JP2002151656A - Semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method therefor

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JP2002151656A
JP2002151656A JP2000347042A JP2000347042A JP2002151656A JP 2002151656 A JP2002151656 A JP 2002151656A JP 2000347042 A JP2000347042 A JP 2000347042A JP 2000347042 A JP2000347042 A JP 2000347042A JP 2002151656 A JP2002151656 A JP 2002151656A
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JP
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film
insulating film
capacitor
lower electrode
electrode
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Application number
JP2000347042A
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Japanese (ja)
Inventor
Koji Yamakawa
晃司 山川
Osamu Arisumi
修 有隅
Keitarou Imai
馨太郎 今井
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of the electrical characteristics of a PZT, used as a capacitor insulation film, and to prevent damages to a capacitor lower part due to oxygen heat treatment process by the selection of a lower electrode structure. SOLUTION: A ferroelectric memory is provided with a capacitor, having a lower electrode 20 formed on an inter-layer insulation film 15 and connected to a W plug electrode 16 which passes through the insulation film 15, a PZT film 24 as the capacitor insulation film formed on the lower electrode 20 and an upper electrode 25 formed on the PZT film 24. The lower electrode 20 is turned into a structure, for which an IrO2 film 23 is laminated on an Ir film 22 and IrO2/Ir is >=10 by X-ray diffraction intensity for the IrO2 film 23.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置に係わ
り、特に強誘電体や高誘電体をキャパシタ絶縁膜として
用いた薄膜キャパシタを有する半導体装置及びその製造
方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a thin film capacitor using a ferroelectric or a high dielectric as a capacitor insulating film and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、強誘電体薄膜を利用した不揮発性
メモリである強誘電体メモリ(Ferroelectric Randam A
ccess Memory)の開発が進んでいる。強誘電体メモリ
は、DRAMのキャパシタ部分を強誘電体キャパシタで
置き換えたもので、以下のような特徴を持ち、次世代メ
モリとして期待されている。
2. Description of the Related Art In recent years, a ferroelectric memory (Ferroelectric Randam A), which is a nonvolatile memory using a ferroelectric thin film, has been developed.
ccess Memory) is under development. A ferroelectric memory is obtained by replacing a capacitor part of a DRAM with a ferroelectric capacitor, and has the following features and is expected as a next-generation memory.

【0003】書き込み,消去が高速であり、セルを小
型化することでDRAMなみの100ns以下の書き込
み時間が可能、 SRAMと異なり不揮発性メモリであり、電源が不必
要、 書き換え可能回数が大きく、強誘電体材料(SBTな
ど)、電極材料(IrOx ,RuOx ,SrRuO3
ど)を工夫することで1012回以上の書き換えが可能、 高密度高集積化ができ、DRAMと同等の集積度が得
られる、 内部の書き込み電圧を2V程度とすることができ、低
消費電力が可能、 フラッシュメモリと異なりビット書き換え、ランダム
アクセスが可能、 などの特徴を持つ。これらの利点を利用して、多分野,
多方面に渡っての応用が実用化或いは検討されている。
[0003] Writing and erasing are performed at a high speed, and the size of the cell is reduced, so that a writing time of 100 ns or less is possible, unlike a DRAM. Unlike an SRAM, it is a non-volatile memory, and does not require a power supply. By devising a dielectric material (such as SBT) and an electrode material (such as IrO x , RuO x , SrRuO 3 ), rewriting can be performed more than 10 12 times, high density and high integration can be achieved, and a degree of integration equivalent to that of DRAM can be achieved. It has the following features: the internal write voltage can be about 2 V, low power consumption is possible, and unlike flash memories, bit rewriting and random access are possible. By taking advantage of these advantages,
Various applications have been put to practical use or studied.

【0004】強誘電体メモリでは、キャパシタ部分にP
ZT(Pb(Zrx Ti1-x )O3),BIT(Bi4
Ti3 12),SBT(SrBi2 Ta2 9 )などの
強誘電体薄膜を使用する。いずれも酸素八面体を基本構
造とするペロブスカイト構造を基本とした結晶構造を持
つ。現在、DRAM用キャパシタ材料として検討されて
いる常誘電体BSTも同様の構造である。これらの材料
は従来のSi酸化膜と異なり、アモルファス状態で使用
することができない。よって、結晶化するための工程、
例えば高温での結晶化熱処理、或いは高温での成膜時結
晶化プロセスが必要となる。材料にもよるが、一般的に
400〜700℃の温度が結晶化で必要となる。
In a ferroelectric memory, P
ZT (Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 ), BIT (Bi 4
A ferroelectric thin film such as Ti 3 O 12 ) or SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) is used. Each has a crystal structure based on a perovskite structure based on an oxygen octahedron. Paraelectric BST, which is currently being studied as a capacitor material for DRAMs, has a similar structure. These materials cannot be used in an amorphous state unlike a conventional Si oxide film. Therefore, the process for crystallization,
For example, a crystallization heat treatment at a high temperature or a crystallization process during film formation at a high temperature is required. Generally, a temperature of 400 to 700 ° C. is required for crystallization, depending on the material.

【0005】成膜方法としては、レーザアブレーション
法,真空蒸着法,MBE法など各種の方法が研究されて
いるが、実用化されているものは、MOCVD法,スパ
ッタ法,溶液法(CSD:Chcmical So1ution Depositi
on)である。MOCVD法,スパッタ法では成膜温度に
より、成膜時結晶化法と成膜後結晶化法の両方がある。
以下では特に、強誘電体薄膜キャパシタの構造及びその
作成方法を例にとって説明する。
Various methods such as a laser ablation method, a vacuum evaporation method, and an MBE method have been studied as a film forming method, but those which have been put to practical use include MOCVD method, sputtering method, and solution method (CSD: Chcmical method). So1ution Depositi
on). In the MOCVD method and the sputtering method, there are both a crystallization method during film formation and a crystallization method after film formation, depending on the film formation temperature.
In the following, a structure of a ferroelectric thin film capacitor and a method for producing the same will be described as an example.

【0006】強誘電体は自発分極を持ち、その自発分極
を電界により反転することが可能である特徴を持つ。電
界を印加しない状態でも分極値を持ち(残留分極)、そ
の値(或いは分極の向き)が電界を0とする前の状態に
依存する。ヒステリシス曲線において分極値が0となる
電界値を抗電界と呼ぶ。印加する電界の向きで+,−の
電荷を結晶表面に誘起することができ、この状態をメモ
リ素子の0,1に対応させる。スイッチング用トランジ
スタと組み合わせてDRAMと同じ1T/1C(1トラ
ンジスタ/1キャパシタ)の構造を取ることができる
が、現状では信頼性を向上させるために2T/2C構造
のものが採用され、外部に取り出す信号量を増加させて
いる。強誘電体材料には、次にあげるような特性,仕様
が要求される。
[0006] Ferroelectrics have spontaneous polarization, and have the characteristic that the spontaneous polarization can be reversed by an electric field. It has a polarization value even when no electric field is applied (residual polarization), and its value (or the direction of polarization) depends on the state before the electric field is set to zero. The electric field value at which the polarization value becomes 0 in the hysteresis curve is called a coercive electric field. + And-charges can be induced on the crystal surface in the direction of the applied electric field, and this state corresponds to 0 and 1 of the memory element. The same 1T / 1C (one transistor / one capacitor) structure as a DRAM can be used in combination with a switching transistor. However, at present, a 2T / 2C structure is employed to improve reliability and is taken out to the outside. The signal volume is increasing. The following characteristics and specifications are required for ferroelectric materials.

【0007】反転分極量(スイッチング電荷量)が大
きいこと。これはデバイス構造,スイッチング動作,分
極値の安定性などにもよるが、一般に10μC/cm2
が必要とされている。 比誘電率が小さいこと。比誘電率が小さいと、スイッ
チング電流に対して非スイッチング電流値が小さく、S
/N比を抑えることができる。 書き換えサイクルによる分極値の減少(疲労劣化)が
少ないこと。疲労特性は強誘電体材料そのものをSBT
系に変える、或いは電極材料を酸化物系のものとするこ
とで1012回以上の特性が得られている。
A large amount of inversion polarization (switching charge). This depends on the device structure, switching operation, polarization value stability, etc., but is generally 10 μC / cm 2.
Is needed. Low relative permittivity. When the relative dielectric constant is small, the non-switching current value is small with respect to the switching current, and S
/ N ratio can be suppressed. The decrease in the polarization value (fatigue deterioration) due to the rewrite cycle is small. Fatigue characteristics are SBT of ferroelectric material itself
By changing to a system or using an electrode material as an electrode material, characteristics of 10 12 times or more are obtained.

【0008】分極反転速度が速いこと。キャパシタの
小型化によりスイッチング特性が正味のドメイン反転速
度ではなく、電極配線抵抗,浮遊容量などに主として左
右されることが示されている。 リーク電流が10-6A/cm2 以下。キャパシタに蓄
積した電荷の有無を利用するDRAMと比較すると、強
誘電体メモリでは残留分極値を利用するため、基準とな
るリーク電流値はDRAMの場合よりも高くて問題な
い。キャパシタに基準となる電圧が印加されればよい。 データ保持特性が10年以上。
[0008] The polarization inversion speed is high. It is shown that the switching characteristics mainly depend on the electrode wiring resistance, stray capacitance, etc., rather than the net domain inversion speed due to the miniaturization of the capacitor. Leakage current is 10 -6 A / cm 2 or less. Compared with a DRAM that uses the presence or absence of electric charge stored in a capacitor, a ferroelectric memory uses a residual polarization value, so that a reference leakage current value is higher than that of a DRAM, and there is no problem. It is sufficient that a reference voltage is applied to the capacitor. Data retention characteristics for more than 10 years.

【0009】実際に使用されている強誘電体材料は、P
ZTとSBTである。前者は、結晶化温度が600℃程
度であること、分極値が大きく残留分極値で30μC/
cm 2 程度であること、抗電界が比較的小さく低電圧で
分極反転が可能なこと、Zr/Ti組成比を変化させる
ことにより結晶化温度、グレインサイズ,グレイン形状
などの構造特性、分極量,抗電界,疲労特性,リーク電
流などの強誘電特性が制御可能なこと、ペロブスカイト
構造が持つ元素許容性からAサイトと呼ばれるPbをS
r,Ba,Ca,Laなどの元素で、Bサイトと呼ばれ
るZr・TiをNb,W,Mg,Co,Fe,Ni,M
nなどの元素で置換することが可能であり、それが結晶
構造,構造特性,強誘電特性に大きく影響することなど
が利点としてあげられる。
The ferroelectric material actually used is P
ZT and SBT. The former has a crystallization temperature of about 600 ° C
Degree, the polarization value is large and the remanent polarization value is 30 μC /
cm TwoThe coercive electric field is relatively small and low voltage
Possibility of polarization reversal, changing Zr / Ti composition ratio
Crystallization temperature, grain size, grain shape
Structural characteristics such as polarization, coercive electric field, fatigue characteristics, leakage current
Control of ferroelectric properties such as flow, perovskite
Pb called A site is converted to S
Elements such as r, Ba, Ca, La, etc.
Nr, W, Mg, Co, Fe, Ni, M
can be replaced by an element such as n
Significant influence on structure, structural characteristics, ferroelectric characteristics, etc.
Is an advantage.

【0010】もともとPZTはトランスデューサヘの応
用、積層セラミックコンデンサなど受動部品への応用、
赤外線センサなどヘの応用、更には構造相転移,ドメイ
ン挙動,圧電,焦電,強誘電特性、など多くの研究がこ
れまでになされており、材料設計の面からも特性改善,
構造・電気特性のを抑制するためのデータベースが豊富
であることが一つの利点といえる。また、PZTはその
圧電,焦電,強誘電特性に優れることから早くから薄膜
化の検討がなされてきており、スパッタ法,ゾルゲル法
などの手法での成膜の研究例も多い。これらの背景から
PZTは最初に強誘電体メモリとして実用化された材料
である。欠点である書き込み回数の増加に伴う分極量の
減少(疲労特性)は、疲労劣化そのものが電界により加
速される特徴を持つため、最近の低電圧化、当初使用さ
れていたPt電極からIrO2 などの酸化物電極の採用
により改善がなされている。
Originally, PZT was applied to transducers, passive components such as multilayer ceramic capacitors,
Numerous studies have been made on applications to infrared sensors, etc., as well as structural phase transitions, domain behavior, piezoelectricity, pyroelectricity, and ferroelectric properties.
One advantage is that there is a wealth of databases for suppressing structural and electrical characteristics. Since PZT has excellent piezoelectric, pyroelectric, and ferroelectric properties, thinning of the film has been studied from an early stage, and there are many examples of research on film formation by a method such as a sputtering method or a sol-gel method. From these backgrounds, PZT is a material that was first put to practical use as a ferroelectric memory. Decrease in polarization with an increase in the number of write operations is a drawback (fatigue properties) can fatigue itself to have the features that are accelerated by the electric field, the recent reduction in voltage, from Pt electrode that was originally used IrO 2, etc. The improvement has been achieved by adopting the oxide electrode.

