JP2002124647A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

Info

Publication number
JP2002124647A
JP2002124647A JP2000317774A JP2000317774A JP2002124647A JP 2002124647 A JP2002124647 A JP 2002124647A JP 2000317774 A JP2000317774 A JP 2000317774A JP 2000317774 A JP2000317774 A JP 2000317774A JP 2002124647 A JP2002124647 A JP 2002124647A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ferroelectric
thin film
film
group
semiconductor device
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
JP2000317774A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Morichika Yano
盛規 矢野
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.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp 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 Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Priority to JP2000317774A priority Critical patent/JP2002124647A/en
Publication of JP2002124647A publication Critical patent/JP2002124647A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To eliminate deterioration of a ferroelectric film. SOLUTION: A ferroelectric thin film 30, constituting a ferroelectric capacitor 33 of a ferroelectric memory element, is formed out of an SBT thin film, having added Zr elements as the elements for feeding holes. Therefore, the Zr elements of IV-B group elements generate the holes by their substitutions for Bi elements in the SBT thin film. As a result, even if hydrogen which could not be prevented with a diffusion barrier 32, when the ferroelectric memory element is subjected to hydrogen sintering processing bonds with oxygen contained in the SBT thin film to form oxygen vacancies, electrons generated from the oxygen vacancies are so neutralized by the holes as to very much reduce the leakage current of the ferroelectric memory element. Also, the diffusion of the oxygen ions and their removals from the SBT thin film are markedly suppressed by the electrical coupling of holes with the oxygen ions. Thus, even if hydrogen diffuse to the ferroelectric thin film 30 when the hydrogen sintering processing is being carried out the ferroelectric thin film 30 will not deteriorate.

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、半導体装置に関
し、詳しくは、強誘電体薄膜を用いた不揮発性メモリ素
子あるいは高誘電体薄膜を用いたメモリ素子に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a nonvolatile memory element using a ferroelectric thin film or a memory element using a high dielectric thin film.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体薄膜は、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、FRAMと略称
する)の開発が盛んである。
2. Description of the Related Art Ferroelectric thin films have many functions such as spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, and pyroelectric effect, so that they are widely applied to 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. In particular, with the development of thin film formation technology in recent years, development of a ferroelectric nonvolatile memory (hereinafter abbreviated as FRAM) that operates at high density and at high speed has been actively developed in combination with semiconductor memory technology.

【0003】上記FRAM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、従来の不揮発性メモリの置き換えだけではな
く、SRAM(スタティックRAM)やDRAM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 FRAM can replace not only a conventional non-volatile memory but also an SRAM (static RAM) and a DRAM because of its high-speed writing / reading, low-voltage operation, and high repetition durability of writing / reading. As a memory, research and development for practical use are actively performed.

【0004】このようなFRAMの開発には、残留分極
が大きく且つ抗電場が小さく低リーク電流で分極反転の
繰り返し耐性の大きな材料が必要である。さらには、動
作電圧の低減と半導体微細加工プロセスに適合するため
に、膜厚200nm以下の薄膜で上述の特性を実現するこ
とが望ましい。そして、上述のような強誘電体および強
誘電体集積回路に用いる強誘電体材料としては、チタン
酸ジルコン酸鉛((PbxLa1-x(ZryTi1-y)O3(0≦x,
y≦1):PZT)や、SrBi2(TaxNb1-x)29(0≦x
≦1)(SBT)等のビスマス層状構造化合物薄膜が適し
ている。
The development of such an FRAM requires a material having a large remanent polarization, a small coercive electric field, a low leakage current, and a high resistance to repetition of polarization reversal. Further, in order to reduce the operating voltage and adapt to the semiconductor microfabrication process, it is desirable to realize the above-mentioned characteristics with a thin film having a thickness of 200 nm or less. Then, as the ferroelectric material used for the ferroelectric and ferroelectric integrated circuit as described above, lead zirconate titanate ((Pb x La 1-x (Zr y Ti 1-y) O 3 (0 ≦ x,
y ≦ 1): PZT) and, SrBi 2 (Ta x Nb 1 -x) 2 O 9 (0 ≦ x
≦ 1) A bismuth layered compound thin film such as (SBT) is suitable.

【0005】一方、上記DRAMの高集積化において、
キャパシタの容量を増大させるために、従来より用いら
れているシリコン酸化膜よりも誘電率が高いタンタル酸
化膜(Ta25)や、STO(チタン酸ストロンチュウムS
rTiO3)や、BST(チタン酸バリウム・ストロンチュウ
ム(Ba,Sr)TiO3)等の高誘電体材料が、256メガビ
ット〜ギガビット以上の高集積DRAMへの適用を目的
として盛んに研究開発が行われている。
On the other hand, in the high integration of the DRAM,
In order to increase the capacity of the capacitor, a tantalum oxide film (Ta 2 O 5 ) having a higher dielectric constant than a conventionally used silicon oxide film or STO (strontium titanate S) is used.
Highly dielectric materials such as rTiO 3 ) and BST (barium strontium titanate (Ba, Sr) TiO 3 ) have been actively researched and developed for application to highly integrated DRAM of 256 megabits to gigabit or more. Is being done.

【0006】図3は、従来の強誘電体メモリ素子の断面
図である。図3において、1は導電型シリコン基板、2
は素子分離領域、3はゲート酸化膜、4はソース・ドレ
イン領域、5はポリシリコンワード線となるゲート電極
である。尚、ゲート酸化膜3,ソース・ドレイン領域4お
よびゲート電極5で選択トランジスタ6を構成してい
る。また、7は第1層間絶縁膜、8は密着層、9はPt
下部電極、10は強誘電体薄膜、11はPt上部電極、
12は拡散バリア膜である。尚、Pt下部電極9,強誘電
体薄膜10およびPt上部電極11でキャパシタ13を
構成している。また、14は第2層間絶縁膜、15は第
1金属配線、16は第3層間絶縁膜、17は第2金属配
線、18は表面保護膜である。
FIG. 3 is a sectional view of a conventional ferroelectric memory device. In FIG. 3, reference numeral 1 denotes a conductive silicon substrate;
Is an element isolation region, 3 is a gate oxide film, 4 is a source / drain region, and 5 is a gate electrode serving as a polysilicon word line. The selection transistor 6 is composed of the gate oxide film 3, the source / drain region 4, and the gate electrode 5. 7 is a first interlayer insulating film, 8 is an adhesion layer, 9 is Pt.
Lower electrode, 10 is a ferroelectric thin film, 11 is a Pt upper electrode,
Reference numeral 12 denotes a diffusion barrier film. The Pt lower electrode 9, the ferroelectric thin film 10, and the Pt upper electrode 11 constitute a capacitor 13. 14 is a second interlayer insulating film, 15 is a first metal wiring, 16 is a third interlayer insulating film, 17 is a second metal wiring, and 18 is a surface protection film.

【0007】上述のような強誘電体薄膜10をキャパシ
タ13に用いた強誘電体メモリは、以下のようにして形
成される。すなわち、先ず、上記導電型シリコン基板1
上に読み出し・書き込み用の選択トランジスタ6を形成
した後、第1層間絶縁膜7を堆積し、更に密着層8とし
てのTiまたはTi酸化物を堆積する。次に、Pt下部電
極9,強誘電体薄膜10およびPt上部電極11を積層
し、各層8,9,10,11をドライエッチング法によっ
て加工してキャパシタ13が形成される。次に、第1層
間絶縁膜7との反応や水素の拡散を抑制するために、拡
散バリア12としてのTi,AlあるいはZr等の酸化物を
強誘電体キャパシタ13全体を被覆するように堆積す
る。
A ferroelectric memory using the ferroelectric thin film 10 as described above for the capacitor 13 is formed as follows. That is, first, the conductive silicon substrate 1
After a read / write select transistor 6 is formed thereon, a first interlayer insulating film 7 is deposited, and Ti or Ti oxide as an adhesion layer 8 is further deposited. Next, the Pt lower electrode 9, the ferroelectric thin film 10, and the Pt upper electrode 11 are laminated, and the layers 8, 9, 10, 11 are processed by dry etching to form the capacitor 13. Next, in order to suppress the reaction with the first interlayer insulating film 7 and the diffusion of hydrogen, an oxide such as Ti, Al, or Zr as the diffusion barrier 12 is deposited so as to cover the entire ferroelectric capacitor 13. .

