JP2002076290A - Semiconductor memory device - Google Patents

Semiconductor memory device

Info

Publication number
JP2002076290A
JP2002076290A JP2000267550A JP2000267550A JP2002076290A JP 2002076290 A JP2002076290 A JP 2002076290A JP 2000267550 A JP2000267550 A JP 2000267550A JP 2000267550 A JP2000267550 A JP 2000267550A JP 2002076290 A JP2002076290 A JP 2002076290A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lower electrode
film
ferroelectric
memory device
semiconductor memory
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000267550A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hisami Okuwada
久美 奥和田
Takako Motai
貴子 もたい
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2000267550A priority Critical patent/JP2002076290A/en
Publication of JP2002076290A publication Critical patent/JP2002076290A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory device in which a large stress is less likely to be generated, in an interface between a metal of a storage capacity and a ferroelectric. SOLUTION: A switching transistor is formed in the semiconductor substrate. As the storage capacity connected to this transistor, a lower electrode, a dielectric film connected to the lower electrode, and an upper electrode contacted with the dielectric film, are formed. In this case, at least one of each of mean particle sizes of crystal grain boundaries of the lower electrode, the dielectric film and the upper electrode is made smaller than one-tenth of the largest width of the lower electrode. Thus, stresses generated in the interface are diffused in the bonding surfaces of the grain boundaries.

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、強誘電体を蓄積容
量部に用いた半導体メモリ装置に関し、特に、その蓄積
容量部の構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory device using a ferroelectric for a storage capacitor, and more particularly to a structure of the storage capacitor.

【0002】[0002]

【従来の技術】誘電体薄膜の強誘電性を利用した不揮発
性メモリ装置等の半導体メモリ装置が開発されている。
この強誘電体を利用した半導体メモリ装置は、低消費電
力の汎用不揮発メモリの他、非接触ICカード(RF−
ID、TAG)などへの応用があり期待されている。例
えば、不揮発性メモリ装置では、金属−強誘電体−金属
(MFM)構造の蓄積容量部を金属−酸化物−半導体
(MOS)構造のスイッチングトランジスタの上方に配
置する構造の装置が実用化されている。このMFM構造
では、金属電極(M)の代わりに導電性酸化物が用いら
れることもある。MFM構造の不揮発性メモリ装置は、
装置形成が比較的容易であるという利点を持つため、現
在までは最も実用的な装置構造であると考えられてい
る。
2. Description of the Related Art Semiconductor memory devices such as nonvolatile memory devices utilizing the ferroelectricity of a dielectric thin film have been developed.
Semiconductor memory devices using this ferroelectric material include non-contact IC cards (RF-
ID, TAG), etc., and is expected. For example, in a nonvolatile memory device, a device having a structure in which a storage capacitor portion having a metal-ferroelectric-metal (MFM) structure is disposed above a switching transistor having a metal-oxide-semiconductor (MOS) structure has been put to practical use. I have. In this MFM structure, a conductive oxide may be used instead of the metal electrode (M). The non-volatile memory device having the MFM structure includes:
It is considered to be the most practical device structure to date because of the advantage of relatively easy device formation.

【0003】不揮発性メモリ装置においても他の半導体
メモリ装置と同様に高集積化が進められている。高集積
化では、蓄積容量部の半導体基板上への投影面積(占有
面積)を小さくする。しかし、シグナルマージンは確保
しなければならず、蓄積容量部の容量値は一定値以上が
必要である。そこで、金属と強誘電体の界面の形状を1
平面から多数平面や曲面にして、占有面積は小さくなっ
ても界面の面積は同程度になるように設定している。
[0003] As with other semiconductor memory devices, high integration of non-volatile memory devices has been promoted. In high integration, the projected area (occupied area) of the storage capacitor portion on the semiconductor substrate is reduced. However, a signal margin must be secured, and the capacitance value of the storage capacitor section needs to be a certain value or more. Therefore, the shape of the interface between the metal and the ferroelectric is changed to 1
From a flat surface to a large number of flat surfaces or curved surfaces, the area of the interface is set to be the same even if the occupied area is reduced.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】不揮発性メモリ装置の
製造において、強誘電体膜は、エッチング時のダメー
ジ、還元性プロセスにおける水素ダメージ、上部積層膜
からの応力ダメージ等のダメージを受け電気特性を劣化
させるので、これらストレスを緩和させ特性を回復させ
るために熱処理が行われる。
In the manufacture of a nonvolatile memory device, a ferroelectric film suffers damages such as damage during etching, hydrogen damage in a reducing process, and stress damage from an upper laminated film, and thus has poor electrical characteristics. Heat treatment is performed to alleviate these stresses and restore the characteristics because of deterioration.

【0005】しかし、金属と強誘電体の界面の形状を多
数平面や曲面に変更したことにより、界面の全面及び局
部に大きな応力が生じ、特にストレス緩和の熱処理時に
大きな応力が生じ、界面の剥がれや界面を起点とする結
晶欠陥が生じ、不揮発性メモリ装置の電気特性が劣化す
る場合があった。
However, since the shape of the interface between the metal and the ferroelectric is changed to a large number of planes or curved surfaces, a large stress is generated on the entire surface and a local area of the interface. In some cases, crystal defects originating from the interface or interface occur, and the electrical characteristics of the non-volatile memory device deteriorate.

【0006】以上の様な問題点を解決するために、本発
明の目的は蓄積容量部の金属と強誘電体の界面に大きな
応力が生じにくい半導体メモリ装置を提供することであ
る。
[0006] In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which a large stress is hardly generated at an interface between a metal and a ferroelectric in a storage capacitor portion.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】すなわち、上記問題点を
解決するための本発明の第1の特徴は、半導体基板に設
けられるスイッチングトランジスタと、このトランジス
タに裏面が接続する第1の底部とこの第1の底部と電気
的に接続する第1の側壁とを有する下部電極と、この第
1の底部の表面に裏面が接する第2の底部と第1の側壁
の内面に外面が接する第2の側壁とを有し強誘電体から
成る誘電体膜と、この第2の底部の表面に接する底面と
この第2の側壁の内面に接する側面とを有する上部電極
とを有する半導体メモリ装置であって、下部電極、上部
電極と誘電体膜の結晶粒界のそれぞれの平均粒径の少な
くとも1つが下部電極の最大幅の10分の1より小さい
ことである。このことにより、蓄積容量部が、下部電
極、誘電体膜と上部電極で構成される。底部と側壁を有
するいわゆる椀状の下部電極と誘電体膜により容量を大
きくできるがストレスも大きくなる。そこで、下部電
極、誘電体膜と上部電極の結晶粒界のそれぞれの平均粒
径を上記のように設定することにより、粒界同士の結合
面に界面に生じた応力を分散させることができる。
That is, a first feature of the present invention for solving the above-mentioned problems is that a switching transistor provided on a semiconductor substrate, a first bottom portion having a back surface connected to the transistor, and a first transistor having a back surface connected to the switching transistor are provided. A lower electrode having a first side wall electrically connected to the first bottom, a second bottom having a back surface in contact with the surface of the first bottom, and a second electrode having an outer surface in contact with the inner surface of the first side wall; A semiconductor memory device comprising: a dielectric film having a side wall and made of a ferroelectric; and an upper electrode having a bottom surface in contact with a surface of the second bottom portion and a side surface in contact with an inner surface of the second side wall. , At least one of the average grain sizes of the lower electrode, the upper electrode, and the crystal grain boundary of the dielectric film is smaller than 1/10 of the maximum width of the lower electrode. As a result, the storage capacitor section is composed of the lower electrode, the dielectric film and the upper electrode. The capacity can be increased by the so-called bowl-shaped lower electrode having the bottom and side walls and the dielectric film, but the stress also increases. Therefore, by setting the average grain size of each of the crystal grain boundaries of the lower electrode, the dielectric film, and the upper electrode as described above, it is possible to disperse the stress generated at the interface at the bonding surface between the grain boundaries.