【0011】一方、後者のSBTは、PZTの持つ疲労
特性の改善、膜の低電圧駆動を達成するために開発され
た材料である。SBTはBi層状化合物(Aurivi11ius
Phase)の一種で強誘電性の起源となる酸素八面体から
なる擬似ペロブスカイト構造層をBi2 2 層が挟む結
晶構造を持つ。この構造により主たる分極軸はC軸と垂
直な面内にありC軸方向の分極は無いか、あっても小さ
い値となる。擬似ペロブスカイト構造中の酸素八面体の
数によってその分極が発現する。強い異方性によりこれ
までセラミックとしては殆ど研究がなされていなかった
がMOD(Metalorganic Decomposition)法で薄膜形成
が可能で、形成された多結晶のSBT膜が強誘電性を示
すことから開発がなされ、疲労特性が良好である、低電
圧化が可能であることが確認されてさらに開発が加速さ
れている。
On the other hand, the latter SBT is a material developed to improve the fatigue characteristics of PZT and achieve low voltage driving of the film. SBT is a Bi layered compound (Aurivi11ius)
Phase), which has a crystal structure in which a Bi 2 O 2 layer sandwiches a pseudoperovskite structure layer composed of an oxygen octahedron that is a ferroelectric origin. With this structure, the main polarization axis is in a plane perpendicular to the C-axis, and there is no polarization in the C-axis direction or a small value even if it exists. The polarization is expressed by the number of oxygen octahedra in the pseudo perovskite structure. Due to the strong anisotropy, there has been almost no research on ceramics. However, thin films can be formed by the MOD (Metalorganic Decomposition) method, and development has been made because the formed polycrystalline SBT film exhibits ferroelectricity. It has been confirmed that the battery has good fatigue characteristics and low voltage can be used, and the development is further accelerated.

【0012】PZT膜の疲労劣化はPt電極界面に形成
される酸素空孔が主たる原因とされている。この酸素空
孔の発生理由の一つがPb元素の揮発性,拡散容易性で
ある。Pbはペロブスカイト構造の一部であるためにP
b欠陥に伴って酸素空孔が形成されると近傍の陽イオン
空孔と双極子を形成し、スイッチング電荷の減少を引き
起こす。SBTは揮発性元素であるBiがなくなる。或
いは電荷を補償する酸素空孔の形成自体は層間のBi酸
化物層に形成されるため直接ペロブスカイト構造での影
響は少ない。また、価数の変化しやすいTiを持たない
ことも欠陥を少なくする原因とされている。
The main cause of fatigue deterioration of the PZT film is oxygen vacancies formed at the Pt electrode interface. One of the reasons for the generation of oxygen vacancies is the volatility and ease of diffusion of the Pb element. Since Pb is part of the perovskite structure, Pb
When oxygen vacancies are formed due to the b-defect, dipoles are formed with nearby cation vacancies, causing a decrease in switching charge. SBT is free of Bi, which is a volatile element. Alternatively, since the formation of the oxygen vacancy for compensating the electric charge itself is formed in the Bi oxide layer between the layers, the influence of the direct perovskite structure is small. It is also considered that the absence of Ti whose valence changes easily does not cause defects.

【0013】SBTはPZTと比較して分極量が小さい
が、Taの一部をNbで置換することで分極量を増大さ
せることが可能である。最近では、SBTをキャパシタ
として集積化したデバイスも試作されている。SBTは
MOD法の他、ゾルゲル法,スパッタ法,レーザアブレ
ーション法などでも形成されている。PZT膜もMOD
法,レーザアブレーション法,イオンビームスパッタ
法,MOCVD法,レーザCVD法などで形成されてい
るが、強誘電体メモリ製品としてはゾルゲル法,スパッ
タ法が用いられている。
SBT has a smaller amount of polarization than PZT, but it is possible to increase the amount of polarization by replacing part of Ta with Nb. Recently, a device in which the SBT is integrated as a capacitor has also been prototyped. SBT is formed by a sol-gel method, a sputtering method, a laser ablation method or the like in addition to the MOD method. PZT film is also MOD
It is formed by a method, a laser ablation method, an ion beam sputtering method, an MOCVD method, a laser CVD method, or the like, and a sol-gel method or a sputtering method is used as a ferroelectric memory product.

【0014】スパッタ法では、基板上に直接結晶化した
ペロブスカイトPZT膜を形成するためには約500℃
以上の高温が必要であるが、低融点元素のPbが蒸気圧
が高いことやスパッタ率が高いことなどの理由から、高
温で基板から容易に蒸発,再スパッタするために制御が
難しい。よって、結晶化温度である500℃以上ではP
bは殆ど基板へ止まらず組成制御が困難である。通常
は、高温スパッタの場合、Pb或いはPbOのターゲッ
トを別に用意し、同時にスパッタして過剰量のPbを供
給する工夫がなされるが、大きい基板に均一に組成制御
して膜を形成することは難しい。室温ではPbの蒸発,
再スパッタの影響が小さいため、比較的容易にターゲッ
トに近い組成のPZT膜が形成可能である。但し、室温
においてもプラズマからのイオン,スパッタ粒子などの
衝撃によって基板やシールド部が高温となりやすく、蒸
発,再スパッタの影響が出ることがあり、注意が必要で
ある。各部の電位によってもイオンの衝撃が異なるため
組成が変化する。
[0014] In the sputtering method, to form a crystallized perovskite PZT film directly on a substrate, a temperature of about 500 ° C.
Although the above high temperature is necessary, it is difficult to control because the low melting point element Pb is easily evaporated and re-sputtered from the substrate at a high temperature because of a high vapor pressure and a high sputtering rate. Therefore, at a crystallization temperature of 500 ° C. or higher, P
b hardly stops on the substrate and composition control is difficult. Usually, in the case of high-temperature sputtering, Pb or PbO targets are separately prepared, and at the same time, a method is devised to supply an excessive amount of Pb by sputtering, but it is not possible to form a film by controlling the composition uniformly on a large substrate. difficult. At room temperature, Pb evaporates,
Since the influence of re-sputtering is small, a PZT film having a composition close to the target can be formed relatively easily. However, even at room temperature, the substrate and the shield part are likely to be heated to a high temperature due to the impact of ions and sputter particles from the plasma, and the influence of evaporation and re-sputtering may be exerted. The composition changes because the impact of ions also differs depending on the potential of each part.

【0015】電子部品に使用する強誘電体膜を形成する
プロセスを、PZT強誘電体膜を用いた強誘電体メモリ
の例で説明する。トランジスタを形成するプロセスを経
たSi基板上に絶縁膜を形成し、下地電極として150
nm厚のPt電極をDCマグネトロンスパッタにより形
成する。Ptは酸化膜と密着性が良好ではないため、接
合層としてTi(20nm)をPt成膜前に連続スパッ
タにて形成する。次いで、下地電極上にPZT膜をRF
マグネトロンスパッタにより形成する。上記の理由から
基板温度を上げず室温にて成膜する。12インチのセラ
ミックPZTターゲットに対して1.0〜1.5kWで
スパッタを行う。スパッタガスはArで0.5〜2.0
Paの圧力範囲で成膜した。約5分間のスパッタ時間で
250〜300nmの膜厚のPZTアモルファス膜が得
られる。なお、PZT成膜前に約1時間のプレスパッタ
を行い、組成を安定化した。
A process for forming a ferroelectric film used for an electronic component will be described with an example of a ferroelectric memory using a PZT ferroelectric film. An insulating film is formed on a Si substrate that has undergone a transistor forming process, and a 150
A Pt electrode having a thickness of nm is formed by DC magnetron sputtering. Since Pt does not have good adhesion to an oxide film, Ti (20 nm) is formed as a bonding layer by continuous sputtering before Pt film formation. Next, the PZT film is RF-coated on the underlying electrode.
It is formed by magnetron sputtering. For the above reasons, the film is formed at room temperature without increasing the substrate temperature. Sputtering is performed on a 12-inch ceramic PZT target at 1.0 to 1.5 kW. Sputtering gas is 0.5 to 2.0 Ar
The film was formed in a pressure range of Pa. With a sputtering time of about 5 minutes, a PZT amorphous film having a thickness of 250 to 300 nm can be obtained. The composition was stabilized by performing pre-sputtering for about 1 hour before forming the PZT film.

【0016】アモルファス状態のPZT膜はRTA(Ra
pid Themal Annea1)プロセスによりペロブスカイト相
に結晶化する。600℃以上の温度で数秒で結晶化が可
能である。管状炉などでも結晶化できるが、RTAの方
がサーマルパジェットが小さく、下地電極とPZT膜の
拡散,反応を抑えることができ、界面の平滑性には適す
る。また、PZTの結晶化にの際には異相として非強誘
電相のパイロクロア型酸化物が形成される可能性がある
が、この相は結晶化の昇温速度を小さくした場合や、Z
r/Ti比が大きい場合に形成されやすい。パイロクロ
ア相が第2相としてできた場合には、分極量が小さくな
るだけでなく、PZT膜の信頼性にも影響を及ぼす。
The amorphous PZT film is made of RTA (Ra
Crystallizes into a perovskite phase by the pid Themal Annea1) process. Crystallization is possible in a few seconds at a temperature of 600 ° C. or higher. Although crystallization can be performed even in a tubular furnace or the like, RTA has a smaller thermal budget, can suppress the diffusion and reaction between the base electrode and the PZT film, and is suitable for the smoothness of the interface. In addition, during the crystallization of PZT, there is a possibility that a non-ferroelectric phase pyrochlore-type oxide is formed as a different phase.
It is easily formed when the r / Ti ratio is large. When the pyrochlore phase is formed as the second phase, not only the amount of polarization is reduced, but also the reliability of the PZT film is affected.

【0017】結晶化したPZT膜に関して、さらに上部
電極であるPt膜をDCマグネトロンスパッタにより形
成してキャパシタ膜構造を作成する。以降は、RIEを
用いたキャパシタの加工プロセス及び上部の配線プロセ
スを用いる。キャパシタはRIE(Reactive Ion Etchi
ng)装置を用いて、Arと塩素,弗化炭素系のガス中で
エッチングを行い微細パターンを形成する。キャパシタ
加工後には、電極との密着性を向上させるために600
℃で酸素中1時間のアニール処理を行う。
With respect to the crystallized PZT film, a Pt film as an upper electrode is further formed by DC magnetron sputtering to form a capacitor film structure. Hereinafter, a capacitor processing process using RIE and an upper wiring process are used. Capacitor is RIE (Reactive Ion Etchi
ng) Using a device, etching is performed in a gas of Ar, chlorine and carbon fluoride to form a fine pattern. After processing the capacitor, 600 to improve the adhesion to the electrode
Annealing is performed at 1 ° C. in oxygen for 1 hour.

【0018】一方、ゾルゲル法やMOD法などの溶液法
(CSD法)にて形成するPZT成膜プロセスでは、原
料の特性,取り扱い容易性,安定性、他の物質と混合し
た時の反応性から、Pb,Ti,ZrなどのPZT膜構
成元素の原料をまず選択する。
On the other hand, in a PZT film forming process formed by a solution method (CSD method) such as a sol-gel method or a MOD method, the characteristics, ease of handling and stability of the raw material, and the reactivity when mixed with other substances are considered. , Pb, Ti, and Zr are first selected as raw materials for PZT film constituent elements.

【0019】ゾルゲル法では、Pbには酢酸鉛3水和
物、Zrにはジルコニウムテトラプロボキシド、Tiに
はチタンテトライソプロポキシドを利用する場合が多
く、溶剤に2メトキシエタノールを使用して約0.2M
の溶液をまず調製する。この溶液は水分を十分に取り除
くことで長期保存が可能である。一般には、酢酸鉛の水
和物の水成分を除去する。成膜する時はこの溶液に水を
加えて縮重合反応を起こさせるが、脱水反応及び脱アル
コール反応によってM−O−Mの架橋構造が形成され
る。この際に加えた水の量,反応時間(保持時間)、p
H,温度,濃度などによりこの架橋状態が変化する。ア
モルファススパッタと異なったアモルファス状態を形成
することになるため、PZTペロブスカイト構造に結晶
化した際に配向性,結晶粒の形状,強誘電特性,リーク
電流,疲労特性などが変化する。
In the sol-gel method, lead acetate trihydrate is often used for Pb, zirconium tetrapropoxide for Zr, and titanium tetraisopropoxide for Ti in many cases. 0.2M
A solution of is first prepared. This solution can be stored for a long time by removing water sufficiently. Generally, the water component of the hydrate of lead acetate is removed. When forming a film, water is added to this solution to cause a polycondensation reaction, but an MOM crosslinked structure is formed by a dehydration reaction and a dealcoholization reaction. The amount of water added at this time, reaction time (retention time), p
This cross-linking state changes depending on H, temperature, concentration, and the like. Since an amorphous state different from amorphous sputtering is formed, the orientation, crystal grain shape, ferroelectric characteristics, leak current, fatigue characteristics, and the like change when crystallized into a PZT perovskite structure.

