JP2001210800A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2001210800A
JP2001210800A JP2000014305A JP2000014305A JP2001210800A JP 2001210800 A JP2001210800 A JP 2001210800A JP 2000014305 A JP2000014305 A JP 2000014305A JP 2000014305 A JP2000014305 A JP 2000014305A JP 2001210800 A JP2001210800 A JP 2001210800A
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film
capacitor
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Satoshi Mihara
智 三原
Tomohiro Takamatsu
知広 高松
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】強誘電体キャパシタの形成工程を有する半導体
装置の製造方法に関し、強誘電体膜を劣化させずにその
上に導電膜を形成すること。 【解決手段】半導体基板1の上方にキャパシタの下部電
極3を形成する工程と、下部電極3上に強誘電体膜4を
形成する工程と、DCパルス放電のスパッタにより上部
電極5を強誘電体膜4の上に形成する工程とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、より詳しくは、強誘電体キャパシタの形成
工程を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体プロセスにおいて、近年、新材料
を使用した素子が用いられようとしている。特に最近で
は、分極ヒステリシスを利用して情報を記憶させるFe
RAMの開発も行われている。その中で、記憶素子にあ
たる材料にPZTや、LaがドープされたPLZT等の酸
化物の化合物材料、さらには、カルシウム(Ca)やスト
ロンチウム(Sr)がドープされた改良型PLZTが用い
られる。また、半導体素子の高密度化に伴ってセルサイ
ズが徐々に小さくなることから、誘電率の高い材料、例
えばBST((Ba,Sr)TiO3) 等が使用されようとしてい
る。
【0003】それらのPZT、PLZT、BSTは強・
高誘電体材料と呼ばれ、複数の元素からなる酸化物材料
から形成されている。従来の素子形成技術では、そのよ
うな酸化物材料である強・高誘電体材料を形成し、熱処
理によって結晶化した後に、その上に電極材料を形成す
る工程が一般に採用されている。
【0004】その電極材料は、導電性材料であることか
ら直流(DC)放電を用いて形成されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたようなキャ
パシタ誘電体材料は主に酸化物系材料であり、これを挟
むようにして電極材料が形成されてキャパシタが構成さ
れている。このような酸化物材料は、その後の工程で用
いられる還元雰囲気、特に水素に非常に弱いので、その
工程中に還元雰囲気に晒され且つ熱がかかると酸化物材
料は容易に劣化してしまう。
【0006】また、強・高誘電体膜の形成後にこれを結
晶化しても、次の電極形成工程でDCスパッタ法を用い
ると、プラズマが強・高誘電体膜の表面に暴露されるこ
とから、強・高誘電体膜と電極の界面にダメージが入る
といった問題がある。本発明の目的は、強誘電体膜を劣
化させずにその上に導電膜を形成することができる半導
体装置の製造方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記した課題は、半導体
基板の上方にキャパシタの下部電極を形成する工程と、
下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、DCパルス
放電のスパッタにより上部電極を強誘電体膜の上に形成
する工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造
方法により解決される。この場合、下部電極を形成する
際にDCパルス放電のスパッタを用いてもよい。また、
上記したDCパルス放電のデューティ比は30〜70%
の範囲内にあることが好ましい。
【0008】少なくとも上部電極は、プラチナ、イリジ
ウム、酸化イリジウム、ストロンチウム・ルテニウム酸
素、ルテニウム、酸化ルテニウムのうちのいずれかの単
層膜又は積層膜から構成されたものでもよく、強誘電体
膜は、PZT、PLZT、BST、SBT(チタン酸ス
トロンチウムビスマス)、パラジウム含有酸化物のいず
れかから形成されてもよい。
【0009】次に、本発明の作用について説明する。本
発明によれば、キャパシタの電極を形成する時に、DC
パルス放電を用いるようにしている。DCパルス放電
は、DCパワーをオン、オフすることによってターゲッ
トと基板の間に供給することによって得られる。これに
より、電極形成雰囲気のプラズマ中の電子温度を下げる
ことが可能になる。この電子温度が下がると、半導体基
板の電位とプラズマの電位の差が小さくなることから、
半導体基板に向けて入射するイオンのエネルギーが小さ
くなり、これにより、強誘電体と電極の界面のダメージ
が低減され、その後の工程を経ても強誘電体の劣化を抑
制することが可能になる。
【0010】なお、電極・ターゲット間の印加パワーを
最適にすることと、プラズマ中の電子温度を十分に下げ
ることを考慮すると、DCパルス放電に必要なパルス電
力のデューティ比を30〜70%の範囲に設定すること
が望ましい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。 (第1の実施の形態)図1(a) 〜(d) は、本発明の実施