【0008】次に、シリコン酸化膜等で第2層間絶縁膜
14を形成する。そして、強誘電体キャパシタ13のP
t上部電極11と選択トランジスタ6のドレイン4bとを
コンタクトホールを介して接続する第1金属配線15、
及び、選択トランジスタ6のソース4aとビット線とを
コンタクトホールを介して接続する第1金属配線15
を、Al等で形成する。そうした後、第3層間絶縁膜1
6を堆積する。次に、第3層間絶縁膜16に第1金属配
線15へのコンタクトホール(図示せず)を開口して、ソ
ース4aに接続された第1金属配線15に電気的に接続
されてビット線となる第2金属配線17を形成する。最
後に、シリコン窒化膜によって表面保護膜18を形成
し、水素を含む雰囲気中において400℃前後の温度で
シンター処理を行う。
Next, a second interlayer insulating film 14 is formed using a silicon oxide film or the like. And, P of the ferroelectric capacitor 13
a first metal wiring 15 connecting the upper electrode 11 and the drain 4b of the selection transistor 6 via a contact hole;
And a first metal interconnection 15 for connecting the source 4a of the selection transistor 6 and the bit line via a contact hole.
Is formed of Al or the like. After that, the third interlayer insulating film 1
6 is deposited. Next, a contact hole (not shown) to the first metal wiring 15 is opened in the third interlayer insulating film 16 and electrically connected to the first metal wiring 15 connected to the source 4a to form a bit line. A second metal wiring 17 is formed. Finally, a surface protection film 18 is formed by a silicon nitride film, and sintering is performed at about 400 ° C. in an atmosphere containing hydrogen.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の強誘電体メモリ素子や高誘電体メモリ素子において
は、以下のような問題がある。すなわち、強誘電体キャ
パシタや高誘電体キャパシタの上に在る層間絶縁膜は、
通常、SiH4やテトラエトキシシラン(Si(OC25)
4(TEOS)等を主原料とした熱CVD(化学気相成長
法)法あるいはプラズマCVD法によって形成される。
これらの原料を用いた場合には、形成時に原料が分解し
て水素が発生する。そして、この水素が強誘電体キャパ
シタや高誘電体キャパシタヘ拡散すると強誘電体膜や高
誘電体膜が著しく劣化し、リーク電流が増大したり残留
分極値が低下したりする。これは、上記誘電体膜に接し
ている電極にはPtやIr等の金属が用いられており、こ
れらの金属は強い還元反応を促進する触媒効果があるた
めに、水素が吸着すると活性な状態となって上記誘電体
膜中に拡散して誘電体膜を還元することによって生ず
る。
However, the above-mentioned conventional ferroelectric memory element and high-dielectric memory element have the following problems. That is, the interlayer insulating film on the ferroelectric capacitor or the high dielectric capacitor is
Usually, SiH 4 or tetraethoxysilane (Si (OC 2 H 5 )
4 It is formed by a thermal CVD (chemical vapor deposition) method or a plasma CVD method using (TEOS) as a main material.
When these raw materials are used, the raw materials are decomposed at the time of formation to generate hydrogen. When this hydrogen diffuses into the ferroelectric capacitor or the high-dielectric capacitor, the ferroelectric film or the high-dielectric film is significantly deteriorated, and the leakage current increases or the remanent polarization value decreases. This is because metals such as Pt and Ir are used for the electrodes in contact with the dielectric film, and these metals have a catalytic effect of promoting a strong reduction reaction. This is caused by reducing the dielectric film by diffusing into the dielectric film.

【0010】また、上記強誘電体キャパシタや高誘電体
キャパシタ等の誘電体キャパシタ上や金属配線上に在る
層間絶縁膜は、400℃前後の温度で形成されるために
膜中に水素や多量の水分を含んでいる。そして、層間絶
縁膜形成後のアニールや表面保護膜形成時の熱工程にお
いて、上記膜中の水素や水分が脱離する。特に、上記脱
離した水分がAlの金属配線まで拡散するとAlの金属配
線は容易に酸化され、この酸化過程において多量の水素
が発生する。そして、この水素が上記誘電体キャパシタ
まで拡散すると、誘電体特性が劣化するのである。
Further, the interlayer insulating film on the dielectric capacitor such as the ferroelectric capacitor and the high dielectric capacitor and the metal wiring is formed at a temperature of about 400 ° C., so that hydrogen or a large amount of hydrogen is contained in the film. Contains moisture. Then, in the annealing process after the formation of the interlayer insulating film or in the heating process during the formation of the surface protection film, hydrogen and moisture in the film are eliminated. In particular, when the desorbed moisture diffuses to the Al metal wiring, the Al metal wiring is easily oxidized, and a large amount of hydrogen is generated in the oxidation process. When the hydrogen diffuses to the dielectric capacitor, the dielectric characteristics deteriorate.

【0011】そこで、図3に示すように、上記強誘電体
キャパシタ13を被覆してTi,AlあるいはZr等の酸化
物で成る拡散バリア12を形成することによって、Pt
下部電極9,強誘電体薄膜10およびPt上部電極11へ
の水素の吸着が防止されて、強誘電体特性の劣化は幾分
抑制される。
Therefore, as shown in FIG. 3, the ferroelectric capacitor 13 is covered to form a diffusion barrier 12 made of an oxide such as Ti, Al, or Zr, whereby Pt is formed.
Adsorption of hydrogen to the lower electrode 9, the ferroelectric thin film 10, and the Pt upper electrode 11 is prevented, and the deterioration of the ferroelectric characteristics is somewhat suppressed.

【0012】しかしながら、MOS(金属酸化膜半導体)
トランジスタで成る選択トランジスタ6を有する本強誘
電体メモリ素子においては、ゲート酸化膜3の形成時に
界面準位が発生して選択トランジスタ6の閾値電圧を変
動させるため、これらの準位を減少させる必要がある。
そして、水素を含む雰囲気中において400℃〜450
℃の温度で熱処理を行うと水素が拡散し、ゲート酸化膜
3に達すると欠陥を終端させて界面準位を低減できる。
そのために、通常、強誘電体メモリ素子作製後に水素雰
囲気熱処理を行うのである。ところが、この水素雰囲気
熱処理工程における水素の拡散量は多量であり、拡散バ
リア12のみでは水素の強誘電キャパシタ13への拡散
を防止できず、強誘電体キャパシタ13の強誘電体特性
が著しく劣化するのである。
However, MOS (metal oxide semiconductor)
In the present ferroelectric memory element having the selection transistor 6 composed of a transistor, an interface level is generated when the gate oxide film 3 is formed, and the threshold voltage of the selection transistor 6 fluctuates. There is.
And, in an atmosphere containing hydrogen, 400 ° C. to 450 ° C.
When the heat treatment is performed at a temperature of ° C., hydrogen diffuses, and when reaching the gate oxide film 3, defects are terminated and the interface state can be reduced.
For this purpose, a heat treatment in a hydrogen atmosphere is usually performed after the ferroelectric memory element is manufactured. However, the amount of diffusion of hydrogen in the hydrogen atmosphere heat treatment step is large, and diffusion of hydrogen to the ferroelectric capacitor 13 cannot be prevented only by the diffusion barrier 12, and the ferroelectric characteristics of the ferroelectric capacitor 13 are significantly deteriorated. It is.

