JP2001102544A - Thin-film capacitor and manufacturing method therefor - Google Patents

Thin-film capacitor and manufacturing method therefor

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JP2001102544A
JP2001102544A JP28035499A JP28035499A JP2001102544A JP 2001102544 A JP2001102544 A JP 2001102544A JP 28035499 A JP28035499 A JP 28035499A JP 28035499 A JP28035499 A JP 28035499A JP 2001102544 A JP2001102544 A JP 2001102544A
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JP
Japan
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film
capacitor
layer
lower electrode
thin film
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JP28035499A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenya Sano
賢也 佐野
Ryoichi Ohara
亮一 尾原
Takashi Kawakubo
隆 川久保
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable thin-film capacitor, having satisfactory capacitor characteristics and its manufacturing method by avoiding roughness and delamination at an interface between a lower electrode and buffer layer. SOLUTION: A barrier layer 2, a lower electrode layer 4, dielectric thin film 5, and an upper electrode layer 6 are formed on a semiconductor substrate. Between the barrier layer 2 and lower electrode layer 4, a buffer layer 3 including an oxide, which is mainly made of anatase, is interposed.

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、半導体記憶装置な
どに用いられる薄膜キャパシタおよびその製造方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film capacitor used for a semiconductor memory device and the like and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、集積回路技術の発達によって、半
導体記憶装置がますます小型化されてきており、半導体
記憶装置に必須の回路である薄膜キャパシタも、一層の
小型化が要望されている。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor memory devices have been increasingly miniaturized with the development of integrated circuit technology, and further miniaturization of thin film capacitors, which are essential circuits for semiconductor memory devices, has been demanded.

【0003】従来の半導体記憶装置に用いられる薄膜キ
ャパシタは、トランジスタ等の能動素子と同一の基板に
溝を掘って蓄積容量膜を形成するトレンチ型キャパシタ
や、基板上に蓄積容量膜を積み上げるスタック型のキャ
パシタ等の立体構造を有し、これらは蓄積容量の面積を
実効的に大きくすることで高集積化を図ってきた。
A thin film capacitor used in a conventional semiconductor memory device is a trench capacitor in which a storage capacitor film is formed by digging a groove in the same substrate as an active element such as a transistor, or a stack capacitor in which a storage capacitor film is stacked on a substrate. These capacitors have a three-dimensional structure, and these have been designed for high integration by effectively increasing the area of the storage capacitor.

【0004】しかしながら、能動素子の小型化が急速化
する一方で、薄膜キャパシタの小型化は比較的遅れてお
り、このことは、特に半導体記憶装置のより一層の高集
積化をはばむ大きな要因となっている。その理由は、従
来用いられてきた誘電体材料が、シリコン酸化物(Si
O2)やシリコン窒化物(Si3N4)などのように、
誘電率が高々10以下の材料に限られているからであ
り、薄膜キャパシタの小型化のためには、誘電率のより
大きな誘電体の開発が要求されている。
However, while the miniaturization of active elements has been accelerated, the miniaturization of thin-film capacitors has been relatively delayed, which is a major factor in preventing further high integration of semiconductor memory devices. ing. The reason is that the conventionally used dielectric material is silicon oxide (Si)
O2) and silicon nitride (Si3N4)
This is because the dielectric constant is limited to a material having a dielectric constant of at most 10 or less, and in order to reduce the size of the thin film capacitor, the development of a dielectric having a higher dielectric constant is required.

【0005】ペロブスカイト型酸化物であるSrTiO
、BaTiO、PbTiO、PbZrOなど
は、単一組成ならびに相互の固溶体組成で、100以
上、1000にも及ぶ誘電率を有することが知られてお
り、セラミックコンデンサに広く用いられている。
[0005] SrTiO which is a perovskite oxide
3 , BaTiO 3 , PbTiO 3 , PbZrO 3, etc. are known to have a single composition and a mutual solid solution composition and have a dielectric constant of 100 or more and even 1000, and are widely used for ceramic capacitors.

【0006】これらの材料の薄膜化は、上述の薄膜キャ
パシタの小型化にきわめて有効であり、かなり以前から
研究が行われてきており、比較的良好な特性のものが得
られている。特に、SrTiO(STO)、Bal−
xSrxTiO(BSTO)は、DRAM用キャパシ
タとして現在盛んに検討が行われている。
The thinning of these materials is extremely effective in reducing the size of the above-mentioned thin film capacitors, and has been studied for some time, and relatively good characteristics have been obtained. In particular, SrTiO 3 (STO), Bal-
xSrxTiO 3 (BSTO) is currently being actively studied as a DRAM capacitor.

【0007】一方、記憶媒体として強誘電体薄膜を用い
た記憶装置(強誘電体メモリ:FeRAM)の開発が行
われている。強誘電体は不揮発性であり、電源をおとし
た後も記憶内容が失われず、しかも強誘電体の膜厚が充
分薄い場合には自発分極の反転が早く、DRAM並みに
高速の書き込みおよび読み出しが可能である等の特徴を
有している。また、1ビットのメモリセルを1つのトラ
ンジスタと1つの強誘電体薄膜キャパシタで構成するこ
とが出来るため、大容量化にも適している。
On the other hand, a storage device (ferroelectric memory: FeRAM) using a ferroelectric thin film as a storage medium has been developed. The ferroelectric material is non-volatile, so that its memory contents are not lost even after power is turned off, and when the ferroelectric film thickness is sufficiently thin, the spontaneous polarization is reversed quickly, and writing and reading are as fast as DRAM. Is possible. Further, since a 1-bit memory cell can be composed of one transistor and one ferroelectric thin film capacitor, it is suitable for increasing the capacity.

【0008】ここで、強誘電体メモリに用いる強誘電体
薄膜には、以下の特徴を有することが求められている。
Here, a ferroelectric thin film used for a ferroelectric memory is required to have the following characteristics.

【0009】(1)残留分極が大きいこと、(2)抗電
圧が小さいこと、(3)残留分極の温度依存性が小さい
こと、(4)残留分極の長時間保持が可能である(リテ
ンション)等の特徴を有すること。
(1) The remanent polarization is large, (2) the coercive voltage is small, (3) the temperature dependence of the remanent polarization is small, and (4) the remanent polarization can be maintained for a long time (retention). Have the features such as.

【0010】現在、誘電体材料としては、主としてジル
コン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O(以下PZ
Tと略する)が用いられている。PZTは、ジルコン酸
鉛とチタン酸鉛の固溶体であるが、ほぼ1:1のモル比
で固溶したものは自発分極が大きく、低い電界でも反転
することができるので、記憶媒体として優れていると考
えられている。また、PZTは、強誘電体相と常誘電体
相の転位温度(キュリー温度)が573Kと比較的高い
ため、記憶された内容が熱によって失われる可能性が少
ないという利点を有している。
At present, as a dielectric material, mainly lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 (hereinafter PZ)
T). PZT is a solid solution of lead zirconate and lead titanate. A solid solution having a molar ratio of about 1: 1 is excellent as a storage medium because it has a large spontaneous polarization and can be inverted even in a low electric field. It is believed that. Further, PZT has an advantage that the stored contents are less likely to be lost due to heat because the dislocation temperature (Curie temperature) of the ferroelectric phase and the paraelectric phase is relatively high at 573K.

【0011】しかしながら、PZTは、良質な膜を作成
することが困難であることが知られている。その理由
は、第一に、PZTの主成分である鉛は773K以上で
蒸発しやすく、そのため、組成の正確な制御が難しい。
第二に、PZTはペロブスカイト結晶構造を有する時に
初めて強誘電特性が現れるが、このペロブスカイト型結
晶構造を有するPZTは得にくく、パイロクロア型結晶
構造の方が容易に形成されるという問題がある。
However, it is known that PZT is difficult to produce a high quality film. The first reason is that lead, which is the main component of PZT, is likely to evaporate at 773K or higher, so that it is difficult to control the composition accurately.
Second, PZT exhibits ferroelectric properties only when it has a perovskite crystal structure. However, PZT having this perovskite crystal structure is difficult to obtain, and the pyrochlore crystal structure is more easily formed.

【0012】また、シリコンデバイスに応用した場合に
は、主成分であるPbの拡散および蒸発が比較的低温で
起こり易いなどの点より、微細化には対応出来ないと言
われている。
Further, it is said that when applied to a silicon device, it is impossible to cope with miniaturization because diffusion and evaporation of Pb, which is a main component, easily occurs at a relatively low temperature.

