a magnetic field to the target 6 is formed near the target 6 in the deposition chamber 2.

【0023】動作時には、前記堆積室2は前記排気ポー
ト2Aにより排気され、さらに前記導入ポート2Bから
Ar等のスパッタガスが導入され、前記端子7に適当な
インピーダンス整合回路を介して高周波電力が供給され
る。かかる高周波電力の供給に伴い、前記堆積室2中に
おいては導入されたスパッタガス中に放電が生じ、励起
されたAr原子が前記ターゲット6に衝突することによ
り、前記ターゲット6から基板4上に堆積したい膜を構
成する原子がたたき出される。かかるターゲット6から
放出された原子は前記基板4に到達し、所望の膜の堆積
を生じる。
In operation, the deposition chamber 2 is evacuated through the exhaust port 2A, a sputter gas such as Ar is introduced from the introduction port 2B, and high-frequency power is supplied to the terminal 7 through an appropriate impedance matching circuit. Is done. With the supply of the high-frequency power, a discharge occurs in the introduced sputtering gas in the deposition chamber 2, and the excited Ar atoms collide with the target 6, thereby depositing the target 6 on the substrate 4. The atoms that make up the desired film are knocked out. The atoms released from the target 6 reach the substrate 4 and cause the deposition of a desired film.

【0024】本発明では、後程詳細に説明するように、
強誘電体膜をかかるスパッタプロセスにより堆積する際
に、前記スパッタガスの放電の状態を、前記マグネット
Mにより最適化する。図4(A),(B)は本発明の第
1実施例による強誘電体キャパシタ30の製造工程を示
す。
In the present invention, as will be described in detail later,
When a ferroelectric film is deposited by such a sputtering process, the state of discharge of the sputtering gas is optimized by the magnet M. FIGS. 4A and 4B show a manufacturing process of the ferroelectric capacitor 30 according to the first embodiment of the present invention.

【0025】図4(A)を参照するに、Si基板31上
には厚さが例えば200nmのSiO2 膜32が熱酸化
工程により形成されており、前記Si基板31は図3の
スパッタ装置1中、基板4の位置に装着され、前記Si
2 膜32上にはさらにTiよりなる密着膜33Aおよ
びPtよりなる下側電極膜33が、室温での直流スパッ
タリングにより形成される。より具体的には、前記Ti
密着膜33Aは下の表1に示すようにAr雰囲気中、1
0mTorrの圧力下において20nmの厚さに形成さ
れ、一方前記下側電極膜33は100nmの厚さに形成
される。前記Ti膜33Aおよび下側電極膜33の堆積
は、直流プラズマパワーをいずれも1kWに設定して、
それぞれ10秒間および20秒間実行される。
Referring to FIG. 4A, an SiO 2 film 32 having a thickness of, for example, 200 nm is formed on a Si substrate 31 by a thermal oxidation process. Medium, mounted on the substrate 4
On the O 2 film 32, an adhesion film 33A made of Ti and a lower electrode film 33 made of Pt are further formed by DC sputtering at room temperature. More specifically, the Ti
As shown in Table 1 below, the adhesion film 33A
At a pressure of 0 mTorr, the lower electrode film 33 is formed to have a thickness of 20 nm, while the lower electrode film 33 is formed to have a thickness of 100 nm. The deposition of the Ti film 33A and the lower electrode film 33 is performed by setting the DC plasma power to 1 kW,
Run for 10 seconds and 20 seconds respectively.

【0026】[0026]

【表1】 [Table 1]

【0027】さらに、前記下側電極膜33が形成された
後、PLZT膜34が表2に示すように、室温において
Ar雰囲気中、10mTorrの圧力下で実行される高
周波スパッタリングにより、典型的には約240nmの
厚さに形成される。表2を参照するに、前記高周波スパ
ッタリングは高周波プラズマパワーを1.5kWに設定
して約10分間実行される。
Further, after the lower electrode film 33 is formed, as shown in Table 2, the PLZT film 34 is typically subjected to high-frequency sputtering performed at room temperature in an Ar atmosphere under a pressure of 10 mTorr, thereby performing the following. It is formed to a thickness of about 240 nm. Referring to Table 2, the high frequency sputtering was performed for about 10 minutes at a high frequency plasma power of 1.5 kW.

【0028】[0028]

【表2】 [Table 2]

【0029】その際、後で説明するように、本実施例で
は形成されるPLZT膜34に印加される磁場の大きさ
を、500Gauss以下に制御している。次に、この
ようにして得られた構造は熱処理され、前記PLZT膜
34が結晶化されると同時に、前記PLZT膜34中に
酸素が供給される。かかる酸化雰囲気中におけるPLZ
T膜34の熱処理により、膜34中の酸素欠陥が消滅す
る。さらに、前記PLZT膜34上にPtよりなる上側
電極膜35が、表3に示すように室温での直流スパッタ
リングにより、約100nmの厚さに形成される。表3
を参照するに、上側電極膜35の形成はArプラズマ中
において直流プラズマパワーを約0.3kWに設定する
ことにより実行される。表3の例ではArの分圧は5m
Torrに設定され、スパッタリングは約200秒間継
続される。
At this time, as will be described later, in this embodiment, the magnitude of the magnetic field applied to the formed PLZT film 34 is controlled to 500 Gauss or less. Next, the structure thus obtained is heat-treated, and the PLZT film 34 is crystallized, and at the same time, oxygen is supplied into the PLZT film 34. PLZ in such an oxidizing atmosphere
Due to the heat treatment of the T film 34, oxygen defects in the film 34 disappear. Further, an upper electrode film 35 of Pt is formed on the PLZT film 34 by DC sputtering at room temperature to a thickness of about 100 nm as shown in Table 3. Table 3
, The upper electrode film 35 is formed by setting the DC plasma power to about 0.3 kW in Ar plasma. In the example of Table 3, the partial pressure of Ar is 5 m.
Set to Torr, sputtering continues for about 200 seconds.

