JP2004022553A - Method for manufacturing ferroelectric memory device, and ferroelectric memory device - Google Patents

Method for manufacturing ferroelectric memory device, and ferroelectric memory device Download PDF

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JP2004022553A JP2002170984A JP2002170984A JP2004022553A JP 2004022553 A JP2004022553 A JP 2004022553A JP 2002170984 A JP2002170984 A JP 2002170984A JP 2002170984 A JP2002170984 A JP 2002170984A JP 2004022553 A JP2004022553 A JP 2004022553A
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Masahiro Seto
瀬戸 正博
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve electrical characteristic of a capacitor by preventing film peeling which is to be caused by water and hydrogen in an insulating film coating the capacitor having a ferroelectric film and preventing reduction of the ferroelectric film. <P>SOLUTION: The method for manufacturing a ferroelectric storage device which is provided with the capacitor 16 having the ferroelectric film 14 is provided with a process for forming the capacitor 16, a process for forming an interlayer insulating film 19 (insulating film) constituted of a barrier film 17 coating the capacitor 16 and of the insulating film 18, a process for forming a contact hole 20 from the interlayer insulating film 19 to an upper electrode film 15 of the capacitor 16 of a lower layer, and a process for forming a wiring 21 which is connected with the capacitor 16 via the contact hole 20. In the method, thermal treatment is performed in oxygen atmosphere of at least 100°C and at most 850°C after the insulating film (e.g. the barrier film 17) is formed and before the contact hole 20 is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体メモリ装置の製造方法および強誘電体メモリ装置に関し、詳しくはキャパシタを被覆する絶縁膜中に含まれる水分や水素を除去する強誘電体メモリ装置の製造方法およびその製造方法により製造された強誘電体メモリ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
絶縁膜上に形成されたキャパシタ上に、スパッタ法もしくはCVD法によって、例えば酸化アルミニウム膜を被覆形成した後、キャパシタの上部電極に達するコンタクトホールを開孔し、このコンタクトホールを通じて上部電極と導通させるための配線を形成する。このアルミニウム配線を形成する際に発せられる熱によって絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜を還元するという現象が起こっていた。このことにより、キャパシタの電気的特性が劣化していた。
【0003】
次に、従来の製造方法を、図5の製造工程図によって説明する。
図5の(1)に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板11上に酸化シリコン膜12を例えば300nmの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜12上に下部電極膜13を、例えば酸化チタン(TiO2 )膜131を40nmの厚さに成膜した後、イリジウム(Ir)膜132を100nmの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜13上に強誘電体膜14を形成する。ここでは、SrBi2 Ta2 9 を100nmの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜14の結晶化温度は酸素雰囲気中で700℃〜800℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜14上にイリジウム(Ir)を100nmの厚さに堆積して上部電極膜15を形成する。
【0004】
その後、図5の(2)に示すように、上記上部電極膜15、強誘電体膜14、下部電極膜13を順次加工して、キャパシタ16を形成する。
【0005】
次に、図5の(3)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、上記キャパシタ16を被覆するバリア膜17を、酸化アルミニウム膜を例えば50nmの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはCVD法によって、そのバリア膜17上に絶縁膜18を、例えば酸化シリコンを250nmの厚さに堆積して形成する。したがって、バリア膜17と絶縁膜18とからなる層間絶縁膜19の膜厚は300nmとなる。
【0006】
その後、図5の(4)に示すように、上記層間絶縁膜19にキャパシタ16の上部電極膜15に達するコンタクトホール20を形成し、さらにコンタクトホール20を通じて上部電極膜15に接続される配線21を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【0007】
次に、上記図5によって説明した製造方法により製造されたキャパシタ16の電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図6に配線21を形成した直後の電流(リーク電流)−電圧(印加電圧)特性(以下、I−V特性という)を示す。また、図7に窒素シンター直後のI−V特性を示す。なお、この窒素シンターは、400℃の窒素雰囲気中で30分行った。この結果、配線21を形成した直後と比較して、窒素シンター直後では耐圧の劣化が観察された。この耐圧劣化は、窒素シンターによって、バリア膜17や絶縁膜18中の水素や水分が要因と考えられる。
【0008】
または、強誘電体膜を有するキャパシタ上に、スパッタ法もしくはCVD法によって、例えば酸化アルミニウム膜からなるバリア膜を被覆形成した後、さらにスパッタ法もしくはCVD法によって、酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜を形成する。その後、この絶縁膜からキャパシタの上部電極膜へ通じるコンタクトホールを開孔する。その後、不活性ガス雰囲気中もしくは不活性ガスである窒素雰囲気中で、400℃の温度で熱処理を行って、酸化膜からなる絶縁膜中の水分や水素を膜の外部に放出させていた。その後、上部電極膜と導通させるための配線を、例えばアルミニウム配線で形成していた。
【0009】
この従来の製造方法を、図8の製造工程断面図によって以下に説明する。
【0010】
図8の(1)に示すように、前記図5によって説明したのと同様に、熱酸化法によって、シリコン基板11上に酸化シリコン膜12を例えば300nmの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜12上に下部電極膜13を、例えば酸化チタン(TiO2 )膜131を40nmの厚さに成膜した後、イリジウム(Ir)膜132を100nmの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜13上に強誘電体膜14を形成する。ここでは、SrBi2 Ta2 9 を100nmの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜14の結晶化温度は酸素雰囲気中で700℃〜800℃とした。さらにスパッタ法によって、強誘電体膜14上にイリジウム(Ir)を100nmの厚さに堆積して上部電極膜15を形成する。
【0011】
その後、前記図5の(2)に示すように、上記上部電極膜15、強誘電体膜14、下部電極膜13を順次加工して、キャパシタ16を形成する。
【0012】
次に、前記図5の(3)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、上記キャパシタ16を被覆するバリア膜17を、酸化アルミニウム膜を例えば50nmの厚さに堆積して形成する。さらに、スパッタ法もしくはCVD法によって、そのバリア膜17上に絶縁膜18を、例えば酸化シリコンを250nmの厚さに堆積して形成する。したがって、バリア膜17と絶縁膜18とからなる層間絶縁膜19の膜厚は300nmとなる。
【0013】
その後、前記図5の(4)によって説明したのと同様に、上記層間絶縁膜19に上部電極膜15に達するコンタクトホール20を形成する。その後、400℃の窒素雰囲気中で1時間の熱処理を行う。
【0014】
次に、図8の(2)に示すように、前記図5の(4)によって説明したのと同様に、コンタクトホール20を通じて上部電極膜15に接続される配線21を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【0015】
上記図8によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。さらに、窒素シンターを行った後の電気的特性も評価した。図9にアルミニウム配線を形成した直後のI−V特性を示す。また、図10に窒素シンター直後のI−V特性を示す。この窒素シンターは、400℃の窒素雰囲気中で30分行った。この結果、前記図5に示した製造方法よりもこの図8によって示した製造方法の方が、リーク電流が発生する電圧が高くなり、リーク電流が少なくなっていることから耐圧が良くなっていることが認められた。
【0016】
さらに、上記製造方法に対して、アルミニウム配線を形成する工程が終了した後、コンタクト特性を良化させるために、窒素シンター処理を行う。また、キャパシタを形成するプロセスにおいて劣化した、同一基板上に形成されたトランジスタの特性を回復させるためのフォーミングアニールを実施する。このシンターは窒素雰囲気で、例えば400℃程度の温度で行われる。また、フォーミングアニールは、例えば水素5%と窒素95%の雰囲気で、400℃程度の温度で行われる。なおフォーミングアニールは必ずしも行わなくてもよい。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、アルミニウム配線を形成する際に発生する熱によって、絶縁膜から水や水素が発生し、その発生した水もしくは水素がコンタクトホールから侵入して、強誘電体膜が還元され、電気的特性が劣化するという問題があった。また、フォーミングアニール後に電気的特性が劣化するという問題があった。