【0013】尚、上記高誘電体メモリ素子の場合も同様
に、ゲート酸化膜形成時に発生した界面準位を減少させ
るための水素雰囲気熱処理によって、高誘電体キャパシ
タの高誘電体特性が著しく劣化するのである。
Similarly, in the case of the above-mentioned high-dielectric memory element, the high-dielectric characteristics of the high-dielectric capacitor are significantly deteriorated by a heat treatment in a hydrogen atmosphere for reducing the interface state generated when the gate oxide film is formed. It is.

【0014】そこで、この発明の目的は、強誘電体膜あ
るいは高誘電体膜が劣化していない信頼性の高い半導体
装置を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a highly reliable semiconductor device in which a ferroelectric film or a high dielectric film is not deteriorated.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、上部電極,誘電体膜及び下部電極を有
する誘電体キャパシタが選択トランジスタを搭載した半
導体基板上に形成されると共に,上記選択トランジスタ
に電気的に接続されている半導体装置であって、上記誘
電体膜は正孔を供給する元素を含んでいることを特徴と
している。
In order to achieve the above object, the present invention provides a dielectric capacitor having an upper electrode, a dielectric film and a lower electrode formed on a semiconductor substrate on which a select transistor is mounted. A semiconductor device electrically connected to a selection transistor, wherein the dielectric film contains an element for supplying holes.

【0016】上記構成によれば、誘電体キャパシタを構
成する誘電体膜が含有する元素によって正孔が供給され
る。そして、水素シンター処理の際に拡散バリア等で防
止できなかった水素が上記誘電体膜中の酸素と結合して
酸素空格子が形成された場合に、上記正孔によって上記
酸素空格子による電子が中和されて、リーク電流が抑制
される。また、上記正孔が酸素イオンと電気的に結合し
て、酸素イオンの拡散および上記SBTからの離脱が著
しく抑制される。したがって、上記水素シンター処理の
際に上記電体膜まで水素が拡散しても上記誘電体膜が劣
化することはない。
According to the above configuration, holes are supplied by the elements contained in the dielectric film constituting the dielectric capacitor. Then, when hydrogen that could not be prevented by a diffusion barrier or the like during the hydrogen sintering process is combined with oxygen in the dielectric film to form an oxygen vacancy, electrons due to the oxygen vacancy are formed by the holes. Neutralization suppresses leakage current. Further, the holes are electrically coupled to oxygen ions, so that diffusion of oxygen ions and separation from the SBT are remarkably suppressed. Therefore, even if hydrogen diffuses to the electric film during the hydrogen sintering, the dielectric film does not deteriorate.

【0017】また、この発明の半導体装置は、上記誘電
体膜をBi4Ti312,SrBi2(Tax,Nb1-x)29(0≦x
<1),BaBi2Nb29,BaBi2Ta29,PbBi2Ta2
9,PbBi2Nb29,PbBi4Ti415,SrBi4Ti4
15,BaBi4Ti415,Sr2Bi4Ti518,Ba2Bi4Ta
518,Pb2Bi4Ti518,Na0.5Bi4.5Ti415,K
0.5Bi4.5Ti415,(SrBi2(Tax,Nb1-x)29)y・(B
i3TiTaO9)1-y(0≦x<1,0.6≦y<1)を含むB
i系層状ペロブスカイト型強誘電体材料、(Pb 1-x,Lax
(Zr1-y,Tiy)O3(0≦x<0.2,0.48≦y<1)を
含むPb系ぺロブスカイト型強誘電体材料、SrTiO3,
(Ba,Sr)TiO3を含むぺ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し、上記誘電体
膜に含まれる元素をI‐A族,I‐B族,IV‐A族あるい
はIV‐B族から選択された少なくとも1つの元素とする
ことが望ましい。
Further, the semiconductor device according to the present invention is characterized in that
Bi body membraneFourTiThreeO12, SrBiTwo(Tax, Nb1-x)TwoO9(0 ≦ x
<1), BaBiTwoNbTwoO9, BaBiTwoTaTwoO9, PbBiTwoTaTwo
O9, PbBiTwoNbTwoO9, PbBiFourTiFourOFifteen, SrBiFourTiFourO
Fifteen, BaBiFourTiFourOFifteen, SrTwoBiFourTiFiveO18, BaTwoBiFourTa
FiveO18, PbTwoBiFourTiFiveO18, Na0.5Bi4.5TiFourOFifteen, K
0.5Bi4.5TiFourOFifteen, (SrBiTwo(Tax, Nb1-x)TwoO9)y・ (B
iThreeTiTaO9)1-yB including (0 ≦ x <1,0.6 ≦ y <1)
i-type layered perovskite ferroelectric material, (Pb 1-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
The dielectric material is formed using any one of the above dielectric materials.
The elements contained in the film are group IA, IB, IV-A or
Is at least one element selected from group IV-B
It is desirable.

【0018】上記構成によれば、上記誘電体膜はBi系
層状ペロブスカイト型強誘電体材料,Pb系ぺロブスカイ
ト型強誘電体材料およびぺ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の
で、残留分極が大きく且つ抗電場が小さく低リーク電流
で分極反転の繰り返し耐性の大きな誘電体膜、または、
シリコン酸化膜よりも誘電率が高い誘電体膜が得られ
る。
According to the above structure, the dielectric film is made of any one of a Bi-based layered perovskite ferroelectric material, a Pb-based perovskite ferroelectric material, and a perovskite-type high dielectric material. A dielectric film having a large remanent polarization, a small coercive electric field, a low leakage current, and a large resistance to repetition of polarization reversal, or
A dielectric film having a higher dielectric constant than the silicon oxide film can be obtained.

【0019】さらに、上記誘電体膜にI‐A族あるいは
I‐B族の元素が含まれている場合には、上記元素が上
記誘電体膜中のストロンチュウム(Sr)と置換して正孔
が発生する。また、IV‐A族あるいはIV‐B族の元素が
含まれている場合には、上記元素が上記誘電体膜中のビ
スマス(Bi)と置換して正孔が発生する。
Further, when the dielectric film contains an element of the IA group or IB group, the element replaces strontium (Sr) in the dielectric film and becomes positive. Holes are formed. Further, when an element of the IV-A group or the IV-B group is contained, holes are generated by replacing the element with bismuth (Bi) in the dielectric film.

【0020】また、この発明の半導体装置は、上記誘電
体膜に含まれる元素の含有量を、1016/cm3以上であり
且つ1020/cm3以下とすることが望ましい。
Further, in the semiconductor device of the present invention, it is desirable that the content of the element contained in the dielectric film is not less than 10 16 / cm 3 and not more than 10 20 / cm 3 .

【0021】上記構成によれば、上記誘電体膜には10
16/cm3以上の正孔を供給する元素が含まれているので、
水素シンター処理の際に上記誘電体膜に形成される酸素
空格子による電子が十分に中和されるだけの正孔が供給
される。また、上記元素の含有量は1020/cm3以下であ
るので、上記元素のイオンが可動イオンとなってリーク
電流の原因となることはない。
According to the above configuration, the dielectric film has 10
Since it contains elements that supply holes of 16 / cm 3 or more,
Holes are supplied so that electrons are sufficiently neutralized by oxygen vacancies formed in the dielectric film during hydrogen sintering. Further, since the content of the above element is 10 20 / cm 3 or less, the ion of the above element does not become a mobile ion and does not cause a leak current.

