JP2003174028A - Manufacturing method for ferroelectric thin film, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory element - Google Patents
Manufacturing method for ferroelectric thin film, ferroelectric capacitor, and ferroelectric memory elementInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体薄膜、強
誘電体キャパシタおよび強誘電体メモリ素子の製造方法
に関するものであり、特に、製造プロセスの低温化を可
能とした強誘電体薄膜、強誘電体キャパシタおよび強誘
電体メモリ素子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 ferroelectric thin film, a ferroelectric capacitor and a ferroelectric memory device, and more particularly to a ferroelectric thin film capable of lowering the manufacturing process temperature, The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric capacitor and a ferroelectric memory element.
【0002】[0002]
【従来の技術】強誘電体物質は、自発分極、高誘電率、
電気光学効果、圧電効果および焦電効果等の多くの機能
を持つことから、広範なデバイス開発に応用されてい
る。例えば、強誘電体の高誘電率を利用してDRAMの
大容量キャパシタの絶縁膜として用いられ、また、強誘
電体の分極反転と残留分極特性、いわばヒステリシス特
性を利用した不揮発性メモリに利用されている。2. Description of the Related Art Ferroelectric materials have a spontaneous polarization, a high dielectric constant,
Since it has many functions such as electro-optical effect, piezoelectric effect, and pyroelectric effect, it has been applied to a wide range of device development. For example, it is used as an insulating film for a large-capacity capacitor of DRAM by utilizing the high dielectric constant of a ferroelectric substance, and is also used for a non-volatile memory utilizing the polarization reversal and remanent polarization characteristic of the ferroelectric substance, so to speak, hysteresis characteristic. ing.
【0003】強誘電体の自発分極特性を利用したメモリ
には大きく分けて2つのタイプがある。第1のタイプ
は、通常のDRAM型メモリセルのメモリキャパシタ材
料を常誘電体から強誘電体へ置換えたものである。これ
は、強誘電体キャパシタに電圧を印加して分極状態を設
定することにより書き込み、読み出しの電圧を印加した
ときに強誘電体キャパシタに流れる電流、即ち、強誘電
体キャパシタの蓄積電荷量の違いで分極状態を検知する
ものである。第2のタイプは、MOS−FETのゲート
絶縁膜を強誘電体で置換えた構造である。これは、強誘
電体ゲートの分極の向きに対応してソース・ドレイン間
のチャネル部分を流れる電流の違いで分極状態を検知す
るものである。本発明の半導体素子は前者に属する。There are roughly two types of memories that utilize the spontaneous polarization characteristics of ferroelectric substances. The first type is a normal DRAM type memory cell in which the memory capacitor material is replaced with a paraelectric material from a ferroelectric material. This is the difference in the current that flows through the ferroelectric capacitor when a voltage for writing and reading is applied by applying a voltage to the ferroelectric capacitor to set the polarization state, that is, the amount of charge stored in the ferroelectric capacitor. Is to detect the polarization state. The second type has a structure in which the gate insulating film of the MOS-FET is replaced with a ferroelectric material. This is to detect the polarization state by the difference in the current flowing through the channel portion between the source and drain corresponding to the polarization direction of the ferroelectric gate. The semiconductor device of the present invention belongs to the former.
【0004】第1のタイプの強誘電体メモリセルとし
て、例えば、強誘電体キャパシタに選択トランジスタを
付加した1トランジスタ+1キャパシタ構造(1T/1
C)を有する不揮発性メモリセルを挙げることができ
る。この強誘電体キャパシタは、例えば、下部電極と上
部電極、及びそれらの間に挟まれた強誘電体薄膜から構
成されている。As a first type ferroelectric memory cell, for example, a one-transistor + 1-capacitor structure (1T / 1 in which a selection transistor is added to a ferroelectric capacitor) is used.
Non-volatile memory cells having C) can be mentioned. This ferroelectric capacitor is composed of, for example, a lower electrode, an upper electrode, and a ferroelectric thin film sandwiched between them.
【0005】強誘電体物質を実際に半導体素子へ組み込
んで、強誘電体不揮発メモリを実現するためには、強誘
電体物質に次のような特性が要求される。残留分極が大
きい、抗電界が小さい、相転移温度(キュリー温度)が
高い、結晶化温度が低い、耐環境性(水素や熱)が優れ
ている、また、疲労現象を示さない。強誘電体の結晶化
温度については、強誘電性を持つ結晶構造を得るため
に、その材料で決められた温度範囲での熱処理が必要と
なる。この温度が高ければ、反応及び相互拡散などによ
り、下地のトランジスタ層に悪影響を与える恐れがある
ので、既存の半導体製造プロセスとの整合性の観点か
ら、結晶化温度は低い方が好ましい。In order to realize a ferroelectric non-volatile memory by actually incorporating a ferroelectric substance into a semiconductor device, the ferroelectric substance is required to have the following characteristics. Large remanent polarization, small coercive electric field, high phase transition temperature (Curie temperature), low crystallization temperature, excellent environmental resistance (hydrogen and heat), and no fatigue phenomenon. Regarding the crystallization temperature of the ferroelectric substance, in order to obtain a crystal structure having ferroelectricity, it is necessary to perform heat treatment within a temperature range determined by the material. If this temperature is high, the underlying transistor layer may be adversely affected by reaction and mutual diffusion. Therefore, the lower crystallization temperature is preferable from the viewpoint of compatibility with the existing semiconductor manufacturing process.
【0006】キャパシタや半導体メモリ素子に用いられ
る強誘電体材料としては、大きな残留分極が得られるP
ZT(Pb(Zrx,Ti1−x)O3:チタン酸ジル
コン酸鉛)に代表されるペロブスカイト構造の鉛系酸化
物材料が主流であった。ところが、この種類の強誘電体
材料は、分極反転を繰り返すと自発分極の大きさが減少
する疲労現象が起こるなどの欠点がある。一方、ビスマ
ス層状構造化合物、例えば、SrBi2Ta2O9(S
BT)、SrBi2Nb2O9(SBN)の薄膜が10
12回以上の分極反転後も特性に変化が見られないとい
う優れた疲労特性を有し、また、SBTでは分極が飽和
する電解が小さいため、低電圧動作に有利である。その
ため、近年ビスマス化合物材料が注目され、盛んに研究
されている。As a ferroelectric material used for a capacitor or a semiconductor memory device, a large remanent polarization P can be obtained.
A lead-based oxide material having a perovskite structure represented by ZT (Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 : lead zirconate titanate) was the mainstream. However, this type of ferroelectric material has a drawback that a fatigue phenomenon occurs in which the magnitude of spontaneous polarization decreases when polarization inversion is repeated. On the other hand, a bismuth layer structure compound, for example, SrBi 2 Ta 2 O 9 (S
BT), SrBi 2 Nb 2 O 9 (SBN) thin film is 10
It has an excellent fatigue characteristic that the characteristic does not change even after 12 or more polarization reversals, and in SBT, the electrolysis with which the polarization is saturated is small, which is advantageous for low voltage operation. Therefore, in recent years, bismuth compound materials have attracted attention and have been actively studied.
【0007】ビスマス層状構造化合物などの強誘電体薄
膜の成膜法について、現状では、真空蒸着法、スパッタ
リング法、レーザーアブレーション法等の物理的方法
や、有機金属化合物を出発原料とし、これらを熱分解酸
化して酸化物強誘電体を得るゾルゲル法またはMOD
(Metal Organic Decomposit
ion)法、LSMCD(Liquid Source
Misted Chemical Depositi
on)法、およびMOCVD(Metal Organ
ic Chemical Vapor Deposit
ion)法等の化学的方法が用いられている。MOD法
は、組成制御が容易で再現性に優れており、常圧で大面
積の成膜を可能とし、工業的に低コストである等の利点
を有することから、広く利用されて、良好な強誘電特性
を示す強誘電体薄膜が得られている。しかし、高集積度
のメモリに適用するためには、段差被覆性、膜質、均一
性、パーティクル発生の抑制や処理速度に優れたMOC
VD法の開発が強く求められている。Regarding the method of forming a ferroelectric thin film such as a bismuth layered structure compound, at present, physical methods such as vacuum deposition method, sputtering method and laser ablation method, or organic metal compound as a starting material are used to heat these materials. Sol-gel method or MOD that decomposes and oxidizes to obtain an oxide ferroelectric
(Metal Organic Decomposit
Ion) method, LSMCD (Liquid Source)
Misted Chemical Depositi
on) method and MOCVD (Metal Organ)
ic Chemical Vapor Deposit
Ion) method and other chemical methods are used. The MOD method is easy to control the composition, has excellent reproducibility, enables large-area film formation under normal pressure, and has the advantages of being industrially low cost. Ferroelectric thin films exhibiting ferroelectric properties have been obtained. However, in order to apply it to a highly integrated memory, MOC with excellent step coverage, film quality, uniformity, suppression of particle generation, and processing speed.
There is a strong demand for development of the VD method.
【0008】MOCVD法を適用するには、原料の選択
はポイントとなる。MOCVDに用いるソース原料とし
ては、低温で十分な蒸気圧を有すること、分解温度が高
く、気化および搬送の過程で分解しないこと、長時間に
亙って安定した蒸気圧を保つこと、気相中でのソース原
料間での反応がないこと等の特性が求められる。また、
常に飽和蒸気圧の状態で原料ガスが供給されるために
は、固体よりも液体や気体であることが望ましいことも
要求される条件である。In applying the MOCVD method, the selection of raw materials is an important point. The source material used for MOCVD has a sufficient vapor pressure at a low temperature, has a high decomposition temperature, does not decompose in the process of vaporization and transportation, maintains a stable vapor pressure for a long time, and has a stable vapor pressure in the vapor phase. It is required to have characteristics such as no reaction between source materials in the above. Also,
In order for the raw material gas to be constantly supplied at a saturated vapor pressure, it is also a condition that it is desirable that the liquid or gas is more preferable than the solid.
【0009】MOCVD法を用いてビスマス層状化合物
薄膜の生成に関しては、本願発明者はすでにソース原料
の選択と作製、また、原料の搬送と処理について提案を
し、この提案によって良好な結果を得ている。その詳細
は特許第3116768号公報(文献1と呼ぶ)、“C.
Isobe et al., Integrated Ferroelectrics, p95-103,
1997”(文献2と呼ぶ)、および特許第313700
4号公報(文献3と呼ぶ)において開示されている。Regarding the formation of the bismuth layered compound thin film by using the MOCVD method, the inventor of the present application has already proposed the selection and production of the source raw material, and the transportation and treatment of the raw material, and obtained good results by this proposal. There is. For details, refer to Japanese Patent No. 3116768 (referred to as Document 1), "C.
Isobe et al., Integrated Ferroelectrics, p95-103,
1997 "(referred to as reference 2), and Japanese Patent No. 313700
No. 4 (referred to as Document 3).
【0010】次は、図面12、13を参照して従来の強
誘電体薄膜の製造方法の問題点を説明する。図12は、
MOCVD法を用いて、例えば、ビスマス層状構造化合
物の薄膜を生成する従来の装置の模式図である。図13
は、MOCVD法を用いて、ビスマス層状構造化合物の
薄膜を製造する従来のプロセスを示すフローチャートで
ある。ここで、原料を液体に溶解し、液相で原料の搬送
と混合を行ない、気化器にて気化させるいわゆるフラッ
シュMOCVD法を用い、SrBi2Ta2O9から成
る強誘電体薄膜の形成を例とする。Next, problems of the conventional method of manufacturing a ferroelectric thin film will be described with reference to FIGS. Figure 12
It is a schematic diagram of the conventional apparatus which produces | generates the thin film of a bismuth layered structure compound, for example using MOCVD method. FIG.
FIG. 3 is a flow chart showing a conventional process for producing a thin film of a bismuth layered structure compound by using the MOCVD method. Here, an example of forming a ferroelectric thin film made of SrBi 2 Ta 2 O 9 by using a so-called flash MOCVD method in which a raw material is dissolved in a liquid, transported and mixed in a liquid phase, and vaporized by a vaporizer is used. And
【0011】図12のMOCVD装置は、ステンレスス
チール製の原料容器110、111、該各原料容器から
の液体状態の原料溶液を混合する液体混合器113、該
各原料容器と液体混合器113を結ぶステンレススチー
ル製の配管114、アルゴンキャリアガスが導入され
て、液体混合器113からの混合溶液を気化させる気化
器119、気化器119からの気体混合物と酸化剤とし
て導入された酸素ガスとを混合するガス混合器120、
気化器119とガス混合器120を結ぶステンレススチ
ール製の配管115、ガス混合器120からの原料ガス
を均一に基板表面に吹き付けるためのガス吹き付けヘッ
ド121、強誘電体薄膜が生成される基板122、基板
122を支える基板ステージ123、原料ガス、酸化剤
ガスなどの化学反応が起こる場所であるMOCVD反応
室124、およびMOCVD反応室124を排気する真
空ポンプ125から構成されている。なお、配管115
にはヒーター等の加熱手段(図示せず)が配設され、配
管内を流れる原料ガスが凝集しないように温度を制御す
る。また、基板ステージ123にはヒーター(図示せ
ず)が組み込まれており、基板122を所望の温度に加
熱可能である。The MOCVD apparatus of FIG. 12 comprises raw material containers 110 and 111 made of stainless steel, a liquid mixer 113 for mixing the raw material solutions in a liquid state from the respective raw material containers, and connecting the respective raw material containers and the liquid mixer 113. A pipe 114 made of stainless steel, an argon carrier gas is introduced, and a vaporizer 119 for vaporizing the mixed solution from the liquid mixer 113, the gas mixture from the vaporizer 119 and the oxygen gas introduced as an oxidant are mixed. Gas mixer 120,
A pipe 115 made of stainless steel connecting the vaporizer 119 and the gas mixer 120, a gas spraying head 121 for uniformly spraying the source gas from the gas mixer 120 onto the substrate surface, a substrate 122 on which a ferroelectric thin film is formed, It is composed of a substrate stage 123 supporting the substrate 122, a MOCVD reaction chamber 124 which is a place where a chemical reaction such as a source gas and an oxidant gas occurs, and a vacuum pump 125 for exhausting the MOCVD reaction chamber 124. The pipe 115
A heating means (not shown) such as a heater is arranged in the chamber to control the temperature so that the raw material gas flowing in the pipe does not aggregate. A heater (not shown) is incorporated in the substrate stage 123, and the substrate 122 can be heated to a desired temperature.
【0012】次は、図13のフローチャートを参照しな
がら、以上の装置を用いてビスマス化合物SrBi2T
a2O9の薄膜を形成するプロセスを説明する。まず、
たとえば、1分子中にタンタルTaとSrを2:1の原
子比率で含有するバイメタリックのアルコキシド原料、
およびビスマス源となる、たとえば、トリフェニルビス
マスを作製し、それぞれ例えばテトラヒドロフラン(T
HF)等の有機溶媒に溶解し、原料容器110と111
に充填する(ステップS41)。そして、以上の原料の
THF溶液を、配管114を介して、独立に液体混合器
113へ搬送し、決められた比率にて混合する(ステッ
プS42)。次は、以上の原料混合物をアルゴンキャリ
アガスと共に気化器119に導入して気化させる(ステ
ップS43)。次は、気化した原料混合物をキャリアガ
ス及び酸素ガスと共にガス混合器120内で混合して、
反応室124内に導入し、白金(Pt)が成膜されて、
約400℃に保持されている基板122に吹き付けて、
目標のビスマス化合物SrBi 2Ta2O9と同じ構成
元素を含有するアモルファスビスマス化合物薄膜を成膜
する(ステップS44)。そして、基板122を約70
0−800℃まで加熱し、ポストアニールを施す(ステ
ップS47)。その結果、白金が成膜された基板122
上に、目的のSrBi2Ta2O9結晶膜を成膜でき
る。Next, please refer to the flow chart of FIG.
Gara, using the above equipment, the bismuth compound SrBiTwoT
aTwoO9The process of forming the thin film of will be described. First,
For example, tantalum Ta and Sr are added in a ratio of 2: 1 in one molecule.
Bimetallic alkoxide raw material contained in a child ratio,
And bismuth source, eg triphenylbis
A mass is prepared, and for example, tetrahydrofuran (T
HF) and the like, and the raw material containers 110 and 111 are dissolved.
(Step S41). And of the above ingredients
The THF solution is independently liquid-mixed via a pipe 114.
It is conveyed to 113 and mixed at a determined ratio (step
S42). Next, add the above raw material mixture to an argon carrier.