【0018】
上記電気特性の劣化の要因としては、アルミニウム配線を形成した後に、窒素シンターを行うと酸化物の絶縁膜中から水や水素が発生する。もしくは、酸化物の絶縁膜から発生した水がアルミニウムと反応し、さらに多量の水素が発生する。このように発生した水や水素はコンタクトホールの開口部から、上部電極や強誘電体膜へ拡散し、これらの水や水素によって膜剥がれが発生して、電気的特性が劣化されていた。
【0019】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた強誘電体メモリ装置の製造方法および強誘電体メモリ装置である。
【0020】
本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法は、強誘電体膜を有するキャパシタを備えた強誘電体メモリ装置の製造方法であって、前記キャパシタを形成する工程と、前記キャパシタを被覆する絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜から下層にコンタクトホールを形成する工程と前記コンタクトホールを通じて前記キャパシタに接続する配線を形成する工程とを備えた強誘電体メモリ装置の製造方法において、前記絶縁膜を形成した後で前記コンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする。
【0021】
上記強誘電体メモリ装置の製造方法では、絶縁膜を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、絶縁膜中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このように絶縁膜中の水分、水素は離脱されているので、絶縁膜にキャパシタの上部電極膜に通じるコンタクトホールを形成しても、コンタクトホールを通じて絶縁膜中の水素や水分が強誘電体膜に侵入することが回避され、強誘電体膜が還元されることがなくなる。
【0022】
さらに、熱処理を酸素雰囲気中で行うため、水分や水素が離脱した部分のダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。また絶縁膜が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0023】
したがって、キャパシタの電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【0024】
本発明の強誘電体メモリ装置は、強誘電体膜を有するキャパシタと、前記キャパシタを被覆する絶縁膜と、前記絶縁膜から前記キャパシタに通じるコンタクトホールと、前記コンタクトホールを通じて前記キャパシタに接続する配線とを備えた強誘電体メモリ装置であって、前記絶縁膜を形成した後で前記コンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったことを特徴とするものである。
【0025】
上記強誘電体メモリ装置では、絶縁膜を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったものであるから、コンタクトホールを形成する前には絶縁膜中の水分や水素が膜中より離脱されている。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化され、また水素は酸素と結合して気化され、膜中より除去されている。このように、絶縁膜中の水分、水素は離脱されているので、絶縁膜にキャパシタの上部電極膜に通じるコンタクトホールが形成されても、コンタクトホールを通じて絶縁膜中の水素や水分が強誘電体膜に侵入することが回避され、強誘電体膜が還元されることがなくなる。
【0026】
さらに、熱処理を酸素雰囲気中で行っているため、水分や水素が離脱し部分のダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になっている。また絶縁膜が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となっている。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0027】
したがって、キャパシタは、電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化がないものとなる。また水素や水分による膜剥がれが防止されるので、膜の密着性の劣化がないものとなっている。よって、安定した強誘電体メモリ装置になる。
【0028】
【発明の実施の形態】
本発明の強誘電体メモリ装置は、強誘電体膜を挟むように上部電極および下部電極とを設けたキャパシタを有し、上部、下部電極にはイリジウム(Ir)や白金(Pt)のような貴金属からなる電極を用いている。強誘電体膜を構成する強誘電体材料としては、例えばPbZrx Ti1−x3 、PbTiO3 等の鉛系化合物、SrBi2 Ta2 9 、Bi4 Ti3 12等のビスマス層状化合物等を用いることができる。これらの強誘電体膜は、アルコキシド原料としたMOD(Metal Organic Decomposition)法、レーザアブレーション法、MOCVD(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition)法、回転塗布法、LSMCD法等により成膜することができる。成膜後は熱処理を行って結晶化させ、安定化させている。
【0029】
次いで、上記キャパシタ上に絶縁膜として、外部から前記キャパシタへの水素の侵入を阻止する膜として、スパッタ法もしくはCVD法により酸化アルミニウム膜を成膜する。さらにその上に、スパッタ法もしくはCVD法によって、酸化シリコン等の酸化物の絶縁膜を形成する。このように、積層の絶縁膜構造とした。次いで、上記酸化物の絶縁膜の脱水および脱水素化を熱処理によって行う。この熱処理によって、膜間の密着性が高められ、さらに後の工程で熱処理を行っても、膜剥がれが発生しなくなり、特性劣化が無い安定したキャパシタになる。
【0030】
次に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第1実施の形態を、図1の製造工程図によって説明する。
【0031】
図1の(1)に示すように、熱酸化法によって、シリコン基板11上に酸化シリコン膜12を例えば300nmの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜12上に下部電極膜13を、例えば酸化チタン(TiO2 )膜131を40nmの厚さに成膜した後、イリジウム(Ir)膜132を100nmの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜13上に強誘電体膜14を形成する。ここでは、SrBi2 Ta2 9 を100nmの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜14の結晶化温度は酸素雰囲気中で700℃〜800℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜14上にイリジウム(Ir)を100nmの厚さに堆積して上部電極膜15を形成する。
【0032】
その後、図1の(2)に示すように、上部電極膜15、強誘電体膜14、下部電極膜13を順次加工して、キャパシタ16を形成する。
【0033】
次いで、図1の(3)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、上記キャパシタ16を被覆して、上記キャパシタ16への水素の侵入を防止するバリア膜17として、酸化アルミニウム膜を、例えば50nmの厚さに形成する。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは400℃の酸素雰囲気中で1時間の熱処理を行った。この熱処理は、100℃〜850℃の酸素雰囲気中で行う。また上記バリア膜17としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル(Ta2 5 )、酸化ハフニウム(HfO2 )、酸化チタン(TiO2 )、酸化ジルコニウム(ZnO2 )、窒化シリコン(SiN)、窒化チタン(TiN)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いて形成することができる。
【0034】
上記酸素雰囲気中での熱処理温度を100℃〜850℃としたのは、100℃より低いと、絶縁膜中の水分の気化が不十分となり、また850℃を越える温度で行うと、例えばCMOSトランジスタの特性に悪影響がでる恐れがある。したがって、酸素雰囲気中の熱処理は上記温度範囲とした。
【0035】
さらに、図1の(4)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、そのバリア膜17上に酸化シリコンからなる絶縁膜18を例えば250nmの厚さに形成する。したがって、バリア膜17と絶縁膜18とからなる層間絶縁膜19の膜厚は300nmとなる。
【0036】
その後、図1の(5)に示すように、上記層間絶縁膜19に上部電極膜15に達するコンタクトホール20を形成し、さらにコンタクトホール20を通じて上部電極膜15に接続される配線21を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【0037】
上記第1実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法では、絶縁膜であるバリア膜17を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、バリア膜17中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このようにしてバリア膜17中の水分、水素は離脱されるので、バリア膜17にキャパシタの上部電極膜15に通じるコンタクトホール20を形成しても、コンタクトホール20を通じてバリア膜17中の水素や水分が強誘電体膜14に侵入することが回避され、強誘電体膜14が還元されることが抑制される。
【0038】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。またバリア膜17が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を十分に防ぐことができる。
【0039】
したがって、キャパシタ16の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【0040】
上記第1実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法により製造された強誘電体メモリ装置では、バリア膜17を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったものであるから、コンタクトホールを形成する前には少なくともバリア膜17中の水分や水素が膜中より離脱されている。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化され、また水素は酸素と結合して気化され、膜中より除去されている。このようにバリア膜17中の水分、水素は離脱されているので、キャパシタの上部電極膜15に通じるコンタクトホール20が形成されても、コンタクトホール20を通じて水素や水分が強誘電体膜14に侵入することが回避され、強誘電体膜14が還元されることが抑制される。
【0041】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になっている。またバリア膜17が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となっている。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0042】