【0030】[0030]

【表3】 [Table 3]

【0031】さらに、図4(B)の工程で、前記上側電
極膜35およびPLZT膜34に対して表4に示す条件
でプラズマエッチングをそれぞれ行なうことにより、所
望の強誘電体キャパシタ30が形成される。
Further, in the step of FIG. 4B, a desired ferroelectric capacitor 30 is formed by performing plasma etching on the upper electrode film 35 and the PLZT film 34 under the conditions shown in Table 4, respectively. You.

【0032】[0032]

【表4】 [Table 4]

【0033】かかる強誘電体キャパシタ30において、
本発明の発明者は、前記PLZT膜34を図3のスパッ
タ装置中においてスパッタリングにより形成する際に、
ターゲットに印加される磁場が、スパッタリングの結果
得られるPLZT膜34の特性、特に残留分極2Prの
値および膜の分極を反転させるのに必要な電界の大きさ
に実質的な影響を与えることを見出した。さらに本発明
の発明者は、前記PLZT膜34の特性を最適化する磁
場の値が、前記PLZT膜34に対して施される熱処理
によって変化することを見出した。
In such a ferroelectric capacitor 30,
When the inventor of the present invention forms the PLZT film 34 by sputtering in the sputtering apparatus of FIG.
It has been found that the magnetic field applied to the target substantially affects the characteristics of the PLZT film 34 obtained as a result of sputtering, in particular, the value of the remanent polarization 2Pr and the magnitude of the electric field required to reverse the polarization of the film. Was. Furthermore, the inventor of the present invention has found that the value of the magnetic field for optimizing the characteristics of the PLZT film 34 changes by the heat treatment applied to the PLZT film 34.

【0034】表5は、前記PLZT膜34をスパッタリ
ングにより堆積する際にターゲット中心部における磁場
の強さを349Gaussおよび270Gaussに設
定し、得られたPLZT膜34をさらに酸化雰囲気中、
約750°Cで60秒間、急速熱処理工程(RTA)に
より熱処理した場合の、残留分極の値2Pr,前記2P
rの値を90%飽和させる電圧の値V(90),+5V
および−5Vの電圧を印加した場合のリーク電流の値,
前記PLZT膜34の組成をPbx (Zr,Ti,L
a)O3 と表した場合における、堆積直後での膜34中
のPbの比率xの値、前記PLZT膜34を酸化雰囲気
中、750°Cで急速熱処理した後における、前記Pb
の比率xの減少量、さらにX線回折により求めた、前記
PLZT膜34中における(111)面方位を有するP
LZT結晶の割合を示す。ただし、Pbの比率xは、I
CP法(inductively coupled plasma spectroscopy )
により求めたものである。
Table 5 shows that when the PLZT film 34 is deposited by sputtering, the magnetic field strength at the center of the target is set to 349 Gauss and 270 Gauss, and the obtained PLZT film 34 is further placed in an oxidizing atmosphere.
The value of remanent polarization 2Pr, 2P when heat-treated at about 750 ° C. for 60 seconds by a rapid heat treatment process (RTA).
Voltage value V (90), + 5V that saturates the value of r by 90%
And the value of the leakage current when a voltage of -5 V is applied,
The composition of the PLZT film 34 is Pb x (Zr, Ti, L
a) The value of the ratio x of Pb in the film 34 immediately after the deposition, expressed as O 3, and the Pb after the PLZT film 34 was subjected to a rapid heat treatment at 750 ° C. in an oxidizing atmosphere.
Of the (111) plane orientation in the PLZT film 34, obtained by X-ray diffraction.
The ratio of LZT crystal is shown. However, the ratio x of Pb is I
CP method (inductively coupled plasma spectroscopy)
It was obtained by:

【0035】[0035]

【表5】 表5を参照するに、前記スパッタリングの際の磁場の大
きさを349Gaussに設定した場合には、前記磁場
の大きさを270Gaussに設定した場合に比べて、
残留分極2Prの値が約2倍大きくなり、V(90)の
値が7割以下に減少し、さらにリーク電流の値が二桁減
少するのがわかる。この理由は十分には解明されていな
いが、酸化雰囲気中における熱処理に伴うPLZT膜3
4からのPbの離脱量が、前記膜34の堆積を349G
aussの磁場の下で行なった場合の方が、270Ga
ussの磁場の下で行なった場合よりも減少しているこ
と、および前記PLZT膜34中における(111)面
方位を有するPLZT結晶の割合が増大していることに
関係があるものと考えられる。
[Table 5] Referring to Table 5, when the magnitude of the magnetic field at the time of the sputtering is set to 349 Gauss, compared to the case where the magnitude of the magnetic field is set to 270 Gauss,
It can be seen that the value of the remanent polarization 2Pr is about twice as large, the value of V (90) is reduced to 70% or less, and the value of the leak current is reduced by two digits. Although the reason for this is not fully understood, the PLZT film 3 accompanying the heat treatment in an oxidizing atmosphere is not described.
4, the amount of Pb released from the film 34 was 349 G
270Ga when performed under the magnetic field of auss
This is considered to be related to the fact that it is smaller than the case where it is performed under the magnetic field of uss, and that the proportion of the PLZT crystal having the (111) plane orientation in the PLZT film 34 is increasing.

