JP2005116619A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体キャパシタを有する半導体装置及びその製造方法に係り、特に強誘電体キャパシタの残留分極量の低下を抑制した長期信頼性の高い不揮発性メモリに関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a ferroelectric capacitor and a method for manufacturing the same, and more particularly to a nonvolatile memory with high long-term reliability that suppresses a decrease in the amount of residual polarization of a ferroelectric capacitor.
近年、PC(パーソナルコンピュータ)等の補助記憶装置として、電気的に書き換え可能で、情報の保持に電力を必要としない不揮発性メモリが使われることが多くなっている。不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリ、MRAM(磁気ランダムアクセスメモリ)、FeRAM(強誘電性ランダムアクセスメモリ)等が挙げられる。不揮発性メモリのうち、強誘電体キャパシタの中の強誘電性の誘電膜が残留分極の形態で情報を保持し、高集積度、高速駆動、低消費電力の特性を有するFeRAMが注目されている。 In recent years, as an auxiliary storage device such as a PC (personal computer), a non-volatile memory that is electrically rewritable and does not require power to hold information is often used. Nonvolatile memory includes flash memory, MRAM (magnetic random access memory), FeRAM (ferroelectric random access memory), and the like. Among non-volatile memories, FeRAM has attracted attention because of its high integration, high-speed drive, and low power consumption characteristics, with the ferroelectric dielectric film in the ferroelectric capacitor holding information in the form of remanent polarization. .
強誘電性の誘電膜として、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)膜やPLZT((Pb,La)(Zr,Ti)O3)膜、SBT(SrBi2Ta2O9)膜などが大きな残留分極量を有することから盛んに検討されている。FeRAMはこれらの誘電膜に印加する電圧の方向により誘電体分極方向を書き換えて情報を更新し、2つの分極方向を情報単位として記憶させる。したがって、残留分極量の大きさと共に、繰り返し書き換え可能であることが要求される。FeRAMはICカード、スマートカード等の携帯型補助記憶装置に用いられるので長期信頼性を有することが重要であり、記憶保持年数10年、書き換え回数1015回等が要求特性として提案されている。
ところで、強誘電体キャパシタは、例えば下部電極層、PZT膜、上部電極層が順次積層して構成される。上部電極層を形成後にPZT膜の結晶化を促進するため加熱処理を行った場合、PZT膜から下部電極層及び上部電極層にPb原子の拡散が生じてPZT膜中にPb原子の欠損(いわゆるPb空孔)が生じ、強誘電体キャパシタの特性が著しく劣化してしまう。特に強誘電体キャパシタを不揮発性メモリに使用する場合は、分極反転の繰り返しによって残留分極量が著しく低下する、いわゆる疲労特性の問題がある。 By the way, the ferroelectric capacitor is configured by sequentially laminating, for example, a lower electrode layer, a PZT film, and an upper electrode layer. When heat treatment is performed to promote crystallization of the PZT film after forming the upper electrode layer, Pb atoms are diffused from the PZT film to the lower electrode layer and the upper electrode layer, and Pb atoms are lost in the PZT film (so-called Pb holes) occur, and the characteristics of the ferroelectric capacitor are significantly deteriorated. In particular, when a ferroelectric capacitor is used for a nonvolatile memory, there is a problem of so-called fatigue characteristics in which the amount of remanent polarization is remarkably reduced by repeated polarization inversion.
また、PZT膜中にPb空孔が形成されると欠陥準位が形成され、PZT膜中ではプール・フレンケル型メカニズムによってリーク電流増加の原因となる。また、PZT膜と下部電極又は上部電極との界面ではショットキー・バリア型メカニズムによってPb空孔が障壁を形成しリーク電流、Pbの拡散などの現象に関与して、結果として疲労特性の劣化やリーク電流の増加を引き起こしてしまう。リーク電流の増加はFeRAMの動作中の消費電力の増加を招いてしまう。 Further, when Pb vacancies are formed in the PZT film, defect levels are formed, which causes an increase in leakage current in the PZT film due to the Pool-Frenkel type mechanism. In addition, Pb vacancies form a barrier at the interface between the PZT film and the lower electrode or the upper electrode by a Schottky barrier type mechanism and participate in phenomena such as leakage current and Pb diffusion, resulting in deterioration of fatigue characteristics and This will increase the leakage current. An increase in leakage current leads to an increase in power consumption during operation of the FeRAM.
これらの問題を解決するために、PZT膜にドーパント材料の導入により残留分極量の劣化を低減することが行われているが、ドーパント材料の導入によりPZT膜の初期の残留分極量が低下してしまうという問題がある。 In order to solve these problems, the deterioration of the residual polarization quantity is reduced by introducing a dopant material into the PZT film. However, the introduction of the dopant material reduces the initial residual polarization quantity of the PZT film. There is a problem of end.