【0020】これは、MOD法でも同様である。Pb,
Zr,Tiの2エチルヘキサン酸などを使用し、有機溶
剤のキシレンを用いてPZTのMOD用溶液を調製す
る。MOD法の場合は加水分解反応は起こさず、その状
態(混合状態)にて基板上に塗布する。基板上に成膜し
た後に250℃程度の低温で乾燥,脱溶剤を実施し、ア
モルファス状態のPZT膜となる。MOD法では原料が
C,H,Oを多く含む構造であるため結晶化時の膜の収
縮が大きく、数100nmの厚い膜を形成するには塗布
と結晶化工程を繰り返すなどの方法で行う。結晶化はス
パッタと同様にRTAを使用する場合が多い。750
℃,5分程度の熱処理でペロブスカイト単一相が得られ
る。このような溶液法を用いたPZT膜は結晶粒が10
0〜数100nmと小さく、スパッタで成膜された膜の
ような柱状組織を示さない粒状組織が見られる場合が多
い。
The same applies to the MOD method. Pb,
A MOD solution of PZT is prepared using xylene as an organic solvent using 2-ethylhexanoic acid of Zr and Ti or the like. In the case of the MOD method, a hydrolysis reaction does not occur, and the coating is performed on the substrate in that state (mixed state). After the film is formed on the substrate, drying and desolvation are carried out at a low temperature of about 250 ° C., and a PZT film in an amorphous state is obtained. In the MOD method, since the raw material has a structure containing a large amount of C, H, and O, the film shrinks greatly at the time of crystallization. To form a thick film having a thickness of several 100 nm, the coating and crystallization steps are repeated. For crystallization, RTA is often used in the same manner as sputtering. 750
A perovskite single phase is obtained by heat treatment at about 5 ° C. for about 5 minutes. A PZT film using such a solution method has a crystal grain of 10
In many cases, a granular structure which is as small as 0 to several hundred nm and does not show a columnar structure like a film formed by sputtering is observed.

【0021】一方、MOCVD法によりPZT,SBT
膜などを形成する場合には、条件を最適化することで立
体形状キャパシタを形成するためのステップカバレッジ
性が良好なものを得ることができる。しかしこれら強誘
電体,誘電体材料のMOCVD技術には困難な点が多
い。例えば、膜組成を制御することが難しい。複合酸化
物を構成する元素でSr,Baなどは蒸気圧の高いソー
ス原料がないために液体供給を併用した方法などをとる
必要がある。また、各元素のソースの特性が異なること
から最適成膜条件を設定することが困難である。原料の
供給量と膜組成が必ずしも比例しない状況もある。ま
た、添加物を加える際にはさらにソースの選択をしなく
てはいけないため困難さが増加する。成膜時に結晶化し
た膜を得るプロセスでは基板の表面(電極表面)の状
態,組成によりその上に形成される膜の特性が変化す
る。PZT膜のMOCVD技術ではPb化合物の高い蒸
気圧を利用してPZT組成を自己制御的に安定化する試
みがなされており、Pt上、Ir上に成膜時結晶化膜が
形成されている。
On the other hand, PZT, SBT
When a film or the like is formed, by optimizing the conditions, a capacitor having good step coverage for forming a three-dimensional capacitor can be obtained. However, there are many difficulties in the MOCVD technique for these ferroelectric and dielectric materials. For example, it is difficult to control the film composition. Since Sr, Ba, and the like, which are constituent elements of the composite oxide, do not have a source material having a high vapor pressure, it is necessary to adopt a method in which liquid supply is used in combination. In addition, it is difficult to set the optimal film forming conditions because the characteristics of the source of each element are different. There are situations in which the supply amount of the raw material and the film composition are not always proportional. In addition, when adding an additive, it is necessary to further select a source, so that the difficulty increases. In the process of obtaining a crystallized film during film formation, the characteristics and characteristics of the film formed thereon change depending on the state and composition of the surface of the substrate (electrode surface). In the MOCVD technique of the PZT film, an attempt has been made to stabilize the PZT composition in a self-controlling manner by using a high vapor pressure of a Pb compound, and a crystallized film is formed on Pt and Ir at the time of film formation.

【0022】近年、以上で説明したような成膜方法を利
用して高密度の強誘電体メモリを作成すべくCOP(Ca
pacitor On Plug)構造が考えられている。これは、ト
ランジスタのアクティブエリアから接続されてWやSi
からなるプラグ構造がキャパシタ直下にあるもので、セ
ルサイズを小さくすることができる。平面キャパシタで
あれば前述したスパッタ法,塗布法,MOCVD法が利
用でき、立体キャパシタ構造を用いる場合にはMOCV
D法などを利用すればよい。しかしながらこの構造で
は、強誘電体膜を結晶化するとき、或いはキャパシタを
インテグレーションした時のRIE加工,絶縁膜CVD
などのダメージを向復させるための熱処理の時に直下の
プラグ材料の表面が酸化されてコンタクト抵抗が高くな
る、或いは極端な場合には剥離が生じるなどの問題があ
る。
In recent years, COP (CaP) has been developed in order to produce a high-density ferroelectric memory utilizing the film forming method described above.
pacitor on plug) structure is considered. This is because the W or Si is connected from the active area of the transistor.
Since the plug structure consisting of is directly under the capacitor, the cell size can be reduced. The sputtering method, the coating method, and the MOCVD method described above can be used for a planar capacitor, and the MOCV is used for a three-dimensional capacitor structure.
The D method may be used. However, in this structure, when the ferroelectric film is crystallized or when the capacitor is integrated, RIE processing and insulating film CVD are performed.
There is a problem that the surface of the plug material immediately below is oxidized at the time of heat treatment for reversing the damage such as the contact resistance is increased, or peeling occurs in an extreme case.

【0023】これを回避するために、TiAlN,Ti
N,TaSiNなどのバリア層の形成、IrO2 ,I
r,RuO2 ,Ruなどの下部電極材料の仕様が試みら
れている。また、前述したような立体キャパシタ形成の
試みもなされている。MOCVD法での膜形成において
も、組成制御性,ステップカバレッジが良好な低温で成
膜し、後の熱処理において誘電体膜,強誘電体膜を結晶
化する方法が行われている。また、キャパシタのRIE
加工ダメージの低減を目的としてダマシンプロセスを利
用したキャパシタ作成プロセスも提案されている。
In order to avoid this, TiAlN, Ti
Formation of barrier layer such as N, TaSiN, IrO 2 , I
Attempts have been made to use lower electrode materials such as r, RuO 2 and Ru. Also, attempts have been made to form a three-dimensional capacitor as described above. Also in the film formation by the MOCVD method, a method of forming a film at a low temperature with good composition controllability and step coverage and crystallizing a dielectric film and a ferroelectric film in a subsequent heat treatment is performed. Also, the RIE of the capacitor
For the purpose of reducing processing damage, a capacitor making process using a damascene process has also been proposed.

【0024】一方、強誘電体メモリをさらに高密度化す
るための1Tr(トランジスタ)タイプの強誘電体メモ
リも開発が進められている。古くはTrのゲート上に直
接Bi4 Ti3 12などの強誘電体を形成したものが研
究開発されたが、Siとの界面に酸化物界面層が形成さ
れること、特定の材料のみ結晶化できないこと、界面の
反応を制御することができないこと、などの阻害要因が
あり実現が困難である。また、PZTなどの材料ではS
iO2 上で結晶化することが困難である。これは、RT
Aなどの結晶化熱処理方法を採用すると基板側から結晶
化が進行しやすいが、先にPZT中のPbとSiO2
が反応することで劣化した界面が形成され、その上にP
ZTが結晶化しないためである。PZT中のTi量を増
加させて結晶化温度を低減し、膜上部或いは膜内部から
結晶化を促進することも可能であるが、この場合は結晶
化の制御が困難である。また、下地との反応は避けられ
ず1Trタイプの強誘電体メモリ作成には満足できるも
のではなかった。
On the other hand, 1Tr (transistor) type ferroelectric memories for further increasing the density of ferroelectric memories are also being developed. In the past, ferroelectric materials such as Bi 4 Ti 3 O 12 were formed directly on the gate of Tr, but research and development was carried out. However, an oxide interface layer was formed at the interface with Si, and only a specific material was crystallized. It is difficult to realize because there are obstructive factors such as inability to control the reaction at the interface, and the like. For materials such as PZT, S
It is difficult to crystallize on iO 2 . This is RT
When a crystallization heat treatment method such as A is employed, crystallization tends to proceed from the substrate side, but Pb and SiO 2 in PZT react first to form a deteriorated interface, on which P
This is because ZT does not crystallize. It is possible to increase the amount of Ti in PZT to lower the crystallization temperature and promote crystallization from above or inside the film, but in this case, it is difficult to control the crystallization. In addition, the reaction with the underlayer was inevitable, and it was not satisfactory for producing a 1Tr type ferroelectric memory.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】このように従来、PZ
Tなどの強誘電体薄膜の特性は、アモルファス膜を下部
電極上で結晶化するために下部電極の影響が大きい。強
誘電体薄膜のリーク特性,C−V特性,分極特性,保持
特性,疲労特性,インプリント特性などは、電極材料,
構造、特に下部電極構造に依存する。現在この下部電極
にIr系やRu系の薄膜材料が検討されている。しかし
ながら、従来より使用されているPt電極と異なり、I
r系,Ru系の電極ではその上に形成するPZT膜など
の強誘電体膜の結晶性(結晶配向性や結晶の微細構造)
が劣化する問題や、界面でのRu,IrとPbとの反
応、粒界部分への元素の拡散によりリーク電流が増加す
る問題があった。
As described above, the conventional PZ
The characteristics of the ferroelectric thin film such as T are greatly affected by the lower electrode because the amorphous film is crystallized on the lower electrode. The leak characteristics, CV characteristics, polarization characteristics, retention characteristics, fatigue characteristics, imprint characteristics, etc. of the ferroelectric thin film are determined by the electrode material,
It depends on the structure, especially the lower electrode structure. Currently, Ir-based and Ru-based thin film materials are being studied for the lower electrode. However, unlike the conventionally used Pt electrode, I
For r-based and Ru-based electrodes, the crystallinity (crystal orientation and crystal microstructure) of a ferroelectric film such as a PZT film formed thereon
Are deteriorated, the reaction between Ru, Ir and Pb at the interface, and the diffusion of elements into the grain boundary portion increase the leakage current.

【0026】一方で、COP構造や1Trタイプの構造
では、下部のプラグ材料との界面での酸化を防止する構
造、Siとの界面に欠陥準位,不純物準位を形成しない
構造が必要とされる。PZT膜などの強誘電体薄膜プロ
セスでは強誘電体膜の結晶化に酸素中でのRTA(55
0〜700℃)を行う工程や、キャパシタのRIE加
工、層間絶縁膜のCVDによる成膜、パシベーションS
iNの成膜などで生じたダメージを修復する目的である
酸素中での回復アニール(500〜650℃)を行う工
程がある。これらの工程を経てもプラグ材料やSi界面
が酸化などによる劣化を生じない必要がある。この酸素
バリア性を向上させる目的が下部電極構造に要求され
る。
On the other hand, the COP structure and the 1Tr type structure require a structure that prevents oxidation at the interface with the lower plug material and a structure that does not form defect levels or impurity levels at the interface with Si. You. In a ferroelectric thin film process such as a PZT film, RTA (55
0-700 ° C.), RIE processing of a capacitor, deposition of an interlayer insulating film by CVD, passivation S
There is a step of performing recovery annealing (500 to 650 ° C.) in oxygen for the purpose of repairing damage caused by iN film formation or the like. Even after these steps, it is necessary that the plug material and the Si interface do not deteriorate due to oxidation or the like. The purpose of improving the oxygen barrier property is required for the lower electrode structure.

【0027】また、上記の問題は強誘電体を用いた場合
に限らず、高誘電体を用いた場合にも同様に言えること
である。
The above problem is not limited to the case where a ferroelectric substance is used, but also applies to the case where a high dielectric substance is used.

【0028】本発明は、上記事情を考慮して成されたも
ので、その目的とするところは、強誘電体薄膜や高誘電
体薄膜の電気特性を劣化させることなく、さらには酸素
熱処理工程にてキャパシタ下部にダメージを与えること
のないキャパシタ構造を持つ半導体装置及びその製造方
法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to reduce the electric characteristics of a ferroelectric thin film or a high-dielectric thin film, and further to perform an oxygen heat treatment step. To provide a semiconductor device having a capacitor structure that does not damage the lower portion of the capacitor, and a method of manufacturing the same.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】(構成)上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。
(Structure) In order to solve the above problem, the present invention employs the following structure.