【0036】表5の関係は、堆積直後における前記PL
ZT膜34の組成がスパッタリング工程の際ターゲット
に印加される磁場の大きさにより大きく変化することを
表しており、特に前記磁場の大きさが減少するにつれ
て、堆積されたPLZT膜34中に取り込まれるPbの
量が減少する傾向を示している。膜34中に取り込まれ
たPb原子は、PbOの形でPLZT膜34、特に膜3
4中において(111)配向を有する結晶粒の結晶核を
形成するものと考えられ、このことから、前記PLZT
膜34の堆積工程においては、ターゲットに270Ga
ussと349Gaussのほぼ中間の、約300Ga
uss以上の磁場、より好ましくは約349Gauss
以上の磁場を印加するのが望ましいことが結論される。
なお、前記酸化雰囲気中のおける急速熱処理工程は、4
00〜900°Cの範囲の温度で行なうことができる。
また、前記PLZT膜34の組成自体は、前記ターゲッ
トの組成を前記Pbの離脱量を考慮して調整することに
より、所望の組成に制御される。
Table 5 shows the relationship between the PL immediately after the deposition.
This indicates that the composition of the ZT film 34 greatly changes depending on the magnitude of the magnetic field applied to the target during the sputtering process. In particular, as the magnitude of the magnetic field decreases, the composition is taken into the deposited PLZT film 34. It shows a tendency that the amount of Pb decreases. The Pb atoms incorporated in the film 34 are converted into PbO in the PLZT film 34,
4 is considered to form a crystal nucleus of a crystal grain having a (111) orientation.
In the deposition step of the film 34, 270 Ga
usS and 349 Gauss, approximately 300 Ga
uss or more, more preferably about 349 Gauss
It is concluded that it is desirable to apply the above magnetic field.
Here, the rapid heat treatment step in the oxidizing atmosphere includes the following steps.
It can be performed at a temperature in the range of 00 to 900 ° C.
The composition of the PLZT film 34 is controlled to a desired composition by adjusting the composition of the target in consideration of the amount of Pb released.

【0037】これに対し、表6は、前記PLZT膜34
をスパッタリングにより堆積する際にターゲット中心部
における磁場の強さを表5の場合と同様に349Gau
ssおよび270Gaussに設定し、得られたPLZ
T膜34を最初Ar雰囲気中、約625°Cで約10秒
間、次いで酸化雰囲気中、約750°Cで60秒間熱処
理した場合の、残留分極の値2Pr,前記2Prの値を
90%飽和させる電圧の値V(90),+5Vおよび−
5Vの電圧を印加した場合のリーク電流の値,前記PL
ZT膜34の組成をPbx (Zr,Ti,La)O3
表した場合における、堆積直後における膜34中のPb
の比率xの値、前記PLZT膜34をAr雰囲気中、6
25°Cで急速熱処理した後における、前記Pbの比率
xの減少量、これをさらに酸化雰囲気中、750°Cで
急速熱処理した後における、前記Pbの比率xの減少
量、さらにX線回折により求めた、前記PLZT膜34
中における(111)面方位を有するPLZT結晶の割
合を示す。
On the other hand, Table 6 shows that the PLZT film 34
When depositing by sputtering, the intensity of the magnetic field at the center of the target was set to 349 Gau as in the case of Table 5.
ss and 270 Gauss, the resulting PLZ
When the T film 34 is first heat-treated in an Ar atmosphere at about 625 ° C. for about 10 seconds and then in an oxidizing atmosphere at about 750 ° C. for 60 seconds, the value of the residual polarization 2Pr and the value of the 2Pr are saturated by 90%. Voltage values V (90), + 5V and-
The value of the leakage current when a voltage of 5 V is applied,
When the composition of the ZT film 34 is expressed as Pb x (Zr, Ti, La) O 3 , Pb in the film 34 immediately after the deposition
Of the PLZT film 34 in an Ar atmosphere at 6
The amount of decrease in the ratio x of Pb after rapid heat treatment at 25 ° C., and the amount of decrease in the ratio x of Pb after rapid heat treatment at 750 ° C. in an oxidizing atmosphere. The calculated PLZT film 34
The ratio of the PLZT crystal having the (111) plane orientation in the inside is shown.