【0008】本発明の第1の特徴は、下部電極の最大厚
と誘電体膜の最大厚の少なくとも1つが、前記最大幅の
3分の1より小さいことにより一層効果的である。この
ことにより、ストレスの原因となる熱処理等による粒界
の変形の厚さ方向の累積を小さく抑えることができる。
そして、下部電極と強誘電体の界面に生じるストレスを
小さくすることができる。
The first feature of the present invention is more effective when at least one of the maximum thickness of the lower electrode and the maximum thickness of the dielectric film is smaller than one third of the maximum width. Thereby, the accumulation in the thickness direction of the deformation of the grain boundary due to heat treatment or the like that causes stress can be suppressed.
Further, stress generated at the interface between the lower electrode and the ferroelectric can be reduced.

【0009】本発明の第1の特徴は、誘電体膜の結晶の
無配向成分が50%以上であることにより一層効果的で
ある。ここで、「無配向成分」とは、強誘電体の結晶の
配向性について、粉末X線回折パターンにおける最強線
の強度I1と、強誘電体のX線回折パターンの特定配向
性成分のうち最も強い配向性を示す成分の強度I2の和
に対する強度I2の比のことである。このことにより、
強誘電体の膜の表面に様々な結晶面が露出していること
になるので、電極と強誘電体の界面に生じるストレスを
分散させることが出来る。
The first feature of the present invention is more effective when the non-oriented component of the crystal of the dielectric film is 50% or more. Here, the “non-oriented component” refers to the intensity I1 of the strongest line in the powder X-ray diffraction pattern and the most specific orientation component of the ferroelectric X-ray diffraction pattern in the ferroelectric crystal orientation. It is the ratio of the intensity I2 to the sum of the intensity I2 of the component exhibiting strong orientation. This allows
Since various crystal planes are exposed on the surface of the ferroelectric film, stress generated at the interface between the electrode and the ferroelectric can be dispersed.

【0010】本発明の第2の特徴は、半導体基板に設け
られるスイッチングトランジスタと、このトランジスタ
に裏面が接続する第1の底部とこの第1の底部と電気的
に接続する第1の側壁とを有する下部電極と、この第1
の底部の表面に裏面が接する第2の底部と第1の側壁の
内面に外面が接する第2の側壁とを有し強誘電体から成
る誘電体膜と、この第2の底部の表面に接する底面と第
2の側壁の内面に接する側面とを有する上部電極とを有
する半導体メモリ装置であって、下部電極と上部電極の
それぞれの体積密度の少なくとも1つが誘電体膜の体積
密度より小さいことである。強誘電体は、強誘電体メモ
リの動作において分極反転するが、その分極量は、外部
からの応力によって制限される。この応力を緩和するた
めに、上部と下部の電極の少なくとも一方の体積密度を
低くして変形し易い構造にすることで応力を緩和する。
A second feature of the present invention is that a switching transistor provided on a semiconductor substrate, a first bottom portion connected to the back surface of the switching transistor, and a first side wall electrically connected to the first bottom portion are provided. Having the lower electrode and the first
A dielectric film made of a ferroelectric material having a second bottom portion whose back surface is in contact with the front surface of the bottom portion and a second side wall whose outer surface is in contact with the inner surface of the first side wall, and is in contact with the surface of this second bottom portion A semiconductor memory device having an upper electrode having a bottom surface and a side surface in contact with an inner surface of a second side wall, wherein at least one of the volume densities of the lower electrode and the upper electrode is smaller than the volume density of the dielectric film. is there. The polarization of the ferroelectric is inverted in the operation of the ferroelectric memory, but the amount of polarization is limited by an external stress. In order to alleviate this stress, the stress is alleviated by reducing the volume density of at least one of the upper and lower electrodes to make the structure easily deformable.

【0011】本発明の第2の特徴は、下部電極と上部電
極の少なくとも1つが、空隙を有することにより一層効
果的である。ここで、「空隙」とは、ボイドのことであ
る。ただボイドといっても内部に存在するもののみを指
すのでなく窪みや欠けのような表面に現れたものも含
む。ストレスの発生しやすいところに空隙を配置するこ
とで発生を抑制することができる。また、ストレスが発
生しても空隙が変形することでストレスを分散させるこ
とができる。
A second feature of the present invention is more effective when at least one of the lower electrode and the upper electrode has a gap. Here, the “gap” is a void. The term "voids" does not mean only those that exist inside, but also those that appear on the surface, such as depressions and chips. By arranging voids where stress is likely to occur, generation can be suppressed. Further, even if stress occurs, the void can be deformed to disperse the stress.

【0012】本発明の第2の特徴は、下部電極が第1の
底部と第1の側壁との近傍に空隙を有することにより一
層効果的である。この場所はストレスが発生しやすい場
所であり、ここに空隙を配置することでストレスの発生
を抑制することができる。
The second feature of the present invention is more effective when the lower electrode has a gap near the first bottom and the first side wall. This place is a place where stress is likely to be generated, and by arranging a gap here, generation of stress can be suppressed.

【0013】本発明の第2の特徴は、上部電極が内部に
空隙を有することにより一層効果的である。このことに
より、ストレスが発生しても空隙が変形することでスト
レスを分散させることができる。
The second feature of the present invention is more effective when the upper electrode has a void inside. Thus, even if stress is generated, the gap can be deformed to disperse the stress.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施の形態に係る半導体装置とその製造方法について説
明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部
分には同一又は類似の符号を付している。また、図面は
模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の
厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべき
である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, a semiconductor device according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be described with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. In addition, it should be noted that the drawings are schematic, and the relationship between the thickness and the planar dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from actual ones.

【0015】(第1の実施の形態)図1は、本発明の第
1の実施の形態に係わる半導体メモリ装置の断面図であ
る。本発明の第1の実施の形態に係わる半導体メモリ装
置は、p型の半導体基板1に形成されゲート電極6がワ
ード線としても機能するスイッチングトランジスタと、
このトランジスタのソース領域4に下部電極11が接続
する蓄積容量部14と、このトランジスタのドレイン領
域3に接続するビット線9とで構成される。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention. The semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention includes a switching transistor formed on a p-type semiconductor substrate 1 and having a gate electrode 6 also functioning as a word line;
The transistor is composed of a storage capacitor section 14 connected to the source region 4 of the transistor and the lower electrode 11 and a bit line 9 connected to the drain region 3 of the transistor.

【0016】スイッチングトランジスタは、基板1の上
面と面接触するゲート絶縁膜5と、絶縁膜5の上面と面
接触するゲート電極6と、ゲート電極6の上面と、基板
1の上面を含む内部に位置し右側端部がゲート電極6の
下部にまで至っているn型のドレイン領域3と、基板
1の上面を含む内部に位置し左側端部がゲート電極6の
下部にまで至っているn型のソース領域4と、基板の
上面を含み左側面が領域9と72と面接触し領域1の上
に位置するn型のドレイン領域3と、基板1の上に配
置されドレイン領域3とソース領域4の周囲を囲むよう
に配置されるフィールド酸化膜2とで構成される。以下
の実施の形態では、特に言及する場合を除いて、スイッ
チングトランジスタは、nチャネルの金属−絶縁物−半
導体(MIS)電界効果トランジスタ(FET)である
として説明する。なお、pチャネルのMISFETでも
よく、そのの場合には各半導体領域の導電型を逆にすれ
ばよい。すなわち、nチャネルのMISFETにおいて
n型の半導体領域は、pチャネルのMISFETにおい
てp型の半導体領域として扱えばよく、nチャネルのM
ISFETにおいてp型の半導体領域は、pチャネルの
MISFETにおいてn型の半導体領域として扱えばよ
い。
The switching transistor includes a gate insulating film 5 in surface contact with the upper surface of the substrate 1, a gate electrode 6 in surface contact with the upper surface of the insulating film 5, an upper surface of the gate electrode 6, and an interior including the upper surface of the substrate 1. position and in that the n + -type drain region 3 reaches up to the lower portion of the gate electrode 6 is a right end, n + type left end located therein has led to a lower portion of the gate electrode 6 including the upper surface of the substrate 1 A source region 4, an n + -type drain region 3 including the upper surface of the substrate, the left side surface of which is in surface contact with the regions 9 and 72 and located above the region 1; And a field oxide film 2 arranged to surround the periphery of the region 4. In the following embodiments, the switching transistor is described as an n-channel metal-insulator-semiconductor (MIS) field-effect transistor (FET) unless otherwise specified. Note that a p-channel MISFET may be used, in which case the conductivity type of each semiconductor region may be reversed. That is, an n-type semiconductor region in an n-channel MISFET may be treated as a p-type semiconductor region in a p-channel MISFET.
A p-type semiconductor region in an ISFET may be treated as an n-type semiconductor region in a p-channel MISFET.

