JP2005039292A - Semiconductor device - Google Patents

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伸 福島
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光明 出羽
Kenya Sano
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直子 梁瀬
Kazuhide Abe
和秀 阿部
Takashi Kawakubo
隆 川久保
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor having a thin film capacitor where the worsening of the morphology caused by the oxidation of an electrode/dielectric interface, the deterioration of the capacitor characteristics caused by the electrode material and the deterioration of the characteristics of the electrode material per se are prevented. <P>SOLUTION: The semiconductor device is of such the semiconductor device provided with the thin capacitor 3 where a dielectric film 5 comprising a perovskite oxide and an upper electrode 6 are laminated and disposed on a lower electrode 4. At least any of the lower electrode 4 and the upper electrode 6 has a laminated layer of an electrode layer 8 comprising a conductive perovskite oxide disposed so as to contact the laminated layer of conductive perovskite oxides of at least two kinds, for example, the dielectric thin film 5 and an electrode buffer layer 7 comprising the conductive perovskite oxide which is different from the conductive perovskite oxide comprising the electrode layer 8 and is stable at a low oxygen partial pressure. A perovskite oxide with the deficiency of oxygen and constituent element substitution or the like is used for the electrode buffer layer 7. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、薄膜キャパシタを電荷蓄積層として有する半導体記憶装置などの半導体装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor device such as a semiconductor memory device having a thin film capacitor as a charge storage layer.

近年、大容量DRAMや不揮発性の強誘電体メモリ(FRAM)などに搭載される薄膜キャパシタに関して、高誘電性材料や強誘電性材料の研究、さらには素子構造の研究などが活発に行われている。例えば、SrTiO3(以下、STOと記す)やBa1−x Srx TiO3 (以下、BSTOと記す)などのペロブスカイト型酸化物を用いた薄膜キャパシタにおいては、Pt、Ruなどの貴金属やRuなどの貴金属の酸化物、ないしはこれらの積層膜を電極として利用することが検討されている。これらのうち、Ruは特に加工性が良好で、RIEなどによる微細加工が可能であることから、DRAMやFRAM用のキャパシタ電極として優れたものであると考えられてきた。 In recent years, research on high-dielectric materials and ferroelectric materials, as well as device structure, has been actively conducted on thin-film capacitors mounted on large-capacity DRAMs and nonvolatile ferroelectric memories (FRAMs). Yes. For example, in a thin film capacitor using a perovskite oxide such as SrTiO 3 (hereinafter referred to as STO) or Ba 1-x Sr x TiO 3 (hereinafter referred to as BSTO), noble metals such as Pt and Ru, Ru, etc. The use of noble metal oxides or laminated films of these as electrodes has been studied. Among these, Ru has been considered to be excellent as a capacitor electrode for DRAM or FRAM because it has particularly good workability and can be finely processed by RIE or the like.

しかし、上記したようなRuなどの貴金属やその酸化物を電極として用いた薄膜キャパシタでは、誘電体と電極との界面の不整合によって、イオン欠損などに起因する大量の界面準位発生が起こり、これが原因となってリーク電流の増大や誘電破壊耐性の低下などといった問題が生じている。   However, in a thin film capacitor using a noble metal such as Ru or an oxide thereof as an electrode as described above, a large amount of interface states are generated due to ion deficiency due to mismatch of the interface between the dielectric and the electrode, This causes problems such as an increase in leakage current and a decrease in dielectric breakdown resistance.

一方、上記したSTOやBSTOと同一の結晶構造を有する導電性ペロブスカイト型酸化物を電極材料として用いることも検討されている。導電性ペロブスカイト型酸化物を電極として使用すると、誘電体と電極との界面で高い界面整合性が得られ、欠陥や界面準位の発生を抑制することができる。これらによって、高い誘電率、低いリーク電流といった良好な電気特性や高い誘電破壊耐性による高信頼性、長寿命を示す薄膜キャパシタが得られると期待されている。   On the other hand, the use of a conductive perovskite oxide having the same crystal structure as STO or BSTO described above as an electrode material has also been studied. When a conductive perovskite oxide is used as an electrode, high interface matching can be obtained at the interface between the dielectric and the electrode, and generation of defects and interface states can be suppressed. As a result, it is expected that a thin film capacitor exhibiting excellent electrical characteristics such as high dielectric constant and low leakage current, high reliability due to high dielectric breakdown resistance, and long life can be obtained.

また、上述したような導電性ペロブスカイト型酸化物をTiAlNなどの導電性バッファ層を介してSi上にエピタキシャル成長させ、さらにその上部にBSTOなどの誘電体をエピタキシャル成長させた、いわゆるエピタキシャルキャパシタでは、誘電体と電極との格子ミスマッチに起因する誘電体の格子歪みを利用して、極めて高い誘電率や歪み誘起強誘電性を発現させることができる。これらの特性を利用することによって、非常に高い電荷蓄積量を持つ常誘電体キャパシタを有する超高集積DRAMや強誘電性キャパシタを有する不揮発性強誘電体メモリ(FRAM)を作製することができる。   In a so-called epitaxial capacitor in which a conductive perovskite oxide as described above is epitaxially grown on Si via a conductive buffer layer such as TiAlN and further a dielectric such as BSTO is epitaxially grown thereon, By utilizing the lattice strain of the dielectric material caused by the lattice mismatch between the electrode and the electrode, extremely high dielectric constant and strain-induced ferroelectricity can be expressed. By utilizing these characteristics, it is possible to manufacture an ultra-highly integrated DRAM having a paraelectric capacitor having a very high charge accumulation amount and a nonvolatile ferroelectric memory (FRAM) having a ferroelectric capacitor.

しかしながら、導電性ペロブスカイト型酸化物を下部電極として用いる際には、その形成を酸素含有雰囲気で行う心要がある。ここで、通常下部電極はポリシリコンからなるプラグ、あるいはエピタキシャルキャパシタの場合にはエピタキシャル成長させた単結晶Siなどからなるプラグ上に形成する。導電性ペロブスカイト型酸化物からなる下部電極を通常の酸素含有雰囲気下で形成すると、Siプラグとの界面に酸化物が生成されて過大な接触が生じたり、場合によってはこの反応により電極表面のモフォロジー荒れが生じて、キャパシタショートが発生するなどの問題が生じることが知られている。   However, when the conductive perovskite oxide is used as the lower electrode, it is important to perform the formation in an oxygen-containing atmosphere. Here, the lower electrode is usually formed on a plug made of polysilicon, or in the case of an epitaxial capacitor, a plug made of epitaxially grown single crystal Si or the like. When the lower electrode made of a conductive perovskite oxide is formed in a normal oxygen-containing atmosphere, an oxide is generated at the interface with the Si plug, resulting in excessive contact. In some cases, this reaction causes the morphology of the electrode surface. It is known that a problem such as the occurrence of roughness and a capacitor short circuit occurs.

プラグ表面の酸化を防ぐために、Si上に耐酸化性の高いTiAlNなどからなる導電性バッファ層を設けたり、さらにTiAlNなどの導電性バッファ層と導電性ペロブスカイト型酸化物からなる電極との間にPtなどからなる第2の導電性バッファ層を設けることも行われているが、TiAlNやSiの酸化によるモフォロジーの低下、誘電体や電極の高温成膜によるPtのモフォロジー荒れなどの問題は解決されていない。   In order to prevent oxidation of the plug surface, a conductive buffer layer made of TiAlN or the like having high oxidation resistance is provided on Si, and further, between a conductive buffer layer such as TiAlN and an electrode made of a conductive perovskite oxide. Although a second conductive buffer layer made of Pt or the like is also provided, problems such as a decrease in morphology due to oxidation of TiAlN or Si and a rough morphology of Pt due to high-temperature deposition of dielectrics and electrodes are solved. Not.

さらに、上記した酸化によるモフォロジー荒れを防止するために、SrRuO3 などの導電性ペロブスカイト型酸化物を低酸素分圧中で成膜することも可能ではあるが、多くの導電性ペロブスカイト型酸化物は低酸素分圧中で成膜すると結晶性が悪化し、電極や誘電体の膜質が低下してリークが増大するなどの問題が生じる。 Furthermore, in order to prevent the above-described morphological roughness due to oxidation, it is possible to form a conductive perovskite oxide such as SrRuO 3 under a low oxygen partial pressure, but many conductive perovskite oxides are If the film is formed at a low oxygen partial pressure, the crystallinity is deteriorated, and the film quality of the electrode and the dielectric is deteriorated, resulting in an increase in leakage.

一方、酸素欠損を有するSrTiO3 、あるいはNbや希土類元素で置換したSrTiO3 などを直接Si上に成膜して電極としたり、これらをTiAlNなどを介してSi上に作製して電極として用いることも可能である。しかしながら、このような電極上にBSTO誘電体などを形成する場合には、誘電体特性を向上させるために高濃度の酸素含有雰囲気中で作製することが必要となり、このため電極として用いたSrTiO3 の酸素欠損が消失して導電性が失われたり、電極中のNbや希土類元素が誘電体中に拡散してキャパシタ性能が低下するなどの問題が生じる。 On the other hand, SrTiO 3 having oxygen deficiency or or a deposition to the electrode on the Nb and rare earth elements such as SrTiO 3 was replaced directly with Si, using these as the electrodes fabricated on Si via a TiAlN, Is also possible. However, when a BSTO dielectric or the like is formed on such an electrode, it is necessary to produce it in an atmosphere containing oxygen at a high concentration in order to improve the dielectric properties. For this reason, SrTiO 3 used as an electrode is required. Oxygen deficiency disappears and conductivity is lost, and Nb and rare earth elements in the electrode diffuse into the dielectric and the capacitor performance deteriorates.

加えて、これらの導電性ペロブスカイト型酸化物は、バルクでは酸素欠損を導入したり、Nbや希土類元素による置換により完全な金属伝導性を得ることが可能であるが、薄膜特に膜厚が薄い薄膜にあっては、結晶性がそれほどよくないことや結晶に加わる応力によって、その電子状態は完全な金属であるとは言えず、キャリア濃度の高い半導体で記述されるものと言える。このような物質を電極材料としてBSTOなどの誘電体と直接積層すると、電極から誘電体への電子移動により電極/誘電体界面の電極側に空乏層ができる。このような空乏層は、キャパシタとしては誘電体の静電容量と空乏層容量との直列接続を生じさせるため、全体の容量が著しく低下するという問題点がある。   In addition, these conductive perovskite-type oxides can introduce oxygen vacancies in the bulk or obtain complete metal conductivity by substitution with Nb or rare earth elements. In this case, the electronic state cannot be said to be a complete metal due to the poor crystallinity and the stress applied to the crystal, and it can be said that it is described by a semiconductor having a high carrier concentration. When such a substance is directly laminated with a dielectric such as BSTO as an electrode material, a depletion layer is formed on the electrode side of the electrode / dielectric interface by electron transfer from the electrode to the dielectric. Such a depletion layer has a problem in that the capacitance of the dielectric is connected in series with the capacitance of the dielectric and the capacitance of the depletion layer, so that the overall capacitance is significantly reduced.

本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、電極/誘電体界面の酸化によるモフォロジーの悪化、電極材料によるキャパシタ特性の低下、電極材料自体の特性低下などを防止した薄膜キャパシタを有する半導体装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made to cope with such problems, and a thin film capacitor that prevents deterioration of morphology due to oxidation of the electrode / dielectric interface, deterioration of capacitor characteristics due to the electrode material, deterioration of characteristics of the electrode material itself, and the like. An object of the present invention is to provide a semiconductor device.

本発明の半導体装置は、請求項1に記載したように、下部電極と、前記下部電極上に配置されたぺロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に配置された上部電極とを有する薄膜キャパシタを具備する半導体装置において、前記下部電極は、少なくとも 2種類の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜からなり、かつ導電性を有する非酸化物からなるバッファ層を介してSi上に接続配置されていることを特徴としている。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a lower electrode; a dielectric thin film made of a perovskite oxide disposed on the lower electrode; and an upper portion disposed on the dielectric thin film. In the semiconductor device including a thin film capacitor having an electrode, the lower electrode is formed of a laminated film of at least two kinds of conductive perovskite oxides, and through a buffer layer made of a non-oxide having conductivity. It is characterized by being connected to Si.

本発明の半導体装置において、前記下部電極は、請求項2に記載したように、例えば前記誘電体薄膜と接するように配置された導電性ぺロブスカイト型酸物からなる電極層と、前記電極層を構成する前記導電性ぺロブスカイト型酸化物とは異なり、かつ低酸素分圧下で安定な導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層とを有する。   In the semiconductor device of the present invention, as described in claim 2, the lower electrode includes, for example, an electrode layer made of a conductive perovskite acid oxide disposed so as to be in contact with the dielectric thin film, and the electrode layer. Unlike the conductive perovskite oxide, the electrode buffer layer is made of a conductive perovskite oxide that is stable under a low oxygen partial pressure.

さらに、前記下部電極は、例えば請求項3に記載したように、前記誘電体薄膜と接するように配置され、SrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3 およびSr1−y REy CoO3 (REはLa、Pr、SmおよびNdから選ばれる少なくとも 1種の元素を、xおよびyは 0<x< 1、 0<y< 1を満足する数を示す)から選ばれる少なくとも 1種の導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極層と、酸素欠損を有するAETiO3−d (AEはSrおよびBaから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)および構成元素の一部をM元素(MはNbおよび希土類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)で置換したAETiO3 から選ばれる少なくとも 1種の導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層とを有することを特徴としている。 Furthermore, the lower electrode is disposed so as to be in contact with the dielectric thin film, for example, as described in claim 3, and SrRuO 3 , Sr 1-x Ba x RuO 3, and Sr 1-y RE y CoO 3 (RE Is at least one element selected from La, Pr, Sm and Nd, and x and y are those satisfying 0 <x <1 and 0 <y <1). An electrode layer made of a lobskite oxide, AETiO 3-d having oxygen deficiency (AE represents at least one element selected from Sr and Ba), and a part of the constituent elements are M elements (M is Nb and rare earth) An electrode buffer layer comprising at least one conductive perovskite oxide selected from AETiO 3 substituted with at least one element selected from elements) is doing.

本発明においては、薄膜キャパシタの下部電極および上部電極の少なくとも一方を、2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜で構成している。すなわち、誘電体薄膜側には電極層として金属導電性を示す一般的な導電性ぺロブスカイト型酸化物層を配置し、Siプラグなどと接する側には電極バッファ層として低酸素分圧下で安定な導電性ぺロブスカイト型酸化物層を配置している。   In the present invention, at least one of the lower electrode and the upper electrode of the thin film capacitor is composed of a laminated film of two or more kinds of conductive perovskite oxides. That is, a general conductive perovskite oxide layer showing metal conductivity is disposed on the dielectric thin film side as an electrode layer, and the electrode buffer layer is stable under low oxygen partial pressure on the side in contact with the Si plug or the like. A conductive perovskite oxide layer is disposed.

例えば、酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換したAETiO3 などの導電性ぺロブスカイト型酸化物は、低酸素分圧中のスパッタなどで容易に形成することができると共に、高温でのモフォロジーの低下がない。また、これらのぺロブスカイト型酸化物は半導体特性や金属導電性を示す。これらの酸化物は半導体特性を示すことがあるが、誘電体薄膜との間に上記した金属導電性を示す導電性ぺロブスカイト型酸化物が存在するので、空乏層の形成による容量低下の問題などは生じない。 For example, conductive perovskite type oxide such as AETiO 3 a portion of AETiO 3-d and constituent elements was replaced by element M having an oxygen deficiency can be easily formed by sputtering of hypoxia partial pressure It can be done and there is no loss of morphology at high temperatures. Further, these perovskite oxides exhibit semiconductor characteristics and metal conductivity. These oxides may exhibit semiconductor properties, but there are conductive perovskite oxides that exhibit the above-mentioned metal conductivity between the dielectric thin films, so there is a problem of capacity reduction due to the formation of a depletion layer, etc. Does not occur.

さらに、電極バッファ層としての導電性ぺロブスカイト型酸化物と誘電体薄膜との間には、上述したように一般的な導電性ぺロブスカイト型酸化物が電極層として存在するため、この電極層が障壁となることにより、酸素欠損を有するAETiO3−d の酸化を緩和したり、AETiO3 の置換元素Mの誘電体薄膜への拡散などを防止することができる。 Furthermore, since a general conductive perovskite type oxide exists as an electrode layer between the conductive perovskite type oxide as the electrode buffer layer and the dielectric thin film as described above, this electrode layer is By serving as a barrier, oxidation of AETiO 3-d having oxygen vacancies can be mitigated, and diffusion of the substitution element M of AETiO 3 into the dielectric thin film can be prevented.