【0038】[0038]

【表6】 表6を参照するに、このようにPLZT膜34の熱処理
をAr雰囲気中および酸化雰囲気中で順次行なう場合に
は、前記スパッタリングの際のターゲット中心部におけ
る磁場の大きさを270Gaussに設定した場合の方
が、349Gaussに設定した場合よりもよい結果が
得られる。より具体的には、前記磁場の大きさを270
Gaussに設定することにより、残留分極2Prの絶
対値が34.3μC/cm2 にまで増大し、V(90)
の値が約3.9Vまで減少し、さらにリーク電流の値が
10-6〜10-7A/cm2 程度まで減少するのがわか
る。この理由は十分には解明されていないが、Ar雰囲
気中における熱処理に伴うPLZT膜34からのPbの
離脱量が、前記膜34の堆積を270Gaussの磁場
の下で行なった場合の方が、349Gaussの磁場の
下で行なった場合よりも減少していること、および前記
PLZT膜34中における(111)面方位を有するP
LZT結晶の割合が96.4%と非常に増大しているこ
とに関係があるものと考えられる。
[Table 6] As shown in Table 6, when the heat treatment of the PLZT film 34 is sequentially performed in the Ar atmosphere and the oxidizing atmosphere, the magnitude of the magnetic field at the center of the target during the sputtering is set to 270 Gauss. In this case, a better result can be obtained than when 349 Gauss is set. More specifically, the magnitude of the magnetic field is set to 270
By setting to Gauss, the absolute value of the remanent polarization 2Pr increases to 34.3 μC / cm 2 , and V (90)
Can be seen to decrease to about 3.9 V, and the value of the leakage current further decreases to about 10 -6 to 10 -7 A / cm 2 . Although the reason for this has not been fully elucidated, the amount of Pb released from the PLZT film 34 due to the heat treatment in an Ar atmosphere is more likely to be 349 Gauss when the film 34 is deposited under a magnetic field of 270 Gauss. And that the PZT film has a (111) plane orientation in the PLZT film 34.
This is considered to be related to the fact that the ratio of LZT crystals was extremely increased to 96.4%.

【0039】図5(A),(B)は、図4(A),
(B)の強誘電体キャパシタ30の製造工程において、
前記PLZT膜34をスパッタリングにより堆積する際
の磁場の強度を、ターゲット中心部において270Ga
uss,296Gauss,323Gaussおよび3
49Gaussと変化させ、それぞれの場合について前
記PLZT膜34の熱処理を最初にAr雰囲気中、62
5°Cで10秒間、次いで酸化雰囲気中、750°Cで
60秒間行なった場合の、膜34の残留分極2Prの
値、およびかかるPLZT膜34を使った強誘電体キャ
パシタ30のV(90)の値を、それぞれ示す。
FIGS. 5A and 5B are diagrams corresponding to FIGS.
In the manufacturing process of the ferroelectric capacitor 30 shown in FIG.
The intensity of the magnetic field when depositing the PLZT film 34 by sputtering is set to 270 Ga at the center of the target.
uss, 296 Gauss, 323 Gauss and 3
The heat treatment of the PLZT film 34 was first performed in an Ar atmosphere at 62 Gauss.
The value of the remanent polarization 2Pr of the film 34 and the V (90) of the ferroelectric capacitor 30 using the PLZT film 34 when the film is formed at 5 ° C. for 10 seconds and then at 750 ° C. for 60 seconds in an oxidizing atmosphere. Are shown respectively.

【0040】図5(A)よりわかるように、PLZT膜
34の残留分極2Prの値は、膜34形成時における印
加磁場の大きさ約300Gaussを境に約10μC/
cm 2 から約35μC/cm2 に大きく変化する。同様
に、図5(B)よりわかるように、前記強誘電体キャパ
シタ30のV(90)値も、前記約300Gaussの
印加磁場の値を境に約6Vから約4Vまで急減する。
As can be seen from FIG. 5A, the PLZT film
The value of the remanent polarization 2Pr at the time of forming the film 34 is indicated by the mark.
Approximately 10 μC /
cm TwoFrom about 35μC / cmTwoGreatly change. As well
In addition, as can be seen from FIG.
The V (90) value of the capacitor 30 is also about 300 Gauss.
The value suddenly decreases from about 6 V to about 4 V at the value of the applied magnetic field.

【0041】図5(A),(B)の結果から、前記強誘
電体キャパシタ30の製造工程において、前記PLZT
膜34の熱処理を、Ar雰囲気および酸化雰囲気中にお
いて計2回にわたり行なう場合には、前記PLZT膜3
4堆積時の印加磁場の値を、ターゲット中心部において
350Gauss以下、好ましくは325Gauss以
下、より好ましくは300Gauss以下に設定するの
が望ましいことが結論される。なお、前記Ar雰囲気中
における熱処理、および酸化雰囲気中における熱処理
は、400〜900°Cの温度で行なうことが可能であ
る。
From the results of FIGS. 5A and 5B, in the manufacturing process of the ferroelectric capacitor 30, the PLZT
When the heat treatment of the film 34 is performed twice in total in an Ar atmosphere and an oxidizing atmosphere, the PLZT film 3
It is concluded that it is desirable to set the value of the applied magnetic field at the time of deposition to 350 Gauss or less, preferably 325 Gauss or less, more preferably 300 Gauss or less at the center of the target. The heat treatment in the Ar atmosphere and the heat treatment in the oxidizing atmosphere can be performed at a temperature of 400 to 900 ° C.