【0017】ビット線9は、第1層間絶縁膜15の上に
配置され、膜15を貫通するプラグ7によってドレイン
領域3に接続される。ビット線9と膜15の上には第2
層間絶縁膜16が配置される。
The bit line 9 is arranged on the first interlayer insulating film 15 and is connected to the drain region 3 by a plug 7 penetrating the film 15. The second on the bit line 9 and the film 15
An interlayer insulating film 16 is provided.

【0018】蓄積容量部14は、底部と側壁部を有する
椀状の下部電極11と、電極11の底部の表面に裏面が
接する底部と電極11の側壁部の内側に外側が接する側
壁部を有する椀状の強誘電体12と、強誘電体12の底
部の表面に底面が接し強誘電体12の側壁部の内側に側
面が接する上部電極13とで構成される。下部電極11
の底部の裏面と側壁部の外側は導電性を有するバリア層
10で覆われ、下部電極11とバリア層10とは導通し
ている。バリア層10は第2層間絶縁膜16の上に配置
され、膜15と16を貫通するプラグ8によってソース
領域4に接続される。蓄積容量部14の側方には第3層
間絶縁膜17が配置され、蓄積容量部14の上には第4
層間絶縁膜18が配置される。
The storage capacitor portion 14 has a bowl-shaped lower electrode 11 having a bottom portion and a side wall portion, a bottom portion having a back surface in contact with the bottom surface of the electrode 11, and a side wall portion having an outside contact inside the side wall portion of the electrode 11. The ferroelectric body 12 includes a bowl-shaped ferroelectric material 12 and an upper electrode 13 whose bottom surface is in contact with the bottom surface of the ferroelectric material 12 and whose side surface is in contact with the inside of the side wall of the ferroelectric material 12. Lower electrode 11
Is covered with a barrier layer 10 having conductivity, and the lower electrode 11 and the barrier layer 10 are electrically connected. The barrier layer 10 is disposed on the second interlayer insulating film 16 and is connected to the source region 4 by a plug 8 penetrating the films 15 and 16. A third interlayer insulating film 17 is disposed on the side of the storage capacitor unit 14, and a fourth interlayer insulating film 17 is formed on the storage capacitor unit 14.
An interlayer insulating film 18 is provided.

【0019】本発明の第1の実施の形態に係わる半導体
メモリ装置は、スイッチングトランジスタに関して、ワ
ード線を兼ねるゲート電極6に開閉信号を入力すること
により、ドレイン領域3とソース領域4とを導通させた
り開放させることが出来る。導通の際にデータ信号をビ
ット線9に入力することにより、データ信号は蓄積容量
部14に伝搬し電荷量の多少として記憶される。また、
記憶された信号は、再度の導通によりビット線9に出力
される。一方、開放によって記憶されたデータ信号が保
持される。なお、強誘電体12をデータ信号の入力の際
に分極反転させこのヒステリシス特性を有する分極によ
りデータ信号を記憶させれば、導通や開放によらずデー
タ信号は保持され、このメモリ装置は不揮発性を有する
ことになる。
In the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, with respect to the switching transistor, an open / close signal is input to the gate electrode 6 also serving as a word line, thereby making the drain region 3 and the source region 4 conductive. Or open it. By inputting the data signal to the bit line 9 during conduction, the data signal propagates to the storage capacitor unit 14 and is stored as a small amount of charge. Also,
The stored signal is output to the bit line 9 by conducting again. On the other hand, the data signal stored by the release is held. If the ferroelectric substance 12 is inverted when the data signal is input and the data signal is stored by the polarization having the hysteresis characteristic, the data signal is retained regardless of conduction or opening. Will have.

【0020】図2は蓄積容量部14の拡大図である。下
部電極11では、粒界20が集まり互いに結合してい
る。強誘電体12も粒界21の集合体で、粒界21が互
いに結合している。上部電極13も粒界22の集合体
で、粒界22が互いに結合している。蓄積容量部14の
上面の開口部の最長径Lに対し、粒界20の平均粒径R
20を式1の関係に設定する。このように設定すること
により下部電極11の厚さ方向に必ず2つ以上の粒界2
0を配置することが可能になる。そして、この2つ以上
の粒界20同士が結合する結合面が生じる。
FIG. 2 is an enlarged view of the storage capacitor section 14. In the lower electrode 11, the grain boundaries 20 are gathered and connected to each other. The ferroelectric body 12 is also an aggregate of grain boundaries 21 and the grain boundaries 21 are connected to each other. The upper electrode 13 is also an aggregate of grain boundaries 22, and the grain boundaries 22 are connected to each other. With respect to the longest diameter L of the opening on the upper surface of the storage capacitor section 14, the average particle diameter R of the grain boundary 20
20 is set to the relationship of Equation 1. By setting as described above, two or more grain boundaries 2 are necessarily formed in the thickness direction of the lower electrode 11.
0 can be arranged. Then, a bonding surface where the two or more grain boundaries 20 are bonded to each other is generated.

【0021】 R20 < L/10 ………式1 下部電極11と強誘電体12の界面に生じるストレス
は、粒界20同士が結合する結合面に分散される。この
ことによりこの界面での剥がれ等を防止することができ
る。
R20 <L / 10 Expression 1 The stress generated at the interface between the lower electrode 11 and the ferroelectric 12 is dispersed on the bonding surface where the grain boundaries 20 are bonded. As a result, peeling at the interface can be prevented.

【0022】同様に、粒界21の平均粒径R21を式2
の関係に設定し、粒界22の平均粒径R22を式3の関
係に設定する。
Similarly, the average grain size R21 of the grain boundary 21 is expressed by the following equation (2).
And the average grain size R22 of the grain boundary 22 is set to the relationship of the equation (3).

【0023】 R21 < L/10 ………式2 R22 < L/10 ………式3 これらのことにより、下部電極11と強誘電体12の界
面に生じるストレスと上部電極13と強誘電体12の界
面に生じるストレスが、粒界21同士が結合する結合面
と粒界22同士が結合する結合面に分散される。そし
て、これらの界面での剥がれ等を防止することができ
る。逆に、式1乃至3の関係を超える結晶径を有する強
誘電体12および電極膜11、13では、熱処理時に結
晶の大きな形状変化が発生し、熱処理前の形状を維持す
ることが難しい。そして、式1乃至式3の関係を満たす
ことにより強誘電体12の分極量で10μC/cm
上が得られた。この分極量があればメモリ装置において
良好な保持及び読み出し動作が可能である。
R21 <L / 10 (Equation 2) R22 <L / 10 (Equation 3) As a result, the stress generated at the interface between the lower electrode 11 and the ferroelectric 12 and the upper electrode 13 and the ferroelectric 12 Stress generated at the interface between the grain boundaries 21 and the joining surface where the grain boundaries 22 are joined to each other. And peeling at these interfaces can be prevented. Conversely, in the ferroelectric substance 12 and the electrode films 11 and 13 having crystal diameters exceeding the relations of the formulas 1 to 3, a large change in crystal shape occurs during heat treatment, and it is difficult to maintain the shape before heat treatment. By satisfying the relations of Expressions 1 to 3, a polarization amount of the ferroelectric substance 12 of 10 μC / cm 2 or more was obtained. With this polarization amount, good holding and reading operations can be performed in the memory device.

【0024】また、蓄積容量部14の開口最長径Lに対
し、下部電極11の最も厚い部分の膜厚T11を式4の
関係に設定する。
Further, the film thickness T11 of the thickest portion of the lower electrode 11 is set to the relation of the formula 4 with respect to the longest diameter L of the opening of the storage capacitor portion 14.

【0025】 T11 < L/3 ………式4 このように下部電極11の厚さT11を一定値以下に抑
えることにより、ストレスの原因となる熱処理等による
粒界20の変形の膜厚方向の累積を小さく抑えることが
できる。このことにより、下部電極11と強誘電体12
の界面に生じるストレスを小さくすることができる。
T11 <L / 3 (Equation 4) As described above, by suppressing the thickness T11 of the lower electrode 11 to a certain value or less, the deformation of the grain boundary 20 due to heat treatment or the like that causes a stress in the thickness direction can be prevented. Accumulation can be kept small. As a result, the lower electrode 11 and the ferroelectric
Stress generated at the interface of the substrate can be reduced.