形態に係る半導体装置のキャパシタの層構造を示す断面
図である。
【0012】まず、図1(a) に示すように、シリコン等
の半導体基板(不図示)1上の絶縁膜2の上に、連続放
電であるDCスパッタ法によりチタン(Ti)膜3aと第
一のプラチナ(Pt)膜3bを順に形成する。これらのチ
タン膜3aと第一のプラチナ膜3bは、キャパシタの下
部電極3として使用される。なお、絶縁膜2は、単層構
造であってもよいし多層構造であっても良い。
【0013】次に、図1(b) に示すように、高周波(R
F)スパッタ法によってプラチナ膜3bの上にPLZT
よりなる酸化物の強誘電体膜4を形成する。その後に、
図1(c) に示すように、強誘電体膜4の上に第二のプラ
チナ膜をキャパシタの上部電極5として形成する。第二
のプラチナ膜は、図2に示すスパッタ装置を用いて後述
する条件で形成される。
【0014】次に、レジストパターン(不図示)を使用
するフォトリソグラフィー法により上部電極5を所定の
形状にパターニングする。これにより、絶縁膜2の上に
はキャパシタ6が形成される。なお、下部電極3と酸化
物誘電体膜4は、第二のプラチナ膜5のパターニングの
前又は後にパターニングされる。上記したスパッタ装置
は、図2に示すように、基板側電極11とターゲット1
2を相対向して収納するチャンバ10を有し、基板側電
極11とターゲット12には、マッチング回路13を介
して電源14が接続されている。その電源14は、デュ
ーティ比を変えて電力を供給し得る構成となっている。
そのデューティ比が100%の場合には連続出力、即ち
通常のDC出力がターゲット12と電極11の間に供給
され、またデューティ比が100%よりも小さい場合に
はDC出力をオン、オフして得られたパルス出力がター
ゲット12と電極11の間に供給される。
【0015】また、チャンバ10には、アルゴン、酸素
等のスパッタ用ガス源15に接続されるガス導入口16
と、排気ポンプ(不図示)に接続される排気口17が設
けられている。上記したプラチナよりなる上部電極5を
形成する場合に、チャンバ10内にアルゴンガスと酸素
ガスをそれぞれ流量100sccmで導入し、ガス圧を0.
7Paとし、DCパワーを1.0kWとし、電力のパルス幅
を100μsecとしてデューティ比を30〜100%
の範囲で変化させ、その条件の違いによるキャパシタ6
の分極電荷密度Qswと分極ヒステリシスのV90を調べ
たところ、図3、図4に示すような特性が得られた。な
お、V90は、キャパシタの分極ヒステリシスの飽和電
圧値に対して90%の電圧値を意味する。
【0016】図3に示したQswとデューティ比の関係に
よれば、電源14から供給される電力のデューティ比を
100%、即ちDC電力として連続放電にすることによ
りQswが大きく低下し、デューティ比を小さくしてパル
ス放電とすることによりQswの低下が抑制されることが
わかる。図4に示したV90とデューティ比の関係によ
れば、電源14から供給される電力のデューティ比を1
00%にすることによりV90が大きくなり、デューテ
ィ比を小さくするにつれてV90の上昇が抑制されるこ
とがわかった。
【0017】次に、上記したキャパシタ6の上部電極5
としてプラチナ膜の代わりに酸化イリジウム(IrO x
xは成分数)膜を図2に示すスパッタ装置を使用して形
成し、その後にこれを所定の形状にパターニングした。
そして、その酸化イリジウム膜の形成条件を変えてキャ
パシタ6のQswとV90を調べたところ、図5、図6に
示すような特性が得られた。その酸化イリジウム膜を形
成する際には、チャンバ10内にアルゴンガスを導入
し、ガス圧を0.8Paとし、DCパワーを1.0kWと
し、電力のパルス幅を100μsecとしてデューティ
比を30〜100%の範囲で変化させた。
【0018】図5に示したQswとデューティ比の関係か
ら、電源14から供給される電力のデューティ比を10
0%、即ち連続放電にすることによりQswの低下が大き
くなったが、デューティ比を小さくしてパルス放電する
ことによりQswの低下が抑制されることがわかった。図
6に示したV90とデューティ比の関係によれば、電源
14から供給される電力のデューティ比を100%にす
ることによりV90が大きくなったが、デューティ比を
小さくすることによりV90が低下することがわかっ
た。
【0019】以上のように、デューティ比を100%よ
りも小さくするとQswが大きくなり且つV90が小さく
なるのは、電極形成雰囲気のプラズマ中の電子温度が下
がり、半導体基板の電位とプラズマの電位の差が小さく
なって、半導体基板に向けて入射するイオンのエネルギ
ーが小さくなるからである。ところで、上記したように
キャパシタ6の上部電極5をプラチナ膜から形成した後
にキャパシタ6の上に絶縁性カバー膜(不図示)を形成
した後のQsw及びV90を調べ、さらに、上部電極5を
酸化イリジウム膜から形成した後にキャパシタ6の上に
絶縁性カバー膜(不図示)を形成した後のQsw及びV9
0を調べたところ、それぞれ表1のような結果が得られ
た。なお、絶縁性カバー膜としてTEOS使用のシリコ
ン酸化膜を形成した。
【0020】
【表1】 表1によれば、上部電極5の形成時にDCパルス放電に
することにより、その後に絶縁膜形成工程を経ても劣化
の小さい強誘電体膜を提供できることがわかった。
【0021】ところで、上記した説明ではDCパルス電
力のデューティ比を変化させて特性を調査したが、電力
のオフ時間を長くしてデューティを下げると、電力オン
時の印加パワーを高くしなければならず、また整合もと
りずらくなる。これに対して、そのデューティを上げて
いくと、オフ時に電子温度が下がりきらず、DC電力を
パルスにした意味がなくなってしまう。そこで、デュー
ティ比としては30〜70%の範囲内に設定することが
好ましい。
【0022】さらに、上記した実施形態では、キャパシ