また、CVD法等により基板を加熱してPZT膜を形成後、室温に冷却する際にPZT膜表面からPb原子が解離しPZT膜中にPb空孔が形成され、上記と同様に疲労特性、リーク電流増加の問題を生じる。 Further, after forming the PZT film by heating the substrate by CVD method or the like, when cooling to room temperature, Pb atoms are dissociated from the surface of the PZT film, and Pb vacancies are formed in the PZT film. This causes a problem of increased leakage current.
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、Pb原子の欠損を防止して、リーク電流を低減し、分極反転の繰り返しによる残留分極量の減少を抑制し、長期信頼性に優れた半導体装置及びその製造方法を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to prevent the loss of Pb atoms, reduce the leakage current, and suppress the decrease in the amount of residual polarization due to repeated polarization inversion. Another object is to provide a semiconductor device having excellent long-term reliability and a method for manufacturing the same.
本発明の一観点によれば、強誘電体酸化物層と、該強誘電体酸化物層を挟む第1の電極層と第2の電極層とからなる強誘電体キャパシタを有する半導体装置であって、前記強誘電体酸化物層がPbを含む酸化物よりなり、前記第1の電極層と強誘電体酸化物層との間、及び強誘電体酸化物層と第2の電極層との間のうち、少なくともいずれか一方の間に、強誘電体酸化物層中のPbの拡散を防止する拡散防止層を有する半導体装置が提供される。 According to one aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device having a ferroelectric oxide layer, and a ferroelectric capacitor including a first electrode layer and a second electrode layer sandwiching the ferroelectric oxide layer. The ferroelectric oxide layer is made of an oxide containing Pb, and is formed between the first electrode layer and the ferroelectric oxide layer, and between the ferroelectric oxide layer and the second electrode layer. A semiconductor device having a diffusion preventing layer for preventing diffusion of Pb in the ferroelectric oxide layer is provided between at least one of the layers.
本発明によれば、第1の電極層と強誘電体酸化物層との間、及び強誘電体酸化物層と第2の電極層との間のうち、少なくともいずれか一方の間に、強誘電体酸化物層中のPb原子の拡散を防止する拡散防止層が設けられている。拡散防止層を形成した後の加熱処理によりPb原子が強誘電体酸化物層から、第1又は第2の電極層に拡散し強誘電体酸化物層中にPb原子の欠損、いわゆるPb空孔が形成されることを防止できる。その結果、リーク電流を低減し、分極反転の繰り返しによる残留分極量の減少を抑制し、長期信頼性に優れた半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, there is a strong force between at least one of the first electrode layer and the ferroelectric oxide layer and between the ferroelectric oxide layer and the second electrode layer. A diffusion preventing layer for preventing diffusion of Pb atoms in the dielectric oxide layer is provided. Pb atoms diffuse from the ferroelectric oxide layer to the first or second electrode layer by the heat treatment after the formation of the diffusion preventing layer, so that Pb atoms are lost in the ferroelectric oxide layer, so-called Pb vacancies. Can be prevented from being formed. As a result, it is possible to reduce the leakage current, suppress the decrease in the residual polarization amount due to repeated polarization inversion, and realize a semiconductor device with excellent long-term reliability.
本発明の他の観点によれば、半導体基板に、強誘電体酸化物層と、該強誘電体酸化物層を挟む第1の電極層と第2の電極層とからなる強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、前記第1の電極層を形成する第1工程と、前記強誘電体酸化物層を形成する第2工程と、前記第2の電極層を形成する第3工程とを含み、前記第1工程と第2工程との間、及び前記第2工程と第3工程との間のうち少なくともいずれかの間に、前記Pbが第1または第2の電極層へ拡散することを防止する拡散防止層を形成する工程を更に含み、前記第2工程において、真空容器中で前記半導体基板を加熱して強誘電体酸化物層を堆積し、次いで、前記真空容器中にPb蒸気を供給し、Pb蒸気圧を所定の蒸気圧に制御しながら冷却する処理を行う半導体装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a ferroelectric capacitor comprising a ferroelectric oxide layer and a first electrode layer and a second electrode layer sandwiching the ferroelectric oxide layer is provided on a semiconductor substrate. A first step of forming the first electrode layer; a second step of forming the ferroelectric oxide layer; and a third step of forming the second electrode layer. Including at least one of the first step and the second step, and between the second step and the third step, the Pb is transferred to the first or second electrode layer. Forming a diffusion preventing layer for preventing diffusion; in the second step, the semiconductor substrate is heated in a vacuum vessel to deposit a ferroelectric oxide layer; Pb vapor is supplied to the pipe, and cooling is performed while controlling the Pb vapor pressure to a predetermined vapor pressure. The method of manufacturing a semiconductor device is provided.
