JP2003168783A - Manufacturing method for semiconductor memory - Google Patents

Manufacturing method for semiconductor memory

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JP2003168783A
JP2003168783A JP2001364895A JP2001364895A JP2003168783A JP 2003168783 A JP2003168783 A JP 2003168783A JP 2001364895 A JP2001364895 A JP 2001364895A JP 2001364895 A JP2001364895 A JP 2001364895A JP 2003168783 A JP2003168783 A JP 2003168783A
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JP
Japan
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ferroelectric
layer
semiconductor memory
manufacturing
forming
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Naohiro Tanaka
均洋 田中
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method for a semiconductor memory capable of forming a ferroelectric capacitor for which the boundary of a ferroelectric film and the upper and lower electrodes is steep in order to realize a highly integrated device. <P>SOLUTION: The manufacturing method for the semiconductor memory which is provided with a ferroelectric substance between a pair of electrodes and stores data by polarization of the ferroelectric substance corresponding to an application voltage to both electrodes comprises a process of forming a first electrode 35 on a substrate, a process of forming a ferroelectric substance layer 23 on an upper layer of the first electrode 35, and a process of forming a second electrode 37 on the upper layer of the ferroelectric substance layer 23. The process of forming the ferroelectric substance layer 23 includes at least a process of irradiating a ferroelectric precursor layer or the ferroelectric substance layer with light of an ultraviolet region. The ferroelectric precursor layer is irradiated and crystallized, or the ferroelectric substance layer is irradiated and an impurity layer or the like of a surface layer is removed. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、半導体記憶装置の
製造方法に関し、とくに強誘電体の分極反転を利用した
強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置の製造方法
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor memory device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor utilizing polarization reversal of a ferroelectric substance.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体記憶装置の1つとして、強誘電体
を一対の電極間に有して、両電極への印加電圧に応じた
強誘電体の分極によってデータを記憶する強誘電体キャ
パシタを利用した強誘電体メモリが知られている。強誘
電体メモリにおいては、強誘電体層の分極電荷値の大小
が読み出し信号量の大小に比例するので、装置の信頼性
向上のために、強誘電体層の膜質の向上などにより安定
した分極電荷値を確保することなどが重要である。
2. Description of the Related Art As one of semiconductor memory devices, a ferroelectric capacitor having a ferroelectric between a pair of electrodes and storing data by polarization of the ferroelectric according to a voltage applied to both electrodes is known. A ferroelectric memory using the same is known. In a ferroelectric memory, since the magnitude of the polarization charge value of the ferroelectric layer is proportional to the magnitude of the read signal amount, stable polarization is achieved by improving the film quality of the ferroelectric layer in order to improve the reliability of the device. It is important to secure the charge value.

【0003】上記の強誘電体メモリの製造方法は、例え
ば、半導体基板にMOSトランジスタを形成し、一方の
ソース・ドレイン拡散層に接続するように、下部電極
(第1電極を形成し、その上層に強誘電体層を形成し、
その上層に上部電極(第2電極)を形成する。
In the method of manufacturing the ferroelectric memory described above, for example, a MOS transistor is formed on a semiconductor substrate, and a lower electrode (first electrode is formed so as to be connected to one of the source / drain diffusion layers and an upper layer thereof is formed). Forming a ferroelectric layer on
An upper electrode (second electrode) is formed on the upper layer.

【0004】ここで、下部電極を第1の方向に延伸する
ように形成し、第2電極を第1の方向と直交する第2の
方向に延伸するように形成することで、第1の電極と第
2の電極の交差する領域を、上記の強誘電体層の分極に
よってデータを記憶する記憶領域とするクロスポイント
型の記憶装置とすることができる。
Here, the lower electrode is formed so as to extend in the first direction, and the second electrode is formed so as to extend in the second direction orthogonal to the first direction, whereby the first electrode is formed. It is possible to form a cross-point type memory device in which a region where the and the second electrode intersect is a memory region for storing data by polarization of the ferroelectric layer.

【0005】従来の上記の強誘電体層を形成する工程に
おいては、強誘電体を結晶化するために、可視領域また
は赤外領域の光が用いられてきた。
In the conventional process of forming the above ferroelectric layer, light in the visible region or infrared region has been used to crystallize the ferroelectric substance.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
強誘電体キャパシタの製造方法においては、強誘電体を
結晶化するために、可視領域または赤外領域の光が用い
られており、強誘電体となる部分と下部電極が同時に加
熱されるため、これらの相互の反応が発生し、強誘電体
膜と下部電極が急峻な界面を持つ構造に形成されにくい
場合があったり、あるいは、強誘電体膜の形成にあたっ
て、下部電極を含む下地の構造の影響により、場合によ
っては望ましくない結晶配向を有する強誘電体膜となっ
てしまうことがある。
However, in the above-described method for manufacturing a ferroelectric capacitor, light in the visible region or infrared region is used to crystallize the ferroelectric substance, and the ferroelectric substance is used. The lower electrode and the part to be heated are heated at the same time, so that a mutual reaction between them occurs, and it may be difficult to form a structure with a steep interface between the ferroelectric film and the lower electrode. In forming the film, a ferroelectric film having an undesired crystal orientation may be formed in some cases due to the influence of the structure of the base including the lower electrode.

【0007】また、結晶化の温度を低下させ、半導体記
憶装置の製造に要する総熱量を減らす目的で、強誘電体
の化学量論的組成とは異なる組成の薄膜を作成すること
があるが、この場合には、過剰な添加元素が膜の最表面
に不純物被膜として析出し、上部電極と強誘電体層との
急峻な界面を形成することができなくなってしまうとい
う問題がある。上記の各問題が、強誘電体の薄膜が本来
有している特性を具現化する妨げとなっており、高集積
デバイスを実現する障害となっている。
Further, a thin film having a composition different from the stoichiometric composition of the ferroelectric substance may be formed for the purpose of lowering the crystallization temperature and reducing the total heat required for manufacturing the semiconductor memory device. In this case, an excessive additive element is deposited on the outermost surface of the film as an impurity film, which makes it impossible to form a steep interface between the upper electrode and the ferroelectric layer. Each of the above problems is an obstacle to realizing the characteristics originally possessed by the ferroelectric thin film, and is an obstacle to realizing a highly integrated device.

【0008】本発明は上記の状況に鑑みてなされたもの
であり、従って本発明の目的は、高集積デバイスの実現
を可能にするために、強誘電体膜とその上下の電極との
界面が急峻な強誘電体キャパシタを形成することが可能
な半導体記憶装置の製造方法を提供することである。
The present invention has been made in view of the above situation. Therefore, in order to realize a highly integrated device, an object of the present invention is to reduce the interface between the ferroelectric film and the electrodes above and below the ferroelectric film. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a semiconductor memory device capable of forming a steep ferroelectric capacitor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の半導体記憶装置の製造方法は、強誘電体を
一対の電極間に有して、両電極への印加電圧に応じた強
誘電体の分極によってデータを記憶する半導体記憶装置
の製造方法であって、基板に第1電極を形成する工程
と、上記第1電極の上層に強誘電体層を形成する工程
と、上記強誘電体層の上層に第2電極を形成する工程と
を有し、上記強誘電体層を形成する工程が、紫外領域の
光を強誘電体前駆物質層または強誘電体層に照射する工
程を少なくとも含む。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention has a ferroelectric substance between a pair of electrodes and responds to a voltage applied to both electrodes. A method of manufacturing a semiconductor memory device, which stores data by polarization of a ferroelectric, comprising: forming a first electrode on a substrate; forming a ferroelectric layer on the upper layer of the first electrode; Forming a second electrode on the upper layer of the dielectric layer, wherein the step of forming the ferroelectric layer comprises the step of irradiating the ferroelectric precursor layer or the ferroelectric layer with light in the ultraviolet region. At least include.

【0010】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記第1電極を形成する工程において
は、第1の方向に延伸するように形成し、上記第2電極
を形成する工程においては、上記第1の方向と異なる第
2の方向に延伸するように形成し、上記第1電極と上記
第2電極の交差する領域が、上記強誘電体の分極によっ
てデータを記憶する領域となる。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, preferably, in the step of forming the first electrode, the second electrode is formed so as to extend in the first direction. In the step, the region is formed so as to extend in a second direction different from the first direction, and a region where the first electrode and the second electrode intersect is a region for storing data by polarization of the ferroelectric substance. Becomes

【0011】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記紫外領域の光は、300nm以下、
193nm以上の波長の光である。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the light in the ultraviolet region is preferably 300 nm or less,
It is light having a wavelength of 193 nm or more.

【0012】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記強誘電体層を形成する工程が、上記
第1電極上に強誘電体前駆物質層を形成する工程と、当
該強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を照射して強誘電
体の種結晶の層とする工程とを含む。さらに好適には、
上記強誘電体前駆物質層は膜厚が50nm以下である。
また、さらに好適には、上記強誘電体前駆物質層に紫外
領域の光を照射する工程において、25℃における飽和
蒸気量の90%以上の水蒸気を含有する雰囲気下で、間
欠的に紫外領域の光を照射する。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, preferably, the step of forming the ferroelectric layer includes the step of forming a ferroelectric precursor layer on the first electrode, Irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric seed crystal layer. More preferably,
The ferroelectric precursor layer has a thickness of 50 nm or less.
Further, more preferably, in the step of irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet range, the ultraviolet range is intermittently changed in an atmosphere containing 90% or more of the saturated vapor amount of water vapor at 25 ° C. Irradiate with light.

【0013】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記強誘電体層を形成する工程が、強誘
電体の種結晶の層上に強誘電体前駆物質層を形成する工
程と、当該強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を照射し
て強誘電体の層とする工程とを含む。さらに好適には、
上記強誘電体前駆物質層は膜厚が50nm以下である。
また、さらに好適には、上記強誘電体前駆物質層に紫外
領域の光を照射する工程において、25℃における飽和
蒸気量の90%以上の水蒸気を含有する雰囲気下で、間
欠的に紫外領域の光を照射する。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, preferably, the step of forming the ferroelectric layer forms a ferroelectric precursor layer on the ferroelectric seed crystal layer. And a step of irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric layer. More preferably,
The ferroelectric precursor layer has a thickness of 50 nm or less.
Further, more preferably, in the step of irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet range, the ultraviolet range is intermittently changed in an atmosphere containing 90% or more of the saturated vapor amount of water vapor at 25 ° C. Irradiate with light.

【0014】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記紫外領域の光を照射する工程におい
て、上記基板を室温以上500℃以下の温度に加熱しな
がら行う。また、好適には、上記第1電極が、貴金属、
貴金属を含有する合金および導電性酸化物のいずれかを
含有する。また、好適には、上記第1電極の最表面の一
部または全部が、酸化イリジウムを含有する。また、好
適には、上記強誘電体層が、主たる成分として、層状構
造を含む強誘電体結晶である(Bi,Ma)Bi2 (T
i,Mb)29 (MaはBi,Ca,Sr,Baのい
ずれかであり、MbはTaまたはNbである)を含有す
る。
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is preferably performed while heating the substrate to a temperature of room temperature or higher and 500 ° C. or lower in the step of irradiating with light in the ultraviolet region. Preferably, the first electrode is a noble metal,
It contains either an alloy containing a noble metal or a conductive oxide. Further, preferably, part or all of the outermost surface of the first electrode contains iridium oxide. In addition, preferably, the ferroelectric layer is a ferroelectric crystal having a layered structure as a main component (Bi, Ma) Bi 2 (T).
i, Mb) 2 O 9 (Ma is any of Bi, Ca, Sr and Ba, and Mb is Ta or Nb).

