JP2005101517A - Capacitive element and semiconductor memory - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体を容量絶縁膜とした立体構造を有する容量素子及びそれを用いた半導体記憶装置に関する。 The present invention relates to a capacitive element having a three-dimensional structure using a ferroelectric as a capacitive insulating film, and a semiconductor memory device using the capacitive element.
近年、従来にはない低電圧且つ高速で書き込み及び読み出し動作が可能な不揮発性RAM(Nonvolatile Random Access Memory)の実用化を目指し、自発分極特性を有する強誘電体膜に関する研究開発が盛んに行なわれている。特に、デザインルールが0.18μm以下の相補型MOSトランジスタ(CMOS:Complementary Metal-Oxide Semiconductor)で構成された大規模集積回路(LSI:Large-Scale Integrated circuit)上に搭載するメガビット級の半導体記憶装置を実現するには、小面積でも大容量を実現できる立体構造を有する容量素子を開発しなければならない。この立体構造を有する容量素子は、通常、表面が凹凸状に形成された下部電極の上に容量絶縁膜である強誘電体膜を成膜しなければならない。 In recent years, research and development have been actively conducted on ferroelectric films having spontaneous polarization characteristics with the aim of putting non-volatile RAM (Nonvolatile Random Access Memory) capable of writing and reading operations at a low voltage and high speed unprecedented. ing. In particular, a megabit-class semiconductor storage device mounted on a large-scale integrated circuit (LSI) composed of complementary metal-oxide semiconductors (CMOS) whose design rule is 0.18 μm or less. In order to realize the above, it is necessary to develop a capacitive element having a three-dimensional structure capable of realizing a large capacity even in a small area. In a capacitor element having this three-dimensional structure, it is usually necessary to form a ferroelectric film, which is a capacitor insulating film, on a lower electrode whose surface is uneven.
さらなる高集積化を図るには、容量素子を立体化して横方向(基板の主面に平行な方向)の寸法を縮小する一方、該容量素子の容量を確保するために強誘電体膜の膜厚をできる限り薄くする必要がある。従って、膜厚が薄い強誘電体膜に対して良好な分極特性を実現しなければならない。 In order to achieve further high integration, the capacitive element is three-dimensionalized to reduce the dimension in the lateral direction (direction parallel to the main surface of the substrate), while the ferroelectric film is used to secure the capacitance of the capacitive element. It is necessary to make the thickness as thin as possible. Therefore, good polarization characteristics must be realized for a ferroelectric film having a small thickness.
以下、従来例に係る容量素子ついて図6及び図7を用いて説明する(例えば、特許文献1を参照。)。 Hereinafter, a capacitor according to a conventional example will be described with reference to FIGS. 6 and 7 (see, for example, Patent Document 1).
図6は立体構造を持つ容量素子を有する従来の半導体記憶装置(DRAM)の要部の断面構成を示している。図6に示すように、半導体素子及び配線(図示せず)が形成された半導体基板101上に、第1のシリコン酸化膜102が形成され、該第1のシリコン酸化膜102には、n型不純物がドープされた低抵抗ポリシリコンよりなるプラグ103が形成されている。第1のシリコン酸化膜102の上には、シリコン窒化膜104及び第2のシリコン酸化膜105が順次堆積されており、これらシリコン窒化膜104及び第2のシリコン酸化膜105には、各プラグ103を露出するように深孔106がそれぞれ形成されている。
FIG. 6 shows a cross-sectional structure of a main part of a conventional semiconductor memory device (DRAM) having a capacitive element having a three-dimensional structure. As shown in FIG. 6, a first
各深孔106の直径は約0.3μmで深さは約1.3μmであり、そのアスペクト比は4以上である。各深孔106の底面及び内壁上には、表面が粗面化されたポリシリコンよりなる下部電極107が形成されている。下部電極107はその表面を被覆するように、下からシリコン窒化膜及び酸化タンタル(Ta2O5)の積層体よりなる容量絶縁膜108が堆積され、該容量絶縁膜108の上には、窒化チタン(TiN)よりなる上部電極109が堆積されて形成されている。これら下部電極107、容量絶縁膜108及び上部電極109により、情報記憶用の容量素子が構成される。
Each
ここで、容量絶縁膜108に用いられている、高誘電体よりなる酸化タンタル(Ta2O5)は、図7に示すように、その膜厚をリーク電流を最小にすること、及び酸化タンタルをシリコン酸化膜(SiO2 )に換算した場合の実効膜厚を最小にすることとの、2つの制約を満足させるべく、4nmから7nmの範囲に設定することが望ましいことが記載されている。
しかしながら、前記従来の容量素子を構成する容量絶縁膜に強誘電体を用いる構成では良好な特性を実現できず、従って、高性能な不揮発性メモリ装置を実現することができないという問題を有している。 However, a configuration using a ferroelectric in the capacitor insulating film that constitutes the above-described conventional capacitive element cannot realize good characteristics, and therefore has a problem that a high-performance nonvolatile memory device cannot be realized. Yes.