上記したような酸素欠損を有する導電性ぺロブスカイト型酸化物や構成元素の一部をM元素で置換した導電性ぺロブスカイト型酸化物を電極バッファ層として使用し、さらにそれと積層して一般的なSrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3、Sr1−y REy CoO3 などの導電性ぺロブスカイト型酸化物を電極層として形成することによって、電極/誘電体界面の酸化によるモフォロジーの悪化を防止した上で、電極材料によるキャパシタ特性の低下、電極材料自体の特性低下などを防ぐことが可能となる。 A conductive perovskite oxide having oxygen vacancies as described above or a conductive perovskite oxide in which some of the constituent elements are replaced with M element is used as an electrode buffer layer, and further laminated with it. By forming a conductive perovskite oxide such as SrRuO 3 , Sr 1-x Ba x RuO 3 , or Sr 1-y REy CoO 3 as an electrode layer, the deterioration of morphology due to oxidation of the electrode / dielectric interface is prevented. In addition, it is possible to prevent deterioration of capacitor characteristics due to the electrode material, deterioration of characteristics of the electrode material itself, and the like.

以上説明したように、本発明の半導体装置によれば、導電性ペロブスカイトをキャパシタ電極として用いた場合に起こる界面反応や表面酸化、さらにはそれらに基づく表面荒れや拡散によるキャパシタ特性の劣化を防止することができる。従って、良好な誘電特性や高い信頼性を持つキャパシタを有する半導体記憶装置などの半導体装置を提供することが可能となる。   As described above, according to the semiconductor device of the present invention, it is possible to prevent the interface reaction and the surface oxidation that occur when the conductive perovskite is used as the capacitor electrode, as well as the deterioration of the capacitor characteristics due to the surface roughness and diffusion based thereon. be able to. Accordingly, it is possible to provide a semiconductor device such as a semiconductor memory device having a capacitor having good dielectric characteristics and high reliability.

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
図1は本発明の半導体装置における薄膜キャパシタ部分の基本構造を示す断面図である。同図において、1は例えばポリシリコン(poly-Si)や単結晶Siなどからなるプラグ2を有する半導体基板であり、このプラグ2上に薄膜キャパシタ3が形成されている。なお、キャパシタ構造は特に限定されるものではなく、種々の構造の薄膜キャパシタを適用することができる。
Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
FIG. 1 is a sectional view showing a basic structure of a thin film capacitor portion in a semiconductor device of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a semiconductor substrate having a plug 2 made of, for example, polysilicon (poly-Si) or single crystal Si, and a thin film capacitor 3 is formed on the plug 2. The capacitor structure is not particularly limited, and thin film capacitors having various structures can be applied.

薄膜キャパシタ3は、DRAMやFRAMなどの半導体記憶装置の電荷蓄積部などとして使用される。すなわち、プラグ2の下方に設けられたトランジスタ(図示せず)と薄膜キャパシタ3とによって、本発明の半導体装置の一実施形態としてのDRAMやFRAMなどの半導体記憶装置が構成される。なお、トランジスタと薄膜キャパシタとの位置関係は特に限定されるものではなく、後述する実施形態に示すように、薄膜キャパシタの上方にトランジスタを配置することも可能である。   The thin film capacitor 3 is used as a charge storage unit of a semiconductor memory device such as a DRAM or FRAM. That is, a transistor (not shown) provided under the plug 2 and the thin film capacitor 3 constitute a semiconductor memory device such as a DRAM or FRAM as an embodiment of the semiconductor device of the present invention. Note that the positional relationship between the transistor and the thin film capacitor is not particularly limited, and it is also possible to dispose the transistor above the thin film capacitor as shown in an embodiment described later.

誘電体薄膜5としてのペロブスカイト型酸化物には、薄膜キャパシタ3の使用目的に応じて、誘電体としての機能を有する種々のぺロブスカイト型酸化物を用いることができる。例えば、薄膜キャパシタ3をDRAMに適用する場合には、誘電体薄膜5としてBa1−x Srx TiO3 (BSTO)、SrTiO3 (STO)、CaTiO3 、PbTiO3 、BaZrO3 、BaSnO3 、PbZrO3 などの高誘電性ペロブスカイト型酸化物が用いられる。 As the perovskite oxide as the dielectric thin film 5, various perovskite oxides having a function as a dielectric can be used depending on the purpose of use of the thin film capacitor 3. For example, when applying a thin film capacitor 3 to the DRAM, Ba 1-x Sr x TiO 3 as a dielectric thin film 5 (BSTO), SrTiO 3 ( STO), CaTiO 3, PbTiO 3, BaZrO 3, BaSnO 3, PbZrO High dielectric perovskite oxide such as 3 is used.

また、薄膜キャパシタ3をFRAMに適用する場合には、例えばBaリッチなBa1−x Srx TiO3 やBaTiO3 などを用いることによって、下部電極4との格子ミスマッチに起因する歪誘起強誘電性を利用したFRAMの電荷蓄積部を構成することができる。なお、Pb(Zr,Ti)O3 (PZT)、(Pb,La)(Zr,Ti)O3 (PLZT)、Bi−Sr−Ta−O、Bi−Sr−Ti−Oなどの強誘電性ペロブスカイト型酸化物を用いることも可能である。誘電体薄膜5の膜厚は特に限定されるものではなく、通常の薄膜キャパシタと同様に10〜 100nm程度とすることができる。 When the thin film capacitor 3 is applied to an FRAM, for example, Ba-rich Ba 1-x Sr x TiO 3 , BaTiO 3, or the like is used to cause strain-induced ferroelectricity due to lattice mismatch with the lower electrode 4. It is possible to configure a charge storage unit of an FRAM using the above. Ferroelectricity such as Pb (Zr, Ti) O 3 (PZT), (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 (PLZT), Bi—Sr—Ta—O, Bi—Sr—Ti—O, etc. Perovskite type oxides can also be used. The film thickness of the dielectric thin film 5 is not particularly limited, and can be about 10 to 100 nm as in the case of a normal thin film capacitor.

上記した薄膜キャパシタ3において、プラグ2上には下部電極4が形成されている。下部電極4は少なくとも 2種類の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜からなり、このような下部電極4上に膜厚 5〜 100nm程度のペロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜5が形成されている。さらに、その上には上部電極6が設けられており、これらによって薄膜キャパシタ3が構成されている。   In the thin film capacitor 3 described above, a lower electrode 4 is formed on the plug 2. The lower electrode 4 is made of a laminated film of at least two kinds of conductive perovskite oxides, and a dielectric thin film 5 made of a perovskite oxide having a thickness of about 5 to 100 nm is formed on the lower electrode 4. Yes. Further, an upper electrode 6 is provided thereon, and the thin film capacitor 3 is constituted by these.

この実施形態における 2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜からなる下部電極4は、具体的にはプラグ2側に配置された低酸素分圧下で安定な導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層7と、誘電体薄膜5と接するように配置された一般的な導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極層8とを有している。なお、電極バッファ層7および電極層8は、さらにそれらを複数の導電性ぺロブスカイト型酸化物層で構成することも可能である。   In this embodiment, the lower electrode 4 composed of a laminated film of two or more kinds of conductive perovskite oxides is specifically composed of a conductive perovskite oxide that is disposed on the plug 2 side and is stable under a low oxygen partial pressure. And an electrode layer 8 made of a general conductive perovskite oxide disposed so as to be in contact with the dielectric thin film 5. In addition, the electrode buffer layer 7 and the electrode layer 8 can further be composed of a plurality of conductive perovskite oxide layers.

上記した積層膜からなる下部電極4において、低酸素分圧下で安定な導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層7は、プラグ2と下部電極4との界面における酸化、それに基づくモフォロジー荒れなどを防止するものである。さらに、このような電極バッファ層7上に通常の導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極層8を積層配置することによって、電極材料によるキャパシタ特性の低下や電極バッファ層7の電極材料としての特性低下などを防止している。   In the lower electrode 4 made of the above laminated film, the electrode buffer layer 7 made of a conductive perovskite oxide that is stable under a low oxygen partial pressure is oxidized at the interface between the plug 2 and the lower electrode 4, morphological roughness based on the oxidation, etc. Is to prevent. Furthermore, the electrode layer 8 made of a normal conductive perovskite oxide is stacked on the electrode buffer layer 7 to reduce the capacitor characteristics due to the electrode material and the characteristics of the electrode buffer layer 7 as the electrode material. We prevent decline.

上述した電極バッファ層7の構成材料としては、例えば酸素欠損を有するAETiO3−d (AEはSrおよびBaから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)や、構成元素の一部をM元素(MはNbおよび希土類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)で置換したAETiO3 などの導電性ぺロブスカイト型酸化物が用いられる。 As the constituent material of the electrode buffer layer 7 described above, for example, AETiO 3-d having oxygen vacancies (AE represents at least one element selected from Sr and Ba), or a part of the constituent elements is M element (M Is a conductive perovskite oxide such as AETiO 3 substituted with at least one element selected from Nb and rare earth elements.

酸素欠損を有する導電性ぺロブスカイト型酸化物の具体例としては、SrTiO3−d 、BaTiO3−d 、Sr1−x Bax TiO3−d (x=0〜1)が挙げられる。構成元素の一部をM元素で導電性ぺロブスカイト型酸化物としては、(Sr1-a ,Ma )TiO3−d 、(Ba1-a ,Ma )TiO3−d (a= 0.1〜 0.5)などが挙げられる。なお、これら構成元素の一部をM元素で置換した導電性ぺロブスカイト型酸化物は酸素欠損を有していてもよい。 Specific examples of the conductive perovskite oxide having oxygen vacancies include SrTiO 3 -d , BaTiO 3 -d , and Sr 1-x Ba x TiO 3 -d (x = 0 to 1). Some of the constituent elements are M elements, and conductive perovskite oxides include (Sr 1-a , Ma) TiO 3-d , (Ba 1-a , Ma) TiO 3-d (a = 0.1 to 0.5 ) And the like. Note that a conductive perovskite oxide in which some of these constituent elements are substituted with M element may have an oxygen deficiency.

上記した酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物は、低酸素分圧中のスパッタ成膜などで容易に形成することができ、かつ比較的良好な結晶性を得ることができると共に、電極材料に必要とされる導電性、具体的には10Ω・cm以下程度の導電性を満足する半導体特性や金属導電性を示すものである。言い換えると、これら導電性ぺロブスカイト型酸化物は電極材料に必要とされる導電性を有する上に、低酸素分圧下で安定であり、また高温でのモフォロジーの低下がないというような特徴を有している。 Perovskite oxides represented by AETiO 3-d having oxygen vacancies and (AE 1-a , Ma) TiO 3 in which some of the constituent elements are substituted with M elements are sputtered at a low oxygen partial pressure. It can be easily formed by film formation, etc., and relatively good crystallinity can be obtained, and the conductivity required for the electrode material, specifically, the conductivity of about 10 Ω · cm or less is satisfied. It exhibits semiconductor characteristics and metal conductivity. In other words, these conductive perovskite oxides have the characteristics required for electrode materials, are stable under a low oxygen partial pressure, and do not deteriorate in morphology at high temperatures. is doing.

このような導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層7を適用することによって、プラグ2/下部電極4界面の酸化によるモフォロジー荒れを防ぐことができ、これによってキャパシタショートの発生やリーク電流の増大などを抑制することが可能となる。電極バッファ層7の厚さは、例えば 1〜20nm程度とすることが好ましい。電極バッファ層7の厚さがあまり薄いと上記したような効果が安定して得られないおそれがあり、一方あまり厚くしてもそれ以上の効果は得られない。   By applying the electrode buffer layer 7 made of such a conductive perovskite oxide, it is possible to prevent morphological roughness due to oxidation at the interface between the plug 2 and the lower electrode 4, thereby causing a capacitor short circuit and leakage current. An increase or the like can be suppressed. The thickness of the electrode buffer layer 7 is preferably about 1 to 20 nm, for example. If the thickness of the electrode buffer layer 7 is too thin, the above-described effects may not be stably obtained. On the other hand, if the electrode buffer layer 7 is too thick, no further effects can be obtained.

ここで、酸素欠損を有するAETiO3−d で表される導電性ぺロブスカイト型酸化物においては、その導電性を得るために酸素欠損が重要な役割を果たしており、酸素欠損量dは0.01〜 0.4の範囲とすることが好ましい。ただし、電極バッファ層7を形成した後に電極層8や誘電体薄膜5を酸素含有雰囲気中で高温成膜する必要がある場合、電極バッファ層7の酸素欠損が消失して導電性が失われるおそれがある。このような場合には、構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物を使用することが好ましい。 Here, in the conductive perovskite oxide represented by AETiO 3-d having oxygen vacancies, oxygen vacancies play an important role in obtaining the conductivity, and the oxygen deficiency d is 0.01 to 0.4. It is preferable to set it as the range. However, when the electrode layer 8 or the dielectric thin film 5 needs to be formed at a high temperature in an oxygen-containing atmosphere after the electrode buffer layer 7 is formed, the oxygen deficiency of the electrode buffer layer 7 may disappear and the conductivity may be lost. There is. In such a case, it is preferable to use a perovskite oxide represented by (AE 1-a , M a ) TiO 3 in which a part of the constituent elements is substituted with M element.

上述したように、構成元素の一部をM元素で置換したSrTiO3 、BaTiO3 、Sr1−x Bax TiO3 などは、酸素欠損が存在しなくても導電性を示し、電極バッファ層7として機能させることができる。もちろん低酸素分圧下で成膜して酸素欠損を存在させてもよい。構成元素の一部をM元素で置換したぺロブスカイト型酸化物は、酸素欠損を存在させる((AE1-a,Ma )TiO3−d)ことによって、より一層良好な導電性を得ることができる。 As described above, SrTiO 3 , BaTiO 3 , Sr 1-x Ba x TiO 3, etc., in which some of the constituent elements are replaced with M element exhibit conductivity even in the absence of oxygen vacancies, and the electrode buffer layer 7 Can function as. Of course, oxygen deficiency may be present by forming a film under a low oxygen partial pressure. Perovskite-type oxides in which some of the constituent elements are replaced with M elements can obtain even better conductivity by the presence of oxygen vacancies ((AE 1-a , M a ) TiO 3-d ). Can do.

電極バッファ層7として使用する導電性ぺロブスカイト型酸化物において、M元素としての希土類元素にはLa、Pr、Sm、Ndなどか用いられる。これら希土類元素やNbによる置換量aは 0.1〜 0.5の範囲とすることが好ましい。M元素による置換量があまり少ないと良好な導電性を得ることができず、一方あまり多すぎると結晶性が低下して、良好な誘電特性や低リーク特性が得られなくなるおそれがある。   In the conductive perovskite oxide used as the electrode buffer layer 7, La, Pr, Sm, Nd, or the like is used as the rare earth element as the M element. The substitution amount a with these rare earth elements and Nb is preferably in the range of 0.1 to 0.5. If the amount of substitution by the M element is too small, good conductivity cannot be obtained, while if it is too much, the crystallinity is lowered and good dielectric properties and low leakage properties may not be obtained.

酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物において、AE元素としてのBaとSrの比率は任意に設定することができる。例えば、電極バッファ層7の格子定数と、 poly-Siや単結晶Siなどからなるプラグ2(もしくは基板1)、あるいは後述するTiNやTi1−x Alx Nなどからなる非酸化物バッファ層との格子定数との整合をとるために、Baの組成比xを適宜設定することができる。 The ratio of Ba and Sr as AE elements in AETiO 3-d having oxygen vacancies and perovskite oxides represented by (AE 1-a , Ma) TiO 3 with some of the constituent elements substituted with M elements Can be set arbitrarily. For example, the lattice constant of the electrode buffer layer 7 and the plug 2 (or substrate 1) made of poly-Si, single crystal Si, or the like, or a non-oxide buffer layer made of TiN, Ti 1-x Al x N, etc., which will be described later, In order to match the lattice constant, the composition ratio x of Ba can be set as appropriate.

この際、電極バッファ層7上に形成する電極層8も電極バッファ層7と同一の面内格子定数を持つ場合があり、下部電極4と誘電体薄膜5との格子定数のミスマッチを設定するためには、電極バッファ層7、電極層8、誘電体薄膜5の組成を適当に選択することが好ましい。   At this time, the electrode layer 8 formed on the electrode buffer layer 7 may also have the same in-plane lattice constant as that of the electrode buffer layer 7, in order to set a lattice constant mismatch between the lower electrode 4 and the dielectric thin film 5. For this, it is preferable to appropriately select the composition of the electrode buffer layer 7, the electrode layer 8, and the dielectric thin film 5.