【0030】即ち本発明は、層間絶縁膜上に形成され、
該絶縁膜を貫通するプラグ電極に接続された下部電極
と、この下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体
からなるキャパシタ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上
に形成された上部電極とを備えたキャパシタを有する半
導体装置であって、前記下部電極は、Ir膜の上にIr
2 膜を積層した構造となっており、IrO2 膜はX線
回折強度でIrO2 /Irが10以上であることを特徴
とする半導体装置。
That is, the present invention is formed on an interlayer insulating film,
A lower electrode connected to a plug electrode penetrating the insulating film, a capacitor insulating film formed of a ferroelectric or high dielectric formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the capacitor insulating film; Wherein the lower electrode is formed of Ir on the Ir film.
A semiconductor device having a structure in which an O 2 film is laminated, wherein the IrO 2 film has an IrO 2 / Ir of 10 or more in X-ray diffraction intensity.

【0031】また本発明は、層間絶縁膜上に形成され、
該絶縁膜を貫通するプラグ電極に接続された下部電極
と、この下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体
からなるキャパシタ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上
に形成された上部電極とを備えたキャパシタを有する半
導体装置であって、前記下部電極はIrを含む膜からな
り、前記下部電極とキャパシタ絶縁膜との間にSrIr
3 又はPb2 Ir2 7-x を主成分とする導電性複合
酸化物層を設けてなることを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
Lower electrode connected to a plug electrode penetrating the insulating film
And a ferroelectric or high dielectric formed on this lower electrode
Capacitor insulating film consisting of
Having a capacitor with an upper electrode formed on the substrate
A conductor device, wherein the lower electrode is made of a film containing Ir.
Between the lower electrode and the capacitor insulating film.
OThreeOr PbTwoIrTwoO 7-x-Based conductive composite
It is characterized by being provided with an oxide layer.

【0032】また本発明は、層間絶縁膜上に形成され、
該絶縁膜を貫通するプラグ電極に接続された下部電極
と、この下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体
からなるキャパシタ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上
に形成された上部電極とを備えたキャパシタを有する半
導体装置であって、前記下部電極はIrを含む膜からな
り、前記下部電極とキャパシタ絶縁膜との間に厚さ4〜
50nmのSRO(SrRuO3 )層を設けてなること
を特徴とする。
Further, according to the present invention, there is provided a semiconductor device comprising:
A lower electrode connected to a plug electrode penetrating the insulating film, a capacitor insulating film formed of a ferroelectric or high dielectric formed on the lower electrode, and an upper electrode formed on the capacitor insulating film; Wherein the lower electrode is made of a film containing Ir, and has a thickness of 4 to 4 between the lower electrode and the capacitor insulating film.
It is characterized by having a 50 nm SRO (SrRuO 3 ) layer.

【0033】また本発明は、層間絶縁膜上に形成された
キャパシタの場合に限るものではなく、トランジスタの
ゲート電極上に直接、或いは絶縁膜を介して同様のキャ
パシタ構造を形成する場合にも当てはまる。その場合
は、プラグ上ではなくなるが酸素バリア性を生かした同
様の構造が可能となる。
The present invention is not limited to the case of a capacitor formed on an interlayer insulating film, but also applies to a case where a similar capacitor structure is formed directly on a gate electrode of a transistor or via an insulating film. . In that case, a similar structure utilizing the oxygen barrier property can be obtained although it is not located on the plug.

【0034】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は次のものが挙げられる。 (1) IrO2 膜は柱状組織を示すこと。 (2) プラグ電極の下端は、基板上に形成されたMOSト
ランジスタのソース・ドレイン領域の一方に接続されて
いること。 (3) 上部電極はRu及びRuO2 を主成分とする構造又
はSROを含む電極構造であること。 (4) キャパシタ絶縁膜は、PZT(Pb(Zrx Ti
1-x 3 )であること。
Here, preferred embodiments of the present invention include the following. (1) The IrO 2 film has a columnar structure. (2) The lower end of the plug electrode is connected to one of the source / drain regions of the MOS transistor formed on the substrate. (3) The upper electrode has a structure containing Ru and RuO 2 as main components or an electrode structure containing SRO. (4) The capacitor insulating film is made of PZT (Pb (Zr x Ti
1-x O 3 ).

【0035】また本発明は、強誘電体又は高誘電体をキ
ャパシタ絶縁膜として用いた強誘電体キャパシタを有す
る半導体装置の製造方法において、半導体基板上にスイ
ッチング用のMOSトランジスタを形成する工程と、前
記トランジスタ上に層間絶縁膜を形成し表面を平坦化す
る工程と、前記層間絶縁膜に埋め込んで前記トランジス
タのソース・ドレインの一方に接続されたプラグ電極を
形成する工程と、前記プラグ電極に接続して前記層間絶
縁膜上に下部電極としてのIr膜を形成する工程と、前
記Ir膜上にIrO2 膜を形成する工程と、前記IrO
2 膜上に強誘電体又は高誘電体からなるキャパシタ絶縁
膜を形成する工程と、前記キャパシタ絶縁膜上に上部電
極を形成する工程とを含むことを特徴とする。
The present invention also relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor using a ferroelectric or a high dielectric as a capacitor insulating film, wherein a step of forming a switching MOS transistor on a semiconductor substrate is provided. Forming an interlayer insulating film on the transistor to planarize the surface, forming a plug electrode connected to one of a source and a drain of the transistor by burying the interlayer insulating film, and connecting to the plug electrode. Forming an Ir film as a lower electrode on the interlayer insulating film, forming an IrO 2 film on the Ir film,
The method includes a step of forming a capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric on the two films, and a step of forming an upper electrode on the capacitor insulating film.

【0036】(作用)本発明によれば、下部電極として
酸素に対するバリア性の大きなIrを用いることによ
り、下部電極の下層に位置するW等のプラグ電極の酸化
やSiの酸化を防止することができる。また、IrとP
ZT等からなるキャパシタ絶縁膜との間にIrO2 、特
にX線回折強度でIrO2 /Irが10以上のIrO2
膜を設けることによって、キャパシタ絶縁膜の膜質を向
上させることが可能となる。また、IrO2 の代わりに
SRO(特に、厚さ4〜50nm)、SrIrO3 又は
Pb2 Ir2 7-x を主成分とする導電性複合酸化物層
を用いても、上記と同様の効果が得られる。
(Function) According to the present invention, by using Ir having a high barrier property against oxygen as the lower electrode, it is possible to prevent the oxidation of the plug electrode such as W located under the lower electrode and the oxidation of Si. it can. Also, Ir and P
IrO 2 between the capacitor insulating film made of ZT like, IrO 2 / Ir is 10 or more IrO 2, especially in the X-ray diffraction intensity
By providing the film, the film quality of the capacitor insulating film can be improved. The same effect as described above can be obtained by using a conductive composite oxide layer containing SRO (particularly, 4 to 50 nm in thickness), SrIrO 3 or Pb 2 Ir 2 O 7-x as a main component instead of IrO 2. Is obtained.

【0037】これにより、強誘電体や高誘電体からなる
キャパシタ絶縁膜の電気特性を劣化させることなく、さ
らには酸素熱処理工程にてキャパシタ下部にダメージを
与えることのないキャパシタ構造を持つ半導体装置を実
現することが可能となる。
Accordingly, a semiconductor device having a capacitor structure without deteriorating the electrical characteristics of a capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric and without damaging the lower portion of the capacitor in an oxygen heat treatment step is provided. It can be realized.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0039】(第1の実施形態)図1は本発明の第1の
実施形態に係わる強誘電体メモリを説明するためのもの
で、(a)はセル部分の構造を示す断面図、(b)はキ
ャパシタ部分の拡大断面図である。
(First Embodiment) FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining a ferroelectric memory according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a sectional view showing the structure of a cell portion, and FIG. () Is an enlarged sectional view of a capacitor portion.

【0040】本実施形態では、キャパシタ絶縁膜として
強誘電体膜であるPZTを用いている。図1(a)に示
すように、Si基板10上にMOSトランジスタが形成
され、トランジスタ領域上はPSG,BPSGなどの層
間絶縁膜15で平坦化され、その上にシリコン酸化膜
(SiO2 )及びシリコン窒化膜(SiN)(なお、図
1(a)では省略)が形成されている。絶縁膜15には
トランジスタのソース・ドレインの一方と接続されたW
プラグ16が埋め込み形成されている。このプラグ16
上に、TiAlNバリア層,Ir膜,IrO2 膜からな
る下部電極20が形成され、その上に強誘電体としての
PZT膜24が形成され、その上に上部電極25として
Ir膜が形成されている。なお、図中の11は素子分離
絶縁膜、12はゲート酸化膜、13はゲート電極、14
a,14bはソース・ドレイン領域を示している。
In this embodiment, PZT, which is a ferroelectric film, is used as the capacitor insulating film. As shown in FIG. 1A, a MOS transistor is formed on a Si substrate 10, the transistor region is flattened with an interlayer insulating film 15 such as PSG or BPSG, and a silicon oxide film (SiO 2 ) and A silicon nitride film (SiN) (not shown in FIG. 1A) is formed. Insulating film 15 has W connected to one of the source and drain of the transistor.
The plug 16 is embedded. This plug 16
A lower electrode 20 composed of a TiAlN barrier layer, an Ir film, and an IrO 2 film is formed thereon, a PZT film 24 as a ferroelectric is formed thereon, and an Ir film as an upper electrode 25 is formed thereon. I have. In the figure, 11 is an element isolation insulating film, 12 is a gate oxide film, 13 is a gate electrode, 14
Reference numerals a and 14b denote source / drain regions.

【0041】次に、本実施形態の強誘電体メモリの特徴
部分、特にキャパシタ部分を製造工程に従って詳しく説
明する。
Next, the characteristic portion of the ferroelectric memory of this embodiment, particularly, the capacitor portion will be described in detail according to the manufacturing process.

【0042】まず、Si基板に通常プロセスによりスイ
ッチング用のMOSトランジスタを作成する。そして、
トランジスタ領域上にPSG,BPSGなどの絶縁膜を
CVD法にて形成し、CMPを用いてその表面を平坦化
する。次いで、図1(b)に示すように、CVD法にて
SiO2 膜17及びSiN膜18を形成し下地基板とす
る。ここで、キャパシタとトランジスタのアクティブエ
リア(ソース,ドレイン)との接続をWや多結晶Siか
らなるプラグを用いて行うため、予めWプラグ16を形
成しておく。プラグ材料としては、W,Siの代わりに
TiNをCVD法にて埋め込んだものでもよい。プラグ
16の形成はブランケットCVD法とCMP法とを併用
する。
First, a switching MOS transistor is formed on a Si substrate by a normal process. And
An insulating film such as PSG or BPSG is formed over the transistor region by a CVD method, and its surface is planarized by using a CMP method. Next, as shown in FIG. 1B, a SiO 2 film 17 and a SiN film 18 are formed by a CVD method to form a base substrate. Here, since the connection between the capacitor and the active area (source, drain) of the transistor is made using a plug made of W or polycrystalline Si, a W plug 16 is formed in advance. As the plug material, a material in which TiN is embedded by CVD instead of W and Si may be used. The plug 16 is formed by using both a blanket CVD method and a CMP method.

【0043】次いで、強誘電体薄膜の形成或いはその後
のキャパシタ特性確保のための酸素中アニールプロセス
において、プラグ表面が酸化することを防止する目的か
らバリア金属層21を形成する。バリア層21にはTi
AlN(Ti/Al=0.9/0.1(モル比))を用
いた。厚さは50nmである。ここで、必ずしも下部電
極下全面にバリア層21を形成する必要はなく、プラグ
16をリセスした状態でプラグ16上にのみバリア層2
1を形成してもよいし、下部電極下全面に下部電極形成
時に作成してもよい。また、Ir層が厚く、PZT膜の
結晶化温度、キャパシタ加工の値の熱処理が短時間で低
温である場合(例えば500℃結晶化、後熱処理500
℃など)は、TiAlNのバリア層をTiNやTiとし
ても良い。それにより、全体のプロセスが若干異なって
くる。具体的には、DCマグネトロンスパッタ法を用い
てプラグ16との接続面にそのバリア層21を成膜す
る。
Next, a barrier metal layer 21 is formed for the purpose of preventing the plug surface from being oxidized in an oxygen annealing process for forming a ferroelectric thin film or securing capacitor characteristics thereafter. The barrier layer 21 is made of Ti
AlN (Ti / Al = 0.9 / 0.1 (molar ratio)) was used. The thickness is 50 nm. Here, it is not always necessary to form the barrier layer 21 over the entire lower surface of the lower electrode, and the barrier layer 2 is formed only on the plug 16 in a state where the plug 16 is recessed.
1 may be formed, or may be formed on the entire lower surface of the lower electrode when the lower electrode is formed. Further, when the Ir layer is thick and the heat treatment of the crystallization temperature of the PZT film and the value of the capacitor processing is performed in a short time and at a low temperature (for example, crystallization at 500 ° C. and post heat treatment 500).
C.) may be made of TiN or Ti as the barrier layer of TiAlN. Thereby, the whole process will be slightly different. Specifically, the barrier layer 21 is formed on the connection surface with the plug 16 by using a DC magnetron sputtering method.