【0015】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記第1電極を形成する工程の後、上記
強誘電体層を形成する工程の前に、上記第1電極を含む
上記強誘電体層の下地となる層を平坦化する工程をさら
に含む。さらに好適には、上記平坦化工程を化学的機械
研磨処理により行う。
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention preferably includes the first electrode after the step of forming the first electrode and before the step of forming the ferroelectric layer. The method further includes the step of planarizing a layer that is a base of the ferroelectric layer. More preferably, the flattening step is performed by chemical mechanical polishing.

【0016】上記の本発明の半導体記憶装置の製造方法
は、好適には、上記強誘電体層を形成する工程が、上記
強誘電体前駆物質層または上記強誘電体層の最表面の層
に紫外領域の光を照射して蒸発させ、除去する工程を含
む。さらに好適には、上記強誘電体層を形成する工程
が、さらに、上記第1電極上に強誘電体前駆物質層を形
成して紫外領域の光を照射して強誘電体の種結晶の層と
する工程、および、強誘電体の種結晶の層上に強誘電体
前駆物質層を形成して紫外領域の光を照射して強誘電体
の層とする工程の少なくともいずれかを含む。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, preferably, the step of forming the ferroelectric layer is performed on the outermost surface layer of the ferroelectric precursor layer or the ferroelectric layer. It includes the step of irradiating with light in the ultraviolet region to evaporate and remove. More preferably, the step of forming the ferroelectric layer further includes forming a ferroelectric precursor layer on the first electrode and irradiating it with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric seed crystal layer. And a step of forming a ferroelectric precursor material layer on the ferroelectric seed crystal layer and irradiating it with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric layer.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を用いて詳しく説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

【0018】第1実施形態 図1は、本実施形態に係る半導体記憶装置(クロスポイ
ント型の強誘電体メモリ)の断面図である。例えばLO
COSなどの素子分離絶縁膜20で分離された半導体基
板10の活性領域において、酸化シリコンのゲート絶縁
膜21を介して、例えばポリシリコンとタングステンシ
リサイドと2層構成とするポリサイドあるいは単層のポ
リシリコンなどからなり、ワード線となるゲート電極3
0が形成されている。ゲート電極30の両側部における
半導体基板10中にはイオン注入によりソース・ドレイ
ン領域となる不純物拡散層11,12,13が形成され
ており、以上のように2個のMOS(metal−ox
ide−semiconductor)トランジスタT
rが一方のソース・ドレイン領域となる拡散層12を共
有するように構成されている。
First Embodiment FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor memory device (cross-point type ferroelectric memory) according to this embodiment. For example LO
In the active region of the semiconductor substrate 10 separated by an element isolation insulating film 20 such as COS, for example, polysilicon and tungsten silicide are formed into a two-layer structure of polycide or a single layer of polysilicon through a gate insulating film 21 of silicon oxide. Gate electrode 3 that consists of
0 is formed. Impurity diffusion layers 11, 12 and 13 to be source / drain regions are formed in the semiconductor substrate 10 on both sides of the gate electrode 30 by ion implantation, and as described above, two MOS (metal-ox) are formed.
ide-semiconductor transistor T
The r is configured to share the diffusion layer 12 serving as one of the source / drain regions.

【0019】上記の2個のトランジスタTrは、例えば
半導体基板10がp型、拡散層11,12,13がn型
であるnチャネル型となっている。さらに、半導体基板
10上には不図示のpチャネルMOSトランジスタが形
成されており、COMS(complementary
MOS)トランジスタが構成されている。上記の2個
のMOSトランジスタを被覆して全面に例えば酸化シリ
コンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの複合膜など
からなる層間絶縁膜22が形成されており、2個のMO
SトランジスタTrで共有された拡散層12に達するコ
ンタクトホールが開口されて内部にコンタクトプラグ3
1が形成され、その上部にビット線となる配線32が形
成されている。
The above-mentioned two transistors Tr are, for example, n-channel type in which the semiconductor substrate 10 is p-type and the diffusion layers 11, 12 and 13 are n-type. Further, a p-channel MOS transistor (not shown) is formed on the semiconductor substrate 10, and a COMS (complementary) is formed.
MOS) transistor. An interlayer insulating film 22 made of, for example, silicon oxide or a composite film of silicon oxide and silicon nitride is formed on the entire surface to cover the two MOS transistors described above.
A contact hole reaching the diffusion layer 12 shared by the S-transistor Tr is opened, and the contact plug 3 is formed inside.
1 is formed, and the wiring 32 to be a bit line is formed on the upper part.

【0020】また、一方のMOSトランジスタTrの共
有されていない拡散層13に達するコンタクトホールが
開口されて内部にコンタクトプラグ33が形成されてお
り、一方、他方のMOSトランジスタTrの共有されて
いない拡散層11に達するコンタクトホールが開口され
て内部にコンタクトプラグ34が形成されている。上記
のコンタクトプラグ33に接続して、例えばIr/Ir
2 の積層体からなる第1下部電極35が、第1の方向
に延伸するように形成されている。第1下部電極35の
上層に、例えばBi系の層状構造を含む強誘電体結晶で
ある(Bi,Ma)Bi2 (Ti,Mb)29 (Ma
はBi,Ca,Sr,Baのいずれかであり、MbはT
aまたはNbである)などからなる強誘電体層23が形
成されている。強誘電体層23の上層に、例えばIrあ
るいはIrO2 /Irの積層体からなる第1上部電極3
7が、例えば第1の方向に直交する第2の方向に延伸す
るように形成されている。
Further, a contact hole reaching the diffusion layer 13 which is not shared by one of the MOS transistors Tr is opened and a contact plug 33 is formed therein, while a diffusion hole which is not shared by the other MOS transistor Tr is formed. A contact hole reaching the layer 11 is opened and a contact plug 34 is formed inside. For example, Ir / Ir is connected to the contact plug 33.
The first lower electrode 35 made of a laminated body of O 2 is formed so as to extend in the first direction. On the upper layer of the first lower electrode 35, for example, a ferroelectric crystal (Bi, Ma) Bi 2 (Ti, Mb) 2 O 9 (Ma) containing a Bi-based layered structure is formed.
Is Bi, Ca, Sr, or Ba, and Mb is T
A ferroelectric layer 23 made of, for example, a or Nb) is formed. On the upper layer of the ferroelectric layer 23, for example, a first upper electrode 3 made of Ir or a laminated body of IrO 2 / Ir
7 is formed so as to extend in a second direction orthogonal to the first direction, for example.

【0021】ここで、第1下部電極35が第1の方向に
延伸し、第1上部電極37が第1の方向と直交する第2
の方向に延伸しており、第1下部電極35と第1上部電
極37の交差する領域は、強誘電体を一対の電極間に有
する第1強誘電体キャパシタCap1となっており、強
誘電体層の分極によってデータを記憶し、第1下部電極
35が記憶ノードとなる記憶領域となる。
Here, the first lower electrode 35 extends in the first direction, and the first upper electrode 37 extends in the second direction orthogonal to the first direction.
In the region where the first lower electrode 35 and the first upper electrode 37 intersect, a first ferroelectric capacitor Cap1 having a ferroelectric between a pair of electrodes is formed. Data is stored by the polarization of the layer, and the first lower electrode 35 serves as a storage region serving as a storage node.

【0022】また、コンタクトプラグ34に接続して、
中間導電体36が形成されており、上記の第1強誘電体
キャパシタCap1および中間導電体36を被覆して全
面に、例えば酸化シリコンなどからなる層間絶縁膜24
が形成されている。層間絶縁膜24には、中間導電体3
6に達するコンタクトホールが開口されており、中間導
電体36に接続するようにコンタクトホールを埋め込ん
で、また、層間絶縁膜24の上層において第1の方向に
延伸するように、例えばIr/IrO2 の積層体からな
る第2下部電極38が形成されている。第2下部電極3
8の上層に、例えばBi系の層状構造を含む強誘電体結
晶である(Bi,Ma)Bi2 (Ti,Mb)29
(MaはBi,Ca,Sr,Baのいずれかであり、M
bはTaまたはNbである)などからなる強誘電体層2
5が形成されている。強誘電体層25の上層に、例えば
IrあるいはIrO2 /Irの積層体からなる第2上部
電極39が、例えば第1の方向に直交する第2の方向に
延伸するように形成されている。
Further, by connecting to the contact plug 34,
An intermediate conductor 36 is formed and covers the first ferroelectric capacitor Cap1 and the intermediate conductor 36 to cover the entire surface with an interlayer insulating film 24 made of, for example, silicon oxide.
Are formed. The interlayer insulating film 24 has an intermediate conductor 3
6, a contact hole reaching 6 is buried, the contact hole is buried so as to be connected to the intermediate conductor 36, and is extended in the first direction in the upper layer of the interlayer insulating film 24, for example, Ir / IrO 2 The second lower electrode 38 formed of the laminated body of is formed. Second lower electrode 3
8 is a ferroelectric crystal (Bi, Ma) Bi 2 (Ti, Mb) 2 O 9 containing a Bi-based layered structure, for example.
(Ma is any of Bi, Ca, Sr, and Ba, and M
b is Ta or Nb) etc.
5 is formed. On the upper layer of the ferroelectric layer 25, a second upper electrode 39 made of, for example, a laminated body of Ir or IrO 2 / Ir is formed so as to extend in, for example, a second direction orthogonal to the first direction.

【0023】ここで、第2下部電極38が第1の方向に
延伸し、第2上部電極39が第1の方向と直交する第2
の方向に延伸しており、第2下部電極38と第2上部電
極39の交差する領域は、強誘電体を一対の電極間に有
する第2強誘電体キャパシタCap2となっており、強
誘電体層の分極によってデータを記憶し、第2下部電極
38が記憶ノードとなる記憶領域となる。また、第2強
誘電体キャパシタCap2を被覆して全面に、例えば酸
化シリコンなどからなる絶縁膜26が形成されている。
上記の本実施形態に係る半導体記憶装置は、下部電極と
上部電極がねじれの位置の関係でそれぞれ延伸し、それ
らの交差領域において強誘電体キャパシタを構成するク
ロスポイント型の半導体メモリとなっており、例えば、
ビット線と選択した上部電極の間に所定に電圧を印加し
て、相当する交差領域の強誘電体層を分極させてデータ
を記憶し、例えば上部電極により所定の交差領域を選択
した状態で、強誘電体層の分極状態をビット線から読み
出し、再生データとする。
Here, the second lower electrode 38 extends in the first direction and the second upper electrode 39 extends in the second direction orthogonal to the first direction.
In the region where the second lower electrode 38 and the second upper electrode 39 intersect with each other, a second ferroelectric capacitor Cap2 having a ferroelectric substance between a pair of electrodes is formed. Data is stored by the polarization of the layer, and the second lower electrode 38 serves as a storage region serving as a storage node. Further, an insulating film 26 made of, for example, silicon oxide is formed on the entire surface to cover the second ferroelectric capacitor Cap2.
The semiconductor memory device according to the present embodiment described above is a cross-point type semiconductor memory in which the lower electrode and the upper electrode respectively extend in a twisted position relationship and a ferroelectric capacitor is formed in the intersection region between them. , For example,
A predetermined voltage is applied between the bit line and the selected upper electrode to polarize the ferroelectric layer in the corresponding intersection region to store data, and for example, in the state where the predetermined intersection region is selected by the upper electrode, The polarization state of the ferroelectric layer is read from the bit line and used as reproduction data.