It is introduced into the vaporizer 119 together with the agus and vaporized (step
S43). Next, the vaporized raw material mixture is
Mixed with gas and oxygen gas in the gas mixer 120,
Introduced into the reaction chamber 124, platinum (Pt) is formed into a film,
Spray on the substrate 122 held at about 400 ° C.,
Target bismuth compound SrBi TwoTaTwoO9Same configuration as
Forming amorphous bismuth compound thin films containing elements
Yes (step S44). Then, the substrate 122 is set to about 70
Heat to 0-800 ° C and perform post-annealing (step
S47). As a result, the substrate 122 on which platinum is formed
Above, the desired SrBiTwoTaTwoO9Crystal film can be formed
It
【0013】[0013]
【発明が解決しようとする課題】このように、MOCV
D法を用いて強誘電体、例えば、SrBi2Ta2O9
を作製する場合、従来の製法では、まず、低い温度で
(約400℃)アモルファス構造(あるいはフルオライ
ト構造)の薄膜を堆積して、そして、高温処理(700
℃〜800℃)を施して(ボストアニール)、初めてB
i層状構造強誘電体SrBi2Ta2O9を得ることが
できる。この2段階の成膜プロセスを用いて、700℃
以下では、SrBi2Ta2O 9が十分に結晶化でき
ず、強誘電体メモリに必要な残留分極を持つ結晶構造が
得られないが、700℃−800℃のボストアニール温
度では良好な電気的特性を持つ結晶膜を得ている。その
ため、この方法が広く用いられている。As described above, the MOCV
Ferroelectrics such as SrBi using the D methodTwoTaTwoO9
In the conventional manufacturing method, first, at low temperature
(About 400 ℃) Amorphous structure (or Fluorite)
A thin film of high temperature processing (700
(C-800 ℃) (Bost annealing)
i-layered structure ferroelectric SrBiTwoTaTwoO9Can get
it can. Using this two-step film formation process, 700 ° C
In the following, SrBiTwoTaTwoO 9Can be fully crystallized
The crystal structure with remanent polarization required for ferroelectric memory.
Not obtained, but 700 ° C-800 ° C anneal temperature
A crystalline film having good electrical characteristics is obtained. That
Therefore, this method is widely used.
【0014】しかし、700℃−800℃程高い温度
は、既存の半導体製造プロセスと整合性がなく、好まし
くない。このような高温酸素雰囲気では、強誘電体薄膜
と下部電極界面との相互拡散や、コンタクト・プラグ材
料の酸化、コンタクト・プラグ材料と下部電極および強
誘電体薄膜との相互拡散によるコンタクト不良や特性劣
化を引起すなどの問題がある。However, a temperature as high as 700 ° C. to 800 ° C. is not preferable because it is not compatible with the existing semiconductor manufacturing process. In such a high-temperature oxygen atmosphere, contact defects and characteristics due to mutual diffusion between the ferroelectric thin film and the lower electrode interface, oxidation of the contact plug material, and mutual diffusion between the contact plug material and the lower electrode and ferroelectric thin film. There are problems such as deterioration.
【0015】特に、強誘電体メモリを64〜256Mb
itクラスまで高集積化する場合は、低容量デバイスに
て用いられているメモリセルの選択トランジスタと略同
じ平面に強誘電体キャパシタを形成する、いわゆるプレ
ーナーキャパシタ構造から、メモリセルの選択トランジ
スタ上に、コンタクト・プラグを介して接続した強誘電
体キャパシタが形成されたスタックセル構造に転換し、
チップ面積を縮小して行くことが必要である。このよう
なコンパクトな構造を製造する過程では、以上のような
反応や拡散の影響はより大きくなる。たとえば、強誘電
体キャパシタのビスマス化合物膜の結晶化に必要な70
0℃以上の温度では、プラグに用いるポリシリコンやタ
ングステンと強誘電体キャパシタの下部電極に用いる白
金PtやイリジウムIrとの間の拡散と反応が起こり、
強誘電体キャパシタの特性を大きく劣化する。In particular, the ferroelectric memory has a capacity of 64-256 Mb.
In the case of high integration up to the it class, a ferroelectric capacitor is formed on the same plane as the select transistor of the memory cell used in the low capacity device. , Converted to a stack cell structure in which a ferroelectric capacitor connected via a contact plug is formed,
It is necessary to reduce the chip area. In the process of manufacturing such a compact structure, the influence of the above reaction and diffusion becomes larger. For example, the 70 required for crystallization of a bismuth compound film of a ferroelectric capacitor.
At a temperature of 0 ° C. or higher, diffusion and reaction occur between polysilicon or tungsten used for the plug and platinum Pt or iridium Ir used for the lower electrode of the ferroelectric capacitor,
The characteristics of the ferroelectric capacitor are greatly deteriorated.
【0016】これを防ぐために下部電極とプラグの間に
拡散防止層を設ける試みが有効であるが、一般に拡散防
止層として広く用いられているTiNは600〜650
℃がその拡散防止機能の上限温度であり、700℃以上
で拡散防止層として十分に機能する材料はまだ見つかっ
ていない。そこで、ビスマス層状構造化合物などの強誘
電体を高集積度の半導体メモリ素子に適用するために、
薄膜の緻密、平坦化を含む薄膜製造技術の開発、特に成
膜温度の低温化の開発が不可欠である。In order to prevent this, an attempt to provide a diffusion prevention layer between the lower electrode and the plug is effective, but TiN which is widely used as a diffusion prevention layer is generally 600 to 650.
C is the upper limit temperature of the diffusion preventing function, and a material that sufficiently functions as a diffusion preventing layer at 700 ° C. or higher has not been found yet. Therefore, in order to apply a ferroelectric substance such as a bismuth layered structure compound to a highly integrated semiconductor memory device,
It is indispensable to develop a thin film manufacturing technology including thin film compactness and flattening, especially to lower the film forming temperature.
【0017】今まで、様々な方法でビスマス層状構造化
合物の結晶化温度を低下する開発は行なわれてきた。前
述した2段階プロセスを改良して、700℃より低いポ
ストアニール温度では十分な電気的特性が得られていな
い。また、たとえば、特許第2967189号公報(文
献4と呼ぶ)では、Sr、Bi、Ta3種の金属を1分
子内に含む複合アルコキシド(トリプルアルコキシド)
を合成し、該複合アルコキシドを加水分解して、目標の
SBTの前駆体とする。該前駆体の分子構造は目的のS
BTの結晶構造の副格子と同じであるので、スピンコー
ティングなどのコーティング法により、550℃の低温
で該前駆体を結晶化させ、SBTの薄膜を生成した。Up to now, various methods have been developed to lower the crystallization temperature of the bismuth layer structure compound. By improving the two-step process described above, sufficient electrical characteristics have not been obtained at post-annealing temperatures lower than 700 ° C. Further, for example, in Japanese Patent No. 2967189 (referred to as Document 4), a complex alkoxide (triple alkoxide) containing Sr, Bi, and Ta3 metals in one molecule.
Is synthesized, and the complex alkoxide is hydrolyzed to obtain a target SBT precursor. The molecular structure of the precursor is S
Since it is the same as the sublattice of the crystal structure of BT, the precursor was crystallized at a low temperature of 550 ° C. by a coating method such as spin coating to form a thin film of SBT.
【0018】また、特開平11−97630号公報(文
献5と呼ぶ)では、まずMOCVD法で薄い酸化チタン
膜および酸化ビスマス膜を順次に450℃以下で形成し
て、該酸化ビスマス薄膜上に同じ450℃以下、MOC
VD法でチタン酸ビスマス(Bi4Ti3O12)層状
化合物を形成することができた。文献5によると、結晶
化温度が低い酸化ビスマス薄膜はチタン酸ビスマスのバ
ッファ層となり、結晶の初期核として働く。Ptの基板
上に結晶核生成密度が低いので、緻密な結晶の成長がで
きない。Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-97630 (referred to as reference 5), a thin titanium oxide film and a bismuth oxide film are sequentially formed at 450 ° C. or lower by MOCVD, and the same is formed on the bismuth oxide thin film. 450 ° C or less, MOC
A bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) layered compound could be formed by the VD method. According to Document 5, the bismuth oxide thin film having a low crystallization temperature becomes a buffer layer of bismuth titanate and acts as an initial nucleus of crystal. Since the crystal nucleation density is low on the Pt substrate, dense crystals cannot be grown.
【0019】また、特開平10−223847号公報
(文献6と呼ぶ)は、スピンコートのプロセスを改良
し、650℃法でビスマス層状構造化合物SrBi2T
a2O9を結晶化させることができた。その他、特開平
9−69614号公報(文献7と呼ぶ)、および特開平
8−340084号公報(文献8と呼ぶ)でも、スピン
コートのプロセスを改良し、ビスマス層状構造化合物S
BTの結晶化温度を下げることを試みた。Further, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 10-223847 (referred to as Document 6) improves a spin coating process and uses a bismuth layer structure compound SrBi 2 T by a 650 ° C. method.
It was possible to crystallize a 2 O 9 . In addition, in JP-A-9-69614 (referred to as reference 7) and JP-A-8-340084 (referred to as reference 8), the spin coating process is improved to improve the bismuth layer structure compound S.
An attempt was made to lower the crystallization temperature of BT.
【0020】しかし、文献4はスピンコート法の結果だ
けを示し、高集積度の強誘電体メモリの製造に求められ
たMOCVD法についての結果はない。文献5は主にチ
タン酸ビスマス(Bi4Ti3O12)層状化合物の低
温での結晶化の結果を示し、SBTなどのY1系材料の
結晶化について、効果があると主張されているが、実施
していない。文献6、文献7、と文献8はスピンコート
のプロセスの改良に当たり、本質的な改善はない。However, Document 4 shows only the result of the spin coating method, and does not have the result of the MOCVD method required for manufacturing a highly integrated ferroelectric memory. Document 5 mainly shows the results of crystallization of a bismuth titanate (Bi 4 Ti 3 O 12 ) layered compound at a low temperature, and it is claimed that it is effective for crystallization of Y1-based materials such as SBT. Not performed. References 6, 7, and 8 are improvements in the spin coating process, and there is no essential improvement.
【0021】本発明は以上の背景を鑑みて、その目的
は、MOCVD法により、ポストアニールせずに、直接
に且つ低温度で、強誘電体薄膜を製造する方法、強誘電
体キャパシタを製造する方法、および強誘電体メモリ素
子を製造する方法を提供する。In view of the above background, an object of the present invention is to produce a ferroelectric thin film directly by MOCVD without post-annealing and at a low temperature, and to produce a ferroelectric capacitor. A method and a method of manufacturing a ferroelectric memory device are provided.
【0022】[0022]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係わる強誘電体薄膜の製造方法は、化学的
気相成長法により強誘電体薄膜を製造する方法であっ
て、 前記強誘電体薄膜を構成する金属元素を含有する
複数種類の有機金属化合物の原料ガスを、少なくとも反
応促進剤としてのアルコール類ガスと共に供給し、前記
強誘電体薄膜を形成する。前記アルコール類反応促進剤
を添加することにより、前記強誘電体薄膜の結晶化温度
は低くなる。In order to achieve the above object, a method for producing a ferroelectric thin film according to the present invention is a method for producing a ferroelectric thin film by a chemical vapor deposition method, wherein: A raw material gas of a plurality of kinds of organometallic compounds containing a metal element that constitutes the ferroelectric thin film is supplied together with at least an alcohol gas as a reaction accelerator to form the ferroelectric thin film. By adding the alcoholic reaction accelerator, the crystallization temperature of the ferroelectric thin film is lowered.
【0023】ビスマス層状化合物を製造する場合は、B
iを含有するメタルアルコキシドBi(OR)3(R=
alkyl)を原料として用い、例えば、供給された前
記酸化剤としての酸素ガスの量を制御することによっ
て、ビスマス層状化合物中のビスマスの組成を制御でき
る。さらに、SrBi2Ta2O9からなるビスマス層
状化合物を製造する場合は、TaとSrを1分子中に原
子比率が2:1で含有するバイメタルアルコキシドSr
[Ta(OR)6]2を原料として用いる。或は、Sr
Bi2Nb2O9からなるビスマス層状化合物を製造す
る場合は、NbとSbを1分子中に原子比率が2:1で
含有するバイメタルアルコキシドSr[Nb(O
R)6]2(R=alkyl)を原料として用いる。When producing a bismuth layered compound, B
Metal alkoxide Bi (OR) 3 containing i (R =
The composition of bismuth in the bismuth layered compound can be controlled by using, for example, alkyl) as a raw material and controlling the amount of the oxygen gas supplied as the oxidizing agent. Furthermore, in the case of producing a bismuth layered compound composed of SrBi 2 Ta 2 O 9 , a bimetal alkoxide Sr containing Ta and Sr in the molecule at an atomic ratio of 2: 1.
[Ta (OR) 6 ] 2 is used as a raw material. Or Sr
When a bismuth layered compound composed of Bi 2 Nb 2 O 9 is produced, a bimetal alkoxide Sr [Nb (Ob) containing Nb and Sb in a molecule at an atomic ratio of 2: 1 is produced.
R) 6 ] 2 (R = alkyl) is used as a raw material.
【0024】上記目的を達成するために、本発明に係わ
る強誘電体キャパシタの製造方法は、第1の電極層を形
成する工程と、前記第1の電極層上に、化学的気相成長
法にて強誘電体薄膜を形成する工程と、前記強誘電体薄
膜上に第2の電極層を形成する工程とを有し、前記第1
の電極層上に化学的気相成長法にて前記強誘電体薄膜を
形成する工程において、前記強誘電体薄膜を構成する金
属元素を含有する複数種類の有機金属化合物の原料ガス
を、少なくとも反応促進剤としてのアルコール類ガスと
共に前記第1の電極層上に供給し、前記強誘電体薄膜を
形成する。前記アルコール類反応促進剤を添加すること
により、前記強誘電体薄膜の結晶化温度は低くなる。前
記強誘電体キャパシタの強誘電体膜にビスマス層状化合
物、例えば、SrBi2Ta2O9、或は、SrBi2
Nb2O9からなるビスマス層状化合物を用いる場合
は、化学的気相成長法にて該膜を形成する時の原料選
択、および組成の制御は前記強誘電体薄膜の製造方法と
同じである。In order to achieve the above object, a method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention comprises a step of forming a first electrode layer, and a chemical vapor deposition method on the first electrode layer. And a step of forming a second electrode layer on the ferroelectric thin film.
In the step of forming the ferroelectric thin film on the electrode layer by chemical vapor deposition, the raw material gases of a plurality of kinds of organometallic compounds containing a metal element forming the ferroelectric thin film are reacted at least with each other. It is supplied onto the first electrode layer together with an alcohol gas as a promoter to form the ferroelectric thin film. By adding the alcoholic reaction accelerator, the crystallization temperature of the ferroelectric thin film is lowered. Ferroelectric film bismuth layer compound of the ferroelectric capacitor, for example, SrBi 2 Ta 2 O 9, or, SrBi 2
When a bismuth layered compound made of Nb 2 O 9 is used, the raw material selection and the composition control when forming the film by the chemical vapor deposition method are the same as in the method for manufacturing the ferroelectric thin film.
【0025】上記目的を達成するために、本発明に係わ
る強誘電体メモリ素子の製造方法は、選択トランジスタ
と、前記選択トランジスタの一方の不純物拡散領域に接
続された強誘電体キャパシタとを含む強誘電体メモリ素
子の製造方法であって、半導体基板の所定の領域に前記
選択トランジスタを形成する工程と、前記選択トランジ
スタを含む半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前
記絶縁膜に前記選択トランジスタの一方の不純物拡散領
域に達する導電性コンタクト・プラグを形成する工程
と、前記導電性コンタクト・プラグと接続する前記強誘
電体キャパシタの下部電極層を形成する工程と、前記下
部電極層上に、化学的気相成長法にて前記強誘電体キャ
パシタの強誘電体薄膜を形成する工程と、前記強誘電体
薄膜上に前記強誘電体キャパシタの上部電極層を形成す
る工程とを有し、前記下部電極層上に化学的気相成長法
にて前記強誘電体薄膜を形成する工程において、前記強
誘電体薄膜を構成する金属元素を含有する複数種類の有
機金属化合物の原料ガスと、少なくとも反応促進剤とし
てのアルコール類ガスとを前記下部電極層上に供給し、
所定の成膜温度で前記強誘電体薄膜を形成する前記アル
コール類反応促進剤を添加することにより、前記強誘電
体薄膜の結晶化温度は低下され、且つ、前記成膜温度
は、前記下部電極の近辺に拡散または化学反応を引起す
温度以下に低下される。In order to achieve the above object, a method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention includes a ferroelectric capacitor including a select transistor and a ferroelectric capacitor connected to one impurity diffusion region of the select transistor. A method of manufacturing a dielectric memory device, comprising: forming the select transistor in a predetermined region of a semiconductor substrate; forming an insulating film on a semiconductor substrate including the select transistor; Forming a conductive contact plug reaching one of the impurity diffusion regions of the transistor; forming a lower electrode layer of the ferroelectric capacitor connected to the conductive contact plug; and forming a lower electrode layer on the lower electrode layer. Forming a ferroelectric thin film of the ferroelectric capacitor by a chemical vapor deposition method, and forming the ferroelectric thin film on the ferroelectric thin film. And a step of forming an upper electrode layer of a capacitor, wherein in the step of forming the ferroelectric thin film on the lower electrode layer by a chemical vapor deposition method, a metal element forming the ferroelectric thin film is added. Supplying a plurality of kinds of organometallic compound raw material gas, and at least an alcohol gas as a reaction accelerator on the lower electrode layer,
The crystallization temperature of the ferroelectric thin film is lowered by adding the alcoholic reaction promoter that forms the ferroelectric thin film at a predetermined film forming temperature, and the film forming temperature is the lower electrode. The temperature is lowered below the temperature that causes a diffusion or chemical reaction in the vicinity of.