【0042】一方、図3のスパッタ装置によりPLZT
膜等の強誘電体膜を基板4上に堆積する場合には、前記
ターゲット6に印加される磁場の大きさは、プラズマを
十分に絞るために、100Gauss以上に保持するこ
とが望ましい。また、強誘電体膜を図3のスパッタ装置
において堆積する場合、ターゲット6に印加される磁場
の大きさは、堆積速度制御および膜配向上の理由によ
り、約500Gauss以下に保持するのが望ましい。
On the other hand, the PLZT
When a ferroelectric film such as a film is deposited on the substrate 4, the magnitude of the magnetic field applied to the target 6 is desirably maintained at 100 Gauss or more in order to sufficiently reduce the plasma. When a ferroelectric film is deposited by the sputtering apparatus shown in FIG. 3, it is desirable that the magnitude of the magnetic field applied to the target 6 be kept at about 500 Gauss or less for reasons of deposition rate control and film orientation.

【0043】本実施例において前記下側電極33および
上側電極35はPtに限定されるものではなく、Ir,
IrO2 あるいはこれらの複合膜であってもよい。ま
た、前記強誘電体膜24はPZTあるいはPLZTに限
定されるものではなく、BaTiO3 ,SrTiO3
LiNbO3 、あるいはこれらの固溶体であってもよ
い。
In this embodiment, the lower electrode 33 and the upper electrode 35 are not limited to Pt.
IrO 2 or a composite film thereof may be used. Further, the ferroelectric film 24 is not limited to PZT or PLZT, but may be made of BaTiO 3 , SrTiO 3 ,
LiNbO 3 or a solid solution thereof may be used.

【0044】[第2実施例]図6(A)〜8(I)は本
発明の第2実施例によるFeRAMの製造工程を示す図
である。図6(A)を参照するに、p−型Si基板51
上にはフィールド酸化膜52によりメモリセル領域が形
成される。さらに、前記Si基板51上にはゲート絶縁
膜53が前記メモリセル領域を覆うように形成され、ゲ
ート電極54が前記ゲート絶縁膜53上に、通常のMO
Sトランジスタと同様に形成される。ゲート電極54は
メモリセル領域を横断するワード線の一部を構成する。
さらに、基板51中には、前記ゲート電極54の両側に
n型の拡散領域55,56が、ゲート電極54を自己整
合マスクに使って形成される。
[Second Embodiment] FIGS. 6A to 8I are views showing a manufacturing process of an FeRAM according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 6A, a p-type Si substrate 51 is formed.
A memory cell region is formed thereon by a field oxide film 52. Further, a gate insulating film 53 is formed on the Si substrate 51 so as to cover the memory cell region, and a gate electrode 54 is formed on the gate insulating film 53 by a normal MO.
It is formed similarly to the S transistor. Gate electrode 54 forms a part of a word line crossing the memory cell region.
Further, in the substrate 51, n-type diffusion regions 55 and 56 are formed on both sides of the gate electrode 54 using the gate electrode 54 as a self-alignment mask.

【0045】MOSトランジスタがこのようにして形成
された後、前記基板51上にはゲート電極54を覆うよ
うにSiO2 膜57が形成され、前記SiO2 膜57中
には周知のフォトリソグラフィー法により、前記拡散領
域55を露出するコンタクトホールが形成される。さら
に、前記コンタクトホールの形成の後、前記SiO2
57上にはWSi膜が前記コンタクトホールを含むよう
に堆積され、その結果前記WSi膜は前記コンタクトホ
ールにおいて前記拡散領域55とコンタクトする。この
WSi膜をパターニングすることにより、図6(A)に
示すビット線電極58が形成される。
After the MOS transistor is formed in this manner, an SiO 2 film 57 is formed on the substrate 51 so as to cover the gate electrode 54, and the SiO 2 film 57 is formed in the SiO 2 film 57 by a well-known photolithography method. Then, a contact hole exposing the diffusion region 55 is formed. Further, after the formation of the contact hole, a WSi film is deposited on the SiO 2 film 57 so as to include the contact hole. As a result, the WSi film contacts the diffusion region 55 in the contact hole. By patterning this WSi film, a bit line electrode 58 shown in FIG. 6A is formed.

【0046】次に、図6(B)の工程において、典型的
にはSiO2 よりなる層間絶縁膜59が図6(A)の構
造上に堆積され、例えばCMP(化学機械研磨)法を使
った平坦化の後、前記層間絶縁膜59中に拡散領域56
を露出する深いコンタクトホール60が、高解像度フォ
トリソグラフィーにより形成される。次に、図6(C)
の工程において、図6(B)の構造上に、Pによりn+
型にドープされたポリシリコン膜61が、CVD法によ
り、前記ポリシリコンSi膜61が前記コンタクトホー
ル60を充填するように堆積され、さらに図7(D)の
工程において前記ポリシリコン膜61をドライエッチン
グにより層間絶縁膜59の表面が露出するまでエッチバ
ックすることにより、前記コンタクトホールをポリシリ
コンプラグ62が充填した構造が得られる。
Next, in the step of FIG. 6B, an interlayer insulating film 59 typically made of SiO 2 is deposited on the structure of FIG. 6A, for example, by using a CMP (chemical mechanical polishing) method. After the planarization, the diffusion region 56 is formed in the interlayer insulating film 59.
Is formed by high-resolution photolithography. Next, FIG.
In the step, P + is added to the structure of FIG.
A polysilicon film 61 doped with a mold is deposited by a CVD method so that the polysilicon Si film 61 fills the contact hole 60. Further, in the step of FIG. By etching back until the surface of the interlayer insulating film 59 is exposed by etching, a structure in which the contact holes are filled with the polysilicon plugs 62 is obtained.