【0026】同様に、強誘電体12の最も厚い部分の膜
厚T12を式5の関係に設定する。
Similarly, the film thickness T12 of the thickest part of the ferroelectric substance 12 is set to the relation of the equation (5).

【0027】 T12 < L/3 ………式5 このことによっても、下部電極11と強誘電体12の界
面に生じるストレスを小さくすることができる。そし
て、それぞれの結晶層11、12に係る応力を分散させ
ることで、膜の変形を避けることが可能になる。そし
て、式4と式5の関係を満たすことにより強誘電体12
の分極量で10μC/cm以上が得られた。
T12 <L / 3 (Equation 5) This also makes it possible to reduce the stress generated at the interface between the lower electrode 11 and the ferroelectric substance 12. By dispersing the stresses associated with the respective crystal layers 11 and 12, it is possible to avoid deformation of the film. By satisfying the relations of Expressions 4 and 5, the ferroelectric substance 12
A polarization amount of 10 μC / cm 2 or more was obtained.

【0028】すなわち、開口最長径Lを500nmとす
れば、強誘電体12の平均粒径R21を50nm未満、
好ましくは40nm前後に設定すればよい。電極膜11
と13の平均粒径R20とR22も50nm未満、好ま
しくは25nm前後に設定すればよい。強誘電体12の
最大膜厚T12は167nm未満に、好ましくは100
nm前後に設定すればよい。下部電極11の最大膜厚T
11も167nm未満に設定すればよく。好ましくは1
10nm前後に設定する。
That is, if the longest diameter L of the opening is 500 nm, the average particle size R21 of the ferroelectric substance 12 is less than 50 nm,
Preferably, it may be set to about 40 nm. Electrode film 11
And 13 may also be set to an average particle size of less than 50 nm, preferably around 25 nm. The maximum thickness T12 of the ferroelectric 12 is less than 167 nm, preferably 100
It may be set to around nm. Maximum film thickness T of lower electrode 11
11 may be set to less than 167 nm. Preferably 1
It is set to around 10 nm.

【0029】また、強誘電体12の結晶の配向性につい
て、粉末X線回折パターンにおける最強線の強度I1に
対して、強誘電体12のX線回折パターンの特定配向性
成分のうち最も強い配向性を示す成分の強度I2が、式
6の関係を有するように設定することが望ましい。この
ことによって、強誘電体12の膜の表面に様々な結晶面
が露出していることになるので、電極11、13と強誘
電体12の界面に生じるストレスを分散させることが出
来る。
Further, regarding the crystal orientation of the ferroelectric substance 12, the strongest orientation component among the specific orientation components of the X-ray diffraction pattern of the ferroelectric substance 12 with respect to the intensity I1 of the strongest line in the powder X-ray diffraction pattern. It is desirable to set the intensity I2 of the component showing the property so as to have the relationship of Expression 6. As a result, various crystal planes are exposed on the surface of the film of the ferroelectric substance 12, so that stress generated at the interface between the electrodes 11, 13 and the ferroelectric substance 12 can be dispersed.

【0030】 0.5 > I2/(I1+I2) ………式6 逆に、一方向に配向性の強い結晶は一定方向への変形が
他方に比べて大きくなるために、最も大きい応力も受け
ることになる。結果的に最も応力を受ける部分での特性
が他所に比べて著しく劣り、高信頼性を得られない。そ
して、式6の関係を満たすことにより強誘電体12の分
極量で10μC/cm以上が得られた。
0.5> I2 / (I1 + I2) Equation 6 Conversely, a crystal having a high degree of orientation in one direction undergoes greater deformation in a certain direction than the other, and therefore receives the largest stress. become. As a result, the characteristics at the part which receives the most stress are remarkably inferior to those at other places, and high reliability cannot be obtained. By satisfying the relationship of Expression 6, a polarization amount of the ferroelectric 12 of 10 μC / cm 2 or more was obtained.

【0031】次に、本発明の第1の実施の形態に係わる
半導体メモリ装置の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described.

【0032】(1)まず、図3(a)に示すように、ス
イッチングトランジスタを形成した。p型シリコン(S
i)基板1にシリコン酸化膜(SiO)からなるフィ
ールド酸化膜2を選択酸化(LOCOS)法で形成し
た。次にゲート絶縁膜5を基板1を熱酸化することによ
り形成した。n型のポリシリコン膜を熱化学気相成長
(CVD)法で成膜し、ホトリソグラフィ法と反応性イ
オンエッチング(RIE)法によりゲート電極6を形成
した。酸化膜2と電極6をマスクにして基板1にイオン
注入を行い、さらに熱処理を行いドレイン領域3とソー
ス領域4を形成した。
(1) First, as shown in FIG. 3A, a switching transistor was formed. p-type silicon (S
i) A field oxide film 2 made of a silicon oxide film (SiO 2 ) was formed on a substrate 1 by a selective oxidation (LOCOS) method. Next, a gate insulating film 5 was formed by thermally oxidizing the substrate 1. An n + type polysilicon film was formed by a thermal chemical vapor deposition (CVD) method, and a gate electrode 6 was formed by a photolithography method and a reactive ion etching (RIE) method. Ion implantation was performed on the substrate 1 using the oxide film 2 and the electrode 6 as a mask, followed by heat treatment to form a drain region 3 and a source region 4.

【0033】次に、第1層間絶縁膜15として、シリコ
ン酸化膜をプラズマエンハンストCVD(P−CVD)
法で形成した。領域3の上の膜15にコンタクトホール
を設け、このホール内にドープドポリシリコンのプラグ
7を形成した。そして、ビット線9をゲート電極6と同
じ方法で形成した。第2層間絶縁膜16を膜15の上に
膜15と同じ方法で成膜した。領域4の上の膜15と1
6にコンタクトホールを設け、このホール内にタングス
テン(W)のプラグ8を形成した。第3層間絶縁膜17
を膜16の上に膜15と同じ方法で成膜した。
Next, as the first interlayer insulating film 15, a silicon oxide film is formed by plasma enhanced CVD (P-CVD).
Formed by the method. A contact hole was formed in the film 15 above the region 3, and a plug 7 of doped polysilicon was formed in this hole. Then, the bit line 9 was formed in the same manner as the gate electrode 6. A second interlayer insulating film 16 was formed on the film 15 in the same manner as the film 15. Films 15 and 1 over region 4
6 was provided with a contact hole, and a tungsten (W) plug 8 was formed in this hole. Third interlayer insulating film 17
Was formed on the film 16 in the same manner as the film 15.

【0034】(2)図3(b)に示すように、リソグラ
フィー法とRIE法によりプラグ8が露出するように開
口部23を形成した。
(2) As shown in FIG. 3B, an opening 23 was formed by lithography and RIE so that the plug 8 was exposed.

【0035】(3)図4(a)に示すように、バリア層
として窒化チタンと窒化アルミニウムの化合物(TiA
lN)の膜を膜厚20nm程度をスパッタリング法で成
膜した。バリア性を高めるため、800℃のアンモニア
ガス中で加熱処理した。下部電極11として酸化イリジ
ウム(IrO)膜をスパッタリング法によって成膜し
た。この電極11の上に有機金属CVD(MOCVD)
法を用いてSrBi(Ta,Nb)膜を成膜
し、熱処理によって結晶化を行ない強誘電体12を形成
した。
(3) As shown in FIG. 4A, a compound of titanium nitride and aluminum nitride (TiA
1N) was formed to a thickness of about 20 nm by a sputtering method. Heat treatment was performed in ammonia gas at 800 ° C. to enhance the barrier properties. An iridium oxide (IrO 2 ) film was formed as the lower electrode 11 by a sputtering method. Metal-organic CVD (MOCVD) on this electrode 11
A SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 film was formed by using a method, and crystallization was performed by heat treatment to form a ferroelectric substance 12.

【0036】この強誘電体12に対しこの状態でX線回
折を行った。粉末X線回折パターンにおける最強線(1
05)の強度I1は6500であった。これに対し、c
軸配向性の最強線(00 10)の強度I2は5000
であった。これらの強度は式6の条件式を満たしてい
た。
X-ray diffraction was performed on the ferroelectric substance 12 in this state. The strongest line in the powder X-ray diffraction pattern (1
05) The strength I1 was 6,500. In contrast, c
The intensity I2 of the strongest line (00 10) of the axial orientation is 5000
Met. These strengths satisfied the conditional expression of Expression 6.