【0024】上記のクロスポイント型の強誘電体メモリ
の製造方法について説明する。まず、図2(a)に示す
ように、半導体基板10に、例えばLOCOS法により
素子分離絶縁膜20を形成し、得られた素子分離絶縁膜
20で分離された活性領域上に、例えば熱酸化法により
酸化シリコン膜を形成してゲート絶縁膜21とする。そ
の上層に、例えばCVD(chemical vapo
r deposition)法によりポリシリコンとタ
ングステンシリサイドあるいは単層のポリシリコンを積
層させ、ゲートパターンにパターン加工してゲート電極
30を形成する。また、上記ゲート電極30マスクとし
て導電性不純物をイオン注入し、ソース・ドレイン領域
となる不純物拡散層11,12,13を形成する。以上
で、MOSトランジスタTrが形成される。
A method of manufacturing the above cross-point type ferroelectric memory will be described. First, as shown in FIG. 2A, an element isolation insulating film 20 is formed on the semiconductor substrate 10 by, for example, the LOCOS method, and the active region isolated by the obtained element isolation insulating film 20 is thermally oxidized, for example. A silicon oxide film is formed by the method to form the gate insulating film 21. On top of that, for example, CVD (chemical vapor)
The polysilicon and tungsten silicide or a single layer of polysilicon are laminated by the r deposition method and patterned into a gate pattern to form the gate electrode 30. Further, conductive impurities are ion-implanted as the mask of the gate electrode 30 to form the impurity diffusion layers 11, 12 and 13 to be the source / drain regions. As described above, the MOS transistor Tr is formed.

【0025】例えば、上記の2個のトランジスタTrを
nチャネル型として形成し、半導体基板10の不図示の
領域にpチャネルMOSトランジスタを形成して、CO
MSトランジスタとすることもできる。
For example, the above-mentioned two transistors Tr are formed as an n-channel type, p-channel MOS transistors are formed in a region (not shown) of the semiconductor substrate 10, and CO
It can also be an MS transistor.

【0026】次に、上記のMOSトランジスタTrを被
覆して全面に、例えばCVD法などにより、酸化シリコ
ンあるいは酸化シリコンと窒化シリコンの複合膜などか
らなる層間絶縁膜22を形成する。このとき、層間絶縁
膜22を形成する工程の途中に、2個のMOSトランジ
スタTrで共有された拡散層12に達するコンタクトホ
ールを開口し、その内部にポリシリコンあるいはタング
ステンなどからなるコンタクトプラグ31を形成し、そ
の上部にアルミニウムなどの金属、ポリシリコンあるい
はポリサイドなどからなるビット線となる配線32を形
成しておく。
Next, an interlayer insulating film 22 made of silicon oxide or a composite film of silicon oxide and silicon nitride is formed on the entire surface covering the MOS transistor Tr by, for example, the CVD method. At this time, in the middle of the process of forming the interlayer insulating film 22, a contact hole reaching the diffusion layer 12 shared by the two MOS transistors Tr is opened, and a contact plug 31 made of polysilicon or tungsten is formed therein. A wiring 32, which is a bit line and is made of a metal such as aluminum, polysilicon, or polycide, is formed on the upper surface thereof.

【0027】次に、図2(b)に示すように、一方のM
OSトランジスタTrの共有されていない拡散層13に
それぞれ達するコンタクトホールを開口する。また、拡
散層11に達するコンタクトホールも同時に開口する。
必要に応じ、CMOS部分の活性化処理を行う。次に、
上記のコンタクトホールを埋め込んで全面にポリシリコ
ンあるいはタングステンなどを堆積させ、コンタクトホ
ールの外部に堆積した分をCMP(chemical
mechanical polishing)法により
除去して、拡散層13に接続するコンタクトプラグ33
と、拡散層11に接続するコンタクトプラグ34を同時
に形成する。
Next, as shown in FIG. 2B, one M
A contact hole reaching the diffusion layer 13 which is not shared by the OS transistor Tr is opened. Further, a contact hole reaching the diffusion layer 11 is also opened at the same time.
If necessary, the CMOS portion is activated. next,
The contact hole is buried, polysilicon or tungsten is deposited on the entire surface, and the portion deposited outside the contact hole is subjected to CMP (chemical).
A contact plug 33 which is removed by a mechanical polishing method and is connected to the diffusion layer 13.
Then, the contact plug 34 connected to the diffusion layer 11 is simultaneously formed.

【0028】次に、例えばスパッタリング法により、不
図示のバリアメタルとなる層と、IrおよびIrO2
この順に積層させ、フォトリソグラフィー工程によりレ
ジスト膜をパターン形成し、さらにRIE(react
ive ion etching)などのエッチング工
程を行い、第1の方向に延伸する帯状の所定のパターン
のIr/IrO2 の積層体などからなる第1下部電極3
5をコンタクトプラグ33に接続して形成する。また、
上記のIr/IrO2 などの積層体のパターニングにお
いて同時に、中間導電体36をコンタクトプラグ34に
接続して形成する。上記の第1下部電極35の間隙を埋
め込むように、酸化シリコンを堆積、あるいは酸化シリ
コンと酸化チタンの複合膜を積層させ、例えばアルミナ
を研磨剤として含むスラリーを用いたCMP法により第
1下部電極35が露出するまで上面から研磨して、第1
下部電極35の間隙に酸化シリコンなどで埋め込んで平
坦化する。
Next, a layer to be a barrier metal (not shown) and Ir and IrO 2 are laminated in this order by, for example, a sputtering method, a resist film is patterned by a photolithography process, and further RIE (react) is performed.
The first lower electrode 3 made of a laminate of Ir / IrO 2 having a predetermined band-like pattern extending in the first direction by performing an etching process such as ive ion etching).
5 is formed by connecting to the contact plug 33. Also,
Simultaneously with the above-mentioned patterning of the laminated body of Ir / IrO 2, etc., the intermediate conductor 36 is connected to the contact plug 34 to be formed. The first lower electrode is deposited by a CMP method using a slurry containing alumina as an abrasive, for example, by depositing silicon oxide or laminating a composite film of silicon oxide and titanium oxide so as to fill the gap of the first lower electrode 35. Polish from the top until 35 is exposed, then
The gap between the lower electrodes 35 is filled with silicon oxide or the like to be planarized.

【0029】次に、図3(a)に示すように、第1下部
電極35の上層に、例えばBi系の層状構造を含む強誘
電体結晶である(Bi,Ma)Bi2 (Ti,Mb)2
9(MaはBi,Ca,Sr,Baのいずれかであ
り、MbはTaまたはNbである)などからなる強誘電
体層23を形成する。この強誘電体層23の形成方法に
ついては、以下に詳細に説明する。
Next, as shown in FIG. 3A, a ferroelectric crystal (Bi, Ma) Bi 2 (Ti, Mb) which is, for example, a Bi-based layered structure is provided on the upper layer of the first lower electrode 35. ) 2
A ferroelectric layer 23 made of O 9 (Ma is any one of Bi, Ca, Sr, and Ba and Mb is Ta or Nb) is formed. The method of forming the ferroelectric layer 23 will be described in detail below.

【0030】上記の強誘電体層23の形成方法につい
て、説明する。まず、強誘電体層を形成するための前駆
体溶液(S1)を調製する。例えば、シンメロリックス
社製EMOD(有機金属分解)塗布材料である、SYM
−BI05(BiO1.5 ,0.5モル/リットル)、S
YM−TI05(TiO2 ,0.5モル/リットル)、
SYM−NB05(NbO2.5 ,0.5モル/リット
ル)および溶媒(トルエン)を、3:1:1:11.5
の割合で、スターラーを用いて30分以上混合する。
A method of forming the above ferroelectric layer 23 will be described. First, a precursor solution (S1) for forming a ferroelectric layer is prepared. For example, SYM, which is an EMOD (Organometallic Decomposition) coating material manufactured by Symmerolyx Corporation.
-BI05 (BiO 1.5 , 0.5 mol / liter), S
YM-TI05 (TiO 2 , 0.5 mol / liter),
SYM-NB05 (NbO 2.5 , 0.5 mol / liter) and a solvent (toluene) were added in a ratio of 3: 1: 1: 11.5.
Mix with a stirrer for 30 minutes or more.

【0031】次に、図4(a)に示すように、例えば5
00rpmで10秒、2000rpmで20秒回転させ
るスピン塗布により、上記の第1下部電極35上に、上
記前駆体溶液(S1)を塗布し、例えば120℃で30
分の処理を行って乾燥させ、300℃、30分の酸素中
での拡散炉による熱処理により仮焼成し、例えば約20
nmの膜厚の前駆体薄膜23pを形成する。このときの
薄膜23pの構造は、アモルファスとなっている。
Next, as shown in FIG.
The precursor solution (S1) is coated on the first lower electrode 35 by spin coating of rotating at 00 rpm for 10 seconds and at 2000 rpm for 20 seconds.
For about 20 minutes.
A precursor thin film 23p having a thickness of nm is formed. The structure of the thin film 23p at this time is amorphous.

【0032】次に、図4(b)に示すように、大気圧の
雰囲気下で基板を例えば300℃に加熱した状態で、上
記のアモルファス状態の前駆体薄膜23pに波長248
nmのエキシマレーザLTをパルス照射する。例えば、
200Hzの繰り返し周波数で、1パルスあたり35.
28mJ/cm2 のエネルギー密度のレーザパルスを1
20000パルス照射する。このとき、前駆体薄膜23
pの上面近傍23cから結晶化が始まり、十分にエキシ
マレーザLTを照射すると、図4(c)に示すように、
強誘電体の種結晶のグレイン23gが形成される。
Next, as shown in FIG. 4 (b), while the substrate is heated to, for example, 300 ° C. in an atmosphere of atmospheric pressure, the amorphous precursor thin film 23p has a wavelength of 248.
The excimer laser LT of nm is pulse-irradiated. For example,
With a repetition frequency of 200 Hz, 35.
1 laser pulse with an energy density of 28 mJ / cm 2
Irradiate 20000 pulses. At this time, the precursor thin film 23
When crystallization starts near the upper surface 23c of p and is sufficiently irradiated with the excimer laser LT, as shown in FIG.
Grains 23 g of a ferroelectric seed crystal are formed.