【0026】前記強誘電体メモリ素子の強誘電体キャパ
シタの強誘電体膜にビスマス層状化合物、例えば、Sr
Bi2Ta2O9(SBT)、あるいは、SrBi2N
b2O9(SBN)からなるビスマス層状化合物を用い
る場合は、化学的気相成長法にて該膜を形成する時の原
料選択および組成の制御は、前記強誘電体薄膜及び前記
強誘電体キャパシタの製造方法と同じである。A bismuth layer compound such as Sr is formed on the ferroelectric film of the ferroelectric capacitor of the ferroelectric memory device.
Bi 2 Ta 2 O 9 (SBT) or SrBi 2 N
When a bismuth layered compound composed of b 2 O 9 (SBN) is used, the selection of raw materials and the control of the composition at the time of forming the film by chemical vapor deposition are controlled by the ferroelectric thin film and the ferroelectric thin film. This is the same as the method for manufacturing a capacitor.
【0027】上記の強誘電体薄膜、強誘電体キャパシタ
および強誘電体半導体素子の製造方法によれば、強誘電
体薄膜の結晶化温度を低下できる。例えば、SrBi2
Ta 2O9からなるBi層状化合物は、従来の成膜温度
より100℃程度低い600℃前後で、結晶を形成する
ことが可能となる。これによりもたらされる低温プロセ
スにより種々のバリアメタルに必要な耐熱性の上限を下
げることが可能であり、バリアメタルとして使用可能な
材料の選択肢が増える。その結果、トランジスタの直上
に強誘電体を配置するスタック構造セルを容易に作製す
ることが可能となり、強誘電体不揮発メモリを高集積度
化することが可能となる。また、MOCVD法により成
膜することから、緻密度が高く、表面被覆性のよい薄膜
を形成できる。さらに、薄膜の清浄度を高め、生産性も
高めることができる。The above-mentioned ferroelectric thin film and ferroelectric capacitor
According to the method of manufacturing a ferroelectric semiconductor device,
The crystallization temperature of the body thin film can be lowered. For example, SrBiTwo
Ta TwoO9The Bi layered compound consisting of
A crystal is formed at around 600 ° C, which is lower by about 100 ° C.
It becomes possible. The low temperature process brought about by this
Lowers the upper limit of heat resistance required for various barrier metals.
Can be used as a barrier metal
More choices for materials. As a result, directly above the transistor
It is easy to fabricate a stack structure cell in which a ferroelectric substance is placed in
It is possible to increase the integration density of ferroelectric non-volatile memory.
Can be converted. Also, the MOCVD method is used.
Since it forms a film, it is a thin film with high density and good surface coverage.
Can be formed. In addition, the cleanliness of the thin film is improved and productivity is improved.
Can be increased.
【0028】[0028]
【発明の実施の形態】以下に、本発明の強誘電体薄膜、
強誘電体キャパシタ、および強誘電体半導体メモリ素子
の製造方法の実施の形態について、添付の図面を参照し
て述べる。本発明において、MOCVD法を用いて、ア
ルコール類(アルコール(R−OH)、メタノール(C
H3−OH)、エタノール(C2H5−OH)、プロパ
ノール(C3H7−OH)、ブタノール(C4H9−O
H)などのいずれか)を反応促進剤として添加し、原料
ガスの間の反応、したがって、薄膜結晶の成長過程を促
進し、ポストアニールのような熱処理をせずに、直接に
且つ低温で原料ガスから薄膜結晶を成長する。その理由
は次に述べる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The ferroelectric thin film of the present invention is described below.
An embodiment of a method of manufacturing a ferroelectric capacitor and a ferroelectric semiconductor memory device will be described with reference to the accompanying drawings. In the present invention, alcohols (alcohol (R-OH), methanol (C
H 3 -OH), ethanol (C 2 H 5 -OH), propanol (C 3 H 7 -OH), butanol (C 4 H 9 -O
H) or the like) as a reaction promoter to accelerate the reaction between the source gases, and thus the growth process of the thin film crystals, directly and at low temperature without heat treatment such as post-annealing. Grow thin film crystals from gas. The reason will be described below.
【0029】周知のように、MOCVD法は、III−V
族化合物半導体の結晶成長に代表されるように、ポスト
アニールをせずに直接的な結晶成長を可能とする手法で
あり、同時に半導体プロセスに要求される清浄かつ生産
性の高い手法であり、そのためMOCVD法は広く使わ
れている。SBTなどのBi層状化合物などの強誘電体
について、ポストアニールをせずに直接的にMOCVD
法により結晶成長することは基本的に可能であり、ま
た、その直接的な結晶成長過程に必要な結晶化温度はポ
ストアニール温度より低いと考えられる。As is well known, the MOCVD method uses III-V.
This is a method that enables direct crystal growth without post-annealing, as typified by crystal growth of group compound semiconductors, and at the same time a clean and highly productive method required for semiconductor processes. The MOCVD method is widely used. MOCVD directly on ferroelectrics such as Bi layered compounds such as SBT without post annealing.
It is basically possible to grow crystals by the method, and it is considered that the crystallization temperature required for the direct crystal growth process is lower than the post-annealing temperature.
【0030】MOCVD法において、供給された原料か
ら結晶を成長するプロセスは、原料の分子の分解反応、
および該分解反応の生成物の酸化反応の進行状況に影響
される。該分解反応および酸化反応を低温で効率的に行
えば、酸化反応の生成物はその温度で結晶化もできると
考えられる。MOCVD法において、分解反応の分解エ
ネルギーとして熱エネルギーを、酸化反応の酸化エネル
ギーとして酸素が用いられる。さらに分解反応および酸
化反応を効率的に行うためには、別のエネルギー源を加
えることが考えられる。一般には、プラズマ、光などの
エネルギー添加が広く用いられるが、装置が複雑になる
上、成膜条件の設定もより難くなるのが通例である。In the MOCVD method, the process of growing a crystal from the supplied raw material is a decomposition reaction of the raw material molecules,
And the progress of the oxidation reaction of the products of the decomposition reaction. It is considered that if the decomposition reaction and the oxidation reaction are efficiently performed at a low temperature, the product of the oxidation reaction can be crystallized at that temperature. In the MOCVD method, thermal energy is used as the decomposition energy of the decomposition reaction and oxygen is used as the oxidation energy of the oxidation reaction. Further, in order to efficiently carry out the decomposition reaction and the oxidation reaction, it is possible to add another energy source. Generally, energy additions such as plasma and light are widely used, but it is customary that the apparatus becomes complicated and the setting of film forming conditions becomes more difficult.
【0031】そこで、より簡便な方法として、化学的な
反応を利用する反応促進剤の添加が有効である。上記の
MOCVD法においては、アルコール類(アルコール
(R−OH)、メタノール(CH3−OH)、エタノー
ル(C2H5−OH)、プロパノール(C3H7−O
H)、ブタノール(C4H9−OH)などのいずれか)
を原料ガスに導入することにより、原料の分子の分解反
応が促進される。これは、気相もしくは基板表面におい
て、アルコール類が求核試薬として作用することによ
り、アルコキシド原料のアルコキシ基への攻撃を通して
分解反応を促進するためである。したがって、より低い
基板加熱により同等の結晶成長が可能となる。Therefore, as a simpler method, it is effective to add a reaction accelerator utilizing a chemical reaction. In the MOCVD method described above, alcohols (alcohols (R-OH), methanol (CH 3 -OH), ethanol (C 2 H 5 -OH), propanol (C 3 H 7 -O
H), butanol (C 4 H 9 -OH) or the like)
Is introduced into the raw material gas, the decomposition reaction of the molecules of the raw material is promoted. This is because alcohols act as a nucleophile in the gas phase or on the surface of the substrate to accelerate the decomposition reaction through attack on the alkoxy group of the alkoxide raw material. Therefore, a lower substrate heating enables the same crystal growth.
【0032】第1の実施形態
本実施形態では、強誘電体薄膜の生成の一例として、い
わゆるY1系材料、例えば、SrBi2Ta2O9(S
BT)からなるビスマス層状化合物薄膜をMOCVD法
にて低成膜温度で形成する方法を説明する。前述したよ
うに、MOCVD法を用いる場合に、原料の選択はポイ
ントとなる。MOCVDに用いるソース原料としては、
低温で十分な蒸気圧を有すること、分解温度が高く、気
化および搬送の過程で分解しないこと、長時間に亙って
安定した蒸気圧を保つこと、気相中でのソース原料間で
の反応がないこと等の特性が求められる。また、常に飽
和蒸気圧の状態で原料ガスが供給されるためには、固体
よりも液体や気体であることが望ましいことも要求され
る条件である。従来用いられてきたソース原料、たとえ
ば、Sr(THD)2、Bi(C6H 5)3、Ta(O
C2H5)4(THD)の組み合わせによっては、所望
の組成に制御することが極めて困難である。これは、こ
れらの原料の反応性が基板温度に敏感であるためであ
り、さらに各々の原料の反応性が異なる温度依存性を持
つためである。上記のように、本願出願人は、MOCV
D法を用いる場合に、ソース原料の選択と作製、また、
原料の搬送と処理について、既に良い提案をして良好な
結果を得ている。その詳細は特許第3116768号公
報(文献1)、“C. Isobe etal., Integrated Ferroel
ectrics, p95-103, 1997”(文献2)、および特許第3
137004号公報(文献3)において開示されてい
る。本発明では、原料の選択、作製、搬送、および他の
処理について、以上の公報に開示された方法を用いる。[0032]First embodiment
In this embodiment, as an example of generation of a ferroelectric thin film,
Wool Y1-based material such as SrBiTwoTaTwoO9(S
BT) bismuth layered compound thin film is formed by MOCVD
A method of forming at a low film forming temperature will be described below. I mentioned above
As described above, when the MOCVD method is used, the raw material should be selected.
It becomes an event. As the source material used for MOCVD,
Must have sufficient vapor pressure at low temperature, have high decomposition temperature, and
Do not disassemble in the process of liquefaction and transportation, for a long time
Maintaining a stable vapor pressure, between source materials in the vapor phase
Characteristics such as no reaction of are required. Also, always tired
In order to supply the raw material gas at the state of Japanese vapor pressure,
It is also required that it should be liquid or gas rather than
Conditions. Traditional source material, even if
Sr (THD)Two, Bi (C6H 5)Three, Ta (O
CTwoH5)FourDesired depending on the combination of (THD)
It is extremely difficult to control the composition. This is this
This is because the reactivity of these raw materials is sensitive to the substrate temperature.
In addition, the reactivity of each raw material has different temperature dependence.
This is because it is important. As mentioned above, the applicant of the present invention is
When the method D is used, selection and production of the source material,
We have already made good proposals regarding the transport and processing of raw materials
I'm getting results. The details are Japanese Patent No. 3116768
Report (Reference 1), “C. Isobe et al., Integrated Ferroel
ectrics, p95-103, 1997 ”(Reference 2) and Patent No. 3
No. 137004 (reference 3)
It In the present invention, selection of raw materials, production, transportation, and other
For processing, the method disclosed in the above publications is used.
【0033】図1は、本発明の第1の実施形態に係わる
強誘電体薄膜を生成する装置の模式図である。図1に示
された装置は、MOCVD法において用いられる装置で
あり、すなわち、原料を溶媒に溶解し、液相で原料の搬
送と混合を行ない、気化器にて気化させる。図2は、図
1に示された装置を用いて強誘電体薄膜を生成するプロ
セスを示すフローチャートである。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for producing a ferroelectric thin film according to the first embodiment of the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is an apparatus used in the MOCVD method, that is, a raw material is dissolved in a solvent, the raw material is transported and mixed in a liquid phase, and vaporized by a vaporizer. FIG. 2 is a flow chart showing a process of forming a ferroelectric thin film using the apparatus shown in FIG.
【0034】図1のMOCVD装置は、ステンレススチ
ール製の原料容器(cylinder)10、11、1
2、該各原料容器からの液体状態の原料溶液を混合する
液体混合器(Liquid mixer)13、該各原
料容器と液体混合器13を結ぶステンレススチール製の
配管14、液体混合器13で混合した混合溶液を気化さ
せる気化器(Vaporizer、Flash Vap
orizing Zone)19、酸化剤としての酸素
ガスと前記気化した混合溶液とキャリアガスとを混合す
るガス混合器(Gas Mixer)20、気化器19
とガス混合器20を結ぶステンレススチール製の配管1
5、混合した原料ガスを均一に基板表面に吹き付けるた
めのガス吹き付けヘッド21、強誘電体薄膜が堆積され
る基板22、基板22を支える基板ステージ23、原料
ガス、酸化剤ガスなどの化学反応が起こる場所となるM
OCVD反応室(reactor)24、MOCVD反
応室24を排気する真空ポンプ25から構成されてい
る。The MOCVD apparatus of FIG. 1 comprises a stainless steel source container (cylinder) 10, 11, and 1.
2, a liquid mixer 13 for mixing the raw material solution in a liquid state from each raw material container, a stainless steel pipe 14 connecting the raw material container and the liquid mixer 13, and a liquid mixer 13 A vaporizer (Vaporizer, Flash Vap) that vaporizes the mixed solution.
orizing zone) 19, a gas mixer (Gas Mixer) 20 for mixing oxygen gas as an oxidant, the vaporized mixed solution, and a carrier gas, a vaporizer 19
Pipe made of stainless steel that connects the gas mixer 20 with
5, a gas spraying head 21 for uniformly spraying the mixed raw material gas onto the surface of the substrate, a substrate 22 on which a ferroelectric thin film is deposited, a substrate stage 23 supporting the substrate 22, a chemical reaction of the raw material gas, an oxidant gas, etc. M where it happens
It comprises an OCVD reactor 24 and a vacuum pump 25 for exhausting the MOCVD reaction chamber 24.
【0035】図1のMOCVD装置において、気化器1
9とガス混合器20を結ぶ配管15にはヒーター等の加
熱手段(図示せず)が配設され、配管内を流れる原料ガ
スが凝集しないように温度を制御する。MOCVD反応
室24内に導入された原料ガスは、ガス吹き付けヘッド
21を介して、基板ステージ23上に載置された基板2
2に吹き付けられる。なお、基板ステージ23にはヒー
ター(図示せず)が組み込まれており、基板22を所望
の温度に加熱可能である。MOCVD反応室24内は、
真空ポンプ25によって排気される。目的の強誘電体を
構成する金属元素を含有する有機金属原料を作製して、
以上の装置に導入して、該装置でこれらの原料を気化さ
せて、反応させて、そして強誘電体の薄膜を成膜でき
る。In the MOCVD apparatus of FIG. 1, the vaporizer 1
A heating means (not shown) such as a heater is provided in the pipe 15 connecting the gas mixer 9 and the gas mixer 20, and the temperature is controlled so that the raw material gas flowing in the pipe does not aggregate. The raw material gas introduced into the MOCVD reaction chamber 24 is passed through the gas blowing head 21 and the substrate 2 placed on the substrate stage 23.
Sprayed on 2. A heater (not shown) is incorporated in the substrate stage 23 to heat the substrate 22 to a desired temperature. In the MOCVD reaction chamber 24,
It is exhausted by the vacuum pump 25. By producing an organometallic raw material containing a metal element that constitutes the desired ferroelectric substance,
It is possible to introduce the above-mentioned device, vaporize and react these raw materials in the device, and form a ferroelectric thin film.