以下、この理由について詳細に説明する。 Hereinafter, this reason will be described in detail.
前記従来例のように、容量絶縁膜に酸化タンタルのような高誘電体材料を用いる場合には、薄膜化に際して、容量絶縁膜を介したリーク電流を最小にすること、及びシリコン酸化膜に換算した実効膜厚を最小にすることとの2点のみが重要である。 When a high dielectric material such as tantalum oxide is used for the capacitor insulating film as in the conventional example, the leakage current through the capacitor insulating film is minimized and converted to a silicon oxide film when thinning the film. Only two points are important: minimizing the effective film thickness.
これに対し、容量絶縁膜に強誘電体材料を用いる場合には、強誘電体の自発分極特性を利用してデータを記憶するため、薄膜化に際しては良好な分極特性を実現できるようにすることが最も重要な課題である。この課題に対して、本願出願人らは、種々の検討を行なった結果、強誘電体膜の膜厚がある膜厚以下になると、分極特性が急激に劣化するという知見を得ている。また、強誘電体膜の結晶粒径がある大きさ以下となっても分極特性が急激に劣化するという知見をも得ている。以下にその詳細を述べる。 On the other hand, when a ferroelectric material is used for the capacitor insulating film, data is stored using the spontaneous polarization characteristics of the ferroelectric material, so that excellent polarization characteristics can be realized when thinning the film. Is the most important issue. As a result of various studies on the subject, the present applicants have obtained the knowledge that when the thickness of the ferroelectric film falls below a certain thickness, the polarization characteristics deteriorate rapidly. It has also been found that the polarization characteristics deteriorate rapidly even when the crystal grain size of the ferroelectric film is below a certain size. Details are described below.
強誘電体膜の分極は、結晶中のイオンの変位により発現するため、良好な分極特性を実現するには、強誘電体膜のほとんどの領域が結晶体で構成されていなければならない。しかしながら、強誘電体膜と電極との界面領域は、不完全な結晶体又はアモルファスに近い状態となっている。その結果、この界面領域の影響が顕著となる膜厚にまで薄膜化すると、良好な分極特性を実現できなくなる。また、強誘電体の結晶粒径が小さくなると、結晶中のイオンの変位量が小さくなり、さらには、強誘電体膜に占める結晶領域が小さくなって、逆に粒界領域が増大するため、良好な分極特性を得られなくなる。 Since the polarization of the ferroelectric film is expressed by the displacement of ions in the crystal, most regions of the ferroelectric film must be composed of crystals in order to achieve good polarization characteristics. However, the interface region between the ferroelectric film and the electrode is in an incomplete crystal or amorphous state. As a result, when the film thickness is reduced to such a thickness that the influence of the interface region becomes significant, it becomes impossible to realize good polarization characteristics. Also, when the crystal grain size of the ferroelectric is reduced, the amount of ion displacement in the crystal is reduced, and furthermore, the crystal region occupying the ferroelectric film is reduced, and conversely the grain boundary region is increased. Good polarization characteristics cannot be obtained.
このように、従来の容量素子を有する半導体記憶装置は、容量絶縁膜に強誘電体を用いる場合に良好な物理特性を得られないため、高性能な不揮発性メモリ装置を実現できないという問題を有している。 As described above, a conventional semiconductor memory device having a capacitor element has a problem that a high-performance nonvolatile memory device cannot be realized because good physical characteristics cannot be obtained when a ferroelectric is used for a capacitor insulating film. doing.
本発明は、前記従来の問題を解決し、立体形状を持つ下部電極と強誘電体からなる容量絶縁膜とを有する容量素子及びそれを用いた半導体記憶装置において、簡易な方法により強誘電体における分極特性の劣化を防止して、容量素子のデータ保持特性に悪影響を与えないようにすることを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and in a capacitive element having a lower electrode having a three-dimensional shape and a capacitive insulating film made of a ferroelectric and a semiconductor memory device using the same, in a ferroelectric by a simple method It is an object to prevent the deterioration of polarization characteristics so as not to adversely affect the data retention characteristics of the capacitive element.
前記の目的を達成するため、本発明に係る容量素子は、立体形状を有する下部電極と、下部電極に対向して形成された上部電極と、下部電極と上部電極との間に形成され、結晶化された強誘電体からなる容量絶縁膜とを有する容量素子を対象とし、容量絶縁膜の膜厚は12.5nm以上且つ100nm以下に設定されていることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a capacitive element according to the present invention includes a three-dimensional lower electrode, an upper electrode formed to face the lower electrode, a lower electrode and an upper electrode, A capacitor element having a capacitor insulating film made of a ferroelectric material is used, and the film thickness of the capacitor insulating film is set to 12.5 nm or more and 100 nm or less.
本発明の容量素子によると、後述するように、立体形状を持つ容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できるため、データ保持特性に優れた大容量の不揮発性半導体記憶装置を小さい回路面積で実現することができる。 According to the capacitive element of the present invention, as will be described later, since it is possible to prevent deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film having a three-dimensional shape, a large-capacity nonvolatile semiconductor memory device having excellent data retention characteristics Can be realized with a small circuit area.