【0033】次に、上記の種結晶上に強誘電体の層を成
長させるため、以下に示す工程を行う。即ち、上記の種
結晶を形成するために用いる前駆体溶液(S1)に対し
て前駆体の濃度を2.5倍にして調製した前駆体溶液
(S2)をスターラーを用いて30分以上混合する。次
に、例えば500rpmで10秒、2000rpmで2
0秒回転させるスピン塗布により、上記の強誘電体の種
結晶上に上記の前駆体溶液(S2)を塗布し、例えば1
20℃で30分の処理を行って乾燥させ、400℃、3
0分の酸素中での拡散炉による熱処理により仮焼成し、
さらに酸素中での650〜700℃の30秒のRTO
(rapid thermal oxidation)
処理を行い、さらに必要に応じて拡散炉を用いた酸素気
流中での650〜700℃の1時間の熱処理を行い、例
えば50nm程度の結晶化された層を形成する。上記の
スピン塗布からRTO処理あるいは拡散炉による熱処置
までをさらにもう1回繰り返すことで、図3(a)に示
すような100nmの膜厚の強誘電体層23を形成す
る。
Next, in order to grow a ferroelectric layer on the seed crystal, the following steps are performed. That is, the precursor solution (S2) prepared by increasing the concentration of the precursor to 2.5 times the precursor solution (S1) used to form the seed crystal is mixed for 30 minutes or more using a stirrer. . Next, for example, 500 rpm for 10 seconds and 2000 rpm for 2 seconds
The precursor solution (S2) is coated on the seed crystal of the ferroelectric substance by spin coating for 0 second rotation.
After treatment at 20 ° C for 30 minutes and drying, 400 ° C, 3
Preliminary firing by heat treatment in a diffusion furnace for 0 minutes in oxygen,
Furthermore, RTO for 30 seconds at 650-700 ° C in oxygen
(Rapid thermal oxidation)
Treatment is further performed, and if necessary, heat treatment is performed at 650 to 700 ° C. for 1 hour in an oxygen stream using a diffusion furnace to form a crystallized layer having a thickness of, for example, about 50 nm. By repeating the above-mentioned spin coating to RTO treatment or heat treatment by a diffusion furnace one more time, a ferroelectric layer 23 having a film thickness of 100 nm as shown in FIG. 3A is formed.

【0034】次に、図3(b)に示すように、強誘電体
層23の上層に、例えばスパッタリング法により、Ir
を堆積させ、あるいはIrO2 およびIrをこの順に積
層させ、フォトリソグラフィー工程によりレジスト膜を
パターン形成し、さらにRIEなどのエッチング工程を
行い、上記の第1の方向と直交する第2の方向に延伸す
る帯状の所定のパターンのIrO2 /Irの積層体など
からなる第1上部電極37を形成する。必要な熱処理を
行った後に、例えばRFスパッタリング法によりアルミ
ナなどの保護膜(不図示)を50nmの膜厚で形成す
る。以上で、第1下部電極35と第1上部電極37の交
差する領域が、強誘電体を一対の電極間に有する第1強
誘電体キャパシタCap1となる。
Next, as shown in FIG. 3B, Ir is formed on the ferroelectric layer 23 by, for example, a sputtering method.
Or IrO 2 and Ir are laminated in this order, a resist film is patterned by a photolithography process, and an etching process such as RIE is further performed to extend in a second direction orthogonal to the first direction. A first upper electrode 37 made of an IrO 2 / Ir laminated body or the like having a predetermined strip shape is formed. After performing necessary heat treatment, a protective film (not shown) such as alumina is formed to a thickness of 50 nm by, for example, an RF sputtering method. As described above, the region where the first lower electrode 35 and the first upper electrode 37 intersect becomes the first ferroelectric capacitor Cap1 having the ferroelectric between the pair of electrodes.

【0035】以降の工程としては、実質的に上記と同様
の工程を繰り返して、第1強誘電体キャパシタCap1
と同様の構成の強誘電体キャパシタをもう1組形成す
る。即ち、例えばCVD法により、第1強誘電体キャパ
シタCap1および中間導電体36を被覆して全面に酸
化シリコンなどを堆積させて層間絶縁膜24を形成す
る。
As the subsequent steps, substantially the same steps as those described above are repeated to obtain the first ferroelectric capacitor Cap1.
Another set of ferroelectric capacitors having the same structure as the above is formed. That is, the interlayer insulating film 24 is formed by covering the first ferroelectric capacitor Cap1 and the intermediate conductor 36 and depositing silicon oxide or the like on the entire surface by, for example, the CVD method.

【0036】次に、層間絶縁膜24中に中間導電体36
に達するコンタクトホールを開口し、中間導電体36に
接続するようにコンタクトホールを埋め込んで、また、
層間絶縁膜24の上層において第1の方向に延伸するよ
うに、例えばIr/IrO2の積層体からなる第2下部
電極38を形成する。
Next, the intermediate conductor 36 is formed in the interlayer insulating film 24.
Open a contact hole reaching to, and burying the contact hole so as to connect to the intermediate conductor 36,
A second lower electrode 38 made of, for example, a laminated body of Ir / IrO 2 is formed so as to extend in the first direction on the upper layer of the interlayer insulating film 24.

【0037】次に、第2下部電極38の間隙に酸化シリ
コンなどで埋め込んで平坦化し、第2下部電極38の上
層に、例えばBi系の層状構造を含む強誘電体結晶であ
る(Bi,Ma)Bi2 (Ti,Mb)29 (Maは
Bi,Ca,Sr,Baのいずれかであり、MbはTa
またはNbである)などからなる強誘電体層25を形成
する。
Next, the gap between the second lower electrodes 38 is filled with silicon oxide or the like so as to be planarized, and a ferroelectric crystal containing a layered structure of, for example, Bi based on the upper layer of the second lower electrodes 38 (Bi, Ma). ) Bi 2 (Ti, Mb) 2 O 9 (Ma is any of Bi, Ca, Sr, and Ba, and Mb is Ta.
Or a Nb) ferroelectric layer 25 is formed.

【0038】次に、強誘電体層25の上層に、例えばI
rあるいはIrO2 /Irの積層体からなる第2上部電
極39を、例えば第1の方向に直交する第2の方向に延
伸するように形成する。以上で、第2下部電極38と第
2上部電極39の交差する領域が、強誘電体を一対の電
極間に有する第2強誘電体キャパシタCap2となる。
Next, on the upper layer of the ferroelectric layer 25, for example, I
The second upper electrode 39 made of a laminated body of r or IrO 2 / Ir is formed so as to extend in, for example, a second direction orthogonal to the first direction. As described above, the region where the second lower electrode 38 and the second upper electrode 39 intersect becomes the second ferroelectric capacitor Cap2 having the ferroelectric substance between the pair of electrodes.

【0039】また、第2強誘電体キャパシタCap2を
被覆して全面に、例えばRFスパッタリング法によりア
ルミナなどの保護膜(不図示)を50nmの膜厚で成膜
し、さらにCVD法により、例えば酸化シリコンを堆積
して絶縁膜26を形成し、例えばCMP法などにより平
坦化する。次に、配線に必要とされるコンタクトプラグ
用の開口部をRIEなどのエッチングにより形成し、次
いで、必要に応じてCMOS部分の活性化処理を行い、
ポリシリコンまたはタングステンの成膜を行い、CMP
法により研磨してコンタクトプラグを形成する。次に、
第1およぶ第2上部電極(37,39)の配線のための
開口部を形成し、例えばスパッタリング法により配線用
のTiN/Al膜を形成し、RIEなどのエッチングに
より所望のパターンに加工して上層配線(不図示)とす
る。さらに水分などの有害な元素の侵入を防ぐための窒
化シリコンの薄膜(不図示)を形成し、チップを外部端
子に接続するためのパッド(不図示)を形成して、図1
に示す構成の強誘電体メモリを形成することができる。
Further, a protective film (not shown) of alumina or the like having a film thickness of 50 nm is formed on the entire surface by covering the second ferroelectric capacitor Cap2 by, for example, an RF sputtering method, and further, by a CVD method, for example, by oxidation. An insulating film 26 is formed by depositing silicon and is planarized by, for example, the CMP method. Next, an opening for a contact plug required for wiring is formed by etching such as RIE, and then activation processing of the CMOS portion is performed as necessary,
CMP is performed after forming polysilicon or tungsten film.
Then, the contact plug is formed by polishing by the method. next,
An opening for wiring of the first and second upper electrodes (37, 39) is formed, a TiN / Al film for wiring is formed by, for example, a sputtering method, and processed into a desired pattern by etching such as RIE. Upper layer wiring (not shown). Further, a thin film of silicon nitride (not shown) is formed to prevent entry of harmful elements such as moisture, and pads (not shown) are formed to connect the chip to external terminals.
A ferroelectric memory having the structure shown in can be formed.

【0040】従来では高温処理が必要とされていた強誘
電体薄膜の結晶化処理において、上記の本実施形態に係
る半導体記憶装置の製造方法では、強誘電体の種結晶を
紫外線領域の光を照射して結晶化することから、基板温
度としては高々400℃程度で結晶化処理を実施でき、
このように結晶化温度を低減することにより強誘電体膜
とその下層の下部電極との界面を急峻にすることがで
き、これにより、強誘電体の薄膜が本来有している特性
を具現化することが可能となり、高集積デバイスの実現
が可能となる。
In the crystallization treatment of the ferroelectric thin film, which has conventionally required high temperature treatment, in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present embodiment described above, the seed crystal of the ferroelectric substance is irradiated with light in the ultraviolet region. Since it is irradiated and crystallized, the crystallization treatment can be performed at a substrate temperature of at most about 400 ° C.,
By lowering the crystallization temperature in this way, the interface between the ferroelectric film and the lower electrode below it can be made steeper, thereby realizing the characteristics originally possessed by the ferroelectric thin film. It becomes possible to realize a highly integrated device.

【0041】第2実施形態 本実施形態に係る半導体記憶装置(クロスポイント型の
強誘電体メモリ)は、実質的に第1実施形態と同様であ
る。以下、本実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法
について説明する。基板上のCMOSトランジスタの形
成や、コンタクトプラグなどの形成など、第1下部電極
の形成までは、第1実施形態と同様に行う。次に、第1
下部電極35の上層に、強誘電体層23を形成する。
Second Embodiment A semiconductor memory device (cross-point type ferroelectric memory) according to this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. The method for manufacturing the semiconductor memory device according to this embodiment will be described below. The formation of the CMOS transistor on the substrate, the formation of the contact plug, etc., and the formation of the first lower electrode are performed in the same manner as in the first embodiment. Then the first
The ferroelectric layer 23 is formed on the lower electrode 35.