なお、電極バッファ層7としては、例えばSrVO3 、ReO3 、AWO3 (Aはアルカリ金属)のような低酸素分圧中で安定な各種導電性ペロブスカイト型酸化物を用いることができるが、上記した酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物は、半導体装置にとって有害な元素を含まず、また特に誘電体として同様のSr1−x Bax TiO3 を用いる場合には成膜装置を共用することができるなどの種々の利点を有している。このようなことから、本発明における電極バッファ層7としては、酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物を使用することが望ましい。 As the electrode buffer layer 7, various conductive perovskite oxides that are stable in a low oxygen partial pressure such as SrVO 3 , ReO 3 , AWO 3 (A is an alkali metal) can be used. Perovskite oxides represented by (AE 1-a , Ma) TiO 3 in which some of the constituent elements are substituted with M element are contained in AETiO 3-d having oxygen deficiency and containing elements harmful to semiconductor devices In particular, when similar Sr 1-x Ba x TiO 3 is used as the dielectric, it has various advantages such as being able to share the film forming apparatus. Therefore, the electrode buffer layer 7 in the present invention is represented by AETiO 3-d having oxygen vacancies or (AE 1-a , M a ) TiO 3 in which a part of the constituent elements is substituted with M element. It is desirable to use a perovskite oxide.

本発明における薄膜キャパシタ3においては、上述したような低酸素分圧中で安定な導電性ペロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層7上に、それとは異なる導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極層8を積層配置し、これらの積層膜により下部電極4を構成している。ここで、電極層8には酸素欠損やM元素置換を有さない、通常の導電性ぺロブスカイト型酸化物が用いられる。   In the thin film capacitor 3 according to the present invention, an electrode layer made of a different conductive perovskite oxide is formed on the electrode buffer layer 7 made of a conductive perovskite oxide that is stable at a low oxygen partial pressure as described above. 8 are laminated and the lower electrode 4 is constituted by these laminated films. Here, a normal conductive perovskite oxide that does not have oxygen deficiency or M element substitution is used for the electrode layer 8.

電極層8に用いる導電性ぺロブスカイト型酸化物としては、SrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3 、Sr1−y REy CoO3 (REはLa、Pr、SmおよびNdから選ばれる少なくとも 1種の元素を、xおよびyは 0<x< 1、 0<y< 1を満足する数を示す)などが例示される。電極層8の厚さは例えば 5〜100nm程度とすることが好ましい。 The conductive perovskite oxide used for the electrode layer 8 is SrRuO 3 , Sr 1-x Ba x RuO 3 , Sr 1-y RE y CoO 3 (RE is at least 1 selected from La, Pr, Sm and Nd) Examples of seed elements are x and y, which are numbers satisfying 0 <x <1, 0 <y <1). The thickness of the electrode layer 8 is preferably about 5 to 100 nm, for example.

前述したように、酸素欠損を有するAETiO3−d や構成元素の一部をM元素で置換した(AE1-a ,Ma )TiO3 で表されるぺロブスカイト型酸化物のみを下部電極4として用いた場合、誘電体薄膜5を酸素含有雰囲気中で作製した際に電極材料の酸素欠損が消失して導電性が失われたり、電極材料中のNbや希土類元素が誘電体薄膜5中に拡散してキャパシタ性能が低下するなどの問題があるる。さらに、酸素欠損やM元素置換を有する導電性ぺロブスカイト型酸化物は半導体特性を示す場合があり、そのような電極材料上に直接誘電体薄膜5を成膜すると電極/誘電体界面の電極側に空乏層ができ、全体の容量を著しく低下させるというような問題もある。 As described above, only the perovskite oxide represented by AETiO 3-d having oxygen vacancies and (AE 1-a , Ma) TiO 3 in which some of the constituent elements are substituted with M element is used as the lower electrode 4. When used, when the dielectric thin film 5 is produced in an oxygen-containing atmosphere, the oxygen deficiency of the electrode material disappears and the conductivity is lost, or Nb and rare earth elements in the electrode material diffuse into the dielectric thin film 5. As a result, there is a problem that the capacitor performance is degraded. Furthermore, a conductive perovskite oxide having oxygen deficiency or M element substitution may exhibit semiconductor characteristics. When the dielectric thin film 5 is formed directly on such an electrode material, the electrode side of the electrode / dielectric interface However, there is a problem that a depletion layer is formed and the entire capacity is remarkably reduced.

本発明では電極バッファ層7上にSrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3 、Sr1−y REy CoO3 などからなる電極層8を積層しており、誘電体薄膜5はこの電極層8と接するため、酸素欠損の消失に伴う導電性の低下、Nbや希土類元素の誘電体薄膜5中への拡散に起因するキャパシタ性能の低下などを防止することが可能となる。さらに、空乏層の形成に伴うキャパシタ容量の低下などが生じることもない。 In the present invention, an electrode layer 8 made of SrRuO 3 , Sr 1-x Bax RuO 3 , Sr 1-y REy CoO 3 or the like is laminated on the electrode buffer layer 7, and the dielectric thin film 5 is in contact with the electrode layer 8. Therefore, it is possible to prevent a decrease in conductivity accompanying the disappearance of oxygen vacancies and a decrease in capacitor performance due to diffusion of Nb or rare earth elements into the dielectric thin film 5. Further, there is no case where the capacitance of the capacitor is reduced due to the formation of the depletion layer.

上述したように、下部電極4を電極バッファ層7および電極層8として、 2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜で構成することによって、プラグ2/下部電極4界面の酸化によるモフォロジー荒れ、さらにはそれに伴うキャパシタショートの発生やリーク電流の増大などを抑制した上で、電極バッファ層7の電極材料としての特性低下やそれに基づくキャパシタ性能の低下などを防止することが可能となる。   As described above, by forming the lower electrode 4 as the electrode buffer layer 7 and the electrode layer 8 by a laminated film of two or more kinds of conductive perovskite oxides, morphology due to oxidation at the interface of the plug 2 / lower electrode 4 It is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the electrode buffer layer 7 as an electrode material and the deterioration of the capacitor performance based thereon, while suppressing the occurrence of roughness and the accompanying occurrence of a capacitor short circuit and an increase in leakage current.

電極バッファ層7は、半導体デバイスを構成するSi基板1や単結晶Siプラグ2に直接エピタキシャル成長させたり、あるいは多結晶やアモルファスのSiプラグ上に直接多結晶膜として形成することも可能であるが、場合によっては図2に示すように、TiNやその一部をAlで置換して耐酸化性を向上させたTi1−x Alx Nなどの導電性を有する非酸化物からなる第2のバッファ層9を設け、その上部に電極バッファ層7を形成してもよい。 The electrode buffer layer 7 can be directly epitaxially grown on the Si substrate 1 and the single crystal Si plug 2 constituting the semiconductor device, or can be directly formed on the polycrystalline or amorphous Si plug as a polycrystalline film. In some cases, as shown in FIG. 2, a second buffer layer made of non-oxide having conductivity such as Ti 1-x Alx N in which TiN or a part thereof is replaced with Al to improve oxidation resistance is used. 9 may be provided, and the electrode buffer layer 7 may be formed thereon.

このような場合においても、TiNやTi1−x Alx Nなどからなる第2の電極バッファ層9をエピタキシャル単結晶膜として形成すれば、その上部に設ける電極バッファ層7、さらに電極層8や誘電体薄膜5、また場合によっては上部電極6までエピタキシャル成長させた単結晶へテロエピタキシャルキャパシタを作成することができる。 Even in such a case, if the second electrode buffer layer 9 made of TiN, Ti 1-x Alx N, or the like is formed as an epitaxial single crystal film, the electrode buffer layer 7 provided thereon, the electrode layer 8 and the dielectric layer A single crystal heteroepitaxial capacitor epitaxially grown up to the body thin film 5 and possibly the upper electrode 6 can be produced.

なお、上部電極6については、SrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3 、Sr1−y REy CoO3 などの導電性ぺロブスカイト型酸化物の単層膜で構成してもよいし、また下部電極4と同様に 2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜で構成してもよい。さらに、この実施形態では下部電極4を 2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜で構成する場合について説明したが、上部電極6のみを 2種類以上の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜で構成することも可能であり、下部電極4の場合と同様な効果を得ることができる。 The upper electrode 6 may be formed of a single layer film of a conductive perovskite oxide such as SrRuO 3 , Sr 1-x Bax RuO 3 , Sr 1-y REy CoO 3 , or the lower electrode Similarly to 4, it may be composed of a laminated film of two or more kinds of conductive perovskite oxides. Furthermore, in this embodiment, the case where the lower electrode 4 is formed of a laminated film of two or more kinds of conductive perovskite oxides has been described. However, only the upper electrode 6 is made of two or more kinds of conductive perovskite type oxides. A laminated film can be used, and the same effect as in the case of the lower electrode 4 can be obtained.

この実施形態で示した薄膜キャパシタ3を有する半導体記憶装置によれば、高集積DRAMや不揮発性強誘電体メモリ(FRAM)などの特性の安定化、信頼性の向上、さらには特性の向上などを図ることができる。なお、本発明の半導体装置は半導体記憶装置に限らず、薄膜キャパシタを有する各種の半導体装置に適用することが可能である。   According to the semiconductor memory device having the thin film capacitor 3 shown in this embodiment, characteristics such as highly integrated DRAM and nonvolatile ferroelectric memory (FRAM) are stabilized, reliability is improved, and characteristics are improved. Can be planned. Note that the semiconductor device of the present invention is not limited to a semiconductor memory device and can be applied to various semiconductor devices having a thin film capacitor.

次に、上述した実施形態で示した薄膜キャパシタの具体例とその評価結果について説明する。   Next, a specific example of the thin film capacitor shown in the above embodiment and its evaluation result will be described.

実施例1この実施例1では、図3に示す半導体装置の薄膜キャパシタ部分を作製した。まず、単結晶Si((100)方位)で形成したプラグ11まで完成している基板12上に、超高真空チャンバを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、第2のバッファ層としてTi0.7 Al0.8 N膜13を10nm堆積した。さらに、下部電極の電極バッファ層として、RFスパッタ装置を用いてSrTiO3−d 膜14を10nm堆積した。この際の成膜雰囲気はAr 0.1Paとし、別途行ったSrTiO3−d 膜の酸素欠損量測定によればd=0.3の値が得られた。また、膜の導電率は室温で 10mΩ・cmであった。 Example 1 In Example 1, the thin film capacitor portion of the semiconductor device shown in FIG. 3 was produced. First, Ti0.7 AlO.sub.2 as a second buffer layer is formed on a substrate 12 completed up to a plug 11 formed of single crystal Si ((100) orientation) using a helicon sputtering apparatus having an ultrahigh vacuum chamber. 8 N film 13 was deposited to 10 nm. Further, as an electrode buffer layer for the lower electrode, an SrTiO 3-d film 14 was deposited to a thickness of 10 nm using an RF sputtering apparatus. The film-forming atmosphere at this time was Ar 0.1 Pa, and a value of d = 0.3 was obtained according to the oxygen deficiency measurement of the SrTiO 3-d film separately performed. The conductivity of the film was 10 mΩ · cm at room temperature.

電極バッファ層としてのSrTiO3−d 膜14の上部に、下部電極の電極層としてSrRuO3 膜15をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて30nm堆積した後、CMPを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。このような下部電極上に誘電体薄膜としてBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜16を20nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜17を 100nm堆積し、DRAM用全酸化物キャパシタを作製した。 An SrRuO 3 film 15 is deposited as an electrode layer of the lower electrode on the SrTiO 3-d film 14 as the electrode buffer layer to a thickness of 30 nm using an RF magnetron sputtering apparatus, and then the surface is planarized using CMP and between the cells. Separated. A Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 16 as a dielectric thin film was deposited to a thickness of 20 nm on the lower electrode, and an SrRuO 3 film 17 was deposited as an upper electrode to a thickness of 100 nm on the lower electrode to produce a full oxide capacitor for DRAM.

このようにして得た薄膜キャパシタのX線回折を行ったところ、この実施例1ではTi0.7 Al0.8 N膜13、SrTiO3−d 膜14、SrRuO3 膜15、Ba0.2 Sr0.8 TiO3 膜16およびSrRuO3 膜17の全てがエピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層の生成に伴う下部電極/誘電体界面(具体的にはSrRuO3 膜15とBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜16との界面)やTi0.7 Al0.8 N膜13とSrTiO3−d 膜14との界面の荒れなどは見受けられなかった。 The thin film capacitor thus obtained was subjected to X-ray diffraction. As a result, in Example 1, the Ti 0.7 Al 0.8 N film 13, the SrTiO 3 -d film 14, the SrRuO 3 film 15, and the Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 16. It was also found that all of the SrRuO 3 film 17 was epitaxially grown. Further, observation with a cross-sectional electron microscope revealed that the lower electrode / dielectric interface (specifically, the interface between the SrRuO 3 film 15 and the Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 16) and Ti 0.7 Al 0.8 associated with the formation of the oxide layer. Roughness of the interface between the N film 13 and the SrTiO 3-d film 14 was not observed.

また、本発明との比較例として、下部電極の電極バッファ層(SrTiO3−d膜14)を設けない薄膜キャパシタ(比較例1)、また電極バッファ層として厚さ10nmのPt膜を有する薄膜キャパシタ(比較例2)を作製し、これら比較例による薄膜キャパシタと実施例1による薄膜キャパシタの特性を比較した。 Further, as a comparative example with the present invention, a thin film capacitor (Comparative Example 1) in which the electrode buffer layer (SrTiO 3-d film 14) of the lower electrode is not provided, and a thin film capacitor having a Pt film with a thickness of 10 nm as the electrode buffer layer (Comparative Example 2) was prepared, and the characteristics of the thin film capacitor according to these comparative examples and the thin film capacitor according to Example 1 were compared.

その結果、実施例1の薄膜キャパシタでは誘電率 990、2.2V印加時のリーク電流密度 1×10-7A/cm2 以下の特性が得られ、この薄膜キャパシタに 10VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった。これに対して、比較例1においては260個の薄膜キャパシタのうち 99%が短絡により測定不可能であり、比較例2では 260個の薄膜キャパシタのうち 90%が短絡により測定不可能であった。また、残りの薄膜キャパシタについてもリーク電流は少ないものの、誘電率 390、DC10V印加で 80%が1000秒以内に破壊する結果となった。 As a result, the thin film capacitor of Example 1 has a dielectric constant of 990 and a leakage current density of less than 1 × 10-7A / cm 2 when 2.2V is applied. Even if a DC voltage of 10V is applied to this thin film capacitor Dielectric breakdown did not occur. In contrast, in Comparative Example 1, 99% of 260 thin film capacitors could not be measured due to short circuit, and in Comparative Example 2, 90% of 260 thin film capacitors could not be measured due to short circuit. . The remaining thin film capacitors also had a small leakage current, but with a dielectric constant of 390 and DC10V, 80% were destroyed within 1000 seconds.

実施例2実施例1と同様に、電極バッファ層としてSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜を用いた薄膜キャパシタを有する半導体装置を作製した。まず、単結晶Si((100)方位)で形成したプラグまで完成している基板上に、超高真空チャンバを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、第2のバッファ層としてTi0.7 Al0.8 N膜を10nm堆積した。さらに、下部電極の電極バッファ層として、RFスパッタ装置を用いてSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜を10nm堆積した。この際の成膜雰囲気はAr 0.1Paとし、別途行ったSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜の酸素欠損量測定によればd=0.1の値が得られた。また、膜の導電率は室温で1mΩ・cmであった。 Example 2 Similar to Example 1, a semiconductor device having a thin film capacitor using an Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film as an electrode buffer layer was produced. First, a Ti 0.7 Al 0.8 N film is formed as a second buffer layer on a substrate that has been completed up to a plug formed of single crystal Si ((100) orientation) using a helicon sputtering apparatus having an ultra-high vacuum chamber. Deposited 10 nm. Furthermore, as an electrode buffer layer of the lower electrode, an Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film having a thickness of 10 nm was deposited using an RF sputtering apparatus. The film-forming atmosphere at this time was Ar 0.1 Pa, and a value of d = 0.1 was obtained according to the oxygen deficiency measurement of the Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film separately performed. The conductivity of the film was 1 mΩ · cm at room temperature.

このSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜からなる電極バッファ層、さらに以下に述べる電極層や誘電体薄膜を堆積する際、特にこの実施例2で述べるようなエピタキシャルキャパシタを作製するにあたっては、各層の堆積初期層の膜質が膜全体、ひいては薄膜キャパシタの性能を向上させる上で極めて重要である。そこで、各層の堆積初期過程では膜の成長速度を抑えて結晶性を向上させるために、スパッタパワーを低く設定することが望ましい。具体的には、この実施例2では直径8インチのSr0.7 La0.3 TiO3−d ターゲットに100Wのパワーを印加して 2nm厚相当の初期膜を堆積し、この後スパッタパワーを800Wに増加して残りの 8nmの堆積を行っている。このような手順は電極バッファ層の上部に堆積する各層についても同様に実施した。 When depositing the electrode buffer layer made of this Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film, and further the electrode layer and dielectric thin film described below, in particular, in fabricating an epitaxial capacitor as described in Example 2, The film quality of the initial deposition layer is extremely important for improving the performance of the entire film and hence the thin film capacitor. Therefore, in the initial deposition process of each layer, it is desirable to set the sputtering power low in order to improve the crystallinity by suppressing the film growth rate. Specifically, in Example 2, an initial film equivalent to a thickness of 2 nm is deposited by applying a power of 100 W to an Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d target having an 8 inch diameter, and then the sputtering power is increased to 800 W. The remaining 8 nm is deposited. Such a procedure was similarly performed for each layer deposited on the upper part of the electrode buffer layer.

電極バッファ層としてのSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜の上部に、下部電極の電極層としてSrRuO3 膜をRFマグネトロンスパッタ装置を用いて30nm堆積した後、CMPを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。このような下部電極上に誘電体薄膜としてBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜を20nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜を 100nm堆積し、DRAM用全酸化物キャパシタを作製した。 An SrRuO 3 film is deposited as an electrode layer of the lower electrode on the Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film as the electrode buffer layer to a thickness of 30 nm using an RF magnetron sputtering apparatus, and then the surface is planarized using CMP. The cells were separated. A Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film as a dielectric thin film was deposited to a thickness of 20 nm on the lower electrode, and a SrRuO 3 film was deposited as a top electrode to a thickness of 100 nm on the lower electrode to produce a full oxide capacitor for DRAM.

このようにして得た薄膜キャパシタのX線回折を行ったところ、Ti0.7 Al0.8 N膜、Sr0.7 La0.3 TiO3−d 膜、SrRuO3 膜、Ba0.2 Sr0.8TiO3 膜およびSrRuO3 膜の全てがエピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層の生成に伴う下部電極/誘電体界面(具体的にはSrRuO3 膜とBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜との界面)やTi0.7 Al0.8 N膜とSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜との界面の荒れなどは見受けられなかった。 When X-ray diffraction of the thin film capacitor thus obtained was performed, a Ti 0.7 Al 0.8 N film, a Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film, a SrRuO 3 film, a Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film and a SrRuO 3 film were obtained. All were found to be epitaxially grown. Furthermore, when a cross-sectional electron microscope observation was performed, a lower electrode / dielectric interface (specifically, an interface between a SrRuO 3 film and a Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film) or a Ti 0.7 Al 0.8 N film accompanying the formation of an oxide layer was observed. No roughening of the interface between the Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film and the like was observed.

この実施例2の薄膜キャパシタでは、誘電率 900、2.2V印加時のリーク電流密度 1×10-7A/cm2 以下の特性が得られた。また、この薄膜キャパシタに 10VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった。図2はこの実施例2による薄膜キャパシタの印加電圧と誘電率との関係の測定結果、図3は印加電圧とリーク電流との関係の測定結果を示す図である。   In the thin film capacitor of Example 2, a dielectric constant of 900 and a leakage current density of 1 × 10 −7 A / cm 2 or less when 2.2 V was applied were obtained. Moreover, dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 10 V was applied to the thin film capacitor. FIG. 2 shows a measurement result of the relationship between the applied voltage and the dielectric constant of the thin film capacitor according to Example 2, and FIG. 3 shows a measurement result of the relationship between the applied voltage and the leakage current.

また、この実施例2の薄膜キャパシタを搭載した半導体記憶装置の試験回路を作製し、DRAM動作におけるいわゆるエンデュランス測定、すなわちリフレッシュ時間延長に対する誤動作率の変化を測定したところ、1K個の試験ビットのうち 90%以上が20秒以上のリフレッシュサイクルまで正常動作し、キャパシタリークが極めて少ないことが判明した。   Further, a test circuit of a semiconductor memory device on which the thin film capacitor of Example 2 was mounted was manufactured, and so-called endurance measurement in DRAM operation, that is, change in malfunction rate with respect to refresh time extension was measured. It was found that 90% or more operated normally until a refresh cycle of 20 seconds or more, and the capacitor leak was extremely small.

実施例3この実施例3では多結晶膜キャパシタを搭載した例として、電極バッファ層に多結晶Sr0.7 La0.3 TiO3−d 膜を有する薄膜キャパシタを設けたDRAMを作製した。 Example 3 In Example 3, a DRAM having a thin film capacitor having a polycrystalline Sr 0.7 La 0.3 TiO 3 -d film as an electrode buffer layer was fabricated as an example of mounting a polycrystalline film capacitor.

まず、図6に示すように、ポリシリコンで形成したプラグ21まで完成している基板22上に、プラズマTEOSで厚さ 100nmの絶縁層23を形成した。この絶縁層23にキャパシタトレンチ24をリソグラフィにより作製した。このようなキャパシタトレンチ24を有する基板22上に、DCスパッタでアドヒージョン層として厚さ10nmのTiN膜25、下部電極の電極バッファ層として厚さ10nmのSr0.7 La0.3 TiO3−d 膜26を堆積し、さらに下部電極の電極層としてSrRuO3 膜27をRFマグネトロンスパッタを用いて50nm堆積した後、CMPを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。この下部電極上に誘電体薄膜としてBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜28を40nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜29を 100nm堆積して、DRAM用キャパシタを作製した。この実施例3の薄膜キャパシタでは、誘電率 480、1.8V印加時のリーク電流1×10-8A/cm2 以下の特性が得られた。また、この薄膜キャパシタに 10VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった。 First, as shown in FIG. 6, an insulating layer 23 having a thickness of 100 nm was formed by plasma TEOS on a substrate 22 that had been completed up to a plug 21 made of polysilicon. A capacitor trench 24 was formed in the insulating layer 23 by lithography. On the substrate 22 having such a capacitor trench 24, a TiN film 25 having a thickness of 10 nm is deposited as an adhesion layer by DC sputtering, and a Sr 0.7 La 0.3 TiO 3-d film 26 having a thickness of 10 nm is deposited as an electrode buffer layer of the lower electrode. Further, after depositing a SrRuO 3 film 27 as an electrode layer of the lower electrode to a thickness of 50 nm using RF magnetron sputtering, the surface was flattened using CMP and the cells were separated. A Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film 28 as a dielectric thin film was deposited to 40 nm on the lower electrode, and a SrRuO 3 film 29 was deposited as an upper electrode to a thickness of 100 nm on the lower electrode, thereby producing a DRAM capacitor. In the thin film capacitor of Example 3, the dielectric constant was 480 and the leakage current when 1.8 V was applied was 1 × 10 −8 A / cm 2 or less. Moreover, dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 10 V was applied to the thin film capacitor.

実施例4この実施例4では、TiAlNバッファ層を用いない薄膜キャパシタを有する半導体記憶装置を作製した。   Example 4 In Example 4, a semiconductor memory device having a thin film capacitor not using a TiAlN buffer layer was produced.

まず、単結晶Si((100)方位)で形成したプラグまで完成している基板上に、超高真空チャンバを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、電極バッファ層としてSr0.2 Ba0.5 La0.3 TiO3−d 膜を10nm堆積した。別途行ったSr0.2Ba0.5 La0.3 TiO3−d 膜の酸素欠損量測定によればd=0.2の値が得られ、また膜の導電率は室温で1mΩ・cmであった。 First, a helicon sputtering apparatus having an ultrahigh vacuum chamber is used on a substrate that has been completed up to a plug formed of single crystal Si ((100) orientation), and Sr 0.2 Ba 0.5 La 0.3 TiO 3− is used as an electrode buffer layer. A d film was deposited to 10 nm. According to the oxygen deficiency measurement of the Sr 0.2 Ba 0.5 La 0.3 TiO 3-d film separately performed, a value of d = 0.2 was obtained, and the conductivity of the film was 1 mΩ · cm at room temperature.

この電極バッファ層としてのSr0.2 Ba0.5 La0.3 TiO3−d 膜の上部に、下部電極の電極層としてSrRuO3 膜をRFマグネトロンスパッタを用いて30nm堆積した後、CMPを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。このような下部電極上に、誘電体薄膜としてBa0.2 Sr0.8 TiO3 膜を20nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜を 100nm堆積し、DRAM用全酸化物キャパシタを作製した。 An SrRuO 3 film is deposited as an electrode layer of the lower electrode to a thickness of 30 nm by RF magnetron sputtering on the upper part of the Sr 0.2 Ba 0.5 La 0.3 TiO 3-d film as the electrode buffer layer, and then the surface is planarized by CMP. And the cells were separated. On this lower electrode, a Ba 0.2 Sr 0.8 TiO 3 film as a dielectric thin film was deposited with a thickness of 20 nm, and an SrRuO 3 film as an upper electrode was deposited thereon with a thickness of 100 nm to produce a full oxide capacitor for DRAM.

このようにして得た薄膜キャパシタのX線回折を行ったところ、下部電極の電極バッファ層から上部電極まで全ての膜がエピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う下部電極/誘電体界面やSr0.2 Ba0.5 La0.3 TiO3−d /Si界面の荒れなどは見受けられなかった。 When X-ray diffraction was performed on the thin film capacitor thus obtained, it was found that all films were epitaxially grown from the electrode buffer layer of the lower electrode to the upper electrode. Further, observation with a cross-sectional electron microscope revealed that the lower electrode / dielectric interface and the roughness of the Sr 0.2 Ba 0.5 La 0.3 TiO 3 -d / Si interface associated with the formation of the oxide layer were not observed.

この実施例4の薄膜キャパシタでは、誘電率 930、2.2V印加時のリーク電流密度 1×10-7A/cm2 以下の特性が得られた。また、この薄膜キャパシタに 10VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった。さらに、この薄膜キャパシタを搭載した半導体記憶装置の試験回路を作製し、DRAM動作におけるエンデュランス測定を実施したところ,1K個の試験ビットのうち 90%以上が20秒以上のリフレッシュサイクルまで正常動作し、キャパシタリークが極めて少ないことが判明した。   In the thin film capacitor of Example 4, a dielectric constant of 930 and a leakage current density of 1 × 10 −7 A / cm 2 or less when 2.2 V was applied were obtained. Moreover, dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 10 V was applied to the thin film capacitor. Furthermore, when a test circuit for a semiconductor memory device equipped with this thin film capacitor was fabricated and endurance measurement was performed in DRAM operation, 90% or more of 1K test bits operated normally until a refresh cycle of 20 seconds or more. It was found that there was very little capacitor leakage.

実施例5この実施例5では、TiAlNバッファ層を用いないDRAM用常誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置を作製した。   Example 5 In Example 5, a semiconductor memory device having a paraelectric capacitor for DRAM without using a TiAlN buffer layer was produced.

まず、単結晶Si((100)方位)で形成したプラグまで完成している基板上に、超高真空チャンバを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、電極バッファ層としてSr0.4 Ba0.3 Nd0.3 TiO3−d 膜を10nm堆積した。別途行ったSr0.4Ba0.3 Nd0.3 TiO3−d 膜の酸素欠損量測定によればd=0.2の値が得られ、膜の導電率は室温で1mΩ・cmであった。 First, a helicon sputtering apparatus having an ultra-high vacuum chamber is used on a substrate that has been completed up to a plug formed of single crystal Si ((100) orientation), and Sr 0.4 Ba 0.3 Nd 0.3 TiO 3− is used as an electrode buffer layer. A d film was deposited to 10 nm. According to the oxygen deficiency measurement of the Sr 0.4 Ba 0.3 Nd 0.3 TiO 3-d film separately performed, a value of d = 0.2 was obtained, and the conductivity of the film was 1 mΩ · cm at room temperature.

この電極バッファ層の上部に、下部電極の電極層としてSrRuO3 膜をRFマグネトロンスパッタを用いて30nm堆積した後、CMPをもちいて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。このような下部電極上に、誘電体薄膜としてΒa0.2 Sr0.8 TiO3 を20nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 を30nm堆積して、DRAM用全酸化物キャパシタを作製した。 An SrRuO 3 film was deposited as an electrode layer for the lower electrode to a thickness of 30 nm on the electrode buffer layer using RF magnetron sputtering, and the surface was flattened using CMP and the cells were separated. On such a lower electrode, Βa 0.2 Sr 0.8 TiO 3 was deposited as a dielectric thin film to a thickness of 20 nm, and further SrRuO 3 as a top electrode was deposited to a thickness of 30 nm to produce a full oxide capacitor for DRAM.

このようにして得た薄膜キャパシタのX線回折を行ったところ、下部電極の電極バッファ層から上部電極まで全ての膜がエピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う下部電極/誘電体界面やSr0.4 Ba0.3 Nd0.3 TiO3−d 膜/Si界面の荒れなどは見受けられなかった。 When X-ray diffraction of the thin film capacitor thus obtained was performed, it was found that all the films from the electrode buffer layer of the lower electrode to the upper electrode were epitaxially grown. Further, observation with a cross-sectional electron microscope revealed that the lower electrode / dielectric interface and the roughness of the Sr 0.4 Ba 0.3 Nd 0.3 TiO 3 -d film / Si interface accompanying the formation of the oxide layer were not observed.

この実施例5の薄膜キャパシタでは、誘電率 950、2.2V印加時のリーク電流密度 1×10-7A/cm2 以下の特性が得られた。また、この薄膜キャパシタに 20VのDC電圧を印加しても誘電破壊は発生しなかった。さらに、この薄膜キャパシタを搭載した半導体記憶装置の試験回路を作製し、DRAM動作におけるエンデュランス測定を実施したところ、1K個の試験ビットのうち 90%以上が20秒以上のリフレッシュサイクルまで正常動作し、キャパシタリークが極めて少ないことが判明した。   In the thin film capacitor of Example 5, a dielectric constant of 950 and a leakage current density of 1 × 10 −7 A / cm 2 or less when 2.2 V was applied were obtained. In addition, dielectric breakdown did not occur even when a DC voltage of 20 V was applied to the thin film capacitor. Furthermore, when a test circuit for a semiconductor memory device equipped with this thin film capacitor was fabricated and endurance measurement was performed in DRAM operation, 90% or more of 1K test bits operated normally until a refresh cycle of 20 seconds or more. It was found that there was very little capacitor leakage.

実施例6この実施例6では、TiAlNバッファ層を用いない強誘電体キャパシタを具備する半導体記憶装置を作製した。   Example 6 In Example 6, a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor that does not use a TiAlN buffer layer was produced.

まず、単結晶Si((100)方位)で形成したプラグまで完成している基板上に、超高真空チャンバを有するヘリコンスパッタ装置を用いて、電極バッファ層としてSr0.4 Ba0.3 La0.3 TiO3−d 膜を10nm堆積した。別途行ったSr0.4Ba0.3 La0.3 TiO3−d 膜の酸素欠損量測定によればd=0.2の値が得られ、膜の導電率は室温で1mΩ・cmであった。 First, a helicon sputtering apparatus having an ultra-high vacuum chamber is used on a substrate that has been completed up to a plug formed of single crystal Si ((100) orientation), and Sr 0.4 Ba 0.3 La 0.3 TiO 3− is used as an electrode buffer layer. A d film was deposited to 10 nm. According to the oxygen deficiency measurement of the Sr 0.4 Ba 0.3 La 0.3 TiO 3-d film separately performed, a value of d = 0.2 was obtained, and the conductivity of the film was 1 mΩ · cm at room temperature.

この電極バッファ層の上部に、下部電極の電極層としてSrRuO3 膜をRFマグネトロンスパッタを用いて30nm堆積した後、CMPを用いて表面を平坦化すると共にセル間を分離した。このような下部電極上に、誘電体薄膜としてBaTiO3 膜を20nm、さらにその上に上部電極としてSrRuO3 膜を 100nm堆積し、FRAM用の全酸化物キャパシタを作製した。 An SrRuO 3 film was deposited as an electrode layer of the lower electrode to a thickness of 30 nm on the electrode buffer layer using RF magnetron sputtering, and the surface was planarized and the cells were separated using CMP. On such a lower electrode, a BaTiO 3 film as a dielectric thin film was deposited with a thickness of 20 nm, and an SrRuO 3 film as an upper electrode was deposited thereon with a thickness of 100 nm to produce an all oxide capacitor for FRAM.