【0013】PZT以外では、チタン酸バリウム(Ba
TiO、以下BTOと略記する)が代表的な強誘電体
として知られている。BTOは、PZTと同じくペロブ
スカイト型結晶を持ち、キュリー温度は393Kである
ことが知られている。Pbと比べるとBaは蒸発し難い
ので、BTOの薄膜作成においては、組成の制御が比較
的容易である。また、BTOが結晶化した場合には、ペ
ロブスカイト型以外の結晶構造をとることは殆どない。
Other than PZT, barium titanate (Ba)
TiO 3 (hereinafter abbreviated as BTO) is known as a typical ferroelectric substance. It is known that BTO has a perovskite-type crystal like PZT and has a Curie temperature of 393K. Since Ba is less likely to evaporate than Pb, it is relatively easy to control the composition in forming a BTO thin film. When BTO is crystallized, it hardly takes a crystal structure other than the perovskite type.

【0014】上記したような長所を有するにもかかわら
ず、BTOの薄膜キャパシタが強誘電体メモリの記憶媒
体としてさほど検討されていない理由は、PZTと比較
して残留分極が小さく、しかも残留分極の温度依存性が
大きいことが挙げられる。その原因は、BTOのキュリ
ー温度が低いことにあり、このため強誘電体メモリを作
成した場合、373K以上の高温にさらされると記憶内
容が失われる恐れがあるばかりでなく、通常電子回路が
使用される温度範囲(358K以下)でも残留分極の温
度依存性が大きく、動作が不安定となる。
Despite the advantages described above, the reason that the BTO thin film capacitor has not been studied so much as a storage medium of a ferroelectric memory is that the remanent polarization is smaller than that of PZT and the remanent polarization is lower. The temperature dependency is large. The reason is that the Curie temperature of BTO is low. Therefore, when a ferroelectric memory is manufactured, not only may the stored contents be lost when exposed to a high temperature of 373 K or more, but also the electronic circuit normally used. The temperature dependence of remanent polarization is large even in the temperature range (358 K or lower), and the operation becomes unstable.

【0015】したがって、BTOからなる強誘電体薄膜
を利用した薄膜キャパシタは、強誘電体メモリの記憶媒
体としての用途に適さないと考えられている。
Therefore, it is considered that a thin film capacitor using a ferroelectric thin film made of BTO is not suitable for use as a storage medium of a ferroelectric memory.

【0016】これに対して、本発明者らは、Ptまたは
SrRuO3(以下SROと略記)を下部電極として選
択し、かつこれより大きな格子定数を有するBSTOを
誘電体膜として選択し、これをエピタキシャル成長させ
ることにより、c軸方向に格子を伸長させ、かつa軸方
向に収縮した状態を保つことができることを見出した。
On the other hand, the present inventors have selected Pt or SrRuO3 (hereinafter abbreviated as SRO) as the lower electrode, and have selected BSTO having a larger lattice constant as the dielectric film, and have grown it by epitaxial growth. By doing so, it has been found that the lattice can be extended in the c-axis direction and kept in a contracted state in the a-axis direction.

【0017】更に、この結果、キュリー温度を高温側に
シフトさせ、室温領域で大きな分極量を示し、かつ35
8K程度まで温度を上げても充分大きな残留分極量を保
持出来る強誘電体膜が得られることを見出した。
Further, as a result, the Curie temperature is shifted to a higher temperature side, a large amount of polarization is exhibited in the room temperature region, and
It has been found that a ferroelectric film capable of maintaining a sufficiently large amount of remanent polarization even when the temperature is increased to about 8K is obtained.

【0018】また、DRAM用としても、エピタキシャ
ルキャパシタでは、電極・誘電体の格子ミスマッチに起
因する誘電体の格子歪みを利用して、極めて高い誘電率
や歪み誘起強誘電性を発現させることが出来、これを用
いて非常に高い電荷蓄積量を有する常誘電体キャパシタ
を備えた超高集積DRAMを作成することが可能であ
る。
Also for an epitaxial capacitor for a DRAM, an extremely high dielectric constant and a strain-induced ferroelectricity can be exhibited by utilizing the lattice distortion of the dielectric caused by the lattice mismatch between the electrode and the dielectric. Using this, it is possible to produce an ultra-highly integrated DRAM having a paraelectric capacitor having a very high charge storage amount.

【0019】しかし、このような、STOやBSTOの
ような高誘電体薄膜キャパシタを用いたDRAM、PZ
Tなどを用いたFeRAM、およびエピタキシャルBS
TO/PtもしくはBSTO/SRO膜などを用いたF
eRAMやDRAMなどを作成するために、Si基板上
にこれらの薄膜を直接成長させる場合、例えばスイッチ
用トランジスタを形成した半導体基板とペロブスカイト
系強誘電体からなるメモリセルを組み合わせる場合に
は、下部電極または誘電体薄膜を構成するPt、Ru、
Sr、Baなどの元素がトランジスタ中を拡散し、スイ
ッチング動作に悪影響を及ぼすという問題がある。
However, such DRAMs and PZs using high dielectric thin film capacitors such as STO and BSTO are used.
FeRAM and epitaxial BS using T etc.
F using TO / Pt or BSTO / SRO film etc.
When these thin films are directly grown on a Si substrate to form an eRAM or a DRAM, for example, when a semiconductor substrate on which a switching transistor is formed and a memory cell made of a perovskite ferroelectric are combined, a lower electrode is used. Or Pt, Ru,
There is a problem in that elements such as Sr and Ba diffuse in the transistor and adversely affect the switching operation.

【0020】このため、半導体基板と下部電極または誘
電体薄膜の間に、相互拡散を防ぐバリア層を介在させる
ことが必要になる。また、前記エピタキシャル効果を得
るためには、このバリア層も半導体基板上にエピタキシ
ャル成長させる必要がある。
For this reason, it is necessary to interpose a barrier layer for preventing interdiffusion between the semiconductor substrate and the lower electrode or the dielectric thin film. Further, in order to obtain the above-mentioned epitaxial effect, it is necessary that this barrier layer is also epitaxially grown on the semiconductor substrate.

【0021】このバリア層として、窒化チタン(以下T
iN)が主に検討されている。TiNは、Alなどに対
するバリア性が高く、現在のSiデバイスにおいてもバ
リアメタルとして広く利用されている。また、高融点の
化合物(融点3273K以上)であるため、熱的安定性
も高い。更に、比抵抗が、多結晶膜で約50μΩ・c
m、エピタキシャル膜で18μΩ・cm程度と非常に低
いことから、膜厚方向での電気特性を利用しようとした
場合、コンタクト抵抗が下げられるという利点が考えら
れる。
As the barrier layer, titanium nitride (hereinafter referred to as T
iN) is mainly studied. TiN has a high barrier property against Al and the like, and is widely used as a barrier metal in current Si devices. Further, since it is a compound having a high melting point (having a melting point of 3273K or more), it has high thermal stability. Further, the specific resistance is about 50 μΩ · c with a polycrystalline film.
m, which is as low as about 18 μΩ · cm in the epitaxial film, there is an advantage that the contact resistance can be reduced when electric characteristics in the film thickness direction are used.

【0022】また、STO,BSTO,PZTのような
ペロブスカイト型高誘電体薄膜キャパシタにおいては、
PtやRu等の貴金属、あるいはその酸化物、ないしは
これらの金属上にさらにその酸化物を形成した下部電極
が用いられてきた。
In a perovskite type high dielectric thin film capacitor such as STO, BSTO, and PZT,
Noble metals such as Pt and Ru, or oxides thereof, or lower electrodes in which the oxides are further formed on these metals have been used.

【0023】これらのうちRuは、特に加工性が良好で
あり、RIE等による微細加工が可能であることから、
DRAM用キャパシタ電極として優れたものであると考
えられてきた。
Of these, Ru has particularly good workability and can be finely processed by RIE or the like.
It has been considered to be an excellent capacitor electrode for a DRAM.