【0044】次いで、バリア層21上に下部電極として
のIr膜22をスパッタ法にて形成する。膜厚は100
nmである。その上部に酸素を導入したスパッタにてI
rO x 膜23を50nmの厚さに成膜する。このスパッ
タは、DCマグネトロンスパッタを使用してAr/O2
=30/70、室温、1kWのスパッタ電力を300m
m径のターゲットに導入して行った。成膜直後のX線回
折図ではアモルファスに近い状態の構造が検出された。
モフォロジーを観察すると特徴的なグレインが見えない
平坦な構造を示す。
Next, a lower electrode is formed on the barrier layer 21.
Is formed by sputtering. The film thickness is 100
nm. I was sputtered with oxygen
rO xThe film 23 is formed to a thickness of 50 nm. This spatter
The Ar / O using DC magnetron sputtering.Two
= 30/70, room temperature, 1 kW sputtering power of 300 m
The test was carried out by introducing a target having an m diameter. X-ray rotation immediately after film formation
In the figure, a structure close to the amorphous state was detected.
Characteristic grains are not visible when observing morphology
Shows a flat structure.

【0045】PZTを形成する前の段階で、RTAを用
いて550℃にて熱処理するなどのプロセスを入れ、I
rO2 の結晶性を上げてもよい。この場合には、図2
(d)に示すように、柱状に成長した組織が観察され
る。X線回折によりIrO2 膜部分のIr,IrO2
強度比を求めたところ、図3(b)に示すように、Ir
の小さいピークに対してIrO2 ピークの大きさは10
倍以上となった。この組織はPZT膜を電極上に形成し
た後にRTA結晶化を行った場合も同様である。Ir膜
22は酸素アニール工程に対してプラグヘのバリア性を
確保する役割を示す。一方、界面でのIrO2 膜23は
PZT膜24との拡散,反応を抑制し、リーク電流を減
少させる。
Prior to the formation of PZT, a process such as heat treatment at 550 ° C. using RTA is performed.
The crystallinity of rO 2 may be increased. In this case, FIG.
As shown in (d), a columnar-grown structure is observed. When the intensity ratio of Ir and IrO 2 in the IrO 2 film portion was determined by X-ray diffraction, as shown in FIG.
The peak size of the IrO 2 peak is 10
More than double. This structure is the same when RTA crystallization is performed after forming the PZT film on the electrode. The Ir film 22 has a role of securing a barrier property to the plug in the oxygen annealing step. On the other hand, the IrO 2 film 23 at the interface suppresses diffusion and reaction with the PZT film 24, and reduces leakage current.

【0046】一方、IrO2 成膜時のスパッタガスの酸
素量を減らした場合(Ar/O2 =70/30)には、
図3(a)に示すように、PZT結晶化後のX線回折に
て強度比がIrO2 /Ir<10となりIrの明確なピ
ークが観測される。さらには熱処理後のIr系電極膜の
微細構造が細かい粒状組織或いはバルクの粒内破壊を生
じるような綴密組織となる。Wなどのプラグに対する酸
素バリア性を評価したところ、Ir単体のもののバリア
性が最も良かった。
On the other hand, when the oxygen amount of the sputtering gas during the IrO 2 film formation is reduced (Ar / O 2 = 70/30),
As shown in FIG. 3A, the intensity ratio becomes IrO 2 / Ir <10 by X-ray diffraction after PZT crystallization, and a clear Ir peak is observed. Further, the fine structure of the Ir-based electrode film after the heat treatment has a fine granular structure or a tightly packed structure that causes bulk intragranular fracture. When the oxygen barrier property against plugs such as W was evaluated, the barrier property of Ir alone was the best.

【0047】なお、図2(a)〜(d)は、Ir膜形成
後にAr/O2 ガス中でのスパッタによりIrO2 膜を
形成した時の結晶構造を示す顕微鏡写真であり、(a)
はAr/O2 =100/0、(b)はAr/O2 =90
/10、(c)はAr/O2=70/30、(d)はA
r/O2 =30/70の場合を示している。また、図3
はIrO2 のX線回折図であり、図3(a)のようにI
rO2 /Ir<10では後述するPZTの成膜において
良質な膜が得られない。図3(b)のようにIrO2 /
Ir≧10の場合に、後述するPZTの成膜において良
好な結果が得られることが本発明者らの実験により確認
されている。
FIGS. 2A to 2D are micrographs showing a crystal structure when an IrO 2 film is formed by sputtering in an Ar / O 2 gas after the formation of the Ir film.
Is Ar / O 2 = 100/0, (b) is Ar / O 2 = 90
/ 10, (c) is Ar / O 2 = 70/30, (d) is A
The case where r / O 2 = 30/70 is shown. FIG.
Is an X-ray diffraction diagram of IrO 2 , and as shown in FIG.
When rO 2 / Ir <10, a high quality film cannot be obtained in the later-described PZT film formation. As shown in FIG. 3 (b), IrO2 /
It has been confirmed by experiments by the present inventors that good results can be obtained in PZT film formation described below when Ir ≧ 10.

【0048】次いで、IrO2 膜23上にスパッタ法を
用いてPZT膜24を形成する。このPZT膜24の形
成には、RFマグネトロンスパッタ法を採用した。ここ
ではPb量を10%程度多くしたPZTセラミックター
ゲットを使用する。ターゲットの組成はPb1.10La
0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックタ
ーゲットは密度の高いものがスパッタ速度が大きく水分
などに対する耐環境性も良好であるため、理論密度98
%のセラミック焼結体を使用した。スパッタ時にはプラ
ズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバード
メントがあるために、Si基板からのPbの蒸発や再ス
パッタが起こり膜中のPb量の欠損が生じやすい。ター
ゲット中の過剰Pbはそれを補償するために加えてあ
る。Zr,Ti,Laなどの元素はターゲット組成とほ
ぼ同じ量で膜に取り込まれるため、望む組成の量比のも
のを用いればよい。
Next, a PZT film 24 is formed on the IrO 2 film 23 by using a sputtering method. The PZT film 24 was formed by RF magnetron sputtering. Here, a PZT ceramic target whose Pb content is increased by about 10% is used. The composition of the target is Pb 1.10 La
0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O 3 . A PZT ceramic target having a high density has a high theoretical density of 98 because it has a high sputtering rate and good environmental resistance to moisture and the like.
% Ceramic sintered body was used. At the time of sputtering, since the substrate temperature rises due to plasma and there is bombardment due to flying particles, evaporation and re-sputtering of Pb from the Si substrate occur, and the amount of Pb in the film is easily lost. Excess Pb in the target has been added to compensate for it. Elements such as Zr, Ti, and La are taken into the film in substantially the same amount as the target composition, so that a material having a desired composition ratio may be used.

【0049】電気特性がPZT膜の組成などで不安定な
場合には、アモルファスPZT膜の上部にシード層を形
成する。例えば、結晶化するPZT膜の構造,電気特性
を改良するために、酸素を導入したスパッタ法を利用す
る。最初にArを導入した雰囲気でスパッタ成膜して、
後に酸素を添加したAr中スパッタによりPZTシード
層を形成する。スパッタ条件は、ターゲット−基板間距
離が60mm、回転式のマグネットを用いて、12イン
チのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5
kWでスパッタを行う。ガス圧は0.5〜2.0Paで
Arに酸素を20%導入した条件で15〜30秒成膜
し、2〜5nm厚さのPZTアモルファスシード層を形
成する。続いて、Arガスのみを使用してガス圧0.5
〜2.0Pa,1.0〜1.5kWの電力にて約5分間
のRFマグネトロンスパッタによるアモルファスPZT
膜形成を行う。膜厚は100〜150nmである。な
お、シード層にはPZT膜ではなく、2〜5nm程度の
薄いTi膜,Zr膜,Nb膜,Ta膜などを使用しても
よい。
If the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film, a seed layer is formed on the amorphous PZT film. For example, a sputtering method in which oxygen is introduced is used to improve the structure and electrical characteristics of the PZT film to be crystallized. First, a sputter film is formed in an atmosphere in which Ar is introduced,
Later, a PZT seed layer is formed by sputtering in Ar with oxygen added. Sputtering conditions were as follows: the distance between the target and the substrate was 60 mm, and a 1.0-1.5
Sputter at kW. A film is formed for 15 to 30 seconds under the conditions that the gas pressure is 0.5 to 2.0 Pa and oxygen is introduced into Ar at 20% to form a PZT amorphous seed layer having a thickness of 2 to 5 nm. Subsequently, a gas pressure of 0.5 using only Ar gas is used.
PZT by RF magnetron sputtering for about 5 minutes at a power of 1.0 to 1.5 kW and power of 1.0 to 1.5 kW
A film is formed. The film thickness is 100 to 150 nm. Instead of the PZT film, a thin Ti film, Zr film, Nb film, Ta film or the like having a thickness of about 2 to 5 nm may be used for the seed layer.

【0050】PZT成膜前にターゲット表面の状態,温
度,チャンバー内環境を一定とするため、同じスパッタ
条件にて約1時間のプレスパッタを行った。Pb量及び
結晶化後の構造,電気特性はこのプレスパッタにより大
きく変化してしまう。バリア層を介してプラグ上に形成
されたIr系電極にアモルファスPZTが成膜されたも
のを、RTAを使用してPZT膜の結晶化を行う。得ら
れた膜をX線回折にて結晶構造を調べたところ、ペロブ
スカイト相で(100)面からの非常に強い反射が得ら
れた。微細構造の観察結果では、0.5μm径以上のP
ZT粒子が柱状組織のIrO2 上に形成されている。
Before forming the PZT film, pre-sputtering was performed for about 1 hour under the same sputtering conditions in order to keep the target surface state, temperature and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by the pre-sputtering. The amorphous PZT film formed on the Ir-based electrode formed on the plug via the barrier layer is subjected to crystallization of the PZT film using RTA. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, a very strong reflection from the (100) plane was obtained in the perovskite phase. Microstructure observation results show that P
ZT particles are formed on IrO 2 having a columnar structure.

【0051】次いで、PZT結晶膜24上に上部電極と
してIr膜25をDCマグネトロンスパッタにより形成
した。上部電極25は強誘電体と反応性が低いためにR
TAなどの熱処理プロセスを介した場合でもリークが起
こることが少ない。電極パターンの形成にはRIEを用
いて、Ar,塩素の混合ガス中でエッチングを行い微細
パターンを形成した。即ち、上部電極25上にレジスト
パターン又は酸化膜パターンを形成し、これをマスクに
上部電極25,PZT膜24,IrO2 膜23,Ir膜
22,バリア層21を選択的にエッチングした。
Next, an Ir film 25 was formed as an upper electrode on the PZT crystal film 24 by DC magnetron sputtering. Since the upper electrode 25 has low reactivity with the ferroelectric,
Leakage rarely occurs even through a heat treatment process such as TA. The electrode pattern was formed by etching in a mixed gas of Ar and chlorine using RIE to form a fine pattern. That is, a resist pattern or an oxide film pattern on the upper electrode 25, which upper electrode 25 as a mask, PZT films 24, IrO 2 layer 23, Ir film 22 was selectively etched barrier layer 21.

【0052】上部電極25との密着性、結晶の整合性を
向上させるために、350℃で窒素中30secのアニ
ール処理を施し強誘電体特性を得た。強誘電性を電荷量
Q−印加電圧Vのヒステリシス特性にて調べた結果、
2.5V印加時に分極量2Pr(残留分極×2)で約3
0μC/cm2 を示し、8インチSiウェハの全面に同
程度の分極量と抗電界を持つPZT膜であることが判っ
た。抗電圧は0.6V程度と低い値が得られた。この試
料の疲労特性を評価した。疲労特性評価は50μm×5
0μmの面積に相当するアレイで評価を行った。1012
サイクルの分極反転まで分極量の変化がなく、リーク電
流も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値で
あった。
In order to improve the adhesion to the upper electrode 25 and the coherence of the crystal, annealing was performed at 350 ° C. in nitrogen for 30 sec to obtain ferroelectric characteristics. As a result of examining the ferroelectricity by the hysteresis characteristic of the charge amount Q-applied voltage V,
Approximately 3 with a polarization amount of 2 Pr (remanent polarization x 2) when 2.5 V is applied
The PZT film showed 0 μC / cm 2 and was found to be a PZT film having the same amount of polarization and coercive electric field over the entire surface of an 8-inch Si wafer. The coercive voltage was as low as about 0.6 V. The fatigue properties of this sample were evaluated. Fatigue property evaluation is 50 μm × 5
Evaluation was performed on an array corresponding to an area of 0 μm. 10 12
There was no change in the amount of polarization until the polarization reversal of the cycle, and the leak current was a low value of the order of 10 -8 A / cm 2 when 3 V was applied.