【0037】(4)図4(b)に示すように、上部電極
13を下部電極11と同様の方法で成膜した。
(4) As shown in FIG. 4B, the upper electrode 13 was formed in the same manner as the lower electrode 11.

【0038】(5)最後に図1に示すように、膜17の
上に存在するバリア層等10乃至13をケミカルメカニ
カルポリッシング(CMP)法により除去し、蓄積容量
部14を完成させた。第4層間絶縁膜18を膜17と容
量部14の上に膜15と同じ方法で成膜した。容量部1
4に発生するストレスを除去する目的で熱処理を行う。
熱処理では、温度700℃以下で1時間以内の範囲で行
えばよい。この範囲で行えば、粒界20乃至22が固相
成長し粒径R21乃至R22が大きくなることはない。
したがって、固相成長を抑えるためには低温化短時間化
することが好ましい。また、X線回折の条件式である式
6をより一層満足させるためには、熱処理の昇温レート
を100℃/分以上にすることが好ましい。このことに
より、昇温中の固相成長をできるだけ抑えることができ
るので最強線の強度を大きくすることがない。
(5) Finally, as shown in FIG. 1, the barrier layers 10 to 13 existing on the film 17 were removed by chemical mechanical polishing (CMP) to complete the storage capacitor section 14. A fourth interlayer insulating film 18 was formed on the film 17 and the capacitor 14 in the same manner as the film 15. Capacity part 1
Heat treatment is performed for the purpose of removing the stress generated in No. 4.
The heat treatment may be performed at a temperature of 700 ° C. or less and within a range of one hour. In this range, the grain boundaries 20 to 22 do not grow and the grain sizes R21 to R22 do not increase.
Therefore, in order to suppress solid phase growth, it is preferable to lower the temperature and shorten the time. In order to further satisfy the conditional expression 6 for the X-ray diffraction, it is preferable that the rate of temperature increase in the heat treatment be 100 ° C./min or more. As a result, the solid phase growth during the temperature rise can be suppressed as much as possible, and the strength of the strongest line does not increase.

【0039】得られたメモリ装置は、2V以下で駆動で
き、10E10回の動作で不良ビットが生じなかった。
読み出しパルス80nsec、書き込みパルス120n
secとした場合に、良品率80%以上で十分な記録保
持特性が得られた。
The obtained memory device can be driven at 2 V or less, and no defective bit was generated by 10E10 operations.
Read pulse 80nsec, Write pulse 120n
In the case of sec, sufficient record retention characteristics were obtained at a non-defective rate of 80% or more.

【0040】積層断面のSEM観察から形状の異常がな
いことを確認し、さらに、開口最長径Lは500nm、
強誘電体12の平均粒径R21は40nm、電極膜11
と13の平均粒径R20とR22は25nm、強誘電体
12の最大膜厚T12は100nm、下部電極11の最
大膜厚T11は110nmであることを確認した。
It was confirmed from SEM observation of the laminated section that there was no abnormality in the shape. Further, the longest diameter L of the opening was 500 nm.
The average particle size R21 of the ferroelectric material 12 is 40 nm,
And 13 were 25 nm in average particle diameter, the maximum thickness T12 of the ferroelectric 12 was 100 nm, and the maximum thickness T11 of the lower electrode 11 was 110 nm.

【0041】本発明の強誘電体メモリは、容量部14に
おいて応力が緩和される条件が整っているために、後工
程の積層時にも各層の剥がれが起きにくく、強誘電体1
2へ異常応力がかからないために分極量劣化を最小限に
とどめることができる。容量部14は、微細化しても十
分な分極マージンを維持できるために、大容量の強誘電
体メモリを量産することが可能である。
In the ferroelectric memory of the present invention, since the conditions for relaxing the stress in the capacitor portion 14 are set, the layers are less likely to be peeled off even during the lamination in a later step.
Since no abnormal stress is applied to No. 2, deterioration of the amount of polarization can be minimized. Since the capacitor section 14 can maintain a sufficient polarization margin even if it is miniaturized, a large-capacity ferroelectric memory can be mass-produced.

【0042】(第2の実施の形態)図5は、本発明の第
2の実施の形態に係わる半導体メモリ装置の断面図であ
る。本発明の第2の実施の形態に係わる半導体メモリ装
置も第1の実施の形態に係わる半導体メモリ装置と同様
に、p型の半導体基板1に形成されゲート電極6がワー
ド線としても機能するスイッチングトランジスタと、こ
のトランジスタのソース領域4に下部電極11が接続す
る蓄積容量部14と、このトランジスタのドレイン領域
3に接続するビット線9とで構成される。
(Second Embodiment) FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention. Similarly to the semiconductor memory device according to the first embodiment, the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention is formed on the p-type semiconductor substrate 1 and the switching in which the gate electrode 6 also functions as a word line. It comprises a transistor, a storage capacitor portion 14 in which the lower electrode 11 is connected to the source region 4 of the transistor, and a bit line 9 connected to the drain region 3 of the transistor.

【0043】スイッチングトランジスタは、第1の実施
の形態のトランジスタと同一である。
The switching transistor is the same as the transistor of the first embodiment.

【0044】ビット線9は、第3層間絶縁膜17の上に
配置され、膜15乃至17を貫通するプラグ7によって
ドレイン領域3に接続される。ビット線9と膜17の上
には第4層間絶縁膜18が配置される。
The bit line 9 is arranged on the third interlayer insulating film 17 and is connected to the drain region 3 by a plug 7 penetrating through the films 15 to 17. On the bit line 9 and the film 17, a fourth interlayer insulating film 18 is arranged.

【0045】蓄積容量部14は、第1の実施の形態の蓄
積容量部と同一である。下部電極11の底部の裏面の一
部は導電性を有するバリア層25に接する。下部電極1
1とバリア層25とは導通している。バリア層25は、
膜15を貫通するプラグ24によってソース領域4に接
続される。蓄積容量部14は膜15の上に配置される。
容量部14の側方には膜16が配置され、上には膜17
が配置される。
The storage capacitor section 14 is the same as the storage capacitor section of the first embodiment. A part of the bottom surface of the bottom of the lower electrode 11 is in contact with the barrier layer 25 having conductivity. Lower electrode 1
1 and the barrier layer 25 are conductive. The barrier layer 25
It is connected to the source region 4 by a plug 24 penetrating the film 15. The storage capacitor unit 14 is disposed on the film 15.
A film 16 is arranged on the side of the capacitance portion 14, and a film 17
Is arranged.

【0046】本発明の第2の実施の形態に係わる半導体
メモリ装置も以上の構成により、第1の実施の形態に係
わる半導体メモリ装置と同様に動作する。
With the above configuration, the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention operates similarly to the semiconductor memory device according to the first embodiment.

【0047】図6は第2の実施の形態に係わる半導体メ
モリ装置の蓄積容量部14の拡大図である。第2の実施
の形態においても第2の実施の形態と同様に粒界20乃
至22が存在する。そして、強誘電体12の体積密度ρ
12に対して、下部電極11の体積密度ρ11と、上部
電極13の体積密度ρ13とが少なくとも式7及び式8
の関係のどちらか一方の関係を有するように設定する。
FIG. 6 is an enlarged view of the storage capacitor section 14 of the semiconductor memory device according to the second embodiment. Also in the second embodiment, grain boundaries 20 to 22 exist as in the second embodiment. And the volume density ρ of the ferroelectric 12
12, the volume density ρ11 of the lower electrode 11 and the volume density ρ13 of the upper electrode 13 are at least Equations 7 and 8
Are set so as to have one of the above relationships.

【0048】 ρ12 > ρ11 ………式7 ρ12 > ρ13 ………式8 このとき、上部と下部の電極膜11、13を構成成分が
同じであつても異なっていてもかまわないが、強誘電体
膜12を構成する物質のヤング率に対して、上下電極1
1、13の少なくとも一方の電極膜物質のヤング率が小
さい方が好ましい。
Ρ12> ρ11 (Equation 7) ρ12> ρ13 (Equation 8) At this time, the upper and lower electrode films 11 and 13 may have the same or different components, but the ferroelectric The upper and lower electrodes 1 correspond to the Young's modulus of the substance constituting the body film 12.
It is preferable that at least one of the electrode film materials 1 and 13 has a small Young's modulus.