【0042】まず、第1実施形態と同様にして、第1下
部電極35の表面に強誘電体の種結晶のグレインを形成
する。次に、上記の種結晶上に強誘電体の層を成長させ
るため、以下に示す工程を行う。即ち、上記の種結晶を
形成するために用いる前駆体溶液(S1)に対して前駆
体の濃度を2.5倍にし、さらにBiのみ化学量論組成
と比較して10%過剰に添加して調製した前駆体溶液
(S3)をスターラーを用いて30分以上混合する。次
に、例えば500rpmで10秒、2000rpmで2
0秒回転させるスピン塗布により、上記の強誘電体の種
結晶上に上記の前駆体溶液(S3)を塗布し、例えば1
20℃で30分の処理を行って乾燥させ、400℃、3
0分の酸素中での拡散炉のよる熱処理により仮焼成し、
さらに酸素中での550〜700℃の30秒のRTO処
理を行い、例えば500nm程度の結晶化された層を形
成する。
First, similarly to the first embodiment, grains of a ferroelectric seed crystal are formed on the surface of the first lower electrode 35. Next, the following steps are performed to grow a ferroelectric layer on the seed crystal. That is, the concentration of the precursor was 2.5 times that of the precursor solution (S1) used to form the seed crystal, and Bi was added in excess of 10% compared to the stoichiometric composition. The prepared precursor solution (S3) is mixed for 30 minutes or more using a stirrer. Next, for example, 500 rpm for 10 seconds and 2000 rpm for 2 seconds
The precursor solution (S3) is coated on the seed crystal of the ferroelectric substance by spin coating in which it is rotated for 0 seconds.
After treatment at 20 ° C for 30 minutes and drying, 400 ° C, 3
Pre-baked by heat treatment with a diffusion furnace in oxygen for 0 minutes,
Further, RTO treatment is performed in oxygen at 550 to 700 ° C. for 30 seconds to form a crystallized layer of about 500 nm, for example.

【0043】このとき、図5(a)に示すように、種結
晶上に強誘電体の結晶化されたグレイン23gの最表層
には、不純物および異相を含有するグレイン23hが形
成されてしまう。ここで、図5(b)に示すように、大
気圧の雰囲気下で基板を加熱しない状態で、上記の不純
物および異相を含有するグレイン23hに波長248n
mのエキシマレーザLTをパルス照射する。例えば、1
パルスあたり290mJ/cm2 のエネルギー密度のレ
ーザパルスを1パルス照射する。このとき、不純物およ
び異相を含有するグレイン23hを含む最表面部分23
rは急速に加熱され、一気に蒸発して除去され、図6
(a)に示す状態となる。ここで、残留した膜の最表面
は、レーザパルス照射によるダメージを受けた層23d
となり、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)で観察する
と、表面は平坦化してグレインの凹凸が消失している様
子が観察される。
At this time, as shown in FIG. 5A, grains 23h containing impurities and a different phase are formed in the outermost layer of the crystallized grains 23g of the ferroelectric on the seed crystal. Here, as shown in FIG. 5B, in the state where the substrate is not heated in the atmosphere of atmospheric pressure, the grain 23h containing the above impurities and the different phase has a wavelength of 248n.
m excimer laser LT is pulsed. For example, 1
One laser pulse with an energy density of 290 mJ / cm 2 is irradiated per pulse. At this time, the outermost surface portion 23 containing the grains 23h containing impurities and different phases
r is heated rapidly and evaporated at a stroke to be removed.
The state shown in FIG. Here, the outermost surface of the remaining film is the layer 23d damaged by the laser pulse irradiation.
Thus, when observed with, for example, a scanning electron microscope (SEM), it can be observed that the surface is flattened and grain irregularities disappear.

【0044】ここで、例えば拡散炉を用いた酸素気流中
での550〜700℃の1時間の熱処理を施すと、図6
(b)に示すように、ダメージを受けた層23dが回復
して強誘電体の結晶化されたグレイン23gが生成され
る。場合によっては、拡散炉による熱処理の代わりに、
酸素中での550〜700℃の30秒のRTO処理を行
い、上部電極の形成後に改めて拡散炉を用いた本格的な
回復熱処理を行うことも可能である。上記のようにして
不純物および異相を含有するグレインが除去された強誘
電体層上に、第1上部電極を37を形成する。以降の工
程は、第1実施形態と同様に行うことができ、第2強誘
電体キャパシタCap2の強誘電体層についても同様の
処理を行うことが可能である。
Here, for example, when heat treatment is performed at 550 to 700 ° C. for 1 hour in an oxygen stream using a diffusion furnace, FIG.
As shown in (b), the damaged layer 23d is recovered and the crystallized grains 23g of the ferroelectric substance are generated. In some cases, instead of heat treatment with a diffusion furnace,
It is also possible to perform RTO treatment at 550 to 700 ° C. for 30 seconds in oxygen, and perform full-scale recovery heat treatment using a diffusion furnace again after forming the upper electrode. The first upper electrode 37 is formed on the ferroelectric layer from which the grains containing impurities and different phases are removed as described above. The subsequent steps can be performed in the same manner as in the first embodiment, and the same processing can be performed on the ferroelectric layer of the second ferroelectric capacitor Cap2.

【0045】強誘電体薄膜の結晶化処理において、結晶
化された強誘電体層の表面の不純物および異相を含有す
るグレインを除去し、平坦化できる。上部電極と強誘電
体層の界面の凹凸は、必要最低限の範囲内に抑制するこ
とが可能となる。このため、強誘電体層が局所的に高い
電圧を印加されることによる電流リークや強誘電体のヒ
ステリシス特性の急峻さを消失するなどの悪影響を低減
することができる。このことから、強誘電体膜とその上
層の上部電極との界面を急峻にすることができ、これに
より、強誘電体の薄膜が本来有している特性を具現化す
ることが可能となり、高集積デバイスの実現が可能とな
る。膜の平坦化はCMP法によっても実現できるが、レ
ーザによる平坦化は投入エネルギーの調整により揮発性
の高い部分を選択的に除去できる点で優れた効果を生み
出す。平坦化の効果のみをみても、CMPに劣らない。
本実施形態の半導体記憶装置の製造方法は、上記の第1
実施形態と組み合わせて用いることも可能である。
In the crystallization process of the ferroelectric thin film, the grains containing impurities and different phases on the surface of the crystallized ferroelectric layer can be removed and flattened. The irregularities at the interface between the upper electrode and the ferroelectric layer can be suppressed within the necessary minimum range. Therefore, it is possible to reduce adverse effects such as current leakage due to locally high voltage applied to the ferroelectric layer and disappearance of steepness of the hysteresis characteristic of the ferroelectric. Therefore, the interface between the ferroelectric film and the upper electrode of the upper layer can be made steep, which makes it possible to embody the characteristics originally possessed by the ferroelectric thin film. It is possible to realize an integrated device. The flattening of the film can be realized by the CMP method, but the flattening by the laser produces an excellent effect in that the highly volatile portion can be selectively removed by adjusting the input energy. Looking only at the planarization effect, it is not inferior to CMP.
The method of manufacturing the semiconductor memory device according to the present embodiment is the same as the above first
It is also possible to use it in combination with the embodiment.

【0046】第3実施形態 本実施形態に係る半導体記憶装置(クロスポイント型の
強誘電体メモリ)は、実質的に第1実施形態と同様であ
る。以下、本実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法
について説明する。基板上のCMOSトランジスタの形
成や、コンタクトプラグなどの形成など、第1下部電極
の形成までは、第1実施形態と同様に行う。次に、第1
下部電極35の上層に、強誘電体層23を形成する。
Third Embodiment A semiconductor memory device (cross-point type ferroelectric memory) according to this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. The method for manufacturing the semiconductor memory device according to this embodiment will be described below. The formation of the CMOS transistor on the substrate, the formation of the contact plug, etc., and the formation of the first lower electrode are performed in the same manner as in the first embodiment. Then the first
The ferroelectric layer 23 is formed on the lower electrode 35.

【0047】まず、以下のようにして、第1下部電極3
5の表面に強誘電体の種結晶のグレインを形成する。ま
ず、強誘電体層を形成するための前駆体溶液(S4)を
調製する。例えば、三菱マテリアル社製のSrBiTa
Nb(組成比8/22/15/5)のゾルゲル塗布材料
を、スターラーを用いて30分以上混合する。
First, the first lower electrode 3 is formed as follows.
A grain of a ferroelectric seed crystal is formed on the surface of No. 5. First, a precursor solution (S4) for forming a ferroelectric layer is prepared. For example, Mitsubishi Materials' SrBiTa
A sol-gel coating material of Nb (composition ratio 8/22/15/5) is mixed for 30 minutes or more using a stirrer.

【0048】次に、図4(a)に示すように、例えば5
00rpmで10秒、2000rpmで20秒回転させ
るスピン塗布により、上記の第1下部電極35上に、上
記前駆体溶液(S4)を塗布し、例えば120℃で30
分の処理を行って乾燥させ、300℃、30分の酸素中
での拡散炉を用いる熱処理により仮焼成し、例えば約4
0nmの膜厚の前駆体薄膜23pを形成する。このとき
の薄膜23pの構造は、アモルファスとなっている。
Next, as shown in FIG.
The precursor solution (S4) is coated on the first lower electrode 35 by spin coating of rotating at 00 rpm for 10 seconds and at 2000 rpm for 20 seconds.
For about 4 minutes by heat treatment using a diffusion furnace in oxygen at 300 ° C. for 30 minutes.
A precursor thin film 23p having a film thickness of 0 nm is formed. The structure of the thin film 23p at this time is amorphous.

【0049】次に、図4(b)に示すように、大気圧の
雰囲気下で基板を500℃以下、例えば300℃に加熱
した状態で、上記のアモルファス状態の前駆体薄膜23
pに波長248nmのエキシマレーザLTをパルス照射
する。このときの熱処理雰囲気は、水蒸気を含むアルゴ
ンとする。例えば、室温(約25℃)の保たれたアルゴ
ン気流中にスプレーノズルで水の微粒子を吹き込み、水
蒸気とアルゴンの混合ガスとする。例えば、200Hz
の繰り返し周波数で、1パルスあたり35.28mJ/
cm2 のエネルギー密度のレーザパルスを120000
パルス照射する。このとき、水分子の置換反応層が下部
に広がりながら、前駆体薄膜23pの上面近傍23cか
ら結晶化が始まり、十分にエキシマレーザLTを照射す
ると、図4(c)に示すように、強誘電体の種結晶のグ
レイン23gが形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, the precursor thin film 23 in the above-mentioned amorphous state is prepared in a state where the substrate is heated to 500 ° C. or lower, for example, 300 ° C. in an atmosphere of atmospheric pressure.
The excimer laser LT having a wavelength of 248 nm is pulse-irradiated to p. The heat treatment atmosphere at this time is argon containing water vapor. For example, fine particles of water are blown by a spray nozzle into an argon stream kept at room temperature (about 25 ° C.) to form a mixed gas of water vapor and argon. For example, 200Hz
At a repetition frequency of 35.28 mJ / pulse
120,000 laser pulses with an energy density of cm 2
Irradiate with pulse. At this time, while the substitution reaction layer of water molecules spreads downward, crystallization starts from the vicinity 23c of the upper surface of the precursor thin film 23p, and when the excimer laser LT is sufficiently irradiated, as shown in FIG. 23 g of seed crystals of the body are formed.