したがって、キャパシタ16は、電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化がないものとなる。また水素や水分による膜剥がれが防止されるので、膜の密着性の劣化がないものとなっている。よって、安定した強誘電体メモリ装置になる。
【0043】
次に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第2実施の形態を、図2の製造工程図によって説明する。
【0044】
図2の(1)に示すように、前記第1実施の形態の前記図1の(1)〜(2)によって説明したように、シリコン基板11上に熱酸化法によって酸化シリコン膜12を例えば300nmの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜12上に下部電極膜13を、例えば酸化チタン(TiO2 )膜131を40nmの厚さに成膜した後、イリジウム(Ir)膜132を100nmの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、下部電極膜13上に強誘電体膜14を形成する。ここでは、SrBi2 Ta2 9 を100nmの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜14の結晶化温度は酸素雰囲気中で700℃〜800℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜14上にイリジウム(Ir)を100nmの厚さに堆積して上部電極膜15を形成する。その後、上部電極膜15、強誘電体膜14、下部電極膜13を順次加工して、キャパシタ16を形成する。
【0045】
次いで、図2の(2)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、上記キャパシタ16を被覆するバリア膜17を、例えば酸化アルミニウムを50nmの厚さに堆積して形成する。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは400℃の酸素雰囲気中で1時間の熱処理を行った。この熱処理は、100℃〜850℃の酸素雰囲気中で行う。また上記バリア膜17としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル(Ta2 5 )、酸化ハフニウム(HfO2 )、酸化チタン(TiO2 )、酸化ジルコニウム(ZnO2 )、窒化シリコン(SiN)、窒化チタン(TiN)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いて形成することができる。
【0046】
さらに、図2の(3)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、その酸化アルミニウム膜17上に酸化シリコン膜18を例えば250nmの厚さに形成する。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは400℃の酸素雰囲気中で1時間の熱処理を行った。この熱処理は、100℃〜850℃の酸素雰囲気中で行う。したがって、層間絶縁膜19の膜厚は300nmとなる。
【0047】
その後、図2の(4)に示すように、上記層間絶縁膜19に上部電極膜15に達するコンタクトホール20を形成し、さらにコンタクトホール20を通じて上部電極膜15に接続される配線21を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【0048】
上記第2実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法では、バリア膜17および絶縁膜18を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、バリア膜17および絶縁膜18中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このようにしてバリア膜17および絶縁膜18中の水分、水素は離脱されているので、バリア膜17および絶縁膜18にキャパシタ16の上部電極膜15に通じるコンタクトホール20を形成しても、コンタクトホール20を通じてバリア膜17および絶縁膜18中の水素や水分が強誘電体膜14に侵入することが回避され、強誘電体膜14が還元されることがなくなる。
【0049】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。またバリア膜17および絶縁膜18が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0050】
したがって、キャパシタ16の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【0051】
次に、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第3実施の形態を、図3の製造工程図によって説明する。
【0052】
図3の(1)に示すように、前記第1実施の形態の前記図1の(1)〜(2)によって説明したように、シリコン基板11上に熱酸化法によって酸化シリコン膜12を例えば300nmの厚さに形成する。次いで、スパッタ法によって、上記酸化シリコン膜12上に下部電極膜13を、例えば酸化チタン(TiO2 )膜131を40nmの厚さに成膜した後、イリジウム(Ir)膜132を100nmの厚さに成膜して形成する。次いで、回転塗布法によって、上記下部電極膜13上に強誘電体膜14を形成する。ここでは、SrBi2 Ta2 9 を100nmの厚さに成膜した。このとき、強誘電体膜14の結晶化温度は酸素雰囲気中で700℃〜800℃とした。次いで、スパッタ法によって、強誘電体膜14上にイリジウム(Ir)を100nmの厚さに堆積して上部電極膜15を形成する。その後、上部電極膜15、強誘電体膜14、下部電極膜13を順次加工して、キャパシタ16を形成する。
【0053】
次いで、図3の(2)に示すように、スパッタ法もしくはCVD法によって、上記キャパシタ16を被覆するバリア膜17を、例えば酸化アルミニウムを50nmの厚さに堆積して形成する。続けて、そのバリア膜17上に、例えば酸化シリコン等の酸化膜からなる絶縁膜18を例えば250nmの厚さに形成する。したがって、バリア膜17と絶縁膜18とを合わせた層間絶縁膜19の膜厚は300nmとなる。その後、酸素雰囲気中で熱処理を行う。ここでは400℃の酸素雰囲気中で1時間の熱処理を行った。この熱処理は、100℃〜850℃の酸素雰囲気中で行う。上記バリア膜17としては、酸化アルミニウムの他に、酸化タンタル(Ta2 5 )、酸化ハフニウム(HfO2 )、酸化チタン(TiO2 )、酸化ジルコニウム(ZnO2 )、窒化シリコン(SiN)、窒化チタン(TiN)、窒化アルミニウム(AlN)等を用いて形成することができる。
【0054】
次に、図3の(3)に示すように、上記層間絶縁膜19に上部電極膜15に達するコンタクトホール20を形成し、さらにコンタクトホール20を通じて上部電極膜15に接続される配線21を、例えばアルミニウム系材料で形成する。
【0055】
上記図3によって説明した製造方法により製造されたキャパシタの電気的特性を評価した。この評価は、窒素シンターを行った後のものである。図4にアルミニウム配線を形成した直後のI−V特性を示す。この結果、従来技術の製造方法で形成したキャパシタよりも上記図3によって説明した本発明の製造方法のほうが、リーク電流の発生がなく、耐圧が向上されていることがわかった。この傾向は、図1および図2によって説明した製造方法により形成したキャパシタでも同様の結果となった。
【0056】
上記強誘電体メモリ装置の製造方法では、絶縁膜18を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことから、バリア膜17および絶縁膜18中の水分や水素が膜中より離脱される。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化し、また水素は酸素と結合して気化し、膜中より除去される。このようにしてバリア膜17および絶縁膜18中の水分、水素は離脱されているので、バリア膜17および絶縁膜18にキャパシタ16の上部電極膜15に通じるコンタクトホール20を形成しても、コンタクトホール20を通じてバリア膜17および絶縁膜18中の水素や水分が強誘電体膜14に侵入することが回避され、強誘電体膜14が還元されることがなくなる。
【0057】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になる。またバリア膜17および絶縁膜18が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0058】
したがって、キャパシタ16の電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化を防ぐことができる。また水素や水分による膜剥がれが防止され、膜の密着性が劣化することも防止される。よって、安定した強誘電体メモリ装置が製造されることになる。
【0059】
上記第2、第3実施の形態の強誘電体メモリ装置の製造方法により製造された強誘電体メモリ装置では、バリア膜17および絶縁膜18を形成した後、もしくは絶縁膜18を形成した後で、コンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行ったものであるから、コンタクトホールを形成する前には、バリア膜17および絶縁膜18中の水分や水素が膜中より離脱されている。つまり、熱処理温度が100℃以上であるため、離脱した水分は気化され、また水素は酸素と結合して気化され、膜中より除去されている。このようにバリア膜17中、絶縁膜18中の水分、水素は離脱されているので、層間絶縁膜19にキャパシタ16の上部電極膜15に通じるコンタクトホール20が形成されても、コンタクトホール20を通じて層間絶縁膜19中の水素や水分が強誘電体膜14に侵入することが回避され、強誘電体膜14が還元されることがなくなる。
【0060】
さらに、酸素雰囲気中での熱処理であるため、水分や水素が離脱したダングリングボンドに酸素が結合し、酸化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸化膜になっている。またバリア膜17および絶縁膜18が窒化膜からなる場合であっても、ダングリングボンドに酸素が結合することにより、窒化膜がより緻密に構成されるのでより強固な酸窒化膜となっている。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。
【0061】
したがって、キャパシタ16は、電気的特性の劣化、特に耐圧の劣化がないものとなる。また水素や水分による膜剥がれが防止されるので、膜の密着性の劣化がないものとなっている。よって、安定した強誘電体メモリ装置になる。
【0062】
また、第2実施の形態で説明したように、バリア膜17を形成した後、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行い、絶縁膜18を形成した後、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うことにより、第2実施の形態の製造方法では、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中での熱処理を1回のみ行う製造方法よりも、層間絶縁膜19からの水分や水素の除去効果はさらに大きくなる。
【0063】
上記各実施の形態においては、図示はしていないが、シリコン基板11には選択素子としてのMISトランジスタが形成され、そのMISトランジスタを被覆するように前記絶縁膜12が形成されている。さらに、キャパシタ16とMISトランジスタとを接続するコンタクトが形成されている。
【0064】