【0036】次は、図2を参照しながら、以上のMOC
VD装置を用いて、本実施形態の強誘電体薄膜の製造方
法の一具体例について説明する。この具体例は、組成が
SrBi2Ta2O9(SBT)となる強誘電体薄膜を
作製する場合の例である。
ステップS1:まず、SBT薄膜を形成するに必要な原
料を作製する。本実施形態では、SrとTaの原料とし
て、1分子中にアルカリ土類金属SrとTaとを1:2
の原子比率で含有するアルコキシド原料、いわゆる、バ
イメタリックアルコキシドSr[Ta(OC
2H5)6]2をソース原料として用いる。文献1にお
いてすでに示したように、バイメタリックアルコキシド
原料はビスマス層状化合物を生成するに有効である。Next, referring to FIG. 2, the above MOC
A specific example of the method of manufacturing the ferroelectric thin film of the present embodiment using the VD device will be described. This specific example is an example in the case of manufacturing a ferroelectric thin film having a composition of SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT). Step S1: First, the raw materials necessary for forming the SBT thin film are prepared. In this embodiment, as a raw material of Sr and Ta, the alkaline earth metal Sr and Ta are 1: 2 in one molecule.
Alkoxide raw material contained at an atomic ratio of, so-called bimetallic alkoxide Sr [Ta (OC
2 H 5 ) 6 ] 2 is used as a source material. As already shown in Reference 1, the bimetallic alkoxide raw material is effective in producing a bismuth layered compound.
【0037】該バイメタリックアルコキシド原料は次の
ように作製する。まず、タンタルのアルコキシド化合
物、例えばTa(OC2H5)5を選択し、これをアル
コール、好ましくは無水エタノールに溶かし、0.5M
/l程度の濃度の溶液を作製する。次は、アルカリ土類
金属Srを原子組成でTa:Sr=2:1となるように
秤量して上記のアルコール溶液中に分散させる。そし
て、該アルコール溶液を数日環流させることにより、目
的の組成のバイメタリックのアルコキシド化合物のアル
コール溶液が合成される。これらの作業は、好ましく
は、乾燥した窒素もしくはアルゴンガス気流中にて行
う。このとき、次式に化学反応を示すように水素ガスの
発生を伴うので、水素の除外に留意して製造を行う。
2Ta(OC2H5)5+Sr+2C2H5OH → SrTa2(OC2H5)12+H2 ↑
ここで作製した原料溶液は、後述するように、有機溶媒
THFに溶解し、それぞれ原料容器10と11に充填す
る。The bimetallic alkoxide raw material is prepared as follows. First, a tantalum alkoxide compound, for example, Ta (OC 2 H 5 ) 5 is selected and dissolved in an alcohol, preferably absolute ethanol, to give 0.5M.
A solution having a concentration of about 1 / l is prepared. Next, the alkaline earth metal Sr is weighed so as to have an atomic composition of Ta: Sr = 2: 1 and dispersed in the above alcohol solution. Then, the alcohol solution is refluxed for several days to synthesize an alcohol solution of a bimetallic alkoxide compound having a desired composition. These operations are preferably carried out in a stream of dry nitrogen or argon gas. At this time, hydrogen gas is generated as shown in the following chemical reaction. 2Ta (OC 2 H 5 ) 5 + Sr + 2C 2 H 5 OH → SrTa 2 (OC 2 H 5 ) 12 + H 2 ↑ The raw material solution prepared here is dissolved in an organic solvent THF as described later, Fill the raw material containers 10 and 11, respectively.
【0038】Biの原料として、アルコキシビスマス
類、たとえば、Bi(O−tC4H9)3を用いる。
(従来から用いられているBi(C6H5)3、DPM
錯体であるBi(DPM)3などの組み合わせも可能で
ある。)Alkoxy bismuths such as Bi (O- t C 4 H 9 ) 3 are used as a raw material of Bi.
(Bi (C 6 H 5 ) 3 , DPM which has been used conventionally
Combinations such as Bi (DPM) 3 which is a complex are also possible. )
【0039】本実施形態においては、上記原料バイメタ
リックアルコキシドSr[Ta(OC2H5)6]2と
アルコキシビスマスBi(O−tC4H9)3の反応促
進剤として、アルコール(R−OH)、メタノール(C
H3−OH)、エタノール(C2H5−OH)、プロパ
ノール(C3H7−OH)、ブタノール(C4H9−O
H)、などアルコール類のいずれかの溶液、例えば、エ
タノールを原料容器12に充填する。上記下両種類の有
機金属原料に対して、エタノールの添加量は、たとえ
ば、0.1〜5%とする。In the present embodiment, as a reaction accelerator of the above-mentioned raw material bimetallic alkoxide Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 and alkoxybismuth Bi (O- t C 4 H 9 ) 3 , alcohol (R- OH), methanol (C
H 3 -OH), ethanol (C 2 H 5 -OH), propanol (C 3 H 7 -OH), butanol (C 4 H 9 -O
The raw material container 12 is filled with a solution of any alcohol such as H), for example, ethanol. The addition amount of ethanol is, for example, 0.1 to 5% with respect to the lower two types of organic metal raw materials.
【0040】ステップS2:続いて、上記作製された液
体原料を搬送する。バイメタリックアルコキシド材料
(Sr[Ta(OC2H5)6]2)は室温で固体であ
り、これをMOCVDのソース原料としてガス化するた
めには、150℃〜200℃程度の加熱が必要である。
一般にこのような低蒸気圧材料をガス化するのは容易で
なく、安定なガス供給を行ってMOCVD法により成膜
するためには、ガス供給の方法に工夫をする必要があ
る。1つの方法として、本実施形態に採用したMOCV
D方法である。すなわち、固体ソース材料を有機溶媒に
溶かした状態で、搬送、混合、フラッシュ気化させる。
具体的に、バイメタリックアルコキシドSr[Ta(O
C2H5)6]2とアルコキシビスマスBi(O−tC
4H9)3それぞれを例えば、テトラヒドロフラン(T
HF)有機溶媒に溶解し、その溶液はそれぞれ原料容器
10と11に充填し、両種の原料溶液と原料容器12に
充填されたエタノール液は液体状態で独立に搬送する。Step S2: Subsequently, the liquid raw material produced above is conveyed. The bimetallic alkoxide material (Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 ) is a solid at room temperature, and heating at 150 ° C. to 200 ° C. is necessary to gasify it as a source material for MOCVD. is there.
Generally, it is not easy to gasify such a low vapor pressure material, and it is necessary to devise a gas supply method in order to perform stable gas supply and form a film by the MOCVD method. As one method, the MOCV adopted in this embodiment is used.
Method D. That is, the solid source material is dissolved, dissolved in an organic solvent, conveyed, mixed, and flash vaporized.
Specifically, the bimetallic alkoxide Sr [Ta (O
C 2 H 5) 6] 2 and alkoxy bismuth Bi (O-t C
4 H 9 ) 3 is, for example, tetrahydrofuran (T
HF) Dissolved in an organic solvent, the solutions are filled in the raw material containers 10 and 11, respectively, and the raw material solutions of both kinds and the ethanol solution filled in the raw material container 12 are independently conveyed in a liquid state.
【0041】該3種の溶液を配管14を介して液体混合
器13に搬送し、所定の比率にて(たとえば、Sr[T
a(OC2H5)6]2):Bi(O−tC4H9)3
=4:6)液体混合器13で混合する。原料容器10
と11に充填された有機金属原料の搬送量は、たとえ
ば、それぞれ0.1〜0.5ml/minとし、これに
対して、原料容器12に充填されたエタノール液の搬送
量は0.01〜0.05ml/minとする。The three kinds of solutions are conveyed to the liquid mixer 13 through the pipe 14, and are mixed at a predetermined ratio (for example, Sr [T
a (OC 2 H 5) 6 ] 2): Bi (O- t C 4 H 9) 3
= 4: 6) Mix with the liquid mixer 13. Raw material container 10
The transport amount of the organometallic raw materials filled in Nos. 11 and 11 is, for example, 0.1 to 0.5 ml / min, while the transport amount of the ethanol liquid filled in the raw material container 12 is 0.01 to 0.5 ml / min. It is 0.05 ml / min.
【0042】ステップS3:次は、液体混合器13から
の原料混合物をアルゴンキャリアガスと共に気化器19
に導入して気化させる。たとえば、気化器19内を0.
1〜10Torrに減圧し、140℃まで加熱する。ア
ルゴンキャリアガスは流量が200ccであり、加熱減
圧下で導入された混合溶液を気化室内に配設された多孔
質金属板上で拡散させると共に気化させる。Sr[Ta
(OC2H5)6]2およびBi(O−tC4H9)3
を基本的な原料の構造として、これら化合物の一部を異
なる置換基に置換えた化合物を用いることも可能であ
る。その置換えにより気化特性、熱安定性を増すことが
可能である。例として、Sr[Ta(OC2H5)
5(OC2H4OCH3)]2,Sr[Ta(OC2H
5)6(OC2H4N(CH3)2)]2等が挙げられ
る。Step S3: Next, the raw material mixture from the liquid mixer 13 is vaporized with the argon carrier gas in the vaporizer 19.
It is introduced and vaporized. For example, if the inside of the vaporizer 19 is 0.
Reduce pressure to 1-10 Torr and heat to 140 ° C. The flow rate of the argon carrier gas is 200 cc, and the mixed solution introduced under heating and reduced pressure is diffused and vaporized on the porous metal plate arranged in the vaporization chamber. Sr [Ta
(OC 2 H 5) 6] 2 and Bi (O- t C 4 H 9 ) 3
It is also possible to use a compound obtained by substituting a part of these compounds with different substituents, using as a basic raw material structure. By the replacement, it is possible to increase vaporization characteristics and thermal stability. As an example, Sr [Ta (OC 2 H 5 )
5 (OC 2 H 4 OCH 3 )] 2 , Sr [Ta (OC 2 H
5 ) 6 (OC 2 H 4 N (CH 3 ) 2 )] 2 and the like.
【0043】ステップS4:続いて、気化器19からの
原料ガス、アルコールガス、およびアルゴンキャリアガ
スの混合物を、配管15を介して、酸素剤である酸素ガ
スと共にガス混合器20内に導入し、それを混合する。
上記したように、配管15にはヒーターなどの加熱手段
(不図示)が配設され、配管内を流れる原料ガスを15
0℃〜200℃に保持し、原料のガス状態を保つ。原料
ガス、アルコールガス、およびアルゴンキャリアガスに
酸素ガスを混合するガス混合器20では、酸素が均一に
混合されることが重要である。そのために、ガス混合器
内には、混合を促進する遮蔽板が設置されている。Step S4: Subsequently, a mixture of the raw material gas from the vaporizer 19, the alcohol gas, and the argon carrier gas is introduced into the gas mixer 20 together with the oxygen gas as the oxygen agent through the pipe 15. Mix it.
As described above, the pipe 15 is provided with a heating means (not shown) such as a heater, and the source gas flowing in the pipe is
The temperature of the raw material is kept at 0 ° C to 200 ° C. It is important that oxygen is uniformly mixed in the gas mixer 20 that mixes the source gas, the alcohol gas, and the argon carrier gas with the oxygen gas. Therefore, a shielding plate that promotes mixing is installed in the gas mixer.
【0044】ガス混合器20からの原料ガス、アルコー
ルガス、酸素ガス、およびアルゴンキャリアガスの混合
物は加熱された配管を経由して反応室24内に導入さ
れ、基板22の表面に搬送される。該混合ガスが吹付ヘ
ッド21によって、均一に基板22の表面に供給され
て、基板22上に成膜される。基板22には、Ti、T
iO2、TiN、IrHfなどを接着層として最表面が
PtあるいはIrを成膜したものを用いる。反応室24
内の圧力は1Torrとし、基板22の温度は約600
℃程度である。その結果、たとえば、白金(Pt)の基
板上に、Bi、Sr、Taから成るビスマス系強誘電体
薄膜が形成される。The mixture of the raw material gas, the alcohol gas, the oxygen gas, and the argon carrier gas from the gas mixer 20 is introduced into the reaction chamber 24 through the heated pipe and is conveyed to the surface of the substrate 22. The mixed gas is uniformly supplied to the surface of the substrate 22 by the spraying head 21 to form a film on the substrate 22. The substrate 22 has Ti, T
An adhesive layer made of iO2, TiN, IrHf, or the like, having the outermost surface formed of Pt or Ir, is used. Reaction chamber 24
The internal pressure is 1 Torr, and the temperature of the substrate 22 is about 600.
It is about ℃. As a result, for example, a bismuth-based ferroelectric thin film made of Bi, Sr, and Ta is formed on a platinum (Pt) substrate.
【0045】以上のようにして作製したSrBi2Ta
2O9の薄膜について、X線回折(X−Ray Dif
fraction: XRD)測定を行ない、結晶相お
よび薄膜の結晶学的配向を決定した。図3はX線回折測
定により得た回折図(XRDパターン)を示す。図3に
おいて、縦軸は測定されたX線の相対強度、たとえば、
カウント数を表し、横軸は測定対象となる薄膜内のある
結晶面に回折されたX線が当結晶面を通過した入射X線
に対する角度であり、この角度は入射X線が薄膜内の当
結晶面に対する入射角度θの2倍になる(2θ)。図3
では、ペロブスカイト結晶構造のSrBi2Ta2O9
に特有な(115)結晶面に対応するピークははっきり
現れている。それから、ペロブスカイト結晶構造のSr
Bi2Ta2O9に特有な(200)、(006)など
の結晶面に対応する回折ピークも現れている。これは形
成されたSrBi2Ta2O9の薄膜は所望のペロブス
カイト構造の結晶薄膜であることを表している。したが
って、白金(Pt)の基板上に、Bi、Sr、Taから
成るビスマス系強誘電体薄膜の結晶構造を直接に(1段
階で)成膜することができ、加熱処理(ポストアニー
ル)の必要がなくなる。SrBi 2 Ta produced as described above
The thin film 2 O 9, X-ray diffraction (X-Ray Dif
Fraction: XRD) measurement was performed to determine the crystallographic orientation of the crystal phase and the thin film. FIG. 3 shows a diffraction pattern (XRD pattern) obtained by X-ray diffraction measurement. In FIG. 3, the vertical axis represents the relative intensity of the measured X-rays, for example,
It represents the number of counts, and the horizontal axis is the angle with respect to the incident X-rays that the X-rays diffracted by a certain crystal plane in the thin film to be measured have passed through the crystal plane. It becomes twice the incident angle θ with respect to the crystal plane (2θ). Figure 3
Then, SrBi 2 Ta 2 O 9 having a perovskite crystal structure is used.
The peak corresponding to the (115) crystal plane peculiar to the is clearly shown. Then, Sr of the perovskite crystal structure
Diffraction peaks corresponding to crystal planes such as (200) and (006) peculiar to Bi 2 Ta 2 O 9 also appear. This means that the formed SrBi 2 Ta 2 O 9 thin film is a crystal thin film having a desired perovskite structure. Therefore, the crystal structure of the bismuth-based ferroelectric thin film made of Bi, Sr, and Ta can be directly (in one step) formed on a platinum (Pt) substrate, and heat treatment (post-annealing) is required. Disappears.
【0046】上記のMOCVD法において、アルコール
類を原料ガスに導入することは、原料の分子の分解反応
を促進し、比較的に低温で基板上のPt膜上に強誘電体
の薄膜結晶の成長を可能にした。In the MOCVD method, the introduction of alcohols into the raw material gas promotes the decomposition reaction of the raw material molecules, and the growth of the ferroelectric thin film crystal on the Pt film on the substrate at a relatively low temperature. Made possible.
【0047】SrBi2Ta2O9の強誘電体特性を十
分に引き出すためには、SrBi2Ta2O9を構成す
る各元素の比率、すなわち組成比を所望の組成(Bi/
Sr/Ta=2/1/2)になるように精密に制御する
ことが重要である。バイメタリックソースSr[Ta
(OC2H5)6]2を用いることにより、Sr:Ta
は常に一定に保たれ、成膜条件により大きく変動しな
い。一方、Bi源にBi(O−tC4H9)3を用いた
場合、膜中に導入されるBi量は各種成膜条件により制
御することが可能である。例えば、所望の組成(Bi/
Sr/Ta=2/1/2)となるように、酸化剤である
酸素ガスの流量、反応室24内の圧力、液体混合器13
における原料溶液の混合比等を調節する。[0047] SrBi 2 Ta 2 to derive the ferroelectric properties of O 9 as sufficient, SrBi 2 Ta 2 O 9 ratio of each element constituting the, i.e. desired composition and the composition ratio (Bi /
It is important to precisely control so that Sr / Ta = 2/1/2). Bimetallic source Sr [Ta
By using (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 , Sr: Ta
Is always kept constant and does not change significantly depending on the film forming conditions. On the other hand, when a Bi (O- t C 4 H 9 ) 3 to Bi source, Bi quantity introduced into the film can be controlled by various film forming conditions. For example, the desired composition (Bi /
Sr / Ta = 2/1/2) so that the flow rate of oxygen gas as an oxidant, the pressure in the reaction chamber 24, and the liquid mixer 13
The mixing ratio of the raw material solution in step 1 is adjusted.