このようにして得たFRAM用薄膜キャパシタのX線回折を行ったところ、Sr0.4 Ba0.3 La0.3 TiO3−d 膜、SrRuO3 膜、BaTiO3 膜およびSrRuO3 膜の全てがエピタキシャル成長していることが分かった。さらに、断面電子顕微鏡観察を行ったところ、酸化層生成に伴う下部電極/誘電体界面やSr0.4 Ba0.3 La0.3 TiO3−d 膜/Si界面の荒れなどは見受けられなかった。 When the X-ray diffraction of the thin film capacitor for FRAM thus obtained was performed, all of the Sr 0.4 Ba 0.3 La 0.3 TiO 3 -d film, SrRuO 3 film, BaTiO 3 film and SrRuO 3 film were epitaxially grown. I understood. Further, observation with a cross-sectional electron microscope revealed that the lower electrode / dielectric interface and the roughness of the Sr 0.4 Ba 0.3 La 0.3 TiO 3 -d film / Si interface accompanying the formation of the oxide layer were not observed.

この実施例6によるFRAM用薄膜キャパシタの強誘電体特性を評価したところ、抗電圧2V、残留分極量0.4C/m2 の特性が得られた。さらに、このFRAM用薄膜キャパシタを搭載した半導体記憶装置(FRAM)の試験回路を作製し、FRAM動作におけるいわゆる疲労特性の測定を行ったところ、1K個の試験ビットのうち 90%以上が1012回までの書き込み動作まで正常動作し、このキャパシタの疲労が少ないことが判明した。 When the ferroelectric characteristics of the thin film capacitor for FRAM according to Example 6 were evaluated, characteristics with a coercive voltage of 2 V and a residual polarization of 0.4 C / m 2 were obtained. Furthermore, when a test circuit of a semiconductor memory device (FRAM) equipped with the thin film capacitor for FRAM was manufactured and so-called fatigue characteristics were measured in the FRAM operation, 90% or more of 1K test bits were up to 1012 times. It was found that the capacitor operates normally up to the writing operation and the fatigue of this capacitor is small.

実施例7この実施例7では、LaドープSrTiO3 膜を電極バッファ層として用いたペデスタル型立体キャパシタを作製した。このペデスタル型立体キャパシタの製造工程について、図7および図8を参照して述べる。 Example 7 In Example 7, a pedestal type three-dimensional capacitor using a La-doped SrTiO 3 film as an electrode buffer layer was produced. The manufacturing process of this pedestal type three-dimensional capacitor will be described with reference to FIGS.

まず、Si酸化膜31中に形成した単結晶Siプラグ32の上部を10nmエッチバックした基板を用意した(図7(a))。この表面にSr0.6 La0.4 TiO3 膜33をヘリコンスパッタを用いて堆積し、さらにCMPによって表面を平坦化した(図7(b))。この際、単結晶Siプラグ32の直上のSr0.6 La0.4 TiO3 膜33は単結晶Siプラグ32にエピタキシャル成長し、単結晶電極バッファ層を形成している。 First, a substrate was prepared by etching back the upper part of the single crystal Si plug 32 formed in the Si oxide film 31 by 10 nm (FIG. 7A). An Sr 0.6 La 0.4 TiO 3 film 33 was deposited on this surface using helicon sputtering, and the surface was flattened by CMP (FIG. 7B). At this time, Sr 0.6 La 0. 4 TiO 3 film 33 directly above the single-crystal Si plug 32 is epitaxially grown single-crystal Si plug 32 to form a single crystal electrode buffer layer.

次いで、その表面にSi酸化膜34(60nm)を形成し、Sr0.6 La0.4 TiO3 膜33の直上部分をエッチングで除去した(図7(c))。さらに、その表面に下部電極の電極層材料としてSrRuO3 膜35′を、Si酸化膜34上で50nmとなるように堆積した(図7(d))。このとき、Siプラグ32の直上部分のSrRuO3 膜35′は電極バッファ層としてのSr0.6 La0.4 TiO3 膜33の結晶方位を引き継いだ単結晶エピタキシャル膜になっている。 Next, a Si oxide film 34 (60 nm) was formed on the surface, and the portion immediately above the Sr 0.6 La 0.4 TiO 3 film 33 was removed by etching (FIG. 7C). Further, an SrRuO 3 film 35 ′ was deposited on the surface as an electrode layer material for the lower electrode so as to be 50 nm on the Si oxide film 34 (FIG. 7D). At this time, the SrRuO 3 film 35 ′ immediately above the Si plug 32 is a single crystal epitaxial film that inherits the crystal orientation of the Sr 0.6 La 0.4 TiO 3 film 33 as the electrode buffer layer.

上記したSrRuO3 膜35′の表面を、CMPでSi酸化膜34の表面に達するまで研磨して、SrRuO3 膜からなる電極層35を形成し(図8(a))、さらにエッチングでSi酸化膜34を除去して、単結晶SrRuO3 ぺデスタル型立体下部電極35を得た(図8(b))。 The surface of the SrRuO 3 film 35 ′ is polished by CMP until it reaches the surface of the Si oxide film 34 to form an electrode layer 35 made of the SrRuO 3 film (FIG. 8A), and further, Si oxide is etched. The film 34 was removed to obtain a single crystal SrRuO 3 pedestal type solid lower electrode 35 (FIG. 8B).

さらに、この単結晶SrRuO3 ぺデスタル型立体下部電極35上に、MOCVD法で誘電体薄膜としてBa0.3 Sr0.7 TiO3 膜36を電極側壁で20nmの膜厚を有するように堆積し、その上に上部電極としてSrRuO3 膜37(30nm)を同じくMOCVD法を用いて成膜してキャパシタとした。 Further, a Ba 0.3 Sr 0.7 TiO 3 film 36 is deposited as a dielectric thin film on the single crystal SrRuO 3 pedestal type three-dimensional lower electrode 35 by a MOCVD method so as to have a film thickness of 20 nm on the electrode side wall. A SrRuO 3 film 37 (30 nm) was formed as an upper electrode by the same MOCVD method to obtain a capacitor.

X線や透過電子顕微鏡観察によって、この実施例7のキャパシタはSiプラグ32から上部電極としてのSrRuO3 膜37まで全てエピタキシャル成長したヘテロエピタキシャル全酸化物キャパシタであることを確認した。このキャパシタの実効誘電率は 800であり、0.15μm 世代のDRAM用キャパシタとして十分な性能を持つことが確認された。 By X-ray or transmission electron microscope observation, it was confirmed that the capacitor of Example 7 was a heteroepitaxial all-oxide capacitor that was epitaxially grown from the Si plug 32 to the SrRuO 3 film 37 as the upper electrode. The effective dielectric constant of this capacitor is 800, and it was confirmed that it has sufficient performance as a capacitor for 0.15 μm generation DRAM.

次に、本発明の半導体装置を半導体記憶装置に適用した他の実施形態について、図9〜図11を参照して説明する。図9はこの実施形態の半導体記憶装置の 1ビット分とその隣接パターンの平面図、図10は図9のX−X′線に沿った断面図、図11は図9のY−Y′線に沿った断面図である。   Next, another embodiment in which the semiconductor device of the present invention is applied to a semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 9 is a plan view of one bit and its adjacent pattern of the semiconductor memory device of this embodiment, FIG. 10 is a sectional view taken along line XX 'in FIG. 9, and FIG. 11 is a line YY' in FIG. FIG.

これらの図において、41は不純物濃度が 1〜 5×1015cm-3程度の (100)配向のp型シリコン基板(第1の基板)であり、p型シリコン基板41上にはその表面に形成されたN+ 拡散層42を介して、本発明による下部電極43、すなわち例えばSr0.7 La0.3 TiO2.9 膜からなる電極バッファ層44と例えばSrRuO3 膜からなるエピタキシャル電極層45、例えばエピタキシャル成長させた(Ba,Sr)TiO3 膜からなるキャパシタ絶縁膜46、および例えばSrRuO3 膜からなる上部電極47を有する薄膜キャパシタが形成されている。 In these figures, reference numeral 41 denotes a (100) -oriented p-type silicon substrate (first substrate) having an impurity concentration of about 1 to 5 × 10 15 cm −3 , and is formed on the p-type silicon substrate 41 on the surface thereof. The lower electrode 43 according to the present invention, that is, an electrode buffer layer 44 made of, for example, a Sr 0.7 La 0.3 TiO 2.9 film and an epitaxial electrode layer 45 made of, for example, a SrRuO 3 film, for example, epitaxially grown (Ba) through the N + diffusion layer 42. , Sr) A capacitor insulating film 46 made of a TiO 3 film and a thin film capacitor having an upper electrode 47 made of, for example, a SrRuO 3 film are formed.

また、第2の基板としてのSOI層48上には、ゲート電極49、ビット線50、配線層51、それらを絶縁する層間絶縁膜52、53、およびSOI基板中のソース/ドレイン拡散層のうちの一方とキャパシタの上部電極47とを電気的に接続する接続孔ポリSi層54を有するトランジタが形成されている。これらのキャパシタとトランジスタにより半導体記憶装置が構成されている。なお、図9において、Aは素子領域(Active Area)、Cはキャパシタ領域、Wはワード線である。   On the SOI layer 48 as the second substrate, a gate electrode 49, a bit line 50, a wiring layer 51, interlayer insulating films 52 and 53 that insulate them, and source / drain diffusion layers in the SOI substrate A transistor having a connection hole poly-Si layer 54 that electrically connects one of the capacitor and the upper electrode 47 of the capacitor is formed. These capacitors and transistors constitute a semiconductor memory device. In FIG. 9, A is an element area (Active Area), C is a capacitor area, and W is a word line.

図9〜図11に示す半導体記憶装置は、例えば以下のようにして製造することができる。図12を参照して、この実施形態の半導体記憶装置の製造工程について述べる。なお、図12は図10に示した図9のX−X′線に沿った断面図に対応するものである。   The semiconductor memory device shown in FIGS. 9 to 11 can be manufactured as follows, for example. With reference to FIG. 12, the manufacturing process of the semiconductor memory device of this embodiment will be described. 12 corresponds to a cross-sectional view taken along line XX ′ of FIG. 9 shown in FIG.

まず、図12(a)に示すように、 (100)配向性を持つ不純物濃度が 1〜 5×1015cm-3程度のp型Si基板41(またはp型Si基板の表面にp型エピタキシャルSi層を例えば 1μm 程度の膜厚で成長させたいわゆるエピタキシャル基板)に、nチャンネルトランジスタ形成領域にはpウェル(図示せず)、またpチャンネルトランジスタ形成領域にはnウェル(図示せず)を形成する。 First, as shown in FIG. 12A, a p-type epitaxial Si layer 41 (or a p-type epitaxial Si layer is formed on the surface of a p-type Si substrate having an impurity concentration of (100) orientation of about 1 to 5 × 10 15 cm −3. For example, a p-well (not shown) is formed in the n-channel transistor formation region, and an n-well (not shown) is formed in the p-channel transistor formation region. .

次いで、DRAMモードの場合には、共通の一定電位となるプレート電極(PL)(この例が図11に図示してある)、またFRAMモードの場合には、ビット線と同じ方向(平行)に形成される各メモリセル個別のプレート線(ドライブ線とも呼ぶ)となる下部電極群(Si基板41中のN+ 拡散層42を深さ 0.1μm 程度形成(省略も可能))を形成し、さらに例えば膜厚10nm程度のSr0.7La0.3 TiO2.9 膜を電極バッファ層44として、また例えば膜厚20nm程度のSrRuO3 膜を電極層45として形成する。 Next, in the case of the DRAM mode, a plate electrode (PL) having a common constant potential (this example is shown in FIG. 11), and in the case of the FRAM mode, in the same direction (parallel) as the bit line. A lower electrode group (an N + diffusion layer 42 in the Si substrate 41 is formed to a depth of about 0.1 μm (may be omitted)) to be a plate line (also called a drive line) for each memory cell to be formed, and For example, a Sr 0.7 La 0.3 TiO 2.9 film having a thickness of about 10 nm is formed as the electrode buffer layer 44, and a SrRuO 3 film having a thickness of about 20 nm is formed as the electrode layer 45.

N+ 拡散層42の形成には、例えばレジストマスク(図示せず)とAs+ イオン注入法を用いてもよい。また、電極バッファ層44および電極層45は、 600℃程度の基板加熟を行って、Sr0.7 La0.3 TiO2.9 膜とSrRuO3 膜を順次スパッタ法を用いて成膜し、順次エピタキシャル成長させる。もし必要ならば、成膜した後に 700℃程度のアニールを行い、エピタキシャルさせてもよい。ここでの下部電極43の電極バッファ層44は、Si基板41とキャパシタ誘電体膜46との間の相互拡散を防ぐ効果も有している。また、下部電極層43には誘電体膜46のリーク電流が少なくなるような材料を選択することが、DRAMモードでの応用上重要である。ここでは、SrRuO3 膜などを一例として用いている。 For the formation of the N + diffusion layer 42, for example, a resist mask (not shown) and an As + ion implantation method may be used. In addition, the electrode buffer layer 44 and the electrode layer 45 are subjected to substrate ripening at about 600 ° C., and a Sr 0.7 La 0.3 TiO 2.9 film and a SrRuO 3 film are sequentially formed by sputtering, and sequentially grown epitaxially. If necessary, the film may be annealed at about 700 ° C. after the film is formed and epitaxially formed. The electrode buffer layer 44 of the lower electrode 43 here also has an effect of preventing mutual diffusion between the Si substrate 41 and the capacitor dielectric film 46. In addition, it is important for the application in the DRAM mode to select a material for the lower electrode layer 43 that reduces the leakage current of the dielectric film 46. Here, a SrRuO 3 film or the like is used as an example.

次で、全面にキャパシタ絶縁膜46として例えば(Ba,Sr)TiO3 誘電体膜を形成する。誘電体膜46は、例えばRFマグネトロンスパッタリングにより、基板温度 600℃でArとO2 の混合ガス雰囲気中で成膜する。スパッタのターゲットとしてはBaTiO3 焼結体およびSrTiO3 焼結体の 2元ターゲットを使用してもよい。誘電体の膜厚は例えば30nm程度とする。 Next, for example, a (Ba, Sr) TiO 3 dielectric film is formed as a capacitor insulating film 46 on the entire surface. The dielectric film 46 is formed, for example, by RF magnetron sputtering in a mixed gas atmosphere of Ar and O 2 at a substrate temperature of 600 ° C. As a sputtering target, a binary target of BaTiO 3 sintered body and SrTiO 3 sintered body may be used. The film thickness of the dielectric is about 30 nm, for example.

また、誘電体膜の組成すなわちBa、Sr、Tiの比率は、例えばICP発光分光法により分折して所望の組成比となるように調節することができる。また、このようにして形成した誘電体膜は、例えばX線回折法により (100)面に配向したエピタキシャル膜であることを確かめておくことも重要である。なお、この誘電体膜の形成にはマグネトロンスパッタ法のほかにMOCVD法などを使用することもできる。   Further, the composition of the dielectric film, that is, the ratio of Ba, Sr, and Ti can be adjusted so as to obtain a desired composition ratio by, for example, analysis by ICP emission spectroscopy. It is also important to confirm that the dielectric film thus formed is an epitaxial film oriented in the (100) plane by, for example, X-ray diffraction. In addition to the magnetron sputtering method, the MOCVD method or the like can be used for forming the dielectric film.

次いで、全面に上部電極47を形成する。上部電極47の形成には、 600℃程度の基板加熱を行い、例えばSrRuO3 をスパッタ法を用いて例えば膜厚50nm程度成膜してエピタキシャル成長させる。もし必要ならば、成膜した後に 700℃程度のアニールを行い、界面特性の改善とエピタキシャル成長を促進させてもよい。次に、通常のフォトリソグラフィとプラズマエッチング(例えばRIE)などにより上部電極47の加工を行う。 Next, the upper electrode 47 is formed on the entire surface. For the formation of the upper electrode 47, the substrate is heated at about 600 ° C., and, for example, SrRuO 3 is formed to a thickness of, for example, about 50 nm using the sputtering method and epitaxially grown. If necessary, annealing may be performed at about 700 ° C. after film formation to improve interface characteristics and promote epitaxial growth. Next, the upper electrode 47 is processed by normal photolithography and plasma etching (for example, RIE).

上部電極47はDRAMでの蓄積電極(Storage Node)に相当している。さらに、全面にストッパ膜としてシリコン窒化膜(Si34 )55を40nm程度推積する。このストッパ膜55は後工程で、エッチングストッパ膜としての役割を果たすと共に、例えば水素雰囲気によるアニール時の誘電体膜46や電極膜44、45、47の劣化(組成変化や相互拡散など)の防止に対して有効である。 The upper electrode 47 corresponds to a storage electrode in the DRAM. Further, a silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 55 is deposited on the entire surface as a stopper film by about 40 nm. This stopper film 55 serves as an etching stopper film in a later process, and prevents deterioration (composition change, mutual diffusion, etc.) of the dielectric film 46 and the electrode films 44, 45, 47 during annealing in a hydrogen atmosphere, for example. It is effective against.

