JP2002124644A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor device and its manufacturing method

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JP2002124644A
JP2002124644A JP2000313509A JP2000313509A JP2002124644A JP 2002124644 A JP2002124644 A JP 2002124644A JP 2000313509 A JP2000313509 A JP 2000313509A JP 2000313509 A JP2000313509 A JP 2000313509A JP 2002124644 A JP2002124644 A JP 2002124644A
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JP
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film
dielectric
lower electrode
conductive plug
diffusion barrier
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JP2000313509A
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Japanese (ja)
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Masaya Osada
昌也 長田
Takuya Kotabe
拓也 小田部
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Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily achieve a high integration and non-defective product ratio. SOLUTION: A conductive plug 24 is formed of a polysilicon. A dielectric capacitor 25 is formed, by sequentially laminating a silicide film 31, diffused barrier film 32, lower electrode 28, dielectric film 29 and upper electrode 30 from a substrate side on the plug 24. Thus, material diffusion will no occur in the plug 24 and the electrode 28, even in crystallizing step of the dielectric at a high heat treating temperature, and a ferroelectric characteristics of the film 29 becomes proper. When the electrode 28 is formed of Ir of an Ir/IrO2, an SBT is used as the film 29, so that Ir precipitates in, for example, 6-inch wafer which is suppressed to 100 pieces or fewer, and the nondefective rate of an integrated FeRAM of 256 kbits can be set to 90% or higher. A polarization inverting charge amount is set to 10 μC/cm2 or larger, and decision which does not produce errors can be made.

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】この発明は、半導体装置およ
びその製造方法に関し、詳しくは、選択トランジスタ,
導電性プラグ,金属元素を含むシリサイド膜および拡散
バリア膜を有し、更には上記拡散バリア膜を介して選択
トランジスタに電気的に接続された下部電極,誘電体膜
および上部電極から成るキャパシタを備えた誘電体記憶
素子、及び、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 semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a selective transistor,
A capacitor comprising a conductive plug, a silicide film containing a metal element and a diffusion barrier film, and further comprising a lower electrode, a dielectric film and an upper electrode electrically connected to the select transistor via the diffusion barrier film. And a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体は、自発分極,高誘電率,電気光
学効果,圧電効果および焦電効果等の多くの機能を有す
るために、広範なデバイス応用がなされている。例え
ば、その焦電性を利用して赤外線リニアアレイセンサ
に、その圧電性を利用して超音波センサに、その電気光
学効果を利用して導波路型光変調器に、その高誘電特性
を利用してDRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・
メモリ)やMMIC(モノリシック・マイクロ波集積回路)
用のキャパシタにと、様々な方面で用いられている。中
でも、近年の薄膜形成技術の進展に伴って、半導体メモ
リ技術との組み合わせによって、高密度で且つ高速に動
作する強誘電体不揮発性メモリ(以下、FeRAMと略称
する)の開発が盛んである。
2. Description of the Related Art Ferroelectrics have many functions such as spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect and pyroelectric effect, so that they have been applied to a wide range of devices. For example, utilizing its pyroelectricity to an infrared linear array sensor, its piezoelectricity to an ultrasonic sensor, its electro-optic effect to a waveguide type optical modulator, and its high dielectric properties DRAM (Dynamic Random Access
Memory) and MMIC (monolithic / microwave integrated circuit)
And various other applications. Above all, with the progress of thin film formation technology in recent years, development of a ferroelectric nonvolatile memory (hereinafter abbreviated as FeRAM) which operates at high density and at high speed has been actively developed in combination with semiconductor memory technology.

【0003】上記FeRAMは、その高速書き込み・読み
出し,低電圧動作,書き込み・読み出しの高い繰り返し耐
性等から、従来のEPROM(紫外線消去型リード・オン
リ・メモリ)やEEPROM(電気的消去書き込み可能R
OM)やフラッシュメモリ(一括消去型メモリ)の置き換
えだけではなく、SRAM(スタティックRAM)やDR
AMの置き換えも可能なメモリとして、実用化に向けて
の研究開発が盛んに行われている。
The above-mentioned FeRAM is a conventional EPROM (ultraviolet erasable read only memory) or an EEPROM (electrically erasable writable R / W) because of its high-speed writing / reading, low voltage operation, and high repetition durability of writing / reading.
OM) and flash memory (batch erase type memory) as well as SRAM (static RAM) and DR
As a memory that can replace the AM, research and development for practical use are actively performed.

【0004】従来、強誘電体キャパシタに用いる強誘電
体材料として、酸化物強誘電体であるPb(Zr1-x,Tix)
3(PZT)やSrBi2Ta29やBi4Ti312等が検討
されており、その下部電極として、Pt,Pt/Ta,Pt/T
i等の貴金属材料あるいは上記貴金属材料と密着層との
複合電極が強誘電体薄膜の特性検討のために用いられて
きた。特に、3V以下での低電圧動作が可能で、且つ、
強誘電体メモリとして安定に動作するための信頼性特性
(例えば、疲労特性,インプリント特性,温度特性等)に優
れた特性を示すSrBi2Ta29材料はFeRAMに最も
適した材料であると言える。
Conventionally, as a ferroelectric material used for a ferroelectric capacitor, Pb (Zr 1-x , Ti x ) which is an oxide ferroelectric is used.
O 3 (PZT), SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 and the like have been studied, and Pt, Pt / Ta, Pt / T
A noble metal material such as i or a composite electrode of the above noble metal material and an adhesion layer has been used for studying the characteristics of a ferroelectric thin film. In particular, low-voltage operation at 3 V or less is possible, and
Reliability characteristics for stable operation as ferroelectric memory
A SrBi 2 Ta 2 O 9 material exhibiting excellent characteristics (eg, fatigue characteristics, imprint characteristics, temperature characteristics, etc.) can be said to be the most suitable material for FeRAM.

【0005】しかしながら、上記SrBi2Ta29材料に
良好な強誘電体特性を発現させるためには、酸素雰囲気
中において600℃〜800℃の高い熱処理プロセスが
必須となる。
However, in order to exhibit good ferroelectric properties in the SrBi 2 Ta 2 O 9 material, a high heat treatment process at 600 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere is essential.

【0006】ところで、上述した強誘電体キャパシタお
よびそれを形成するプロセスを用いてメガビット以上の
集積化を実現するためには、デバイス構造として、スタ
ック型構造が不可欠である。
Incidentally, in order to realize the integration of megabits or more using the above-mentioned ferroelectric capacitor and the process for forming the same, a stack type structure is indispensable as a device structure.

【0007】図7は、スタック型構造を有する従来の誘
電体記憶素子の構成を示す。図7において、選択トラン
ジスタ1と誘電体キャパシタ2とが、ポリシリコンで成
る導電性プラグ3によって電気的に接続されている。選
択トランジスタ1は、シリコン基板4上に形成されたゲ
ート電極5およびその両側に位置するソース・ドレイン
領域6で構成される。また、導電性プラグ3は、選択ト
ランジスタ1を覆っている第1層間絶縁膜7を貫通する
ホールに埋め込まれている。そして、誘電体キャパシタ
2は、下部電極8と誘電体薄膜9と上部電極10が積層
されて成り、下部電極8が導電性プラグ3に直接接続さ
れている。
FIG. 7 shows a configuration of a conventional dielectric storage element having a stack type structure. In FIG. 7, a selection transistor 1 and a dielectric capacitor 2 are electrically connected by a conductive plug 3 made of polysilicon. The selection transistor 1 includes a gate electrode 5 formed on a silicon substrate 4 and source / drain regions 6 located on both sides thereof. The conductive plug 3 is buried in a hole penetrating the first interlayer insulating film 7 covering the select transistor 1. The dielectric capacitor 2 is formed by laminating a lower electrode 8, a dielectric thin film 9, and an upper electrode 10, and the lower electrode 8 is directly connected to the conductive plug 3.

【0008】上記第1層間絶縁膜7および誘電体キャパ
シタ2の上には第2層間絶縁膜11が形成されており、
誘電体キャパシタ2の上部電極10は、第2層間絶縁膜
11上に形成された引き出し電極12にコンタクトホー
ルを介して接続されている。さらに、選択トランジスタ
1のソース領域6aは、第1層間絶縁膜7および第2層
間絶縁膜11に設けられたコンタクトホールを介して引
き出し電極13に接続されている。ロコス膜14は、各
素子間を分離している。
A second interlayer insulating film 11 is formed on the first interlayer insulating film 7 and the dielectric capacitor 2,
The upper electrode 10 of the dielectric capacitor 2 is connected via a contact hole to a lead electrode 12 formed on the second interlayer insulating film 11. Further, the source region 6a of the select transistor 1 is connected to the extraction electrode 13 via contact holes provided in the first interlayer insulating film 7 and the second interlayer insulating film 11. The LOCOS film 14 separates each element.

【0009】上記スタック型構造において、ポリシリコ
ンで成る導電性プラグ3上に電気的に接続される下部電
極8として、Ptを用いる場合を考える。Ptを直接ポリ
シリコン上に形成した場合、強誘電体キャパシタプロセ
スにおいて、Ptとポリシリコンがシリサイド化反応を
起こすために強誘電体特性の悪化の原因となる。そこ
で、Ptとポリシリコンとの間にTiNなどの拡散バリア
膜が必要とされている。
Consider a case where Pt is used as the lower electrode 8 electrically connected to the conductive plug 3 made of polysilicon in the above-mentioned stack type structure. When Pt is directly formed on polysilicon, the ferroelectric capacitor process causes a silicidation reaction between Pt and polysilicon, which causes deterioration of ferroelectric characteristics. Therefore, a diffusion barrier film such as TiN is required between Pt and polysilicon.

【0010】上記TiNを拡散バリアとして用いた場
合、上記強誘電体膜の結晶化熱処理中において、Pt膜
粒界を透過してきた酸素ガスによってTiNが酸化され
ることが「1996年春季第43回応用物理学関係連合
講演会予稿集28p‐V‐6(pp.500)」に報告されてい
る。さらに、上記「1996年春季第43回応用物理学
関係連合講演会予稿集28p‐V‐7(pp.500)」に報告
されているように、TiNの酸化に伴う体積膨張によっ
て発生するストレス変化を緩和するために、Pt/TiN
界面で剥離あるいはPtヒロックが上方に向かって生じ
るという問題がある。
When TiN is used as a diffusion barrier, it is known that during the crystallization heat treatment of the ferroelectric film, TiN is oxidized by oxygen gas that has permeated the grain boundaries of the Pt film. Proceedings of the Lectures of the Joint Lectures on Applied Physics 28p-V-6 (pp.500) ". Furthermore, as described in the above-mentioned “Preprints of the 43rd Joint Lecture Meeting on Applied Physics in the Spring of 1996, 28p-V-7 (pp.500)”, stress changes caused by volume expansion accompanying oxidation of TiN were also reported. Pt / TiN to mitigate
There is a problem that peeling or Pt hillocks are generated upward at the interface.

【0011】このように、上記下部電極8の構造とし
て、Ptを用いた場合におけるPtのシリサイド化やPt/
TiNを用いた場合におけるTiNの酸化によるヒロック
の発生等によってコンタクト不良が起こり、上記スタッ
ク型構造の実現は難しい状況にある。
As described above, as the structure of the lower electrode 8, when Pt is used, silicidation of Pt or Pt /
In the case where TiN is used, contact failure occurs due to generation of hillocks due to oxidation of TiN, and it is difficult to realize the above-mentioned stacked structure.