上記各製造方法では、強誘電体膜14にSrBi2 Ta2 9 を用いた構成例を説明したが、SrBi2 Ta2 9 以外のキャパシタに用いることができる強誘電体膜材料であってもよい。例えば、PZT〔Pb(Zr,Ti)O3 〕、SrBi2 TaO9 、BaTiO3 、PbTiO3 、LiNbO3 、LiTaO3 、SbSI、(Pb,La)(Zr,Ti)O3 、(Bi,La4 )Ti3 12、PbをLa、Sr、Caで置換したPZT、PLSCZT(Pb0.96La0.1Sr0.2Ca0.1Zr0.3Ti0.73 )、Bi層状強誘電体のBi4 Ti3 12のBiをNdで置換したBi3.54Nd0.46Ti3 12などの強誘電体膜を用いることもできる。
【0065】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法によれば、絶縁膜を形成した後でコンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行うので、絶縁膜中の水分や水素を膜中より離脱させることができる。このため、絶縁膜にキャパシタの上部電極膜に通じるコンタクトホールを形成しても、コンタクトホールを通じて絶縁膜中の水素や水分が強誘電体膜に侵入することが回避でき、強誘電体膜の還元を防止できる。さらに、熱処理を酸素雰囲気中で行うので、ダングリングボンドに酸素が結合し、絶縁膜がより緻密になり、強固な絶縁膜となる。これにより、外部からの水素の侵入を防ぐことができる。したがって、電気的特性、特に耐圧に優れたキャパシタを形成することができ、また水素や水分による膜剥がれが防止できるので、安定した強誘電体メモリ装置を製造することができる。
【0066】
本発明の強誘電体メモリ装置は、本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法により製造されるので、上記説明した作用効果が得られ、信頼性の高い強誘電体メモリ装置になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第1実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図2】本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第2実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図3】本発明の強誘電体メモリ装置の製造方法に係る第3実施の形態を示す製造工程断面図である。
【図4】第3実施の形態における窒素シンター直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図5】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図6】図5に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図7】図5に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図8】従来の強誘電体メモリ装置の製造方法を示す製造工程断面図である。
【図9】図8に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における配線を形成した直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【図10】図8に示した従来の強誘電体メモリ装置の製造方法における窒素シンターを行った直後の強誘電体膜の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
14…強誘電体膜、16…キャパシタ、17…バリア膜(絶縁膜)、18…絶縁膜、20…コンタクトホール、21…配線
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric memory device and a ferroelectric memory device, and more particularly to a method for manufacturing a ferroelectric memory device for removing moisture and hydrogen contained in an insulating film covering a capacitor and a method for manufacturing the same. And a ferroelectric memory device manufactured by the same.
[0002]
[Prior art]
After an aluminum oxide film is formed on the capacitor formed on the insulating film by sputtering or CVD, for example, a contact hole reaching the upper electrode of the capacitor is opened, and the capacitor is electrically connected to the upper electrode through the contact hole. Wiring is formed. Water or hydrogen is generated from the insulating film by the heat generated when the aluminum wiring is formed, and the generated water or hydrogen enters through the contact hole to reduce the ferroelectric film. As a result, the electrical characteristics of the capacitor deteriorated.
[0003]
Next, a conventional manufacturing method will be described with reference to a manufacturing process diagram of FIG.
As shown in FIG. 5A, a silicon oxide film 12 is formed on a silicon substrate 11 to a thickness of, for example, 300 nm by a thermal oxidation method. Next, the lower electrode film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by sputtering, for example, titanium oxide (TiO 2). 2 After forming the film 131 to a thickness of 40 nm, an iridium (Ir) film 132 is formed to a thickness of 100 nm. Next, a ferroelectric film 14 is formed on the lower electrode film 13 by a spin coating method. Here, SrBi 2 Ta 2 O 9 Was formed into a film having a thickness of 100 nm. At this time, the crystallization temperature of the ferroelectric film 14 was set to 700 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. Further, by sputtering, iridium (Ir) is deposited to a thickness of 100 nm on the ferroelectric film 14 to form the upper electrode film 15.
[0004]
Thereafter, as shown in FIG. 5B, the upper electrode film 15, the ferroelectric film 14, and the lower electrode film 13 are sequentially processed to form the capacitor 16.
[0005]
Next, as shown in FIG. 5C, a barrier film 17 covering the capacitor 16 is formed by depositing an aluminum oxide film to a thickness of, for example, 50 nm by sputtering or CVD. Further, an insulating film 18 is formed on the barrier film 17 by sputtering or CVD, for example, by depositing silicon oxide to a thickness of 250 nm. Therefore, the thickness of the interlayer insulating film 19 composed of the barrier film 17 and the insulating film 18 is 300 nm.
[0006]
Thereafter, as shown in FIG. 5D, a contact hole 20 reaching the upper electrode film 15 of the capacitor 16 is formed in the interlayer insulating film 19, and a wiring 21 connected to the upper electrode film 15 through the contact hole 20 is formed. Is formed of, for example, an aluminum-based material.
[0007]
Next, the electrical characteristics of the capacitor 16 manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 5 were evaluated. Furthermore, the electrical characteristics after nitrogen sintering were also evaluated. FIG. 6 shows a current (leakage current) -voltage (applied voltage) characteristic (hereinafter, referred to as an IV characteristic) immediately after the wiring 21 is formed. FIG. 7 shows IV characteristics immediately after nitrogen sintering. The nitrogen sintering was performed in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes. As a result, a decrease in the breakdown voltage was observed immediately after the nitrogen sintering as compared to immediately after the formation of the wiring 21. It is considered that this withstand voltage deterioration is caused by hydrogen and moisture in the barrier film 17 and the insulating film 18 due to the nitrogen sinter.