【0024】また、STO、BSTO等と同一の結晶構
造を有する導電性ペロブスカイト酸化物を電極材料とし
て用いると、誘電体/電極界面では高い界面整合性が得
られ、欠陥や界面準位の発生が抑制されることから、高
い誘電率、低いリーク電流といった良好な電気特性や高
い誘電破壊耐圧による高信頼性、長寿命を示すキャパシ
タが得られるといった利点があることがわかってきた。
When a conductive perovskite oxide having the same crystal structure as that of STO, BSTO, etc. is used as an electrode material, high interface matching is obtained at the dielectric / electrode interface, and defects and interface levels are generated. It has been found that since the suppression is suppressed, there is an advantage that a capacitor exhibiting good electrical characteristics such as a high dielectric constant and a low leak current, high reliability due to a high dielectric breakdown voltage, and a long life can be obtained.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のペロブスカイト誘電体をキャパシタの誘電体膜として
Si上に形成する際には、その作成を酸素含有雰囲気で
行う必要があり、前述のように誘電体薄膜を構成するP
t、Ru、Sr、Baなどの元素の相互拡散抑制のため
に、バリア層として例えばTiNを用いた場合、TiN
の酸化が生じ、下部電極との界面で剥離やモフォロジー
荒れが発生してしまう。
However, when such a perovskite dielectric is formed on Si as a dielectric film of a capacitor, it must be formed in an oxygen-containing atmosphere. P constituting the thin film
When, for example, TiN is used as a barrier layer to suppress mutual diffusion of elements such as t, Ru, Sr, and Ba, TiN
Oxidation occurs, and peeling and rough morphology occur at the interface with the lower electrode.

【0026】さらに酸化が進んだ場合、電極の下部にあ
たる、ポリシリコンあるいはエピタキシャル成長させた
単結晶Si等で作成されたプラグとの界面に酸化物が生
成され、過大な接触が生じたり、場合によってはこれら
の反応により電極表面のモフォロジー荒れが生じて、キ
ャパシタのショートをもたらす等の問題点があることが
知られている。
When the oxidation further proceeds, an oxide is generated at the interface under the electrode with the plug made of polysilicon or epitaxially grown single-crystal Si, etc., resulting in excessive contact or, in some cases, It is known that these reactions cause problems such as morphological roughening of the electrode surface and short-circuiting of the capacitor.

【0027】このような界面での酸化を防ぐために、S
iからなるプラグ上に耐酸化性の高い前述のTi1-x
xN などの導電性バッファー層を設けることや、さら
にTi1-xAlxN膜と導電性酸化物からなる下部電極と
の間に白金等の第2の導電性バッファー層を設けること
も行われているが、Ti1-xAlxNやSiの酸化による
モフォロジ低下や、誘電体や電極の高温の成膜によるP
tのモフォロジ荒れなどの問題は、依然、解決されてい
ない。
In order to prevent oxidation at such an interface, S
The above-mentioned Ti 1-x A having high oxidation resistance is formed on the plug made of i.
It is also possible to provide a conductive buffer layer such as l x N or to provide a second conductive buffer layer such as platinum between the Ti 1-x Al x N film and the lower electrode made of a conductive oxide. Degradation of morphology due to oxidation of Ti 1-x Al x N and Si, and formation of P
Problems such as t morphology roughness have not been solved yet.

【0028】一方、この酸化によるモフォロジ悪化を防
止するため、SrRuO3などの導電性酸化物を低酸素
分圧中で成膜することも可能ではあるが、多くの導電性
ペロブスカイト酸化物は、低酸素分圧中で成膜すると結
晶性が悪化し、電極や誘電体の膜質が低下してリークが
増大するなどの問題点を生じるという問題があった。
On the other hand, in order to prevent the morphology from being deteriorated due to the oxidation, it is possible to form a conductive oxide such as SrRuO3 at a low oxygen partial pressure. However, many conductive perovskite oxides have a low oxygen content. When a film is formed under a partial pressure, there is a problem that crystallinity is deteriorated, and the film quality of the electrode and the dielectric is deteriorated to cause problems such as an increase in leak.

【0029】本発明は、以上のような事情の下になさ
れ、下部電極とバッファー層との界面における荒れや剥
離を防止し、優れたキャパシタ特性を有し、高い信頼性
を有する薄膜キャパシタおよびその製造方法を提供する
ことを目的とする。
The present invention has been made in view of the circumstances described above, and a thin film capacitor which prevents roughening and peeling at an interface between a lower electrode and a buffer layer, has excellent capacitor characteristics, and has high reliability, and a thin film capacitor having the same. It is intended to provide a manufacturing method.

【0030】[0030]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、半導体基板上に形成された、バリア層、
下部電極層、誘電体薄膜、および上部電極層を具備し、
バリア層と下部電極層の間にアナターゼ構造を主体とす
る酸化物を含むバッファ層を介在させたことを特徴とす
る薄膜キャパシタを提供する。
According to the present invention, there is provided a barrier layer formed on a semiconductor substrate.
Comprising a lower electrode layer, a dielectric thin film, and an upper electrode layer,
Provided is a thin film capacitor, characterized in that a buffer layer containing an oxide mainly composed of an anatase structure is interposed between a barrier layer and a lower electrode layer.

【0031】本発明の薄膜キャパシタにおいて、バリア
層は、Ti1-xAlxNにより表わされる材料により構成
することが出来る。
In the thin film capacitor of the present invention, the barrier layer can be made of a material represented by Ti 1-x Al x N.

【0032】また、本発明は、半導体基板上にバリア層
を形成する工程、前記バリア層上に、アナターゼ構造を
主体とする金属酸化物を含むバッファ層、または後の工
程における酸化によりアナターゼ構造を主体とする酸化
物を形成し得る金属を含むバッファ層形成予定層を形成
する工程、前記バッファ層またはバッファ層形成予定層
上に下部電極層を形成する工程、前記下部電極層上に誘
電体薄膜を形成する工程、および前記誘電体薄膜上に上
部電極層を形成する工程を具備することを特徴とする薄
膜キャパシタの製造方法を提供する。
The present invention also provides a step of forming a barrier layer on a semiconductor substrate, a step of forming a buffer layer containing a metal oxide mainly composed of an anatase structure on the barrier layer, or a step of forming an anatase structure by oxidation in a later step. Forming a buffer layer-forming layer containing a metal capable of mainly forming an oxide, forming a lower electrode layer on the buffer layer or the buffer layer-forming layer, and forming a dielectric thin film on the lower electrode layer And a method of forming an upper electrode layer on the dielectric thin film.

【0033】本発明の薄膜キャパシタの製造方法におい
て、前記アナターゼ構造を主体とする金属酸化物は、金
属酸化物を100〜700℃で成膜することにより得ら
れ、またはアナターゼ構造を主体とする酸化物を形成し
得る金属は、前記下部電極層を形成する工程において、
400〜800℃で酸化され、アナターゼ構造を主体と
する酸化物とされる。これらの温度範囲外では、アナタ
ーゼ構造を主体とする酸化物を得ることが困難となる。
In the method for manufacturing a thin film capacitor according to the present invention, the metal oxide having an anatase structure as a main component is obtained by forming a metal oxide at a temperature of 100 to 700 ° C. In the step of forming the lower electrode layer,
It is oxidized at 400 to 800 ° C. to form an oxide mainly having an anatase structure. Outside these temperature ranges, it is difficult to obtain an oxide mainly composed of an anatase structure.

【0034】本発明において、「アナターゼ構造を主体
とする金属酸化物」とは、アナターゼ構造のみからなる
金属酸化物に限らず、アナターゼ構造が50%以上含ま
れている、アナターゼ構造とルチル構造の混合物からな
る金属酸化物を含むことを意味する。
In the present invention, the term “metal oxide mainly composed of an anatase structure” is not limited to a metal oxide consisting solely of an anatase structure. It is meant to include a metal oxide consisting of a mixture.

【0035】アナターゼ構造が50%未満では、ルチル
構造が支配的となり、本発明の効果を得ることが出来な
い。なお、バッファ層の厚さは、特に限定されないが、
10〜40nmであるのが好ましい。
When the anatase structure is less than 50%, the rutile structure becomes dominant, and the effects of the present invention cannot be obtained. The thickness of the buffer layer is not particularly limited,
It is preferably from 10 to 40 nm.