【0012】一方において、上記強誘電体膜の下部電極
8として、Ir,PtRh,Ruあるいはそれらの酸化物(Ir
2,PtRhOx,RuO2)等がその優れたバリア性や上部
に形成される酸化物誘電体との整合性等の点から検討さ
れ始めている。特に、IrあるいはIrO2に関しては、
文献「App1.Phys.Lett.vo1.65(1994)pp.1522‐1524」や
「Jpn.J.Appl.Phys.vol.33(1994)pp.5207‐5210」にお
いて、Ir/IrO2/ポリシリコンまたはPt/IrO2/ポリ
シリコン電極上に形成したPZTの疲労特性が著しく改
善されると報告されている。そして、その理由として
は、Pb等の強誘電体構成元素に対するIrO2膜のバリ
ア性によるものと記載されている。
On the other hand, Ir, PtRh, Ru or an oxide thereof (Ir) is used as the lower electrode 8 of the ferroelectric film.
O 2 , PtRhO x , RuO 2 ) and the like have begun to be studied from the viewpoint of their excellent barrier properties and compatibility with the oxide dielectric formed on the top. In particular, regarding Ir or IrO 2 ,
In the literature "App1.Phys.Lett.vo1.65 (1994) pp.1522-1524" and "Jpn.J.Appl.Phys.vol.33 (1994) pp.5207-5210", Ir / IrO 2 / poly It has been reported that the fatigue properties of PZT formed on silicon or Pt / IrO 2 / polysilicon electrodes are significantly improved. It is described that the reason is due to the barrier property of the IrO 2 film against ferroelectric constituent elements such as Pb.

【0013】しかしながら、上記Ir/IrO2/ポリシリ
コンやPt/IrO2/ポリシリコンの構造では、IrO2
形成時および強誘電体膜形成時のプロセスにおいて、I
rO2とポリシリコンとの界面でのポリシリコンの酸化に
よるコンタクト不良問題が発生する。
However, in the structure of Ir / IrO 2 / polysilicon or Pt / IrO 2 / polysilicon, in the process of forming the IrO 2 film and the ferroelectric film,
A contact failure problem occurs due to oxidation of polysilicon at the interface between rO 2 and polysilicon.

【0014】上述したIr,IrO2とポリシリコンとの反
応の問題を解決する方法として、酸化物電極IrO2にバ
リアメタルとしてTiNを適用したIrO2/Ir/TiN/T
i下部電極が「1996年春季第43回応用物理学関係
連合講演会予稿集28p‐V‐4(pp.499)」に報告され
ている。この場合、イオン注入を行って低抵抗化したシ
リコン基板上に高誘電体であるSrTiO3膜を形成して
コンタクトを調べた結果、オーミックコンタクトが取ら
れていることが確認され、高誘電体特性もPtと同等な
ものが得られたとしている。
As a method of solving the above-mentioned problem of the reaction between Ir and IrO 2 and polysilicon, as a method of applying TiN as a barrier metal to the oxide electrode IrO 2 , IrO 2 / Ir / TiN / T is used.
i The lower electrode is reported in “Proceedings of the 43rd Joint Lecture on Applied Physics in the Spring of 1996, 28p-V-4 (pp.499)”. In this case, a high dielectric SrTiO 3 film was formed on the silicon substrate having a low resistance by ion implantation, and the contact was examined. As a result, it was confirmed that an ohmic contact was taken, and the high dielectric property was confirmed. Also said that a product equivalent to Pt was obtained.

【0015】このような上記IrO2/Ir/TiN/Ti構造
は、高誘電体材料であるSrTiO3膜に用いられる20
0℃〜450℃と比較的低温のプロセスにおいてはヒロ
ックや平坦性の劣化に伴うキャパシタの電気的特性の劣
化がないため、高誘電体キャパシタを用いたスタック型
構造に有望であるといえる。
The above IrO 2 / Ir / TiN / Ti structure is used for an SrTiO 3 film which is a high dielectric material.
In a process at a relatively low temperature of 0 ° C. to 450 ° C., the electrical characteristics of the capacitor are not deteriorated due to the hillock and the deterioration of the flatness. Therefore, it can be said that the stacked structure using a high dielectric capacitor is promising.

【0016】しかしながら、強誘電体結晶化プロセスに
おいては、PZTを形成する場合でも600℃以上の酸
素雰囲気が必要であり、SrBi2Ta29においては60
0℃〜800℃という酸素雰囲気中での高い熱処理温度
が必要とされる。そして、このような高温度では、Ir/
TiN構造ではTiNの酸化に起因する膜応力のためにヒ
ロックが発生する。
However, in the ferroelectric crystallization process, even when PZT is formed, an oxygen atmosphere at 600 ° C. or higher is required, and SrBi 2 Ta 2 O 9 requires 60 ° C.
A high heat treatment temperature in an oxygen atmosphere of 0 ° C. to 800 ° C. is required. At such a high temperature, Ir /
In the TiN structure, hillocks are generated due to film stress caused by oxidation of TiN.

【0017】上述の問題を解決するために、上記導電性
プラグ上にシリサイド層を設け、そのシリサイド上に、
拡散バリア膜としてTaxSi1-xyまたはHfxSi1-xy
を設け、さらに、その拡散バリア膜上にIr,IrO2下部
電極を順次形成した構造が提案されている。この構造の
場合には、誘電体の結晶化過程においても、導電性プラ
グと下部電極との材料拡散が起こらず、また、下部電極
上に形成された強誘電体特性も良好なものが得られてい
る。
In order to solve the above problem, a silicide layer is provided on the conductive plug, and on the silicide,
Ta x Si as a diffusion barrier film 1-x N y or Hf x Si 1-x N y
And a structure in which Ir and IrO 2 lower electrodes are sequentially formed on the diffusion barrier film has been proposed. In the case of this structure, material diffusion between the conductive plug and the lower electrode does not occur even in the process of crystallization of the dielectric, and good ferroelectric characteristics formed on the lower electrode are obtained. ing.

【0018】[0018]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の導電性プラグ上にシリサイド層を設け、そのシリサ
イド上に拡散バリア膜としてTaxSi1-xyあるいはHf
xSi1-xyを設け、さらに、その拡散バリア膜上にIr,
IrO2下部電極を順次形成した構造においては、以下の
ような問題がある。すなわち、IrあるいはIrO2/Ir
下部電極上に誘電体を形成する際に、誘電体の結晶化条
件によってはIrの酸化物で成る析出物が生ずる。そし
て、この析出物が、キャパシタの下部電極と上部電極と
を短絡させてキャパシタのリーク電流を大きくし、その
結果容量の低下や動作電流の増大を引き起こすのであ
る。
[SUMMARY OF THE INVENTION However, above conventional conductive on the plug is provided a silicide layer, Ta x Si 1-x N y or Hf as a diffusion barrier layer on the silicide
x Si 1-x N y is provided, and Ir,
The structure in which the IrO 2 lower electrode is sequentially formed has the following problems. That is, Ir or IrO 2 / Ir
When a dielectric is formed on the lower electrode, a precipitate composed of Ir oxide is generated depending on the crystallization conditions of the dielectric. Then, the precipitate short-circuits the lower electrode and the upper electrode of the capacitor to increase the leakage current of the capacitor, and as a result, lowers the capacity and increases the operating current.

【0019】また、このIr析出物による段差が、後の
配線工程において配線不良の要因を引き起こす場合があ
る。したがって、Ir析出物の発生を抑えてメガビット
クラスの誘電体記憶素子の歩留まりを向上させるために
は、厳密な結晶化条件の同定が必須となるのである。
In addition, the step due to the Ir precipitate may cause a wiring defect in a subsequent wiring step. Therefore, in order to suppress the generation of Ir precipitates and improve the yield of the megabit class dielectric storage element, it is essential to identify strict crystallization conditions.

【0020】そこで、この発明の目的は、高い集積度と
良品率とを容易に実現できる半導体装置、および、その
製造方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a semiconductor device capable of easily realizing a high degree of integration and a good product ratio, and a method of manufacturing the same.

【0021】[0021]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第1の発明は、上部電極・誘電体膜および下部電極
を有するキャパシタにおける上記下部電極の下に位置し
て上記下部電極を選択トランジスタに電気的に接続する
導電性プラグと,上記導電性プラグと下部電極との間に
在って上記導電性プラグと下部電極との間の拡散反応を
防ぐ拡散バリア膜と,上記導電性プラグと拡散バリア膜
との間に在って金属元素を含むシリサイド膜を備えた半
導体装置であって、上記シリサイド膜の金属元素は、IV
‐A族(Ti,Zr,Hf)、V‐A族(V,Nb,Ta)、VI‐A
族(Cr,Mo,W)、及び、VIII族(Ru,Os,Co,Rh,Ir,
Ni,Pd,Pt)の少なくとも一つのグループから選択され
た少なくとも一つの元素であり、上記拡散バリア膜は、
AをTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Ru,Os,Co,
Rh,Ir,Ni,Pd及びPtから選択された何れか一つの
元素とし、BをZr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Ru,O
s,Co,Rh,Ir,Ni,Pd及びPtから選択された何れか一
つの元素として、AxSi1-xy,AxAl1-xyおよびB
z(0.2≦x≦1,0≦y≦1,0≦z<1)の少なくと
も一つによって表わされる組成物で構成され、上記下部
電極はIr膜またはIr膜とIrO2膜とを含む多層膜で構
成され、上記導電性プラグはポリシリコンによって構成
され、上記誘電体膜は、Bi4Ti312,SrBi2(Tax,
Nb1-x)29(0≦x<1),BaBi2Nb29,BaBi2Ta
29,PbBi2Ta29,PbBi2Nb29,PbBi4Ti
415,SrBi4Ti415,BaBi4Ti415,Sr2Bi4Ti
518,Ba2Bi4Ta518,Pb2Bi4Ti518,Na0.5
i4.5Ti415,K0.5Bi4.5Ti415,(SrBi2(Tax,
Nb1-x)29)y・(Bi3TiTaO9)1-y(0≦x<1,0.6
≦y<1)を含むBi系層状ぺロブスカイト型強誘電体材
料、(Pb1-x,Lax)(Zr1-y,Tiy)O3(0≦x<0.2,
0.48≦y<1)を含むPb系ペロブスカイト型強誘電
体材料、SrTiO3,(Ba,Sr)TiO3を含むペロブスカ
イト型高誘電体材料の何れか一つの誘電体材料を用いて
構成されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is to provide a capacitor having an upper electrode / dielectric film and a lower electrode, wherein the lower electrode is located below the lower electrode and a select transistor is provided. A conductive plug electrically connected to the conductive plug, a diffusion barrier film between the conductive plug and the lower electrode to prevent a diffusion reaction between the conductive plug and the lower electrode, and the conductive plug A semiconductor device provided with a silicide film containing a metal element between the diffusion barrier film, wherein the metal element of the silicide film is IV
-Group A (Ti, Zr, Hf), Group VA (V, Nb, Ta), VI-A
Group (Cr, Mo, W) and group VIII (Ru, Os, Co, Rh, Ir,
Ni, Pd, Pt), at least one element selected from at least one group of:
A is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os, Co,
B is Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, O, and any one element selected from Rh, Ir, Ni, Pd, and Pt.
As any one element selected from s, Co, Rh, Ir, Ni, Pd and Pt, A x Si 1-x N y , A x Al 1-x N y and B
N z (0.2 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ z <1), and the lower electrode is formed of an Ir film or an Ir film and an IrO 2 film. consists of a multilayer film including, the conductive plug is formed of a polysilicon, the dielectric film, Bi 4 Ti 3 O 12, SrBi 2 (Ta x,
Nb 1-x ) 2 O 9 (0 ≦ x <1), BaBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Ta
2 O 9 , PbBi 2 Ta 2 O 9 , PbBi 2 Nb 2 O 9 , PbBi 4 Ti
4 O 15 , SrBi 4 Ti 4 O 15 , BaBi 4 Ti 4 O 15 , Sr 2 Bi 4 Ti
5 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ta 5 O 18 , Pb 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Na 0.5 B
i 4.5 Ti 4 O 15, K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15, (SrBi 2 (Ta x,
Nb 1-x ) 2 O 9 ) y · (Bi 3 TiTaO 9 ) 1-y (0 ≦ x <1,0.6)
Bi-based layered perovskite ferroelectric material containing ≦ y <1; (Pb 1-x , La x ) (Zr 1-y , Ti y ) O 3 (0 ≦ x <0.2,
It is constituted by using any one of a Pb-based perovskite ferroelectric material containing 0.48 ≦ y <1) and a perovskite high-dielectric material containing SrTiO 3 and (Ba, Sr) TiO 3. It is characterized by having.