本発明の容量素子において、強誘電体は多結晶構造を有し、その結晶粒径は12.5nm以上且つ200nm以下であることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention, the ferroelectric has a polycrystalline structure, and the crystal grain size is preferably 12.5 nm or more and 200 nm or less.
このようにすると、強誘電体が多結晶体からなる場合でも、強誘電体の分極特性の劣化を確実に防止することができる。 In this way, even when the ferroelectric is made of a polycrystalline material, it is possible to reliably prevent deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric.
本発明の容量素子において、容量絶縁膜に印加される電圧は0.3V以上且つ2.5V以下であることが好ましい。また、容量絶縁膜に印加される電界は250kV/cm2 以上であることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention, the voltage applied to the capacitive insulating film is preferably 0.3 V or more and 2.5 V or less. The electric field applied to the capacitor insulating film is preferably 250 kV / cm 2 or more.
このようにすると、容量素子に保持されたデータ“1”とデータ“0”とを決定する電荷量の比を十分に大きな値にできるため、良好なデータ保持特性を実現することができる。 In this case, since the ratio of the charge amount for determining the data “1” and the data “0” held in the capacitor element can be set to a sufficiently large value, a good data holding characteristic can be realized.
本発明の容量素子において、容量絶縁膜は、SrBi2(TaxNb1-x)2O9、Pb(ZrxTi1-x)O3及び(BixLa1-x)4Ti3O12(但し、xは0≦x≦1である。)の中から選ばれた1つの材料により構成されていることが好ましい。このようにすると、分極特性に優れた強誘電体膜を実現できる。
In the capacitive element of the present invention, the capacitor insulating film, SrBi 2 (Ta x Nb 1 -x) 2
本発明の容量素子において、下部電極は断面凸型形状を有し、下部電極の高さと幅との比(高さ/幅)の値は1以上であることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention, the lower electrode preferably has a convex cross-sectional shape, and the ratio of the height and width (height / width) of the lower electrode is preferably 1 or more.
この場合に、下部電極の幅は0.2μm以上且つ1.0μm以下であることが好ましい。 In this case, the width of the lower electrode is preferably 0.2 μm or more and 1.0 μm or less.
このようにすると、容量絶縁膜の表面積を大きくできるため、データを保持するのに十分な電荷量を蓄積することができると共に良好な分極特性を実現することができる。 In this case, the surface area of the capacitor insulating film can be increased, so that a sufficient amount of charge can be accumulated to hold data and good polarization characteristics can be realized.
また、本発明の容量素子において、下部電極は第1の層間絶縁膜に形成されたホールの底面及び側面上に沿って形成されており、ホールの深さと直径との比(深さ/幅)の値は1以上であることが好ましい。 In the capacitive element of the present invention, the lower electrode is formed along the bottom surface and the side surface of the hole formed in the first interlayer insulating film, and the ratio of the hole depth to the diameter (depth / width). The value of is preferably 1 or more.
この場合に、ホールの直径は0.2μm以上且つ0.8μm以下であることが好ましい。 In this case, the hole diameter is preferably 0.2 μm or more and 0.8 μm or less.
このようにすると、容量絶縁膜の表面積を大きくできるため、データを保持するのに十分な電荷量を蓄積することができると共に良好な分極特性を実現することができる。 In this case, the surface area of the capacitor insulating film can be increased, so that a sufficient amount of charge can be accumulated to hold data and good polarization characteristics can be realized.
本発明に係る半導体記憶装置は、本発明の容量素子と、半導体基板上に形成されたソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタと、半導体基板上にトランジスタを覆うように形成された第2の層間絶縁膜と、第2の層間絶縁膜にトランジスタのソース領域又はドレイン領域と電気的に接続されるように形成されたプラグコンタクトとを備え、容量素子の下部電極はプラグコンタクトと接続するように形成されていることを特徴とする。 A semiconductor memory device according to the present invention includes a capacitor element according to the present invention, a transistor having a source region and a drain region formed on a semiconductor substrate, and a second interlayer insulation formed on the semiconductor substrate so as to cover the transistor. And a plug contact formed on the second interlayer insulating film so as to be electrically connected to the source region or drain region of the transistor, and the lower electrode of the capacitor element is formed so as to be connected to the plug contact. It is characterized by.
本発明の半導体記憶装置によると、本発明の容量素子を備えているため、デザインルールが0.18μm以下のCMOSトランジスタにより構成されたLSIの上に形成可能な、優れたデータ保持特性を持つ半導体記憶装置を実現することができる。 According to the semiconductor memory device of the present invention, since the capacitor element of the present invention is provided, a semiconductor having excellent data retention characteristics that can be formed on an LSI constituted by a CMOS transistor having a design rule of 0.18 μm or less. A storage device can be realized.