【0022】[0022]

【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
体装置としての強誘電体メモリ素子における断面図であ
る。導電型シリコン基板21,素子分離領域22,選択ト
ランジスタ26,第1層間絶縁膜27,密着層28,Pt下
部電極29,Pt上部電極31,拡散バリア膜32,第2層
間絶縁膜34,第1金属配線35,第3層間絶縁膜36,
第2金属配線37および表面保護膜38は、図3に示す
従来の強誘電体メモリ素子における導電型シリコン基板
1,素子分離領域2,選択トランジスタ6,第1層間絶縁
膜7,密着層8,Pt下部電極9,Pt上部電極11,拡散バ
リア膜12,第2層間絶縁膜14,第1金属配線15,第
3層間絶縁膜16,第2金属配線17および表面保護膜
18と全く同じ構成を有している。
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 ferroelectric memory element as a semiconductor device according to the present embodiment. Conductive silicon substrate 21, device isolation region 22, select transistor 26, first interlayer insulating film 27, adhesion layer 28, Pt lower electrode 29, Pt upper electrode 31, diffusion barrier film 32, second interlayer insulating film 34, first Metal wiring 35, third interlayer insulating film 36,
The second metal wiring 37 and the surface protection film 38 are formed of the conductive silicon substrate 1, the element isolation region 2, the selection transistor 6, the first interlayer insulating film 7, the adhesion layer 8, and the conductive type silicon substrate 1 in the conventional ferroelectric memory device shown in FIG. It has exactly the same configuration as the Pt lower electrode 9, the Pt upper electrode 11, the diffusion barrier film 12, the second interlayer insulating film 14, the first metal wiring 15, the third interlayer insulating film 16, the second metal wiring 17, and the surface protection film 18. Have.

【0023】本実施の形態における強誘電体メモリ素子
は、強誘電体キャパシタ33の強誘電体薄膜30にジル
コニウム(Zr)が添加されている点において、図3に示
す従来の強誘電体メモリ素子とは異なる。
The ferroelectric memory device according to the present embodiment differs from the conventional ferroelectric memory device shown in FIG. 3 in that zirconium (Zr) is added to the ferroelectric thin film 30 of the ferroelectric capacitor 33. And different.

【0024】上記構成を有する強誘電体メモリ素子は、
以下のようにして形成される。すなわち、先ず、導電型
シリコン基板21上に選択トランジスタ26のゲート酸
化膜23,ソース・ドレイン領域24およびポリシリコン
ワード線となるゲート電極25を形成し、BPSG(ボ
ロンリンドープド・シリケートグラス)から成る第1層間
絶縁膜材料27で覆う。
The ferroelectric memory device having the above configuration is
It is formed as follows. That is, first, a gate oxide film 23, a source / drain region 24, and a gate electrode 25 serving as a polysilicon word line are formed on a conductive type silicon substrate 21 by a BPSG (boron phosphorus doped silicate glass). With the first interlayer insulating film material 27.

【0025】次に、スパッタ法によって密着層28とし
てのTi酸化物を30nmで形成し、更にPt下部電極29
を100nm〜200nmの厚さで形成する。そして、上記
Pt下部電極29上に、強誘電体薄膜30としてのSrB
i2Ta29(SBT)薄膜を形成する。ここで、上記SB
T薄膜にはZrを添加する。尚、上記Zrの添加量は、好
ましくは1017/cm3以上1020/cm3以下である。ここ
で、上記Zrの添加量が1017/cm3未満の場合には、十
分な添加効果は得られない。また、1020/cm3を越えた
場合には、逆にZrイオンが可動イオンとなってリーク
電流の原因となるため好ましくない。本実施の形態にお
いては5×1018/cm3のZrを添加した。
Next, a Ti oxide as the adhesion layer 28 is formed to a thickness of 30 nm by a sputtering method.
Is formed with a thickness of 100 nm to 200 nm. Then, SrB as a ferroelectric thin film 30 is formed on the Pt lower electrode 29.
An i 2 Ta 2 O 9 (SBT) thin film is formed. Here, the SB
Zr is added to the T thin film. The addition amount of Zr is preferably 10 17 / cm 3 or more and 10 20 / cm 3 or less. Here, if the addition amount of Zr is less than 10 17 / cm 3 , a sufficient addition effect cannot be obtained. If it exceeds 10 20 / cm 3 , on the contrary, Zr ions become mobile ions and cause a leak current, which is not preferable. In this embodiment, 5 × 10 18 / cm 3 of Zr was added.

【0026】以下、上記SBT薄膜の形成方法について
説明する。溶液合成の出発原料として、タンタルエトキ
シド(Ta(OC25)5),ビスマス2エチルヘキサネート
(Bi(C715COO)2)およびストロンチュウム2エチ
ルヘキサネート(Sr(C715COO)2)を使用する。ま
た、Zrの添加にはジルコニウム2エチルヘキサネート
を用いる。
Hereinafter, a method of forming the SBT thin film will be described. Starting materials for solution synthesis include tantalum ethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ), bismuth 2-ethylhexanate
(Bi (C 7 H 15 COO) 2 ) and strontium 2-ethylhexanate (Sr (C 7 H 15 COO) 2 ) are used. In addition, zirconium 2-ethyl hexanate is used for adding Zr.

【0027】先ず、上記タンタルエトキシドを秤量し、
2‐エチルヘキサネート中に溶解させ、反応を促進させ
るために100℃から120℃まで加熱しながら攪拌
し、30分間反応させる。その後、120℃で反応さ
せ、生成したエタノールと水分とを除去する。そして、
得られた溶液に、20ml〜30mlのキシレンに溶解させ
たストロンチュウム2ヘキサネートをSr/Ta=1/2に
なるように適量を加え、125℃から最高140℃の温
度で30分間加熱攪拌する。その後、この溶液に、10
mlのキシレンに溶解させたビスマス2エチルヘキサネー
トをSr/Bi/Ta=1/2.4/2になるように適量加え、
更に添加量が5×1018/cm3になるようにジルコニウム
2エチルヘキサネートを加えて、130℃から最高15
0℃の温度で10時間加熱攪拌する。
First, the above tantalum ethoxide is weighed,
It is dissolved in 2-ethylhexanate, stirred while heating from 100 ° C. to 120 ° C. to accelerate the reaction, and reacted for 30 minutes. Thereafter, the reaction is carried out at 120 ° C. to remove the produced ethanol and water. And
To the obtained solution, an appropriate amount of strontium 2 hexanate dissolved in 20 to 30 ml of xylene is added so that Sr / Ta = 1/2, and the mixture is heated and stirred at a temperature of 125 ° C to a maximum of 140 ° C for 30 minutes. . Thereafter, 10
An appropriate amount of bismuth 2-ethylhexanate dissolved in ml of xylene was added so that Sr / Bi / Ta = 1 / 2.4 / 2.
Further, zirconium 2-ethyl hexanate was added so that the addition amount became 5 × 10 18 / cm 3, and the temperature was increased from 130 ° C. to a maximum of 15 ° C.
Heat and stir at 0 ° C. for 10 hours.

【0028】次に、得られた溶液から、低分子量のアル
コールと水とを溶媒として、使用したキシレンを除去す
るために130℃〜150℃の温度で5時間蒸留する。
その後、溶液のSrBi2Ta29の濃度が0.1mol/lに
なるように調整し、これを前駆体溶液とする。尚、これ
らの原料は上述に限定されるのではなく、溶媒も上記出
発原料が十分に溶解されるものであれば特に限定はしな
い。
Next, the obtained solution is distilled at a temperature of 130 ° C. to 150 ° C. for 5 hours in order to remove the used xylene using a low molecular weight alcohol and water as a solvent.
Thereafter, the concentration of SrBi 2 Ta 2 O 9 in the solution was adjusted to be 0.1 mol / l, and this was used as a precursor solution. In addition, these raw materials are not limited to the above, and the solvent is not particularly limited as long as the starting materials are sufficiently dissolved.