【0053】これ以降は、図示しないが、キャパシタ上
部電極25からのコンタクトは通常のLSI作成プロセ
スを用いる。即ち、絶縁膜とRIE、配線成膜工程を繰
り返すことでキャパシタからの配線の引き出しを行う。
Thereafter, although not shown, the contact from the capacitor upper electrode 25 uses a normal LSI fabrication process. That is, the wiring is drawn out from the capacitor by repeating the insulating film, RIE, and wiring forming steps.

【0054】このように本実施形態によれば、キャパシ
タ下部電極として用いたIr膜22は酸素に対するバリ
ア性が大であるので、Wプラグ16の酸化を確実に防止
することができる。また、Ir膜22の上に直接PZT
膜24を形成すると膜質(強誘電特性,膜の均一性)が
悪くなり、疲労特性が低下する。これに対し、本実施形
態のように導電性酸化物であるIrO2 膜23を介在さ
せることにより、PZT膜24を良好な膜質に形成する
ことができ、疲労特性の向上をはかることができる。特
に、IrO2 膜23のX線回折強度でIrO2 /Irが
10以上であれば、IrO2 膜23が柱状組織を示し、
その上に形成するPZT膜24が極めて良質の膜になる
ことが確認された。
As described above, according to the present embodiment, since the Ir film 22 used as the capacitor lower electrode has a large barrier property against oxygen, the oxidation of the W plug 16 can be reliably prevented. PZT is directly formed on the Ir film 22.
When the film 24 is formed, the film quality (ferroelectric characteristics, uniformity of the film) deteriorates, and the fatigue characteristics deteriorate. On the other hand, by interposing the IrO 2 film 23 that is a conductive oxide as in the present embodiment, the PZT film 24 can be formed with good film quality, and the fatigue characteristics can be improved. In particular, if the X-ray diffraction intensity of the IrO 2 film 23 IrO 2 / Ir 10 or more, IrO 2 film 23 exhibits a columnar structure,
It has been confirmed that the PZT film 24 formed thereon becomes a very high quality film.

【0055】(第2の実施形態)図4は、本発明の第2
の実施形態に係わる強誘電体メモリのキャパシタ部構成
を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。本実施形態が
先に説明した第1の実施形態と異なる点は、IrO2
23の代わりにSRO膜33を用いたことにある。
(Second Embodiment) FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a capacitor part of the ferroelectric memory according to the embodiment. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. This embodiment differs from the first embodiment described above in that an SRO film 33 is used instead of the IrO 2 film 23.

【0056】まず、Si基板に通常プロセスによりトラ
ンジスタを作り込み、トランジスタ領域上に層間絶縁膜
を形成し表面を平坦化し、その上にSiO2 膜17及び
SiN膜18を形成し下地基板とする。層間絶縁膜にW
プラグ16を形成し、このプラグ16に接続するように
バリア金属層21を形成する。さらに、バリア層21上
にスパッタ法にてIr膜22を形成する。ここまでは、
第1の実施形態と同様である。
First, a transistor is formed on a Si substrate by a normal process, an interlayer insulating film is formed on the transistor region, the surface is flattened, and an SiO 2 film 17 and a SiN film 18 are formed thereon to form a base substrate. W for interlayer insulating film
The plug 16 is formed, and the barrier metal layer 21 is formed so as to be connected to the plug 16. Further, an Ir film 22 is formed on the barrier layer 21 by a sputtering method. So far,
This is the same as in the first embodiment.

【0057】次いで、Ir膜22上にSRO膜33を約
50nmの厚さで成膜する。このスパッタは、SROセ
ラミックターゲットを用いたDCマグネトロンスパッタ
にて行い、Ar雰囲気,室温,300Wのスパッタ電力
を300mm径のターゲットに導入して行った。成膜直
後のSROはアモルファス状態の構造のため、RTAを
使用して650℃の熱処理プロセスを入れ結晶化する。
Ir膜22は酸素アニール工程に対してプラグへのバリ
ア性を確保する役割を果たす。一方、界面でのSRO膜
33はPZT膜との拡散,反応を抑制し、リーク電流を
減少させる。SROとPZTの界面がPZTキャパシタ
の電気特性の面(分極飽和特性,疲労特性,リテンショ
ン特性)から良好であるため、本構造は有効である。
Next, an SRO film 33 is formed on the Ir film 22 to a thickness of about 50 nm. This sputtering was performed by DC magnetron sputtering using an SRO ceramic target, and an Ar atmosphere, room temperature, and a sputtering power of 300 W were introduced into a target having a diameter of 300 mm. Since SRO immediately after film formation has an amorphous structure, it is crystallized by performing a heat treatment process at 650 ° C. using RTA.
The Ir film 22 plays a role in securing a barrier property to the plug in the oxygen annealing step. On the other hand, the SRO film 33 at the interface suppresses diffusion and reaction with the PZT film, and reduces leakage current. This structure is effective because the interface between SRO and PZT is good in terms of electric characteristics (polarization saturation characteristics, fatigue characteristics, retention characteristics) of the PZT capacitor.

【0058】ここでは、Ir膜22上に直接SRO膜3
3を形成するプロセスについて説明したが、SROとI
rとの界面に5〜200nm程度のPt膜を挿入するこ
とで更にリーク電流を低減することができる。これに伴
い、SRO膜33の膜厚も10nm程度に低減すること
ができる。Ir膜22上に直接SRO膜33を形成した
場合にはSRO膜33によるPb,Irのバリア性を確
保する目的でSRO膜33の厚さを50nm程度と厚く
する必要があるが、Ptを挿入した場合はSRO膜33
は4nmまで薄くしてもで良好なヒステリシス特性が得
られる。即ち、ここで使用するSRO膜33の膜厚は4
〜50nmの範囲で良好なヒステリシス特性が得られる
ことになる。また、Irの代わりに、Ir/IrO2
層膜としてSRO膜との界面をIrO2 化すると、Pt
膜が無くてもリーク電流の少ない良好なヒステリシス特
性が得られる。
Here, the SRO film 3 is directly formed on the Ir film 22.
3 has been described, but SRO and I
By inserting a Pt film of about 5 to 200 nm at the interface with r, the leak current can be further reduced. Accordingly, the thickness of the SRO film 33 can be reduced to about 10 nm. When the SRO film 33 is formed directly on the Ir film 22, it is necessary to increase the thickness of the SRO film 33 to about 50 nm in order to secure the barrier property of Pb and Ir by the SRO film 33, but insert Pt. SRO film 33
Good hysteresis characteristics can be obtained even if the thickness is reduced to 4 nm. That is, the thickness of the SRO film 33 used here is 4
Good hysteresis characteristics can be obtained in the range of 5050 nm. When the interface with the SRO film is changed to IrO 2 as an Ir / IrO 2 laminated film instead of Ir, Pt
Good hysteresis characteristics with little leakage current can be obtained without a film.

【0059】ここで、Ir電極上にSRO膜を介してP
ZT膜を形成した場合のヒステリシス特性を、図5に示
しておく。図5(a)は、Ir電極上に直接SRO10
nmを形成し、その上にPZT膜を形成して作成したP
ZTキャパシタのヒステリシス特性であり、ヒステリシ
ス特性が崩れているのが分かる。また、リーク電流も1
-4A/cm2 と大きいものであった。図5(b)は、
Ir電極上にPt10nmを介してSRO10nmを形
成し、その上にPZT膜を形成して作成したPZTキャ
パシタのヒステリシス特性、図5(c)はIr電極上に
IrO2 膜を介してSRO10nmを形成し、その上に
PZT膜を形成して作成したPZTキャパシタのヒステ
リシス特性である。(b)(c)は何れの場合も、良好
な特性であるのが分かる。このことから、SROが10
nmと薄い場合は、Irの上に直接SROを形成するの
ではなく、PtやIrO2 を介在させるのが望ましい。
Here, P is formed on the Ir electrode through an SRO film.
FIG. 5 shows the hysteresis characteristics when the ZT film is formed. FIG. 5A shows that the SRO10
nm, and a PZT film is formed thereon.
This is the hysteresis characteristic of the ZT capacitor, and it can be seen that the hysteresis characteristic is broken. Also, the leakage current is 1
It was as large as 0 -4 A / cm 2 . FIG. 5 (b)
Forming a SRO10nm through Pt10nm on Ir electrode, the hysteresis characteristic of the upper PZT capacitor created by forming a PZT film, FIG. 5 (c) to form a SRO10nm through IrO 2 film on Ir electrode And a hysteresis characteristic of a PZT capacitor formed by forming a PZT film thereon. It can be seen that (b) and (c) show good characteristics in each case. From this, SRO is 10
When the thickness is as thin as nm, it is desirable that Pt or IrO 2 be interposed instead of forming SRO directly on Ir.

【0060】次いで、SRO膜33上にスパッタ法を用
いてPZT膜24を形成した。PZT膜24の形成は、
第1の実施形態と同様にした。次いで、第1の実施形態
と同様に、PZT膜24上に上部電極としてIr膜25
をDCマグネトロンスパッタにより形成した。Pt,I
rなどの貴金属のドライエッチングでは、蒸気圧の高い
化合物が得られないことからエッチングが困難で、キャ
パシタ側壁へのエッチング物質の再成膜が問題となる。
これを防止するために通常、キャパシタ加工の際にテー
パを付けて加工する方式を採っているが、この方法では
キャパシタ下部電極面積が大きくなる問題があり、微細
化には不向きである。
Next, a PZT film 24 was formed on the SRO film 33 by using a sputtering method. The formation of the PZT film 24
This is the same as in the first embodiment. Next, as in the first embodiment, an Ir film 25 is formed on the PZT film 24 as an upper electrode.
Was formed by DC magnetron sputtering. Pt, I
In dry etching of a noble metal such as r, etching cannot be performed because a compound having a high vapor pressure cannot be obtained, and re-deposition of an etching substance on the side wall of the capacitor becomes a problem.
In order to prevent this, a method in which a taper is used during the processing of the capacitor is usually employed. However, this method has a problem that the area of the lower electrode of the capacitor is large, and is not suitable for miniaturization.

【0061】上部電極25にはIr系ではなく、Ru系
電極であるRu,RuO2 ,SRO等を使用することが
できる。Ru系電極の場合は、酸素ガスを導入したプラ
ズマによりRuO4 などが形成され容易にドライエッチ
ングが可能である。また、Ru系電極もIrと同様にP
ZT界面で容易に酸化物(RuO2 など)を形成し得る
ため、350℃から500℃の低温熱処理により上部電
極界面の整合が取れ、ヒステリシス特性を得ることがで
きる。
The upper electrode 25 may be made of a Ru-based electrode such as Ru, RuO 2 , SRO, etc., instead of an Ir-based electrode. In the case of a Ru-based electrode, RuO 4 or the like is formed by plasma into which oxygen gas has been introduced, so that dry etching can be easily performed. In addition, the Ru-based electrode has a P
Since an oxide (such as RuO 2 ) can be easily formed at the ZT interface, the upper electrode interface can be matched by low-temperature heat treatment at 350 ° C. to 500 ° C., and hysteresis characteristics can be obtained.

【0062】本実施形態における強誘電性を電荷量Q−
印加電圧Vのヒステリシス特性にて調べた結果、2.5
V印加時に分極量2Pr(残留分極×2)で約30μC
/cm2 を示し、8インチSiウェハの全面に同程度の
分極量と抗電界を持つPZT膜であることが分かった。
抗電圧も0.6V程度と低い値が得られた。この試料の
疲労特性を評価した。疲労特性評価は50μm×50μ
mの面積に相当するアレイで評価したところ、1012
イクルの分極反転まで分極量の変化がなく、リーク電流
も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であ
った。
In this embodiment, the ferroelectricity is determined by the charge amount Q-
As a result of examining the hysteresis characteristics of the applied voltage V, 2.5
Approximately 30 μC with a polarization amount of 2 Pr (residual polarization × 2) when V is applied
/ Cm 2 , indicating that the film is a PZT film having the same amount of polarization and coercive electric field over the entire surface of an 8-inch Si wafer.
The coercive voltage was as low as about 0.6 V. The fatigue properties of this sample were evaluated. Fatigue property evaluation is 50μm × 50μ
When the evaluation was performed on an array corresponding to an area of m, the polarization amount did not change until the polarization reversal of 10 12 cycles, and the leakage current was a low value of the order of 10 -8 A / cm 2 when 3 V was applied.