【0048】図4はこのような制御の1例を示す。図4
では、横軸は酸素の流量を示す。左側の縦軸は、以上に
得られたビスマス層状化合物SrBi2Ta2O9の中
に、1分子内にBiとTaの原子率(Bi/Ta)であ
り、該薄膜中にBiの組成を表している。右側の縦軸は
以上に得られたビスマス層状化合物SrBi2Ta2O
9の中に、1分子内にSrとTaの原子率(Sr/T
a)であり、該薄膜中にSrの組成を表している。した
がって、図4は形成されたSrBi2Ta2O9の結晶
薄膜内に、Taに対して、BiとSrの組成(Bi/T
a及びSr/Ta)が酸素の流量への依存関係を示す。
図4から分るように、バイメタリックソースSr[Ta
(OC2H5)6]2を用いることから、Sr:Taは
常に一定に保たれ(約1:2)、酸素流量と無関係であ
る。一方、酸素流量を変えることにより、膜中Biを所
望量に設定することができる。たとえば、Bi/Taが
1になるために、酸素の流量を50%前後にすればい
い。FIG. 4 shows an example of such control. Figure 4
Then, the horizontal axis represents the flow rate of oxygen. The vertical axis on the left side is the atomic ratio of Bi and Ta in one molecule (Bi / Ta) in the bismuth layered compound SrBi 2 Ta 2 O 9 obtained above, and the composition of Bi in the thin film is It represents. The vertical axis on the right side is the bismuth layered compound SrBi 2 Ta 2 O obtained above.
In 9 , the atomic ratio of Sr and Ta in one molecule (Sr / T
It is a), and represents the composition of Sr in the thin film. Therefore, FIG. 4 shows that in the formed crystalline thin film of SrBi 2 Ta 2 O 9 with respect to Ta, the composition of Bi and Sr (Bi / T
a and Sr / Ta) show the dependence on the flow rate of oxygen.
As can be seen from FIG. 4, the bimetallic source Sr [Ta
Since (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 is used, Sr: Ta is always kept constant (about 1: 2) and is independent of the oxygen flow rate. On the other hand, the in-film Bi can be set to a desired amount by changing the oxygen flow rate. For example, since Bi / Ta becomes 1, the flow rate of oxygen should be around 50%.
【0049】本実施形態に係わる強誘電体薄膜の製造方
法によれば、SrBi2Ta2O9からなるビスマス層
状化合物を、従来の成膜温度より100℃程度低い60
0℃前後で、結晶薄膜を形成することができる。これに
よりもたらされる低温プロセスにより種々のバリアメタ
ルに必要な耐熱性の上限を下げることが可能であり、バ
リアメタルとして使用可能な材料の選択肢が増える。そ
の結果、トランジスタの直上に強誘電体を配置するスタ
ック構造セルを容易に作製することが可能となる。さら
に、本実施形態では、ビスマス層状化合物をMOCVD
法により成膜することから、緻密度が高く、表面被覆性
のよい薄膜を形成できるほか、薄膜の清浄度を高め、ま
た、生産性も高めることができる。According to the method of manufacturing the ferroelectric thin film of the present embodiment, the bismuth layer compound composed of SrBi 2 Ta 2 O 9 is lower than the conventional film forming temperature by about 100 ° C. 60
A crystal thin film can be formed at around 0 ° C. The resulting low temperature process can lower the upper limit of heat resistance required for various barrier metals, increasing the choice of materials that can be used as barrier metals. As a result, it becomes possible to easily manufacture a stack structure cell in which the ferroelectric substance is arranged directly above the transistor. Further, in the present embodiment, the bismuth layered compound is formed by MOCVD.
Since the film is formed by the method, a thin film having high density and good surface coverage can be formed, and the cleanliness of the thin film can be increased and the productivity can be increased.
【0050】第2の実施形態
前述のSrBi2Ta2O9は、TaのサイトをNbに
より一部置換することにより、キュリー点、誘電体特性
が変化することが知られている。例えば、Taの25%
をNbにより置換した場合(SrBi2(Ta0.75
Nb0.25) 2O9)、強誘電体特性の指標である残
留分極値は大きくなる一方、ヒステリシスループの角型
性が向上することが知られている。そこで、本実施形態
において、SrBi2Nb2O9(SBN)からなるビ
スマス層状化合物薄膜をMOCVD法にて成膜する方法
を説明する。図5は本実施形態に係わる強誘電体薄膜を
生成する装置の模式図である。該装置は基本的に図1に
示されたMOCVD装置と同じであり、ただし、図5の
装置では原料容器30を充填した原料液がSr[Ta
(OC2H5)6]2とSr[Nb(OC2H5)6]
2との混合物である。[0050]Second embodiment
The aforementioned SrBiTwoTaTwoO9Changed the Ta site to Nb
Curie point and dielectric properties
Is known to change. For example, 25% of Ta
When is replaced by Nb (SrBiTwo(Ta0.75
Nb0.25) TwoO9), Which is an index of ferroelectric properties
While the polarization value increases, the hysteresis loop is rectangular
It is known that the sex improves. Therefore, this embodiment
At SrBiTwoNbTwoO9Bi consisting of (SBN)
Method for forming thin film of smuth layered compound by MOCVD method
Will be explained. FIG. 5 shows a ferroelectric thin film according to this embodiment.
It is a schematic diagram of the apparatus which produces | generates. The device is basically as shown in FIG.
The same as the MOCVD apparatus shown, except that in FIG.
In the apparatus, the raw material liquid filled in the raw material container 30 is Sr [Ta
(OCTwoH5)6]TwoAnd Sr [Nb (OCTwoH5)6]
TwoIt is a mixture with.
【0051】図5の装置は図2のフローチャートのよう
に動作し、強誘電体薄膜結晶を生成する。まず、SrB
i2Ta2O9(75%)+SrBi2Nb2O9(2
5%)の薄膜を形成するに必要な原料を作製する。本実
施形態では、SrとTaの原料として、1分子中にアル
カリ土類金属SrとTaとを1:2の原子比率で含有す
るアルコキシド原料、いわゆる、バイメタリックアルコ
キシドSr[Ta(OC2H5)6]2をソース原料と
して用いる。また、SrとNbの原料として、1分子中
にアルカリ土類金属SrとNbとを1:2の原子比率で
含有するアルコキシド原料、いわゆる、バイメタリック
アルコキシドSr[Nb(OC2H5)6]2をソース
原料として用いる。TaとNbの原子比率が3:1にな
るように、Sr[Nb(OC2H5)6] 2が1モル対
Sr[Ta(OC2H5)6]23モルの比率で両者を
混合し、得た混合原料は、例えば、テトラヒドロフラン
(THF)有機溶媒に溶解し、原料容器30に充填す
る。The apparatus of FIG. 5 is as shown in the flow chart of FIG.
To produce a ferroelectric thin film crystal. First, SrB
iTwoTaTwoO9(75%) + SrBiTwoNbTwoO9(2
(5%) to prepare the raw materials necessary to form a thin film. Real
In the embodiment, as a raw material of Sr and Ta, the
Contains the alkaline earth metals Sr and Ta in an atomic ratio of 1: 2
Alkoxide raw material, so-called bimetallic alcohol
Xide Sr [Ta (OCTwoH5)6]TwoThe source material and
To use. In addition, as a raw material for Sr and Nb,
Alkaline earth metal Sr and Nb in an atomic ratio of 1: 2
Alkoxide raw material contained, so-called bimetallic
Alkoxide Sr [Nb (OCTwoH5)6]TwoThe source
Used as a raw material. The atomic ratio of Ta and Nb is 3: 1
So that Sr [Nb (OCTwoH5)6] TwoIs 1 mole pair
Sr [Ta (OCTwoH5)6]TwoBoth at a ratio of 3 moles
The mixed raw material obtained by mixing is, for example, tetrahydrofuran.
(THF) Dissolve in organic solvent and fill raw material container 30
It
【0052】Biの原料として、アルコキシビスマス
類、たとえば、Bi(O−tC4H9)3を用いる。従
来から用いられているBi(C6H5)3、DPM錯体
であるBi(DPM)3などの組み合わせも可能であ
る。該原料は、例えば、テトラヒドロフラン(THF)
有機溶媒に溶解し、原料容器11に充填する。Alkoxy bismuths such as Bi (O- t C 4 H 9 ) 3 are used as a raw material of Bi. Combinations of Bi (C 6 H 5 ) 3 , which has been used conventionally, and Bi (DPM) 3, which is a DPM complex, are also possible. The raw material is, for example, tetrahydrofuran (THF)
It is dissolved in an organic solvent and filled in the raw material container 11.
【0053】本実施形態においては、上記混合バイメタ
リックアルコキシド[(Sr[Ta(OC2H5)6]
2)(75%)+(Sr[Nb(OC2H5)6]2)
(25%)]とアルコキシビスマスBi(O−tC4H
9)3の反応促進剤として、アルコール類のいずれかの
溶液、たとえばエタノールを原料容器12に充填する。In this embodiment, the mixed bimetallic alkoxide [(Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ]] is used.
2) (75%) + ( Sr [Nb (OC 2 H 5) 6] 2)
(25%)] and alkoxy bismuth Bi (O- t C 4 H
9 ) As the reaction accelerator of 3, the raw material container 12 is filled with any solution of alcohols, for example, ethanol.
【0054】そして、該3種の溶液を配管14を介して
液体混合器13に搬送し、所定の比率にて(たとえば、
Sr[Ta(OC2H5)6]2):Bi(O−tC4
H9)3 ― 1:2)液体混合器13で混合する。三
種類の溶液の搬送量は、第1の実施形態と同じである。Then, the three kinds of solutions are conveyed to the liquid mixer 13 through the pipe 14, and at a predetermined ratio (for example,
Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6] 2): Bi (O- t C 4
H 9) 3 - 1: 2 ) mixed in a liquid mixer 13. The carry amounts of the three types of solutions are the same as in the first embodiment.
【0055】続いて、以上の原料混合物をアルゴンキャ
リアガスと共に気化器19に導入して気化させる。Sr
[Nb(OC2H5)6]2の気化特性はSr[Ta
(OC2H5)6] 2ときわめて類似していることは知
られているので、第1の実施形態と同じ気化条件で、た
とえば、気化器19内を0.1〜10Torrに減圧
し、140℃まで加熱する。アルゴンキャリアガスは流
量が200ccであり、加熱減圧下で導入された混合溶
液を気化室内に配設された多孔質金属板上で拡散させる
と共に気化させる。Subsequently, the above raw material mixture was charged with argon gas.
It is introduced into the vaporizer 19 together with the rear gas and vaporized. Sr
[Nb (OCTwoH5)6]TwoVaporization characteristics of Sr [Ta
(OCTwoH5)6] TwoIs very similar to
Therefore, under the same vaporization conditions as in the first embodiment,
For example, depressurize the inside of the vaporizer 19 to 0.1 to 10 Torr.
And heat to 140 ° C. Argon carrier gas flow
Amount of 200cc, mixed solution introduced under heating and reduced pressure
Diffuse liquid on porous metal plate placed in vaporization chamber
Vaporize with.
【0056】続いて、気化した原料、エタノール、およ
びアルゴンキャリアガスの混合物を、配管15を介し
て、酸素剤である酸素ガスと共にガス混合器20内で混
合し、反応室24内に導入して、Ti、TiO2、Ti
N、IrHfなどを接着層として最表面がPt(あるい
は、Ir)を成膜した基板22に吹き付けて、基板22
上に成膜する。反応室24内の圧力は1Torrとし、
基板22の温度は約600℃である。その結果、白金
(Pt)の基板上に、Bi、Sr、Ta、Nbから成る
(Sr[Ta(OC2H5)6]2)(75%)+(S
r[Nb(OC2H5)6]2)(25%)の結晶構造
の強誘電体薄膜が形成される。Subsequently, a mixture of the vaporized raw material, ethanol, and an argon carrier gas is mixed with oxygen gas as an oxygen agent in the gas mixer 20 through the pipe 15 and introduced into the reaction chamber 24. , Ti, TiO2, Ti
The substrate 22 is formed by spraying Pt (or Ir) on the outermost surface with N, IrHf, etc. as an adhesive layer.
A film is formed on top. The pressure in the reaction chamber 24 is 1 Torr,
The temperature of the substrate 22 is about 600 ° C. As a result, on the substrate of the platinum (Pt), Bi, Sr, Ta, consisting Nb (Sr [Ta (OC 2 H 5) 6] 2) (75%) + (S
A ferroelectric thin film having a crystal structure of r [Nb (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 ) (25%) is formed.
【0057】該強誘電体薄膜の強誘電体特性を十分に引
き出すためには、該強誘電体を構成する各元素の比率、
すなわち組成比を所望の組成になるように精密に制御す
ることが重要である。(Sr[Ta(OC2H5)6]
2)(75%)+(Sr[Nb(OC2H5)6]2)
(25%)の中では、Sr:Ta、Sr:Nb、Ta:
Nbは常に一定に保たれているので、Biの量だけ制御
すれば良い。導入されるBi量は、例えば、酸化剤とし
ての酸素ガスの流量、反応室24内の圧力、液体混合器
13における原料溶液の混合比等各種成膜条件により制
御することが可能である。In order to sufficiently bring out the ferroelectric characteristics of the ferroelectric thin film, the ratio of each element constituting the ferroelectric substance,
That is, it is important to precisely control the composition ratio so as to obtain a desired composition. (Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ]
2) (75%) + ( Sr [Nb (OC 2 H 5) 6] 2)
In (25%), Sr: Ta, Sr: Nb, Ta:
Since Nb is always kept constant, only the amount of Bi needs to be controlled. The amount of Bi introduced can be controlled by various film forming conditions such as the flow rate of oxygen gas as an oxidant, the pressure in the reaction chamber 24, and the mixing ratio of the raw material solution in the liquid mixer 13.
【0058】本実施形態に係わる強誘電体薄膜結晶の生
成方法は、第1の実施形態と同じ効果を有する。The method for producing a ferroelectric thin film crystal according to this embodiment has the same effect as that of the first embodiment.
【0059】第3の実施形態
前述したソース原料の気化方法は、いわゆる液体供給法
であるが、その他、ステンレススチール製の原料容器に
充填したソース原料にキャリャガスを導入して気化させ
るいわゆるバブリング法を採用することもできる。本実
施形態はバブリング法による成膜方法を説明する。 Third Embodiment Although the source material vaporization method described above is a so-called liquid supply method, a so-called bubbling method in which a carrier gas is introduced into a source material filled in a stainless steel material container and vaporized is also used. It can also be adopted. In this embodiment, a film forming method by a bubbling method will be described.
【0060】図6は、本実施形態の強誘電体薄膜の製造
方法に係わるMOCVD装置の模式図である。なお、図
6おいて、図1と同じ構成成分に同じ符号を用いる。図
7に以上の装置を用いて強誘電体薄膜を生成するプロセ
スを示すフローチャートである。図6に示したMOCV
D装置は、ステンレススチール製の原料容器70、7
1、72、恒温槽76、77、78、原料ガスを均一に
基板表面に吹き付けるためのガス吹き付けヘッド21、
強誘電体薄膜が堆積される基板22、基板22を支える
基板ステージ23、MOCVD反応室24、原料容器と
MOCVD反応室24を結ぶステンレススチール製の配
管74、使用済みガスを排出する真空ポンプ25から構
成されている。恒温槽76、77、78は、原料容器7
0、71、72内の原料を所望の温度に保持する構造と
なっている。配管74にはヒーター等の加熱手段(図示
せず)が配設され、配管内を流れる原料ガスを所望の温
度に保持し得る。MOCVD反応室24内に導入された
原料ガスは、ガス吹き付けヘッド21を介して、基板ス
テージ23上に載置された基板22に吹き付けられる。
これによって、基板22の表面には薄膜が成膜する。な
お、基板ステージ23にはヒーター(図示せず)が組み
込まれており、基板22を所望の温度に加熱可能であ
る。MOCVD反応室24内は、真空ポンプ25によっ
て排気される。FIG. 6 is a schematic view of an MOCVD apparatus relating to the method of manufacturing a ferroelectric thin film of this embodiment. In FIG. 6, the same reference numerals are used for the same constituents as in FIG. FIG. 7 is a flow chart showing a process of forming a ferroelectric thin film using the above apparatus. MOCV shown in FIG.
Device D is a stainless steel raw material container 70, 7
1, 72, constant temperature baths 76, 77, 78, a gas spray head 21 for uniformly spraying the source gas onto the substrate surface,
From the substrate 22 on which the ferroelectric thin film is deposited, the substrate stage 23 supporting the substrate 22, the MOCVD reaction chamber 24, the stainless steel pipe 74 connecting the raw material container and the MOCVD reaction chamber 24, and the vacuum pump 25 for discharging the used gas. It is configured. The constant temperature baths 76, 77, 78 are the raw material containers 7
The structure is such that the raw materials in 0, 71 and 72 are maintained at a desired temperature. A heating means (not shown) such as a heater is arranged in the pipe 74, and the raw material gas flowing in the pipe can be maintained at a desired temperature. The raw material gas introduced into the MOCVD reaction chamber 24 is blown onto the substrate 22 placed on the substrate stage 23 via the gas blowing head 21.