【0049】すなわち、上下電極膜11、13の少なく
ともどちらか一方の体積密度が強誘電体膜12の体積密
度より小さくする。強誘電体膜12は、強誘電体メモリ
の動作の基本である分極反転をさせる部分であるため、
膜12の体積密度は分極量に大きな影響を及ぼし、その
分極量は、外部からの応力によって制限される。この応
力を緩和するためには、上下電極膜11、13の少なく
ともどちらか一方が低密度で変形応力を緩和する構造に
なっていることが望ましい。そして、式7と式8の関係
を満たすことにより強誘電体12の分極量で10μC/
cm以上が得られた。
That is, the volume density of at least one of the upper and lower electrode films 11 and 13 is made smaller than the volume density of the ferroelectric film 12. Since the ferroelectric film 12 is a part for inverting the polarization which is the basis of the operation of the ferroelectric memory,
The volume density of the film 12 has a large effect on the amount of polarization, and the amount of polarization is limited by external stress. In order to alleviate this stress, it is desirable that at least one of the upper and lower electrode films 11 and 13 has a structure having a low density to alleviate deformation stress. Then, by satisfying the relationship of Expressions 7 and 8, the polarization amount of the ferroelectric 12 is 10 μC /
cm 2 or more was obtained.

【0050】また、電極膜11、13中に空隙26乃至
28を有することが、応力緩和にために好ましい。特
に、変形応力の最も大きくなる領域26、27、すなわ
ち、容量部14の底面かつ側面の近傍に空隙26、27
を有することが望ましい。また、上部電極膜13の内部
に空隙28を有することも好ましい。これらの構造によ
り、上記と同じように、強誘電体膜12にかかる変形応
力を緩和することができる。
Further, it is preferable to have the voids 26 to 28 in the electrode films 11 and 13 for stress relaxation. In particular, the gaps 26, 27 near the regions 26, 27 where the deformation stress is greatest, that is, near the bottom surface and the side surfaces of the capacitance portion 14.
It is desirable to have It is also preferable to have a gap 28 inside the upper electrode film 13. With these structures, the deformation stress applied to the ferroelectric film 12 can be reduced as described above.

【0051】バリア層25の全上面と下部電極膜11の
コンタクト部が接触していれば、コンタクト部以外の下
部電極11の底面が層間絶縁膜19からすべて離れてい
ても問題ない。そして、上部電極膜13の内部の強誘電
体膜12との界面以外の部分に空隙28が存在すること
も好ましい。
As long as the entire upper surface of the barrier layer 25 is in contact with the contact portion of the lower electrode film 11, there is no problem even if the bottom surface of the lower electrode 11 other than the contact portion is entirely separated from the interlayer insulating film 19. It is also preferable that the void 28 exists in a portion other than the interface with the ferroelectric film 12 inside the upper electrode film 13.

【0052】さらに、図6中の点線である第2層間絶縁
膜16と第3層間絶縁膜17の界面と膜11の側面との
面角度A1が265度以下で、膜11の底面と側面の面
角度A2が95度以上160度以下である場合に、形状
的にも応力緩和が図られるためより効果的である。
Further, the surface angle A1 between the interface between the second interlayer insulating film 16 and the third interlayer insulating film 17 and the side surface of the film 11, which is indicated by the dotted line in FIG. When the surface angle A2 is not less than 95 degrees and not more than 160 degrees, it is more effective because stress can be relaxed also in shape.

【0053】本発明の強誘電体メモリは、三次元構造に
おいて応力が緩和される条件が整っているために、後工
程の積層時にも各層の剥がれが起きにくく、強誘電体膜
12への異常応力がかからないために分極量劣化を最小
限にとどめることができる。
In the ferroelectric memory of the present invention, since the conditions for relaxing the stress in the three-dimensional structure are set, the layers are unlikely to be peeled off even during the lamination in a later step, and the ferroelectric film 12 has abnormalities. Since no stress is applied, deterioration of the polarization amount can be minimized.

【0054】次に、本発明の第2の実施の形態に係わる
半導体メモリ装置の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described.

【0055】(1)まず、スイッチングトランジスタを
形成するが、第1の実施の形態と同様なので省略する。
次に、第1層間絶縁膜15として、シリコン酸化膜をプ
ラズマエンハンストCVD(P−CVD)法で形成し
た。領域4の上の膜15にコンタクトホールを設け、こ
のホール内にドープドポリシリコンのプラグ24を形成
した。この時リセスが20nm程度になるようにエッチ
バックした。TiAlNバリア層25を膜厚30nm程
度スパッタリングで成膜し、バリア性を高めるため、8
00℃のアンモニアガス中で加熱処理した。
(1) First, a switching transistor is formed, but is omitted because it is the same as in the first embodiment.
Next, a silicon oxide film was formed as the first interlayer insulating film 15 by a plasma enhanced CVD (P-CVD) method. A contact hole was formed in the film 15 above the region 4, and a plug 24 of doped polysilicon was formed in the contact hole. At this time, the etch back was performed so that the recess became about 20 nm. The TiAlN barrier layer 25 is formed by sputtering to a thickness of about 30 nm, and 8
Heat treatment was performed in an ammonia gas at 00 ° C.

【0056】(2)図7(b)に示すように、CMP法
で膜15上のバリア層を除去し、コンタクトホール内に
のみバリア層25を形成した。膜16を膜15と同様の
方法で成膜した。
(2) As shown in FIG. 7B, the barrier layer on the film 15 was removed by the CMP method, and the barrier layer 25 was formed only in the contact hole. The film 16 was formed in the same manner as the film 15.

【0057】(3)図8(a)に示すように、リソグラ
フィー法とRIE法によりバリア層25が露出するよう
に開口部を形成した。下部電極11としてIrO2膜を
MOCVD法によって形成した。この電極11上にSr
Bi(Ta,Nb)膜をMOCVD法を用いて
成膜し、熱処理によって結晶化を行なった。強誘電体1
2としては、PZT(Pb(Zr,Ti)O)、PL
ZT((Pb,La)(Zr,Ti)O)、PLT
((Pb,La)TiO)などの鉛(Pb)を含有す
る強誘電体、あるいはビスマス(Bi)を含有する層状
化合物のSrBi (Ta,Nb)やBiTi
12、Biを含有しない層状化合物のSr(T
a,Nb)などを用いることができた。Pbを含
有する酸化物を使用する場合には、蓄積容量部14の上
部で、強誘電体膜12と層間絶縁膜17とが直接接触す
ると、熱工程でPb−SiO間の反応でPbガラスが
形成され、剥がれの原因となるため、絶縁性の拡散バリ
ア膜を設ける必要があった。
(3) As shown in FIG.
The barrier layer 25 is exposed by the fee method and the RIE method.
An opening was formed. IrO2 film as lower electrode 11
It was formed by the MOCVD method. On this electrode 11, Sr
Bi2(Ta, Nb)2O9Using MOCVD method for film
A film was formed and crystallized by heat treatment. Ferroelectric 1
2 is PZT (Pb (Zr, Ti) O3), PL
ZT ((Pb, La) (Zr, Ti) O3), PLT
((Pb, La) TiO3) Containing lead (Pb)
Ferroelectric or layer containing bismuth (Bi)
Compound SrBi 2(Ta, Nb)2O9And Bi4Ti
3O12, Bi-free layered compound Sr2(T
a, Nb)2O7Etc. could be used. Including Pb
In the case of using an oxide having
Where the ferroelectric film 12 and the interlayer insulating film 17 are in direct contact with each other.
Then, in the thermal process, Pb-SiO2Pb glass in the reaction between
It forms and causes peeling, so it is difficult to
It was necessary to provide a film.

【0058】上部電極13としてIrO膜をMOCV
D法により形成した。電極11、13の材料に関して
は、白金(Pt)、Ir、ルテニウム(Ru)のような
貴金属を用いてもよいが、酸化物の導電体を用いると、
空隙26乃至28無しでも体積密度を低下させることが
できた。また、酸化物の導電体には接触作用がなく、強
誘電体12への水素ダメージが軽減できるという利点も
有した。
As an upper electrode 13, an IrO 2 film was formed by MOCV.
Formed by Method D. As for the materials of the electrodes 11 and 13, noble metals such as platinum (Pt), Ir, and ruthenium (Ru) may be used, but if an oxide conductor is used,
Even without the voids 26 to 28, the volume density could be reduced. In addition, there is an advantage that the oxide conductor has no contact effect, and hydrogen damage to the ferroelectric 12 can be reduced.