本発明に係る容量素子及びそれを用いた半導体記憶装置によると、強誘電体からなり立体形状を有する容量絶縁膜の膜厚を12.5nm以上且つ100nm以下に設定し、さらに、強誘電体が多結晶体の場合にはその粒径を12.5nm以上且つ200nm以下とすることにより、強誘電体における分極特性の劣化を防止できるため、良好なデータ保持特性を実現することができる。すなわち、極めて容易な方法により優れた動作特性を有する容量素子及び半導体記憶装置を実現することができるので、容量素子の微細化を図ることができ、その結果、高集積化を実現できる。 According to the capacitive element and the semiconductor memory device using the same according to the present invention, the thickness of the capacitive insulating film made of a ferroelectric material and having a three-dimensional shape is set to 12.5 nm or more and 100 nm or less. In the case of a polycrystal, by setting the grain size to 12.5 nm or more and 200 nm or less, it is possible to prevent the polarization characteristics of the ferroelectric material from being deteriorated, and thus it is possible to realize good data retention characteristics. That is, since a capacitor and a semiconductor memory device having excellent operating characteristics can be realized by an extremely easy method, the capacitor can be miniaturized, and as a result, high integration can be realized.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態に係る立体構造を有する容量素子の要部の断面構成を示している。 FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a main part of a capacitive element having a three-dimensional structure according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、例えば、シリコン(Si)からなる半導体基板11の主面は、シャロウトレンチ分離(STI)からなる素子分離膜12により区画されて複数の素子活性領域が形成されている。各素子活性領域の上には、ゲート絶縁膜13及びその上にゲート電極14が選択的に形成されており、各素子活性領域におけるゲート電極14の両側方び部位には、ソース・ドレイン領域15がそれぞれ形成され、これらゲート絶縁膜13、ゲート電極14及びソース・ドレイン領域15により、メモリセルトランジスタ16が構成される。
As shown in FIG. 1, for example, the main surface of a
半導体基板11の主面上には、各メモリセルトランジスタ16を覆うように、酸化シリコン(SiO2 )又は窒化シリコン(SiN)からなる層間絶縁膜17が形成されている。層間絶縁膜17には、タングステン(W)又はn型不純物がドープされた低抵抗のポリシリコンからなる複数のプラグ18が、各メモリセルトランジスタ16のソース・ドレイン領域15の一方と電気的に接続されるように形成されている。
On the main surface of the
層間絶縁膜17の上には、各プラグ18と電気的に接続されるように複数の下部電極19が形成されている。下部電極19は、図示はしていないが、下層がイリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)及び窒化珪化チタン(TiSiN)のうちの少なくとも1つを含む単層膜又は積層膜からなる酸素バリアと、上層が白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )又は酸化ストロンチウムルテニウム(SrRuO3 )等からなる電極膜の積層構造を有している。ここで、下部電極19はほぼ円形の平面形状を有し、その幅寸法(径)は0.2μm以上且つ1.0μm以下としている。また、下部電極19の高さは、該下部電極19の高さと幅との比(高さ/幅)、すなわちアスペクト比の値が1以上となる範囲で、0.2μm以上且つ1.0μmとしている。
A plurality of
各下部電極19の上面及び側面は、強誘電体であるタンタルニオブ酸ストロンチウムビスマス(SrBi2(TaxNb1-x)2O9 )(但し、xは0≦x≦1である。以下、同様とする。)からなる容量絶縁膜20により覆われている。容量絶縁膜20は、例えば、段差被覆性に優れる有機金属化学気相堆積(MOCVD)法、原子層堆積(Atomic Layer Deposition)法又はスパッタリング法等により成膜可能である。
The upper and side surfaces of each
第1の実施形態の特徴として、容量絶縁膜20の膜厚は、成膜時の堆積時間を調整して12.5nm以上且つ100nm以下に設定する。このときの強誘電体の結晶粒径は、容量絶縁膜20を成膜した後、例えば500℃から700℃の範囲で結晶核密度を決定する熱処理を行なった後、例えば800℃で結晶成長させることにより、12.5nmから200nmの範囲に設定する。ここで、結晶粒径とは、特に限定しない限り、容量絶縁膜20の任意の断面における最も長い径(長径)をいう。
As a feature of the first embodiment, the thickness of the capacitive insulating
結晶粒径のサイズは結晶核密度によって決定され、前述した結晶核密度を決定する熱処理の温度範囲である500℃から700℃の熱処理を行なうことにより、容量絶縁膜20の任意の部位の断面において12.5nmから200nmの範囲に設定できる。この理由については、以下で詳細を述べる。なお、12.5nmよりも小さい粒径を含む場合もあるが、強誘電体の物理特性(分極特性)に影響を及ぼさない程度であれば問題はない。
The size of the crystal grain size is determined by the crystal nucleus density. By performing the heat treatment at 500 ° C. to 700 ° C., which is the temperature range of the heat treatment for determining the crystal nucleus density described above, in the cross section of an arbitrary portion of the capacitive insulating
容量絶縁膜20の上には、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )又は酸化ストロンチウムルテニウム(SrRuO3 )等からなる上部電極21が形成され、下部電極19、容量絶縁膜20及び上部電極21により情報記憶用の容量素子22が構成される。
An upper electrode made of platinum (Pt), iridium (Ir), iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), strontium ruthenium oxide (SrRuO 3 ), etc. 21, and the
以上のように、第1の実施形態によると、立体構造を有する容量素子22を構成する強誘電体からなる容量絶縁膜20の膜厚を12.5nm以上且つ100nm以下に設定し、且つ、容量絶縁膜20の結晶粒径を12.5nm以上且つ200nm以下に設定するため、強誘電体からなる容量絶縁膜20の分極特性の劣化を防止することができる。
As described above, according to the first embodiment, the film thickness of the capacitive insulating
以下、強誘電体からなる容量絶縁膜20の膜厚を上記の範囲に設定した理由について図2及び図3を用いて説明する。
Hereinafter, the reason why the film thickness of the capacitive insulating