[0008]
Alternatively, after a barrier film made of, for example, an aluminum oxide film is formed on a capacitor having a ferroelectric film by a sputtering method or a CVD method, an insulating film made of an oxide film such as silicon oxide is formed by a sputtering method or a CVD method. Form a film. Thereafter, a contact hole is opened from the insulating film to the upper electrode film of the capacitor. Thereafter, heat treatment is performed at a temperature of 400 ° C. in an inert gas atmosphere or a nitrogen atmosphere as an inert gas to release moisture and hydrogen in the insulating film made of an oxide film to the outside of the film. Thereafter, a wiring for conducting with the upper electrode film is formed by, for example, an aluminum wiring.
[0009]
This conventional manufacturing method will be described below with reference to a manufacturing process sectional view of FIG.
[0010]
As shown in FIG. 8A, a silicon oxide film 12 having a thickness of, for example, 300 nm is formed on a silicon substrate 11 by a thermal oxidation method as described with reference to FIG. Next, the lower electrode film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by sputtering, for example, titanium oxide (TiO 2). 2 After forming the film 131 to a thickness of 40 nm, an iridium (Ir) film 132 is formed to a thickness of 100 nm. Next, a ferroelectric film 14 is formed on the lower electrode film 13 by a spin coating method. Here, SrBi 2 Ta 2 O 9 Was formed into a film having a thickness of 100 nm. At this time, the crystallization temperature of the ferroelectric film 14 was set to 700 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. Further, by sputtering, iridium (Ir) is deposited to a thickness of 100 nm on the ferroelectric film 14 to form the upper electrode film 15.
[0011]
Thereafter, as shown in FIG. 5 (2), the upper electrode film 15, the ferroelectric film 14, and the lower electrode film 13 are sequentially processed to form the capacitor 16.
[0012]
Next, as shown in FIG. 5C, a barrier film 17 covering the capacitor 16 is formed by sputtering or CVD to deposit an aluminum oxide film to a thickness of, for example, 50 nm. Further, an insulating film 18 is formed on the barrier film 17 by sputtering or CVD, for example, by depositing silicon oxide to a thickness of 250 nm. Therefore, the thickness of the interlayer insulating film 19 composed of the barrier film 17 and the insulating film 18 is 300 nm.
[0013]
Thereafter, a contact hole 20 reaching the upper electrode film 15 is formed in the interlayer insulating film 19 in the same manner as described with reference to FIG. Thereafter, heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for one hour.
[0014]
Next, as shown in FIG. 8B, the wiring 21 connected to the upper electrode film 15 through the contact hole 20 is made of, for example, an aluminum-based material in the same manner as described with reference to FIG. Form.
[0015]
The electrical characteristics of the capacitor manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 8 were evaluated. Furthermore, the electrical characteristics after nitrogen sintering were also evaluated. FIG. 9 shows IV characteristics immediately after the aluminum wiring is formed. FIG. 10 shows IV characteristics immediately after the nitrogen sintering. This nitrogen sinter was performed in a nitrogen atmosphere at 400 ° C. for 30 minutes. As a result, in the manufacturing method shown in FIG. 8, the voltage at which the leak current occurs is higher and the breakdown voltage is better because the leak current is smaller than in the manufacturing method shown in FIG. 5. It was recognized that.
[0016]
Further, after the step of forming the aluminum wiring is completed, a nitrogen sintering process is performed to improve the contact characteristics. Further, forming annealing for restoring the characteristics of the transistor formed on the same substrate, which has deteriorated in the process of forming the capacitor, is performed. This sintering is performed in a nitrogen atmosphere, for example, at a temperature of about 400 ° C. The forming annealing is performed at a temperature of about 400 ° C. in an atmosphere of, for example, 5% of hydrogen and 95% of nitrogen. Note that the forming annealing need not always be performed.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, due to the heat generated when forming the aluminum wiring, water or hydrogen is generated from the insulating film, and the generated water or hydrogen enters through the contact hole, and the ferroelectric film is reduced. There was a problem of deterioration. Further, there is a problem that the electrical characteristics are deteriorated after the forming annealing.
[0018]
As a factor of the deterioration of the electric characteristics, when nitrogen sintering is performed after the aluminum wiring is formed, water and hydrogen are generated from the oxide insulating film. Alternatively, water generated from the oxide insulating film reacts with aluminum to generate a larger amount of hydrogen. The water and hydrogen thus generated diffuse from the opening of the contact hole into the upper electrode and the ferroelectric film, and the water and hydrogen cause peeling of the film, thereby deteriorating the electrical characteristics.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a method of manufacturing a ferroelectric memory device and a ferroelectric memory device which have been made to solve the above problems.
[0020]
A method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention is a method for manufacturing a ferroelectric memory device including a capacitor having a ferroelectric film, wherein a step of forming the capacitor and an insulating film covering the capacitor are provided. Forming a contact hole below the insulating film, and forming a wiring connected to the capacitor through the contact hole, the method of manufacturing a ferroelectric memory device, comprising: After the formation and before the formation of the contact hole, a heat treatment is performed in an oxygen atmosphere of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less.
[0021]
In the method of manufacturing a ferroelectric memory device, the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. or more and 850 ° C. or less after forming the insulating film and before forming the contact hole. Is released from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the separated moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen and vaporized, and is removed from the film. Since the moisture and hydrogen in the insulating film have been removed in this way, even if a contact hole is formed in the insulating film that leads to the upper electrode film of the capacitor, the hydrogen and moisture in the insulating film are transferred to the ferroelectric film through the contact hole. And the ferroelectric film is not reduced.
[0022]
Further, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds at a portion from which moisture or hydrogen has been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is obtained. Even when the insulating film is made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is more densely formed, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0023]
Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the electric characteristics of the capacitor, especially the deterioration of the withstand voltage. Further, peeling of the film due to hydrogen or moisture is prevented, and deterioration of the film adhesion is also prevented. Therefore, a stable ferroelectric memory device is manufactured.
[0024]
A ferroelectric memory device according to the present invention includes a capacitor having a ferroelectric film, an insulating film covering the capacitor, a contact hole extending from the insulating film to the capacitor, and a wiring connected to the capacitor through the contact hole. Wherein the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less after forming the insulating film and before forming the contact hole. Things.
[0025]
In the ferroelectric memory device, the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less before forming the contact hole after forming the insulating film. Is that moisture and hydrogen in the insulating film are released from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the released moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen to be vaporized and removed from the film. As described above, since moisture and hydrogen in the insulating film have been released, even if a contact hole is formed in the insulating film, which leads to the upper electrode film of the capacitor, the hydrogen and moisture in the insulating film are transferred to the ferroelectric substance through the contact hole. Infiltration into the film is avoided, and the ferroelectric film is not reduced.
[0026]
Further, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, moisture and hydrogen are released, oxygen is bonded to dangling bonds in the portion, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is formed. Further, even when the insulating film is formed of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is formed more densely, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0027]
Therefore, the capacitor has no deterioration in electrical characteristics, particularly, no deterioration in breakdown voltage. Further, since peeling of the film due to hydrogen and moisture is prevented, there is no deterioration in the adhesion of the film. Therefore, a stable ferroelectric memory device is obtained.