【0063】これ以降は、図示しないが、キャパシタ上
部電極25からのコンタクトは通常のLSI作成プロセ
スを用いる。即ち、絶縁膜とRIE、配線成膜工程を繰
り返すことでキャパシタからの配線の引き出しを行う。
配線は、Wプラグを使用せずにリフロー技術を用いAl
配線技術を用いる。Wプラグを使用する場合は、キャパ
シタを酸化膜や窒化膜で覆うことにより水素の侵入を防
止し、強誘電体膜,電極膜との界面での還元作用による
劣化を防ぐ必要がある。以下、パッシベーション膜を形
成して半導体装置を完成する。
Thereafter, although not shown, the contact from the capacitor upper electrode 25 uses a normal LSI fabrication process. That is, the wiring is drawn out from the capacitor by repeating the insulating film, RIE, and wiring forming steps.
Wiring is made by Al using reflow technology without using W plug.
Wiring technology is used. When a W plug is used, it is necessary to prevent the intrusion of hydrogen by covering the capacitor with an oxide film or a nitride film, and to prevent deterioration due to reduction at the interface between the ferroelectric film and the electrode film. Hereinafter, a passivation film is formed to complete a semiconductor device.

【0064】このように本実施形態によれば、キャパシ
タ下部電極として用いたIr膜22は酸素に対するバリ
ア性が大であるので、Wプラグ16の酸化を確実に防止
することができる。また、Ir膜22の上に直接PZT
膜24を形成すると膜質(強誘電特性,膜の均一性)が
悪くなり、疲労特性が低下する。これに対し、本実施形
態のように導電性酸化物であるSRO膜33を介在させ
ることにより、PZT膜24を良好な膜質に形成するこ
とができ、疲労特性の向上をはかることができる。特
に、SRO膜33の膜厚が4〜50nmであれば、その
上に形成するPZT膜24が極めて良質の膜になること
が確認された。
As described above, according to the present embodiment, since the Ir film 22 used as the capacitor lower electrode has a large barrier property against oxygen, the oxidation of the W plug 16 can be reliably prevented. PZT is directly formed on the Ir film 22.
When the film 24 is formed, the film quality (ferroelectric characteristics, uniformity of the film) deteriorates, and the fatigue characteristics deteriorate. On the other hand, by interposing the SRO film 33, which is a conductive oxide, as in the present embodiment, the PZT film 24 can be formed with good film quality, and the fatigue characteristics can be improved. In particular, when the thickness of the SRO film 33 is 4 to 50 nm, it has been confirmed that the PZT film 24 formed thereon has an extremely high quality.

【0065】(第3の実施形態)図6は、本発明の第3
の実施形態に係わる強誘電体メモリのキャパシタ部構成
を示す断面図である。なお、図1と同一部分には同一符
号を付して、その詳しい説明は省略する。本実施形態が
先に説明した第1の実施形態と異なる点は、IrO2
23の代わりにSrIrO3 膜43を用いたことにあ
る。
(Third Embodiment) FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a capacitor part of the ferroelectric memory according to the embodiment. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. This embodiment differs from the first embodiment described above in that an SrIrO 3 film 43 is used instead of the IrO 2 film 23.

【0066】まず、Si基板に通常プロセスによりトラ
ンジスタを作り込み、トランジスタ領域上に層間絶縁膜
を形成し表面を平坦化し、その上にSiO2 膜17及び
SiN膜18を形成し下地基板とする。層間絶縁膜にW
プラグ16を形成し、このプラグ16に接続するように
バリア金属層21を形成する。さらに、バリア層21上
にスパッタ法にてIr膜22を形成する。ここまでは、
第1の実施形態と同様である。
First, a transistor is formed on a Si substrate by a normal process, an interlayer insulating film is formed on the transistor region, the surface is flattened, and an SiO 2 film 17 and a SiN film 18 are formed thereon to form a base substrate. W for interlayer insulating film
The plug 16 is formed, and the barrier metal layer 21 is formed so as to be connected to the plug 16. Further, an Ir film 22 is formed on the barrier layer 21 by a sputtering method. So far,
This is the same as in the first embodiment.

【0067】次いで、Ir膜22上にスパッタ法にてS
rIrO3 膜43を約50nmの厚さで成膜する。この
スパッタは、SrIrO3 セラミックターゲットを用い
たRFマグネトロンスパッタにて行い、Ar雰囲気,室
温,1kWのスパッタ電力を300mm径のターゲット
に導入して行った。成膜直後のSrIrO3 はアモルフ
ァス状態の構造のため、RTAを使用して650℃の熱
処理プロセスを入れ結晶化する。Ir膜22は酸素アニ
ール工程に対してプラグへのバリア性を確保する役割を
果たす。一方、界面でのSrIrO3 膜43はPZT膜
との拡散,反応を抑制し、リーク電流を減少させる。こ
のSrIrO3 の代わりに、Pb2 Ru 2 3 層を形成
してもよい。スパッタ膜による形成方法は同じである。
Next, S is formed on the Ir film 22 by sputtering.
rIrOThreeThe film 43 is formed with a thickness of about 50 nm. this
Sputtering is SrIrOThreeUsing a ceramic target
RF magnetron sputtering, Ar atmosphere, chamber
Temperature, 1kW sputtering power, 300mm diameter target
Was introduced. SrIrO immediately after film formationThreeIs Amorph
Heat at 650 ° C. using RTA
Crystallize with a treatment process. The Ir film 22 is made of oxygen
Role to ensure plug barrier properties
Fulfill. On the other hand, SrIrO at the interfaceThreeFilm 43 is a PZT film
To suppress the diffusion and reaction with, and reduce the leak current. This
SrIrOThreeInstead of PbTwoRu TwoOThreeForm a layer
May be. The formation method using a sputtered film is the same.

【0068】スパッタ以外にゾルゲル法やMOD法など
の塗布法を利用しても良い。更には、Ruを含む層(S
RO,RuO2 ,Ru層など)を成膜し、アモルファス
PZT膜と反応させることで形成することも可能であ
る。また、IrとSROとの反応により、SrIrO3
を作成することも可能である。その場合、一部TiやZ
r,Sr等が含まれる可能性があるが、上記導電相との
混合相或いは一部置換させた相として同様の機能を示
す。Wなどのプラグに対する酸素バリア性を評価したと
ころ、Ir単体のバリア性は良好であった。ここでは、
Ir電極上に直接SrIrO3 を形成するプロセスにつ
いて説明しているが、SrIrO3 とIrとの界面に1
0〜200nm程度のPt膜を挿入することで更にリー
ク電流を低減することができる。これに伴い、SrIr
3 の膜厚も10nm以下に低減することができる。
A coating method such as a sol-gel method or a MOD method may be used other than the sputtering. Further, a layer containing Ru (S
An RO, RuO 2 , Ru layer, etc.) can be formed and reacted with an amorphous PZT film. In addition, the reaction between Ir and SRO produces SrIrO 3
It is also possible to create In that case, some Ti and Z
Although it may contain r, Sr, etc., it exhibits the same function as a mixed phase with the above-mentioned conductive phase or a partially substituted phase. When the oxygen barrier property against a plug such as W was evaluated, Ir alone had a good barrier property. here,
Although the process of forming SrIrO 3 directly on the Ir electrode is described, the interface between SrIrO 3 and Ir is
By inserting a Pt film of about 0 to 200 nm, the leak current can be further reduced. Accordingly, SrIr
The thickness of O 3 can also be reduced to 10 nm or less.

【0069】次いで、SrIrO3 膜43上にスパッタ
法を用いてPZT膜24を形成した。PZT膜24の形
成は、第1の実施形態と同様にした。次いで、第1の実
施形態と同様に、PZT膜24上に上部電極としてIr
膜25をDCマグネトロンスパッタにより形成した。上
部電極は強誘電体と反応性が低いために、RTA等の熱
処理プロセスを介した場合でもリークが起こることが少
ない。上部電極としてIr系ではなく、Ru系電極であ
るRu,RuO2 ,SRO等を使用することができるの
は、先の実施形態と同様である。
Next, a PZT film 24 was formed on the SrIrO 3 film 43 by using a sputtering method. The formation of the PZT film 24 was the same as in the first embodiment. Next, similarly to the first embodiment, Ir as an upper electrode is formed on the PZT film 24.
The film 25 was formed by DC magnetron sputtering. Since the upper electrode has low reactivity with the ferroelectric, leakage hardly occurs even through a heat treatment process such as RTA. As in the previous embodiment, Ru, RuO 2 , SRO, or the like, which is not an Ir-based electrode but a Ru-based electrode, can be used as the upper electrode.

【0070】本実施形態における強誘電性を電荷量Q−
印加電圧Vのヒステリシス特性にて調べた結果、2.5
V印加時に分極量2Pr(残留分極×2)で約30μC
/cm2 を示し、8インチSiウェハの全面に同程度の
分極量と抗電界を持つPZT膜であることが分かった。
抗電圧も0.6V程度と低い値が得られた。この試料の
疲労特性を評価した。疲労特性評価は50μm×50μ
mの面積に相当するアレイで評価したところ、1012
イクルの分極反転まで分極量の変化がなく、リーク電流
も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であ
った。
In this embodiment, the ferroelectricity is determined by the charge amount Q-
As a result of examining the hysteresis characteristics of the applied voltage V, 2.5
Approximately 30 μC with a polarization amount of 2 Pr (residual polarization × 2) when V is applied
/ Cm 2 , indicating that the film is a PZT film having the same amount of polarization and coercive electric field over the entire surface of an 8-inch Si wafer.
The coercive voltage was as low as about 0.6 V. The fatigue properties of this sample were evaluated. Fatigue property evaluation is 50μm × 50μ
When the evaluation was performed on an array corresponding to an area of m, the polarization amount did not change until the polarization reversal of 10 12 cycles, and the leakage current was a low value of the order of 10 -8 A / cm 2 when 3 V was applied.

【0071】これ以降は、図示しないが、キャパシタ上
部電極25からのコンタクトは通常のLSI作成プロセ
スを用いる。即ち、絶縁膜とRIE、配線成膜工程を繰
り返すことでキャパシタからの配線の引き出しを行う。
配線はAl層を使用し、Wプラグを使用せずにリフロー
技術を用いてAl配線を形成する。Wプラグを使用する
場合は、キャパシタを酸化膜や窒化膜で覆うことにより
水素の侵入を防止し、強誘電体膜,電極膜との界面の還
元劣化を防ぐ必要がある。以下、パッシベーション膜を
形成して半導体装置を完成する。
Thereafter, although not shown, the contact from the capacitor upper electrode 25 uses a normal LSI fabrication process. That is, the wiring is drawn out from the capacitor by repeating the insulating film, RIE, and wiring forming steps.
As the wiring, an Al layer is used, and an Al wiring is formed by using a reflow technique without using a W plug. When a W plug is used, it is necessary to prevent the intrusion of hydrogen by covering the capacitor with an oxide film or a nitride film, and to prevent reduction deterioration of the interface between the ferroelectric film and the electrode film. Hereinafter, a passivation film is formed to complete a semiconductor device.

【0072】このように本実施形態においても、キャパ
シタ下部電極として用いたIr膜22の上に直接PZT
膜24を形成するのではなく、SrIrO3 膜43を介
してPZT膜24を成膜することにより、PZT膜24
を良好な膜質に形成することができる。従って、先の第
1及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
As described above, also in this embodiment, the PZT is directly formed on the Ir film 22 used as the capacitor lower electrode.
By forming the PZT film 24 via the SrIrO 3 film 43 instead of forming the film 24, the PZT film 24
Can be formed with good film quality. Therefore, effects similar to those of the first and second embodiments can be obtained.

【0073】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。実施形態では、キャパシタ絶縁膜
としてPZTを用いたが、これに限らずBITやSBT
等の強誘電体薄膜を用いることができる。さらに、必ず
しも強誘電体に限らず、TiO2 ,Ta2 5 等の高誘
電体薄膜を用いることも可能である。また、各部の膜厚
や製法等は、仕様に応じて適宜変更可能である。
The present invention is not limited to the above embodiments. In the embodiment, PZT is used as the capacitor insulating film. However, the present invention is not limited to this.
And the like can be used. Further, it is not necessarily limited to ferroelectrics, and it is also possible to use high dielectric thin films such as TiO 2 and Ta 2 O 5 . Further, the film thickness and the manufacturing method of each part can be appropriately changed according to the specifications.