【0022】上記構成によれば、キャパシタの下部電極
としてIr膜あるいはIrO2/Ir膜が用いられて、誘電
体膜の結晶化の際における高温によって酸素が拡散バリ
ア膜にまで拡散することが防止され、酸化による上記拡
散バリア膜の体積膨張やコンタクト不良の発生が防止さ
れる。また、上記拡散バリア膜としてTaxSi1-xy
等が用いられて、シリサイド膜および導電性プラグから
上記下部電極へのシリコンやTi等の拡散が防止され
る。また、上記拡散バリア膜と導電性プラグとの間に上
記シリサイド膜が設けられて、上記拡散バリア膜を導電
性プラグ上に直接形成した際に起こる反応層の生成が防
止されると共に、密着強度が増加されてヒロックが低減
される。
According to the above construction, the Ir film or IrO 2 / Ir film is used as the lower electrode of the capacitor, preventing the oxygen by a high temperature at the time of crystallization of the dielectric film is diffused into the diffusion barrier layer This prevents the volume expansion of the diffusion barrier film and the occurrence of contact failure due to oxidation. Furthermore, the diffusion barrier film used Ta x Si 1-x N y film and the like as the diffusion of silicon or Ti or the like to the lower electrode can be prevented from silicide film and the conductive plug. In addition, the silicide film is provided between the diffusion barrier film and the conductive plug, thereby preventing the formation of a reaction layer that occurs when the diffusion barrier film is formed directly on the conductive plug, and having an adhesion strength. And hillocks are reduced.

【0023】さらに、上記誘電体膜として、SBT等の
ペロブスカイト型強誘電体材料やペロブスカイト型高誘
電体材料等が用いられている。したがって、上記下部電
極としてIr膜またはIr/IrO2膜が用いられる場合
に、上記誘電体膜の結晶化温度を625℃以上且つ67
5℃以下にすれば、例えば6インチウェハにおけるIr
の酸化物で成る析出物の発生が100個以下に抑えられ
る。したがって、256,000個のFeRAMを集積化
した20mm2のチップの良品率が90%以上になる。ま
た、分極反転電荷量が10μC/cm2以上になるので、上
記256kビットの集積化FeRAMにおいて、センス
アンプでの読み取りマージンが十分となり誤判定が防止
される。
Further, as the dielectric film, a perovskite ferroelectric material such as SBT or a perovskite high dielectric material is used. Therefore, when an Ir film or an Ir / IrO 2 film is used as the lower electrode, the crystallization temperature of the dielectric film is set to 625 ° C. or more and 67 ° C.
If the temperature is set to 5 ° C. or lower, for example, Ir on a 6-inch wafer
The generation of precipitates consisting of oxides of the above is suppressed to 100 or less. Therefore, the non-defective rate of a 20 mm 2 chip in which 256,000 FeRAMs are integrated becomes 90% or more. In addition, since the amount of domain-inverted charges is 10 μC / cm 2 or more, in the 256-kbit integrated FeRAM, the read margin of the sense amplifier is sufficient, and erroneous determination is prevented.

【0024】また、第2の発明は、上記第1の発明の半
導体装置の製造方法であって、上記誘電体膜を、625
℃以上且つ675℃以下の結晶化温度で形成することを
特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect, the dielectric film is
It is characterized in that it is formed at a crystallization temperature of not less than ° C and not more than 675 ° C.

【0025】上記構成によれば、キャパシタを構成する
誘電体膜が、SBT等のペロブスカイト型強誘電体材料
やペロブスカイト型高誘電体材料等を用いて、625℃
以上且つ675℃以下の結晶化温度で形成される。した
がって、上記下部電極としてIr膜あるいはIr/IrO2
膜が用いられた場合に、例えば6インチウェハおけるI
r析出物の発生が100個以下に抑えられる。したがっ
て、256,000個のFeRAMを集積化した20mm2
のチップの良品率が90%以上になる。また、分極反転
電荷量が10μC/cm2以上になるので、上記256kビ
ットの集積化FeRAMにおいて、センスアンプでの読
み取りマージンが十分となり誤判定が防止される。
According to the above configuration, the dielectric film constituting the capacitor is formed at 625 ° C. using a perovskite ferroelectric material such as SBT or a perovskite high dielectric material.
It is formed at a crystallization temperature of not less than 675 ° C. Therefore, an Ir film or Ir / IrO 2 is used as the lower electrode.
If a film is used, for example, I on a 6 inch wafer
r Precipitation is suppressed to 100 or less. Therefore, 20 mm 2 integrated with 256,000 FeRAMs
Of non-defective chips becomes 90% or more. In addition, since the amount of domain-inverted charges is 10 μC / cm 2 or more, in the 256-kbit integrated FeRAM, the read margin of the sense amplifier is sufficient, and erroneous determination is prevented.

【0026】また、上記第2の発明の半導体装置の製造
方法は、上記誘電体膜形成時における結晶化時間を30
分以上且つ900分以下にすることが望ましい。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention, the crystallization time for forming the dielectric film may be reduced to 30.
It is desirable that the time be equal to or longer than 900 minutes.

【0027】上記構成によれば、上記誘電体膜が625
℃以上且つ675℃以下の結晶化温度で形成される際
に、例えば6インチウェハにおけるIr析出物の発生が
確実に100個以下に抑えられ、分極反転電荷量が確実
に10μC/cm2以上になる。
According to the above configuration, the dielectric film is 625
When formed at a crystallization temperature of not less than 100 ° C. and not more than 675 ° C., for example, the generation of Ir precipitates on a 6-inch wafer is reliably suppressed to 100 or less, and the amount of domain-inverted charges is surely increased to 10 μC / cm 2 or more. Become.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、この発明を図示の実施の形
態により詳細に説明する。図1は、本実施の形態の半導
体装置としての誘電体記憶素子における基本的な構成を
示す要部断面を示す。この誘電体記憶素子は、基板21
上に形成された選択トランジスタ22と、この選択トラ
ンジスタ22上に形成された第1層間絶縁膜23と、こ
の第1層間絶縁膜23を貫通するコンタクトホールに埋
め込まれた導電性プラグ24を有している。導電性プラ
グ24は、ポリシリコンによって形成されており、選択
トランジスタ22のドレイン領域26bと誘電体キャパ
シタ25とを電気的に接続するものである。尚、26a
は選択トランジスタ22のソース領域であり、27は選
択トランジスタ22のゲート電極である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the illustrated embodiments. FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part showing a basic configuration of a dielectric storage element as a semiconductor device according to the present embodiment. This dielectric storage element is
It has a select transistor 22 formed thereon, a first interlayer insulating film 23 formed on the select transistor 22, and a conductive plug 24 embedded in a contact hole penetrating the first interlayer insulating film 23. ing. The conductive plug 24 is formed of polysilicon, and electrically connects the drain region 26b of the select transistor 22 and the dielectric capacitor 25. 26a
Is a source region of the selection transistor 22, and 27 is a gate electrode of the selection transistor 22.

【0029】上記第1層間絶縁膜23および誘電体キャ
パシタ25の上には第2層間絶縁膜33が形成されてお
り、誘電体キャパシタ25の上部電極30は、第2層間
絶縁膜33上に形成された引き出し電極34にコンタク
トホールを介して接続されている。さらに、選択トラン
ジスタ22のソース領域26aは、第1層間絶縁膜23
および第2層間絶縁膜33に設けられたコンタクトホー
ルを介して引き出し電極35に接続されている。ロコス
膜36は、各素子間を分離している。
A second interlayer insulating film 33 is formed on the first interlayer insulating film 23 and the dielectric capacitor 25, and the upper electrode 30 of the dielectric capacitor 25 is formed on the second interlayer insulating film 33. To the extracted lead electrode 34 via a contact hole. Further, the source region 26a of the select transistor 22 is
In addition, it is connected to the extraction electrode 35 via a contact hole provided in the second interlayer insulating film 33. The Locos film 36 separates each element.

【0030】上記誘電体キャパシタ25は、順次積層さ
れた下部電極28,誘電体膜29および上部電極30を
有している。本実施の形態による誘電体キャパシタ25
の下部電極28は、IrあるいはIrO2によって形成さ
れている。更に、誘電体キャパシタ25は、下部電極2
8と導電性プラグ24との間に下側から順次積層されて
設けられた、シリサイド膜31と拡散バリア膜32とを
含んでいる。
The dielectric capacitor 25 has a lower electrode 28, a dielectric film 29 and an upper electrode 30 which are sequentially laminated. Dielectric capacitor 25 according to the present embodiment
The lower electrode 28 is formed of Ir or IrO 2 . Further, the dielectric capacitor 25 is connected to the lower electrode 2.
8 and a conductive plug 24, which include a silicide film 31 and a diffusion barrier film 32 which are sequentially stacked from the lower side.

【0031】上記拡散バリア膜32は、上記導電性プラ
グ24と下部電極28との拡散を防ぐためのものであ
り、AxSi1-xy,AxAl1-xyあるいはBNz(0.2
≦x≦1,0≦y≦1,0≦z<1)によって形成され
る。尚、上記「A」は、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,M
o,W,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,PdおよびPtのグルー
プから選択される何れか一つの元素である。また、「B」
は、Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Ru,Os,Co,Rh,
Ir,Ni,PdおよびPtのグループから選択される何れか
一つの元素である。
[0031] The diffusion barrier film 32 is for preventing diffusion between the conductive plug 24 and the lower electrode 28, A x Si 1-x N y, A x Al 1-x N y or BN z (0.2
≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 1, 0 ≤ z <1). The above "A" is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, M
O, W, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, and Pt. "B"
Are Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os, Co, Rh,
Any one element selected from the group consisting of Ir, Ni, Pd and Pt.