【0036】発明者らは、アナターゼ構造を主体とする
金属酸化物を含むバッファー層を下部電極とバリア層の
間に設けることにより、下部電極およびバリア層の種類
によらず、モフォロジーの劣化もしくは剥離の発生を抑
制し、リーク電流の増大を抑制する効果があることを見
出し、本発明をなすに至った。
By providing a buffer layer containing a metal oxide having an anatase structure as a main component between the lower electrode and the barrier layer, the morphology is degraded or peeled regardless of the type of the lower electrode and the barrier layer. The present invention has been found to have the effect of suppressing the occurrence of leakage and suppressing the increase in leak current, and has accomplished the present invention.

【0037】通常の形成方法では、TiOは還元型半
導体であり、酸素とTiの比が2:1より小さい、いわ
ゆる低級酸化物TiO2−δを形成するため、その上に
ペロブスカイト型誘電体を成膜する際、酸素含有雰囲気
において、酸素をトラップすることで下方への酸素拡散
を抑制する。これにより、下地バリア層の酸化を抑制
し、モフォロジーの劣化を抑制することができる。
In a usual formation method, TiO 2 is a reduced type semiconductor, and forms a so - called lower oxide TiO 2-δ in which the ratio of oxygen to Ti is smaller than 2: 1. Therefore, a perovskite type dielectric is formed thereon. When forming a film, oxygen is trapped in an oxygen-containing atmosphere to suppress diffusion of oxygen downward. Thereby, the oxidation of the underlying barrier layer can be suppressed, and the deterioration of the morphology can be suppressed.

【0038】また、アナターゼ構造TiOは、低温相
であり、プロセス的にも作成が容易である。例えば、T
iの熱酸化法では400℃以上800℃以下で形成さ
れ、TiOの蒸着、マグネトロンスパッタ等の成膜方
法では、室温から700℃以下の範囲で形成可能であ
る。
The anatase TiO 2 is in a low-temperature phase and can be easily prepared in terms of process. For example, T
i is formed at 400 ° C. or more and 800 ° C. or less by the thermal oxidation method, and can be formed at room temperature to 700 ° C. or less by a film forming method such as TiO 2 evaporation or magnetron sputtering.

【0039】さらに、比抵抗が、高温相であるルチル型
より1桁以上低いことが知られている。従って、キャパ
シタの下部に設けた際に、コンタクト抵抗を低く抑える
ことができる。
Further, it is known that the specific resistance is lower by one digit or more than that of the high-temperature phase rutile type. Therefore, when provided below the capacitor, the contact resistance can be reduced.

【0040】さらに導電率を高めるために、酸素欠損を
導入することも可能である。この場合、酸素欠損を導入
したアナターゼ型チタン酸化物TiO2−δの欠損量δ
として、0.01〜0.5程度が必要である。ただし前
述の通り、このバッファ層を作成した後、下部電極や誘
電体薄膜を高温酸素雰囲気で形成する場合には、酸素欠
損が消失し、導電性が失われる恐れがある。
In order to further increase the conductivity, it is possible to introduce oxygen vacancies. In this case, the deficiency δ of the anatase type titanium oxide TiO 2-δ into which oxygen deficiency is introduced
About 0.01 to 0.5 is required. However, as described above, when the lower electrode and the dielectric thin film are formed in a high-temperature oxygen atmosphere after the formation of the buffer layer, oxygen deficiency may be lost and conductivity may be lost.

【0041】この場合には、あらかじめ構成元素の一部
をTaなどで置換したアナターゼ構造のTiOを用い
ることができる。例えば、TaをTiO に微量添加
すると、下記式に示す反応により、置換したTa5+
同数のTi3+が生ずる。
In this case, it is possible to use TiO 2 having an anatase structure in which a part of the constituent elements is previously substituted with Ta or the like. For example, if a small amount of Ta is added to TiO 2 , the reaction represented by the following formula produces the same number of Ti 3+ as substituted Ta 5+ .

【0042】(1−x) TiO+(x/2)Ta
→ xTa5++ xTi3+ + (1−2
x)Ti4+ + 2O2− Ti3+は、Ti4++eと考えられるので、x個の
伝導電子を生じたことになり、n型半導体となる。この
ように、 TiOに導入してTiと置換し、TiO
を導電体化する元素としては、Taの他にV、Nb、C
r、Mo、Ru、Rh、Pd、Mn、Fe、Niなどの
5価以上の元素を挙げることができる。
(1-x) TiO 2 + (x / 2) Ta 2
O 5 → xTa 5+ + xTi 3+ + (1-2
x) Since Ti 4+ + 2O 2 -Ti 3+ is considered to be Ti 4+ + e , it has generated x conduction electrons and becomes an n-type semiconductor. As described above, TiO 2 is introduced into TiO 2 to replace Ti, and TiO 2
Are V, Nb, C in addition to Ta.
Examples thereof include pentavalent or higher valent elements such as r, Mo, Ru, Rh, Pd, Mn, Fe, and Ni.

【0043】また、このアナターゼ型バッファ層の下部
のバリア層としては、TiNまたはこれにAlを添加し
たTil−xAlxNを用いることが望ましいが、他の
TaNやこれにSiを添加したTaSiNなどのバリア
層を用いることもできる。
As the barrier layer below the anatase buffer layer, it is desirable to use TiN or Til-xAlxN to which Al is added, but other TaN or TaSiN to which Si is added is used. Layers can also be used.

【0044】また、Til−xAlxNからなる導電性
バッファー層をエピタキシャル単結晶膜として作成すれ
ば、その上部に設ける該導電性バッファー層、さらに下
部電極,誘電体,場合によっては上部電極もエピタキシ
ャル成長させた単結晶ヘテロエピタキシャル全酸化物キ
ャパシタを作成することが可能である。
If a conductive buffer layer made of Til-xAlxN is formed as an epitaxial single crystal film, the conductive buffer layer provided thereon and the lower electrode, dielectric, and in some cases, the upper electrode are also epitaxially grown. It is possible to make single crystal heteroepitaxial all-oxide capacitors.

【0045】また、下部電極としては、SrRuO
膜、Sr1−xBaRuO膜、Sr1−xRE
CoO(REはLa,Pr,Sm,Ndから選ばれた
少なくとも1種)膜、SrTi1−x(MはN
b,Cr,Vから選ばれた少なくとも1種)膜、Sr
1−xARTiO(ARはLa)膜のいずれかを用
いることが望ましい。
The lower electrode is made of SrRuO
3 films, Sr 1-x Ba x RuO 3 films, Sr 1-x RE x
CoO 3 (RE is at least one selected from La, Pr, Sm, Nd) film, SrTi 1-x M x O 3 (M is N
b, Cr, V) at least one film), Sr
It is desirable to use any of the 1-x AR x TiO 3 (AR is La) film.

【0046】特に、SrTi1−xNb、Sr
1−xLaTiO膜は、比抵抗が低く、熱力学的に
安定であるため、最も望ましい。
In particular, SrTi 1-x Nb x O 3 , Sr
The 1-x La x TiO 3 film is most preferable because it has a low specific resistance and is thermodynamically stable.

【0047】この誘電体キャパシタに用いるキャパシタ
の誘電体は、各種のものが考えられるが、DRAM用の
高誘電体としては上記STOやBSTOが用いられ、ま
た強誘電体メモリとしてはBSTO,PZT,PLZ
T,BiSrTaOやBiSrTiO等のペロブスカイ
ト誘電体を用いることができる。
Various types of dielectrics can be considered for the capacitor used in the dielectric capacitor. The above-mentioned STO and BSTO are used as the high dielectric for the DRAM, and BSTO, PZT, and the like are used as the ferroelectric memory. PLZ
A perovskite dielectric such as T, BiSrTaO or BiSrTiO can be used.

【0048】[0048]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態として
の種々の実施例について、図面を参照して説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Various embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0049】実施例1 本実施例は、誘電体膜としてエピタキシャルBSTOを
用いたキャパシタのDRAMへの搭載例を示すものであ
る。
Embodiment 1 This embodiment shows an example in which a capacitor using an epitaxial BSTO as a dielectric film is mounted on a DRAM.

【0050】図1は、本実施例に係る半導体記憶装置に
用いるキャパシタ部分の概念図である。まず、単結晶S
i((100)方位)により作成したプラグ1まで形成
してある基板上に、超高真空チャンバーを有するヘリコ
ンスパッタ装置を用いて、第1のバッファー層としてT
0.9Al0.1N膜2を10nmの厚さに堆積した。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a capacitor portion used in the semiconductor memory device according to the present embodiment. First, the single crystal S
Using a helicon sputtering apparatus having an ultra-high vacuum chamber, T was used as a first buffer layer on the substrate on which the plug 1 formed up to i ((100) orientation) was formed.
An i 0.9 Al 0.1 N film 2 was deposited to a thickness of 10 nm.