本発明によれば、強誘電体酸化物層を堆積後に、半導体基板が堆積中の温度から室温まで冷却するまでの間、強誘電体酸化物層が曝露されている雰囲気が所定の蒸気圧のPb蒸気により満たされているので、強誘電体酸化物層からのPb原子の実質的な解離を防止し、PZT膜中にPb空孔が形成されることを防止できる。その結果、リーク電流を低減し、分極反転の繰り返しによる残留分極量の減少を抑制し、長期信頼性に優れた半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, after the ferroelectric oxide layer is deposited, the atmosphere to which the ferroelectric oxide layer is exposed has a predetermined vapor pressure until the semiconductor substrate is cooled from the temperature during deposition to room temperature. Since it is filled with Pb vapor, it is possible to prevent substantial dissociation of Pb atoms from the ferroelectric oxide layer and to prevent formation of Pb vacancies in the PZT film. As a result, it is possible to reduce the leakage current, suppress the decrease in the residual polarization amount due to repeated polarization inversion, and realize a semiconductor device with excellent long-term reliability.
本発明によれば、強誘電体酸化物層と第1の電極層または第2の電極層との間に拡散防止層を設けることにより、強誘電体酸化物層のPb原子の欠損を防止して、リーク電流を低減し、分極反転の繰り返しによる残留分極量の減少を抑制し、長期信頼性に優れた半導体装置を実現することができる。 According to the present invention, by providing a diffusion prevention layer between the ferroelectric oxide layer and the first electrode layer or the second electrode layer, loss of Pb atoms in the ferroelectric oxide layer is prevented. Thus, it is possible to reduce the leakage current, suppress the decrease of the residual polarization amount due to repeated polarization inversion, and realize a semiconductor device with excellent long-term reliability.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図1を参照するに、第1の実施の形態に係る半導体装置10は、基板11と、基板11上にシリコン酸化膜12、下部電極層13、強誘電体酸化物層14、拡散防止層15、上部電極層16が順次積層されて構成されている。下部電極層13と上部電極層16との間に電圧を印加して、強誘電体酸化物層14に電場を印加して分極させて、残留分極の分極方向により“0”または“1”の情報を記録する。本実施の形態の半導体装置に用いられる強誘電キャパシタは強誘電体酸化物層14と上部電極層16との間に拡散防止層15を設けることにより、強誘電体酸化物層14のPb原子の上部電極層16への拡散を防止し、強誘電体酸化物層14中のPb原子の欠損形成を防止することができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a
基板11は、例えばシリコン単結晶基板を用いることができ、主面を(001)面に設定する。基板は、ガリウム−砒素(GaAs)の単結晶基板でもよい。
As the
シリコン酸化膜12は、スパッタ法、CVD法などにより形成され、例えば厚さが50nm〜300nmであり、基板11がシリコン単結晶基板の場合は表面を熱酸化した熱酸化膜でもよい。
The
下部電極層13は、シリコン酸化膜12上にスパッタ法、真空蒸着法などにより形成され、例えば厚さ50nm〜200nmの白金族の元素あるいは白金族の元素を含む合金よりなる層(以下、「白金族合金層」と称する。)、又は、ルチル構造またはスピネル構造を有する導電性酸化物層(以下、「ルチル型酸化物層」と略称する。)により構成される。白金族の元素はRu、Rh、Pd、Os、Ir、Ptである。これらのうち、特にIr、Ptが結晶成長面を(111)とする優れた結晶配向性が得られる点で好ましい。
The
また、ルチル構造を有する導電性酸化物としては、例えばRuO2、IrO2、OsO2、RhO2、ReO2、MoO2、CrO2、WO2、SnO2-xが挙げられる。スピネル構造を有する導電性酸化物としては、例えばLiTi2O4、LiV2O4、Fe3O4が挙げられる。 Further, as the conductive oxide having a rutile structure, for example RuO 2, IrO 2, OsO 2 , RhO 2, ReO 2, MoO 2, CrO 2, WO 2, SnO 2-x and the like. Examples of the conductive oxide having a spinel structure include LiTi 2 O 4 , LiV 2 O 4 , and Fe 3 O 4 .