[0028]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The ferroelectric memory device of the present invention has a capacitor provided with an upper electrode and a lower electrode so as to sandwich a ferroelectric film, and upper and lower electrodes such as iridium (Ir) and platinum (Pt). An electrode made of a noble metal is used. As a ferroelectric material constituting the ferroelectric film, for example, PbZr x Ti 1-x O 3 , PbTiO 3 Lead compounds such as SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 And the like can be used. These ferroelectric films can be formed by an MOD (Metal Organic Decomposition) method using an alkoxide raw material, a laser ablation method, an MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, a spin coating method, an LSMCD method, or the like. After film formation, heat treatment is performed to crystallize and stabilize.
[0029]
Next, an aluminum oxide film is formed on the capacitor by a sputtering method or a CVD method as a film for preventing entry of hydrogen from the outside into the capacitor as an insulating film. Further thereon, an insulating film of an oxide such as silicon oxide is formed by a sputtering method or a CVD method. Thus, a laminated insulating film structure was obtained. Next, dehydration and dehydrogenation of the oxide insulating film are performed by heat treatment. By this heat treatment, the adhesion between the films is enhanced, and even if heat treatment is performed in a later step, film peeling does not occur, and a stable capacitor without deterioration in characteristics can be obtained.
[0030]
Next, a first embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process diagram of FIG.
[0031]
As shown in FIG. 1A, a silicon oxide film 12 is formed on a silicon substrate 11 to a thickness of, for example, 300 nm by a thermal oxidation method. Next, the lower electrode film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by sputtering, for example, titanium oxide (TiO 2). 2 After forming the film 131 to a thickness of 40 nm, an iridium (Ir) film 132 is formed to a thickness of 100 nm. Next, a ferroelectric film 14 is formed on the lower electrode film 13 by a spin coating method. Here, SrBi 2 Ta 2 O 9 Was formed into a film having a thickness of 100 nm. At this time, the crystallization temperature of the ferroelectric film 14 was set to 700 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. Next, iridium (Ir) is deposited to a thickness of 100 nm on the ferroelectric film 14 by a sputtering method to form the upper electrode film 15.
[0032]
Thereafter, as shown in FIG. 1B, the upper electrode film 15, the ferroelectric film 14, and the lower electrode film 13 are sequentially processed to form the capacitor 16.
[0033]
Then, as shown in FIG. 1C, an aluminum oxide film is coated as the barrier film 17 for covering the capacitor 16 by a sputtering method or a CVD method and preventing hydrogen from entering the capacitor 16, for example, It is formed to a thickness of 50 nm. After that, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. Here, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for one hour. This heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. to 850 ° C. The barrier film 17 is made of tantalum oxide (Ta) in addition to aluminum oxide. 2 O 5 ), Hafnium oxide (HfO 2 ), Titanium oxide (TiO) 2 ), Zirconium oxide (ZnO) 2 ), Silicon nitride (SiN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN), or the like.
[0034]
The reason why the heat treatment temperature in the oxygen atmosphere is set to 100 ° C. to 850 ° C. is that if the heat treatment temperature is lower than 100 ° C., vaporization of moisture in the insulating film becomes insufficient. Characteristics may be adversely affected. Therefore, the heat treatment in an oxygen atmosphere was performed within the above temperature range.
[0035]
Further, as shown in FIG. 1D, an insulating film 18 made of silicon oxide is formed on the barrier film 17 to a thickness of, for example, 250 nm by sputtering or CVD. Therefore, the thickness of the interlayer insulating film 19 composed of the barrier film 17 and the insulating film 18 is 300 nm.
[0036]
Thereafter, as shown in FIG. 1 (5), a contact hole 20 reaching the upper electrode film 15 is formed in the interlayer insulating film 19, and a wiring 21 connected to the upper electrode film 15 through the contact hole 20 is formed, for example. It is formed of an aluminum-based material.
[0037]
In the method of manufacturing the ferroelectric memory device according to the first embodiment, the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less before forming the contact hole after forming the barrier film 17 as the insulating film. As a result, moisture and hydrogen in the barrier film 17 are released from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the separated moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen and vaporized, and is removed from the film. In this manner, moisture and hydrogen in the barrier film 17 are released, so that even if a contact hole 20 leading to the upper electrode film 15 of the capacitor is formed in the barrier film 17, hydrogen and hydrogen in the barrier film 17 are formed through the contact hole 20. The entry of moisture into the ferroelectric film 14 is avoided, and the reduction of the ferroelectric film 14 is suppressed.
[0038]
Furthermore, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds from which moisture and hydrogen have been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is obtained. Even when the barrier film 17 is made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is more densely formed, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be sufficiently prevented.
[0039]
Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the electrical characteristics of the capacitor 16, particularly the deterioration of the breakdown voltage. Further, peeling of the film due to hydrogen or moisture is prevented, and deterioration of the film adhesion is also prevented. Therefore, a stable ferroelectric memory device is manufactured.
[0040]
In the ferroelectric memory device manufactured by the method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the first embodiment, after forming the barrier film 17 and before forming the contact hole, the oxygen of 100 to 850 ° C. Since the heat treatment is performed in the atmosphere, at least moisture and hydrogen in the barrier film 17 are eliminated from the film before forming the contact hole. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the released moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen to be vaporized and removed from the film. Since moisture and hydrogen in the barrier film 17 are thus separated, even if a contact hole 20 leading to the upper electrode film 15 of the capacitor is formed, hydrogen and moisture enter the ferroelectric film 14 through the contact hole 20. And the reduction of the ferroelectric film 14 is suppressed.
[0041]
Furthermore, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds from which moisture and hydrogen have been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is formed. Even when the barrier film 17 is made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is formed more densely, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0042]
Therefore, the capacitor 16 is free from deterioration in electrical characteristics, particularly, deterioration in breakdown voltage. Further, since peeling of the film due to hydrogen and moisture is prevented, there is no deterioration in the adhesion of the film. Therefore, a stable ferroelectric memory device is obtained.
[0043]
Next, a second embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process diagram of FIG.
[0044]
As shown in FIG. 2A, as described with reference to FIGS. 1A and 1B of the first embodiment, a silicon oxide film 12 is formed on a silicon substrate 11 by a thermal oxidation method, for example. It is formed to a thickness of 300 nm. Next, the lower electrode film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by sputtering, for example, titanium oxide (TiO 2). 2 After forming the film 131 to a thickness of 40 nm, an iridium (Ir) film 132 is formed to a thickness of 100 nm. Next, a ferroelectric film 14 is formed on the lower electrode film 13 by a spin coating method. Here, SrBi 2 Ta 2 O 9 Was formed into a film having a thickness of 100 nm. At this time, the crystallization temperature of the ferroelectric film 14 was set to 700 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. Next, iridium (Ir) is deposited to a thickness of 100 nm on the ferroelectric film 14 by a sputtering method to form the upper electrode film 15. After that, the upper electrode film 15, the ferroelectric film 14, and the lower electrode film 13 are sequentially processed to form the capacitor 16.
[0045]
Next, as shown in FIG. 2B, a barrier film 17 for covering the capacitor 16 is formed by, for example, depositing aluminum oxide to a thickness of 50 nm by sputtering or CVD. After that, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. Here, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for one hour. This heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. to 850 ° C. The barrier film 17 is made of tantalum oxide (Ta) in addition to aluminum oxide. 2 O 5 ), Hafnium oxide (HfO 2 ), Titanium oxide (TiO) 2 ), Zirconium oxide (ZnO) 2 ), Silicon nitride (SiN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN), or the like.