この後、全面にBPSGなどの絶縁膜56を例えば 500nm程度堆積し、例えばCMP(Chemical Mecanical Polishig)法などにより平坦化する。この平坦化絶縁膜56は次の工程でSOI層の形成に使用する重要な膜であり、Si基板の張り合わせに必要なだけのウェーハ面内での平坦性が要求される。   Thereafter, an insulating film 56 such as BPSG is deposited on the entire surface, for example, to a thickness of about 500 nm, and is planarized by, for example, a CMP (Chemical Mechanical Polishig) method. This planarization insulating film 56 is an important film used for forming an SOI layer in the next step, and requires flatness within the wafer surface necessary for bonding the Si substrates.

次に、図12(b)に示すように、第2のSi基板48′の表面に張り合わせ絶縁膜57として、熱酸化膜(SiO2 )を10nm程度とBPSG膜(またはCVD−SiO2 膜)を 200nm程度(省略可能)形成する。次いで、第2のSi基板48′の表面側(張り合わせ絶縁膜57)を、第1のSi基板41の平坦化絶縁膜56と合せて、張り合わせ面58で張り合わせる。張り合わせには公知の方法、例えば 900℃程度の熱処理や張り合わせの絶縁膜にBPSGなどの密着性を低温で実現できる膜などを使う方法などを利用することができ、後の接続孔の形成時にエッチングをSi34 膜55でストップさせるのに都合がよい(後の工程で詳述する)。 Next, as shown in FIG. 12B, a thermal oxide film (SiO 2 ) of about 10 nm and a BPSG film (or a CVD-SiO 2 film) are laminated as an insulating film 57 on the surface of the second Si substrate 48 ′. About 200 nm (can be omitted). Next, the surface side (bonding insulating film 57) of the second Si substrate 48 ′ is bonded together with the planarization insulating film 56 of the first Si substrate 41 on the bonding surface 58. For bonding, a known method such as a heat treatment of about 900 ° C. or a method using a film such as BPSG that can realize adhesiveness at a low temperature as the insulating film to be bonded can be used. Is convenient for stopping at the Si 3 N 4 film 55 (described in detail later).

次に、第2のSi基板48′の裏面から研磨して行き、例えば 150nm程度の厚さのSOI基板(SOI層)48を形成する。このほかの張り合わせ/研磨などの各種SOI層の形成方法を用いてもよい。もちろんSOI基板48の表面は後のトランジスタ形成に耐えるように鏡面研磨されている。   Next, polishing is performed from the back surface of the second Si substrate 48 ′ to form an SOI substrate (SOI layer) 48 having a thickness of about 150 nm, for example. Other methods for forming various SOI layers such as pasting / polishing may be used. Of course, the surface of the SOI substrate 48 is mirror-polished so as to withstand later transistor formation.

ここで、SOI層48の厚さについて、いくつかの場合について考える。まず、 150nm〜 300nm程度のSOI層の場合、約0.15μm 程度のSTI素子分離を行ってもSOI層の下部の張り合わせ絶縁膜には達しない。すなわち、SOI層のpウェルまたはnウェル(トランジスタの基板)が接続されている状態になる。このようなSOI層によれば、従来のSOIを用いたDRAMで問題になっていた基板浮遊効果による蓄積電荷のリークが抑えられるという利点がある。   Here, several cases will be considered regarding the thickness of the SOI layer 48. First, in the case of an SOI layer of about 150 nm to 300 nm, even if STI element isolation of about 0.15 μm is performed, it does not reach the laminated insulating film below the SOI layer. That is, the p-well or n-well (transistor substrate) of the SOI layer is connected. According to such an SOI layer, there is an advantage that leakage of accumulated charges due to a substrate floating effect, which has been a problem in a DRAM using a conventional SOI, can be suppressed.

また、60nm〜 150nm程度のSOI層の場合、約0.15μm 程度のSTI素子分離で各SOIトランジスタの基板は完全に分離される。すなわち、SOI層のトランジスタの基板は浮遊状態になるが、チャネル領域はイオン注入状態を制御することによりPD(Partial Depletion)になるように設定できる。このようなSOIでは、従来のSOI構造ではしきい値の設定が自由にできないという問題があったが、しきい値の設定が比較的簡単にできるようになるという利点がある。   In the case of an SOI layer of about 60 nm to 150 nm, the substrate of each SOI transistor is completely separated by STI element separation of about 0.15 μm. That is, the substrate of the SOI layer transistor is in a floating state, but the channel region can be set to be PD (Partial Depletion) by controlling the ion implantation state. Such SOI has a problem that the threshold value cannot be freely set in the conventional SOI structure, but has an advantage that the threshold value can be set relatively easily.

さらに、60nm以下程度のSOI層の場合、SOIトランジスタのチャネルは完全に空乏化しており、いわゆるFD(Fully Depletion)状態となる。このようなSOIでは、トランジスタの短チャネル効果が抑えられるなどの利点がある。   Furthermore, in the case of an SOI layer of about 60 nm or less, the channel of the SOI transistor is completely depleted, and a so-called FD (Fully Depletion) state is obtained. Such SOI has advantages such as suppressing the short channel effect of the transistor.

次に、図12(c)に示すように、例えば反応性イオンエッチング(RIE法)を用いでSOI基板48に溝を掘り、その溝に絶縁膜を埋や込んで形成する、いわゆるトレンチ型素子分離層59(トレンチ深さが約0.15μm 程度のSTI(Shallow Trench Isolation))を形成する。この際、SOI層48表面には予め厚さ 5nm程度のSiO2 膜60と膜厚 100nm程度のSi34 膜61を形成し、SOI表面を保護するようにする。STIの埋め込まれた絶縁膜の表面は、このSi34 膜61の表面に揃うように形成される。 Next, as shown in FIG. 12C, a so-called trench type element is formed by digging a groove in the SOI substrate 48 using, for example, reactive ion etching (RIE method) and embedding an insulating film in the groove. An isolation layer 59 (STI (Shallow Trench Isolation) having a trench depth of about 0.15 μm) is formed. At this time, a SiO 2 film 60 having a thickness of about 5 nm and a Si 3 N 4 film 61 having a thickness of about 100 nm are formed in advance on the surface of the SOI layer 48 so as to protect the SOI surface. The surface of the insulating film in which STI is embedded is formed so as to be aligned with the surface of the Si 3 N 4 film 61.

次いで、通常のフォトリソグラフィ法とRIE法などのプラズマエッチングを用いて接続孔62を開孔する。この際のREI条件として、まずSOI層(Si層)48とSTI層59のSiO2 層を共にエッチングする条件でエッチングした後、張り合わせ絶縁膜57および平坦化絶縁膜56の酸化膜系のエッチングを行い、エッチングをSi34 膜55で選択的にストップさせる。これには絶縁膜膜,例えばBPSG膜のエッチング速度がSi34 膜のエッチング速度に比べて極めで早い(約15程度)エッチング条件を用いるとよい。 Next, the connection hole 62 is opened using plasma etching such as normal photolithography and RIE. As REI conditions at this time, first, etching is performed under the conditions in which both the SOI layer (Si layer) 48 and the SiO 2 layer of the STI layer 59 are etched, and then the oxide film system etching of the bonding insulating film 57 and the planarizing insulating film 56 is performed. Etching is selectively stopped at the Si 3 N 4 film 55. For this, it is preferable to use an etching condition in which the etching rate of the insulating film, for example, the BPSG film is extremely fast (about 15) compared with the etching rate of the Si 3 N 4 film.

次に、図12(d)に示すように、接続孔62の底部のSi34 膜55を選択的に除去して上部電極47の表面を露出させる。このとき、SOI表面のSi34 膜61も同時に除去される。次いで、全面にN+ 型不純物を含だポリSi膜を約 200nm程度の膜厚で推積し、全面をCMPなどの方法でエッチバックすることにより、接続孔62にN+ ポリSi層からなる埋め込み層54を形成する。この後、RTA(Rapid Thermal Anneal)法により窒素雰囲気中にて 800℃程度で20秒間アニールすることにより、N+ 側壁拡散層63を形成する。 Next, as shown in FIG. 12D, the Si 3 N 4 film 55 at the bottom of the connection hole 62 is selectively removed to expose the surface of the upper electrode 47. At this time, the Si 3 N 4 film 61 on the SOI surface is also removed at the same time. Next, a poly-Si film containing N + type impurities is deposited on the entire surface to a thickness of about 200 nm, and the entire surface is etched back by a method such as CMP to form an N + poly-Si layer in the connection hole 62. A buried layer 54 is formed. Thereafter, N + sidewall diffusion layer 63 is formed by annealing at about 800 ° C. for 20 seconds in a nitrogen atmosphere by RTA (Rapid Thermal Anneal) method.

この後、図10および図11に示したように、SOI基板48表面のSiO2膜60を介して所望のチャネルイオン注入を行い、nチャネル、pチャネルトランジスタのためのチャネル不純物層(図示せず)を形成する。nチャネルトランジスタの場合、例えば0.7V程度のしきい値(Vth) を設定するためには、例えばボロン(B+ )を 10KeV、 5×1012cm-2程度イオン注入し、チャンネル領域にのみ選択的にp型チャンネル不純物層(図示せず)を形成する。SiO2 膜60を除去した後に再度SiO2 膜を形成してもよい。 Thereafter, as shown in FIGS. 10 and 11, desired channel ion implantation is performed through the SiO2 film 60 on the surface of the SOI substrate 48, and a channel impurity layer (not shown) for n-channel and p-channel transistors. Form. In the case of an n-channel transistor, for example, in order to set a threshold value (Vth) of about 0.7 V, boron (B +) is ion-implanted, for example, at about 10 KeV, 5 × 10 12 cm −2 and selectively only in the channel region. A p-type channel impurity layer (not shown) is formed. It may be re-form the SiO 2 film after removing the SiO 2 film 60.

次に、SOI表面のSiO2 膜を除去して、SOI基板48の表面を露出させた後、ゲート絶縁膜(SiO2 膜)64を例えば膜厚 6nm程度形成する。次いで、N+ ポリSi層65(膜厚50nm程度)、ゲート電極49としてWSi膜(膜厚50nm程度)、キャップSi34 膜66を順次推積する。 Next, after removing the SiO 2 film on the SOI surface to expose the surface of the SOI substrate 48, a gate insulating film (SiO 2 film) 64 is formed with a film thickness of about 6 nm, for example. Next, an N + poly Si layer 65 (film thickness of about 50 nm), a WSi film (film thickness of about 50 nm) and a cap Si 3 N 4 film 66 are sequentially deposited as the gate electrode 49.

この後、例えばフォトリソグラフィ法とRIE法などを用いて、まずキャップSi34 膜66を加工し、この加工したキャップSi34 膜66をマスクとしてWSi膜49、N+ ポリSi層65をゲート電極パターンに加工する。ここで、ゲート電極49としてWSi/N+ ポリSiを用いた例を示しているが、ポリSi単層膜でもよいし、他の積層膜構造であってもよい。キャップSi34膜66は後の工程での自己整合コンタクトに用いるための膜である。 Thereafter, the cap Si 3 N 4 film 66 is first processed by using, for example, a photolithography method and an RIE method, and the WSi film 49 and the N + poly Si layer 65 are processed using the processed cap Si 3 N 4 film 66 as a mask. Is processed into a gate electrode pattern. Here, an example in which WSi / N + poly-Si is used as the gate electrode 49 is shown, but a poly-Si single layer film or another laminated film structure may be used. The cap Si 3 N 4 film 66 is a film for use in a self-aligned contact in a later process.

次に、LDD(Lightly Doped Drain)構造を形成するため、ゲート電極49をマスクにして、フォトリソグラフィ法を用いて所望の領域に、例えばりン(P+)イオンの注入を 70KeV、 4×1013cm-2程度行い、n- 型ソース/ドレイン拡膜層67を形成する。次いで、Si34 膜を全面的に推積した後、レジストマスクで所望の領域のRIEを行って、ゲート電極49の側壁部のSi34 膜を残す、いわゆる側壁残しを行い、ゲート電極49の側壁に膜厚30nm程度のSi34 膜(図中にはない、周辺回路の部分に存在)を形成する。 Next, in order to form an LDD (Lightly Doped Drain) structure, for example, phosphorus (P +) ions are implanted into a desired region by photolithography using the gate electrode 49 as a mask at 70 KeV, 4 × 10 13 cm. About -2 is performed to form an n- type source / drain extension layer 67. Next, after depositing the entire surface of the Si 3 N 4 film, RIE of a desired region is performed with a resist mask to leave a Si 3 N 4 film on the side wall portion of the gate electrode 49, so-called side wall leaving is performed, A Si 3 N 4 film having a thickness of about 30 nm (not shown in the figure, existing in a peripheral circuit portion) is formed on the side wall of the electrode 49.

その後、フォトリソグラフィ法を用いて所望の領域に、例えば砒素(As+ )イオンの注入を 30KeV、 5×1015cm-2程度行って、n+ 型拡散層(図中にはない)を形成し、いわゆるLDD構造を形成する。ここではLDD構造を用いているが、n- 型拡散層のみ、あるいはn+ 型拡散層のみのいわゆるシングル・ソース/ドレイン方式でもよい。また、ここではnチャネルの場合のソース/ドレイン形成について説明したが、pチャンネル場合はp- 、p+ のソース/ドレイン拡散層を形成する。   Then, for example, arsenic (As +) ions are implanted into a desired region by photolithography at 30 KeV, 5 × 10 15 cm −2 to form an n + type diffusion layer (not shown). A so-called LDD structure is formed. Although an LDD structure is used here, a so-called single source / drain method using only an n− type diffusion layer or only an n + type diffusion layer may be used. Here, the source / drain formation in the case of the n channel has been described. However, in the case of the p channel, p @-and p @ + source / drain diffusion layers are formed.

次に、全面にCVD−Si34 を例えば30nm程度堆積して、ストッパSi34 膜66を形成し、全面に層間絶縁膜52としてBPSG膜を 500nm程度推積する。この後、例えば 800℃程度のN2 雰囲気で30分程度デンシファイを行う。この熱工程はソース/ドレインのイオン注入層の活性化を兼ねて行ってもよい。拡散層の深さ(Xj)を抑えたいときは、デンシファイの温度を 750℃程度に低温化し、 950℃で10秒程度のRTAプロセスを併用してイオン注入層の活性化を行ってもよい。 Next, CVD-Si 3 N 4 is deposited on the entire surface to a thickness of about 30 nm, for example, to form a stopper Si 3 N 4 film 66, and a BPSG film as an interlayer insulating film 52 is deposited on the entire surface to a thickness of about 500 nm. Thereafter, densification is performed for about 30 minutes in an N2 atmosphere at about 800 ° C., for example. This thermal process may also be performed to activate the source / drain ion implantation layer. In order to suppress the depth (Xj) of the diffusion layer, the densify temperature may be lowered to about 750 ° C., and the ion implantation layer may be activated by using an RTA process at 950 ° C. for about 10 seconds.

次いで、全面をCMPすることにより平坦化を行う。次に、ビット線コンタクト領域69にN+ ポリSiを埋め込み形成し、次いでソース、ドレイン、ゲート電極へのコンタクト(図示せず)、ビット線50、層間絶縁層53、メタル配線層(Al−Cu)51を順次形成する。さらに、全面にパッシベーション膜(図示せず)を推積して、DRAMの基本構造が完成する。   Next, the entire surface is planarized by CMP. Next, N @ + poly-Si is buried in the bit line contact region 69, and then contacts (not shown) to the source, drain and gate electrodes, bit line 50, interlayer insulating layer 53, metal wiring layer (Al-Cu). ) 51 are formed sequentially. Further, a passivation film (not shown) is deposited on the entire surface to complete the basic structure of the DRAM.

このような素子構造では、キャパシタ絶縁膜46となる高誘電体膜(または強誘電体膜)の形成を平坦なSi基板表面で行えるため、高誘電体膜(または強誘電体膜)の特性劣化(リーク電流の増加や膜疲労の増大、誘電率や分極率のバラツキ増加など)を抑えることができる。   In such an element structure, since the high dielectric film (or ferroelectric film) to be the capacitor insulating film 46 can be formed on the flat Si substrate surface, the characteristics of the high dielectric film (or ferroelectric film) are deteriorated. (Increase in leakage current, increase in film fatigue, increase in variation in dielectric constant and polarizability, etc.) can be suppressed.