【0029】次に、上記前駆体溶液を使用し、以下に述
べる工程によって強誘電体SBT薄膜を形成する。先
ず、上述のようにしてPt下部電極29までが形成され
た基板上に上記前駆体溶液を滴下し、スピンコート法に
よって塗布する。その後、完全に溶媒を除去するために
250℃に加熱したホットプレート上で乾燥し、次いで
電気炉によって600℃〜700℃で焼成する。上述の
成膜工程を3回繰り返すことによって、Zrが添加され
た膜厚200nmのSBT薄膜(強誘電体薄膜)30を成膜
するのである。
Next, using the above precursor solution, a ferroelectric SBT thin film is formed by the steps described below. First, the precursor solution is dropped on the substrate on which the Pt lower electrode 29 is formed as described above, and is applied by a spin coating method. Thereafter, drying is performed on a hot plate heated to 250 ° C. in order to completely remove the solvent, and then firing is performed at 600 ° C. to 700 ° C. in an electric furnace. The SBT thin film (ferroelectric thin film) 30 with a thickness of 200 nm to which Zr is added is formed by repeating the above film forming process three times.

【0030】次に、上記SBT薄膜30上に膜厚100
nmのPt上部電極31を形成した後に、フォトレジスト
を用いた紫外線縮小露光技術(フォトリソグラフィー法)
とドライエッチング法とを用いてPt上部電極31を1.
5μm角に加工し、キャパシタ電極とする。尚、上記ド
ライエッチングに際して、エッチングガスには主として
Cl2ガスを用い、1.5mTorrの圧力下で基板に高周波
バイアス電圧を印加して加工する。その後、電気炉によ
って、700℃〜800℃の温度範囲で酸素雰囲気中に
おいて熱処理を行う。次に、SBT薄膜30,Pt下部電
極29および密着層28を、フォトレジストを用いたフ
ォトリソグラフィー法とドライエッチング法とを用いて
加工する。尚、上記ドライエッチングに際して、エッチ
ングガスには主としてC26ガスを用い、1.5mTorr
の圧力下で基板に高周波バイアス電圧を印加し加工す
る。こうして、強誘電体キャパシタ33が形成される。
Next, on the SBT thin film 30, a film thickness of 100
After forming the Pt upper electrode 31 of nm, ultraviolet reduction exposure technology using a photoresist (photolithography method)
And Pt upper electrode 31 by using dry etching method.
It is processed to 5 μm square to make a capacitor electrode. In the above dry etching, Cl 2 gas is mainly used as an etching gas, and a high frequency bias voltage is applied to the substrate under a pressure of 1.5 mTorr for processing. After that, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere in a temperature range of 700 ° C. to 800 ° C. by an electric furnace. Next, the SBT thin film 30, the Pt lower electrode 29, and the adhesion layer 28 are processed by a photolithography method using a photoresist and a dry etching method. In the above dry etching, C 2 F 6 gas was mainly used as an etching gas, and 1.5 mTorr
Under high pressure, a high-frequency bias voltage is applied to the substrate for processing. Thus, the ferroelectric capacitor 33 is formed.

【0031】次いで、水素の拡散による上記SBT薄膜
30の還元防止をより完全にするために、拡散バリア3
2としてのAlの酸化物あるいはAlの窒化物をキャパシ
タ電極31およびSBT薄膜30を被覆するように形成
する。その場合における拡散バリア32の形成は、Al
ターゲット,Alの酸化物ターゲットあるいはAlの窒化
物ターゲットを用いて、DC(直流)マグネトロンスパッ
タ法あるいはRF(高周波)マグネトロンスパッタ法ある
いはECR(電子サイクロトロン共鳴)プラズマ源を用い
たスパッタ法によって形成する。ここで、基板温度は2
5℃〜400℃に保持し、O2/(O2+Ar)のガス比率は
0.1〜0.5の範囲とし、ガスの圧力は1mTorr〜20m
Torrの範囲である。尚、基板温度100℃〜400℃で
Alの酸化物によって形成した拡散バリア32の膜厚は
10nm〜100nmであり、ほぼ非晶質であった。
Next, in order to more completely prevent the reduction of the SBT thin film 30 by the diffusion of hydrogen, the diffusion barrier 3
An oxide of Al or a nitride of Al as No. 2 is formed so as to cover the capacitor electrode 31 and the SBT thin film 30. The formation of the diffusion barrier 32 in that case is performed by Al
It is formed by a DC (direct current) magnetron sputtering method, an RF (high frequency) magnetron sputtering method, or a sputtering method using an ECR (electron cyclotron resonance) plasma source using a target, an Al oxide target or an Al nitride target. Here, the substrate temperature is 2
The temperature is maintained at 5 ° C. to 400 ° C., the gas ratio of O 2 / (O 2 + Ar) is in the range of 0.1 to 0.5, and the gas pressure is 1 mTorr to 20 m.
Torr range. The thickness of the diffusion barrier 32 formed of Al oxide at a substrate temperature of 100 ° C. to 400 ° C. was 10 nm to 100 nm, and was substantially amorphous.

【0032】また、上記拡散バリア32を、更に電気炉
で酸素雰囲気,窒素雰囲気あるいは酸素と窒素との混合
ガス雰囲気下で、300℃〜600℃の温度で30分〜
60分間の熱処理を行うことによって、拡散バリア性は
著しく向上する。この熱処理によって、グレインサイズ
は10nmにまで成長する。
Further, the diffusion barrier 32 is further heated in an electric furnace in an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere or a mixed gas atmosphere of oxygen and nitrogen at a temperature of 300 ° C. to 600 ° C. for 30 minutes to 30 minutes.
By performing the heat treatment for 60 minutes, the diffusion barrier property is significantly improved. By this heat treatment, the grain size grows to 10 nm.

【0033】上記拡散バリア32は、上記Alの酸化物
あるいはAlの窒化物に限定するものでなく、Taの酸化
物,Taの窒化酸化物,Tiの酸化物あるいはZrの酸化物
でも同様のバリア効果が得られる。これらの膜において
も、形成後に電気炉で上記雰囲気下で300℃〜600
℃,30分〜60分間の熱処理を行うことによって、拡
散バリア性の著しい向上がみらる。尚、上記拡散バリア
性の向上はグレインサイズが50nmまでは得られる。し
かしながら、グレインサイズがそれ以上大きくなると、
SBT薄膜30の強誘電体特性が劣化してしまう。ま
た、密着層28として、上記Ti酸化物の代りに、Al,
TaあるいはZrの酸化物やAlの窒化物やTaの窒化酸化
物を用いても差し支えない。
The diffusion barrier 32 is not limited to the Al oxide or the Al nitride, but may be a Ta oxide, a Ta nitride oxide, a Ti oxide or a Zr oxide. The effect is obtained. Also in these films, after formation, 300 ° C. to 600 ° C. in an electric furnace under the above atmosphere.
By performing the heat treatment at 30 ° C. for 30 to 60 minutes, a remarkable improvement in the diffusion barrier property is observed. The improvement of the diffusion barrier property can be obtained up to a grain size of 50 nm. However, as the grain size increases further,
The ferroelectric characteristics of the SBT thin film 30 deteriorate. Further, as the adhesion layer 28, instead of the Ti oxide, Al,
An oxide of Ta or Zr, a nitride of Al, or a nitrided oxide of Ta may be used.