【0050】次に、上記の種結晶上に強誘電体の層を成
長させるため、以下に示す工程を行う。即ち、上記の種
結晶を形成するために用いる前駆体溶液(S4)に対し
て前駆体の濃度を2.5倍にして調製した前駆体溶液
(S5)をスターラーを用いて30分以上混合する。次
に、例えば500rpmで10秒、2000rpmで2
0秒回転させるスピン塗布により、上記の強誘電体の種
結晶上に上記の溶液を塗布し、例えば120℃で30分
の処理を行って乾燥させ、400℃、30分の酸素中で
の拡散炉による熱処理により仮焼成し、さらに酸素中で
の650〜700℃の30秒のRTO処理を行い、さら
に必要に応じて拡散炉を用いた酸素気流中での650〜
700℃の1時間の熱処理を行い、例えば50nm程度
の結晶化された層を形成する。上記のスピン塗布からR
TO処理あるいは拡散炉処置までをさらにもう1回繰り
返すことで、図3(a)に示すような100nmの膜厚
の強誘電体層23を形成する。上記のようにして形成さ
れた強誘電体層23上に、第1上部電極を37を形成す
る。以降の工程は、第1実施形態と同様に行うことがで
き、第2強誘電体キャパシタCap2の強誘電体層につ
いても同様の処理を行うことが可能である。
Next, in order to grow a ferroelectric layer on the seed crystal, the following steps are performed. That is, the precursor solution (S5) prepared by increasing the concentration of the precursor to 2.5 times the precursor solution (S4) used for forming the seed crystal is mixed for 30 minutes or more using a stirrer. . Next, for example, 500 rpm for 10 seconds and 2000 rpm for 2 seconds
The above solution is applied onto the seed crystal of the above ferroelectric substance by spin coating in which it is rotated for 0 seconds, for example, treated at 120 ° C. for 30 minutes and dried, and diffused in oxygen at 400 ° C. for 30 minutes. Pre-baking is performed by heat treatment in a furnace, further RTO treatment is performed in oxygen at 650 to 700 ° C. for 30 seconds, and if necessary, 650 to 650 in oxygen flow using a diffusion furnace.
A heat treatment is performed at 700 ° C. for 1 hour to form a crystallized layer having a thickness of, for example, about 50 nm. R from the above spin coating
The TO process or the diffusion furnace process is repeated once more to form the ferroelectric layer 23 having a film thickness of 100 nm as shown in FIG. The first upper electrode 37 is formed on the ferroelectric layer 23 formed as described above. The subsequent steps can be performed in the same manner as in the first embodiment, and the same processing can be performed on the ferroelectric layer of the second ferroelectric capacitor Cap2.

【0051】従来では高温処理が必要とされていた強誘
電体薄膜の結晶化処理において、上記の本実施形態に係
る半導体記憶装置の製造方法では、強誘電体の種結晶を
紫外線領域の光を照射して結晶化することから、基板温
度としては高々400℃程度で結晶化処理を実施でき、
このように結晶化温度を低減することにより強誘電体膜
とその下層の下部電極との界面を急峻にすることがで
き、これにより、強誘電体の薄膜が本来有している特性
を具現化することが可能となり、高集積デバイスの実現
が可能となる。また、水分を含んだアルゴン雰囲気下
で、有機物(Cmn )を含む薄膜を加熱しながら、紫
外領域のレーザ光を照射するために、水分子と酸素と有
機物との間で置換反応が起き、薄膜に含まれる有機物を
効果的に除去し、金属の酸化物からなる薄膜を形成する
ことができる。本実施形態の半導体記憶装置の製造方法
は、上記の第1および第2実施形態と組み合わせて用い
ることも可能である。
In the crystallization treatment of the ferroelectric thin film, which has conventionally required high temperature treatment, in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present embodiment described above, the seed crystal of the ferroelectric substance is irradiated with light in the ultraviolet region. Since it is irradiated and crystallized, the crystallization treatment can be performed at a substrate temperature of at most about 400 ° C.,
By lowering the crystallization temperature in this way, the interface between the ferroelectric film and the lower electrode below it can be made steeper, thereby realizing the characteristics originally possessed by the ferroelectric thin film. It becomes possible to realize a highly integrated device. Further, in an argon atmosphere containing water, while heating a thin film containing an organic matter (C m H n ) and irradiating laser light in the ultraviolet region, a substitution reaction occurs between water molecules, oxygen and an organic matter. As a result, the organic substances contained in the thin film can be effectively removed, and a thin film made of a metal oxide can be formed. The method of manufacturing the semiconductor memory device of this embodiment can be used in combination with the first and second embodiments described above.

【0052】第4実施形態 本実施形態に係る半導体記憶装置(クロスポイント型の
強誘電体メモリ)は、実質的に第1実施形態と同様であ
る。以下、本実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法
について説明する。基板上のCMOSトランジスタの形
成や、コンタクトプラグなどの形成など、第1下部電極
の形成までは、第1実施形態と同様に行う。次に、第1
下部電極35の上層に、強誘電体層23を形成する。
Fourth Embodiment A semiconductor memory device (cross-point type ferroelectric memory) according to this embodiment is substantially the same as that of the first embodiment. The method for manufacturing the semiconductor memory device according to this embodiment will be described below. The formation of the CMOS transistor on the substrate, the formation of the contact plug, etc., and the formation of the first lower electrode are performed in the same manner as in the first embodiment. Then the first
The ferroelectric layer 23 is formed on the lower electrode 35.

【0053】まず、第1下部電極35の表面に強誘電体
の種結晶のグレインを、例えば第1あるいは第3実施形
態と同様にして形成する。次に、上記の種結晶上に強誘
電体の層を成長させるため、以下に示す工程を行う。即
ち、まず、シンメロリックス社製EMOD(有機金属分
解)塗布材料である、SYM−BI05(BiO1.5
0.5モル/リットル)、SYM−TI05(TiO
2 ,0.5モル/リットル)、SYM−NB05(Nb
2.5 ,0.5モル/リットル)および溶媒(トルエ
ン)を、3:1:1:11.5の割合で、スターラーを
用いて30分以上混合し、強誘電体層を形成するための
前駆体溶液(S6)を調製する。次に、図7(a)に示
すように、第1下部電極35上に形成された強誘電体の
種結晶のグレイン23g上に、例えば500rpmで1
0秒、2000rpmで20秒回転させるスピン塗布に
より、上記の強誘電体の種結晶上に上記の前駆体溶液
(S6)を塗布し、例えば120℃で30分の処理を行
って乾燥させ、400℃、30分の酸素中での拡散炉に
よる熱処理により仮焼成し、例えば約50nmの膜厚の
前駆体薄膜23pを形成する。このときの薄膜23pの
構造は、アモルファスとなっている。
First, a grain of a ferroelectric seed crystal is formed on the surface of the first lower electrode 35, for example, similarly to the first or third embodiment. Next, the following steps are performed to grow a ferroelectric layer on the seed crystal. That is, first, SYM-BI05 (BiO 1.5 , which is an EMOD (organic metal decomposition) coating material manufactured by Symmerolyx Corporation,
0.5 mol / liter), SYM-TI05 (TiO
2 , 0.5 mol / liter), SYM-NB05 (Nb
O 2.5 , 0.5 mol / liter) and a solvent (toluene) in a ratio of 3: 1: 1: 11.5 for 30 minutes or more using a stirrer to form a precursor for forming a ferroelectric layer. A body solution (S6) is prepared. Next, as shown in FIG. 7 (a), 1 grain is formed, for example, at 500 rpm on the grain 23 g of the ferroelectric seed crystal formed on the first lower electrode 35.
The precursor solution (S6) is coated on the seed crystal of the ferroelectric substance by spin coating in which it is rotated at 2000 rpm for 20 seconds for 0 seconds. For example, the precursor solution (S6) is dried for 30 minutes at 120 ° C. Pre-baking is performed by heat treatment in a diffusion furnace in oxygen at 30 ° C. for 30 minutes to form a precursor thin film 23p having a film thickness of, for example, about 50 nm. The structure of the thin film 23p at this time is amorphous.

【0054】次に、図7(b)に示すように、大気圧の
雰囲気下で基板を500℃以下、例えば300℃に加熱
した状態で、上記のアモルファス状態の前駆体薄膜23
pに波長248nmのエキシマレーザLTをパルス照射
する。このときの熱処理雰囲気は、水蒸気を含むアルゴ
ンとする。例えば、室温(約25℃)に保たれたアルゴ
ン気流中にスプレーノズルで水の微粒子を吹き込み、水
蒸気とアルゴンの混合ガスとする。例えば、200Hz
の繰り返し周波数で、1パルスあたり35.28mJ/
cm2 のエネルギー密度のレーザパルスを120000
パルス照射する。このとき、図7(b)に示すように、
水分子の置換反応層23wが下部に広がりながら、前駆
体薄膜23pの上面近傍から結晶化が始まり、十分にエ
キシマレーザLTを照射すると、強誘電体のグレイン2
3gが形成される。上記の前駆体溶液の塗布をレーザ光
の照射による結晶化を繰り返すことで、所望の膜厚の強
誘電体層23を形成する。上記のようにして形成された
強誘電体層上に、第1上部電極を37を形成する。以降
の工程は、第1実施形態と同様に行うことができ、第2
強誘電体キャパシタCap2の強誘電体層についても同
様の処理を行うことが可能である。
Next, as shown in FIG. 7 (b), the precursor thin film 23 in the above-mentioned amorphous state is obtained in a state where the substrate is heated to 500 ° C. or lower, for example, 300 ° C. in an atmosphere of atmospheric pressure.
The excimer laser LT having a wavelength of 248 nm is pulse-irradiated to p. The heat treatment atmosphere at this time is argon containing water vapor. For example, fine particles of water are blown by a spray nozzle into an argon stream kept at room temperature (about 25 ° C.) to form a mixed gas of water vapor and argon. For example, 200Hz
At a repetition frequency of 35.28 mJ / pulse
120,000 laser pulses with an energy density of cm 2
Irradiate with pulse. At this time, as shown in FIG.
Crystallization starts near the upper surface of the precursor thin film 23p while the water molecule substitution reaction layer 23w spreads downward, and when the excimer laser LT is sufficiently irradiated, grains 2 of the ferroelectric substance are generated.
3 g are formed. By repeating the above-mentioned application of the precursor solution and crystallization by irradiation with laser light, the ferroelectric layer 23 having a desired film thickness is formed. The first upper electrode 37 is formed on the ferroelectric layer formed as described above. The subsequent steps can be performed in the same manner as in the first embodiment, and the second step
The same process can be performed on the ferroelectric layer of the ferroelectric capacitor Cap2.

【0055】従来では高温処理が必要とされていた強誘
電体薄膜の結晶化処理において、上記の本実施形態に係
る半導体記憶装置の製造方法では、強誘電体の種結晶を
紫外線領域の光を照射して結晶化することから、基板温
度としては高々400℃程度で結晶化処理を実施でき、
このように結晶化温度を低減することにより強誘電体膜
とその下層の下部電極との界面を急峻にすることがで
き、これにより、強誘電体の薄膜が本来有している特性
を具現化することが可能となり、高集積デバイスの実現
が可能となる。また、水分を含んだアルゴン雰囲気下
で、有機物(Cmn )を含む薄膜を加熱しながら、紫
外領域のレーザ光を照射するために、水分子と酸素と有
機物との間で置換反応が起き、薄膜に含まれる有機物を
効果的に除去し、金属の酸化物からなる薄膜を形成する
ことができる。本実施形態の半導体記憶装置の製造方法
は、上記の第1〜第3実施形態と組み合わせて用いるこ
とも可能である。
In the crystallization treatment of the ferroelectric thin film, which has conventionally required high temperature treatment, in the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the above-described embodiment, the ferroelectric seed crystal is irradiated with light in the ultraviolet region. Since it is irradiated and crystallized, the crystallization treatment can be performed at a substrate temperature of at most about 400 ° C.,
By lowering the crystallization temperature in this way, the interface between the ferroelectric film and the lower electrode below it can be made steeper, thereby realizing the characteristics originally possessed by the ferroelectric thin film. It becomes possible to realize a highly integrated device. Further, in an argon atmosphere containing water, while heating a thin film containing an organic matter (C m H n ) and irradiating laser light in the ultraviolet region, a substitution reaction occurs between water molecules, oxygen and an organic matter. As a result, the organic substances contained in the thin film can be effectively removed, and a thin film made of a metal oxide can be formed. The method for manufacturing the semiconductor memory device of this embodiment can be used in combination with the above-described first to third embodiments.