図2は第1の実施形態に係る容量素子22が使用される場合に想定される最低電圧、すなわち1.0Vで測定した残留分極(2Pr)を、強誘電体であるSrBi2(TaxNb1-x)2O9 からなる容量絶縁膜の膜厚を変えて評価した結果を表わしている。なお、測定に使用した容量素子は、平坦な下地層の上に形成され、上部電極及び下部電極にはそれぞれ白金(Pt)を用いている。また、強誘電体における各結晶粒径の平均粒径を100nmとしている。
FIG. 2 shows the minimum voltage assumed when the
図2に示すように、強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 の膜厚が50nm以上の領域(図中のA)においては、印加電圧が一定の場合には膜厚が薄い程印加電界が大きくなるため、残留分極が増加する。これに対し、強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 の膜厚が50nm以下の領域(図中のB)においては、前述した通り、不完全な結晶体又はアモルファスに近い状態である強誘電体と電極との界面領域の影響が大きくなるため、強誘電体の分極特性が減少することを本願発明者らは見出した。すなわち、強誘電体の膜厚を小さくしていくと残留分極が減少し、ある膜厚以下では半導体記憶装置が正常に動作しなくなる。従ってその膜厚が下限値となる。なお、図2におけるグラフの破線部分は、データを外挿したことを表わしている。 As shown in FIG. 2, in the region where the film thickness of the ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is 50 nm or more (A in the figure), the film thickness is obtained when the applied voltage is constant. Since the applied electric field becomes larger as the thickness is thinner, the remanent polarization increases. On the other hand, in the region where the film thickness of the ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is 50 nm or less (B in the figure), as described above, it is close to an incomplete crystal or amorphous. The inventors of the present application have found that the polarization characteristics of the ferroelectric substance are reduced because the influence of the interface region between the ferroelectric substance and the electrode is increased. That is, as the thickness of the ferroelectric film is reduced, the residual polarization decreases, and the semiconductor memory device does not operate normally below a certain thickness. Therefore, the film thickness becomes the lower limit value. In addition, the broken line part of the graph in FIG. 2 represents having extrapolated data.
図3は強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 の残留分極(2Pr)を、今度は結晶粒径を変化させて評価した結果を表わしている。図2の場合と同様に、残留分極(2Pr)は1.0Vで測定し、測定に使用した容量素子は平坦な下地層の上に形成し、上部電極及び下部電極には白金(Pt)を用いている。また、強誘電体膜の膜厚は50nmとしている。なお、図3におけるグラフの破線部分は、データを外挿したことを表わしている。 FIG. 3 shows the result of evaluating the remanent polarization (2Pr) of the ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 this time by changing the crystal grain size. As in the case of FIG. 2, the remanent polarization (2Pr) is measured at 1.0 V, the capacitive element used for the measurement is formed on a flat base layer, and platinum (Pt) is formed on the upper and lower electrodes. Used. The film thickness of the ferroelectric film is 50 nm. In addition, the broken line part of the graph in FIG. 3 represents having extrapolated data.
図3に示すように、強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 の複数の結晶粒における各粒径の平均結晶粒径が50nm以上の領域(図中のC)においては、膜厚方向の結晶粒径は膜厚で規制されて50nmの一定値となるため、残留分極はほとんど変化しない。これに対し、強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 の結晶粒径が50nm以下の領域(図中のD)においては、膜厚方向に複数の結晶粒が含まれるため、容量素子の印加電界方向に占める結晶粒界領域の影響が現われて、分極特性が減少することを見出した。さらに、強誘電体の結晶粒径が小さくなると、結晶中のイオンの変位量が小さくなって残留分極が減少し、ある結晶粒径以下では半導体記憶装置が正常に動作しなくなる。従って、その結晶粒径が下限値となる。 As shown in FIG. 3, in the region (C in the figure) where the average crystal grain size of each of the plurality of crystal grains of the ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is 50 nm or more. Since the crystal grain size in the film thickness direction is regulated by the film thickness and becomes a constant value of 50 nm, the residual polarization hardly changes. On the other hand, in the region where the crystal grain size of the ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is 50 nm or less (D in the figure), a plurality of crystal grains are included in the film thickness direction. The inventors have found that the influence of the crystal grain boundary region in the applied electric field direction of the capacitive element appears and the polarization characteristics are reduced. Further, when the crystal grain size of the ferroelectric is reduced, the amount of displacement of ions in the crystal is reduced and the residual polarization is reduced, and the semiconductor memory device does not operate normally below a certain crystal grain size. Therefore, the crystal grain size becomes the lower limit.