【0034】次に、上記拡散バリア32で被覆された強
誘電体キャパシタ33上に、第2層間絶縁膜34として
の酸化膜を、有機シリコン化合物(TEOS)とO3とを
常圧CVD法によって反応させて、あるいは、TESO
とO2とをプラズマCVD法によって反応させて、50
0nm〜600nmの膜厚で形成する。こうして、第2層間
絶縁膜34を形成した後に、フォトリソグラフィー法お
よびドライエッチング法によって、Pt上部電極31上
の拡散バリア32及び第2層間絶縁膜34と、選択トラ
ンジスタ26のソース領域24aおよびドレイン領域2
4b上の第1層間絶縁膜27,拡散バリア32及び第2層
間絶縁膜34とに、直径0.8μmのコンタクトホールを
開口する。そして、DCマグネトロンスパッタ法によっ
て、膜厚700nmのAl層を形成して加工し、第1金属
配線35を形成する。
Next, an oxide film as a second interlayer insulating film 34 is formed on the ferroelectric capacitor 33 covered with the diffusion barrier 32 by an atmospheric pressure CVD method using an organic silicon compound (TEOS) and O 3 . React or TESO
And O 2 are reacted by a plasma CVD method to obtain 50
It is formed with a thickness of 0 nm to 600 nm. After the second interlayer insulating film 34 is thus formed, the diffusion barrier 32 and the second interlayer insulating film 34 on the Pt upper electrode 31 and the source region 24a and the drain region of the selection transistor 26 are formed by photolithography and dry etching. 2
A contact hole having a diameter of 0.8 μm is formed in the first interlayer insulating film 27, the diffusion barrier 32, and the second interlayer insulating film 34 on 4b. Then, an Al layer having a thickness of 700 nm is formed and processed by DC magnetron sputtering to form a first metal wiring 35.

【0035】その後、基板全体に上記第3層間絶縁膜3
6を形成し、フォトリソグラフィー法およびドライエッ
チング法によって、ソース領域24aに接続された第1
金属配線35上に直径0.8μmのビアホール(図示せず)
を開口する。そして、DCマグネトロンスパッタ法によ
って膜厚700nmのAl層を形成した後、フォトリソグ
ラフィー法およびドライエッチング法によって加工し
て、ビット線となる第2金属配線37を形成する。最後
に、プラズマCVD法によって、表面保護膜38として
のSiN膜を500nmの膜厚で形成し、水素シンター処
理することによって、図1に示すような強誘電体キャパ
シタ33および選択トランジスタ26を有する強誘電体
メモリ素子が形成される。
Thereafter, the third interlayer insulating film 3 is formed on the entire substrate.
6 is formed, and the first region connected to the source region 24a is formed by photolithography and dry etching.
0.8 μm diameter via hole on metal wiring 35 (not shown)
Open. Then, after an Al layer having a thickness of 700 nm is formed by DC magnetron sputtering, it is processed by photolithography and dry etching to form a second metal wiring 37 serving as a bit line. Finally, a 500 nm thick SiN film as a surface protection film 38 is formed by a plasma CVD method, and is subjected to hydrogen sintering to form a ferroelectric capacitor 33 and a selection transistor 26 having a selection transistor 26 as shown in FIG. A dielectric memory device is formed.

【0036】以上のようにして形成された強誘電体メモ
リ素子の強誘電体特性を、ソーヤータワー回路を用いて
測定した。図2に、その際に得られたヒステリシス特性
を示す。また、表1に、残留分極値Prと10V印加時
のリーク電流を、図3に示す強誘電体薄膜にZrを添加
しない従来の強誘電体メモリ素子と比較して示す。表1
The ferroelectric characteristics of the ferroelectric memory element formed as described above were measured using a Sawyer tower circuit. FIG. 2 shows the hysteresis characteristics obtained at that time. Table 1 shows the remanent polarization value Pr and the leakage current when 10 V is applied, as compared with the conventional ferroelectric memory element in which Zr is not added to the ferroelectric thin film shown in FIG. Table 1

【0037】図2および表1より、残留分極値Pr=1
2.1μC/cm2,抗電界Ec=40kV/cmと良好な結果が
得られた。また、強誘電体キャパシタ33における10
V印加時のリーク電流は〜10-8A/cm2と安定であっ
た。一方、強誘電体薄膜にZrを添加しない従来の強誘
電体メモリ素子の場合には、残留分極値Pr=11.9μ
C/cm2であり、Zrを添加した強誘電体薄膜30を有す
る本実施の形態の強誘電体メモリ素子の場合とほぼ同等
であった。しかしながら、10V印加時のリーク電流
は、表1に示すように1桁〜2桁以上低い値であった。
From FIG. 2 and Table 1, the remanent polarization value Pr = 1
Good results were obtained with 2.1 μC / cm 2 and coercive electric field Ec = 40 kV / cm. In addition, in the ferroelectric capacitor 33, 10
The leakage current when V was applied was stable at -10 -8 A / cm 2 . On the other hand, in the case of a conventional ferroelectric memory element in which Zr is not added to the ferroelectric thin film, the residual polarization value Pr = 11.9 μm.
C / cm 2 , which was almost the same as that of the ferroelectric memory element of the present embodiment having the ferroelectric thin film 30 to which Zr was added. However, as shown in Table 1, the leakage current when 10 V was applied was lower by one or two digits or more.

【0038】すなわち、本実施の形態における強誘電体
メモリ素子の強誘電体キャパシタ33には劣化が生じて
おらず、強誘電体メモリ用のキャパシタとして十分な大
きさの強誘電体特性が確認された。
That is, no deterioration occurred in the ferroelectric capacitor 33 of the ferroelectric memory element according to the present embodiment, and it was confirmed that the ferroelectric characteristics were large enough for a ferroelectric memory capacitor. Was.

【0039】以上のように、本実施の形態においては、
強誘電体メモリ素子の強誘電体キャパシタ33を構成す
る強誘電体薄膜30として、Zrが添加されたSBT薄
膜を用いている。したがって、上記SBT薄膜に添加さ
れたIV‐B族元素であるZrは上記SBT中のBiと置換
するため、電子不足となって正孔が発生することにな
る。そのために、上記水素シンター処理の際に、拡散バ
リア32で防止できなかった水素がSBT薄膜に侵入し
て上記SBT中の酸素と結合して酸素空格子が形成され
たとしても、上記正孔によって酸素空格子による電子が
中和されて本強誘電体メモリ素子のリーク電流が極めて
小さくなるのである。
As described above, in the present embodiment,
As the ferroelectric thin film 30 constituting the ferroelectric capacitor 33 of the ferroelectric memory element, an SBT thin film to which Zr is added is used. Therefore, since Zr, which is a group IV-B element added to the SBT thin film, replaces Bi in the SBT, electrons become insufficient and holes are generated. For this reason, even if hydrogen that could not be prevented by the diffusion barrier 32 enters the SBT thin film and bonds with oxygen in the SBT to form an oxygen vacancy during the hydrogen sintering process, even if hydrogen is generated by the holes, The electrons due to the oxygen vacancies are neutralized, and the leakage current of the present ferroelectric memory element becomes extremely small.

【0040】また、上記正孔が酸素イオンと電気的に結
合して、酸素イオンの拡散および上記SBTからの離脱
が著しく抑制される。したがって、本強誘電体メモリ素
子の信頼性が高められるのである。
Further, the holes are electrically coupled to oxygen ions, so that diffusion of oxygen ions and separation from the SBT are remarkably suppressed. Therefore, the reliability of the present ferroelectric memory element is improved.

【0041】すなわち、本実施の形態によれば、ゲート
酸化膜形成時に発生した界面準位を減少させるために、
水素を含む雰囲気中において400℃〜450℃の温度
で熱処理を行う際に、拡散バリア32を透過して強誘電
体薄膜30に水素が拡散しても強誘電体薄膜(SBT薄
膜)30が劣化することを防止できるのである。
That is, according to the present embodiment, in order to reduce the interface state generated during the formation of the gate oxide film,
When heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. to 450 ° C. in an atmosphere containing hydrogen, even if hydrogen diffuses into the ferroelectric thin film 30 through the diffusion barrier 32, the ferroelectric thin film (SBT thin film) 30 is deteriorated. Can be prevented.