【0059】なお、図6の空隙26乃至28をMOCV
D法で形成するために、電極11、13の成膜の際には
オーバーハングのできやすいような埋め込み性の悪い供
給律速の条件を用いることが好ましい。ただ、強誘電体
12の成膜の際には埋め込み性の良い反応律速の条件を
用いることが好ましい。これらのような条件を用いるこ
とにより、面角度A3とA5はほぼ等しく、面角度A1
よりは大きくなる。面角度A4とA6はほぼ等しく、面
角度A2よりは小さくなる。このことによっても空隙2
8は形成されやすくなる。
The gaps 26 to 28 in FIG.
In order to form the electrodes 11 and 13 by the method D, it is preferable to use a supply-limiting condition with poor embedding property so that overhang is easily generated. However, it is preferable to use conditions for controlling the reaction with a good embedding property when forming the ferroelectric substance 12. By using such conditions, the surface angles A3 and A5 are substantially equal, and the surface angles A1
Larger than The surface angles A4 and A6 are substantially equal and smaller than the surface angle A2. Due to this, the void 2
8 is easily formed.

【0060】(4)図8(b)に示すように、再びCM
P法により膜16上の下部電極層等11乃至13を除去
し、容量部14を完成させた。膜17を膜15と同じ方
法で成膜した。
(4) As shown in FIG.
The lower electrode layers 11 to 13 on the film 16 were removed by the P method to complete the capacitance section 14. The film 17 was formed in the same manner as the film 15.

【0061】そして、容量部14に発生するストレスを
除去する目的で熱処理を行った。熱処理では、温度70
0℃以下で1時間以内の範囲で行った。熱処理の雰囲気
は非還元性雰囲気とした。例えば、酸素(O)、窒素
(N)、アルゴン(Ar)などであった。この雰囲気
で処理を行えば、電極11、13の酸化物の導電体から
酸素が抜けて体積密度を小さくすることができた。ま
た、熱処理温度を高めることでも同様な効果を得ること
ができる。
Then, a heat treatment was performed for the purpose of removing the stress generated in the capacitance portion 14. In the heat treatment, a temperature of 70
The test was performed at a temperature of 0 ° C. or less for one hour or less. The atmosphere for the heat treatment was a non-reducing atmosphere. For example, oxygen (O 2 ), nitrogen (N 2 ), argon (Ar) and the like were used. When the treatment was performed in this atmosphere, oxygen was released from the oxide conductors of the electrodes 11 and 13, and the volume density could be reduced. A similar effect can be obtained by increasing the heat treatment temperature.

【0062】(5)最後に図5に示すように、領域3の
上の膜15乃至17に、容量部14に重ならない精度で
コンタクトホールを設け、このホール内にタングステン
(W)のプラグ7を形成した。そして、ビット線9をア
ルミニウム合金膜をスパッタリング法で成膜し、ホトリ
ソグラフィ法とRIE法により形成した。第4層間絶縁
膜18を膜15と同じ方法で成膜した。コンタクトホー
ルを開口し、各接続配線を行なった。
(5) Finally, as shown in FIG. 5, a contact hole is provided in the films 15 to 17 on the region 3 with a precision that does not overlap the capacitance portion 14, and a tungsten (W) plug 7 is formed in this hole. Was formed. Then, the bit line 9 was formed by forming an aluminum alloy film by a sputtering method and by a photolithography method and an RIE method. The fourth interlayer insulating film 18 was formed in the same manner as the film 15. A contact hole was opened and each connection wiring was made.

【0063】得られたメモリ素子は、2V以下で駆動で
き、10E10回の動作で不良ビットが生じなかった。
読み出しパルス80nsec、書き込みパルス120n
secとした場合に、良品率70%以上で十分な記録保
持特性が得られた。
The obtained memory element could be driven at 2 V or less, and no defective bit was generated by 10E10 operations.
Read pulse 80nsec, Write pulse 120n
In the case of sec, sufficient record retention characteristics were obtained at a good product rate of 70% or more.

【0064】これらの構造では、従来に比べて、セル面
積は40%減少させても、同程度の分極量を得ることが
可能であった。
With these structures, it was possible to obtain the same amount of polarization even if the cell area was reduced by 40% as compared with the prior art.

【0065】積層断面のSEM観察から、開口部底面と
側面の角部に空隙26、27が、また、上部電極13中
にCVD成膜時に生じたと考えられる空隙28があるこ
とを確認した。誘電体膜12中に空隙が見られず高密度
化していることが判明した。
From the SEM observation of the cross section of the laminated structure, it was confirmed that voids 26 and 27 were formed at the corners of the bottom and side surfaces of the opening, and that there was a void 28 in the upper electrode 13 which is considered to have been generated during CVD film formation. No voids were found in the dielectric film 12, indicating that the density was increased.

【0066】上記のように、本発明は2つの実施の形態
によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図
面はこの発明を限定するものであると理解すべきではな
い。
As described above, the present invention has been described with reference to the two embodiments. However, it should not be understood that the description and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention.

【0067】本発明の蓄積容量部14は、プラグ8、2
4を用いずに、下部電極11をプレート線と兼用し、フ
ィールド酸化膜2上に層間酸化膜19を介して形成して
も良い。
The storage capacitor section 14 of the present invention comprises plugs 8, 2
The lower electrode 11 may be formed on the field oxide film 2 via the interlayer oxide film 19 instead of using the lower electrode 4 instead of the lower electrode 11.

【0068】この開示から当業者には様々な代替実施の
形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがっ
て、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請
求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるも
のである。
From this disclosure, various alternative embodiments, examples, and operation techniques will be apparent to those skilled in the art. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the matters specifying the invention according to the claims that are appropriate from the above description.

【0069】[0069]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
蓄積容量部の金属と強誘電体の界面に大きな応力が生じ
にくい半導体メモリ装置を提供できる。
As described above, according to the present invention,
It is possible to provide a semiconductor memory device in which a large stress hardly occurs at the interface between the metal and the ferroelectric in the storage capacitor portion.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の
容量部の断面図である。
FIG. 2 is a sectional view of a capacitor of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention;

【図3】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を
製造する方法を説明するための工程断面図(その1)で
ある。
FIG. 3 is a process sectional view (part 1) for describing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置を
製造する方法を説明するための工程断面図(その2)で
ある。
FIG. 4 is a process sectional view (part 2) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
断面図である。
FIG. 5 is a sectional view of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の
容量部の断面図である。
FIG. 6 is a sectional view of a capacitance section of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置を
製造する方法を説明するための工程断面図(その1)で
ある。
FIG. 7 is a process sectional view (part 1) for explaining the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置を
製造する方法を説明するための工程断面図(その2)で
ある。
FIG. 8 is a process sectional view (part 2) for describing the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体基板 2 フィールド酸化膜 3 ドレイン領域 4 ソース領域 5 ゲート絶縁膜 6 ゲート電極(ワード線) 7、8 プラグ 9 ビット線 10 バリア層 11 下部電極 12 強誘電体 13 上部電極 14 蓄積容量部 15 第1層間絶縁膜 16 第2層間絶縁膜 17 第3層間絶縁膜 18 第4層間絶縁膜 19 層間絶縁膜 20 下部電極の粒界 21 強誘電体膜の粒界 22 上部電極の粒界 23 開口部 24 プラグ 25 バリア層 26乃至28 空隙 A1乃至A6 面角度 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Field oxide film 3 Drain region 4 Source region 5 Gate insulating film 6 Gate electrode (word line) 7, 8 Plug 9 Bit line 10 Barrier layer 11 Lower electrode 12 Ferroelectric 13 Upper electrode 14 Storage capacitor 15 1 interlayer insulating film 16 second interlayer insulating film 17 third interlayer insulating film 18 fourth interlayer insulating film 19 interlayer insulating film 20 grain boundary of lower electrode 21 grain boundary of ferroelectric film 22 grain boundary of upper electrode 23 opening 24 Plug 25 Barrier layer 26 to 28 Air gap A1 to A6 Face angle