【0032】上記シリサイド膜31を構成する金属は、
IV‐A族(Ti,Zr,Hf),V‐A族(V,Nb,Ta),VI‐
A族(Cr,Mo,W)およびVIII族(Ru,Os,Co,Rh,Ir,
Ni,Pd,Pt)の少なくとも一つのグループから選択され
る少なくとも一つの元素である。
The metal constituting the silicide film 31 is as follows.
Group IV-A (Ti, Zr, Hf), Group VA (V, Nb, Ta), VI-
Group A (Cr, Mo, W) and Group VIII (Ru, Os, Co, Rh, Ir,
At least one element selected from at least one group of (Ni, Pd, Pt).

【0033】以下、上記構成を有する誘電体記憶素子に
ついて説明する。上記下部電極28を構成するIr膜ま
たはIrO2/Ir膜は、その上に形成される誘電体膜29
の結晶化工程の際における高温によって、酸素が拡散バ
リア膜(例えば、TaxSi1-xy膜)32にまで拡散する
ことを防止する。したがって、酸化によるTaxSi1-x
y膜の体積膨張やコンタクト不良の発生を防止すること
ができる。尚、IrあるいはIrO2による下部電極2
8、および、上記構成を有する拡散バリア膜32の使用
は、上記従来の誘電体記憶素子にも部分的に記載されて
いる。
Hereinafter, the dielectric memory element having the above configuration will be described. The Ir film or the IrO 2 / Ir film constituting the lower electrode 28 is made of a dielectric film 29 formed thereon.
The high temperature at the time of the crystallization process, oxygen is prevented from being diffused to the diffusion barrier layer (e.g., Ta x Si 1-x N y film) 32. Therefore, Ta oxidative x Si 1-x N
It is possible to prevent the volume expansion of the y film and the occurrence of contact failure. The lower due Ir or IrO 2 electrode 2
8, and the use of the diffusion barrier film 32 having the above configuration is also partially described in the conventional dielectric storage element.

【0034】上記拡散バリア膜(例えばTaxSI1-x
y膜)32は、シリサイド膜(例えば、チタンシリサイド
膜)31および導電性プラグ(ポリシリコン)24と下部
電極(Ir膜またはIrO2/Ir膜)28との間の拡散バリ
アとして機能する。つまり、TaxSi1-xy膜によっ
て、シリコンやTi等の元素が下部電極28内に拡散す
ることを防止するのである。
The diffusion barrier film (for example, Ta x SI 1-x N)
The y film 32 functions as a diffusion barrier between the silicide film (for example, titanium silicide film) 31 and the conductive plug (polysilicon) 24 and the lower electrode (Ir film or IrO 2 / Ir film) 28. In other words, by Ta x Si 1-x N y film is to prevent the element such as silicon or Ti is diffused into the lower electrode 28.

【0035】また、上記拡散バリア膜32であるTax
i1-xy膜を直接ポリシリコン上に形成した場合、Tax
Si1-xy膜とポリシリコンとの界面に極僅かな反応層
が生じることがあるという事実が、詳細な界面分析によ
って分かった。このような反応層が形成されると、下部
電極28と導電性プラグ24とのコンタクト抵抗が誘電
体結晶化プロセス後に増加すると共に、その電流電圧特
性が非オーミック性になる恐れがある。電流電圧特性の
非オーミック性は、誘電体のメモリ動作において、高速
動作の際の遅延や、信号のS/N比が取り難くなる等の
問題を引き起こすことが多い。ところが、拡散バリア膜
32と導電性プラグ24との間にシリサイド膜31を設
けることによって、上述のような反応層の生成が防止さ
れる。さらには、シリサイド膜31の存在によって、導
電性プラグ(ポリシリコン)24と拡散バリア膜(TaxSi
1-xy)膜32との密着強度が増し、それがヒロックの
低減化に寄与するのである。
The diffusion barrier film 32 of Ta x S
When an i 1-x N y film is formed directly on polysilicon, Ta x
The detailed interface analysis revealed the fact that a very small reaction layer may be formed at the interface between the Si 1-x N y film and the polysilicon. When such a reaction layer is formed, the contact resistance between the lower electrode 28 and the conductive plug 24 increases after the dielectric crystallization process, and the current-voltage characteristics may become non-ohmic. The non-ohmicity of the current-voltage characteristics often causes problems such as delay in high-speed operation and difficulty in obtaining a signal S / N ratio in a memory operation of a dielectric. However, by providing the silicide film 31 between the diffusion barrier film 32 and the conductive plug 24, the above-described formation of the reaction layer is prevented. Furthermore, the presence of the silicide film 31, conductive plugs (polysilicon) 24 and the diffusion barrier film (Ta x Si
The adhesion strength with the ( 1-xN y ) film 32 increases, which contributes to the reduction of hillocks.

【0036】一方、上記誘電体キャパシタ25の下部電
極28に、Ir膜またはIrO2/Ir膜を用いた場合に
は、以下のような問題がある。すなわち、下部電極28
形成後に、誘電体膜を形成する熱処理プロセスを行なっ
た際に、誘電体膜にIrの酸化物で成る析出物が生じ
る。そして、このIr析出物は、誘電体キャパシタ25
の下部電極28と上部電極30とを短絡して、誘電体キ
ャパシタ25のリーク電流を大きくし、その結果、容量
の低下や動作電流の増大を引き起こすのである。また、
このIr析出物による段差が、後の配線工程において配
線不良の原因となるのである。
On the other hand, when an Ir film or an IrO 2 / Ir film is used for the lower electrode 28 of the dielectric capacitor 25, there are the following problems. That is, the lower electrode 28
After the formation, when a heat treatment process for forming a dielectric film is performed, a precipitate composed of an oxide of Ir is generated in the dielectric film. Then, the Ir precipitate is deposited on the dielectric capacitor 25.
In this case, the lower electrode 28 and the upper electrode 30 are short-circuited to increase the leakage current of the dielectric capacitor 25, and as a result, the capacitance is reduced and the operating current is increased. Also,
The step due to the Ir precipitate causes a wiring failure in a subsequent wiring process.

【0037】例えば、256kビットの集積化強誘電体
メモリ(以下、集積化FeRAMと略称する)を考えてみ
る。256,000個のセルが集積化されているチップ
面積を20mm2とした場合、良品率を90%以上にする
ためには、200mm2に1個以下の析出物に抑える必要
がある。6インチウェハとすると、その面積は約17,
600mm2となり、17,600mm2/200mm2=88
個、つまりウェハ面内においてIr析出物を100個以
下に抑えることが必須となる。
For example, consider a 256 kbit integrated ferroelectric memory (hereinafter, simply referred to as an integrated FeRAM). When the chip area in which 256,000 cells are integrated is 20 mm 2 , it is necessary to suppress the number of precipitates to 200 mm 2 or less in order to increase the yield rate to 90% or more. Assuming a 6-inch wafer, its area is about 17,
600mm 2 next, 17,600mm 2 / 200mm 2 = 88
It is essential that the number of Ir precipitates in the wafer surface, that is, the number of Ir precipitates be reduced to 100 or less.

【0038】このIr析出物は、誘電体材料の結晶化条
件に密接な関係がある。図2は、本実施の形態において
用いられる誘電体材料の一つであるSrBi2Ta29(以
下SBTと略称する)の結晶化温度とIr/TaSiN/Ti
シリサイド上に発生するIr析出物との関係、および、
その結晶化温度での上記SBTの分極反転電荷量との関
係を示す図である。上記SBTの作製方法は後に詳細に
述べるが、スピンコート法によって形成を行ない、1層
当たりの焼成時間は30分である。そして、上記成膜と
焼成とを4層繰り返し行なっている。したがって、合計
結晶化時間は120分であり、結晶化雰囲気は酸素であ
る。
This Ir precipitate is closely related to the crystallization conditions of the dielectric material. FIG. 2 shows the crystallization temperature of Ir / TaSiN / Ti of SrBi 2 Ta 2 O 9 (hereinafter abbreviated as SBT), which is one of the dielectric materials used in the present embodiment.
Relationship with Ir precipitates generated on silicide, and
It is a figure which shows the relationship with the polarization inversion charge amount of the said SBT at the crystallization temperature. The method of manufacturing the SBT will be described later in detail, but the SBT is formed by a spin coating method, and the baking time per layer is 30 minutes. Then, the above-described film formation and baking are repeated for four layers. Thus, the total crystallization time is 120 minutes and the crystallization atmosphere is oxygen.

【0039】上記分極反転電荷量は、上記FeRAMを
駆動する際における重要なパラメターの一つであり、も
しこの値があまり低いと、「0」および「1」を判定する際
におけるセンスアンプでの読み取りマージンが取れない
ために判定に誤りが生じてしまう。上述の例のごとく2
56kビットの集積化FeRAMを考えた場合に、誤り
の生じない判定を行うためには10μC/cm2以上の分極
反転電荷量が必要となる。そして、図2から分かるよう
に、6インチウェハにおけるIr析出物の発生を100
個以下に抑えるには結晶化温度を675℃以下に抑える
必要があり、分極反転電荷量を10μC/cm2以上にする
ためには結晶化温度を625℃以上にする必要がある。
The polarization inversion charge amount is one of the important parameters when driving the FeRAM, and if this value is too low, the sense amplifier is not required to determine “0” and “1”. Since the reading margin cannot be secured, an error occurs in the determination. 2 as in the example above
In the case of an integrated FeRAM of 56 k bits, an amount of domain-inverted charges of 10 μC / cm 2 or more is required to make a determination without an error. As can be seen from FIG. 2, the generation of Ir precipitates on the 6-inch wafer was reduced by 100%.
The crystallization temperature must be suppressed to 675 ° C. or lower to suppress the number to less than or equal to the number, and the crystallization temperature must be set to 625 ° C. or higher to keep the polarization inversion charge amount to 10 μC / cm 2 or more.

【0040】また、図3は、上記SBTの結晶化時間と
Ir/TaSiN/Tiシリサイド上に発生するIr析出物と
の関係、および、その結晶化時間での上記SBTの分極
反転電荷量との関係を示す図である。上記SBTの焼成
温度は625℃であり、上述の場合と同様に4層繰り返
して行なっており、結晶化雰囲気は酸素である。
FIG. 3 shows the relationship between the crystallization time of the SBT and Ir precipitates generated on Ir / TaSiN / Ti silicide, and the relationship between the polarization inversion charge amount of the SBT and the SBT during the crystallization time. It is a figure showing a relation. The sintering temperature of the SBT is 625 ° C., four layers are repeated in the same manner as described above, and the crystallization atmosphere is oxygen.

【0041】図3から分かるように、上記SBTの焼成
温度が625℃の場合には、6インチウェハにおけるI
r析出物の発生を100個以下に抑えるためには合計結
晶化時間を900分(1層あたり225分)以下にする必
要があり、分極反転電荷量を10μC/cm2以上にするた
めには合計結晶化時間を120分(1層あたり30分)以
上にする必要がある。
As can be seen from FIG. 3, when the sintering temperature of the SBT is 625 ° C., the IBT on the 6-inch wafer is
rTo suppress the generation of precipitates to 100 or less, the total crystallization time must be 900 minutes or less (225 minutes per layer), and in order to make the polarization inversion charge amount 10 μC / cm 2 or more, The total crystallization time needs to be 120 minutes or more (30 minutes per layer).