なお、シリコン酸化膜12と下部電極層13との間に厚さ10nm程度のTi膜あるいはTiO2膜を形成してもよい。シリコン酸化膜12と下部電極層13との密着性を高めることができる。
A Ti film or a TiO 2 film having a thickness of about 10 nm may be formed between the
強誘電体酸化物層14は、厚さが10nm〜500nmに設定され、Pb原子を含み、ペロブスカイト構造を有する導電性酸化物から構成されている。具体的には、強誘電体酸化物層14は、ペロブスカイト構造を有する、例えばPb(Zr1-xTix)O3(0≦x≦1)の一般式で示されるPZTを用いることができる。また、Pb(B’1/3B”2/3)O3(B’:2価の金属、B”:5価の金属)の一般式で示されるPbNi1/3Nb2/3O3、PbCo1/3Nb2/3O3、PbMg1/3Nb2/3O3、PbZn1/3Nb2/3O3、PbMn1/3Nb2/3O3、PbNi1/3Ta2/3O3、PbCo1/3Ta2/3O3、PbMg1/3Ta2/3O3、PbZn1/3Ta2/3O3、PbMn1/3Ta2/3O3や、Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:3価の金属、B”:5価の金属)の一般式で示されるPbFe1/2Nb1/2O3、PbSc1/2Nb1/2O3、PbSc1/2Ta1/2O3や、Pb(B’1/2B”1/2)O3(B’:2価の金属、B”:6価の金属)の一般式で示される例えばPbMg1/2W1/2O3や、更にPZTに添加元素を加え、(Pb1-yLay)(Zr1-xTix)O3(0≦x、y≦1)の一般式で示されるPLZT、Pb(B’1/3B”2/3)xTiyZr1-x-yO3(0≦x、y≦1、B’:2価の金属、B”:5価の金属)、Pb(B’1/2B” 1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≦x、y≦1、B’:3価の金属、B”:5価の金属)、又はPb(B’1/2B” 1/2)xTiyZr1-x-yO3(0≦x、y≦1、B’:2価の金属、B”:6価の金属)の一般式で示される材料を用いることができる。なお、例えば、0.65PbMg1/3Nb2/3O3−0.35PbTiO3や0.5PbNi1/3Nb2/3O3−0.35PbTiO3−0.15PbZrO3などの多成分系結晶でもよい。
The
強誘電体酸化物層14は、CVD法(特に有機金属気相堆積(MOCVD)法)、スパッタ法、CSD(Chemical Solution Deposition)法、PLD(Pulse Laser Deposition)法などを用いて形成することができる。大面積の基板に適用可能な方法であれば限定されないが、CSD法が比較的大面積の基板に容易に形成できる点で好適である。
The
拡散防止層15は、CVD法、スパッタ法、CSD法、PLD法などにより形成され、例えば、導電性酸化物材料より構成される。導電性酸化物材料のうちペロブスカイト構造を有する酸化物が好ましい。強誘電体酸化物層14がペロブスカイト構造を有するのでエピタキシャル成長することができるので結晶性が良好となる。結晶性が良好なため比抵抗値が低減される。ペロブスカイト構造を有する導電性酸化物では、ペロブスカイト構造のAサイトにはイオン半径がPb2+より小さい、Sr2+、La3+、Ca2+及びBi3+などのイオンが占めることが好ましい。このような酸化物としては、SrRuO3、SrPbO3、SrVO3、SrCrO3、SrMoO3、(La,Sr)CoO3、(La1-xSrx)VO3(0.23<x<1)、LaNiO3、LaCrO3、LaCuO3、CaRuO3、CaVO3、CaCrO3、などから選択される。
The
また、ペロブスカイト構造のBサイトにはイオン半径が0.60nm以上0.80nm未満のイオンが占めることが好ましい。このようなイオンとして、Fe3+(0.63nm)、Al3+(0.67nm)、Co3+(0.67nm)、V5+(0.68nm)、Mn4+(0.68nm)、Ni3+(0.70nm)、Mn3+(0.72nm)、Ti4+(0.75nm)、Ga3+(0.76nm)、Cr3+(0.76nm)、Nb5+(0.78nm)、Ta5+(0.78nm)、Mo3+(0.79nm)が挙げられる(以上括弧内はイオン半径を示す。)。 Further, it is preferable that ions having an ion radius of 0.60 nm or more and less than 0.80 nm occupy the B site having a perovskite structure. As such ions, Fe 3+ (0.63 nm), Al 3+ (0.67 nm), Co 3+ (0.67 nm), V 5+ (0.68 nm), Mn 4+ (0.68 nm). , Ni 3+ (0.70 nm), Mn 3+ (0.72 nm), Ti 4+ (0.75 nm), Ga 3+ (0.76 nm), Cr 3+ (0.76 nm), Nb 5+ ( 0.78 nm), Ta 5+ (0.78 nm), Mo 3+ (0.79 nm) (the parentheses indicate ionic radii).