タの強誘電体膜/上部電極の組み合わせとしてPLZT
/プラチナ膜とPLZT/酸化イリジウム膜をあげて説
明したが、強誘電体膜はPLZT以外のPZT、BS
T、SBT等の酸化物を用いても同様な効果が得られる
し、また、上部電極として、プラチナ、酸化イリジウム
の他にイリジウム、SRO(ストロンチウム・ルテニウ
ム酸素)、RuO x (酸化ルテニウム)でも同様な効果が
得られる。
【0023】なお、上記した下部電極3を構成するプラ
チナ膜3bの形成の際に、DC放電ではなく、上部電極
5と同じ条件のDCパルス放電を使用してもよい。
【0024】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、キャ
パシタの電極を形成する時に、DCパルス放電を用いる
ようにしたので、電極を形成する雰囲気におけるプラズ
マ中の電子温度を下げ、半導体基板に向けて入射するイ
オンのエネルギーを小さくして強誘電体膜と電極の界面
のダメージを低減することができ、しかもその後の工程
を経ても強誘電体膜の劣化を抑制することが可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る半導体装置のキャパシ
タの形成工程を示す断面図である。
【図2】本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの
電極の形成に使用されるスパッタ装置の概要構成図であ
る。
【図3】本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの
上部電極としてプラチナを使用した場合のキャパシタ分
極特性と電力パルスのデューティ比の関係を示す図であ
る。
【図4】本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの
上部電極としてプラチナを使用した場合のキャパシタの
飽和電圧の90%となる値と電力パルスのデューティ比
の関係を示す図である。
【図5】本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの
上部電極として酸化イリジウムを使用した場合のキャパ
シタ分極特性と電力パルスのデューティ比の関係を示す
図である。
【図6】本発明の実施形態に係る強誘電体キャパシタの
上部電極として酸化イリジウムを使用した場合のキャパ
シタの飽和電圧の90%となる値と電力パルスのデュー
ティ比の関係を示す図である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…絶縁膜、3…下部電極、4…誘電
体膜、5…上部電極、6…キャパシタ、10…チャン
バ、11…基板側電極、12…ターゲット、13…マッ
チング回路、14…電源、15…ガス源、16…ガス導
入口、17…排気口。
───────────────────────────────────────────────────── 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 27/10 451 Fターム(参考) 4K029 AA06 BA02 BA17 BA43 BD01 CA05 DC34 4M104 AA01 BB06 CC05 DD37 DD39 EE02 EE05 EE16 GG16 HH20 5F083 FR01 GA21 JA14 JA15 JA17 JA38 JA39 JA43 PR22 5F103 AA08 DD27 DD28 DD30 HH03 LL14 LL20 NN05 NN10 RR06

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板の上方にキャパシタの下部電極
    を形成する工程と、前記下部電極上に強誘電体膜を形成
    する工程と、 DCパルス放電のスパッタにより上部電極を前記強誘電
    体膜の上に形成する工程とを有することを特徴とする半
    導体装置の製造方法。
  2. 【請求項2】前記下部電極を形成する際にもDCパルス
    放電のスパッタが用いられることを特徴とする請求項1
    に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 【請求項3】前記DCパルス放電のデューティ比は30
    〜70%の範囲内にあることを特徴とする請求項1、請
    求項2のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
JP2000014305A 2000-01-24 2000-01-24 半導体装置の製造方法 Withdrawn JP2001210800A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7563672B2 (en) 2005-11-12 2009-07-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Methods of fabricating integrated circuit devices including metal-insulator-metal capacitors

Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7563672B2 (en) 2005-11-12 2009-07-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Methods of fabricating integrated circuit devices including metal-insulator-metal capacitors

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