【0042】図4は、図3の場合と同様に、上記SBT
の結晶化時間とIr/TaSiN/Tiシリサイド上に発生す
るIr析出物との関係、および、その結晶化時間での上
記SBTの分極反転電荷量との関係を示す図である。但
し、上記SBTの焼成温度は675℃であり、上述の場
合と同様に4層繰り返して行なっている。また、結晶化
雰囲気は酸素である。
FIG. 4 shows the SBT as in the case of FIG.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the crystallization time of Ir and the precipitates of Ir generated on Ir / TaSiN / Ti silicide, and the relationship between the polarization inversion charge amount of the SBT and the crystallization time. However, the sintering temperature of the SBT is 675 ° C., and four layers are repeated in the same manner as in the above case. The crystallization atmosphere is oxygen.

【0043】図4から分かるように、上記SBTの焼成
温度が675℃の場合には、6インチウェハにおけるI
r析出物の発生を100個以下に抑えるためには合計結
晶化時間を120分(1層あたり30分)以下にする必要
があり、分極反転電荷量を10μC/cm2以上にするため
には30分(1層あたり7.5分)以上にする必要があ
る。
As can be seen from FIG. 4, when the sintering temperature of the SBT is 675 ° C., the IBT on the 6-inch wafer is
rTo suppress the generation of precipitates to 100 or less, the total crystallization time needs to be 120 minutes or less (30 minutes per layer), and in order to make the polarization inversion charge amount 10 μC / cm 2 or more, It must be 30 minutes or longer (7.5 minutes per layer).

【0044】尚、上記SBTの作製方法においては、ス
ピンコート法による成膜と焼成とを4層の繰り返して行
なっているが、この繰り返し回数は4回に限定されるも
のではない。要は、繰り返し焼成回数×結晶化時間=合
計結晶化時間が、上述のようなIr析出物の発生を抑制
することができる範囲内であればよいのである。
In the method of manufacturing the SBT, the film formation and the baking by the spin coating method are repeated by four layers, but the number of repetitions is not limited to four. The point is that the number of times of repetitive firing times the crystallization time = the total crystallization time only needs to be within a range in which the generation of the Ir precipitate as described above can be suppressed.

【0045】また、本実施の形態においては、上記下部
電極28上に形成された誘電体膜29としてSBTを用
いたが、Bi4Ti312,SrBi2(Tax,Nb1-x)29(0≦
x<1),BaBi2Nb29,BaBi2Ta29,PbBi2Ta2
9,PbBi2Nb29,PbBi4Ti415,SrBi4Ti415,
BaBi4Ti415,Sr2Bi4Ti518,Ba2Bi4Ta
518,Pb2Bi4Ti518,Na0.5Bi4.5Ti415,K0.5
Bi4.5Ti415,(SrBi2(Tax,Nb1-x)29)y・(Bi3
iTaO9)1-y(0≦x<1,0.6≦y<1)等のBi系層状
ぺロブスカイト型強誘電体材料、(Pb1-xLax)(Zr1-y,
Tiy)O3(0≦x<0.2,0.48≦y<1)等のPb系ペ
ロブスカイト型強誘電体材料、SrTiO3,(Ba,Sr)Ti
3等のペロブスカイト型高誘電体材料等を用いても本
実施の形態の場合と同様の傾向が得られる。
Further, in this embodiment, using the SBT as the dielectric film 29 formed on the lower electrode 28, Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi 2 (Ta x, Nb 1-x) 2 O 9 (0 ≦
x <1), BaBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 , PbBi 2 Ta 2 O
9 , PbBi 2 Nb 2 O 9 , PbBi 4 Ti 4 O 15 , SrBi 4 Ti 4 O 15 ,
BaBi 4 Ti 4 O 15 , Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ta
5 O 18 , Pb 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , K 0.5
Bi 4.5 Ti 4 O 15, ( SrBi 2 (Ta x, Nb 1-x) 2 O 9) y · (Bi 3 T
Bi-based layered perovskite ferroelectric materials such as iTaO 9 ) 1-y (0 ≦ x <1,0.6 ≦ y <1), (Pb 1-x La x ) (Zr 1-y ,
Py perovskite ferroelectric materials such as Ti y ) O 3 (0 ≦ x <0.2, 0.48 ≦ y <1), SrTiO 3 , (Ba, Sr) Ti
Even if a perovskite-type high dielectric material such as O 3 is used, the same tendency as in the present embodiment can be obtained.

【0046】これらの誘電体膜は、公知の方法、例えば
本実施の形態で用いるスピンコート法や、反応性蒸着
法,EB(電子ビーム)蒸着法,スパッタ法,レーザーアブ
レーション法あるいは化学気相成長法(MOCVD法)等
の方法を選択して形成することができる。また、誘電体
膜形成時における雰囲気は酸素雰囲気に限定されるもの
ではなく、窒素雰囲気や、アルゴン雰囲気や、酸素,窒
素およびアルゴンの少なくとも1種類を含む混合雰囲気
等を用いても同様の結果が得られる。
These dielectric films can be formed by known methods, for example, a spin coating method used in the present embodiment, a reactive evaporation method, an EB (electron beam) evaporation method, a sputtering method, a laser ablation method, or a chemical vapor deposition method. It can be formed by selecting a method such as a method (MOCVD method). The atmosphere at the time of forming the dielectric film is not limited to the oxygen atmosphere, and similar results can be obtained by using a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, or a mixed atmosphere containing at least one of oxygen, nitrogen, and argon. can get.

【0047】尚、上記誘電体膜29上に設けられる上部
電極30は、Pt膜等の1層構造にする他に、下部電極
28と同様の材料で、同様の方法により形成することが
できる。また、本実施の形態における誘電体記憶素子に
用いられる基板は、通常の半導体装置や集積回路等の基
板として使用できる基板であれば特に限定されるもので
はないが、シリコン基板が望ましい。
The upper electrode 30 provided on the dielectric film 29 can be formed of the same material as the lower electrode 28 by a similar method in addition to a single-layer structure such as a Pt film. The substrate used for the dielectric storage element in the present embodiment is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for a normal semiconductor device, an integrated circuit, or the like, but a silicon substrate is preferable.

【0048】本実施の形態における誘電体記憶素子は、
誘電体材料を、誘電体デバイスまたは半導体装置の構成
の一部として集積回路用のウェハに搭載することによっ
て、集積回路を構成することができる。例えば、誘電体
材料を不揮発性メモリの容量部にまたはFET(電界効
果トランジスタ)のゲート電極に適用し、ゲート絶縁膜
やソース/ドレイン領域等を組み合わせて形成すること
により、MFMIS‐FET(Metal Ferroelectric Met
al Insulator Semiconductor FET)、MFS‐FET
(Metal Ferroelectric Semiconductor FET)、MI
S‐FET(MetalInsulator Semiconductor FET)等
として利用することもできる。
The dielectric storage element according to the present embodiment is
An integrated circuit can be formed by mounting a dielectric material on a wafer for an integrated circuit as a part of the structure of a dielectric device or a semiconductor device. For example, an MFMIS-FET (Metal Ferroelectric) is formed by applying a dielectric material to a capacitor portion of a nonvolatile memory or a gate electrode of an FET (field effect transistor) and forming a gate insulating film and a source / drain region in combination. Met
al Insulator Semiconductor FET), MFS-FET
(Metal Ferroelectric Semiconductor FET), MI
It can also be used as an S-FET (Metal Insulator Semiconductor FET).

【0049】図5は、図1に示す誘電体記憶素子の製造
方法を示す断面図である。以下、図5にしたがって、本
実施の形態における誘電体記憶素子の製造方法について
説明する。
FIG. 5 is a sectional view showing a method of manufacturing the dielectric memory element shown in FIG. Hereinafter, a method of manufacturing the dielectric memory element according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

【0050】先ず、図5(a)に示すように、シリコン基
板21の表面に膜厚が約500nmのロコス膜36を形成
して、素子間分離を行う。次に、既知の方法を用いて、
ゲート電極27及びソース・ドレイン領域26から成る
選択トランジスタ22を形成する。その後、CVD(化
学気相成長法)によって、第1層間絶縁膜23としての
第1のシリコン酸化膜を500nm程度の膜厚で成膜し、
続いて、第1層間絶縁膜23に、選択トランジスタ22
のドレイン領域26bに連通する直径約0.6μmのコン
タクトホール37を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a LOCOS film 36 having a thickness of about 500 nm is formed on the surface of the silicon substrate 21 to perform element isolation. Then, using known methods,
The select transistor 22 including the gate electrode 27 and the source / drain region 26 is formed. Thereafter, a first silicon oxide film as a first interlayer insulating film 23 is formed to a thickness of about 500 nm by CVD (chemical vapor deposition),
Subsequently, the select transistor 22 is formed on the first interlayer insulating film 23.
A contact hole 37 having a diameter of about 0.6 μm communicating with the drain region 26b is formed.

【0051】次に、図5(b)に示すように、上記コンタ
クトホール37内に、CVD法によってポリシリコンを
埋め込んだ後、CMP(化学機械研磨)法によって表面を
平坦化して導電性プラグ24を形成する。次に、この導
電性プラグ24を成すポリシリコン上に自然酸化膜が形
成されるのを抑えるために、導電性プラグ24の表面を
フッ酸でウエット処理を行う。
Next, as shown in FIG. 5B, after the polysilicon is buried in the contact hole 37 by the CVD method, the surface is flattened by the CMP (chemical mechanical polishing) method, and the conductive plug 24 is formed. To form Next, the surface of the conductive plug 24 is wet-treated with hydrofluoric acid in order to suppress the formation of a natural oxide film on the polysilicon forming the conductive plug 24.

【0052】その後に、DC(直流)マグネトロンスパッ
タ法によって、導電性プラグ24および第1層間絶縁膜
(シリコン酸化膜)23上にTi膜31aを1nm〜30nm
(好ましくは5nm〜25nm)の厚さで形成する。ここで、
Ti膜31aの厚さが1nm以下の場合は良好なコンタクト
を得ることが難しく、30nm以上になると誘電体結晶化
アニール後にTi膜31a表面に荒れが生じるのである。
Thereafter, the conductive plug 24 and the first interlayer insulating film are formed by DC (direct current) magnetron sputtering.
(Silicon oxide film) 1 nm to 30 nm of Ti film 31a on 23
(Preferably 5 nm to 25 nm). here,
If the thickness of the Ti film 31a is 1 nm or less, it is difficult to obtain a good contact. If the thickness is 30 nm or more, the surface of the Ti film 31a becomes rough after dielectric crystallization annealing.

【0053】その後、上記Ti膜31a上に、DCリアク
ティブマグネトロンスパッタ法によって、拡散バリア膜
32としてのTaxSi1-xy(0.2≦x≦1,0≦y≦
1)膜を50nm〜150nm(好ましくは80nm〜120n
m)の厚さで形成する。ここで、上記TaxSi1-xyの膜
厚が50nm以下の場合は、拡散バリア層としての機能を
果たすことが困難である。また、150nm以上の場合
は、キャパシタ全体の膜厚を増加させることになって微
細加工精度に支障を生じるのである。尚、本実施の形態
における上記TaxSi1-xy膜の成膜条件は、Ta/Si=
10/3の合金ターゲットを用い、基板温度を500℃
とし、スパッタパワーを2kWとし、スパッタガス圧を
0.7Paとし、Ar/N2流量比を3/2とした。
Thereafter, on the Ti film 31a, a T x Si 1-x N y (0.2 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦) as the diffusion barrier film 32 is formed by DC reactive magnetron sputtering.
1) A film having a thickness of 50 nm to 150 nm (preferably 80 nm to 120 n)
m). Here, the film thickness of the Ta x Si 1-x N y is in the case of 50nm or less, it is difficult to serve as a diffusion barrier layer. On the other hand, when the thickness is 150 nm or more, the thickness of the entire capacitor is increased, which impairs the precision of fine processing. In this embodiment, the conditions for forming the above-mentioned Ta x Si 1-x N y film are Ta / Si =
Using a 10/3 alloy target and setting the substrate temperature to 500 ° C
The sputtering power was 2 kW, the sputtering gas pressure was 0.7 Pa, and the Ar / N 2 flow ratio was 3/2.