また、ペロブスカイト構造のBサイトにPb4+が占めてもよい。強誘電体酸化物層14のPb原子拡散を防止すると共に、強誘電体酸化物層14のPb空孔にPb原子を供給する機能を有すると考えられる。このような酸化物としては、BaPbO3、(Ba、Sr)PbO3が挙げられる。
Further, Pb 4+ may occupy the B site of the perovskite structure. It is considered that the
拡散防止層15は、厚さ1nm〜100nmの範囲に設定され、好ましくは5nm〜100nmに設定される。1nmより薄いとPb原子の拡散を防止する効果が十分ではなく、100nmを超えると抵抗値が過度に大となってしまう。
The
さらに、拡散防止層15の比抵抗は、2×10-6Ω・cm〜2×10-3Ω・cmであることが好ましい。比抵抗を低くすることにより、拡散防止層15の厚さを十分に確保することができる。
Furthermore, the specific resistance of the
上部電極層16は、下部電極層13と同様にして形成され、例えば厚さ5nm〜200nmに設定される。上部電極層は、下部電極層13と同様に、上述した白金族合金層、あるいはルチル型酸化物層でもよく、ルチル型酸化物層と白金族合金層を順次積層した積層体でもよい。
The
本実施の形態によれば、拡散防止層15を設けることにより強誘電体酸化物層14のPb原子の拡散を防止し、強誘電体酸化物層14中のPb空孔の形成を防止することができる。本願発明者の検討によれば、上部電極層16にルチル型酸化物層のうち、IrO2やRuO2を用いた場合、拡散防止層15を設けることによる強誘電体酸化物層14から上部電極層16へのPb原子の拡散防止効果が特に大きいことが見出されている。これは上部電極層16の導電性酸化物が粒子状構造を有していることや、拡散防止層15のAサイトにイオン半径の点でPb原子が入り難いことに起因すると推察される。
According to the present embodiment, the
なお、拡散防止層15は、下部電極層13と強誘電体酸化物層14との間に設けてもよく、下部電極層13と強誘電体酸化物層14との間と、強誘電体酸化物層14と上部電極層16との間の両方に設けてもよい。両方に設けることによりPb原子の拡散を一層防止することができる。以下、本実施の形態に係る実施例を説明する。
The
[実施例1]
6インチの(100)を主面とするSi単結晶基板を用い、Si単結晶基板の表面を熱酸化により100nmの厚さのシリコン酸化膜を形成した。次いで、その上にスパッタリング法を用いて下部電極層として150nmの厚さのIr膜を形成した。
[Example 1]
A Si single crystal substrate having a main surface of 6 inches (100) was used, and a silicon oxide film having a thickness of 100 nm was formed on the surface of the Si single crystal substrate by thermal oxidation. Next, an Ir film having a thickness of 150 nm was formed thereon as a lower electrode layer by sputtering.
このような構造体の表面にPZT膜を形成した。具体的には、有機金属気相堆積(MOCVD)法を用い、有機金属材料には、Pb源としてPb(THD)2(鉛ビス(テトラメチルヘプタンジオン))、Zr源としてZr(DMHD)4(ジルコニウムテトラキス(ジメチルヘプタジオナート))、Ti源としてTi(iPrO)2(THD)2(チタン(ジイソプロキシ)(テトラメチルヘプタンジオン))を用いた。これらの材料をテトラヒドロフラン(THF)を溶媒として0.3mol/Lの濃度で溶かした液体を出発原料とした。出発原料を液体マスフローコントローラにより流量を制御して、Pb/(Zr+Ti)流量比で0.78、Zr/(Zr+Ti)流量比で0.46の割合に調整し、更にTHF溶媒のみをTHF/(Pb+Zr+Ti)流量比で1.33の割合で流し、260℃に保持した気化器に導入してガス化した。 A PZT film was formed on the surface of such a structure. Specifically, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method is used, and Pb (THD) 2 (lead bis (tetramethylheptanedione)) is used as the Pb source and Zr (DMHD) 4 is used as the Zr source. (Zirconium tetrakis (dimethylheptadionate)) and Ti (iPrO) 2 (THD) 2 (titanium (diisoproxy) (tetramethylheptanedione)) were used as a Ti source. A liquid obtained by dissolving these materials at a concentration of 0.3 mol / L using tetrahydrofuran (THF) as a solvent was used as a starting material. The flow rate of the starting material is controlled by a liquid mass flow controller so that the Pb / (Zr + Ti) flow rate ratio is adjusted to 0.78, the Zr / (Zr + Ti) flow rate ratio is adjusted to 0.46, and only the THF solvent is added to the THF / ( Pb + Zr + Ti) was flowed at a flow rate ratio of 1.33 and was introduced into a vaporizer maintained at 260 ° C. for gasification.