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5F083 AD24 AD31 AD48 FR02 JA12 JA15 JA17 JA36 JA38 JA39 JA43 KA01 KA05 MA06 MA17 MA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5F083 AD24 AD31 AD48 FR02 JA12 JA15 JA17 JA36 JA38 JA39 JA43 KA01 KA05 MA06 MA17 MA20

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板に設けられるスイッチングト
ランジスタと、 前記トランジスタに裏面が接続する第1の底部と、前記
第1の底部と電気的に接続する第1の側壁とを有する下
部電極と、 前記第1の底部の表面に裏面が接する第2の底部と、前
記第1の側壁の内面に外面が接する第2の側壁とを有
し、強誘電体から成る誘電体膜と、 前記第2の底部の表面に接する底面と、前記第2の側壁
の内面に接する側面とを有する上部電極とを有し、 前記下部電極、前記上部電極と前記誘電体膜の結晶粒界
のそれぞれの平均粒径の少なくとも1つが、前記下部電
極の最大幅の10分の1より小さいことを特徴とする半
導体メモリ装置。
A lower electrode having a switching transistor provided on a semiconductor substrate, a first bottom having a back surface connected to the transistor, and a first side wall electrically connected to the first bottom; A second bottom portion having a back surface in contact with the front surface of the first bottom portion, and a second side wall having an outer surface in contact with an inner surface of the first side wall; a dielectric film made of a ferroelectric; An upper electrode having a bottom surface in contact with the bottom surface and a side surface in contact with the inner surface of the second side wall; and an average particle size of each of the lower electrode, the upper electrode, and a crystal grain boundary of the dielectric film. Wherein at least one of the two is smaller than one tenth of a maximum width of the lower electrode.
【請求項2】 前記下部電極の最大厚と前記誘電体膜の
最大厚の少なくとも1つが、前記最大幅の3分の1より
小さいことを特徴とする請求項1に記載の半導体メモリ
装置。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein at least one of a maximum thickness of said lower electrode and a maximum thickness of said dielectric film is smaller than one third of said maximum width.
【請求項3】 前記誘電体膜の結晶の無配向成分が50
%以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に
記載の半導体メモリ装置。
3. The non-oriented component of the crystal of the dielectric film is 50%.
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the ratio is not less than%.
【請求項4】 半導体基板に設けられるスイッチングト
ランジスタと、 前記トランジスタに裏面が接続する第1の底部と、前記
第1の底部と電気的に接続する第1の側壁とを有する下
部電極と、 前記第1の底部の表面に裏面が接する第2の底部と、前
記第1の側壁の内面に外面が接する第2の側壁とを有
し、強誘電体から成る誘電体膜と、 前記第2の底部の表面に接する底面と、前記第2の側壁
の内面に接する側面とを有する上部電極とを有し、 前記下部電極と前記上部電極のそれぞれの体積密度の少
なくとも1つが、前記誘電体膜の体積密度より小さいこ
とを特徴とする半導体メモリ装置。
A lower electrode having a switching transistor provided on a semiconductor substrate, a first bottom having a back surface connected to the transistor, and a first side wall electrically connected to the first bottom; A second bottom portion having a back surface in contact with the front surface of the first bottom portion, and a second side wall having an outer surface in contact with an inner surface of the first side wall; a dielectric film made of a ferroelectric; An upper electrode having a bottom surface in contact with the bottom surface and a side surface in contact with the inner surface of the second side wall, wherein at least one of the volume densities of the lower electrode and the upper electrode is at least one of A semiconductor memory device having a smaller volume density.
【請求項5】 前記下部電極と前記上部電極の少なくと
も1つが、空隙を有することを特徴とする請求項4に記
載の半導体メモリ装置。
5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein at least one of said lower electrode and said upper electrode has a gap.
【請求項6】 前記下部電極が、前記第1の底部と第1
の側壁との近傍に空隙を有することを特徴とする請求項
4に記載の半導体メモリ装置。
6. The method according to claim 1, wherein the lower electrode is formed between the first bottom and the first bottom.
5. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein a gap is provided near a side wall of the semiconductor memory device.
【請求項7】 前記上部電極が、内部に空隙を有するこ
とを特徴とする請求項4に記載の半導体メモリ装置。
7. The semiconductor memory device according to claim 4, wherein said upper electrode has a void therein.
JP2000267550A 2000-09-04 2000-09-04 Semiconductor memory device Pending JP2002076290A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000267550A JP2002076290A (en) 2000-09-04 2000-09-04 Semiconductor memory device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000267550A JP2002076290A (en) 2000-09-04 2000-09-04 Semiconductor memory device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002076290A true JP2002076290A (en) 2002-03-15

Family

ID=18754457

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000267550A Pending JP2002076290A (en) 2000-09-04 2000-09-04 Semiconductor memory device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002076290A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6831323B2 (en) 2002-03-28 2004-12-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor device and method for fabricating the same
JP2006013372A (en) * 2004-06-29 2006-01-12 Fuji Xerox Co Ltd Method for processing functional film and method for manufacturing inkjet recording head using the same
JP2006066796A (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Seiko Epson Corp Ferroelectric memory and its manufacturing method
JP2007088153A (en) * 2005-09-21 2007-04-05 Seiko Epson Corp Semiconductor device
JP2010016127A (en) * 2008-07-02 2010-01-21 Tohoku Univ Ferroelectric material film, semiconductor devices having ferroelectric material film, and method of manufacturing these elements
US11088240B2 (en) 2018-10-17 2021-08-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Capacitor structure

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6831323B2 (en) 2002-03-28 2004-12-14 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor device and method for fabricating the same
US7268036B2 (en) 2002-03-28 2007-09-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Semiconductor device and method for fabricating the same
JP2006013372A (en) * 2004-06-29 2006-01-12 Fuji Xerox Co Ltd Method for processing functional film and method for manufacturing inkjet recording head using the same
JP2006066796A (en) * 2004-08-30 2006-03-09 Seiko Epson Corp Ferroelectric memory and its manufacturing method
JP2007088153A (en) * 2005-09-21 2007-04-05 Seiko Epson Corp Semiconductor device
JP4711063B2 (en) * 2005-09-21 2011-06-29 セイコーエプソン株式会社 Semiconductor device
JP2010016127A (en) * 2008-07-02 2010-01-21 Tohoku Univ Ferroelectric material film, semiconductor devices having ferroelectric material film, and method of manufacturing these elements
US11088240B2 (en) 2018-10-17 2021-08-10 Samsung Electronics Co., Ltd. Capacitor structure
US11705483B2 (en) 2018-10-17 2023-07-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Capacitor structure and semiconductor devices having the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TW321794B (en)
US7927891B2 (en) Semiconductor device and method for manufacturing the same
US6420191B2 (en) Method of manufacturing semiconductor device which includes a capacitor having a lower electrode formed of iridium or ruthenium
US6541281B2 (en) Ferroelectric circuit element that can be fabricated at low temperatures and method for making the same
TWI240987B (en) Process for producing a strontium ruthenium oxide protective layer on a top electrode
US20110227143A1 (en) Integrated circuit devices including complex dielectric layers and related fabrication methods
JP2005217407A (en) Capacitor of semiconductor device, memory element including same, and method of fabricating same
JPH11297942A (en) Ferroelectric memory device and its manufacture
JP2004165351A (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP2002076290A (en) Semiconductor memory device
JPH06204404A (en) Semiconductor device and capacitative element, and manufacture thereof
JP4823895B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JP4296375B2 (en) Ferroelectric memory device manufacturing method and ferroelectric memory device
US8257984B2 (en) Ferroelectric capacitor and method of manufacturing the same
JP2000091509A (en) Semiconductor device and manufacture thereof
JP2003051582A (en) Semiconductor device and its manufacturing method
JP4579236B2 (en) Manufacturing method of semiconductor device
US6891713B2 (en) Element storage layer in integrated circuits
JP3472932B2 (en) Semiconductor integrated circuit
JP2004031553A (en) Semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2002083937A (en) Ferroelectric film, semiconductor device, and method of manufacturing these
JP4225300B2 (en) Semiconductor device
JP2003197772A (en) Capacitor, semiconductor storage device and its manufacturing method
JP3559486B2 (en) Semiconductor storage element
JPH10256495A (en) Nonvolatile semiconductor storage device