【0054】上記拡散バリア膜(TaxSi1-xy膜)32
の形成後、純窒素の雰囲気中において500℃〜800
℃(好ましくは600℃)で1時間の熱処理を施す。この
熱処理によって、拡散バリア膜32の下部に形成されて
いるTi膜31aは導電性プラグ24のポリシリコンと反
応して、シリサイド膜31(厚さ約2nm〜60nm)と成
る。ここで、上記熱処理の温度が500℃以下の場合に
は、十分なシリサイドを形成することができない。ま
た、上記熱処理の温度が800℃以上の場合には、熱工
程の時間が1時間になるとポリシリコンとの反応が進み
すぎ、シリサイドの表面荒れの原因となる。さらには、
拡散バリア膜32のTaxSi1-xy膜にも悪彫響を及ぼ
す恐れがある。尚、上記熱処理は純窒素雰囲気中におい
て行ったが、不活性ガスであれば、例えば、アルゴン,
クリプトンあるいはヘリウム等の他のガスを用いても同
様の効果が得られる。
[0054] The diffusion barrier film (Ta x Si 1-x N y film) 32
Is formed in an atmosphere of pure nitrogen at 500 ° C. to 800 ° C.
A heat treatment is performed for 1 hour at a temperature of 600C (preferably 600C). By this heat treatment, the Ti film 31a formed below the diffusion barrier film 32 reacts with the polysilicon of the conductive plug 24 to form a silicide film 31 (about 2 nm to 60 nm in thickness). Here, if the temperature of the heat treatment is 500 ° C. or less, sufficient silicide cannot be formed. Further, when the temperature of the heat treatment is 800 ° C. or higher, if the time of the heating step is one hour, the reaction with polysilicon excessively proceeds, which causes the surface roughness of silicide. Moreover,
To Ta x Si 1-x N y film diffusion barrier film 32 which may exert a bad Hohibiki. The heat treatment was performed in a pure nitrogen atmosphere.
The same effect can be obtained by using another gas such as krypton or helium.

【0055】また、上述のようにTaxSi1-xy膜で形
成された拡散バリア膜32は、X線回折分析結果によっ
てアモルファス構造であることが確認された。さらに、
オージェ電子分光分析によって、組成比はTa0.85Si
0.150.41であることが確認された。また、純窒素雰囲
気中での熱処理後における拡散バリア膜(TaxSi1-xy
膜)32の抵抗率を測定した結果、100μΩcm〜20
00μΩcmの範囲内であることが分かった。ここで、上
記拡散バリア膜32の組成TaxSi1-xyにおける「x」
がx<0.2である場合には、Si成分が多過ぎるために
抵抗率が極端に高くなり、デバイスとしては適さない。
したがって、0.2≦x≦1の範囲内が適している。
Further, as described above, the diffusion barrier film 32 formed of the Ta x Si 1 -xN y film was confirmed to have an amorphous structure by X-ray diffraction analysis. further,
According to Auger electron spectroscopy, the composition ratio was Ta 0.85 Si.
It was confirmed to be 0.15 N 0.41 . The diffusion barrier film after heat treatment in a pure nitrogen atmosphere (Ta x Si 1-x N y
As a result of measuring the resistivity of the film 32, 100 μΩcm to 20
It was found to be within the range of 00 μΩcm. Here, "x" in the composition Ta x Si 1-x N y of the diffusion barrier film 32
If x <0.2, the Si component is too large and the resistivity becomes extremely high, which is not suitable as a device.
Therefore, the range of 0.2 ≦ x ≦ 1 is suitable.

【0056】続いて、上記拡散バリア膜32上に、DC
マグネトロンスパッタ法によって、下部電極28として
のIr膜を約50nm〜300nm(好ましくは100nm〜2
00nm)の厚さで形成する。ここで、Irの膜厚が50nm
以下の場合は、強誘電体結晶化アニールの際に雰囲気中
の酸素がIr膜を透過してしまい、拡散バリア膜32で
あるTaxSi1-xy膜の体積膨張によってヒロックが生
じる。また、300nm以上の場合には、最終的に誘電体
キャパシタ部全体の膜厚を増加させることになり、微細
加工精度に支障を生じたり、既存のレジスト膜厚では加
工できない等の問題が生じる。尚、本実施の形態におい
て用いたIr膜の成膜条件は、DCパワーを0.5kWと
し、基板温度を500℃とし、ガス圧を0.6Paとし
た。
Subsequently, a DC voltage is applied on the diffusion barrier film 32.
The Ir film as the lower electrode 28 is formed to a thickness of about 50 nm to 300 nm (preferably 100 nm to 2 nm) by magnetron sputtering.
(00 nm). Here, the film thickness of Ir is 50 nm.
In the following cases, oxygen in the atmosphere permeates the Ir film during the ferroelectric crystallization annealing, and hillocks are generated due to the volume expansion of the Ta x Si 1 -x N y film which is the diffusion barrier film 32. On the other hand, when the thickness is 300 nm or more, the thickness of the entire dielectric capacitor portion is eventually increased, which causes problems such as a problem in fine processing accuracy and a problem that processing cannot be performed with an existing resist film thickness. The Ir film used in the present embodiment was formed under the following conditions: a DC power of 0.5 kW, a substrate temperature of 500 ° C., and a gas pressure of 0.6 Pa.

【0057】次に、上記下部電極(Ir膜)28上に、ス
ピンオン法を用いて、誘電体膜29としてのSrBi2Ta
29(SBT)を形成する。上記SBT膜の成膜方法は、
以下のようにして行う。まず、上記SBTを構成する元
素を溶媒に分散させた前駆体溶液を形成し、その前駆体
溶液を、スピナーを用いて回転数3000rpmで塗布す
る。そして、大気中において150℃で10分間乾燥し
た後、大気中において400℃で30分間の仮焼成を行
なう。その後、650℃で60分間の結晶化を行い形成
する。これらの工程を4回繰り返すことによって、SB
T膜を120nmの膜厚で形成して誘電体膜29と成す。
このようにしてSBT膜で形成された誘電体膜29に
は、ヒロックや剥離は認められず、SEM(走査型電子
顕微鏡)による断面観察においても、各層での反応は見
られなかった。
Next, SrBi 2 Ta as a dielectric film 29 is formed on the lower electrode (Ir film) 28 by a spin-on method.
2 O 9 (SBT) is formed. The method for forming the SBT film is as follows.
This is performed as follows. First, a precursor solution in which the elements constituting the SBT are dispersed in a solvent is formed, and the precursor solution is applied at 3000 rpm using a spinner. Then, after drying in the air at 150 ° C. for 10 minutes, calcination is performed in the air at 400 ° C. for 30 minutes. Then, crystallization is performed at 650 ° C. for 60 minutes. By repeating these steps four times, SB
A T film is formed with a thickness of 120 nm to form the dielectric film 29.
No hillocks or peeling were observed in the dielectric film 29 formed of the SBT film in this manner, and no reaction was observed in each layer even in cross-sectional observation with a scanning electron microscope (SEM).

【0058】次に、上記誘電体膜(SBT膜)29上に、
DCマグネトロンスパッタ法によって、Ptによって膜
厚100nmの上部電極30を形成する。
Next, on the dielectric film (SBT film) 29,
An upper electrode 30 having a thickness of 100 nm is formed of Pt by DC magnetron sputtering.

【0059】次に、図5(c)に示すように、上記上部電
極(Pt)30を、Cl2を用いたドライエッチング法によ
って1μm〜3μm角の大きさにパターニングする。ま
た、上部電極30の下の誘電体膜(SBT膜)29を、C
26およびArを用いたドライエッチング法によって所
望の形状にパターニングする。続いて、誘電体膜29の
下の下部電極(Ir)28,拡散バリア膜(TaxSi1-x
y膜)32およびシリサイド膜31を、Cl2およびC26
を用いたドライエッチング法によって所望の形状に加工
する。こうして、基板側からシリサイド膜31,拡散バ
リア膜32,下部電極28,誘電体膜29および上部電極
30が順次積層されて成る誘電体キャパシタ25が形成
される。
Next, as shown in FIG. 5C, the upper electrode (Pt) 30 is patterned into a size of 1 μm to 3 μm square by a dry etching method using Cl 2 . Further, the dielectric film (SBT film) 29 under the upper electrode 30 is
Patterned into a desired shape by a dry etching method using 2 F 6 and Ar. Subsequently, the lower electrode (Ir) 28 below the dielectric layer 29, the diffusion barrier film (Ta x Si 1-x N
y film) 32 and silicide film 31 are made of Cl 2 and C 2 F 6
Is processed into a desired shape by a dry etching method using. Thus, a dielectric capacitor 25 is formed in which the silicide film 31, the diffusion barrier film 32, the lower electrode 28, the dielectric film 29, and the upper electrode 30 are sequentially stacked from the substrate side.

【0060】その後、図5(d)に示すように、上記第1
層間絶縁膜23および誘電体キャパシタ25上に、CV
D法を用いて、第2層間絶縁膜33としての第2のシリ
コン酸化膜を形成する。その後、上部電極30上におけ
る第2層間絶縁膜33にコンタクトホールを形成し、上
部電極30に接続する引き出し電極34を、DCマグネ
トロンスパッタ法を用いてアルミニウムで形成する。次
に、選択トランジスタ22のソース領域26a上におけ
る第1層間絶縁膜23および第2層間絶縁膜33にコン
タクトホールを形成し、ソース領域26aに接続する引
き出し電極35をアルミニウムで形成する。こうして、
図1に示すような誘電体記憶素子が形成される。
Thereafter, as shown in FIG.
The CV is formed on the interlayer insulating film 23 and the dielectric capacitor 25.
Using method D, a second silicon oxide film as the second interlayer insulating film 33 is formed. Thereafter, a contact hole is formed in the second interlayer insulating film 33 on the upper electrode 30, and a lead electrode 34 connected to the upper electrode 30 is formed of aluminum using a DC magnetron sputtering method. Next, contact holes are formed in the first interlayer insulating film 23 and the second interlayer insulating film 33 on the source region 26a of the select transistor 22, and a lead electrode 35 connected to the source region 26a is formed of aluminum. Thus,
A dielectric storage element as shown in FIG. 1 is formed.