本願発明者らの知見によると、強誘電体膜における残留分極が10μC/cm2 以下になると、半導体記憶装置が誤動作を起こすことが分かっている。 According to the knowledge of the inventors of the present application, it is known that the semiconductor memory device malfunctions when the remanent polarization in the ferroelectric film is 10 μC / cm 2 or less.
図2に示す結果から、強誘電体膜における膜厚の下限は12.5nmとなり、且つその膜厚の上限は100nmとなる。さらに、図3に示す結果から、強誘電体膜における結晶粒径の下限は12.5nmとなり、結晶粒径の上限は本実施形態の容量絶縁膜となる強誘電体への熱処理条件で決定され、その値は200nmである。 From the results shown in FIG. 2, the lower limit of the film thickness in the ferroelectric film is 12.5 nm, and the upper limit of the film thickness is 100 nm. Furthermore, from the results shown in FIG. 3, the lower limit of the crystal grain size in the ferroelectric film is 12.5 nm, and the upper limit of the crystal grain size is determined by the heat treatment conditions for the ferroelectric film that becomes the capacitive insulating film of this embodiment. The value is 200 nm.
なお、強誘電体からなる容量絶縁膜の膜厚を上記の範囲に設定する際には、容量絶縁膜に印加する電圧は0.3Vから2.5Vの範囲が望ましい。また、容量絶縁膜に印加する電界は250kV/cm以上であることが望ましい。この理由を、図4を用いて説明する。 When the film thickness of the capacitor insulating film made of a ferroelectric is set in the above range, the voltage applied to the capacitor insulating film is preferably in the range of 0.3V to 2.5V. The electric field applied to the capacitor insulating film is preferably 250 kV / cm or more. The reason for this will be described with reference to FIG.
図4は強誘電体SrBi2(TaxNb1-x)2O9 を容量絶縁膜とした容量素子の分極−電界特性(ヒステリシスループ)を表わしている。容量絶縁膜に強誘電体を用いる容量素子の場合は、保持されるデータ“1”に対応する電荷量とデータ“0”に対応する電荷量との差をできるだけ大きくすることが、半導体記憶装置の動作マージンを広げることに相当する。これは、図4に示す電界(E)が0における残留分極、すなわち図中の+Prと−Prとの差を大きくすることである。そのためには、容量素子への印加電界をできるだけ大きくする必要がある。本願発明者らは種々の実験により、この印加電界の下限が、分極が0となる電界すなわち抗電界(coercive field)の2倍以上であることを見出した。具体的には、図4に示すように、抗電界の値が125kV/cmであることから、印加電界の下限値は250kV/cmとなる。この電界の値を上記の容量絶縁膜の膜厚に対応させると、印加電圧は以下のようになる。 FIG. 4 shows the polarization-electric field characteristics (hysteresis loop) of a capacitive element using a ferroelectric SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 as a capacitive insulating film. In the case of a capacitive element using a ferroelectric as a capacitive insulating film, it is possible to increase the difference between the amount of charge corresponding to retained data “1” and the amount of charge corresponding to data “0” as much as possible. This is equivalent to widening the operation margin. This is to increase the remanent polarization when the electric field (E) shown in FIG. 4 is 0, that is, to increase the difference between + Pr and −Pr in the figure. For this purpose, it is necessary to increase the electric field applied to the capacitive element as much as possible. The inventors of the present application have found through various experiments that the lower limit of the applied electric field is at least twice the electric field at which the polarization becomes 0, that is, the coercive field. Specifically, as shown in FIG. 4, since the value of the coercive electric field is 125 kV / cm, the lower limit value of the applied electric field is 250 kV / cm. When this electric field value corresponds to the film thickness of the capacitive insulating film, the applied voltage is as follows.
すなわち、容量絶縁膜の膜厚が12.5nmの場合は、250kV/cm × 12.5nm = 0.31Vとなり、容量絶縁膜の膜厚が100nmの場合は、250kV/cm × 100nm = 2.5Vとなる。従って、印加電圧を0.3Vから2.5Vの範囲に設定すれば、上記の容量絶縁膜の膜厚の範囲内で良好なデータ記憶特性を実現することができる。 That is, when the thickness of the capacitive insulating film is 12.5 nm, 250 kV / cm × 12.5 nm = 0.31 V, and when the thickness of the capacitive insulating film is 100 nm, 250 kV / cm × 100 nm = 2.5 V. It becomes. Therefore, if the applied voltage is set in the range of 0.3 V to 2.5 V, good data storage characteristics can be realized within the range of the film thickness of the capacitive insulating film.