【0074】また実施形態では、トランジスタに接続さ
れたプラグを含む基板上にキャパシタを形成する場合を
説明したが、本キャパシタ構造は1トランジスタタイプ
の強誘電体メモリにも適用することができる。具体的に
は、SiO2 ゲート酸化膜を形成したトランジスタのゲ
ート上にTiAlN,Ti,TiNを介して、或いは直
接Ir下部電極を形成する。その上に、実施形態で示し
たようにSRO,SrIrO3 ,Pb2 RuO7 ,Ir
2 などの膜を形成する。リーク電流を低減するために
これらの界面にPt等の膜を挿入してもよい。さらにそ
の上に、PZT膜などの強誘電体膜を成膜する。上部電
極にはIr系,Ru系を使用する。バリア層,下部電極
膜,強誘電体膜,上部電極膜の形成には、何れもスパッ
タ法などの成膜法を使用する。成膜条件の詳細は実施形
態に示した通りである。
In the embodiment, the case where the capacitor is formed on the substrate including the plug connected to the transistor has been described. However, the present capacitor structure can be applied to a one-transistor type ferroelectric memory. Specifically, an Ir lower electrode is formed via TiAlN, Ti, TiN or directly on the gate of the transistor on which the SiO 2 gate oxide film is formed. Furthermore, as shown in the embodiment, SRO, SrIrO 3 , Pb 2 RuO 7 , Ir
A film such as O 2 is formed. A film such as Pt may be inserted at these interfaces to reduce the leak current. Further, a ferroelectric film such as a PZT film is formed thereon. An Ir-based or Ru-based upper electrode is used. The barrier layer, the lower electrode film, the ferroelectric film, and the upper electrode film are all formed by a film forming method such as a sputtering method. The details of the film forming conditions are as described in the embodiment.

【0075】上記のキャパシタ構造をゲート膜上に形成
することにより、ゲート部分へ反応,拡散などの悪影響
を及ぼさずに強誘電体膜を形成することが可能となる。
この強誘電体膜に電圧を印加することで分極方向を制御
し、トランジスタのチャネル部の抵抗を変化させ、メモ
リとして使用することが可能となる。
By forming the above-mentioned capacitor structure on the gate film, it is possible to form the ferroelectric film without adversely affecting the gate portion such as reaction and diffusion.
By applying a voltage to the ferroelectric film, the direction of polarization is controlled, the resistance of the channel portion of the transistor is changed, and the ferroelectric film can be used as a memory.

【0076】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。
In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

【0077】[0077]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、キ
ャパシタの下部電極としてIr膜を用い、このIr膜と
PZT等のキャパシタ絶縁膜との間にX線回折強度でI
rO2/Irが10以上のIrO2 膜を設けることによ
って、キャパシタ絶縁膜の膜質を向上させることが可能
となる。これにより、強誘電体薄膜や高誘電体薄膜の電
気特性を劣化させることなく、さらには酸素熱処理工程
にてキャパシタ下部にダメージを与えることのないキャ
パシタ構造を持つ半導体装置を実現することが可能とな
る。また、IrO2 の代わりにSRO(特に、厚さ4〜
50nm)、SrIrO3 又はPb2 Ir2 7-x を主
成分とする導電性複合酸化物層を用いても、上記と同様
の効果が得られる。
As described above in detail, according to the present invention, an Ir film is used as a lower electrode of a capacitor, and an I-ray diffraction intensity between the Ir film and a capacitor insulating film such as PZT is obtained.
By providing an IrO 2 film having an rO 2 / Ir of 10 or more, the film quality of the capacitor insulating film can be improved. As a result, it is possible to realize a semiconductor device having a capacitor structure without deteriorating the electrical characteristics of the ferroelectric thin film or the high dielectric thin film, and without damaging the lower portion of the capacitor in the oxygen heat treatment step. Become. Also, instead of IrO 2 , SRO (particularly, a thickness of 4 to
50 nm), the same effect as described above can be obtained by using a conductive composite oxide layer containing SrIrO 3 or Pb 2 Ir 2 O 7-x as a main component.

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

【図1】第1の実施形態に係わる強誘電体メモリのセル
部分とキャパシタ部分の構造を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a cell portion and a capacitor portion of a ferroelectric memory according to a first embodiment.

【図2】強誘電体キャパシタ部分の結晶構造を示す顕微
鏡写真。
FIG. 2 is a micrograph showing a crystal structure of a ferroelectric capacitor portion.

【図3】Ar/O2 の流量比を変えた場合のIrO2
のX線回折図。
FIG. 3 is an X-ray diffraction diagram of an IrO 2 film when the flow ratio of Ar / O 2 is changed.

【図4】第2の実施形態に係わる強誘電体メモリのキャ
パシタ部の構造を示す断面図。
FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a capacitor part of a ferroelectric memory according to a second embodiment.

【図5】第2の実施形態におけるPZTキャパシタのヒ
ステリシス特性を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing hysteresis characteristics of a PZT capacitor according to the second embodiment.

【図6】第3の実施形態に係わる強誘電体メモリのキャ
パシタ部の構造を示す断面図。
FIG. 6 is a sectional view showing the structure of a capacitor part of a ferroelectric memory according to a third embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…Si基板 11…素子分離絶縁膜 12…ゲート酸化膜 13…ゲート電極 14…ソース・ドレイン領域 15…層間絶縁膜 16…Wプラグ 17…SiO2 膜 18…SiN膜 20…下部電極 21…TiAlNバリア層 22…Ir膜 23…IrO2 膜 24…PZT膜(強誘電体膜) 25…Ir膜(上部電極) 33…SRO膜 43…SrIrO3 10 ... Si substrate 11 ... the element isolation insulating film 12 ... gate oxide film 13 ... gate electrode 14 ... drain region 15 ... interlayer insulation film 16 ... W plugs 17 ... SiO 2 film 18 ... SiN film 20 ... lower electrode 21 ... TiAlN Barrier layer 22 Ir film 23 IrO 2 film 24 PZT film (ferroelectric film) 25 Ir film (upper electrode) 33 SRO film 43 SrIrO 3 film

フロントページの続き (72)発明者 今井 馨太郎 神奈川県横浜市磯子区新杉田町8番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Fターム(参考) 5F083 FR02 GA21 JA15 JA17 JA36 JA38 JA39 JA40 JA43 JA45 MA05 MA06 MA17 NA01 PR22 PR34 Continuation of the front page (72) Inventor Kataro Imai 8 Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Prefecture F-term in Toshiba Yokohama Office 5F083 FR02 GA21 JA15 JA17 JA36 JA38 JA39 JA40 JA43 JA45 MA05 MA06 MA17 NA01 PR22 PR34

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】層間絶縁膜上に形成され、該絶縁膜を貫通
するプラグ電極に接続された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極は、Ir膜の上にIrO2 膜を積層した構
造となっており、IrO2 膜はX線回折強度でIrO2
/Irが10以上であることを特徴とする半導体装置。
A lower electrode formed on an interlayer insulating film and connected to a plug electrode penetrating the insulating film; and a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed on the lower electrode. A semiconductor device having a capacitor having an upper electrode formed on the capacitor insulating film, wherein the lower electrode has a structure in which an IrO 2 film is laminated on an Ir film, and an IrO 2 film Is the X-ray diffraction intensity of IrO 2
/ Ir is 10 or more.
【請求項2】トランジスタのゲート電極上に直接、或い
は絶縁膜を介して形成された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極は、Ir膜の上にIrO2 膜を積層した構
造となっており、IrO2 膜はX線回折強度でIrO2
/Irが10以上であることを特徴とする半導体装置。
2. A lower electrode formed directly on a gate electrode of a transistor or through an insulating film, a capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric formed on the lower electrode, A semiconductor device having a capacitor having an upper electrode formed on an insulating film, wherein the lower electrode has a structure in which an IrO 2 film is stacked on an Ir film, and the IrO 2 film is an X-ray IrO 2 at diffraction intensity
/ Ir is 10 or more.
【請求項3】前記IrO2 膜は、柱状組織を示すことを
特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein said IrO 2 film has a columnar structure.
【請求項4】層間絶縁膜上に形成され、該絶縁膜を貫通
するプラグ電極に接続された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極はIrを含む膜からなり、前記下部電極と
キャパシタ絶縁膜との間にSrIrO3 又はPb2 Ir
2 7-x を主成分とする導電性複合酸化物層を設けてな
ることを特徴とする半導体装置。
4. A lower electrode formed on an interlayer insulating film and connected to a plug electrode penetrating the insulating film, and a capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric formed on the lower electrode. A semiconductor device having a capacitor provided with an upper electrode formed on the capacitor insulating film, wherein the lower electrode is made of a film containing Ir, and SrIrO 3 or Pb 2 Ir
A semiconductor device comprising a conductive complex oxide layer containing 2 O 7-x as a main component.
【請求項5】トランジスタのゲート電極上に直接、或い
は絶縁膜を介して形成された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極はIrを含む膜からなり、前記下部電極と
キャパシタ絶縁膜との間にSrIrO3 又はPb2 Ir
2 7-x を主成分とする導電性複合酸化物層を設けてな
ることを特徴とする半導体装置。
5. A lower electrode formed directly on a gate electrode of a transistor or through an insulating film, a capacitor insulating film made of a ferroelectric or a high dielectric formed on the lower electrode, A semiconductor device having a capacitor having an upper electrode formed on an insulating film, wherein the lower electrode is made of a film containing Ir, and SrIrO 3 or Pb 2 Ir is provided between the lower electrode and the capacitor insulating film.
A semiconductor device comprising a conductive complex oxide layer containing 2 O 7-x as a main component.
【請求項6】層間絶縁膜上に形成され、該絶縁膜を貫通
するプラグ電極に接続された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極はIrを含む膜からなり、前記下部電極と
キャパシタ絶縁膜との間に厚さ4〜50nmのSRO
(SrRuO3 )層を設けてなることを特徴とする半導
体装置。
6. A lower electrode formed on an interlayer insulating film and connected to a plug electrode penetrating the insulating film, and a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed on the lower electrode. A semiconductor device having a capacitor having an upper electrode formed on the capacitor insulating film, wherein the lower electrode is made of a film containing Ir, and has a thickness of 4 between the lower electrode and the capacitor insulating film. ~ 50nm SRO
A semiconductor device comprising a (SrRuO 3 ) layer.
【請求項7】トランジスタのゲート電極上に直接、或い
は絶縁膜を介して形成された下部電極と、この下部電極
上に形成された強誘電体又は高誘電体からなるキャパシ
タ絶縁膜と、このキャパシタ絶縁膜上に形成された上部
電極とを備えたキャパシタを有する半導体装置であっ
て、 前記下部電極はIrを含む膜からなり、前記下部電極と
キャパシタ絶縁膜との間に厚さ4〜50nmのSRO
(SrRuO3 )層を設けてなることを特徴とする半導
体装置。
7. A lower electrode formed directly or via an insulating film on a gate electrode of a transistor, a capacitor insulating film made of a ferroelectric or high dielectric formed on the lower electrode, A semiconductor device having a capacitor having an upper electrode formed on an insulating film, wherein the lower electrode is made of a film containing Ir, and has a thickness of 4 to 50 nm between the lower electrode and the capacitor insulating film. SRO
A semiconductor device comprising a (SrRuO 3 ) layer.
【請求項8】前記プラグ電極の下端は、基板上に形成さ
れたMOSトランジスタのソース・ドレイン領域の一方
に接続されていることを特徴とする請求項1〜7の何れ
かに記載の半導体装置。
8. The semiconductor device according to claim 1, wherein a lower end of said plug electrode is connected to one of a source / drain region of a MOS transistor formed on a substrate. .
【請求項9】前記上部電極は、Ru及びRuO2 を主成
分とする構造、又はSROを含む電極構造であることを
特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の半導体装置。
9. The semiconductor device according to claim 1, wherein said upper electrode has a structure containing Ru and RuO 2 as main components or an electrode structure containing SRO.
【請求項10】半導体基板上にスイッチング用のMOS
トランジスタを形成する工程と、前記トランジスタ上に
層間絶縁膜を形成し表面を平坦化する工程と、前記層間
絶縁膜に埋め込んで前記トランジスタのソース・ドレイ
ンの一方に接続されたプラグ電極を形成する工程と、前
記プラグ電極に接続して前記層間絶縁膜上に下部電極と
してのIr膜を形成する工程と、前記Ir膜上にIrO
2 膜を形成する工程と、前記IrO2 膜上に強誘電体又
は高誘電体からなるキャパシタ絶縁膜を形成する工程
と、前記キャパシタ絶縁膜上に上部電極を形成する工程
とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. A switching MOS on a semiconductor substrate.
A step of forming a transistor, a step of forming an interlayer insulating film on the transistor and flattening the surface, and a step of forming a plug electrode connected to one of a source and a drain of the transistor by embedding in the interlayer insulating film Forming an Ir film as a lower electrode on the interlayer insulating film by connecting to the plug electrode; and forming an IrO film on the Ir film.
2 forming a film, forming a ferroelectric or high dielectric capacitor insulating film on the IrO 2 film, and forming an upper electrode on the capacitor insulating film. Manufacturing method of a semiconductor device.
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