【0061】上述のようにして形成された誘電体キャパ
シタ25の上部電極(Pt)30からの引き出し電極34
とソース領域26aからの引き出し電極35との間に三
角波形の電圧を印加することによって、図6に示すよう
なヒステリシス曲線が得られた。尚、この印加した三角
波の電界強度は150kV/cmであり、その周波数は75
Hzである。図6により、誘電体キャパシタ25の強誘
電体特性は、分極反転電荷量ΔQ=12μC/cm2、抗電
界Ec=35kV/cmであった。また、+3V印加時のリ
ーク電流密度は8×10-8A/cm2であり、絶縁耐圧は1
0V以上であった。これらの結果から、強誘電体キャパ
シタとして用いるのに十分な大きさの強誘電体特性が得
られており、上記ヒステリシス曲線の対称性が崩れてい
ないことからシリコン基板21と下部電極(Ir)28と
のコンタクトが十分に取れていることが分かる。
The extraction electrode 34 from the upper electrode (Pt) 30 of the dielectric capacitor 25 formed as described above.
A hysteresis curve as shown in FIG. 6 was obtained by applying a triangular waveform voltage between the gate electrode and the extraction electrode 35 from the source region 26a. The electric field strength of the applied triangular wave is 150 kV / cm, and the frequency is 75 kV / cm.
Hz. According to FIG. 6, the ferroelectric characteristics of the dielectric capacitor 25 were such that the polarization-reversed charge amount ΔQ was 12 μC / cm 2 and the coercive electric field Ec was 35 kV / cm. The leakage current density when applying +3 V is 8 × 10 −8 A / cm 2 , and the withstand voltage is 1
It was 0 V or more. From these results, ferroelectric characteristics large enough to be used as a ferroelectric capacitor were obtained, and since the symmetry of the hysteresis curve was not broken, the silicon substrate 21 and the lower electrode (Ir) 28 It can be seen that the contact with is sufficiently obtained.

【0062】尚、本実施の形態においては、256kビ
ットの集積化FeRAMを例に挙げて説明したが、メガ
ビットクラス(1メガビットから256メガビット)の集
積化FeRAMやDRAMにも同様に適用できる。
Although the present embodiment has been described by taking a 256 kbit integrated FeRAM as an example, the present invention can be similarly applied to a megabit class (1 megabit to 256 megabit) integrated FeRAM or DRAM.

【0063】上述したように、本実施の形態において
は、誘電体記憶素子を構成する導電性プラグ24をポリ
シリコンによって形成している。さらに、選択トランジ
スタ22のドレイン領域26bと導電性プラグ24を介
して電気的に接続される誘電体キャパシタ25を、基板
側から順にシリサイド膜31,拡散バリア膜32,下部電
極28,誘電体膜29および上部電極30を順次積層し
て形成している。このように、導電性プラグ24上にシ
リサイド膜31を設け、そのシリサイド膜31上に拡散
バリア膜32を設けている。したがって、500℃〜8
00℃という酸素雰囲気中での高い熱処理温度による誘
電体の結晶化過程においても、導電性プラグ24と下部
電極28との材料拡散が起こらず、また、下部電極上2
8に形成された強誘電体特性は良好なものが得られる。
As described above, in the present embodiment, the conductive plug 24 constituting the dielectric storage element is formed of polysilicon. Further, the dielectric capacitor 25 electrically connected to the drain region 26b of the select transistor 22 via the conductive plug 24 is formed by sequentially forming a silicide film 31, a diffusion barrier film 32, a lower electrode 28, and a dielectric film 29 from the substrate side. And the upper electrode 30 are sequentially laminated. Thus, the silicide film 31 is provided on the conductive plug 24, and the diffusion barrier film 32 is provided on the silicide film 31. Therefore, 500 ° C. to 8
Even in the process of crystallization of the dielectric at a high heat treatment temperature in an oxygen atmosphere of 00 ° C., material diffusion between the conductive plug 24 and the lower electrode 28 does not occur, and the lower electrode 2
The ferroelectric material formed in No. 8 has good characteristics.

【0064】その際に、上記下部電極28は、優れたバ
リア性や上部に形成される酸化物誘電体との整合性等の
点からIrまたはIr/IrO2によって形成するのである
が、本実施の形態においては、誘電体膜29としてSB
Tを用いるようにしている。このSBTは、図2に示す
ように、結晶化温度を625℃以上且つ675℃以下に
することによって、例えば6インチウェハにおけるIr
析出物の発生を100個以下に抑え、分極反転電荷量を
10μC/cm2以上にできるのである。ここで、上記SB
Tの結晶化温度が625℃の場合には、図3に示すよう
に、合計結晶化時間を120分以上且つ900分以下に
すればよい。また、上記SBTの結晶化温度が675℃
の場合には、図4に示すように、合計結晶化時間を30
分以上且つ120分以下にすればよい。
At this time, the lower electrode 28 is formed of Ir or Ir / IrO 2 from the viewpoint of excellent barrier properties and compatibility with the oxide dielectric formed on the upper portion. In the embodiment, SB is used as the dielectric film 29.
T is used. As shown in FIG. 2, the SBT is formed by setting the crystallization temperature to 625 ° C. or more and 675 ° C. or less, for example, Ir in a 6-inch wafer.
The generation of precipitates can be suppressed to 100 or less, and the amount of domain-inverted charges can be increased to 10 μC / cm 2 or more. Here, the SB
When the crystallization temperature of T is 625 ° C., the total crystallization time may be set to 120 minutes or more and 900 minutes or less as shown in FIG. The crystallization temperature of the SBT is 675 ° C.
In the case of, as shown in FIG.
The time may be longer than or equal to 120 minutes.

【0065】すなわち、本実施の形態によれば、例えば
6インチウェハにおけるIr析出物の発生を100個以
下に抑えることができるので、256kビットの集積化
FeRAMにおいて256,000個のセルが集積化され
たチップの面積を20mm2とした場合の良品率を90%
以上にすることができるのである。また、上記分極反転
電荷量を10μC/cm2以上にできるので、上記256k
ビットの集積化FeRAMにおいて、センスアンプでの
読み取りマージンを十分に取ることができる。したがっ
て、誤りの生じない判定を行うことができるのである。
That is, according to the present embodiment, for example, the generation of Ir precipitates on a 6-inch wafer can be suppressed to 100 or less, so that 256,000 cells are integrated in a 256 kbit integrated FeRAM. 90% non-defective rate when the chip area is 20 mm 2
That is all. Further, since the amount of the domain-inverted charges can be increased to 10 μC / cm 2 or more,
In a bit-integrated FeRAM, a sufficient read margin in the sense amplifier can be secured. Therefore, it is possible to make a determination without error.

【0066】尚、上記シリサイド膜31を構成する金属
は、IV‐A族(Ti,Zr,Hf),V‐A族(V,Nb,Ta),V
I‐A族(Cr,Mo,W)およびVIII族(Ru,Os,Co,Rh,I
r,Ni,Pd,Pt)の少なくとも一つのグループから選択さ
れる少なくとも一つの元素である。
The metal constituting the silicide film 31 is a group IV-A (Ti, Zr, Hf), a group VA (V, Nb, Ta), V
Groups IA (Cr, Mo, W) and VIII (Ru, Os, Co, Rh, I
(r, Ni, Pd, Pt) at least one element selected from at least one group.

【0067】また、上記拡散バリア膜32は、AxSi
1-xy,AxAl1-xy及びBNz(0.2≦x≦1,0≦y
≦1,0≦z<1)の少なくとも一つによって形成され、
そのうちの「A」は、Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,
W,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,PdおよびPtのグループ
から選択される何れか一つの元素であり、「B」は、Zr,
Hf,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,
PdおよびPtのグループから選択される何れか一つの元
素である。
The diffusion barrier film 32 is made of A x Si
1-x N y , A x Al 1-x N y and BN z (0.2 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y
≦ 1,0 ≦ z <1), and
"A" is Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo,
W, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, and Pt are any one element selected from the group, and "B" is Zr,
Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni,
It is any one element selected from the group consisting of Pd and Pt.

【0068】また、上記誘電体膜29としては、上記S
BTの他に、上述したBi系層状ぺロブスカイト型強誘
電体材料,Pb系ペロブスカイト型強誘電体材料およびペ
ロブスカイト型高誘電体材料の何れか一つの誘電体材料
を用いても同様の効果が得られる。
The dielectric film 29 is made of S
Similar effects can be obtained by using any one of the above-mentioned Bi-based layered perovskite-type ferroelectric material, Pb-based perovskite-type ferroelectric material, and perovskite-type high-dielectric material in addition to BT. Can be

【0069】[0069]

【発明の効果】以上より明らかなように、第1の発明の
半導体装置は、キャパシタの下部電極としてIr膜ある
いはIrO2/Ir膜を用いるので、誘電体膜の結晶化の際
に高温によって酸素が上記下部電極の直下に隣接する拡
散バリア膜まで拡散することを防止し、酸化による上記
拡散バリア膜の体積膨張やコンタクト不良の発生を防止
できる。また、上記拡散バリア膜としてTaxSi1-xy
膜等を用いるので、上記拡散バリア膜の直下に隣接する
シリサイド膜および導電性プラグから上記下部電極への
シリコンやTi等の拡散を防止できる。また、上記拡散
バリア膜と導電性プラグとの間に上記シリサイド膜を設
けたので、上記拡散バリア膜を導電性プラグ上に直接形
成した際に起こる反応層の生成を防止できると共に、密
着強度を増加してヒロックを低減できる。
As is clear from the above, the semiconductor device of the first invention uses an Ir film or an IrO 2 / Ir film as the lower electrode of the capacitor, so that the oxygen is generated by the high temperature during the crystallization of the dielectric film. Can be prevented from diffusing to the diffusion barrier film immediately below the lower electrode, and the expansion of the diffusion barrier film due to oxidation and the occurrence of contact failure can be prevented. Further, Ta x Si 1-x N y as the diffusion barrier film
Since a film or the like is used, diffusion of silicon, Ti, or the like from the silicide film and the conductive plug adjacent immediately below the diffusion barrier film to the lower electrode can be prevented. Further, since the silicide film is provided between the diffusion barrier film and the conductive plug, it is possible to prevent the formation of a reaction layer that occurs when the diffusion barrier film is formed directly on the conductive plug, and to reduce the adhesion strength. Hillock can be reduced by increasing.

【0070】さらに、上記キャパシタの誘電体膜とし
て、SBT等のペロブスカイト型強誘電体材料やペロブ
スカイト型高誘電体材料等を用いるので、上記下部電極
としてIr膜あるいはIr/IrO2膜を用いる際に、上記
誘電体膜の結晶化温度を625℃以上且つ675℃以下
にすれば、例えば6インチウェハにおけるIr析出物の
発生を100個以下に抑えると共に、分極反転電荷量を
10μC/cm2以上にできる。したがって、256,00
0個のFeRAMを20mm2のチップに集積化する場合の
良品率を90%以上にできる。また、上記256kビッ
トの集積化FeRAMにおいて、センスアンプでの読み
取りマージンを十分にして誤判定を防止できる。
Further, since a perovskite-type ferroelectric material such as SBT or a perovskite-type high-dielectric material is used as the dielectric film of the capacitor, an Ir film or an Ir / IrO 2 film is used as the lower electrode. If the crystallization temperature of the dielectric film is 625 ° C. or more and 675 ° C. or less, for example, the generation of Ir precipitates on a 6-inch wafer is suppressed to 100 or less, and the amount of domain-inverted charges is reduced to 10 μC / cm 2 or more. it can. Therefore, 256,00
The non-defective product rate in the case where zero FeRAM is integrated on a 20 mm 2 chip can be 90% or more. Further, in the 256-kbit integrated FeRAM, the read margin in the sense amplifier can be made sufficient to prevent erroneous determination.