N2ガスをキャリアガスとして流量を300sccmとし、出発原料と同時に気化器に導入した。ガス化された有機金属材料及びキャリアガスは反応室上部にあるガス混合室で2500sccmの流量に設定した酸素ガスと混合した。 N 2 gas was used as a carrier gas, the flow rate was 300 sccm, and the starting material was introduced into the vaporizer at the same time. The gasified organometallic material and carrier gas were mixed with oxygen gas set at a flow rate of 2500 sccm in a gas mixing chamber at the top of the reaction chamber.
上記の構造体が形成されたSi単結晶基板を加熱用ヒータ上部のサセプタに乗せ、基板温度が600℃均一になるように240秒間加熱し、CVD反応室は全圧670Paとなるように調整した。次いで、ガス混合室で混合したガスをシャワーヘッドを通してCVD反応室へ導入した。基板加熱後、気化器から排気ラインを結ぶバルブを閉じ、同時に気化器からガス混合室に向かう配管のバルブを空け混合室にキャリアガスと共に導入する。一方酸素ガスも混合室に導入し、原料ガスと混合した。ガス混合室により混合されたガスは、シャワーヘッドを通して、670Paに維持された堆積室に送られ、Ir膜上にPZT膜を120nmの膜厚となるまで成膜した。 The Si single crystal substrate on which the above structure was formed was placed on the susceptor above the heating heater, heated for 240 seconds so that the substrate temperature was uniform at 600 ° C., and the CVD reaction chamber was adjusted to a total pressure of 670 Pa. . Next, the gas mixed in the gas mixing chamber was introduced into the CVD reaction chamber through a shower head. After the substrate is heated, the valve connecting the exhaust line from the vaporizer is closed, and at the same time, the valve of the piping from the vaporizer to the gas mixing chamber is opened and introduced into the mixing chamber together with the carrier gas. Meanwhile, oxygen gas was also introduced into the mixing chamber and mixed with the raw material gas. The gas mixed in the gas mixing chamber was sent through a shower head to a deposition chamber maintained at 670 Pa, and a PZT film was formed on the Ir film until the film thickness became 120 nm.
室温に冷却後、PZT膜上にスパッタ法を用いてSrRuO3膜を拡散防止層として形成した。ロータリーポンプおよびクライオポンプによりチャンバー内を5×10-4Pa以下まで排気後Arガスを50sccm導入し、チャンバー内を1Paに調圧し、スパッタターゲットにSrRuO3の焼結体を用いて、直流300Wで放電させて、厚さ5nmのSrRuO3膜を形成した。 After cooling to room temperature, an SrRuO 3 film was formed as a diffusion prevention layer on the PZT film by sputtering. After evacuating the chamber to 5 × 10 −4 Pa or less with a rotary pump and a cryopump, Ar gas is introduced at 50 sccm, the pressure in the chamber is adjusted to 1 Pa, and a SrRuO 3 sintered body is used as a sputtering target at a direct current of 300 W. It was discharged to form a 5 nm thick SrRuO 3 film.
次いでSrRuO3膜上にスパッタ法により厚さ50nmのIrO2膜の上部電極層を形成した。以上により、IrO2膜/SrRuO3膜/PZT膜/Ir膜からなる強誘電体キャパシタが形成された。 Next, an upper electrode layer of an IrO 2 film having a thickness of 50 nm was formed on the SrRuO 3 film by sputtering. Thus, a ferroelectric capacitor composed of IrO 2 film / SrRuO 3 film / PZT film / Ir film was formed.
次いで強誘電体キャパシタをフォトリソグラフィー法及びエッチングによりIrO2膜/SrRuO3膜を50μmx50μmの大きさに加工し、強誘電体キャパシタの電気特性を評価した。Ir膜とIrO2膜との間に3Vの電圧を極性を交互に反転させて印加して、PZT膜の分極反転を繰り返した。 Next, the ferroelectric capacitor was processed into a size of 50 μm × 50 μm by IrO 2 film / SrRuO 3 film by photolithography and etching, and the electrical characteristics of the ferroelectric capacitor were evaluated. A voltage of 3 V was applied between the Ir film and the IrO 2 film with the polarities reversed alternately to repeat the polarization inversion of the PZT film.