【0047】図7(D)の工程では、さらに前記層間絶
縁膜59上にTi膜(図示せず)が前記ポリシリコンプ
ラグ62を覆うように形成され、さらにその上にPt,
IrあるいはIrO2 を含む導体膜63が、スパッタリ
ングにより、例えば表1に示す条件で形成される。本実
施例では、図7(D)の工程において前記導体膜63
が、さらにAr雰囲気中において典型的には650°C
で1〜60秒間急速熱処理を加えられ、その結果前記T
i密着膜から前記導体膜63にTiが拡散し、前記導体
膜63表面において成長核となるTiOx が形成され
る。
In the step of FIG. 7D, a Ti film (not shown) is further formed on the interlayer insulating film 59 so as to cover the polysilicon plug 62, and Pt,
The conductor film 63 containing Ir or IrO 2 is formed by sputtering, for example, under the conditions shown in Table 1. In the present embodiment, in the step of FIG.
But typically at 650 ° C. in an Ar atmosphere
Rapid heat treatment for 1 to 60 seconds.
Ti diffuses from the i-adhesion film into the conductor film 63, and TiO x serving as a growth nucleus is formed on the surface of the conductor film 63.

【0048】次に図7(E)の工程で、前記導体膜63
上にPZTあるいはPLZTよりなる強誘電体膜64
が、表2に示す条件のスパッタにより、ターゲット中心
部における磁場の強度を270Gauss以上、好まし
くは349Gauss以上になるように設定して形成さ
れる。堆積された強誘電体膜64は酸化雰囲気中、約7
50°Cで急速加熱処理することにより結晶化され、強
誘電体膜64中に形成されやすい酸素欠陥が解消され
る。
Next, in the step of FIG.
Ferroelectric film 64 made of PZT or PLZT on top
Are formed by sputtering under the conditions shown in Table 2 so that the intensity of the magnetic field at the center of the target is set to 270 Gauss or more, preferably 349 Gauss or more. The deposited ferroelectric film 64 is oxidized at about 7
Oxygen defects which are crystallized by rapid heating at 50 ° C. and easily formed in the ferroelectric film 64 are eliminated.

【0049】あるいは、図7(E)の工程で、前記強誘
電体膜64のスパッタリングを、ターゲット中心部にお
ける磁場の強度が349Gauss以下、好ましくは3
23Gauss以下、より好ましくは296Gauss
以下、最も好ましくは270Gauss以下になるよう
に設定して実行してもよい。この場合には、前記強誘電
体膜64の熱処理を、最初にAr雰囲気中、625°C
で約10秒間、続いて酸化雰囲気中、750°Cで約6
0秒間実行する。
Alternatively, in the step of FIG. 7E, the sputtering of the ferroelectric film 64 is performed by setting the magnetic field intensity at the center of the target to 349 Gauss or less, preferably 3 Gauss.
23 Gauss or less, more preferably 296 Gauss
Hereinafter, it may be set and executed most preferably to be 270 Gauss or less. In this case, the heat treatment of the ferroelectric film 64 is first performed at 625 ° C. in an Ar atmosphere.
For about 10 seconds, followed by about 6 seconds at 750 ° C. in an oxidizing atmosphere.
Run for 0 seconds.

【0050】次に、図7(F)の工程において、前記P
ZT膜64およびその下の導体膜63は表4に示す条件
でプラズマエッチングを行なうことにより所望のパター
ンにパターニングされ、その結果、強誘電体キャパシタ
を構成する下側電極65およびキャパシタ絶縁膜66が
形成される。次に、図8(G)の工程で、図7(F)の
構造上に前記キャパシタ絶縁膜66を覆うようにSiO
2 膜67がCVD法により堆積され、さらに前記SiO
2 膜67中に前記キャパシタ絶縁膜66を露出するコン
タクトホール68が形成される。さらに、図8(H)の
工程において、前記SiO2 膜67上に露出したキャパ
シタ絶縁膜66を覆うようにPtパターン69が、表3
に示す条件でスパッタリングを行なうことにより強誘電
体キャパシタの上側電極として形成され、さらに図8
(I)の工程において、前記SiO2 膜67上に前記上
側電極69を覆うように層間絶縁膜70が形成される。
また、前記層間絶縁膜70上には配線パターン71が形
成される。
Next, in the step of FIG.
The ZT film 64 and the conductor film 63 thereunder are patterned into a desired pattern by performing plasma etching under the conditions shown in Table 4, so that the lower electrode 65 and the capacitor insulating film 66 constituting the ferroelectric capacitor are formed. It is formed. Next, in the step of FIG. 8 (G), SiO 2 is formed on the structure of FIG.
2 film 67 is deposited by a CVD method,
A contact hole 68 exposing the capacitor insulating film 66 is formed in the second film 67. Further, in the step of FIG. 8H, a Pt pattern 69 is formed so as to cover the capacitor insulating film 66 exposed on the SiO 2 film 67 as shown in Table 3.
8 is formed as an upper electrode of a ferroelectric capacitor by performing sputtering under the conditions shown in FIG.
In the step (I), an interlayer insulating film 70 is formed on the SiO 2 film 67 so as to cover the upper electrode 69.
A wiring pattern 71 is formed on the interlayer insulating film 70.