なお、容量絶縁膜20を構成する強誘電体には、SrBi2(TaxNb1-x)2O9 に代えて、ジルコニウムチタン酸鉛((Pb(ZrxTi1-x)O3 )又はチタン酸ビスマスランタン((BixLa1-x)4Ti3O12)(但し、xは0≦x≦1である。)を用いることができる。
It should be noted that the ferroelectric material constituting the capacitive insulating
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は本発明の第2の実施形態に係る立体構造を有する容量素子の要部の断面構成を示している。図5において、図1に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of a main part of a capacitive element having a three-dimensional structure according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same components as those shown in FIG.
図5に示すように、第2の実施形態に係る容量素子22は、第1の層間絶縁膜17の上に形成された酸化シリコン(SiO2 )又は窒化シリコン(SiN)からなる第2の層間絶縁膜27の上に断面凹状に形成されている。具体的には、第2の層間絶縁膜27における、各プラグ18を露出するように形成された複数の開口部(ホール)27aの底面及び側面に沿うように形成されている。その結果、膜状の下部電極19は各プラグ18と電気的に接続されている。
As shown in FIG. 5, the
ここで、ホール27aの深さと直径との比、つまり深さ/直径(アスペクト比)の値は1以上としている。これは、以下で述べる下部電極19の表面積をできるだけ大きくし、蓄積可能な電荷量を多くするためである。また、アスペクト比の値が1以上となる範囲で、ホール27aの径は0.2μm以上且つ0.8μm以下とし、ホール27aの深さは0.2μm以上且つ1.5μmとしている。
Here, the ratio between the depth and diameter of the
下部電極19は、図示はしていないが、下層がイリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )、窒化チタンアルミニウム(TiAlN)、窒化タンタルアルミニウム(TaAlN)及び窒化珪化チタン(TiSiN)のうちの少なくとも1つを含む単層膜又は積層膜からなる酸素バリアと、上層が白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )又は酸化ストロンチウムルテニウム(SrRuO3 )等からなる電極膜の積層構造を有している。ここで、下部電極19の膜厚は50nmから200nmである。
Although the
第2の層間絶縁膜27の上にはホール27a内の下部電極19を覆うように、強誘電体であるSrBi2(TaxNb1-x)2O9 からなる容量絶縁膜20が成膜されている。この容量絶縁膜20は、段差被覆性に優れる有機金属化学気相堆積法、原子層堆積法又はスパッタリング法等により成膜可能である。ここで、容量絶縁膜20の膜厚は、12.5nm以上且つ100nm以下に設定する。さらに、このときの容量絶縁膜20の結晶粒径を、12.5nm以上且つ200nm以下に設定する。この理由は第1の実施形態で述べた通りである。
On the second
容量絶縁膜20の上面には該容量絶膜20と接するように、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2 )、ルテニウム(Ru)、酸化ルテニウム(RuO2 )又は酸化ストロンチウムルテニウム(SrRuO3 )等からなる上部電極21を堆積する。これにより、下部電極19、容量絶縁膜20及び上部電極21により情報記憶用の容量素子22が構成される。
Platinum (Pt), iridium (Ir), iridium oxide (IrO 2 ), ruthenium (Ru), ruthenium oxide (RuO 2 ), or strontium ruthenium oxide is in contact with the capacitive insulating
以上のように、第2の実施形態によると、第1の実施形態と同様に、立体構造を有する容量素子22の強誘電体からなる容量絶縁膜20の膜厚を12.5nm以上且つ100nm以下に設定し、且つ、容量絶縁膜20の結晶粒径を12.5nm以上且つ200nm以下に設定するため、強誘電体からなる容量絶縁膜20の分極特性の劣化を抑制することができる。
As described above, according to the second embodiment, as in the first embodiment, the thickness of the capacitive insulating
また、第2の実施形態においては、第1の実施形態と同様に強誘電体として、SrBi2(TaxNb1-x)2O9 を用いたが、例えばチタン酸ビスマスランタン((BixLa1-x)4Ti3O12)を用いる場合は、結晶粒径を決定する熱処理条件を以下のように変更する。すなわち、容量絶縁膜20となる強誘電体膜の成膜後に、例えば400℃から600℃の範囲で結晶核密度を決定する熱処理を行なった後に、例えば700℃で結晶成長させて、各結晶粒径を12.5nmから200nmの範囲に設定する。
In the second embodiment, SrBi 2 (Ta x Nb 1-x ) 2 O 9 is used as the ferroelectric as in the first embodiment. For example, bismuth lanthanum titanate ((B i x In the case of using La 1-x ) 4 Ti 3 O 12 ), the heat treatment conditions for determining the crystal grain size are changed as follows. That is, after the formation of the ferroelectric film serving as the capacitive insulating
なお、容量絶縁膜20を構成する強誘電体には、SrBi2(TaxNb1-x)2O9 及び(BixLa1-x)4Ti3O12に代えて、ジルコニウムチタン酸鉛((Pb(ZrxTi1-x)O3 )を用いることができる。
The capacity in the ferroelectric material constituting the insulating
本発明に係る容量素子及びそれを用いた半導体記憶装置は、強誘電体からなる容量絶縁膜の分極特性の劣化を防止できるため、良好なデータ保持特性を実現できるという効果を有し、強誘電体からなる容量絶縁膜を備えた立体構造を有する容量素子及びそれを用いた半導体記憶装置等として有用である。 The capacitive element according to the present invention and the semiconductor memory device using the capacitive element can prevent deterioration of polarization characteristics of the capacitive insulating film made of a ferroelectric material, and thus have an effect of realizing good data retention characteristics. It is useful as a capacitive element having a three-dimensional structure provided with a capacitive insulating film made of a body, and a semiconductor memory device using the capacitive element.