図2は、規格化分極量と分極反転回数との関係を示す図である。図中、縦軸は初期の分極量により規格化して示している。図2を参照するに、分極反転を繰り返しても初期分極と比較して減少しておらず、1010回においても初期分極量程度の分極量を有すること分かる。したがって、SrRuO3膜の拡散防止層を設けることによりPZT膜からのPb原子の拡散を防止して疲労特性を改善することができた。 FIG. 2 is a diagram illustrating the relationship between the normalized polarization amount and the number of polarization inversions. In the figure, the vertical axis is shown normalized by the initial polarization amount. Referring to FIG. 2, it can be seen that even if the polarization inversion is repeated, it does not decrease as compared with the initial polarization, and the polarization amount is about 10 10 times as large as the initial polarization amount. Therefore, by providing the diffusion preventing layer of the SrRuO 3 film, it was possible to prevent the diffusion of Pb atoms from the PZT film and improve the fatigue characteristics.
[実施例2〜実施例6]
実施例2〜実施例6では、実施例1の拡散防止層のSrRuO3膜の代わりに、以下の導電性材料を用いて形成した以外は実施例1と同様にして強誘電体キャパシタを形成した。実施例2〜6のうち、いずれの実施例においても実施例1と同様に分極反転を繰り返し、1010回においても分極量の減少は認められなかった。
[Examples 2 to 6]
In Examples 2 to 6, ferroelectric capacitors were formed in the same manner as in Example 1 except that the following conductive material was used instead of the SrRuO 3 film of the diffusion prevention layer of Example 1. . Among Examples 2 to 6, in any example, the polarization inversion was repeated in the same manner as in Example 1, and no decrease in the amount of polarization was observed even 10 10 times.
実施例2: SrPbO3膜
実施例3: (La,Sr)CoO3膜
実施例4: LaNiO3膜
実施例5: SrVO3膜
実施例6: LaCrO3膜
(第2の実施の形態)
図3は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の要部断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
Example 2: SrPbO 3 film Example 3: (La, Sr) CoO 3 film Example 4: LaNiO 3 film Example 5: SrVO 3 film Example 6: LaCrO 3 film (second embodiment)
FIG. 3 is a fragmentary cross-sectional view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, portions corresponding to the portions described above are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
図3を参照するに、第2の実施の形態に係る半導体装置20は、基板11と、基板11上にシリコン酸化膜12、下部電極層13、拡散防止層21、強誘電体酸化物層14、上部電極層16が順次積層されて構成されている。本実施の形態の半導体装置20では、下部電極層13と強誘電体酸化物層14との間に拡散防止層21を設けることにより、強誘電体酸化物層14のPb原子の下部電極層13への拡散を防止し、強誘電体酸化物層14中にPb原子欠損の形成を防止することができる。
Referring to FIG. 3, the
拡散防止層21は、下部電極層13上にCVD法、スパッタ法、CSD法、PLD法などにより形成され、第1の実施の形態において説明した拡散防止層15と同様の材料より形成される。拡散防止層21は、ペロブスカイト構造を有する酸化物よりなることが好ましい。下部電極層13の結晶面に対して(111)方向にエピタキシャル成長するので、結晶性が良好となる。その結果、拡散防止層21上に形成される強誘電体酸化物層14の結晶性を向上することができる。
The
本実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、第1の実施の形態において強誘電体酸化物層14と拡散防止層15を形成する順序を入れ替えることにより、第1の実施の形態と同様にして行うことができる。さらに、強誘電体酸化物層14を形成する工程において以下の製造方法により行ってもよい。
The manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment is the same as that of the first embodiment by changing the order of forming the
第1の実施の形態において説明した方法と同様の方法で、基板11上にシリコン酸化膜12、下部電極層13、拡散防止層21を順次形成する。
A
次いで、拡散防止層21上に例えばMOCVD法によりPZT(Pb(Zr,Ti)O3)膜よりなる強誘電体酸化物層14を形成する。基板温度を600℃に設定する。第1の実施の形態の実施例1において説明したように、有機金属材料とキャリアガスと酸素ガスが混合・気化され、CVD反応室に導入され拡散防止層21上に所定の厚さのPZT膜が形成される。
Next, a
所定の厚さのPZT膜を形成完了と同時に、PZT膜まで形成された基板11が設置されたCVD反応室の真空容器にはPb蒸着源を用いて発生されたPb蒸気が供給される。Pb蒸気を真空容器内に充填することによりPZT膜からのPb原子が実質的に解離することを防止することができる。特にPZT膜形成直後は高温であるため、Pb原子が解離し易く、本方法を用いることによりPZT膜中のPb原子の欠損を抑制することができる。なお、基板11をCVD反応室からトランスファーチューブにより専用の装置に移送してかかる処理を行ってもよい。