[0046]
Further, as shown in FIG. 2C, a silicon oxide film 18 is formed on the aluminum oxide film 17 to a thickness of, for example, 250 nm by sputtering or CVD. After that, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. Here, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for one hour. This heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. to 850 ° C. Therefore, the thickness of the interlayer insulating film 19 is 300 nm.
[0047]
Thereafter, as shown in FIG. 2D, a contact hole 20 reaching the upper electrode film 15 is formed in the interlayer insulating film 19, and a wiring 21 connected to the upper electrode film 15 through the contact hole 20 is formed, for example. It is formed of an aluminum-based material.
[0048]
In the method of manufacturing the ferroelectric memory device according to the second embodiment, after forming the barrier film 17 and the insulating film 18 and before forming the contact hole, the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. or more and 850 ° C. or less. As a result, moisture and hydrogen in the barrier film 17 and the insulating film 18 are released from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the separated moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen and vaporized, and is removed from the film. Since the moisture and hydrogen in the barrier film 17 and the insulating film 18 have been removed in this manner, even if the contact hole 20 communicating with the upper electrode film 15 of the capacitor 16 is formed in the barrier film 17 and the insulating film 18, The entry of hydrogen and moisture in the barrier film 17 and the insulating film 18 into the ferroelectric film 14 through the holes 20 is avoided, and the ferroelectric film 14 is not reduced.
[0049]
Furthermore, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds from which moisture and hydrogen have been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is obtained. Further, even when the barrier film 17 and the insulating film 18 are made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is more densely formed, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0050]
Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the electrical characteristics of the capacitor 16, particularly the deterioration of the breakdown voltage. Further, peeling of the film due to hydrogen or moisture is prevented, and deterioration of the film adhesion is also prevented. Therefore, a stable ferroelectric memory device is manufactured.
[0051]
Next, a third embodiment of the method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention will be described with reference to the manufacturing process diagram of FIG.
[0052]
As shown in FIG. 3A, the silicon oxide film 12 is formed on the silicon substrate 11 by the thermal oxidation method, for example, as described with reference to FIGS. 1A and 1B of the first embodiment. It is formed to a thickness of 300 nm. Next, the lower electrode film 13 is formed on the silicon oxide film 12 by sputtering, for example, titanium oxide (TiO 2). 2 After forming the film 131 to a thickness of 40 nm, an iridium (Ir) film 132 is formed to a thickness of 100 nm. Next, a ferroelectric film 14 is formed on the lower electrode film 13 by a spin coating method. Here, SrBi 2 Ta 2 O 9 Was formed into a film having a thickness of 100 nm. At this time, the crystallization temperature of the ferroelectric film 14 was set to 700 ° C. to 800 ° C. in an oxygen atmosphere. Next, iridium (Ir) is deposited to a thickness of 100 nm on the ferroelectric film 14 by a sputtering method to form the upper electrode film 15. After that, the upper electrode film 15, the ferroelectric film 14, and the lower electrode film 13 are sequentially processed to form the capacitor 16.
[0053]
Next, as shown in FIG. 3 (2), a barrier film 17 covering the capacitor 16 is formed by, for example, depositing aluminum oxide to a thickness of 50 nm by sputtering or CVD. Subsequently, an insulating film 18 made of an oxide film such as silicon oxide is formed on the barrier film 17 to a thickness of, for example, 250 nm. Therefore, the thickness of the interlayer insulating film 19 including the barrier film 17 and the insulating film 18 is 300 nm. After that, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere. Here, heat treatment was performed in an oxygen atmosphere at 400 ° C. for one hour. This heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. to 850 ° C. As the barrier film 17, in addition to aluminum oxide, tantalum oxide (Ta) 2 O 5 ), Hafnium oxide (HfO 2 ), Titanium oxide (TiO) 2 ), Zirconium oxide (ZnO) 2 ), Silicon nitride (SiN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride (AlN), or the like.
[0054]
Next, as shown in FIG. 3C, a contact hole 20 reaching the upper electrode film 15 is formed in the interlayer insulating film 19, and a wiring 21 connected to the upper electrode film 15 through the contact hole 20 is formed. For example, it is formed of an aluminum-based material.
[0055]
The electrical characteristics of the capacitor manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 3 were evaluated. This evaluation was performed after performing nitrogen sintering. FIG. 4 shows IV characteristics immediately after the aluminum wiring is formed. As a result, it was found that the manufacturing method of the present invention described with reference to FIG. 3 described above did not generate a leak current and improved the withstand voltage as compared with the capacitor formed by the conventional manufacturing method. The same result was obtained for the capacitor formed by the manufacturing method described with reference to FIGS. 1 and 2.
[0056]
In the method of manufacturing a ferroelectric memory device, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. or more and 850 ° C. or less before forming the contact hole after forming the insulating film 18, the barrier film 17 and the insulating film The moisture and hydrogen in 18 are released from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the separated moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen and vaporized, and is removed from the film. Since the moisture and hydrogen in the barrier film 17 and the insulating film 18 have been removed in this manner, even if the contact hole 20 communicating with the upper electrode film 15 of the capacitor 16 is formed in the barrier film 17 and the insulating film 18, The entry of hydrogen and moisture in the barrier film 17 and the insulating film 18 into the ferroelectric film 14 through the holes 20 is avoided, and the ferroelectric film 14 is not reduced.
[0057]
Furthermore, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds from which moisture and hydrogen have been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is obtained. Further, even when the barrier film 17 and the insulating film 18 are made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is more densely formed, so that a stronger oxynitride film is obtained. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0058]
Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the electrical characteristics of the capacitor 16, particularly the deterioration of the breakdown voltage. Further, peeling of the film due to hydrogen or moisture is prevented, and deterioration of the film adhesion is also prevented. Therefore, a stable ferroelectric memory device is manufactured.
[0059]
In the ferroelectric memory device manufactured by the method of manufacturing the ferroelectric memory device according to the second or third embodiment, after forming the barrier film 17 and the insulating film 18 or after forming the insulating film 18. Since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less before forming the contact hole, the moisture or hydrogen in the barrier film 17 and the insulating film 18 is formed before the contact hole is formed. Is detached from the film. That is, since the heat treatment temperature is 100 ° C. or higher, the released moisture is vaporized, and the hydrogen is combined with oxygen to be vaporized and removed from the film. Since the moisture and hydrogen in the insulating film 18 have been separated from the barrier film 17 as described above, even if a contact hole 20 leading to the upper electrode film 15 of the capacitor 16 is formed in the interlayer insulating film 19, Hydrogen and moisture in the interlayer insulating film 19 are prevented from entering the ferroelectric film 14, and the ferroelectric film 14 is not reduced.
[0060]
Furthermore, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds from which moisture and hydrogen have been released, and the oxide film is more densely formed, so that a stronger oxide film is formed. Even when the barrier film 17 and the insulating film 18 are made of a nitride film, the oxygen is bonded to the dangling bond, so that the nitride film is formed more densely, so that a stronger oxynitride film is obtained. . Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented.
[0061]
Therefore, the capacitor 16 is free from deterioration in electrical characteristics, particularly, deterioration in breakdown voltage. Further, since peeling of the film due to hydrogen and moisture is prevented, there is no deterioration in the adhesion of the film. Therefore, a stable ferroelectric memory device is obtained.
[0062]
Further, as described in the second embodiment, after forming the barrier film 17, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. to 850 ° C., and after forming the insulating film 18, 100 ° C. to 850 ° C. In the manufacturing method of the second embodiment, the heat treatment is performed in the oxygen atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less. The effect of removing moisture and hydrogen is further enhanced.