【0051】次いで、このTi0.9Al0.1N膜2上に、
DCスパッタ装置を用いて、Ti膜3を8nmの厚さに
堆積した。この時の成膜雰囲気は、0.1PaのAr雰
囲気であった。
Next, on this Ti 0.9 Al 0.1 N film 2,
Using a DC sputtering device, a Ti film 3 was deposited to a thickness of 8 nm. The film formation atmosphere at this time was an Ar atmosphere of 0.1 Pa.

【0052】次に、このTi膜3上に、下部電極として
SrTi0.8Nb0.23 膜4を、RFマグネトロンスパ
ッタを用いて30nmの厚さに堆積した。この時の成膜
温度は、500℃であった。成膜雰囲気は、0.1Pa
のAr雰囲気であったが、SrTi0.8Nb0.23 ター
ゲットからの酸素によりTi膜3は酸化され、アナター
ゼ構造のTiO2単相が形成されていることをX線回折
により確認している。
Next, an SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 film 4 as a lower electrode was deposited on the Ti film 3 to a thickness of 30 nm by RF magnetron sputtering. The film formation temperature at this time was 500 ° C. The film formation atmosphere is 0.1 Pa
However, it was confirmed by X-ray diffraction that the Ti film 3 was oxidized by oxygen from the SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 target and a TiO 2 single phase having an anatase structure was formed.

【0053】その後、CMPを用いて表面を平坦化する
と共に、セル間を分離した。この下部電極4上に、誘電
体としてBa0.2Sr0.8Ti3 膜5を20nmの厚さ
に、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜6を
100nmの厚さに堆積し、DRAM用全酸化物キャパ
シタを作成した。
Thereafter, the surface was flattened by using CMP, and the cells were separated. On this lower electrode 4, a Ba 0.2 Sr 0.8 Ti 3 film 5 as a dielectric was deposited to a thickness of 20 nm, and a SrRuO 3 film 6 as an upper electrode was deposited thereon to a thickness of 100 nm. A capacitor was created.

【0054】このようにして作成したキャパシタのX線
回折分析を行ったところ、この薄膜キャパシタでは、T
0.9Al0.1N膜2、SrTi0.8Nb0.23下部電極
4、Ba0.2Sr0.8Ti3 誘電体膜5、SrRu03上
部電極6のすべてがエピタキシャル成長していることが
わかった。
When the X-ray diffraction analysis of the capacitor thus prepared was performed, it was found that the thin film capacitor had a T
i 0.9 Al 0.1 N film 2, SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 lower electrode 4, Ba 0.2 Sr 0.8 Ti 3 dielectric film 5, SrRu03 all of the upper electrode 6 is found that epitaxial growth.

【0055】更に、断面電子顕微鏡観察を行ったとこ
ろ、酸化層生成に伴う下部電極−誘電体界面、Ti0.9
Al0.1N膜−SrTi0.8Nb0.23 下部電極界面の
荒れ等は見受けられなかった。
Further, when a cross-sectional electron microscope observation was performed, it was found that the lower electrode-dielectric interface, Ti 0.9
No roughness of the interface between the Al 0.1 N film and the SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 lower electrode was observed.

【0056】比較例1として、アナターゼ構造のTiO
2 からなるバッファ層3を設けないキャパシタ、また、
比較例2として、第2のバッファ層として10nmのP
t膜を有するキャパシタを作成し、本実施例に係るキャ
パシタと特性を比較したところ、図2に示す走査型電子
顕微鏡による表面観察結果に見られるように、本実施例
に係るキャパシタでは膨れなどのモフォロジー劣化は全
く見られず、平坦であった。
As Comparative Example 1, TiO having an anatase structure was used.
A capacitor without the buffer layer 3 composed of 2 ;
As Comparative Example 2, 10 nm of P was used as the second buffer layer.
When a capacitor having a t film was prepared and its characteristics were compared with those of the capacitor according to the present embodiment, as shown in the surface observation results by the scanning electron microscope shown in FIG. No morphological deterioration was observed and the surface was flat.

【0057】これに対し、比較例1に係るキャパシタで
は、図3に示す走査型電子顕微鏡による表面観察結果に
示すように、全面にわたってに1μm程度の膨れおよび
部分的にはがれが生じていた。また、比較例2に係るキ
ャパシタでも、図4に示す走査型電子顕微鏡による表面
観察結果に示すように、膨れが生じていた。
On the other hand, in the capacitor according to Comparative Example 1, as shown in the surface observation result by the scanning electron microscope shown in FIG. 3, the entire surface was swollen by about 1 μm and partially peeled off. In addition, also in the capacitor according to Comparative Example 2, swelling occurred as shown in the surface observation result by the scanning electron microscope shown in FIG.

【0058】また、本実施例に係るキャパシタでは、誘
電率990、2.2V印加時のリーク電流密度1×10
−7/cm以下の特性が得られ、このキャパシタに1
0VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった
のに対し、比較例1に係るキャパシタでは、260個の
キャパシタのうち99%のキャパシタが短絡により測定
不可能という結果が得られ、比較例2に係るキャパシタ
では、260個のキャパシタのうち90%のキャパシタ
が短絡により測定不可能であり、残りのキャパシタも、
リーク電流は少ないものの、誘電率390、DC10V
印加で80%のキャパシタが1000秒以内に破壊する
結果となった。
Further, in the capacitor according to the present embodiment, the leakage current density when applying a dielectric constant of 990 and 2.2 V is 1 × 10
-7 / cm 2 or less is obtained.
Dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 0 V was applied. On the other hand, in the capacitor according to Comparative Example 1, 99% of 260 capacitors could not be measured due to a short circuit, and the result was that the capacitor could not be measured. In the capacitor according to Comparative Example 2, 90% of the 260 capacitors were not measurable due to the short circuit, and the remaining capacitors were also not measured.
Low leakage current, dielectric constant 390, DC10V
The application resulted in the breakdown of 80% of the capacitors within 1000 seconds.

【0059】実施例2 本実施例は、誘電体としてエピタキシャルBTOを用い
たキャパシタをFeRAMに搭載した例を示すものであ
る。
Embodiment 2 This embodiment shows an example in which a capacitor using epitaxial BTO as a dielectric is mounted on an FeRAM.

【0060】実施例1と同様にして、誘電体としてBT
Oを用いた強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置
を作成した。
In the same manner as in Example 1, BT was used as the dielectric.
A semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor using O was produced.

【0061】まず、単結晶Si((100)方位)によ
り作成したプラグ1まで形成してある基板上に、超高真
空チャンバーを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、
第1のバッファー層としてTi0.9Al0.1N膜2を10
nmの厚さに堆積した。
First, a helicon sputtering apparatus having an ultrahigh vacuum chamber was used on a substrate on which a plug 1 made of single-crystal Si ((100) orientation) was formed.
As a first buffer layer, a Ti 0.9 Al 0.1 N film 2
deposited to a thickness of nm.

【0062】次いで、このTi0.9Al0.1N膜2上に、
DCスパッタ装置を用いて、Ti膜3を8nmの厚さに
堆積した。この時の成膜雰囲気は、0.1PaのAr雰
囲気であった。
Next, on this Ti 0.9 Al 0.1 N film 2,
Using a DC sputtering device, a Ti film 3 was deposited to a thickness of 8 nm. The film formation atmosphere at this time was an Ar atmosphere of 0.1 Pa.

【0063】次に、このTi膜3上に、下部電極として
SrTi0.8Nb0.23 膜4を、RFマグネトロンスパ
ッタを用いて、30nmの厚さに堆積した。この時の成
膜温度は、500℃であった。また、成膜雰囲気は、
0.1PaのAr雰囲気で行ったが、SrTi0.8Nb
0.23 ターゲットからの酸素によりTi膜3は酸化さ
れ、アナターゼ構造のTiO単相が形成されているこ
とをX線回折により確認している。
Next, an SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 film 4 was deposited as a lower electrode on the Ti film 3 to a thickness of 30 nm by RF magnetron sputtering. The film formation temperature at this time was 500 ° C. The film formation atmosphere is
Although the test was performed in an Ar atmosphere of 0.1 Pa, SrTi 0.8 Nb
It is confirmed by X-ray diffraction that the Ti film 3 is oxidized by oxygen from the 0.2 O 3 target and a TiO 2 single phase having an anatase structure is formed.