【0056】第5実施形態 図8は、本実施形態に係る半導体記憶装置(クロスポイ
ント型の強誘電体メモリ)の断面図である。即ち、半導
体基板にMOSトランジスタが形成され、そのソース・
ドレイン領域となる拡散層に接続して、第1記憶ノード
MN1を下部電極とする第1強誘電体キャパシタCap
1、第2記憶ノードMN2を下部電極とする第2強誘電
体キャパシタCap2、第3記憶ノードMN3を下部電
極とする第3強誘電体キャパシタCap3、および第4
記憶ノードMN4を下部電極とする第4強誘電体キャパ
シタCap4が、それぞれ絶縁膜を介して積層している
構成である。
Fifth Embodiment FIG. 8 is a sectional view of a semiconductor memory device (cross-point type ferroelectric memory) according to the present embodiment. That is, a MOS transistor is formed on a semiconductor substrate and its source
A first ferroelectric capacitor Cap having a first storage node MN1 as a lower electrode connected to a diffusion layer to be a drain region.
1, a second ferroelectric capacitor Cap2 having the second storage node MN2 as a lower electrode, a third ferroelectric capacitor Cap3 having a third storage node MN3 as a lower electrode, and a fourth
The fourth ferroelectric capacitor Cap4 having the storage node MN4 as a lower electrode is laminated via an insulating film.

【0057】各強誘電体キャパシタにおいて、メモリノ
ードとなる下部電極は第1の方向に延伸し、上部電極が
第1の方向と直交する第2の方向に延伸しており、下部
電極と上部電極の交差する領域が、強誘電体を一対の電
極間に有する強誘電体キャパシタとなり、強誘電体層の
分極によってデータを記憶する記憶領域となる。例え
ば、ビット線と選択した上部電極の間に所定に電圧を印
加して、相当する交差領域の強誘電体層を分極させてデ
ータを記憶し、例えば上部電極により所定の交差領域を
選択した状態で、強誘電体層の分極状態をビット線から
読み出し、再生データとする。
In each ferroelectric capacitor, the lower electrode serving as a memory node extends in the first direction, and the upper electrode extends in the second direction orthogonal to the first direction. The region where the lines intersect is a ferroelectric capacitor having a ferroelectric between a pair of electrodes, and a storage region for storing data by polarization of the ferroelectric layer. For example, a predetermined voltage is applied between the bit line and the selected upper electrode to polarize the ferroelectric layer in the corresponding intersection region to store data, and for example, a state where the predetermined intersection region is selected by the upper electrode. Then, the polarization state of the ferroelectric layer is read from the bit line and used as reproduction data.

【0058】上記の本実施形態に係る半導体記憶装置
は、実質的に第1実施形態で説明した半導体記憶装置の
製造方法と同様に製造でき、特に、強誘電体層の形成工
程においては、上記第1〜第4実施形態に記載の方法を
単独で、あるいは組み合わせて、用いることが可能であ
る。本実施形態の半導体記憶装置の製造方法は、上記の
第1〜第4実施形態と組み合わせて用いることも可能で
ある。
The semiconductor memory device according to the present embodiment described above can be manufactured substantially in the same manner as the method for manufacturing the semiconductor memory device described in the first embodiment, and particularly in the step of forming the ferroelectric layer, The methods described in the first to fourth embodiments can be used alone or in combination. The method of manufacturing the semiconductor memory device of this embodiment can be used in combination with the above-described first to fourth embodiments.

【0059】(実施例)結晶化されたBi3 TiNbO
9 薄膜に、1パルスあたり33.6〜500mJ/cm
2 のエネルギー範囲の紫外領域のレーザ光を1パルス照
射した。220mJ/cm2 以上のエネルギー密度のレ
ーザ光を照射した膜では、アブレーションによる変化が
観察された。360mJ/cm2 、500mJ/cm2
のエネルギー密度のレーザ光を照射した膜のアブレーシ
ョン膜厚は、触針式の段差計により、それぞれ10n
m、11nmと評価された。
(Example) Crystallized Bi 3 TiNbO
9 thin film, 33.6 to 500 mJ / cm per pulse
One pulse of laser light in the ultraviolet region in the energy range of 2 was irradiated. A change due to ablation was observed in the film irradiated with laser light having an energy density of 220 mJ / cm 2 or more. 360 mJ / cm 2 , 500 mJ / cm 2
The ablation film thickness of the film irradiated with the laser beam having the energy density of
m, 11 nm.

【0060】Biを含む層状構造誘電体薄膜の結晶化温
度を低下させるためには、化学量論組成に比べてBiを
過剰に含む組成を前駆体として選択することが有効であ
る。しかし、過剰に添加されたBiは、酸化物もしくは
メタルとなって、膜中あるいは膜の表層部分に偏在する
場合が多く、これが原因となって薄膜キャパシタの性能
が劣化してしまう。レーザアブレーションは、このよう
な表層に存在するBiの酸化物もしくはメタルを除去す
るのに有効である。
In order to lower the crystallization temperature of the layered structure dielectric thin film containing Bi, it is effective to select a composition containing Bi in excess of the stoichiometric composition as a precursor. However, Bi added excessively often becomes an oxide or a metal and is unevenly distributed in the film or in the surface layer portion of the film, which causes the performance of the thin film capacitor to deteriorate. Laser ablation is effective for removing Bi oxide or metal present in such a surface layer.

【0061】また、Bi3 TiNbO9 の前駆体薄膜に
同様のレーザ光を1パルス照射したところ、121mJ
/cm2 以上のエネルギー密度のレーザ光を照射したと
きに膜に明瞭な変化が認められた。また、73.9mJ
/cm2 のエネルギー密度のレーザ光を照射したときに
も膜にわずかな変化が認められた。実際のアブレーショ
ン膜厚は、121mJ/cm2 のエネルギー密度のレー
ザ光の照射で8nm、240mJ/cm2 のエネルギー
密度のレーザ光の照射で17nmであった。
When one pulse of the same laser beam was applied to the Bi 3 TiNbO 9 precursor thin film, 121 mJ was obtained.
A clear change was observed in the film when irradiated with laser light having an energy density of / cm 2 or more. Also, 73.9 mJ
Even when irradiated with laser light having an energy density of / cm 2 , a slight change was observed in the film. The actual ablation thickness, 8 nm at the irradiation of the laser beam energy density of 121mJ / cm 2, was 17nm in the laser light irradiation energy density of 240 mJ / cm 2.

【0062】レーザ光の最適な波長を選択するために、
波長の異なるレーザとしてXeClエキシマレーザ(3
08nm)をBi2 TiNbO9 薄膜に照射した。1パ
ルスあたりのエネルギーが400mJ/cm2 (パルス
幅30ns)を連続して50パルス照射したが、アブレ
ーションは生じなかった。Bi2 TiNbO9 薄膜(5
0nm)の下地がIr(膜厚100nm)である薄膜3
08nmでの反射係数を測定ところ、約40%であり、
この波長領域ではレーザ光の吸収が十分ではなく、下地
部分へのエネルギーの漏れがあることが示された。
In order to select the optimum wavelength of laser light,
XeCl excimer laser (3
08 nm) was irradiated on the Bi 2 TiNbO 9 thin film. The energy per pulse was 400 mJ / cm 2 (pulse width 30 ns) for 50 consecutive pulses, but no ablation occurred. Bi 2 TiNbO 9 thin film (5
Thin film 3 whose base of 0 nm is Ir (film thickness 100 nm)
The reflection coefficient at 08 nm is about 40%,
It was shown that the absorption of the laser beam was not sufficient in this wavelength region, and there was energy leakage to the underlying portion.

【0063】以上の結果から、(Bi,Ma)Bi2
(Ti,Mb)29 (MaはBi,Ca,Sr,Ba
のいずれかであり、MbはTaまたはNbである)の強
誘電体層の処理において、照射するレーザ光の波長は3
08nmよりも短波長とすべきことがわかった。
From the above results, (Bi, Ma) Bi 2
(Ti, Mb) 2 O 9 (Ma is Bi, Ca, Sr, Ba
And Mb is Ta or Nb), the wavelength of the laser beam to be irradiated is 3
It was found that the wavelength should be shorter than 08 nm.

【0064】また、アブレーション膜厚から、248n
mの波長のレーザ光は約20nm程度の侵入深さにおい
て殆どのエネルギーが吸収されていることが予想され
る。従って、あまりに短い波長のレーザ光も、種結晶の
析出という目的には適していないと考えられる。レーザ
光源の使いやすさを考慮すると、波長が248nmのK
rFエキシマレーザが適切な光源と判断された。
From the ablation film thickness, 248n
It is expected that most of the energy of the laser beam having a wavelength of m is absorbed at the penetration depth of about 20 nm. Therefore, it is considered that even a laser beam having a too short wavelength is not suitable for the purpose of seed crystal precipitation. Considering the ease of use of the laser light source, the wavelength of K is 248 nm.
The rF excimer laser was determined to be a suitable light source.

【0065】また、波長が308nmより短いレーザ光
による結晶化処理は、結晶化が基板の表面から進むとい
う意味において、パターンが形成された下地上に均一な
種結晶を形成するのに適した方法であることが示され
た。しかしながら、レーザ光源の波長が短すぎること
は、投入されるエネルギーが、誘電体、あるいは前駆体
薄膜のごく表層に局在し、適切な厚さの種結晶層が得ら
れにくく、また、出力の安定した光源を実際に入手する
ことも困難である、従って、処理に用いる光源として
は、193〜300nmの範囲の波長のレーザが好まし
い。
Further, the crystallization treatment with a laser beam having a wavelength shorter than 308 nm is a method suitable for forming a uniform seed crystal on a patterned underlayer in the sense that crystallization proceeds from the surface of the substrate. Was shown. However, if the wavelength of the laser light source is too short, the energy input is localized in the very surface layer of the dielectric or precursor thin film, making it difficult to obtain a seed crystal layer with an appropriate thickness, and the output It is also difficult to actually obtain a stable light source. Therefore, a laser having a wavelength in the range of 193 to 300 nm is preferable as a light source used for processing.