[0063]
In each of the above embodiments, although not shown, an MIS transistor as a selection element is formed on the silicon substrate 11, and the insulating film 12 is formed so as to cover the MIS transistor. Further, a contact connecting the capacitor 16 and the MIS transistor is formed.
[0064]
In each of the above manufacturing methods, SrBi is added to the ferroelectric film 14. 2 Ta 2 O 9 Although the configuration example using SrBi has been described, 2 Ta 2 O 9 Other ferroelectric film materials that can be used for capacitors may be used. For example, PZT [Pb (Zr, Ti) O 3 ], SrBi 2 TaO 9 , BaTiO 3 , PbTiO 3 , LiNbO 3 , LiTaO 3 , SbSI, (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 , (Bi, La 4 ) Ti 3 O 12 , PZT in which Pb is replaced by La, Sr, and Ca, PLSCZT (Pb 0.96 La 0.1 Sr 0.2 Ca 0.1 Zr 0.3 Ti 0.7 O 3 ), Bi layered ferroelectric Bi 4 Ti 3 O 12 Bi in which Bi is replaced with Nd 3.54 Nd 0.46 Ti 3 O 12 Alternatively, a ferroelectric film such as a ferroelectric film can be used.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the method of manufacturing a ferroelectric memory device of the present invention, after forming an insulating film and before forming a contact hole, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at 100 ° C. or more and 850 ° C. or less. Therefore, moisture and hydrogen in the insulating film can be released from the film. For this reason, even if a contact hole leading to the upper electrode film of the capacitor is formed in the insulating film, it is possible to prevent hydrogen and moisture in the insulating film from invading the ferroelectric film through the contact hole and reduce the ferroelectric film. Can be prevented. Further, since the heat treatment is performed in an oxygen atmosphere, oxygen is bonded to dangling bonds, so that the insulating film becomes denser and becomes a strong insulating film. Thereby, invasion of hydrogen from the outside can be prevented. Therefore, it is possible to form a capacitor having excellent electrical characteristics, particularly withstand voltage, and prevent film peeling due to hydrogen or moisture, so that a stable ferroelectric memory device can be manufactured.
[0066]
Since the ferroelectric memory device according to the present invention is manufactured by the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention, the above-described operation and effect can be obtained, and a highly reliable ferroelectric memory device can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a manufacturing process showing a first embodiment of a method of manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process according to a second embodiment of the method for manufacturing a ferroelectric memory device of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process according to a third embodiment of the method for manufacturing a ferroelectric memory device of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating current-voltage characteristics of a ferroelectric film immediately after nitrogen sintering in a third embodiment.
FIG. 5 is a manufacturing process sectional view showing a method for manufacturing a conventional ferroelectric memory device.
6 is a diagram showing current-voltage characteristics of a ferroelectric film immediately after forming a wiring in the method of manufacturing the conventional ferroelectric memory device shown in FIG.
7 is a diagram showing current-voltage characteristics of a ferroelectric film immediately after performing nitrogen sintering in the method of manufacturing the conventional ferroelectric memory device shown in FIG.
FIG. 8 is a manufacturing process sectional view showing a method for manufacturing a conventional ferroelectric memory device.
9 is a diagram showing current-voltage characteristics of a ferroelectric film immediately after forming a wiring in the method of manufacturing the conventional ferroelectric memory device shown in FIG.
10 is a diagram showing current-voltage characteristics of a ferroelectric film immediately after performing nitrogen sintering in the method of manufacturing the conventional ferroelectric memory device shown in FIG.
[Explanation of symbols]
14: ferroelectric film, 16: capacitor, 17: barrier film (insulating film), 18: insulating film, 20: contact hole, 21: wiring

Claims (8)

強誘電体膜を有するキャパシタを備えた強誘電体メモリ装置の製造方法であって、
前記キャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタを被覆する絶縁膜を形成する工程、
前記絶縁膜から下層にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールを通じて前記キャパシタに接続する配線を形成する工程と
を備えた強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記絶縁膜を形成した後で前記コンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行う
ことを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。
A method of manufacturing a ferroelectric memory device including a capacitor having a ferroelectric film,
Forming the capacitor;
Forming an insulating film covering the capacitor;
Forming a contact hole in the lower layer from the insulating film;
Forming a wiring connected to the capacitor through the contact hole, the method of manufacturing a ferroelectric memory device,
A method of manufacturing a ferroelectric memory device, comprising: performing a heat treatment in an oxygen atmosphere at 100 ° C. or more and 850 ° C. or less after forming the insulating film and before forming the contact hole.
前記絶縁膜のうち少なくとも一層はキャパシタ側への水素の侵入を防ぐバリア膜からなり、
前記バリア膜を形成した後に前記熱処理を行う
ことを特徴とする請求項1記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
At least one of the insulating films is formed of a barrier film that prevents hydrogen from entering the capacitor side,
2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed after forming the barrier film.
前記絶縁膜は複数層に形成され、
各絶縁膜を形成した後毎に前記熱処理を行う
ことを特徴とする請求項1記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
The insulating film is formed in a plurality of layers,
2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed after each insulating film is formed.
前記絶縁膜は複数層に形成され、
前記複数層の絶縁膜を全て形成した後に前記熱処理を行う
ことを特徴とする請求項1記載の強誘電体メモリ装置の製造方法。
The insulating film is formed in a plurality of layers,
2. The method according to claim 1, wherein the heat treatment is performed after all of the plurality of insulating films are formed.
強誘電体膜を有するキャパシタと、
前記キャパシタを被覆する絶縁膜と、
前記絶縁膜から前記キャパシタに通じるコンタクトホールと、
前記コンタクトホールを通じて前記キャパシタに接続する配線と
を備えた強誘電体メモリ装置であって、
前記絶縁膜を形成した後で前記コンタクトホールを形成する前に、100℃以上850℃以下の酸素雰囲気中で熱処理を行った
ことを特徴とする強誘電体メモリ装置。
A capacitor having a ferroelectric film;
An insulating film covering the capacitor;
A contact hole leading from the insulating film to the capacitor;
A ferroelectric memory device comprising: a wiring connected to the capacitor through the contact hole;
A ferroelectric memory device, wherein a heat treatment is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of 100 ° C. or more and 850 ° C. or less after forming the insulating film and before forming the contact hole.
前記絶縁膜のうち少なくとも一層はキャパシタ側への水素の侵入を防ぐバリア膜からなり、
前記バリア膜を形成した後に前記熱処理を行った
ことを特徴とする請求項5記載の強誘電体メモリ装置。
At least one of the insulating films is formed of a barrier film that prevents hydrogen from entering the capacitor side,
6. The ferroelectric memory device according to claim 5, wherein the heat treatment is performed after forming the barrier film.
前記絶縁膜は複数層の絶縁膜からなり、
各絶縁膜を形成した後毎に前記熱処理を行った
ことを特徴とする請求項5記載の強誘電体メモリ装置。
The insulating film includes a plurality of insulating films,
6. The ferroelectric memory device according to claim 5, wherein said heat treatment is performed after each of said insulating films is formed.
前記絶縁膜は複数層の絶縁膜からなり、
前記複数層の絶縁膜を全て形成した後に前記熱処理を行った
ことを特徴とする請求項5記載の強誘電体メモリ装置。
The insulating film includes a plurality of insulating films,
6. The ferroelectric memory device according to claim 5, wherein the heat treatment is performed after forming all of the plurality of insulating films.
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