【0064】尚、Ti膜3の厚さをここでは8nmと設
定したが、 Ti膜3が酸化され、アナターゼ型TiO
となった場合、厚さは約20nm程度となる。このT
i膜の厚さは、薄すぎると(Ti,Al)Nの酸化防止
効果が充分でなく、厚すぎると上部STOの結晶性が劣
化するため、4nmないし20nm程度が好ましく、さ
らに6nmないし10nm程度が最も好ましい範囲であ
る。
Although the thickness of the Ti film 3 is set to 8 nm here, the Ti film 3 is oxidized, and
When it is 2 , the thickness is about 20 nm. This T
If the thickness of the i film is too thin, the effect of preventing oxidation of (Ti, Al) N is not sufficient, and if it is too thick, the crystallinity of the upper STO deteriorates, so it is preferably about 4 nm to 20 nm, and more preferably about 6 nm to 10 nm. Is the most preferable range.

【0065】その後、CMPを用いて表面を平坦化する
と共に、セル間を分離した。この下部電極4上、に強誘
電体としてBaTiO3 膜5を20nmの厚さに、さら
にその上に上部電極としてSrRuO3 膜6を100n
mの厚さに堆積し、強誘電体キャパシタを作成した。
Thereafter, the surface was flattened by using CMP, and the cells were separated. On this lower electrode 4, a BaTiO 3 film 5 as a ferroelectric is formed to a thickness of 20 nm, and a SrRuO 3 film 6 as an upper electrode is further formed thereon for 100 nm.
m to form a ferroelectric capacitor.

【0066】このようにして作成したキャパシタのX線
回折分析を行ったところ、この薄膜キャパシタでは、T
0.9Al0.1N膜2、SrTi0.8Nb0.23 下部電極
4、BaTiO3 誘電体膜5、SrRuO3 上部電極6
のすべてがエピタキシャル成長していることがわかっ
た。
When the X-ray diffraction analysis of the thus prepared capacitor was performed, the thin film capacitor was found to have a T
i 0.9 Al 0.1 N film 2, SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 lower electrode 4, BaTiO 3 dielectric film 5, SrRuO 3 upper electrode 6
Was found to be epitaxially grown.

【0067】更に、断面電子顕微鏡観察を行ったとこ
ろ、酸化層生成に伴う下部電極−誘電体界面、Ti0.9
Al0.1N膜−SrTi0.8Nb0.23 下部電極界面の
荒れ等は認められなかった。
Further, when a cross-sectional electron microscope observation was performed, it was found that the lower electrode-dielectric interface, Ti 0.9
No roughness at the interface between the Al 0.1 N film and the SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 lower electrode was observed.

【0068】また、X線回折の(003)回折角度より
求めた誘電体薄膜BSTOの格子定数(c軸方法)は、
0.433nmであり、歪量が大きく保たれていること
が判明した。また、実施例のキャパシタでは、残留分極
0.43c/m、抗電圧1.8Vの特性が得られ、か
つ2V印加時のリーク電流密度は2×10−7A/cm
以下であり、さらに15VのDC電圧を印加しても誘
電破壊は発生しなかった。
The lattice constant (c-axis method) of the dielectric thin film BSTO obtained from the (003) diffraction angle of X-ray diffraction is as follows:
0.433 nm, and it was found that the amount of strain was kept large. In the capacitor of the example, the characteristics of remanent polarization of 0.43 c / m 2 and coercive voltage of 1.8 V were obtained, and the leakage current density when 2 V was applied was 2 × 10 −7 A / cm.
The dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 15 V was applied.

【0069】更に、このキャパシタを搭載した強誘電体
記憶装置の試験回路を作成し、FeRAM動作における
いわゆる疲労特性の測定を行ったところ、1000個の
試験ビットのうち、95%以上が1012回までの書込
み動作まで清浄動作することを確認した。これにより、
このキャパシタの疲労が少ないことが判明した。
Further, a test circuit of a ferroelectric memory device equipped with this capacitor was prepared, and the so-called fatigue characteristics in FeRAM operation were measured. As a result, 95% or more of the 1000 test bits were 10 12 times. It was confirmed that the cleaning operation was performed until the writing operation up to. This allows
It was found that the fatigue of the capacitor was small.

【0070】実施例3 本実施例は、多結晶膜からなるキャパシタをDRAMに
搭載した例を示すものである。
Embodiment 3 This embodiment shows an example in which a capacitor made of a polycrystalline film is mounted on a DRAM.

【0071】まず、ポリシリコンからなるプラグ7まで
形成した基板上にプラズマTEOSで絶縁層8を100
nmの厚さに形成した。この絶縁層8に、図5に示すよ
うなキャパシタトレンチをリソグラフィーにより形成
し、プラグ7を露出させた。
First, an insulating layer 8 is formed on the substrate formed up to the plug 7 made of polysilicon by plasma TEOS.
It was formed to a thickness of nm. A capacitor trench as shown in FIG. 5 was formed in the insulating layer 8 by lithography to expose the plug 7.

【0072】このようにキャパシタトレンチが形成され
た絶縁層8上に、DCスパッタをもちいて、アドヒージ
ョン層としてTiN膜9を10nmの厚さに堆積し、次
いで、Nbを添加したTiO膜10を10nmの厚さ
に堆積し、更に下部電極としてSrRuO膜11をR
Fマグネトロンスパッタを用いて50nmの厚さに堆積
した。 Nbを添加したTiO膜10の成膜温度は、
600℃であった。
On the insulating layer 8 having the capacitor trenches formed as described above, a TiN film 9 is deposited to a thickness of 10 nm as an adhesion layer using DC sputtering, and then a TiO 2 film 10 to which Nb is added is formed. The SrRuO 3 film 11 is deposited as a lower electrode on the R
It was deposited to a thickness of 50 nm using F magnetron sputtering. The deposition temperature of the TiO 2 film 10 to which Nb is added is
The temperature was 600 ° C.

【0073】その後、CMPにより表面を平坦化すると
共に、セル間を分離した。この下部電極11上に、誘電
体としてBa0.2Sr0.8TiO膜12を40n
mの厚さに堆積し、更にその上に上部電極としてSrR
uO膜13を100nmの厚さに堆積し、DRAM用
キャパシタを作成した。
Thereafter, the surface was flattened by CMP and the cells were separated. On this lower electrode 11, a Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 12 as a dielectric is
m of SrR as a top electrode.
A uO 3 film 13 was deposited to a thickness of 100 nm to form a DRAM capacitor.

【0074】このようにして形成された本実施例に係る
キャパシタでは、誘電率480、1.8V印加時のリー
ク電流は1×10−8A/cm以下であり、このキャ
パシタに10VのDC電圧を印加しても、誘電破壊は生
じなかった。
In the capacitor according to the present embodiment thus formed, the leakage current when applying a dielectric constant of 480 and 1.8 V is 1 × 10 −8 A / cm 2 or less. No dielectric breakdown occurred when a voltage was applied.

【0075】また、このキャパシタを搭載した半導体記
憶装置の試験回路を作成し、DRAM動作におけるいわ
ゆるエンデュランス測定、すなわちリフレッシュ時間延
長に対する誤動作率の変化を測定したところ、1000
個の試験ビットのうち、90%以上が20秒以上のリフ
レッシュサイクルまで正常動作し、キャパシタリークが
極めて少ないことが判明した。
A test circuit of a semiconductor memory device equipped with this capacitor was prepared, and the so-called endurance measurement in DRAM operation, that is, the change in the malfunction rate with respect to the extension of the refresh time was measured.
It was found that 90% or more of the test bits normally operated until a refresh cycle of 20 seconds or more, and the capacitor leak was extremely small.

【0076】実施例4 本実施例では、Nb添加量を変化させた場合のFeRA
Mへの搭載例を示す。
Embodiment 4 In this embodiment, the FeRA in the case where the Nb addition amount was changed was
An example of mounting on M is shown.

【0077】実施例2と同様にして、誘導体としてBT
Oを用いた強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置
を作成した。
In the same manner as in Example 2, BT was used as the derivative.
A semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor using O was produced.