As a result, a thin film is formed on the surface of the substrate 22. A heater (not shown) is incorporated in the substrate stage 23 to heat the substrate 22 to a desired temperature. The inside of the MOCVD reaction chamber 24 is evacuated by the vacuum pump 25.
【0061】次は、図7のフローチャートを参照しなが
ら、以上のMOCVD装置を用いて、本実施形態の強誘
電体薄膜製造法の一例を説明する。この具体例は、例え
ば、SrBi2Ta2O9(SBT)からなる強誘電体
薄膜を作製する場合の例である。まず、SrBi2Ta
2O9(SBT)薄膜を形成するに必要な原料を作製す
る(ステップS71)。本実施形態では、第1の実施形
態と同様な原料を用いる。即ち、SrとTaの原料とし
て、1分子中にアルカリ土類金属SrとTaとを1:2
の原子比率で含有するアルコキシド原料、いわゆるバイ
メタリックアルコキシドSr[Ta(OC2H5)6]
2をソース原料として用いる。Biの原料として、アル
コキシビスマス類、たとえば、Bi(O−tC4H9)
3を用いる。従来から用いられているBi(C6H5)
3、DPM錯体であるBi(DPM)3などの組み合わ
せも可能である。上記原料バイメタリックアルコキシド
Sr[Ta(OC2H5)6]2とアルコキシビスマス
Bi(O−tC4H9)3の反応促進剤として、アルコ
ール類のいずれかの溶液、例えば、エタノールも用意す
る。以上の原料の作製方法も第1の実施形態と同様であ
る。作製された原料溶液バイメタリックアルコキシドS
r[Ta(OC2H5)6]2とアルコキシビスマスB
i(O−tC4H9)3、および反応促進剤のエタノー
ル溶液はそれぞれ原料容器70、71、72に充填す
る。Next, an example of the ferroelectric thin film manufacturing method of the present embodiment will be described using the MOCVD apparatus described above with reference to the flowchart of FIG. This specific example is an example in the case of manufacturing a ferroelectric thin film made of SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT). First, SrBi 2 Ta
2 O 9 (SBT) is a raw material necessary for forming a thin film (step S71). In this embodiment, the same raw material as in the first embodiment is used. That is, as a raw material for Sr and Ta, the alkaline earth metal Sr and Ta are in a ratio of 1: 2 in one molecule.
Raw material containing so-called bimetallic alkoxide Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ]
2 is used as a source material. As Bi raw material, alkoxy bismuth compound, e.g., Bi (O- t C 4 H 9)
3 is used. Bi (C 6 H 5 ) which has been conventionally used
3 and a combination of Bi (DPM) 3 which is a DPM complex and the like. As a reaction accelerator in the raw material bimetallic alkoxide Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6] 2 and alkoxy bismuth Bi (O- t C 4 H 9 ) 3, either a solution of alcohols, such as ethanol also prepared To do. The method for producing the above raw materials is the same as in the first embodiment. The prepared raw material solution bimetallic alkoxide S
r [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 and alkoxybismuth B
i (O- t C 4 H 9 ) 3, and an ethanol solution of reaction accelerator respectively in the raw material containers 70, 71 and 72.
【0062】続いて、原料容器70、71、72内の溶
液をガス混合器20に搬送する(ステップS72)。M
OCVD法の実施に際しては、原料容器70に充填され
たバイメタリックアルコキシドSr[Ta(OC
2H5)6]2溶液を、たとえば、140℃に加熱し、
原料容器71に充填されたアルコキシビスマスBi(O
−tC4H9)3を、たとえば、120℃に加熱し、原
料容器72に充填されたエタノール溶液を150℃に加
熱し、各原料容器に流量100〜300cc/minの
アルゴンガスを導入し、加熱減圧下でバイメタリックア
ルコキシドSr[Ta(OC2H5) 6]2、アルコキ
シビスマスBi(O−tC4H9)3、およびエタノー
ル溶液を気化させる。そして、気化した原料と気体エタ
ノールを、約150℃に保持した配管74に導入して、
ガス混合器20に送る。三種類の溶液の搬送量は、第1
の実施形態と同じである。Subsequently, the melt in the raw material containers 70, 71, 72 is melted.
The liquid is conveyed to the gas mixer 20 (step S72). M
When performing the OCVD method, the raw material container 70 is filled with
Bimetallic alkoxide Sr [Ta (OC
TwoH5)6]TwoHeating the solution to, for example, 140 ° C.,
Alkoxybismuth Bi (O
−tCFourH9)ThreeIs heated to, for example, 120 ° C.
Add the ethanol solution filled in the chemical container 72 to 150 ° C.
Heat and heat each raw material container at a flow rate of 100-300 cc / min
Introduce argon gas and heat under reduced pressure to produce a bimetallic alloy.
Lucoxide Sr [Ta (OCTwoH5) 6]Two, Arcoki
Sibismuth Bi (O-tCFourH9)Three, And Ethan
Vaporize the solution. Then, the vaporized raw material and gas
Introducing the knoll into the pipe 74 kept at about 150 ° C.,
Send to gas mixer 20. The transfer amount of the three kinds of solutions is the first
Is the same as the embodiment of.
【0063】そして、ガス混合器20からの原料ガスと
気体エタノールの混合ガスは、流量100cc/min
の酸素ガス及び希釈用のアルゴンガスと共に、吹き付け
ヘッド21により均一に基板ステージ22上に載置され
基体22上に吹き付け、そして、基体22上にSrBi
2Ta2O9が成長する。基板温度は約600℃に保た
れている。The flow rate of the mixed gas of the raw material gas and the gaseous ethanol from the gas mixer 20 is 100 cc / min.
Together with the oxygen gas and the diluting argon gas are uniformly placed on the substrate stage 22 by the spraying head 21 and sprayed onto the substrate 22, and then onto the substrate 22 with SrBi.
2 Ta 2 O 9 grows. The substrate temperature is maintained at about 600 ° C.
【0064】以上のMOCVD法による薄膜生成過程に
おいても、気体エタノールは、反応室24でMOCVD
の原料であるバイメタリックアルコキシドSr[Ta
(OC 2H5)6]2とアルコキシビスマスBi(O−
tC4H9)3の分解反応を促進する働きをし、より低
い基板温度でSrBi2Ta2O9の結晶成長が可能と
なる。In the above thin film formation process by MOCVD,
Also, the gaseous ethanol is MOCVD in the reaction chamber 24.
Bimetallic alkoxide Sr [Ta
(OC TwoH5)6]TwoAnd alkoxy bismuth Bi (O-
tCFourH9)ThreeIt promotes the decomposition reaction of
SrBi at high substrate temperatureTwoTaTwoO9Crystal growth of
Become.
【0065】第1と第2の実施形態と同じように、Sr
Bi2Ta2O9の強誘電体特性を十分に引き出すため
には、SrBi2Ta2O9を構成する各元素の比率、
すなわち組成比を所望の組成(Bi/Sr/Ta=2/
1/2)になるように精密に制御することが必要であ
る。バイメタリックSr[Ta(OC2H5)6]2を
原料として用いることにより、Sr:Taは常に一定に
保たれ、成膜条件により大きく変動しない。一方、Bi
源にBi(O−tC4H9)3を用いた場合、膜中に導
入されるBi量は、例えば、酸素ガスの流量、反応室2
4内の圧力など、各種成膜条件により制御することが可
能である。As in the first and second embodiments, Sr
In order to sufficiently bring out the ferroelectric characteristics of Bi 2 Ta 2 O 9 , the ratio of each element constituting SrBi 2 Ta 2 O 9
That is, the composition ratio is set to the desired composition (Bi / Sr / Ta = 2 /
It is necessary to control precisely so that it becomes 1/2). By using bimetallic Sr [Ta (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 as a raw material, Sr: Ta is always kept constant and does not fluctuate significantly depending on film forming conditions. On the other hand, Bi
When using Bi (O- t C 4 H 9 ) 3 to the source, Bi quantity introduced into the film, for example, the oxygen gas flow rate, the reaction chamber 2
It is possible to control by various film forming conditions such as the pressure inside 4.
【0066】本実施形態の強誘電体薄膜の製造方法によ
れば、強誘電体メモリを作製する上で重要なビスマス層
状化合物強誘電体を代表するSrBi2Ta2O9を、
従来の成膜温度より100℃程度低い600℃前後で、
結晶薄膜を形成することが可能である。これによりもた
らされる低温プロセスにより種々のバリアメタルに必要
な耐熱性の上限を下げることが可能であり、バリアメタ
ルとして使用可能な材料の選択肢が増える。その結果、
トランジスタの直上に強誘電体を配置するスタック構造
セルを容易に作製することが可能となる。さらに、本実
施形態では、ビスマス層状化合物をMOCVD法により
成膜することから、緻密度が高く、表面被覆性のよい薄
膜を形成できるほか、薄膜の清浄度を高め、また、生産
性も高めることができる。According to the method of manufacturing a ferroelectric thin film of the present embodiment, SrBi 2 Ta 2 O 9 which is a representative of bismuth layered compound ferroelectrics, which is important in manufacturing a ferroelectric memory,
At around 600 ° C, which is about 100 ° C lower than the conventional film formation temperature,
It is possible to form a crystalline thin film. The resulting low temperature process can lower the upper limit of heat resistance required for various barrier metals, increasing the choice of materials that can be used as barrier metals. as a result,
It becomes possible to easily manufacture a stack structure cell in which the ferroelectric substance is arranged directly above the transistor. Further, in the present embodiment, since the bismuth layered compound is formed by MOCVD, a thin film having a high density and good surface coverage can be formed, the cleanliness of the thin film can be improved, and the productivity can be improved. You can
【0067】第4の実施形態
本実施形態は、MOCVD法にて強誘電体薄膜を有する
強誘電体キャパシタ、および、その強誘電体キャパシタ
を含む半導体メモリ素子の作製方法に関する。本実施形
態での半導体メモリ素子は前述の1トランジスタ+1キ
ャパシタ(1T/1C)構造を有する強誘電体不揮発性
メモリセルFeRAMのセルから成る。 Fourth Embodiment The present embodiment relates to a ferroelectric capacitor having a ferroelectric thin film by MOCVD method and a method for manufacturing a semiconductor memory device including the ferroelectric capacitor. The semiconductor memory device according to the present embodiment is composed of a cell of the ferroelectric non-volatile memory cell FeRAM having the above-mentioned 1-transistor + 1-capacitor (1T / 1C) structure.
【0068】図8(A)は、本実施形態のキャパシタ作
製方法に基づき作製されたFeRAMメモリセルの模式
的な部分断面図であり、また、図8(B)は、該メモリ
セルの等価回路を示す。図8に示したメモリセルは、下
部電極層52、強誘電体薄膜53及び上部電極層54が
積層されたキャパシタ構造と、シリコン半導体基板40
に形成されたソース・ドレイン領域44、チャネル領域
45、および該チャネル領域45の上方に形成されたゲ
ート電極43とから構成されたいわゆる選択トランジス
タを有し、即ち1T/1C構成を有する。強誘電体薄膜
53は、例えば、SrBi2Ta2O9からから構成さ
れている。該メモリセルは、LOCOS構造を有する素
子分離領域41と、ゲート電極43の下に形成されたゲ
ート酸化膜42をさらに有する。FIG. 8A is a schematic partial cross-sectional view of a FeRAM memory cell manufactured based on the capacitor manufacturing method of this embodiment, and FIG. 8B is an equivalent circuit of the memory cell. Indicates. The memory cell shown in FIG. 8 has a capacitor structure in which a lower electrode layer 52, a ferroelectric thin film 53 and an upper electrode layer 54 are laminated, and a silicon semiconductor substrate 40.
A source / drain region 44, a channel region 45, and a gate electrode 43 formed above the channel region 45, that is, a so-called select transistor, that is, a 1T / 1C configuration. The ferroelectric thin film 53 is composed of, for example, SrBi 2 Ta 2 O 9 . The memory cell further has an element isolation region 41 having a LOCOS structure and a gate oxide film 42 formed under a gate electrode 43.
【0069】なお、ゲート電極43はワード線を兼ねて
おり、例えば、ポリシリコン、あるいはポリサイドや金
属シリサイドから構成されている。そして、ソース・ド
レイン領域44及びゲート電極43は、絶縁層50によ
って被覆されている。絶縁層50は、例えば、BPSG
から成る。The gate electrode 43 also serves as a word line, and is made of, for example, polysilicon, polycide, or metal silicide. The source / drain region 44 and the gate electrode 43 are covered with the insulating layer 50. The insulating layer 50 is, for example, BPSG.
Consists of.
【0070】このメモリセルのキャパシタ構造において
は、Pt(白金)から成る下部電極層52が、BPSG
から成る絶縁層50上に形成されている。また、ビスマ
ス層状強誘電体薄膜であるSrBi2Ta2O9から成
る強誘電体薄膜53が、下部電極層52上に形成されて
いる。更に、Ptから成る上部電極層54が、強誘電体
薄膜53上に形成されている。In the capacitor structure of this memory cell, the lower electrode layer 52 made of Pt (platinum) is BPSG.
Is formed on the insulating layer 50. Further, a ferroelectric thin film 53 made of SrBi 2 Ta 2 O 9 which is a bismuth layered ferroelectric thin film is formed on the lower electrode layer 52. Further, an upper electrode layer 54 made of Pt is formed on the ferroelectric thin film 53.
【0071】絶縁層50、下部電極層52及び上部電極
層54の上には例えばBPSGから成る上層絶縁層60
が形成されている。そして、一方のソース・ドレイン領
域44(例えばソース領域)の上方の絶縁層50及び上
層絶縁層60にはコンタクト・プラグ65が形成されて
おり、このコンタクト・プラグ65は、その底部におい
て一方のソース・ドレイン領域44と電気的に接続され
ている。下部電極層52の上方の上層絶縁層60にも、
コンタクト・プラグ66が形成されている。そして、下
部電極層52は、コンタクト・プラグ66、第1の配線
層68及びコンタクト・プラグ65を介して、一方のソ
ース・ドレイン領域44に電気的に接続されている。ま
た、上部電極層54の上方に形成されたコンタクト・プ
ラグ67を介して、上部電極層54は第2の配線層69
と電気的に接続されている。第2の配線層69はプレー
ト線に相当する。An upper insulating layer 60 made of, for example, BPSG is formed on the insulating layer 50, the lower electrode layer 52 and the upper electrode layer 54.
Are formed. A contact plug 65 is formed in the insulating layer 50 and the upper insulating layer 60 above one of the source / drain regions 44 (for example, the source region), and the contact plug 65 has one source at the bottom thereof. -Electrically connected to the drain region 44. Also on the upper insulating layer 60 above the lower electrode layer 52,
A contact plug 66 is formed. The lower electrode layer 52 is electrically connected to one of the source / drain regions 44 via the contact plug 66, the first wiring layer 68, and the contact plug 65. In addition, the upper electrode layer 54 is connected to the second wiring layer 69 through the contact plug 67 formed above the upper electrode layer 54.
Is electrically connected to. The second wiring layer 69 corresponds to a plate line.
【0072】他方のソース・ドレイン領域44(例えば
ドレイン領域)は、ビットコンタクト部(図示せず)を
介してビット線(図示せず)に電気的に接続されてい
る。The other source / drain region 44 (eg drain region) is electrically connected to a bit line (not shown) via a bit contact portion (not shown).
【0073】以下は、図9、10、11を参照して、本
実施形態における半導体素子の製造方法を説明する。先
ず、図9(A)に示すように、シリコン半導体基板40
に、公知の方法に基づきLOCOS構造を有する素子分
離領域41を形成する。次に、半導体基板40の表面を
酸化してゲート酸化膜42を形成する。そして、ポリシ
リコン層を例えばCVD法にて全面に堆積させた後、フ
ォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によってポリ
シリコン層をパターニングし、ポリシリコンから成るゲ
ート電極43を形成する。次に、不純物イオンのイオン
注入及び注入された不純物の活性化処理を行ない、ソー
ス・ドレイン領域44及びチャネル領域45を形成す
る。なお、ゲート電極43はワード線を兼ねている。The method of manufacturing the semiconductor device according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 9A, a silicon semiconductor substrate 40
Then, the element isolation region 41 having a LOCOS structure is formed by a known method. Next, the surface of the semiconductor substrate 40 is oxidized to form the gate oxide film 42. Then, after depositing a polysilicon layer on the entire surface by, for example, a CVD method, the polysilicon layer is patterned by a photolithography technique and an etching technique to form a gate electrode 43 made of polysilicon. Then, ion implantation of impurity ions and activation of the implanted impurities are performed to form the source / drain regions 44 and the channel region 45. The gate electrode 43 also serves as a word line.