また、下地として (100)配向したSi基板41が使えるため、Si基板41上に下部電極43の電極バッファ層44や電極層45としてSiとほぼ格子整合するドープしたSrTiO3 やSrRuO3 などを介して、キャパシタ絶縁膜46を誘電体の (220)配向性が損われないように安定して形成することができる。さらに、キャパシタがトランジスタの下側に配置されているため、配線層の形成時にキャバシタの段差がなくなり、コンタクトや配線形成工程が容易になり、工程の簡略化や平坦化工程の簡略化を達成することが可能となる。 In addition, since a (100) -oriented Si substrate 41 can be used as a base, doped SrTiO 3 or SrRuO 3 that is substantially lattice-matched with Si as an electrode buffer layer 44 or an electrode layer 45 of the lower electrode 43 on the Si substrate 41. Thus, the capacitor insulating film 46 can be stably formed so as not to impair the (220) orientation of the dielectric. Further, since the capacitor is disposed on the lower side of the transistor, the step of the capacitor is eliminated when the wiring layer is formed, and the contact and wiring forming process is facilitated, thereby simplifying the process and simplifying the flattening process. It becomes possible.

さらに、高誘電体膜(または強誘電体膜)キャパシタがSOI層48の下側に形成されているため、後工程のプロセス影響(コンタクトや配線形成時のプラズマ・ダメージなど)の影響を受けにくく、キャパシタ膜へのプロセス・ダメージが低減でき、製品の歩留りを向上させることができる。また、キャパシタがトランジスタの下部領域にあるので、トランジスタの下の領域までキャパシタ領域として使用でき、メモリセル領域におけるキャパシタの占める面積をメモリセル面積を大きくせずに増大させることができる。その結果、蓄積電荷量を増加させることができ、メモリセル動作マージンを大きくすることができ、製品の歩留りを向上させることができる。   Further, since the high dielectric film (or ferroelectric film) capacitor is formed below the SOI layer 48, it is less susceptible to the influence of subsequent processes (such as plasma damage during contact and wiring formation). In addition, the process damage to the capacitor film can be reduced, and the product yield can be improved. Further, since the capacitor is in the lower region of the transistor, the region below the transistor can be used as the capacitor region, and the area occupied by the capacitor in the memory cell region can be increased without increasing the memory cell area. As a result, the amount of stored charge can be increased, the memory cell operation margin can be increased, and the product yield can be improved.

加えて、 (100)配向のSi基板上に (100)配向を持つ下部電極層44、45と(100)配向のエピタキシャル成長したぺロブスカイト結晶構造などを有する誘電体膜46を形成しているため、電極との拘束により誘起された強誘電性や比誘電率の増大効果が利用できる。これは、薄膜化すると比誘電率などが低下するという結晶性の誘電性材料の持つ問題の解消に大きく貢献するものである。これらによって、キャパシタに蓄積される蓄積容量を大きくすることが可能となる。   In addition, since the (100) oriented lower electrode layers 44 and 45 and the (100) oriented epitaxially grown perovskite crystal structure are formed on the (100) oriented Si substrate, The effect of increasing the ferroelectricity and relative permittivity induced by the constraint with the electrode can be used. This greatly contributes to the solution of the problem of the crystalline dielectric material that the relative dielectric constant and the like are reduced when the film is thinned. As a result, the storage capacity stored in the capacitor can be increased.

上述した各実施形態の半導体記憶装置は、スイッチングトランジスタの上部に形成したプラグ上に本発明による下部電極(電極バッファ層と電極層との積層膜)を有する薄膜キャパシタを設けた例、並びに本発明による下部電極(電極バッファ層と電極層との積層膜)を有する薄膜キャパシタの上方にトランジスタを設けた基板を張り合わせた例である。   The semiconductor memory device of each of the embodiments described above is an example in which the thin film capacitor having the lower electrode (laminated film of the electrode buffer layer and the electrode layer) according to the present invention is provided on the plug formed on the switching transistor, and the present invention. This is an example in which a substrate provided with a transistor is bonded above a thin film capacitor having a lower electrode (laminated film of an electrode buffer layer and an electrode layer).

本発明の半導体装置を適用した半導体記憶装置は、これらに限られるものではなく、電極バッファ層を電極層の上部に設けることも可能である。以下に、本発明による電極バッファ層を電極層の上部に設けた電極を有する薄膜キャパシタと、さらにその上方に設けたトランジスタとを有する半導体記憶装置の実施形態について、図13〜図17を参照して説明する。   The semiconductor memory device to which the semiconductor device of the present invention is applied is not limited to these, and an electrode buffer layer can be provided on the electrode layer. Hereinafter, an embodiment of a semiconductor memory device having a thin film capacitor having an electrode provided with an electrode buffer layer above the electrode layer according to the present invention and a transistor provided thereabove will be described with reference to FIGS. I will explain.

図13は、この実施形態によるDRAMのユニットセル(メモリセル) 2つ分に対応する部分を模式的に示す断面図である。同図において、p型Si(100) 基板から形成された薄膜シリコン層84の第1の主表面側には、第1の電極73、誘電体膜78、第2の電極79から構成されたエピタキシャル成長による薄膜キャパシタ96が形成されている。薄膜キャパシタ96は、隣接する 2つのメモリセルが形成された薄膜シリコン層84の第1の主表面側に、一様に連続した平面として形成されている。この第1の主表面に対向した第2の主表面側には、 2つのスイッチングトランジスタ87A、87Bが形成されている。   FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing a portion corresponding to two unit cells (memory cells) of the DRAM according to this embodiment. In the figure, an epitaxial growth composed of a first electrode 73, a dielectric film 78, and a second electrode 79 is formed on the first main surface side of a thin film silicon layer 84 formed from a p-type Si (100) substrate. A thin film capacitor 96 is formed. The thin film capacitor 96 is formed as a uniformly continuous plane on the first main surface side of the thin film silicon layer 84 in which two adjacent memory cells are formed. Two switching transistors 87A and 87B are formed on the second main surface side facing the first main surface.

スイッチングトランジスタ87Aは、n+ ソース領域88、n+ ドレイン領域89、ゲート酸化膜90、ゲート電極91とから形成されている。スイッチングトランジスタ87Aのn+ ドレイン領域89は、隣接するスイッチングトランジスタ87Bのn+ ドレイン領域も兼ねている。すなわち、n+ ドレイン領域45、n+ ソース領域88、ゲート酸化膜90、ゲート電極91とによりスイッチングトランジスタ87Bが形成されている。   The switching transistor 87A is formed of an n + source region 88, an n + drain region 89, a gate oxide film 90, and a gate electrode 91. The n + drain region 89 of the switching transistor 87A also serves as the n + drain region of the adjacent switching transistor 87B. That is, the switching transistor 87B is formed by the n + drain region 45, the n + source region 88, the gate oxide film 90, and the gate electrode 91.

スイッチングトランジスタ87A、87Bのゲート電極91は、ドーブド・ポリシリコン層91aとWSi2 、MoSi2 、TiSi2 などの高融点金属のシリサイド層91bとからなる 2層構造を有している。高融点金属のシリサイド層に代えて、W、Mo、Ti、Coなどの高融点金属を用いてもよい。 The gate electrodes 91 of the switching transistors 87A and 87B have a two-layer structure including a doped polysilicon layer 91a and a refractory metal silicide layer 91b such as WSi 2 , MoSi 2 , TiSi 2 . Instead of the refractory metal silicide layer, a refractory metal such as W, Mo, Ti, or Co may be used.

ゲート電極91はDRAMのワード線も兼ねている。スイッチングトランジスタ87a、87Bに共通のn+ ドレイン領域89は、コンタクトプラグ93を介してビット線94に接続されている。スイッチングトランジスタ87a、87Bが形成されている薄膜シリコン層84は、素子分離用絶縁膜77により隣接する薄膜シリコン層と互いに分離されている。薄膜シリコン層84の周辺にはn+ 側壁拡散層86が形成され、n+ 側壁拡散層86と素子分離用絶縁膜77との間にはn+ ドープドポリシリコンからなるコンタクトプラグ85が形成されている。さらに、薄膜シリコン層84の第1の主表面側には、n+ 不純物拡散層72が形成されている。DRAMの薄膜キャパシタ96を構成する第1の電極73の電極層75とn+ 不純物拡散層72との間には、Sr0.7 La0.3 TiO3 膜などからなる電極バッファ層74が形成されている。第1の電極73はキャパシタ分離用絶縁膜76により隣接するユニットセルと分離されている。   The gate electrode 91 also serves as a DRAM word line. An n + drain region 89 common to the switching transistors 87a and 87B is connected to the bit line 94 via a contact plug 93. The thin film silicon layer 84 in which the switching transistors 87a and 87B are formed is separated from the adjacent thin film silicon layer by the element isolation insulating film 77. An n + sidewall diffusion layer 86 is formed around the thin film silicon layer 84, and a contact plug 85 made of n + doped polysilicon is formed between the n + sidewall diffusion layer 86 and the element isolation insulating film 77. ing. Further, an n + impurity diffusion layer 72 is formed on the first main surface side of the thin film silicon layer 84. An electrode buffer layer 74 made of an Sr0.7 La0.3 TiO3 film or the like is formed between the electrode layer 75 of the first electrode 73 constituting the thin film capacitor 96 of the DRAM and the n + impurity diffusion layer 72. . The first electrode 73 is separated from adjacent unit cells by a capacitor isolation insulating film 76.

図13に示すように、薄膜キャパシタ96の第1の電極73の電極バッファ層74は、コンタクトプラグ85、n+ 側壁拡散層86およびn+ 不純物拡散層72を介して、スイッチングトランジスタ87Aまたは87Bのn+ ソース領域88と接続されているので、コンタクト抵抗は極めて小さい。   As shown in FIG. 13, the electrode buffer layer 74 of the first electrode 73 of the thin film capacitor 96 includes the switching transistor 87A or 87B via the contact plug 85, the n + sidewall diffusion layer 86 and the n + impurity diffusion layer 72. Since it is connected to the n + source region 88, the contact resistance is extremely small.

さらに、図13に示す構造によれば、下地としてSi基板71の (100)面からなる薄膜シリコン層84が使用できるため、薄膜シリコン層84の下部側(第1の主表面側)全面に (100)配向したSr0.7 La0.3 TiO3 膜74、 (100)配向したSrRuO3 膜75、79、さらに (100)配向した(Ba,Sr)TiO3 膜78などを安定して作製することができる。このため、常請電体キャパシタの誘電率のばらつきやリーク電流のばらつきを抑えることができる。 Further, according to the structure shown in FIG. 13, since the thin film silicon layer 84 composed of the (100) surface of the Si substrate 71 can be used as a base, the entire surface of the lower side (first main surface side) of the thin film silicon layer 84 ( 100) oriented Sr 0.7 La 0. 3 TiO 3 film 74, (100) -oriented SrRuO 3 film 75 and 79, and (100) -oriented (Ba, Sr) making a like TiO 3 film 78 stably Can do. For this reason, it is possible to suppress variations in the dielectric constant and leakage current of the regular electric capacitor.

また、薄膜キャパシタ96が各スイッチングトランジスタ87A、87Bの下側に同一平面レベルで形成されているため、配線層の形成時に薄膜キャパシタが存在することに起因した表面の段差がなくなり、コンタクトや配線形成工程が容易になり、工程の簡略化や平坦化工程の簡略化が達成できる。また、薄膜キャパシタ96の第1の電極73とスイッチングトランジスタ87A、87Bをキャパシタ分離用絶縁膜76および素子分離用絶縁膜77により同時に分離できるため、マスク合わせ誤差が少なく、製品の歩留りが向上する。   Further, since the thin film capacitor 96 is formed on the same plane level below the switching transistors 87A and 87B, there is no surface step due to the presence of the thin film capacitor when the wiring layer is formed, and contact and wiring formation are performed. A process becomes easy and simplification of a process and simplification of a planarization process can be achieved. Further, since the first electrode 73 of the thin film capacitor 96 and the switching transistors 87A and 87B can be simultaneously separated by the capacitor isolation insulating film 76 and the element isolation insulating film 77, the mask alignment error is small, and the product yield is improved.

加えて、薄膜キャパシタ96がスイッチングトランジスタ87A、87Bの下部側(第1の主表面側)の領域に立体化されているので、スイッチングトランジスタ87A、87Bの下側(第1の主表面側)の領域全てがキャパシタ領域として使用できる。このため、各メモリセルにおける薄膜キャパシタの占める面積をメモリセルの面積を大きくせずに確保できる。その結果、DRAMの蓄積電荷量を大きくでき、メモリセル動作マージンを大きくすることができる。また、図示はしないが、周辺回路の部分については、薄膜キャパシタ41の代りに絶縁膜を充当することにより薄膜SOI構造にすることが可能であり、トランジスタの高速動作や低消費電力動作が可能となる。   In addition, since the thin film capacitor 96 is three-dimensionalized in a region on the lower side (first main surface side) of the switching transistors 87A and 87B, the thin film capacitor 96 is provided on the lower side (first main surface side) of the switching transistors 87A and 87B. The entire area can be used as a capacitor area. Therefore, the area occupied by the thin film capacitor in each memory cell can be secured without increasing the area of the memory cell. As a result, the amount of charge stored in the DRAM can be increased and the memory cell operation margin can be increased. Although not shown, the peripheral circuit portion can be made into a thin-film SOI structure by applying an insulating film in place of the thin-film capacitor 41, so that high-speed operation and low-power consumption operation of the transistor are possible. Become.

次に、図14〜図17を参照して、この実施形態のDRAMの製造方法をスイッチングトランジスタ87A側のみに着目して説明する。   Next, with reference to FIGS. 14 to 17, the DRAM manufacturing method of this embodiment will be described by focusing attention only on the switching transistor 87A side.

まず、図14(a)に示すように、p型Si(100) 基板71の第1の主表面に、深さ 0.1μm 程度のn+ 不純物拡散層72を形成した後、第1の電極73の電極バッファ層74として膜厚10nmのSr0.7 La0.3 TiO3 膜と電極層75として膜厚20nmのSrRuO3 膜を、いずれもスパッタ法により基板温度 600℃で連続してエピタキシャル成長する。 First, as shown in FIG. 14A, after forming an n + impurity diffusion layer 72 having a depth of about 0.1 μm on the first main surface of a p-type Si (100) substrate 71, a first electrode 73 is formed. A 10 nm thick Sr 0.7 La 0.3 TiO 3 film as the electrode buffer layer 74 and a 20 nm thick SrRuO 3 film as the electrode layer 75 are continuously epitaxially grown at a substrate temperature of 600 ° C. by sputtering.

次いで、図14(b)に示すように、隣接するキャパシタを分離するための第1の溝および素子分離用の第2の溝をフォトリソグラフィおよび反応性イオンエッチング(RIE)法により形成し、それぞれにキャパシタ分離用絶縁膜76および素子分離用絶縁膜77として酸化膜(SiO2 膜)をCVD法を用いて成膜する。その後、CMPにより第1の主表面側を平坦化する。なお、このときに電極層75の表面を保護するために、研磨停止層として予めTiN膜などを形成しておき、CMP後にエッチング除去するなどの方法を使用することができる。 Next, as shown in FIG. 14B, a first groove for separating adjacent capacitors and a second groove for element isolation are formed by photolithography and reactive ion etching (RIE), respectively. Then, an oxide film (SiO 2 film) is formed as the capacitor isolation insulating film 76 and the element isolation insulating film 77 by using the CVD method. Thereafter, the first main surface side is flattened by CMP. At this time, in order to protect the surface of the electrode layer 75, a method of forming a TiN film or the like in advance as a polishing stopper layer and removing it by etching after CMP can be used.

次に、図14(c)に示すように、誘電体薄膜78としてBaモル分率が 30%で厚さ20nmのBSTO薄膜、さらに第2の電極79として厚さ20nmSrRuO3膜を、それぞれRFおよびDCスパッタ法により基板温度 600℃でエピタキシャル成長する。キャパシタ分離用絶縁膜76および素子分離用絶縁膜77の上部のBSTO膜およびSrRuO3 膜は多結晶膜となる。以降においては、多結晶化したBSTO膜およびSrRuO3 膜をそれぞれ「ポリBSTO膜78p」および「ポリSrRuO 79p」と呼ぶ。さらに、プレート電極80として室温で膜厚 200nmTiN膜を全面に形成する。 Next, as shown in FIG. 14 (c), a BSTO thin film having a Ba mole fraction of 30% and a thickness of 20 nm is formed as the dielectric thin film 78, and a 20 nm thick SrRuO 3 film is formed as the second electrode 79 by RF and Epitaxial growth is performed at a substrate temperature of 600 ° C. by DC sputtering. The BSTO film and the SrRuO 3 film above the capacitor isolation insulating film 76 and the element isolation insulating film 77 are polycrystalline films. Hereinafter, the polycrystallized BSTO film and SrRuO 3 film are referred to as “poly BSTO film 78p” and “poly SrRuO 3 79p”, respectively. Further, a 200 nm-thick TiN film is formed on the entire surface as the plate electrode 80 at room temperature.