【0078】まず単結晶Si((100)方位)で作成し
たプラグ1まで完成している基板上に超高真空チャンバ
ーを有するヘリコンスパッタ装置1を用いて第1のバッ
ファー層としてTi0.9Al0.1N膜を10nm堆積し
た。さらにこの上にDCスパッタ装置を用いてTi1-x
Nbx膜を8nm堆積した。この時の成膜雰囲気はAr
0.1Paの条件で行った。
First, Ti 0.9 Al 0.1 N was used as a first buffer layer using a helicon sputtering apparatus 1 having an ultra-high vacuum chamber on a substrate completed up to a plug 1 made of single-crystal Si ((100) orientation). A 10 nm film was deposited. Further, a Ti 1-x
An Nb x film was deposited to a thickness of 8 nm. The film formation atmosphere at this time is Ar
The test was performed under the condition of 0.1 Pa.

【0079】この時、Nb量xを0.1〜0.5すなわ
ちl0at%、20at%、30at%、40at%、50at%
と変化させた。尚、その後、SrTi0.8Nb0.23
形成する際に、Ti1-xNbxが酸化されて生成するTi
1-xNbxy層に関しては、酸化前後でNb混合量に変
化がないことをラザフォード後方散乱分光(RBS)法
により確認している。
At this time, the Nb amount x was set to 0.1 to 0.5, that is, 10 at%, 20 at%, 30 at%, 40 at%, and 50 at%.
Was changed. After that, when forming SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 , Ti 1-x Nb x is oxidized to form Ti
With respect to the 1-x Nb x O y layer, it was confirmed by Rutherford backscattering spectroscopy (RBS) that there was no change in the amount of Nb mixed before and after oxidation.

【0080】この場合、Ti40at%以下ではXRDで
アナターゼ構造のTiO2単相が形成されていることを
確認したが、50at%以上ではNbの酸化物であるルチ
ル型NbO2の形成が確認された。
In this case, it was confirmed by XRD that a single phase of TiO 2 having an anatase structure was formed at a Ti content of 40 at% or less, but a rutile NbO 2 , which is an oxide of Nb, was formed at a content of 50 at% or more. .

【0081】この上に下部電極としてSrTi0.8Nb
0.23膜をRFマグネトロンスパッタを用いて30nm
堆積した。
On this, SrTi 0.8 Nb was formed as a lower electrode.
A 0.2 O 3 film is formed to a thickness of 30 nm using RF magnetron sputtering.
Deposited.

【0082】その後、CMPを用いて表面を平坦化する
と共にセル間を分離した。この下部電極上に強誘電体と
してBaTiO3膜を20nm、さらにその上に上部電
極としてSrTi0.8Nb0.23膜を100nm堆積
し、強誘電体キャパシタを作成した。
Thereafter, the surface was flattened by using CMP and the cells were separated. On this lower electrode, a BaTiO 3 film as a ferroelectric was deposited to a thickness of 20 nm, and a SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 film as an upper electrode was deposited thereon to a thickness of 100 nm, thereby producing a ferroelectric capacitor.

【0083】作成したキャパシタのX線回折を行い、こ
の薄膜キャパシタでは、Ti0.9Al0.1N膜、SrTi
0.8Nb0.23下部電極および上部電極、Ba0.2Sr
0.8TiO3誘電体膜すべてがエピタキシャル成長してい
ることがわかった。さらに断面電子顕微鏡観察を行った
ところ、酸化層生成に伴う下部電極−誘電体界面、Ti
0.9Al0.1N膜−SrTi0.8Nb0.23下部電極界面
の荒れ等は見受けられなかった。
X-ray diffraction of the formed capacitor was performed. In this thin film capacitor, a Ti 0.9 Al 0.1 N film, SrTi
0.8 Nb 0.2 O 3 Lower electrode and upper electrode, Ba 0.2 Sr
It was found that all the 0.8 TiO 3 dielectric films were epitaxially grown. Furthermore, when a cross-sectional electron microscope observation was performed, the lower electrode-dielectric interface, Ti
No roughness at the interface of the 0.9 Al 0.1 N film-SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 lower electrode was observed.

【0084】下記表1に、本実施例によるTi1-xNbx
y膜をバッファ層とした場合のX線回折のBaTiO3
(003)回折角から求めた誘電体薄膜の格子定数(c軸
方向)、500Hzの3角波を印加して測定した強誘電
体ヒステリシスから求めた残留分極量を示す。
Table 1 below shows that Ti 1-x Nb x
BaTiO 3 of X-ray diffraction when Oy film is used as a buffer layer
(003) The lattice constant (c-axis direction) of the dielectric thin film obtained from the diffraction angle and the amount of remanent polarization obtained from the ferroelectric hysteresis measured by applying a triangular wave of 500 Hz are shown.

【0085】[0085]

【表1】 [Table 1]

【0086】上記表1から明らかなように、バッファ層
としてTi1-xNbxy膜を用いることにより、Ti1-x
Nbxy層の比抵抗が急激に低下する。これは、Nb添
加量増大に伴うキャリア密度増大によるもので、TiO
x単独の場合に形成される(Ti,Al)N−TiO2
面、TiO2−下部電極界面に存在する空乏層長を減少
させる。
As is clear from Table 1 above, by using a Ti 1-x Nb x O y film as the buffer layer, the Ti 1-x
The specific resistance of the Nb x O y layer drops rapidly. This is due to an increase in carrier density with an increase in the amount of Nb added.
The length of the depletion layer existing at the (Ti, Al) N-TiO 2 interface and the TiO 2 -lower electrode interface formed when x alone is reduced.

【0087】この空乏層が低誘電率層として働き、実質
的に強誘電体層BaTiO3へ印加される電圧を減少さ
せ、結果的に印加電圧に対する分極量の減少をもたらし
たものである。また、Nb50%以上では、前記の通り
ルチル型NbO2が形成され、NbのTiO2中への拡散
が妨げられる。従って、モフォロジーの悪化とともに残
留分極量の低下が起こる。50%未満ではこの影響は少
ない。
The depletion layer functions as a low dielectric constant layer, substantially reducing the voltage applied to the ferroelectric layer BaTiO 3, and as a result, reducing the amount of polarization with respect to the applied voltage. When Nb is 50% or more, rutile NbO 2 is formed as described above, and diffusion of Nb into TiO 2 is prevented. Therefore, the amount of remanent polarization decreases as the morphology deteriorates. Below 50%, this effect is small.

【0088】実施例5 本実施例では、TiO2中のアナターゼ量を変化させた
場合のFeRAMへの搭載例を示す。
Embodiment 5 In this embodiment, an example of mounting on an FeRAM when the amount of anatase in TiO 2 is changed will be described.

【0089】実施例2と同様にして、誘電体としてBT
Oを用いた強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置
を作成した。
In the same manner as in Example 2, BT was used as the dielectric.
A semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor using O was produced.

【0090】さらにこの上にDCスパッタ装置を用いて
TiO2膜を20nm堆積した。この時の成膜雰囲気は
Ar0.1Pa、基板温度は500℃、600℃、70
0℃、800℃、900℃の5条件で成膜した。この場
合、成膜温度600℃以下ではXRDでアナターゼ構造
のTiO2単相が形成されていることを確認したが、7
00℃以上ではルチル構造との混合層が形成されてい
た。
Further, a 20 nm TiO 2 film was deposited thereon by using a DC sputtering apparatus. At this time, the film formation atmosphere is Ar 0.1 Pa, the substrate temperature is 500 ° C., 600 ° C., 70 ° C.
The film was formed under five conditions of 0 ° C., 800 ° C., and 900 ° C. In this case, it was confirmed by XRD that a TiO 2 single phase having an anatase structure was formed at a film formation temperature of 600 ° C. or lower.
Above 00 ° C., a mixed layer with a rutile structure was formed.

【0091】この上に下部電極として、SrTi0.8
0.23膜をRFマグネトロンスパッタを用いて30n
m堆積した。成膜温度は500℃で行った。その後CM
Pを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。
On this, as a lower electrode, SrTi 0.8 N
b 0.2 O 3 film was formed by RF magnetron sputtering for 30 n.
m. The film formation temperature was 500 ° C. Then CM
The surface was flattened using P and the cells were separated.