【0071】すなわち、この発明によれば、メガビット
クラスに高集積化された誘電体記憶装置の良品率を容易
に向上することができるのである。
That is, according to the present invention, it is possible to easily improve the non-defective rate of the dielectric memory device highly integrated in the megabit class.

【0072】また、第2の発明の半導体装置の製造方法
は、上記第1の発明の半導体装置における上記SBT等
のペロブスカイト型強誘電体材料やペロブスカイト型高
誘電体材料等を用いた誘電体膜を、625℃以上且つ6
75℃以下の結晶化温度で形成するので、上記下部電極
としてIr膜あるいはIr/IrO2膜を用いる際に、例え
ば6インチウェハにおけるIr析出物の発生を100個
以下に抑えると共に、分極反転電荷量を10μC/cm2
上にできる。したがって、256,000個のFeRAM
を20mm2のチップに集積化する場合の良品率を90%
以上にできる。また、上記256kビットの集積化Fe
RAMにおいて、センスアンプでの読み取りマージンを
十分にして誤判定を防止できる。
Further, the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention is directed to a method of manufacturing a semiconductor device according to the first aspect of the present invention, wherein the dielectric film is made of a perovskite ferroelectric material such as the SBT or a perovskite high dielectric material. At 625 ° C. or higher and 6
Since the film is formed at a crystallization temperature of 75 ° C. or less, when an Ir film or an Ir / IrO 2 film is used as the lower electrode, for example, generation of Ir precipitates on a 6-inch wafer is suppressed to 100 or less, and polarization inversion charge is reduced. The amount can be 10 μC / cm 2 or more. Therefore, 256,000 FeRAM
90% non-defective product rate when integrated on a 20 mm 2 chip
More than that. Further, the integrated Fe of 256 kbits described above is used.
In the RAM, a reading margin in the sense amplifier can be made sufficient to prevent erroneous determination.

【0073】また、上記第2の発明の半導体装置の製造
方法は、上記誘電体膜形成時における結晶化時間を30
分以上且つ900分以下にすれば、上記誘電体膜を62
5℃以上且つ675℃以下の結晶化温度で形成する場合
に、例えば6インチウェハにおけるIr析出物の発生を
確実に100個以下に抑えると共に、分極反転電荷量を
確実に10μC/cm2以上にできる。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the second aspect of the present invention, the crystallization time at the time of forming the dielectric film is reduced to 30.
And 900 minutes or less, the dielectric film is
In the case of forming at a crystallization temperature of 5 ° C. or more and 675 ° C. or less, for example, the generation of Ir precipitates on a 6-inch wafer is reliably suppressed to 100 or less, and the polarization inversion charge amount is reliably reduced to 10 μC / cm 2 or more. it can.

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

【図1】 この発明の半導体装置としての誘電体記憶素
子における要部断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a dielectric storage element as a semiconductor device according to the present invention.

【図2】 SBTの結晶化温度とIr析出物および分極
反転電荷量との関係を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the crystallization temperature of SBT and the amount of Ir precipitates and polarization inversion charges.

【図3】 焼成温度が625℃のSBTにおける結晶化
時間とIr析出物および分極反転電荷量との関係を示す
図である。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the crystallization time and the amount of Ir precipitates and the amount of domain-inverted charges in an SBT having a firing temperature of 625 ° C.

【図4】 焼成温度が675℃のSBTにおける結晶化
時間とIr析出物および分極反転電荷量との関係を示す
図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the crystallization time and the amount of Ir precipitates and the amount of domain-inverted charges in an SBT having a firing temperature of 675 ° C.

【図5】 図1に示す誘電体記憶素子の製造方法を示す
断面図である。
FIG. 5 is a sectional view illustrating the method for manufacturing the dielectric memory element illustrated in FIG.

【図6】 図1に示す誘電体記憶素子における印加電圧
・分極特性を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing applied voltage / polarization characteristics in the dielectric storage element shown in FIG.

【図7】 スタック型構造を有する従来の誘電体記憶素
子の断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view of a conventional dielectric storage element having a stack type structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21…基板、 22…選択トランジスタ、 23…第1層間絶縁膜、 24…導電性プラグ、 25…誘電体キャパシタ、 26a…ソース領域、 26b…ドレイン領域、 27…ゲート電極、 28…下部電極、 29…誘電体膜、 30…上部電極、 31…シリサイド膜、 32…拡散バリア膜、 33…第2層間絶縁膜、 34,35…引き出し電極、 36…ロコス膜、 37…コンタクトホール。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Substrate, 22 ... Selection transistor, 23 ... 1st interlayer insulation film, 24 ... Conductive plug, 25 ... Dielectric capacitor, 26a ... Source region, 26b ... Drain region, 27 ... Gate electrode, 28 ... Lower electrode, 29 ... dielectric film, 30 ... upper electrode, 31 ... silicide film, 32 ... diffusion barrier film, 33 ... second interlayer insulating film, 34, 35 ... lead-out electrode, 36 ... locos film, 37 ... contact hole.

フロントページの続き Fターム(参考) 5F001 AA17 AD12 5F083 AD21 FR02 FR05 FR07 GA09 GA25 JA15 JA17 JA35 JA38 JA39 JA40 JA43 MA05 MA06 MA17 NA02 PR22 PR23 PR33 5F101 BA62 BD02 Continued on the front page F term (reference) 5F001 AA17 AD12 5F083 AD21 FR02 FR05 FR07 GA09 GA25 JA15 JA17 JA35 JA38 JA39 JA40 JA43 MA05 MA06 MA17 NA02 PR22 PR23 PR33 5F101 BA62 BD02

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上部電極,誘電体膜および下部電極を有
するキャパシタにおける上記下部電極の下に位置して上
記下部電極を選択トランジスタに電気的に接続する導電
性プラグと、上記導電性プラグと下部電極との間に在っ
て上記導電性プラグと下部電極との間の拡散反応を防ぐ
拡散バリア膜と、上記導電性プラグと拡散バリア膜との
間に在って金属元素を含むシリサイド膜を備えた半導体
装置であって、 上記シリサイド膜の金属元素は、IV‐A族(Ti,Zr,H
f)、V‐A族(V,Nb,Ta)、VI‐A族(Cr,Mo,W)、お
よび、VIII族(Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pd,Pt)の少
なくとも一つのグループから選択された少なくとも一つ
の元素であり、 上記拡散バリア膜は、AをTi,Zr,Hf,V,Nb,Ta,C
r,Mo,W,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,PdおよびPtから
選択された何れか一つの元素とし、BをZr,Hf,V,N
b,Ta,Cr,Mo,W,Ru,Os,Co,Rh,Ir,Ni,Pdおよび
Ptから選択された何れか一つの元素として、AxSi1-x
y,AxAl1-xyおよびBNz(0.2≦x≦1,0≦y
≦1,0≦z<1)の少なくとも一つによって表わされ
る組成物で構成され、 上記下部電極は、Ir膜あるいはIr膜とIrO2膜とを含
む多層膜で構成され、 上記導電性プラグは、ポリシリコンによって構成され、 上記誘電体膜は、Bi4Ti312,SrBi2(Tax,Nb1-x)
29(0≦x<1),BaBi2Nb29,BaBi2Ta29,Pb
Bi2Ta29,PbBi2Nb29,PbBi4Ti415,SrBi4
Ti415,BaBi4Ti415,Sr2Bi4Ti518,Ba2Bi4
Ta518,Pb2Bi4Ti518,Na0.5Bi4.5Ti415,K
0.5Bi4.5Ti415,(SrBi2(Tax,Nb 1-x)29)y・(Bi
3TiTaO9)1-y(0≦x<1,0.6≦y<1)を含むBi
系層状ぺロブスカイト型強誘電体材料、(Pb1-x,Lax)
(Zr1-y,Tiy)O3(0≦x<0.2,0.48≦y<1)を
含むPb系ペロブスカイト型強誘電体材料、SrTiO3
(Ba,Sr)TiO3を含むペロブスカイト型高誘電体材料
の何れか一つの誘電体材料を用いて構成されていること
を特徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device comprising an upper electrode, a dielectric film and a lower electrode.
Located below and above the lower electrode of the capacitor
Conductivity for electrically connecting the lower electrode to the selection transistor
Between the conductive plug and the conductive plug and the lower electrode.
To prevent diffusion reaction between the conductive plug and the lower electrode
A diffusion barrier film, the conductive plug and the diffusion barrier film;
Semiconductor with silicide film containing metal element in between
An apparatus, wherein the metal element of the silicide film is a group IV-A (Ti, Zr, H
f), VA group (V, Nb, Ta), VI-A group (Cr, Mo, W),
And VIII group (Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt)
At least one selected from at least one group
The diffusion barrier film is characterized in that A represents Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, C
From r, Mo, W, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd and Pt
Let B be Zr, Hf, V, N
b, Ta, Cr, Mo, W, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, Pd and
As one element selected from Pt, AxSi1-x
Ny, AxAl1-xNyAnd BNz(0.2 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y
≦ 1,0 ≦ z <1)
The lower electrode is made of an Ir film or an Ir film and IrOTwoIncluding membrane
The conductive plug is formed of polysilicon, and the dielectric film is formed of Bi.FourTiThreeO12, SrBiTwo(Tax, Nb1-x)
TwoO9(0 ≦ x <1), BaBiTwoNbTwoO9, BaBiTwoTaTwoO9, Pb
BiTwoTaTwoO9, PbBiTwoNbTwoO9, PbBiFourTiFourOFifteen, SrBiFour
TiFourOFifteen, BaBiFourTiFourOFifteen, SrTwoBiFourTiFiveO18, BaTwoBiFour
TaFiveO18, PbTwoBiFourTiFiveO18, Na0.5Bi4.5TiFourOFifteen, K
0.5Bi4.5TiFourOFifteen, (SrBiTwo(Tax, Nb 1-x)TwoO9)y・ (Bi
ThreeTiTaO9)1-yBi including (0 ≦ x <1,0.6 ≦ y <1)
Layered perovskite ferroelectric material, (Pb1-x, Lax)
(Zr1-y, Tiy) OThree(0 ≦ x <0.2, 0.48 ≦ y <1)
Containing Pb-based perovskite ferroelectric material, SrTiOThree,
(Ba, Sr) TiOThreePerovskite-type high dielectric material containing
Be constructed using any one of the dielectric materials
A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置の製造方法
であって、 上記誘電体膜を、625℃以上且つ675℃以下の結晶
化温度で形成することを特徴とする半導体装置の製造方
法。
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the dielectric film is formed at a crystallization temperature of 625 ° C. or more and 675 ° C. or less. .
【請求項3】 請求項2に記載の半導体装置の製造方法
において、 上記誘電体膜形成時における結晶化時間は、30分以上
且つ900分以下であることを特徴とする半導体装置の
製造方法。
3. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein a crystallization time during the formation of the dielectric film is 30 minutes or more and 900 minutes or less.
【請求項4】 請求項2あるいは請求項3に記載の半導
体装置の製造方法において、 上記誘電体膜形成時における結晶化雰囲気は、酸素雰囲
気、窒素雰囲気、アルゴン雰囲気、あるいは、酸素,窒
素およびアルゴンのうち少なくとも1種類を含む混合雰
囲気であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 2, wherein the crystallization atmosphere at the time of forming the dielectric film is an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, or an oxygen, nitrogen, and argon atmosphere. Wherein the mixed atmosphere contains at least one of the following.
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