【0051】このようにして製造された半導体装置で
は、強誘電体膜66のスパッタリングによる堆積時にタ
ーゲットに印加される磁場の大きさが、前記膜66が堆
積後に受ける熱処理との組み合わせで最適化されるた
め、前記強誘電体膜66中の残留分極2Prの値は最大
化され、同時に前記キャパシタへの書き込みに要する電
圧V(90)は最小化される。
In the semiconductor device manufactured as described above, the magnitude of the magnetic field applied to the target when the ferroelectric film 66 is deposited by sputtering is optimized in combination with the heat treatment that the film 66 undergoes after the deposition. Therefore, the value of the remanent polarization 2Pr in the ferroelectric film 66 is maximized, and at the same time, the voltage V (90) required for writing to the capacitor is minimized.

【0052】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において
様々な変形・変更が可能である。
Although the present invention has been described with reference to the preferred embodiments, the present invention is not limited to such specific embodiments, and various modifications and changes may be made within the scope of the appended claims. is there.

【0053】[0053]

【発明の効果】本発明によれば、前記強誘電体膜をスパ
ッタリングにより堆積する際に、スパッタターゲットに
印加される磁場の強さを最適化することにより、また印
加される磁場の強さに応じて強誘電体膜の結晶化工程を
最適化することにより、形成された強誘電体膜の残留分
極を最大化することができる。また、このように最適化
された条件下で形成された強誘電体膜では分極を反転さ
せるのに必要な電界の大きさが減少し、これに伴い、か
かる強誘電体膜を使った半導体装置において書き込み電
圧を実質的に減少させることが可能になる。
According to the present invention, when the ferroelectric film is deposited by sputtering, the strength of the magnetic field applied to the sputter target is optimized, and the strength of the applied magnetic field is reduced. By optimizing the crystallization process of the ferroelectric film accordingly, the remanent polarization of the formed ferroelectric film can be maximized. In addition, in the ferroelectric film formed under such optimized conditions, the magnitude of the electric field required for reversing the polarization is reduced, and accordingly, a semiconductor device using such a ferroelectric film is used. In this case, the writing voltage can be substantially reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来の強誘電体キャパシタを有する半導体記憶
装置の構成を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conventional semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor.

【図2】図1の強誘電体キャパシタに使われる強誘電体
膜の自発分極特性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing spontaneous polarization characteristics of a ferroelectric film used in the ferroelectric capacitor of FIG.

【図3】本発明において、強誘電体膜の堆積に使われる
スパッタ装置の構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a sputtering apparatus used for depositing a ferroelectric film in the present invention.

【図4】(A),(B)は、本発明の第1実施例による
強誘電体キャパシタの製造工程を示す図である。
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing a manufacturing process of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention.

【図5】(A),(B)は、様々な磁場中でスパッタさ
れた強誘電体膜について、Ar雰囲気中における急速熱
処理工程と酸化雰囲気中における急速熱処理工程とを行
なった後で特性を調べた結果を示す図である。
FIGS. 5A and 5B show the characteristics of a ferroelectric film sputtered in various magnetic fields after a rapid heat treatment step in an Ar atmosphere and a rapid heat treatment step in an oxidizing atmosphere; It is a figure showing the result of examination.

【図6】(A)〜(C)は本発明の第2実施例による強
誘電体記憶装置の製造工程を示す図(その1)である。
FIGS. 6A to 6C are diagrams illustrating a manufacturing process of a ferroelectric memory device according to a second embodiment of the present invention (part 1).

【図7】(D)〜(F)は本発明の第2実施例による強
誘電体記憶装置の製造工程を示す図(その2)である。
FIGS. 7 (D) to 7 (F) are views (No. 2) showing the steps of manufacturing the ferroelectric memory device according to the second embodiment of the present invention.

【図8】(G)〜(I)は本発明の第2実施例による強
誘電体記憶装置の製造工程を示す図(その3)である。
FIGS. 8G to 8I are diagrams (No. 3) showing the steps of manufacturing the ferroelectric memory device according to the second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 スパッタ装置 2 堆積室 2A 排気ポート 2B 導入ポート 3 基板ホルダ 4 基板 5 ターゲットホルダ 6 ターゲット 7 高周波電力端子 11,31,51 基板 30 強誘電体キャパシタ 32 SiO2 膜 33A Ti密着膜 33 下側電極膜 34 強誘電体膜 35 上側電極膜 52 フィールド酸化膜 53 ゲート絶縁膜 54 ゲート電極 55,56 拡散領域 57 CVD絶縁膜 58 ビット線電極 59,70 層間絶縁膜 60 コンタクトホール 61 ポリシリコン膜 62 ポリシリコンプラグ 63 Pt/Ti膜 64 PLZT膜 65 下側電極 66 強誘電体膜 67 絶縁膜 68 コンタクトホール 69 上側電極 71 配線パターンReference Signs List 1 sputtering apparatus 2 deposition chamber 2A exhaust port 2B introduction port 3 substrate holder 4 substrate 5 target holder 6 target 7 high-frequency power terminal 11, 31, 51 substrate 30 ferroelectric capacitor 32 SiO 2 film 33A Ti adhesion film 33 lower electrode film 34 ferroelectric film 35 upper electrode film 52 field oxide film 53 gate insulating film 54 gate electrode 55, 56 diffusion region 57 CVD insulating film 58 bit line electrode 59, 70 interlayer insulating film 60 contact hole 61 polysilicon film 62 polysilicon plug 63 Pt / Ti film 64 PLZT film 65 Lower electrode 66 Ferroelectric film 67 Insulating film 68 Contact hole 69 Upper electrode 71 Wiring pattern