【0066】本発明は、上記の実施の形態に限定されな
い。例えば、強誘電体メモリとしては、クロスポイント
型以外の形態に適用できる。また、強誘電体層、上部電
極あるいは下部電極などを構成する材料などは、実施形
態で示したものに限定されない。有機金属材料を用いた
CVDのプロセスに本発明を適用することは大いに価値
がある。特に「layer by layer」と呼ば
れる、原料の堆積と結晶化の処理が区別され、かつ繰り
返されるCVD成膜法には、本発明の原理をそのまま適
用することができる。その他、本発明の要旨を変更しな
い範囲で種々の変更をすることができる。
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the ferroelectric memory can be applied to a mode other than the cross point type. In addition, the materials and the like that form the ferroelectric layer, the upper electrode, the lower electrode, and the like are not limited to those shown in the embodiment. It is of great value to apply the present invention to a CVD process using an organometallic material. In particular, the principle of the present invention can be applied as it is to a CVD film forming method called “layer by layer” in which the deposition and crystallization of raw materials are distinguished and repeated. In addition, various modifications can be made without changing the gist of the present invention.

【0067】[0067]

【発明の効果】本発明の半導体記憶装置の製造方法は、
強誘電体キャパシタにおける強誘電体膜と、その上下の
電極との界面が急峻な強誘電体キャパシタを形成するこ
とができ、高集積デバイスの実現を可能にする。
According to the method of manufacturing the semiconductor memory device of the present invention,
It is possible to form a ferroelectric capacitor having a steep interface between the ferroelectric film in the ferroelectric capacitor and the electrodes above and below the ferroelectric film, and it is possible to realize a highly integrated device.

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

【図1】図1は第1実施形態に係る半導体記憶装置の断
面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device according to a first embodiment.

【図2】図2は第1実施形態に係る半導体記憶装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment.

【図3】図3は第1実施形態に係る半導体記憶装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment.

【図4】図4は第1および第3実施形態に係る半導体記
憶装置の製造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the first and third embodiments.

【図5】図5は第2実施形態に係る半導体記憶装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment.

【図6】図6は第2実施形態に係る半導体記憶装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment.

【図7】図7は第4実施形態に係る半導体記憶装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the method for manufacturing the semiconductor memory device according to the fourth embodiment.

【図8】図8は第5実施形態に係る半導体記憶装置の断
面図である。
FIG. 8 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a fifth embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…半導体基板、11,12,13…拡散層、20…
素子分離絶縁膜、21…ゲート絶縁膜、22,24…層
間絶縁膜、23,25…強誘電体層、23p…前駆体薄
膜、23c…上面近傍、23g…強誘電体のグレイン、
23h…不純物および異相を含有するグレイン、23d
…ダメージを受けた層、23w…水分子の置換反応層、
26…絶縁膜、30…ゲート電極、31,33,34…
コンタクトプラグ、32…配線、35…第1下部電極、
36…中間導電体、37…第1上部電極、38…第2下
部電極、39…第2上部電極、Cap1,Cap2,C
ap3,Cap4…強誘電体キャパシタ、NM1,NM
2,NM3,NM4…記憶ノード,Tr…トランジス
タ,LT…レーザ光。
10 ... Semiconductor substrate, 11, 12, 13 ... Diffusion layer, 20 ...
Element isolation insulating film, 21 ... Gate insulating film, 22, 24 ... Interlayer insulating film, 23, 25 ... Ferroelectric layer, 23p ... Precursor thin film, 23c ... Near upper surface, 23g ... Ferroelectric grain,
23h ... Grain containing impurities and foreign phase, 23d
... damaged layer, 23w ... water molecule substitution reaction layer,
26 ... Insulating film, 30 ... Gate electrode, 31, 33, 34 ...
Contact plug, 32 ... Wiring, 35 ... First lower electrode,
36 ... Intermediate conductor, 37 ... First upper electrode, 38 ... Second lower electrode, 39 ... Second upper electrode, Cap1, Cap2, C
ap3, Cap4 ... Ferroelectric capacitors, NM1, NM
2, NM3, NM4 ... Storage node, Tr ... Transistor, LT ... Laser light.

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】強誘電体を一対の電極間に有して、両電極
への印加電圧に応じた強誘電体の分極によってデータを
記憶する半導体記憶装置の製造方法であって、 基板に第1電極を形成する工程と、 上記第1電極の上層に強誘電体層を形成する工程と、 上記強誘電体層の上層に第2電極を形成する工程とを有
し、 上記強誘電体層を形成する工程が、紫外領域の光を強誘
電体前駆物質層または強誘電体層に照射する工程を少な
くとも含む半導体記憶装置の製造方法。
1. A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising a ferroelectric material between a pair of electrodes, wherein data is stored by polarization of the ferroelectric material according to a voltage applied to both electrodes. A step of forming a first electrode; a step of forming a ferroelectric layer on the upper layer of the first electrode; and a step of forming a second electrode on the upper layer of the ferroelectric layer, the ferroelectric layer The method for manufacturing a semiconductor memory device, wherein the step of forming a step includes at least a step of irradiating the ferroelectric precursor layer or the ferroelectric layer with light in the ultraviolet region.
【請求項2】上記第1電極を形成する工程においては、
第1の方向に延伸するように形成し、 上記第2電極を形成する工程においては、上記第1の方
向と異なる第2の方向に延伸するように形成し、 上記第1電極と上記第2電極の交差する領域が、上記強
誘電体の分極によってデータを記憶する領域となる請求
項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
2. In the step of forming the first electrode,
In the step of forming the second electrode, the first electrode and the second electrode are formed so as to extend in a first direction and in a second direction different from the first direction. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein a region where the electrodes intersect is a region for storing data by polarization of the ferroelectric substance.
【請求項3】上記紫外領域の光は、300nm以下、1
93nm以上の波長の光である請求項1に記載の半導体
記憶装置の製造方法。
3. The light in the ultraviolet region has a wavelength of 300 nm or less, 1
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the light has a wavelength of 93 nm or more.
【請求項4】上記強誘電体層を形成する工程が、上記第
1電極上に強誘電体前駆物質層を形成する工程と、当該
強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を照射して強誘電体
の種結晶の層とする工程とを含む請求項1に記載の半導
体記憶装置の製造方法。
4. The step of forming the ferroelectric layer comprises the steps of forming a ferroelectric precursor layer on the first electrode, and irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet region. 2. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, further comprising the step of forming a layer of a ferroelectric seed crystal.
【請求項5】上記強誘電体前駆物質層は膜厚が50nm
以下である請求項4に記載の半導体記憶装置の製造方
法。
5. The ferroelectric precursor layer has a film thickness of 50 nm.
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 4, wherein:
【請求項6】上記強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を
照射する工程において、25℃における飽和蒸気量の9
0%以上の水蒸気を含有する雰囲気下で、間欠的に紫外
領域の光を照射する請求項4に記載の半導体記憶装置の
製造方法。
6. In the step of irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet region, the saturated vapor amount at 25.degree.
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 4, wherein light in the ultraviolet region is intermittently irradiated in an atmosphere containing 0% or more of water vapor.
【請求項7】上記強誘電体層を形成する工程が、強誘電
体の種結晶の層上に強誘電体前駆物質層を形成する工程
と、当該強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を照射して
強誘電体の層とする工程とを含む請求項1に記載の半導
体記憶装置の製造方法。
7. The step of forming the ferroelectric layer comprises the step of forming a ferroelectric precursor layer on a layer of a ferroelectric seed crystal, and the ferroelectric precursor layer having light in the ultraviolet region. Irradiation to form a ferroelectric layer.
【請求項8】上記強誘電体前駆物質層は膜厚が50nm
以下である請求項7に記載の半導体記憶装置の製造方
法。
8. The ferroelectric precursor layer has a film thickness of 50 nm.
The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 7, wherein:
【請求項9】上記強誘電体前駆物質層に紫外領域の光を
照射する工程において、25℃における飽和蒸気量の9
0%以上の水蒸気を含有する雰囲気下で、間欠的に紫外
領域の光を照射する請求項7に記載の半導体記憶装置の
製造方法。
9. In the step of irradiating the ferroelectric precursor layer with light in the ultraviolet region, a saturated vapor amount of 9 at 25 ° C.
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 7, wherein light in the ultraviolet region is intermittently irradiated in an atmosphere containing 0% or more of water vapor.
【請求項10】上記紫外領域の光を照射する工程におい
て、上記基板を室温以上500℃以下の温度に加熱しな
がら行う請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
10. The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the step of irradiating with light in the ultraviolet region is performed while heating the substrate to a temperature of room temperature or more and 500 ° C. or less.
【請求項11】上記第1電極が、貴金属、貴金属を含有
する合金および導電性酸化物のいずれかを含有する請求
項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
11. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein the first electrode contains any one of a noble metal, an alloy containing a noble metal, and a conductive oxide.
【請求項12】上記第1電極の最表面の一部または全部
が、酸化イリジウムを含有する請求項1に記載の半導体
記憶装置の製造方法。
12. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein a part or all of the outermost surface of the first electrode contains iridium oxide.
【請求項13】上記強誘電体層が、主たる成分として、
層状構造を含む強誘電体結晶である(Bi,Ma)Bi
2 (Ti,Mb)29 (MaはBi,Ca,Sr,B
aのいずれかであり、MbはTaまたはNbである)を
含有する請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
13. The ferroelectric layer, as a main component,
A ferroelectric crystal including a layered structure (Bi, Ma) Bi
2 (Ti, Mb) 2 O 9 (Ma is Bi, Ca, Sr, B
The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, wherein any one of a and Mb is Ta or Nb.
【請求項14】上記第1電極を形成する工程の後、上記
強誘電体層を形成する工程の前に、上記第1電極を含む
上記強誘電体層の下地となる層を平坦化する工程をさら
に含む請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
14. A step of planarizing a layer serving as a base of the ferroelectric layer including the first electrode after the step of forming the first electrode and before the step of forming the ferroelectric layer. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, further comprising:
【請求項15】上記平坦化工程を化学的機械研磨処理に
より行う請求項12に記載の半導体記憶装置の製造方
法。
15. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 12, wherein the planarizing step is performed by a chemical mechanical polishing process.
【請求項16】上記強誘電体層を形成する工程が、上記
強誘電体前駆物質層または上記強誘電体層の最表面の層
に紫外領域の光を照射して蒸発させ、除去する工程を含
む請求項1に記載の半導体記憶装置の製造方法。
16. The step of forming the ferroelectric layer comprises the step of irradiating the ferroelectric precursor layer or the outermost surface layer of the ferroelectric layer with light in the ultraviolet region to evaporate and remove the light. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1, comprising.
【請求項17】上記強誘電体層を形成する工程が、さら
に、上記第1電極上に強誘電体前駆物質層を形成して紫
外領域の光を照射して強誘電体の種結晶の層とする工
程、および、強誘電体の種結晶の層上に強誘電体前駆物
質層を形成して紫外領域の光を照射して強誘電体の層と
する工程の少なくともいずれかを含む請求項16に記載
の半導体記憶装置の製造方法。
17. The step of forming the ferroelectric layer further comprises forming a ferroelectric precursor layer on the first electrode and irradiating it with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric seed crystal layer. And a step of forming a ferroelectric precursor layer on the ferroelectric seed crystal layer and irradiating it with light in the ultraviolet region to form a ferroelectric layer. 17. The method for manufacturing a semiconductor memory device according to item 16.
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