【0074】次に、半導体基板40上に、例えばBPS
Gから成る絶縁層50をCVD法にて形成する。こうし
て、図9(A)に示す構造を得ることができる。なお、
BPSGから成る絶縁層50の成膜後、窒素ガス雰囲気
中で例えば900゜C、20分間、絶縁層50をリフロ
ーさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例え
ば化学的機械的研磨法(CMP法)にて絶縁層50の頂
面を化学的及び機械的に研磨して絶縁層50を平坦化
し、エッチバック法にて絶縁層50を平坦化することが
望ましい。絶縁膜50の成膜温度は400゜Cである。Next, on the semiconductor substrate 40, for example, BPS
The insulating layer 50 made of G is formed by the CVD method. Thus, the structure shown in FIG. 9A can be obtained. In addition,
After forming the insulating layer 50 made of BPSG, it is preferable to reflow the insulating layer 50 in a nitrogen gas atmosphere at 900 ° C. for 20 minutes, for example. Furthermore, if necessary, the top surface of the insulating layer 50 is chemically and mechanically polished by, for example, a chemical mechanical polishing method (CMP method) to planarize the insulating layer 50, and the insulating layer 50 is insulated by an etch back method. It is desirable to planarize layer 50. The film forming temperature of the insulating film 50 is 400 ° C.
【0075】次に、図9(B)に示すように、絶縁層5
0上に、下部電極層52を形成する。すなわち、絶縁層
50の上にRFマグネトロンスパッタ法にてPtから成
る下部電極層52を堆積させる。下部電極層52の厚さ
を0.1〜0.2μmとした。その後、例えばイオンミ
リング技術を用いて下部電極層52を所望の形状にパタ
ーニングする。RFマグネトロンスパッタ法においての
成膜温度は600〜750゜Cである。Next, as shown in FIG. 9B, the insulating layer 5
The lower electrode layer 52 is formed on the upper surface of the substrate 0. That is, the lower electrode layer 52 made of Pt is deposited on the insulating layer 50 by the RF magnetron sputtering method. The thickness of the lower electrode layer 52 was set to 0.1 to 0.2 μm. After that, the lower electrode layer 52 is patterned into a desired shape by using, for example, an ion milling technique. The film forming temperature in the RF magnetron sputtering method is 600 to 750 ° C.
【0076】その後、下部電極層52上に、MOCVD
法にてSrBi2Ta2O9(SBT)から成る強誘電
体薄膜53を形成する。具体的には、第1と第3の実施
形態にて説明した強誘電体薄膜の形成方法と同様の条件
で、有機金属化合物バイメタリックアルコキシドSr
[Ta(OC2H5)6]2とアルコキシビスマスBi
(O−tC4H9)3を原料ガスとして、アルコール
類、たとえば、気体エタノールを反応促進剤として、6
00゜Cの成膜温度で、MOCVD法にて、図9(C)
のように、下部電極層52の上に、ビスマス層状強誘電
体薄膜SrBi2Ta2O9から成る強誘電体薄膜53
を成膜する。Then, MOCVD is performed on the lower electrode layer 52.
A ferroelectric thin film 53 made of SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT) is formed by the method. Specifically, under the same conditions as the method for forming the ferroelectric thin film described in the first and third embodiments, the organometallic compound bimetallic alkoxide Sr is used.
[Ta (OC 2 H 5 ) 6 ] 2 and alkoxybismuth Bi
The (O- t C 4 H 9) 3 as a source gas, alcohols, for example, a gaseous ethanol as a reaction accelerator, 6
FIG. 9C shows the MOCVD method at a film forming temperature of 00 ° C.
As described above, the ferroelectric thin film 53 made of the bismuth layered ferroelectric thin film SrBi 2 Ta 2 O 9 is formed on the lower electrode layer 52.
To form a film.
【0077】その後、強誘電体薄膜53上に上部電極層
54を形成する。上部電極層54はPtから成り、下部
電極層52と同様の方法で成膜することができる。After that, the upper electrode layer 54 is formed on the ferroelectric thin film 53. The upper electrode layer 54 is made of Pt and can be formed by the same method as the lower electrode layer 52.
【0078】次に、例えばイオンミリング技術を用いて
Ptから成る上部電極層54を所望の形状にパターニン
グし、更に、RIE法で強誘電体薄膜53をパターニン
グする。こうして、図10(A)に示すキャパシタ構造
を得ることができる。Next, the upper electrode layer 54 made of Pt is patterned into a desired shape by using, for example, the ion milling technique, and further, the ferroelectric thin film 53 is patterned by the RIE method. Thus, the capacitor structure shown in FIG. 10A can be obtained.
【0079】次に、図10(B)に示すように、絶縁層
50、下部電極層52及び上部電極層54の上に、例え
ばBPSGから成る上層絶縁層60を形成する。なお、
上層絶縁層60の形成後、上層絶縁層60を平坦化処理
することが望ましい。そして、一方のソース・ドレイン
領域44の上方の絶縁層50及び上層絶縁層60に、フ
ォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて、開
口部61を形成する。また、下部電極層52の上方並び
に上部電極層54の上方の上層絶縁層60にも開口部6
2、63を形成する。Next, as shown in FIG. 10B, an upper insulating layer 60 made of, for example, BPSG is formed on the insulating layer 50, the lower electrode layer 52 and the upper electrode layer 54. In addition,
After forming the upper insulating layer 60, the upper insulating layer 60 is preferably flattened. Then, the opening 61 is formed in the insulating layer 50 and the upper insulating layer 60 above the one source / drain region 44 by using the photolithography technique and the etching technique. In addition, the openings 6 are formed in the upper insulating layer 60 above the lower electrode layer 52 and above the upper electrode layer 54.
2, 63 are formed.
【0080】そして、図11に示すように、各開口部6
1、62、63内を含む上層絶縁層60上に、例えば、
Ti層及びTiN層をスパッタ法にて成膜した後、Ti
N層上にアルミニウム系合金(例えばAl−1%Si)
から成る配線材料層64をいわゆる高温アルミニウムス
パッタ法にて形成する。Ti層、TiN層及びアルミニ
ウム系合金から成る配線材料層の成膜条件を以下に例示
する。なお、Ti層及びTiN層を形成する理由は、オ
ーミックな低コンタクト抵抗を得ること、アルミニウム
系合金から成る配線材料層による半導体基板40の損傷
発生の防止、アルミニウム系合金の濡れ性改善のためで
ある。Then, as shown in FIG. 11, each opening 6
On the upper insulating layer 60 including the inside of 1, 62, 63, for example,
After forming the Ti layer and the TiN layer by the sputtering method,
Aluminum alloy on the N layer (eg Al-1% Si)
The wiring material layer 64 made of is formed by the so-called high temperature aluminum sputtering method. The film forming conditions for the Ti layer, the TiN layer, and the wiring material layer made of an aluminum alloy are illustrated below. The reason for forming the Ti layer and the TiN layer is to obtain a low ohmic contact resistance, to prevent the semiconductor substrate 40 from being damaged by the wiring material layer made of an aluminum alloy, and to improve the wettability of the aluminum alloy. is there.
【0081】こうして、開口部61、62、63には、
アルミニウム系合金が埋め込まれ、コンタクト・プラグ
65、66、67が形成される。なお、図8(A)及び
図11においては、TiN層及びTi層の図示は省略し
た。その後、上層絶縁層60の上の配線材料層64、T
iN層、Ti層をパターニングして、図8(A)に示す
ように、第1の配線層68、第2の配線層69を形成す
る。Thus, the openings 61, 62, 63 have
An aluminum alloy is embedded to form contact plugs 65, 66, 67. Note that the TiN layer and the Ti layer are not shown in FIGS. 8A and 11. After that, the wiring material layer 64, T on the upper insulating layer 60,
The iN layer and the Ti layer are patterned to form a first wiring layer 68 and a second wiring layer 69 as shown in FIG.
【0082】アルミニウム系合金から成る配線材料層の
成膜をいわゆる高温アルミニウムスパッタ法にて行った
が、このような成膜方法に限定されるものではなく、い
わゆる高温リフロー法や高圧リフロー法にて行うことも
できる。高温リフロー法においては、以下に例示する条
件でアルミニウム系合金から成る配線材料層を上層絶縁
層60上に堆積させる。この時の基板加熱温度は150
゜Cである。The wiring material layer made of an aluminum-based alloy was formed by the so-called high temperature aluminum sputtering method, but the present invention is not limited to such a film forming method, and the so-called high temperature reflow method or high pressure reflow method is used. You can also do it. In the high temperature reflow method, a wiring material layer made of an aluminum alloy is deposited on the upper insulating layer 60 under the conditions exemplified below. The substrate heating temperature at this time is 150
° C.
【0083】その後、半導体基板40を約500゜Cに
加熱する。これによって、上層絶縁層60上に堆積した
アルミニウム系合金から成る配線材料層は流動状態とな
り、開口部61、62、63の内に流入し、開口部6
1、62、63はアルミニウム系合金で確実に埋め込ま
れ、コンタクト・プラグ65、66、67が形成され
る。一方、上層絶縁層60の上にはアルミニウム系合金
から成る配線材料層が残される。加熱温度は500゜C
である。After that, the semiconductor substrate 40 is heated to about 500 ° C. As a result, the wiring material layer made of an aluminum-based alloy deposited on the upper insulating layer 60 is brought into a fluid state, flows into the openings 61, 62, 63, and the opening 6 is formed.
1, 62 and 63 are securely filled with an aluminum alloy to form contact plugs 65, 66 and 67. On the other hand, a wiring material layer made of an aluminum alloy is left on the upper insulating layer 60. Heating temperature is 500 ° C
Is.
【0084】ここで、基板裏面ガス加熱方式という加熱
方式を用いる、即ち、半導体基板40の裏面に配置した
ヒーターブロックを所定の温度(加熱温度)に加熱し、
ヒーターブロックと半導体基板40の裏面の間にプロセ
スガスを導入することによって半導体基板40を加熱す
る方式である。加熱方式としては、この方式以外にもラ
ンプ加熱方式等を用いることができる。Here, a heating method called a substrate backside gas heating method is used, that is, the heater block arranged on the backside of the semiconductor substrate 40 is heated to a predetermined temperature (heating temperature),
This is a method of heating the semiconductor substrate 40 by introducing a process gas between the heater block and the back surface of the semiconductor substrate 40. As the heating method, other than this method, a lamp heating method or the like can be used.
【0085】本実施形態においては、下部電極層をPt
から構成する代わりに、例えば、ペロブスカイト構造を
有するLa−Sr−Co−O(LSCO)単独、あるい
は下からLSCO/Ptの2層から構成することもでき
る。In this embodiment, the lower electrode layer is Pt.
Instead of being composed of, for example, La-Sr-Co-O (LSCO) having a perovskite structure may be used alone or may be composed of two layers of LSCO / Pt from the bottom.
【0086】本実施形態に係わる強誘電体メモリ素子の
製造方法によれば、強誘電体キャパシタのビスマス層状
化合物薄膜の結晶化温度は従来の成膜温度より100℃
程度低い600℃前後になり、これにより種々のバリア
メタルに必要な耐熱性の上限を下げることが可能であ
り、バリアメタルとして使用可能な材料の選択肢が増え
る。その結果、トランジスタの直上に強誘電体を配置す
るスタック構造セルを容易に作製することが可能とな
る。さらに、本実施形態では、ビスマス層状化合物をM
OCVD法により成膜することから、緻密度が高く、表
面被覆性のよい薄膜を形成できるほか、薄膜の清浄度を
高め、また、生産性も高めることができる。According to the method of manufacturing the ferroelectric memory element according to the present embodiment, the crystallization temperature of the bismuth layer compound thin film of the ferroelectric capacitor is 100 ° C. higher than the conventional film forming temperature.
The temperature is about 600 ° C. which is low to some extent, whereby the upper limit of heat resistance required for various barrier metals can be lowered, and the choice of materials that can be used as the barrier metal increases. As a result, it becomes possible to easily manufacture a stack structure cell in which the ferroelectric substance is arranged directly above the transistor. Further, in this embodiment, the bismuth layered compound is M
Since the film is formed by the OCVD method, it is possible to form a thin film having a high density and good surface coverage, and to improve the cleanliness of the thin film and the productivity.
【0087】以上、本発明を好ましい実施の形態に基づ
き説明したが、本発明は以上に説明した実施の形態に限
られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々の改変が可能である。また、Bi2AB2O9
(ここで、Aはアルカリ土類金属Sr、Ba及びCaの
中の1種であり、BはTa及びNbの中の1種である)
から成るY1系材料から構成されたビスマス層状化合物
をMOCVD法にて基体上に成膜することができる。
尚、元素A/Bの組み合わせとして、Sr/Taだけで
なく、Sr/Nb、Ba/Ta、Ba/Nb、Ca/T
a、Ca/Nbを挙げることができる。また、アルコー
ル類の分解反応においての促進作用により結晶成長の促
進効果は、特にビスマス化合物に限定しない。また、本
発明の半導体素子のキャパシタ構造の作製方法において
説明した半導体素子の構造は例示であり、適宜設計変更
することが可能である。たとえば、スタック構造を採用
し、トランジスタに接するコンタクト・プラグの直上に
強誘電体キャパシタを配置しても良い。また、コンタク
ト・プラグと強誘電体キャパシタの下部電極の間に、T
i、Ta、または、Wの酸化物からなる拡散バリア層を
形成しても良い。さらに、強誘電体キャパシタの上部電
極の上に、適切な材料からなる水素バリア層を形成して
も良い。The present invention has been described above based on the preferred embodiments, but the present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. Is. In addition, Bi 2 AB 2 O 9
(Here, A is one of alkaline earth metals Sr, Ba and Ca, and B is one of Ta and Nb)
A bismuth layered compound composed of a Y1-based material can be formed on a substrate by MOCVD.
Not only Sr / Ta but also Sr / Nb, Ba / Ta, Ba / Nb, Ca / T can be used as the combination of the elements A / B.
a and Ca / Nb can be mentioned. Further, the crystal growth promoting effect due to the promoting effect in the decomposition reaction of alcohols is not particularly limited to the bismuth compound. Further, the structure of the semiconductor element described in the manufacturing method of the capacitor structure of the semiconductor element of the present invention is an example, and the design can be appropriately changed. For example, a stack structure may be adopted and the ferroelectric capacitor may be arranged directly above the contact plug in contact with the transistor. Further, between the contact plug and the lower electrode of the ferroelectric capacitor, T
A diffusion barrier layer made of an oxide of i, Ta, or W may be formed. Further, a hydrogen barrier layer made of an appropriate material may be formed on the upper electrode of the ferroelectric capacitor.
【0088】[0088]
【発明の効果】本発明によれば、強誘電体メモリを作製
する上で重要なビスマス層状化合物を、従来の成膜温度
より100℃程度低い600℃前後で、SrBi2Ta
2O9に代表されるBi層状強誘電体の結晶薄膜を形成
することが可能である。これによりもたらされる低温プ
ロセスにより種々のバリアメタルに必要な耐熱性の上限
を下げることが可能であり、バリアメタルとして使用可
能な材料の選択肢が増える。その結果、トランジスタの
直上に強誘電体を配置するスタック構造セルを容易に作
製することが可能となる。さらに、本実施形態では、ビ
スマス層状化合物をMOCVD法により成膜することか
ら、緻密度が高く、表面被覆性のよい薄膜を形成できる
ほか、薄膜の清浄度を高め、また、生産性も高めること
ができる。According to the present invention, a bismuth layered compound, which is important in manufacturing a ferroelectric memory, is added to SrBi 2 Ta at about 600 ° C., which is about 100 ° C. lower than the conventional film forming temperature.
It is possible to form a crystal thin film of a Bi layered ferroelectric material typified by 2 O 9 . The resulting low temperature process can lower the upper limit of heat resistance required for various barrier metals, increasing the choice of materials that can be used as barrier metals. As a result, it becomes possible to easily manufacture a stack structure cell in which the ferroelectric substance is arranged directly above the transistor. Further, in the present embodiment, since the bismuth layered compound is formed by MOCVD, a thin film having a high density and good surface coverage can be formed, the cleanliness of the thin film can be improved, and the productivity can be improved. You can
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる強誘電体薄膜
を生成する装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic view of an apparatus for producing a ferroelectric thin film according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1に示された装置を用いて強誘電体薄膜を生
成するプロセスを示すフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart showing a process of forming a ferroelectric thin film using the apparatus shown in FIG.