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/203 H01L 21/203 S 5G303 21/316 21/316 Y 27/04 27/04 C 21/822 27/10 621Z 27/108 651 21/8242 29/78 371 21/8247 29/788 29/792 Fターム(参考) 5F001 AA17 AD12 AD62 AG01 AG30 5F038 AC05 AC09 AC15 DF05 EZ14 EZ17 5F058 BA11 BC01 BC03 BF11 BF12 BH01 BH02 BH03 5F083 AD21 FR01 FR02 GA05 JA13 JA15 JA35 JA38 JA39 JA43 MA06 MA17 PR22 PR33 PR34 5F103 AA08 BB14 BB22 DD27 GG02 HH03 LL14 PP03 5G303 AA10 AB20 BA03 CA01 CB15 CB25 CB35 CB39 DA01 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI Theme coat ゛ (Reference) H01L 21/203 H01L 21/203 S 5G303 21/316 21/316 Y 27/04 27/04 C 21/822 27/10 621Z 27/108 651 21/8242 29/78 371 21/8247 29/788 29/792 F term (reference) 5F001 AA17 AD12 AD62 AG01 AG30 5F038 AC05 AC09 AC15 DF05 EZ14 EZ17 5F058 BA11 BC01 BC03 BF11 BF12 BH01 BH02 BH03 5F083 AD21 FR01 FR02 GA05 JA13 JA15 JA35 JA38 JA39 JA43 MA06 MA17 PR22 PR33 PR34 5F103 AA08 BB14 BB22 DD27 GG02 HH03 LL14 PP03 5G303 AA10 AB20 BA03 CA01 CB15 CB25 CB35 CB39 DA01

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 強誘電体キャパシタを有する半導体装置
の製造方法において、 基板上に下側電極を形成する工程と、 前記下側電極上に強誘電体膜を堆積する工程と、 前記強誘電体膜を酸化雰囲気中における単一の急速熱処
理工程により熱処理し、結晶化する工程と、 前記強誘電体膜上に上側電極を形成する工程とを含み、 前記強誘電体膜を堆積する工程は、スパッタリングによ
り、ターゲット中心における磁場の強度を約270Ga
uss以上に設定して実行されることを特徴とする半導
体装置の製造方法。
1. A method for manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, comprising: forming a lower electrode on a substrate; depositing a ferroelectric film on the lower electrode; Heat-treating the film by a single rapid heat-treating step in an oxidizing atmosphere, crystallizing; and forming an upper electrode on the ferroelectric film, and depositing the ferroelectric film, The strength of the magnetic field at the center of the target is reduced to about 270 Ga by sputtering.
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is performed by setting the value to at least uss.
【請求項2】 前記強誘電体膜を結晶化する工程は、前
記磁場の強度を約349Gauss以上に設定して実行
されることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製
造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the step of crystallizing the ferroelectric film is performed by setting the intensity of the magnetic field to about 349 Gauss or more.
【請求項3】 強誘電体キャパシタを有する半導体装置
の製造方法において、 基板上に下側電極を形成する工程と、 前記下側電極上に強誘電体膜を堆積する工程と、 前記強誘電体膜を、不活性雰囲気中における第1の急速
熱処理工程と、酸化雰囲気中における第2の急速熱処理
工程とにより熱処理し、結晶化する工程と、 前記強誘電体膜上に上側電極を形成する工程とを含み、 前記強誘電体膜を堆積する工程は、スパッタリングによ
り、ターゲット中心における磁場の強度を、100Ga
uss以上、349Gauss以下に設定して実行され
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
3. A method for manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, comprising: forming a lower electrode on a substrate; depositing a ferroelectric film on the lower electrode; Heat-treating and crystallizing the film by a first rapid heat treatment step in an inert atmosphere and a second rapid heat treatment step in an oxidizing atmosphere; and forming an upper electrode on the ferroelectric film. Wherein the step of depositing the ferroelectric film comprises:
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein the method is performed by setting the value to at least uss and at most 349 Gauss.
【請求項4】 基板上に下側電極を形成する工程と、 前記下側電極上に強誘電体膜を堆積する工程と、 前記強誘電体膜を、酸化雰囲気中における第1の急速熱
処理工程と、不活性雰囲気中における第2の急速熱処理
工程とにより熱処理し、結晶化する工程と、 前記強誘電体膜上に上側電極を形成する工程とを含み、 前記強誘電体膜を堆積する工程は、スパッタリングによ
り、ターゲット中心における磁場の強度を、100Ga
uss以上、349Gauss以下に設定して実行され
ることを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。
4. A step of forming a lower electrode on a substrate; a step of depositing a ferroelectric film on the lower electrode; and a first rapid heat treatment step of subjecting the ferroelectric film to an oxidizing atmosphere. Heat treating and crystallizing by a second rapid heat treatment step in an inert atmosphere; and forming an upper electrode on the ferroelectric film, and depositing the ferroelectric film. Is to reduce the intensity of the magnetic field at the center of the target by sputtering to 100 Ga
A method for manufacturing a ferroelectric capacitor, wherein the method is performed by setting the value to at least uss and at most 349 Gauss.
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