次に、図15(a)に示すように、張り合わせ用絶縁膜81としてBPSG膜を例えば 500nm程度成膜した後、その表面を例えばCMPにより平坦化して鏡面を得る。   Next, as shown in FIG. 15A, after a BPSG film is formed to a thickness of, for example, about 500 nm as the bonding insulating film 81, the surface is flattened by, for example, CMP to obtain a mirror surface.

一方、支持基板82を用意し、図15(b)に示すように、支持基板82上に他のBPSG膜83を形成し、その表面を平坦化して鏡面を得る。そして、BPSG膜の鏡面同士を突き合わせて、p型Si(100) 基板71と支持基板82とを接着する。接着には前述した実施形態で示した公知の方法が使用される。   On the other hand, a support substrate 82 is prepared, and as shown in FIG. 15B, another BPSG film 83 is formed on the support substrate 82, and the surface thereof is flattened to obtain a mirror surface. Then, the mirror surfaces of the BPSG film are brought into contact with each other, and the p-type Si (100) substrate 71 and the support substrate 82 are bonded. For the bonding, a known method shown in the above-described embodiment is used.

次に、図16(a)に示すように、p型Si(100) 基板71の第2の主表面側から研磨していき、素子分離用絶縁膜77を停止層として、例えば 150nm程度の厚さの薄膜シリコン層84を形成する。薄膜シリコン層84を得るためには、スマートカット基板などの接着、RIEによるSOIの形成方法を用いてもよい。もちろん薄膜シリコン層84の第2の主表面は、後のトランジスタ形成工程に耐え得るように鏡面研磨する。また、第1の主表面側から形成された素子分離用絶縁膜77によりトランジスタ形成領域についても同時に素子分離されている。   Next, as shown in FIG. 16A, polishing is performed from the second main surface side of the p-type Si (100) substrate 71, and the element isolation insulating film 77 is used as a stop layer, for example, with a thickness of about 150 nm. A thin silicon layer 84 is formed. In order to obtain the thin film silicon layer 84, a method of forming an SOI by bonding such as a smart cut substrate or RIE may be used. Of course, the second main surface of the thin film silicon layer 84 is mirror-polished so that it can withstand a subsequent transistor formation step. The transistor isolation region is also isolated at the same time by the element isolation insulating film 77 formed from the first main surface side.

次いで、通常のフォトリソグラフィ法とRIE法などのドライエッチング技術を用いて、素子分離用絶縁膜77に隣接して接続孔を開口する。このときのエッチング条件は電極バッファ層74(Sr0.7 La0.3 TiO3 膜)や電極層75(SrRuO3 膜)をストッパとして用いて選択的にストッブさせるとよい。 Next, a connection hole is opened adjacent to the element isolation insulating film 77 by using a dry etching technique such as a normal photolithography method and an RIE method. Etching conditions at this time may be selectively stopped using the electrode buffer layer 74 (Sr 0.7 La 0.3 TiO 3 film) or the electrode layer 75 (SrRuO 3 film) as a stopper.

次に、図16(b)に示すように、接続孔の全面に例えばn+ 型不純物を含んだドープド・ポリシリコン膜を約 200nm程度の膜厚で堆積し、全面をCMPなどでエッチバックすることにより、接続孔にn+ ドープド・ポリシリコン膜からなるコンタクトプラグ85を形成する。この後、RTA法で 800℃程度、20秒間窒素雰囲気でアニールすることにより、n+ 型不純物をp型Si(100) 基板71に接続孔の側面より拡散しn+ 側壁拡散層86を形成する。   Next, as shown in FIG. 16B, a doped polysilicon film containing, for example, an n + -type impurity is deposited to a thickness of about 200 nm on the entire surface of the connection hole, and the entire surface is etched back by CMP or the like. As a result, a contact plug 85 made of an n + doped polysilicon film is formed in the connection hole. Thereafter, annealing is carried out in a nitrogen atmosphere at about 800 ° C. for 20 seconds by the RTA method, whereby n + -type impurities are diffused into the p-type Si (100) substrate 71 from the side surface of the connection hole to form an n + sidewall diffusion layer 86. .

次に、一般的なMOSプロセスを使用して、スイッチングトランジスタ87Aを薄膜シリコン層84の第2の主表面側に形成する。すなわち、図17に示すように、n+ ソース領域88、n+ ドレイン領域89、ゲート酸化膜90、ゲート電極91からなるスイッチングトランジスタ87Aを形成する。さらに、第1の層間絶縁膜92を堆積し、n+ ドレイン領域89の上部の層間絶縁膜92を除去し、コンタクトプラグ93を埋め込みビット線94を形成する。さらに、ビット線94の上部に第2の層間絶縁膜95を堆積すれば、図17に示すDRAMが完成する。   Next, the switching transistor 87A is formed on the second main surface side of the thin film silicon layer 84 using a general MOS process. That is, as shown in FIG. 17, a switching transistor 87A composed of an n + source region 88, an n + drain region 89, a gate oxide film 90, and a gate electrode 91 is formed. Further, a first interlayer insulating film 92 is deposited, the interlayer insulating film 92 above the n + drain region 89 is removed, and a contact plug 93 is embedded to form a bit line 94. Further, if a second interlayer insulating film 95 is deposited on the bit line 94, the DRAM shown in FIG. 17 is completed.

なお、以上の説明ではスイッチングトランジスタ87Aのみに着目して説明したが、スイッチングトランジスタ87Bも同一工程で同時に完成することはもちろんである。ただし、図17に示すように、上記製造工程ではキャパシタ分離用絶縁膜76および素子分離用絶縁膜77の下部がポリBSTO78p、ポリSrRuO3 膜79pとなっている点で、厳密には図13に示したDRAM構造とは若干異なる。 In the above description, only the switching transistor 87A has been described. However, the switching transistor 87B is of course completed simultaneously in the same process. However, as shown in FIG. 17, in the above manufacturing process, the lower part of the capacitor isolation insulating film 76 and the element isolation insulating film 77 is the poly BSTO 78p and the poly SrRuO 3 film 79p. The DRAM structure shown is slightly different.

図14〜図17に示す方法によりDRAMを製造することによって、薄膜キャパシタの第1および第2の電極と誘電体膜はp型Si(100) 基板の方位に合わせて (100)面でエピタキシヤル成長していることが確かめられた。このため、非常に高い誘電率の常誘電体膜が得られ、その誘電率は 930と非常に大きな値が得られた。このような常誘電体膜を使用した薄板キャパシタによって、良好なDRAMの動作が確認された。   By manufacturing the DRAM by the method shown in FIGS. 14 to 17, the first and second electrodes and the dielectric film of the thin film capacitor are aligned with the orientation of the p-type Si (100) substrate, and the (100) plane is epitaxial. It was confirmed that it was growing. For this reason, a paraelectric film having a very high dielectric constant was obtained, and the dielectric constant was a very large value of 930. Good DRAM operation was confirmed by such a thin plate capacitor using a paraelectric film.

次に、本発明の半導体装置をMMIC用キャパシタを有する半導体装置に適用した実施形態について、図18を参照して説明する。   Next, an embodiment in which the semiconductor device of the present invention is applied to a semiconductor device having an MMIC capacitor will be described with reference to FIG.

図18に示す半導体装置において、GaAs基板101上にはSrTiO3 膜102とSr0.5 La0.5 TiO3 膜からなる第1の配線層103とがこの順に配設されている。第1の配線層103上にはキャパシタ104が形成されている。キャパシタ104の下部電極105はSrRuO3 からなり、誘電体膜106はSrTiO3 (STO)からなる。 In the semiconductor device shown in FIG. 18, an SrTiO 3 film 102 and a first wiring layer 103 made of an Sr 0.5 La 0.5 TiO 3 film are arranged in this order on a GaAs substrate 101. A capacitor 104 is formed on the first wiring layer 103. The lower electrode 105 of the capacitor 104 is made of SrRuO 3 , and the dielectric film 106 is made of SrTiO 3 (STO).

キャパシタ104の上部電極107は、下から順にSrRuO3 、WNx (窒化タングステン)層107a(120nm)/W層107b(300nm)からなる多層構造を有している。すなわち、誘電体膜106に接する上部電極107の接触面はSrRuO3 である。このキャパシタ104では下部バッファ層が第1の配線層103の役割も果たしており、STO膜102、当該バッファ層103、下部電極105、誘電体膜106および上部電極107の最下面はいずれもエピタキシャル膜となっている。なお、108は絶縁層、109は配線層である。 The upper electrode 107 of the capacitor 104 has a multilayer structure composed of SrRuO 3 , WNx (tungsten nitride) layer 107a (120 nm) / W layer 107b (300 nm) in order from the bottom. That is, the contact surface of the upper electrode 107 in contact with the dielectric film 106 is SrRuO 3 . In this capacitor 104, the lower buffer layer also serves as the first wiring layer 103, and the bottom surfaces of the STO film 102, the buffer layer 103, the lower electrode 105, the dielectric film 106, and the upper electrode 107 are all epitaxial films. It has become. Reference numeral 108 denotes an insulating layer, and 109 denotes a wiring layer.

誘電体膜106の材料としてはSTOのほか、Bax Sr1−x TiO3 (BSTO)、Ta25 、PbZrx Ti1−x O3 、Pbx La1−x Zry Til-y3 などの金属酸化物高誘電体を用いることができる。なお、MMIC用のキャパシタの場合、800MHz以上の周波数で使用されることを想定しているため、周波数特性がよくない強誘電性の誘電体よりも、若干比誘電率が低くても常誘電性のぺロプスカイト系誘電体が適している。 Other STO The dielectric film 106, Ba x Sr 1-x TiO 3 (BSTO), Ta 2 O 5, etc. PbZr x Ti 1-x O3, Pb x La 1-x Zr y Ti ly O 3 The metal oxide high dielectric can be used. In the case of a capacitor for MMIC, since it is assumed that it is used at a frequency of 800 MHz or higher, it is a paraelectric property even if its relative dielectric constant is slightly lower than that of a ferroelectric dielectric having poor frequency characteristics. The perovskite dielectrics are suitable.

このようなエピタキシャルキャパシタをGaAs基板上に作製するためには、前述した各実施例で述べてきたSi基板上のキャパシタに比べてより低温での成膜が必要となる。この場合、例えばMOCVD法を用いることにより 450〜 500℃での成膜で単結晶エピタキシャルキャパシタを作製することができる。このような低温で作製したキャパシタは、エピタキシャル構造を有するとはいえ、より高温で成膜した場合に比べて誘電率はわずかに小さな値を示すものの、通常の多結晶キャパシタに比べればより大きな誘電率と小さなリーク電流を示すため、マイクロ波用途に用いるMMICとして優れた特性を示す。   In order to produce such an epitaxial capacitor on a GaAs substrate, it is necessary to form a film at a lower temperature than the capacitor on the Si substrate described in each of the above embodiments. In this case, for example, by using the MOCVD method, a single crystal epitaxial capacitor can be formed by film formation at 450 to 500 ° C. Although a capacitor manufactured at such a low temperature has an epitaxial structure, the dielectric constant is slightly smaller than that of a film formed at a higher temperature, but a larger dielectric than that of an ordinary polycrystalline capacitor. Since it exhibits a high rate and a small leakage current, it exhibits excellent characteristics as an MMIC used for microwave applications.

本発明を適用した半導体記憶装置の第1の実施形態のキャパシタ部分を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the capacitor part of 1st Embodiment of the semiconductor memory device to which this invention is applied. 図1に示すキャパシタの変形例を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a modification of the capacitor shown in FIG. 1. 本発明の実施例1による半導体記憶装置のキャパシタ部分を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the capacitor part of the semiconductor memory device by Example 1 of this invention. 本発明の実施例2による半導体記憶装置の印加電圧と誘電率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied voltage and dielectric constant of the semiconductor memory device by Example 2 of this invention. 本発明の実施例2による半導体記憶装置の印加電圧とリーク電流密度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the applied voltage and leakage current density of the semiconductor memory device by Example 2 of this invention. 本発明の実施例3による半導体記憶装置のキャパシタ部分を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the capacitor part of the semiconductor memory device by Example 3 of this invention. 本発明の実施例7による半導体記憶装置のキャパシタ部分の製造工程の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of the manufacturing process of the capacitor | condenser part of the semiconductor memory device by Example 7 of this invention. 図7に続くキャパシタ部分の製造工程を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the capacitor portion following that of FIG. 7; 本発明を適用した半導体記憶装置の第2の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 2nd Embodiment of the semiconductor memory device to which this invention is applied. 図9に示す半導体記憶装置のX−X′線に沿った断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ of the semiconductor memory device shown in FIG. 9. 図9に示す半導体記憶装置のY−Y′線に沿った断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line YY ′ of the semiconductor memory device shown in FIG. 9. 図9に示す半導体記憶装置の製造工程の一例の要部を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing a main part of an example of a manufacturing process of the semiconductor memory device shown in FIG. 9. 本発明を適用した半導体記憶装置の第3の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 3rd Embodiment of the semiconductor memory device to which this invention is applied. 図13に示す半導体記憶装置の製造工程の要部を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing a main part of a manufacturing process of the semiconductor memory device shown in FIG. 13. 図14に続く半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device, following FIG. 14; 図15に続く半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device, following FIG. 15; 図16に続く半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the semiconductor memory device, following FIG. 16; 本発明の半導体装置の第4の実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 4th Embodiment of the semiconductor device of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

2,11,21,32…プラグ、3…薄膜キャパシタ、4…下部電極、5,16,28,36…誘電体薄膜、6,17,29,37…上部電極、7,14,26,33…電極バッファ層、8,15,27,35…電極層
13,25…非酸化物バッファ層
2, 11, 21, 32 ... plug, 3 ... thin film capacitor, 4 ... lower electrode, 5, 16, 28, 36 ... dielectric thin film, 6, 17, 29, 37 ... upper electrode, 7, 14, 26, 33 ... Electrode buffer layer, 8, 15, 27, 35 ... Electrode layers 13, 25 ... Non-oxide buffer layer

Claims (3)

下部電極と、前記下部電極上に配置されたぺロブスカイト型酸化物からなる誘電体薄膜と、前記誘電体薄膜上に配置された上部電極とを有する薄膜キャパシタを具備する半導体装置において、
前記下部電極は、少なくとも 2種類の導電性ぺロブスカイト型酸化物の積層膜からなり、かつ導電性を有する非酸化物からなるバッファ層を介してSi上に接続配置されていることを特徴とする半導体装置。
In a semiconductor device comprising a thin film capacitor having a lower electrode, a dielectric thin film made of a perovskite oxide disposed on the lower electrode, and an upper electrode disposed on the dielectric thin film,
The lower electrode is composed of a laminated film of at least two kinds of conductive perovskite oxides, and is connected to Si via a buffer layer made of a non-oxide having conductivity. Semiconductor device.
請求項1記載の半導体装置において、
前記下部電極は、前記誘電体薄膜と接するように配置された導電性ぺロブスカイト型酸物からなる電極層と、
前記電極層を構成する前記導電性ぺロブスカイト型酸化物とは異なり、かつ低酸素分圧下で安定な導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層とを有することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The lower electrode includes an electrode layer made of a conductive perovskite-type acid disposed so as to be in contact with the dielectric thin film;
A semiconductor device comprising: an electrode buffer layer made of a conductive perovskite oxide that is different from the conductive perovskite oxide constituting the electrode layer and is stable under a low oxygen partial pressure.
請求項1記載の半導体装置において、
前記下部電極は、前記誘電体薄膜と接するように配置され、SrRuO3 、Sr1−x Bax RuO3 およびSr1−y REy CoO3 (REはLa、Pr、SmおよびNdから選ばれる少なくとも 1種の元素を、xおよびyは 0<x< 1、 0<y< 1を満足する数を示す)から選ばれる少なくとも 1種の導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極層と、酸素欠損を有するAETiO3−d (AEはSrおよびBaから選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)および構成元素の一部をM元素(MはNbおよび希土類元素から選ばれる少なくとも 1種の元素を示す)で置換したAETiO3 から選ばれる少なくとも 1種の導電性ぺロブスカイト型酸化物からなる電極バッファ層とを有することを特徴とする半導体装置。
The semiconductor device according to claim 1,
The lower electrode is disposed in contact with the dielectric thin film, and SrRuO 3 , Sr 1-x Ba x RuO 3 and Sr 1-y RE y CoO 3 (RE is at least selected from La, Pr, Sm and Nd) An electrode layer composed of at least one conductive perovskite oxide selected from the group consisting of at least one element wherein x and y are 0 <x <1, and 0 <y <1) AETiO 3-d having AE (AE represents at least one element selected from Sr and Ba) and part of the constituent elements is M element (M represents at least one element selected from Nb and rare earth elements) And an electrode buffer layer made of at least one conductive perovskite oxide selected from AETiO 3 substituted with the above.
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