【0042】尚、上記実施の形態においては、上記強誘
電体薄膜30としてSBTを用いたが、Bi4Ti312
SrBi2(Tax,Nb1-x)29(0≦x<1),BaBi2Nb2
9,BaBi2Ta29,PbBi2Ta29,PbBi2Nb
29,PbBi4Ti415,SrBi4Ti415,BaBi4Ti
415,Sr2Bi4Ti518,Ba2Bi4Ta518,Pb2Bi
4Ti518,Na0.5Bi4.5Ti415,K0.5Bi4.5Ti
415,(SrBi2(Tax,Nb1-x)29)y・(Bi3TiTaO9)
1-y(0≦x<1,0.6≦y<1)等のBi系層状ペロブス
カイト型強誘電体材料、(Pb1-x,Lax(Zr1-y,Tiy)O
3(0≦x<0.2,0.48≦y<1)等のPb系ぺロブス
カイト型強誘電体材料、SrTiO3,(Ba,Sr)TiO3
のぺロブスカイト型高誘電体材料等を用いても本実施の
形態と同様の効果を得ることができる。
In the above embodiment, SBT is used as the ferroelectric thin film 30, but 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 TiTaO 9)
Bi-based layered perovskite ferroelectric material such as 1-y (0 ≦ x <1,0.6 ≦ y <1), (Pb 1-x , La x (Zr 1-y , Ti y ) O)
3 (0 ≦ x <0.2, 0.48 ≦ y <1), etc., Pb-based ぺ perovskite-type ferroelectric material, SrTiO 3 , (Ba, Sr) TiO 3, etc., ぺ perovskite-type high dielectric material The same effect as in the present embodiment can be obtained by using.

【0043】また、上記強誘電体薄膜30にはZrを添
加しているが、正孔を供給する元素であれば他の元素で
あってもよい。すなわち、強誘電体薄膜30としてBi
系層状ペロブスカイト型強誘電体材料,Pb系ぺロブスカ
イト型強誘電体材料あるいはぺロブスカイト型高誘電体
材料を用いるのであれば、上記正孔を供給する元素とし
ては、I‐A族,I‐B族,IV‐A族あるいはIV‐B族か
ら選択された少なくとも1つの元素であればよい。この
場合、上記元素がI‐A族あるいはI‐B族の元素であ
れば、強誘電体薄膜30中のSrと置換して正孔が発生
する。また、上記元素がIV‐A族あるいはIV‐B族の元
素であれば、強誘電体薄膜30中のBiと置換して正孔
が発生するのである。
Although Zr is added to the ferroelectric thin film 30, any other element that supplies holes may be used. That is, as the ferroelectric thin film 30, Bi
If a layered perovskite ferroelectric material, a Pb-based perovskite ferroelectric material or a perovskite-type high dielectric material is used, the elements supplying the holes include the group IA and IB. It may be at least one element selected from group IV, group IV-A or group IV-B. In this case, if the above element is a group IA or IB group element, it replaces Sr in the ferroelectric thin film 30 to generate holes. If the element is a group IV-A or group IV-B element, it replaces Bi in the ferroelectric thin film 30 to generate holes.

【0044】但し、上記元素がI‐A族元素である場合
は、ルビジウム(Rb)またはセシウム(Cs)であることが
望ましい。また、I‐B族元素である場合には、銅(C
u),銀(Ag)または金(Au)の何れかであることが望まし
い。また、IV‐A族元素である場合には、カーボン
(C),シリコン(Si),ゲルマニウム(Ge),錫(Sn)または
鉛(Pb)の何れかであることが望ましい。また、IV‐B
族元素である場合には、チタン(Ti),Zrあるいはハフ
ニウム(Hr)の何れかであることが望ましい。
However, when the above element is a Group IA element, it is desirable that it be rubidium (Rb) or cesium (Cs). In the case of an IB group element, copper (C
u), silver (Ag) or gold (Au). When the element is a group IV-A element, carbon
(C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn) or lead (Pb). Also, IV-B
When the element is a group element, it is desirable to be any of titanium (Ti), Zr or hafnium (Hr).

【0045】[0045]

【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の半
導体装置は、上部電極,誘電体膜および下部電極で構成
される誘電体キャパシタを有し、上記誘電体膜は正孔を
供給する元素を含んでいるので、水素シンター処理の際
に拡散バリア等で防止できなかった水素が上記誘電体膜
中の酸素と結合して酸素空格子が形成された場合に、上
記元素によって供給される正孔によって上記酸素空格子
による電子を中和してリーク電流を抑制できる。また、
上記正孔が酸素イオンと電気的に結合して、酸素イオン
の拡散および上記SBTからの離脱を抑制できる。
As is clear from the above, the semiconductor device of the present invention has a dielectric capacitor composed of an upper electrode, a dielectric film and a lower electrode, and the dielectric film has an element for supplying holes. Therefore, when hydrogen that could not be prevented by a diffusion barrier or the like during the hydrogen sintering process combines with oxygen in the dielectric film to form an oxygen vacancy, the positive element supplied by the element The holes can neutralize the electrons due to the oxygen vacancies and suppress the leak current. Also,
The holes are electrically coupled to oxygen ions, so that diffusion of oxygen ions and desorption from the SBT can be suppressed.

【0046】すなわち、この発明によれば、上記水素シ
ンター処理の際に上記誘電体キャパシタの電体膜まで水
素が拡散しても、上記誘電体膜が劣化するのを防止でき
る。したがって、強誘電体膜あるいは高誘電体膜が劣化
していない信頼性の高い半導体装置を提供することがで
きるのである。
That is, according to the present invention, it is possible to prevent the dielectric film from being deteriorated even if hydrogen diffuses to the electric film of the dielectric capacitor during the hydrogen sintering process. Therefore, a highly reliable semiconductor device in which the ferroelectric film or the high dielectric film is not deteriorated can be provided.

【0047】また、この発明の半導体装置は、上記誘電
体キャパシタの誘電体膜としてBi系層状ペロブスカイ
ト型強誘電体材料,Pb系ぺロブスカイト型強誘電体材料
あるいはぺロブスカイト型高誘電体材料の何れかを用い
れば、残留分極が大きく且つ抗電場が小さく低リーク電
流で分極反転の繰り返し耐性の大きな誘電体膜、また
は、シリコン酸化膜よりも誘電率が高い誘電体膜を得る
ことができる。
Further, in the semiconductor device of the present invention, the dielectric film of the dielectric capacitor may be any of a Bi-based layered perovskite ferroelectric material, a Pb-based perovskite ferroelectric material or a perovskite-type high dielectric material. By using this, it is possible to obtain a dielectric film having a large remanent polarization, a small coercive electric field, a low leakage current, and a high resistance to repeated polarization inversion, or a dielectric film having a higher dielectric constant than a silicon oxide film.

【0048】さらに、上記誘電体膜に含まれる元素とし
てI‐A族,I‐B族,IV‐A族あるいはIV‐B族から選
択された元素を用いれば、上記I‐A族あるいはI‐B
族の元素の場合には上記誘電体膜中のSrと置換して、
上記IV‐A族あるいはIV‐B族の元素の場合にはBiと
置換して、上記正孔を発生させることできる。
Further, when an element selected from the group IA, IB, IV-A or IV-B is used as the element contained in the dielectric film, the group IA or I- B
In the case of a group element, it is substituted for Sr in the above dielectric film,
In the case of an element of the above-mentioned IV-A group or IV-B group, it can be substituted with Bi to generate the above-mentioned hole.

【0049】また、この発明の半導体装置は、上記誘電
体膜に含まれる元素の含有量を、1016/cm3以上であり
且つ1020/cm3以下とすれば、上記水素シンター処理の
際に上記誘電体膜に形成される酸素空格子による電子を
十分に中和できるだけの正孔を供給できる。さらに、上
記元素のイオンが可動イオンとなってリーク電流の原因
となることを防止できる。
Further, in the semiconductor device of the present invention, when the content of the element contained in the dielectric film is not less than 10 16 / cm 3 and not more than 10 20 / cm 3 , In addition, holes enough to sufficiently neutralize electrons due to oxygen vacancies formed in the dielectric film can be supplied. Further, it is possible to prevent the ions of the above elements from becoming mobile ions and causing a leak current.