【図3】本発明の第1の実施形態の成膜方法にて得たビ
スマス層状化合物についてX線回折測定により得た回折
図(XRDパターン)である。FIG. 3 is a diffraction diagram (XRD pattern) obtained by X-ray diffraction measurement of a bismuth layered compound obtained by the film forming method of the first embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第1の実施形態にいて、形成した薄膜
の構成成分の組成を成膜条件により制御される例を示
す。FIG. 4 shows an example in which the composition of the constituents of the formed thin film is controlled by the film forming conditions in the first embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第2の実施形態に係わる強誘電体薄膜
を生成する装置の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of an apparatus for producing a ferroelectric thin film according to a second embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第3の実施形態に係わる強誘電体薄膜
を生成する装置の模式図である。FIG. 6 is a schematic diagram of an apparatus for producing a ferroelectric thin film according to a third embodiment of the present invention.
【図7】図6に示された装置を用いて強誘電体薄膜を生
成するプロセスを示すフローチャートである。FIG. 7 is a flow chart showing a process of forming a ferroelectric thin film using the apparatus shown in FIG.
【図8】本発明の第4実施形態の半導体素子のキャパシ
タ構造の作製方法にて作製された半導体素子の模式的な
部断面図(A)、及び等価回路図(B)である。FIG. 8 is a schematic sectional view (A) and an equivalent circuit diagram (B) of a semiconductor element manufactured by a method for manufacturing a capacitor structure of a semiconductor element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第4実施形態の半導体素子のキャパシ
タ構造の作製方法を含む半導体素子の作製方法を説明す
るための半導体基板等の部分断面図である。FIG. 9 is a partial cross-sectional view of a semiconductor substrate or the like for explaining a method for manufacturing a semiconductor element including a method for manufacturing a capacitor structure for a semiconductor element according to a fourth embodiment of the present invention.
【図10】図9に引き続き、本発明の第4実施形態の半
導体素子のキャパシタ構造の作製方法を含む半導体素子
の作製方法を説明するための半導体基板等の部分断面図
である。FIG. 10 is a partial cross-sectional view of a semiconductor substrate or the like for explaining a method of manufacturing a semiconductor device including a method of manufacturing a capacitor structure of a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention, following FIG.
【図11】図10に引き続き、本発明の第4実施形態の
半導体素子のキャパシタ構造の作製方法を含む半導体素
子の作製方法を説明するための半導体基板等の部分断面
図である。11 is a partial cross-sectional view of a semiconductor substrate or the like for explaining a method for manufacturing a semiconductor element including a method for manufacturing a capacitor structure for a semiconductor element according to a fourth exemplary embodiment of the present invention, following FIG. 10;
【図12】MOCVD法を用いて、ビスマス層状構造化
合物の薄膜を生成する従来の装置の模式図である。FIG. 12 is a schematic view of a conventional apparatus for producing a thin film of a bismuth layered structure compound by using the MOCVD method.
【図13】MOCVD法を用いて、ビスマス層状構造化
合物の薄膜を生成する従来のプロセスを示すフローチャ
ートである。FIG. 13 is a flow chart showing a conventional process for producing a thin film of a bismuth layered structure compound by using the MOCVD method.
10、11、12…原料容器、13…液体混合器、1
4、15…配管、19…気化器、20…ガス混合器、2
1…吹き付けヘッド、22…基板、23…基板ステー
ジ、24…MOCVD反応室、25…真空ポンプ、30
…原料容器、40…半導体基板、41…素子分離領域、
42…ゲート酸化膜、43…ゲート電極、44…ソース
・ドレイン領域、45…チャネル領域、50…絶縁層、
52…下部電極層、53…強誘電体層、54…上部電極
層、60…上層絶縁層、61、62、63…開口部、6
4…配線材料層、65、66、67…コンタクト・プラ
グ、68…第1の配線層、69…第2の配線層、70、
71、72…原料容器、74…配管、76、77、78
…恒温槽、110、111…原料容器、113…液体混
合器、114、115…配管、119…気化器、120
…ガス混合器、121…吹き付けヘッド、122…基
板、123…基板ステージ、124…MOCVD反応
室、125…真空ポンプ。10, 11, 12 ... Raw material container, 13 ... Liquid mixer, 1
4, 15 ... Piping, 19 ... Vaporizer, 20 ... Gas mixer, 2
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spraying head, 22 ... Substrate, 23 ... Substrate stage, 24 ... MOCVD reaction chamber, 25 ... Vacuum pump, 30
... raw material container, 40 ... semiconductor substrate, 41 ... element isolation region,
42 ... Gate oxide film, 43 ... Gate electrode, 44 ... Source / drain region, 45 ... Channel region, 50 ... Insulating layer,
52 ... Lower electrode layer, 53 ... Ferroelectric layer, 54 ... Upper electrode layer, 60 ... Upper insulating layer, 61, 62, 63 ... Opening part, 6
4 ... Wiring material layer, 65, 66, 67 ... Contact plug, 68 ... First wiring layer, 69 ... Second wiring layer, 70,
71, 72 ... Raw material container, 74 ... Piping, 76, 77, 78
... Constant temperature bath, 110, 111 ... Raw material container, 113 ... Liquid mixer, 114, 115 ... Piping, 119 ... Vaporizer, 120
... Gas mixer, 121 ... Spraying head, 122 ... Substrate, 123 ... Substrate stage, 124 ... MOCVD reaction chamber, 125 ... Vacuum pump.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4K030 AA11 AA14 AA24 BA01 BA17 BA42 DA09 FA10 JA05 JA10 LA02 5F058 BA11 BC03 BF06 BF27 BJ04 5F083 FR02 GA29 JA17 JA36 JA38 JA39 JA40 JA45 MA05 MA06 MA18 PR21 PR33 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page F-term (reference) 4K030 AA11 AA14 AA24 BA01 BA17 BA42 DA09 FA10 JA05 JA10 LA02 5F058 BA11 BC03 BF06 BF27 BJ04 5F083 FR02 GA29 JA17 JA36 JA38 JA39 JA40 JA45 MA05 MA06 MA18 PR21 PR33
Claims (25)
造する方法であって、 前記強誘電体薄膜を構成する金属元素を含有する複数種
類の有機金属化合物の原料ガスを、少なくとも反応促進
剤としてのアルコール類ガスと共に供給し、前記強誘電
体薄膜を形成する強誘電体薄膜の製造方法。1. A method for producing a ferroelectric thin film by a chemical vapor deposition method, comprising: reacting at least a source gas of a plurality of kinds of organometallic compounds containing a metal element constituting the ferroelectric thin film with at least a reaction. A method for producing a ferroelectric thin film, which comprises supplying the same with an alcohol gas as a promoter to form the ferroelectric thin film.
場合の前記強誘電体材料の結晶化温度より低い成膜温度
で、前記強誘電体薄膜を形成する請求項1に記載の強誘
電体薄膜の製造方法。2. The ferroelectric thin film according to claim 1, wherein the ferroelectric thin film is formed at a film forming temperature lower than a crystallization temperature of the ferroelectric material when the alcoholic reaction accelerator is not added. Manufacturing method.
含み、 前記原料は、Biを含有するメタルアルコキシドBi
(OR)3(R=alkyl)を含む請求項1に記載の
強誘電体薄膜の製造方法。3. The ferroelectric thin film contains a bismuth layered compound, and the raw material is a metal alkoxide Bi containing Bi.
The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 1, which contains (OR) 3 (R = alkyl).
剤とを供給する際に、酸化剤としての酸素ガスも供給
し、 供給された前記酸素ガスの量を制御することによって、
前記強誘電体薄膜中のビスマスの組成を制御する請求項
3に記載の強誘電体薄膜の製造方法。4. When supplying the raw material gas and the alcoholic reaction promoter, oxygen gas as an oxidant is also supplied, and the amount of the oxygen gas supplied is controlled.
The method for manufacturing a ferroelectric thin film according to claim 3, wherein the composition of bismuth in the ferroelectric thin film is controlled.
からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にTaとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項3に記載の強誘電体
薄膜の製造方法。5. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Ta 2 O 9
4. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 3, wherein the raw material contains a bismuth layered compound of, and the raw material contains a bimetal alkoxide containing atoms of Ta and Sr in one molecule.
rを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求項
5に記載の強誘電体薄膜の製造方法。6. The bimetal alkoxide comprises Ta and S.
The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 5, wherein r is contained in one molecule in an atomic ratio of 2: 1.
からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にNbとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項3に記載の強誘電体
薄膜の製造方法。7. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Nb 2 O 9
4. The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 3, wherein the raw material contains a bismuth layered compound of, and the raw material contains a bimetal alkoxide containing Nb and Sr atoms in one molecule.
rを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求項
7に記載の強誘電体薄膜の製造方法。8. The bimetal alkoxide is Nb and S.
The method for producing a ferroelectric thin film according to claim 7, wherein r is contained in one molecule in an atomic ratio of 2: 1.
薄膜を形成する工程と、 前記強誘電体薄膜上に第2の電極層を形成する工程とを
有し、 前記第1の電極層上に化学的気相成長法にて前記強誘電
体薄膜を形成する工程において、 前記強誘電体薄膜を構成する金属元素を含有する複数種
類の有機金属化合物の原料ガスを、少なくとも反応促進
剤としてのアルコール類ガスと共に前記第1の電極層上
に供給し、前記強誘電体薄膜を形成する強誘電体キャパ
シタの製造方法。9. A step of forming a first electrode layer, a step of forming a ferroelectric thin film on the first electrode layer by chemical vapor deposition, and a step of forming a ferroelectric thin film on the ferroelectric thin film. A step of forming a second electrode layer, the step of forming the ferroelectric thin film on the first electrode layer by a chemical vapor deposition method, the metal forming the ferroelectric thin film. Manufacture of a ferroelectric capacitor for forming a ferroelectric thin film by supplying a source gas of a plurality of kinds of organic metal compounds containing an element together with at least an alcohol gas as a reaction accelerator onto the first electrode layer. Method.
い場合の前記強誘電体材料の結晶化温度より低い成膜温
度で、前記強誘電体薄膜を形成する請求項9に記載の強
誘電体キャパシタの製造方法。10. The ferroelectric capacitor according to claim 9, wherein the ferroelectric thin film is formed at a film forming temperature lower than a crystallization temperature of the ferroelectric material when the alcohol reaction accelerator is not added. Manufacturing method.
を含み、 前記原料は、Biを含有するメタルアルコキシドBi
(OR)3(R=alkyl)を含む請求項9に記載の
強誘電体キャパシタの製造方法。11. The ferroelectric thin film contains a bismuth layered compound, and the raw material is a metal alkoxide Bi containing Bi.
The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 9, wherein (OR) 3 (R = alkyl) is contained.
とを前記第1の電極層上に供給する際に、酸化剤として
の酸素ガスも前記第1の電極層上に供給し、 供給された前記酸素ガスの量を制御することによって、
前記強誘電体薄膜中のビスマスの組成を制御する請求項
11に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。12. An oxygen gas as an oxidant is also supplied and supplied onto the first electrode layer when the source gas and the alcoholic reaction accelerator are supplied onto the first electrode layer. By controlling the amount of oxygen gas,
The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 11, wherein the composition of bismuth in the ferroelectric thin film is controlled.
9からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にTaとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項11に記載の強誘電
体キャパシタの製造方法。13. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Ta 2 O.
The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 11, further comprising a bismuth layered compound of No. 9 , wherein the raw material contains a bimetal alkoxide containing atoms of Ta and Sr in one molecule.
Srを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求
項13に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。14. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 13, wherein the bimetal alkoxide contains Ta and Sr in a molecule in an atomic ratio of 2: 1.
9からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にNbとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項11に記載の強誘電
体キャパシタの製造方法。15. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Nb 2 O.
The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 11, further comprising a bismuth layered compound of No. 9 , wherein the raw material contains a bimetal alkoxide containing atoms of Nb and Sr in one molecule.
Srを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求
項15に記載の強誘電体キャパシタの製造方法。16. The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 15, wherein the bimetal alkoxide contains Nb and Sr in an atomic ratio of 2: 1 in one molecule.
スタの一方の不純物拡散領域に接続された強誘電体キャ
パシタとを含む強誘電体メモリ素子の製造方法であっ
て、 半導体基板の所定の領域に前記選択トランジスタを形成
する工程と、 前記選択トランジスタを含む半導体基板上に絶縁膜を形
成する工程と、 前記絶縁膜に前記選択トランジスタの一方の不純物拡散
領域に達する導電性コンタクト・プラグを形成する工程
と、 前記導電性コンタクト・プラグと接続する前記強誘電体
キャパシタの下部電極層を形成する工程と、 前記下部電極層上に、化学的気相成長法にて前記強誘電
体キャパシタの強誘電体薄膜を形成する工程と、 前記強誘電体薄膜上に前記強誘電体キャパシタの上部電
極層を形成する工程とを有し、 前記下部電極層上に化学的気相成長法にて前記強誘電体
薄膜を形成する工程において、 前記強誘電体薄膜を構成する金属元素を含有する複数種
類の有機金属化合物の原料ガスと、少なくとも反応促進
剤としてのアルコール類ガスとを前記下部電極層上に供
給し、所定の成膜温度で前記強誘電体薄膜を形成する強
誘電体メモリ素子の製造方法。17. A method of manufacturing a ferroelectric memory device including a select transistor and a ferroelectric capacitor connected to one impurity diffusion region of the select transistor, wherein the select is performed in a predetermined region of a semiconductor substrate. Forming a transistor, forming an insulating film on a semiconductor substrate including the select transistor, forming a conductive contact plug reaching the one impurity diffusion region of the select transistor in the insulating film, Forming a lower electrode layer of the ferroelectric capacitor connected to the conductive contact plug; and forming a ferroelectric thin film of the ferroelectric capacitor on the lower electrode layer by chemical vapor deposition. A step of forming, and a step of forming an upper electrode layer of the ferroelectric capacitor on the ferroelectric thin film, on the lower electrode layer In the step of forming the ferroelectric thin film by a chemical vapor deposition method, a raw material gas of a plurality of kinds of organometallic compounds containing a metal element forming the ferroelectric thin film, and at least alcohol as a reaction accelerator A method of manufacturing a ferroelectric memory device, wherein a similar gas is supplied onto the lower electrode layer to form the ferroelectric thin film at a predetermined film forming temperature.
促進剤を添加しない場合の前記強誘電体薄膜の結晶化温
度より低い請求項17に記載の強誘電体メモリ素子の製
造方法。18. The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 17, wherein the film forming temperature is lower than the crystallization temperature of the ferroelectric thin film when the alcohol reaction accelerator is not added.
拡散、または、化学反応を引起す温度より低い請求項1
7に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。19. The film forming temperature is lower than a temperature at which a diffusion or a chemical reaction occurs near the lower electrode.
7. A method for manufacturing a ferroelectric memory device according to 7.
を含み、 前記原料は、Biを含有するメタルアルコキシドBi
(OR)3(R=alkyl)を含む請求項17に記載
の強誘電体メモリ素子の製造方法。20. The ferroelectric thin film contains a bismuth layered compound, and the raw material is a metal alkoxide Bi containing Bi.
The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 17, wherein (OR) 3 (R = alkyl) is contained.
とを前記下部電極層上に供給する際に、酸化剤としての
酸素ガスも前記下部電極層上に供給し、 供給された前記酸素ガスの量を制御することによって、
前記強誘電体薄膜中のビスマスの組成を制御する請求項
20に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。21. When the source gas and the alcoholic reaction accelerator are supplied onto the lower electrode layer, oxygen gas as an oxidant is also supplied onto the lower electrode layer, and the oxygen gas of the supplied oxygen gas is supplied. By controlling the quantity
21. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 20, wherein the composition of bismuth in the ferroelectric thin film is controlled.
9からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にTaとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項20に記載の強誘電
体メモリ素子の製造方法。22. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Ta 2 O.
21. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 20, further comprising a bismuth layered compound of No. 9 , wherein the raw material contains a bimetal alkoxide containing Ta and Sr atoms in one molecule.
Srを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求
項22に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。23. The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 22, wherein the bimetal alkoxide contains Ta and Sr in an atomic ratio of 2: 1 in one molecule.
9からなるビスマス層状化合物を含み、 前記原料は、1分子内にNbとSrの原子を含有するバ
イメタルアルコキシドを含む請求項20に記載の強誘電
体メモリ素子の製造方法。24. The ferroelectric thin film is SrBi 2 Nb 2 O.
21. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 20, further comprising a bismuth layered compound of No. 9 , wherein the raw material contains a bimetal alkoxide containing atoms of Nb and Sr in one molecule.
Srを1分子中に原子比率が2:1で含有している請求
項24に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。25. The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 24, wherein the bimetal alkoxide contains Nb and Sr in an atomic ratio of 2: 1 in one molecule.
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