【0092】この下部電極上に強誘電体としてBaTi
3を20nm、さらにその上に上部電極としてSrT
0.8Nb0.23膜を100nm堆積し、強誘電体キャ
パシタを作成した。
On the lower electrode, BaTi is used as a ferroelectric substance.
O 3 is 20 nm, and SrT
An i 0.8 Nb 0.2 O 3 film was deposited to a thickness of 100 nm to form a ferroelectric capacitor.

【0093】下記表2に、本実施例による成膜温度を変
化させて形成したTiO2膜をバッファ層とした場合の
X線回折のアナターゼ型TiO2の(004)ピークと、ル
チル型TiO2の(101)ピークの積分強度比(I(004)
/I(101))、2V印加時のリーク電流値、500Hz
の3角波を印加して測定した強誘電体ヒステリシスから
求めた残留分極量を示す。なお、X線回折は、Cu、K
α線を用いて、管電圧及び管電流をそれぞれ40kV、
40mAとして、θ−2θスキャンにより行った。
Table 2 below shows the (004) peak of anatase-type TiO 2 and the rutile-type TiO 2 in X-ray diffraction when the TiO 2 film formed by changing the film formation temperature according to the present embodiment was used as the buffer layer. (101) Integrated intensity ratio of peak (I (004)
/ I (101) ), leak current value when 2 V is applied, 500 Hz
3 shows the amount of remanent polarization obtained from the ferroelectric hysteresis measured by applying the triangular wave shown in FIG. In addition, X-ray diffraction is Cu, K
Using α rays, the tube voltage and the tube current are each 40 kV,
The measurement was performed by θ-2θ scan at 40 mA.

【0094】[0094]

【表2】 [Table 2]

【0095】なお、アナターゼ型TiO2の(004)ピー
クと、ルチル型TiO2の(101)ピークの積分強度比I
(004)/I(101)は、ほぼ結晶層の存在割合に近いことを
透過型電子顕微鏡観察により確認している。
[0095] Incidentally, the anatase type TiO 2 (004) peak and, rutile TiO 2 (101) peak integrated intensity ratio I
It has been confirmed by transmission electron microscopy that (004) / I (101) is almost close to the existence ratio of the crystal layer.

【0096】上記表2から明らかなように、ルチル層の
混合量が50%を超えると、上部BaTiO3のリーク
電流が急激に上昇する。これは、ルチル層形成によるモ
フォロジーの劣化によるものである。また、モフォロジ
ーの悪化とともにBaTiO 3の結晶性(配向性)劣
化、残留分極量の低下が起こる。50%以下ではこの影
響は少ない。
As is clear from Table 2 above, the rutile layer
If the mixing amount exceeds 50%, the upper BaTiOThreeLeak of
The current rises sharply. This is due to the rutile layer formation.
This is due to the deterioration of the morphology. Also, morphology
-BaTiO with deterioration ThreePoor crystallinity (orientation) of
And the amount of remanent polarization decreases. Below 50% this shadow
There is little sound.

【0097】[0097]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よると、アナターゼ構造の酸化物を下部電極とバリア層
の間にバッファ層として用いた場合に起こるプラグとの
界面の反応やプラグ表面の酸化による表面荒れや拡散に
よるキャパシタ特性の劣化を防止し、良好な誘電特性や
高い信頼性をもつキャパシタが得られる。
As described above in detail, according to the present invention, the reaction at the interface with the plug and the plug surface which occur when an oxide having an anatase structure is used as a buffer layer between the lower electrode and the barrier layer. Deterioration of capacitor characteristics due to surface roughness and diffusion due to oxidation of the capacitor is prevented, and a capacitor having good dielectric characteristics and high reliability can be obtained.

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

【図1】本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタを示
す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a thin film capacitor according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施形態に係る薄膜キャパシタの表
面を示す電子顕微鏡写真図。
FIG. 2 is an electron micrograph showing the surface of the thin film capacitor according to one embodiment of the present invention.

【図3】比較例1に係る薄膜キャパシタの表面を示す電
子顕微鏡写真図。
FIG. 3 is an electron micrograph showing the surface of the thin film capacitor according to Comparative Example 1.

【図4】比較例2に係る薄膜キャパシタの表面を示す電
子顕微鏡写真図。
FIG. 4 is an electron micrograph showing a surface of a thin film capacitor according to Comparative Example 2.

【図5】本発明の他の実施形態に係る薄膜キャパシタを
示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a thin-film capacitor according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1,7…プラグ 2…Ti0.9Al0.1N膜 3…Ti膜 4… SrTi0.8Nb0.23 膜 5… Ba0.2Sr0.8Ti3 膜 6… SrRuO3 膜 8…絶縁膜 9…TiN膜 10…TiO膜 11…SrRuO膜 12…Ba0.2Sr0.8TiO膜 13…SrRuO1, 7 plug 2 Ti 0.9 Al 0.1 N film 3 Ti film 4 SrTi 0.8 Nb 0.2 O 3 film 5 Ba 0.2 Sr 0.8 Ti 3 film 6 SrRuO 3 film 8 insulating film 9 TiN film 10 TiO 2 film 11 ... SrRuO 3 film 12 ... Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 13 ... SrRuO 3 film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川久保 隆 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Fターム(参考) 5F038 AC05 AC14 DF05 EZ14 5F083 AD31 AD49 FR01 GA25 HA08 JA13 JA14 JA39 JA40 JA45 MA06 MA17 PR22 PR25 PR40 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Takashi Kawakubo 1-term, Komukai Toshiba-cho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa F-term in Toshiba R & D Center (reference) 5F038 AC05 AC14 DF05 EZ14 5F083 AD31 AD49 FR01 GA25 HA08 JA13 JA14 JA39 JA40 JA45 MA06 MA17 PR17 PR22 PR25 PR40

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】半導体基板上に形成された、バリア層、下
部電極層、誘電体薄膜、および上部電極層を具備し、バ
リア層と下部電極層の間にアナターゼ構造を主体とする
酸化物を含むバッファ層を介在させたことを特徴とする
薄膜キャパシタ。
A semiconductor device comprising a barrier layer, a lower electrode layer, a dielectric thin film, and an upper electrode layer formed on a semiconductor substrate, wherein an oxide mainly composed of an anatase structure is interposed between the barrier layer and the lower electrode layer. A thin film capacitor characterized by interposing a buffer layer containing the same.
【請求項2】前記バリア層が、Ti1-xAlxNにより表
わされる材料により構成されることを特徴とする請求項
1に記載の薄膜キャパシタ。
2. The thin film capacitor according to claim 1, wherein said barrier layer is made of a material represented by Ti 1-x Al x N.
【請求項3】半導体基板上にバリア層を形成する工程、 前記バリア層上に、アナターゼ構造を主体とする金属酸
化物を含むバッファ層、または後の工程における酸化に
よりアナターゼ構造を主体とする酸化物を形成し得る金
属を含むバッファ層形成予定層を形成する工程、 前記バッファ層またはバッファ層形成予定層上に下部電
極層を形成する工程、前記下部電極層上に誘電体薄膜を
形成する工程、および前記誘電体薄膜上に上部電極層を
形成する工程を具備することを特徴とする薄膜キャパシ
タの製造方法。
3. A step of forming a barrier layer on a semiconductor substrate, a buffer layer containing a metal oxide mainly composed of an anatase structure on the barrier layer, or an oxidation mainly composed of an anatase structure by oxidation in a later step. Forming a buffer layer forming layer containing a metal capable of forming an object; forming a lower electrode layer on the buffer layer or the buffer layer forming layer; forming a dielectric thin film on the lower electrode layer And a step of forming an upper electrode layer on the dielectric thin film.
【請求項4】前記アナターゼ構造を主体とする金属酸化
物は、金属酸化物を100〜700℃で成膜することに
より得られ、またはアナターゼ構造を主体とする酸化物
を形成し得る金属は、前記下部電極層を形成する工程に
おいて、400〜800℃で酸化され、アナターゼ構造
を主体とする酸化物とされることを特徴とする請求項3
に記載の薄膜キャパシタの製造方法。
4. The metal oxide mainly having an anatase structure is obtained by forming a film of the metal oxide at 100 to 700 ° C., or a metal capable of forming an oxide mainly having an anatase structure is: 4. The method according to claim 3, wherein in the step of forming the lower electrode layer, the oxide is oxidized at 400 to 800 [deg.] C. to form an oxide mainly having an anatase structure.
3. The method for manufacturing a thin film capacitor according to item 1.
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