11 半導体基板
12 素子分離膜
13 ゲート絶縁膜
14 ゲート電極
15 ソース・ドレイン領域
16 メモリセルトランジスタ
17 層間絶縁膜(第1の層間絶縁膜)
18 プラグ(プラグコンタクト)
19 下部電極
20 容量絶縁膜
21 上部電極
27 第2の層間絶縁膜
27a ホール
18 Plug (Plug contact)
19
Claims (10)
前記下部電極に対向して形成された上部電極と、
前記下部電極と前記上部電極との間に形成され、結晶化された強誘電体からなる容量絶縁膜とを有する容量素子であって、
前記容量絶縁膜の膜厚は、12.5nm以上且つ100nm以下に設定されていることを特徴とする容量素子。 A lower electrode having a three-dimensional shape;
An upper electrode formed to face the lower electrode;
A capacitive element formed between the lower electrode and the upper electrode and having a capacitive insulating film made of crystallized ferroelectric,
The capacitor element, wherein a thickness of the capacitor insulating film is set to 12.5 nm or more and 100 nm or less.
前記強誘電体は多結晶構造を有し、その結晶粒径は12.5nm以上且つ200nm以下であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1,
The ferroelectric element has a polycrystalline structure, and a crystal grain size thereof is 12.5 nm or more and 200 nm or less.
前記容量絶縁膜に印加される電圧は、0.3V以上且つ2.5V以下であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1 or 2,
A voltage applied to the capacitor insulating film is 0.3 V or more and 2.5 V or less.
前記容量絶縁膜に印加される電界は、250kV/cm2 以上であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1 or 2,
The capacitor element, wherein an electric field applied to the capacitor insulating film is 250 kV / cm 2 or more.
前記容量絶縁膜は、SrBi2(TaxNb1-x)2O9、Pb(ZrxTi1-x)O3及び(BixLa1-x)4Ti3O12(但し、xは0≦x≦1である。)の中から選ばれた1つの材料により構成されていることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1 or 2,
The capacitor insulating film, SrBi 2 (Ta x Nb 1 -x) 2 O 9, Pb (Zr x Ti 1-x) O 3 and (Bi x La 1-x) 4 Ti 3 O 12 ( where, x is 0 ≦ x ≦ 1)) is formed of one material selected from the above.
前記下部電極は断面凸型形状を有し、前記下部電極の高さと幅との比(高さ/幅)の値は1以上であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1 or 2,
The lower electrode has a convex cross-sectional shape, and a ratio of height to width (height / width) of the lower electrode is 1 or more.
前記下部電極の幅は、0.2μm以上且つ1.0μm以下であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 6,
The capacitor element, wherein the width of the lower electrode is 0.2 μm or more and 1.0 μm or less.
前記下部電極は第1の層間絶縁膜に形成されたホールの底面及び側面上に沿って形成されており、前記ホールの深さと直径との比(深さ/幅)の値は1以上であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 1 or 2,
The lower electrode is formed along the bottom and side surfaces of a hole formed in the first interlayer insulating film, and the ratio of the depth and the diameter (depth / width) of the hole is 1 or more. A capacitive element.
前記ホールの直径は、0.2μm以上且つ0.8μm以下であることを特徴とする容量素子。 The capacitive element according to claim 8, wherein
The capacitor has a diameter of 0.2 μm or more and 0.8 μm or less.
半導体基板上に形成されたソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタと、
前記半導体基板上に前記トランジスタを覆うように形成された第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜に前記トランジスタのソース領域又はドレイン領域と電気的に接続されるように形成されたプラグコンタクトとを備え、
前記容量素子の下部電極は、前記プラグコンタクトと接続するように形成されていることを特徴とする半導体記憶装置。 The capacitive element according to any one of claims 1 to 9,
A transistor having a source region and a drain region formed on a semiconductor substrate;
A second interlayer insulating film formed on the semiconductor substrate so as to cover the transistor;
A plug contact formed on the second interlayer insulating film so as to be electrically connected to a source region or a drain region of the transistor;
The semiconductor memory device, wherein the lower electrode of the capacitor element is formed so as to be connected to the plug contact.
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