【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強誘電体メモ
リ素子における断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a ferroelectric memory element as a semiconductor device according to the present invention.

【図2】 図1に示す強誘電体メモリ素子における印加
電界・残留分極特性を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an applied electric field and remanent polarization characteristics in the ferroelectric memory element shown in FIG.

【図3】 従来の強誘電体メモリ素子における断面図で
ある。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional ferroelectric memory device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21…導電型シリコン基板、 22…素子分離領域、 23…ゲート酸化膜、 24…ソース・ドレイン領域、 25…ゲート電極、 26…選択トランジスタ、 27…第1層間絶縁膜、 28…密着層、 29…Pt下部電極、 30…強誘電体薄膜、 31…Pt上部電極、 32…拡散バリア膜、 33…強誘電体キャパシタ、 34…第2層間絶縁膜、 35…第1金属配線、 36…第3層間絶縁膜、 37…第2金属配線、 38…表面保護膜。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Conductive silicon substrate, 22 ... Element isolation region, 23 ... Gate oxide film, 24 ... Source / drain region, 25 ... Gate electrode, 26 ... Select transistor, 27 ... First interlayer insulating film, 28 ... Adhesion layer, 29 ... Pt lower electrode, 30 ... ferroelectric thin film, 31 ... Pt upper electrode, 32 ... diffusion barrier film, 33 ... ferroelectric capacitor, 34 ... second interlayer insulating film, 35 ... first metal wiring, 36 ... third An interlayer insulating film; 37, a second metal wiring; 38, a surface protective film.

Claims (7)

【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
する誘電体キャパシタが、選択トランジスタを搭載した
半導体基板上に形成されると共に、上記選択トランジス
タに電気的に接続されている半導体装置であって、上記
誘電体膜は、正孔を供給する元素を含んでいることを特
徴とする半導体装置。
1. A semiconductor device wherein a dielectric capacitor having an upper electrode, a dielectric film and a lower electrode is formed on a semiconductor substrate on which a select transistor is mounted, and is electrically connected to the select transistor. The dielectric film includes an element for supplying holes.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体装置において、 上記誘電体膜は、Bi4Ti312,SrBi2(Tax,Nb1-x)
29(0≦x<1),BaBi2Nb29,BaBi2Ta29
PbBi2Ta29,PbBi2Nb29,PbBi4Ti415
SrBi4Ti415,BaBi4Ti415,Sr2Bi4Ti518,
Ba2Bi4Ta518,Pb2Bi4Ti518,Na0.5Bi4.5Ti4
15,K0.5Bi4.5Ti415,(SrBi2(Tax,Nb1-x)
29)y・(Bi3TiTaO9)1-y(0≦x<1,0.6≦y<
1)を含むBi系層状ペ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系ぺロブスカイト型強誘電体材
料、SrTiO3,(Ba,Sr)TiO3を含むぺロブスカイト
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
されており、 上記誘電体膜に含まれる元素は、I‐A族,I‐B族,IV
‐A族あるいはIV‐B族から選択された少なくとも1つ
の元素であることを特徴とする半導体装置。
2. A semiconductor device according to claim 1, 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 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 TiTaO 9 ) 1-y (0 ≦ x <1,0.6 ≦ y <
1) a Bi-based layered perovskite ferroelectric material containing:
(Pb 1-x , La x (Zr 1-y , Ti y ) O 3 (0 ≦ x <0.2, 0.48
.Ltoreq.y <1), formed using any one of a Pb-based perovskite-type ferroelectric material and a perovskite-type high-permittivity material including SrTiO 3 and (Ba, Sr) TiO 3. The elements contained in the dielectric film are IA group, IB group, IV
-A semiconductor device characterized by being at least one element selected from the group A or the group IV-B.
【請求項3】 請求項2に記載の半導体装置において、 上記I‐A族から選択される元素は、ルビジウムあるい
はセシウムであることを特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 2, wherein the element selected from the group IA is rubidium or cesium.
【請求項4】 請求項2に記載の半導体装置において、 上記I‐B族から選択される元素は、銅,銀,あるいは金
の何れかであることを特徴とする半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 2, wherein the element selected from the group IB is any one of copper, silver, and gold.
【請求項5】 請求項2に記載の半導体装置において、 上記IV‐A族から選択される元素は、カーボン,シリコ
ン,ゲルマニウム,錫あるいは鉛の何れかであることを特
徴とする半導体装置。
5. The semiconductor device according to claim 2, wherein the element selected from the group IV-A is any one of carbon, silicon, germanium, tin, and lead.
【請求項6】 請求項2に記載の半導体装置において、 上記IV‐B族から選択される元素は、チタン,ジルコニ
ウムあるいはハフニウムの何れかであることを特徴とす
る半導体装置。
6. The semiconductor device according to claim 2, wherein the element selected from the group IV-B is any one of titanium, zirconium and hafnium.
【請求項7】 請求項1乃至請求項6の何れか一つに記
載の半導体装置において、 上記誘電体膜に含まれる元素の含有量は、1016/cm3
上であり、且つ1020/cm3以下であることを特徴とする
半導体装置。
7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the content of the element contained in the dielectric film is 10 16 / cm 3 or more and 10 20 / cm 3 or more. A semiconductor device having a size of not more than cm 3 .
JP2000317774A 2000-10-18 2000-10-18 Semiconductor device Pending JP2002124647A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000317774A JP2002124647A (en) 2000-10-18 2000-10-18 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000317774A JP2002124647A (en) 2000-10-18 2000-10-18 Semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2002124647A true JP2002124647A (en) 2002-04-26

Family

ID=18796508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000317774A Pending JP2002124647A (en) 2000-10-18 2000-10-18 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2002124647A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005526390A (en) * 2002-05-15 2005-09-02 レイセオン・カンパニー Improved electrode for thin film capacitor devices.
KR100955638B1 (en) 2002-10-30 2010-05-06 후지쯔 마이크로일렉트로닉스 가부시키가이샤 Manufacturing method of semiconductor device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005526390A (en) * 2002-05-15 2005-09-02 レイセオン・カンパニー Improved electrode for thin film capacitor devices.
KR100955638B1 (en) 2002-10-30 2010-05-06 후지쯔 마이크로일렉트로닉스 가부시키가이샤 Manufacturing method of semiconductor device

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100648500B1 (en) Semiconductor storage device
US6180974B1 (en) Semiconductor storage device having a capacitor electrode formed of at least a platinum-rhodium oxide
JP3319994B2 (en) Semiconductor storage element
US5965942A (en) Semiconductor memory device with amorphous diffusion barrier between capacitor and plug
JP4160638B2 (en) Semiconductor device
JP5092461B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US7405121B2 (en) Semiconductor device with capacitors and its manufacture method
KR19990013720A (en) Ferroelectric Capacitor, Manufacturing Method Thereof and Memory Cell Using the Capacitor
JP2002176149A (en) Semiconductor storage element and its manufacturing method
US20120276659A1 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
US6727140B2 (en) Capacitor with high dielectric constant materials and method of making
US6392265B2 (en) Semiconductor device
US20060154382A1 (en) Capacitor with high dielectric constant materials and method of making
JPH1056145A (en) Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device
US6525364B1 (en) Capacitor for semiconductor memory device and method of manufacturing the same
JP6719905B2 (en) Multi-step deposition of ferroelectric dielectric materials
JP2001237395A (en) Semiconductor memory device
US6919593B2 (en) Semiconductor memory device and method of fabricating the same
JP2000022105A (en) Manufacture of semiconductor device
JP4109304B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
EP1742269B1 (en) Semiconductor device and production method therefor
JP2002124647A (en) Semiconductor device
JPH11233734A (en) Semiconductor memory element and its manufacture
JP2002158339A (en) Semiconductor device and its fabricating method
JP2003179212A (en) Capacitor, memory element and method of manufacturing the same