Simultaneously with the completion of the formation of the PZT film having a predetermined thickness, the Pb vapor generated using the Pb vapor deposition source is supplied to the vacuum chamber of the CVD reaction chamber in which the
図4は、真空容器内においてPZT膜を形成した基板を冷却する際の処理の様子を示す概念図である。図4を参照するに、真空容器30は、真空容器30全体を加熱するヒータ30aと、Pb材31とPb蒸発源用ヒータ32aとを備えたPb蒸発源32と、基板用ヒータ33aを備え基板11を保持する基板保持台33と、真空容器30全体を加熱するヒータ30aなどから構成され、それぞれのヒータ30a,32a,33aには温度を検知する温度センサ30b,32b,33bが設けられている。さらにそれぞれのヒータ30a,32a,33a及び温度センサ30b,32b,33bは温度制御装置34に接続され、温度制御装置34によりPb蒸発源32、基板保持台33、真空容器30の温度をそれぞれ制御する構成となっている。また、真空容器30にはガスボンベ36a及びマスフローコントローラ36b等からなるガス供給系36と、ロータリーポンプ38a及びクライオポンプ38bなどからなるガス排気系38が設けられ、真空容器30内を調圧することができる。
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a state of processing when the substrate on which the PZT film is formed is cooled in the vacuum vessel. Referring to FIG. 4, the
Pb蒸発源32の加熱温度を、基板11の温度(以下、「基板温度」と称する。)により決まるPZT膜のPb分圧よりも大となるPb蒸気圧が形成されるように設定する。ここで、PZT膜のPb分圧は、PZT膜をある温度に保ったときのその表面から解離してガス化する成分のうちのPbの蒸気圧である。Pb分圧は、例えば密閉した容器中にPZT膜を配置し、PZT膜を含む容器全体を加熱し、発生するPb原子数を計測することにより求めことができる。具体的には、以下のようにして基板温度とPb蒸発源の加熱温度の関係を設定する。
The heating temperature of the
図5は、PZT膜のPb分圧曲線とPbの蒸気圧曲線を示す模式図である。基板温度Twに対してPZT膜のPb分圧の温度特性からPb分圧を求め、Pbの蒸気圧曲線からPb分圧と等しいPbの蒸気圧になる温度Tpを求め、Pb蒸発源の加熱温度Tsの温度をTpより高くする。このような温度関係に設定することによって、図4に示す真空容器30の雰囲気のPb蒸気圧がPb分圧より高くなるので、雰囲気から供給されるPb原子数が多いため、PZT膜からのPb原子の実質的な解離を防止して、PZT膜中にPb空孔が形成されることを防止できる。
FIG. 5 is a schematic diagram showing a Pb partial pressure curve and a Pb vapor pressure curve of the PZT film. The Pb partial pressure is obtained from the temperature characteristic of the Pb partial pressure of the PZT film with respect to the substrate temperature Tw, the temperature Tp at which the vapor pressure of Pb is equal to the Pb partial pressure is obtained from the Pb vapor pressure curve, and the heating temperature of the Pb evaporation source The temperature of Ts is set higher than Tp. By setting such a temperature relationship, the Pb vapor pressure in the atmosphere of the
なお、真空容器30自体の温度を真空容器30に設けられたヒータ30aにより加熱してPb蒸発源32の加熱温度Tsに設定することが好ましい。真空容器30内のPb蒸気が内壁に付着してPb蒸気圧が低下することを抑制することができる。
The temperature of the
次いで、徐々に基板温度Twを低下させ、それに合わせて上記の温度関係を維持しながらPb蒸発源32の加熱温度Tsを低下させる。降温速度は0.1℃/分〜10℃/分に設定することが好ましい。温度制御を容易化することができる。
Next, the substrate temperature Tw is gradually lowered, and the heating temperature Ts of the
なお、Pb蒸気圧とPb分圧の比(Pb蒸気圧/Pb分圧)が1より大きく1000より小さいことが好ましい。Pb蒸気圧が過度に大となると、Pb蒸気がPZT膜表面で固体化し易くなり、導電性被膜の形成の問題が生じてしまう。Pb蒸気圧が過剰の場合は、ガス供給系36及びガス排気系38によりArガスなどの不活性ガスを供給して、Pb蒸気を含んだ雰囲気ガスを排気する。
The ratio of Pb vapor pressure to Pb partial pressure (Pb vapor pressure / Pb partial pressure) is preferably greater than 1 and less than 1000. When the Pb vapor pressure becomes excessively large, the Pb vapor is easily solidified on the surface of the PZT film, and a problem of forming a conductive film occurs. When the Pb vapor pressure is excessive, an inert gas such as Ar gas is supplied by the
なお、上記処理を行う場合は、予めPb蒸発源32のPb材31を高真空中でドライエッチングにより表面を研削することが好ましい。Pb材料の表面には大気中でPbOが形成され易く、かかるPbOを研削することにより所望のPb蒸気圧を得ることができる。
In addition, when performing the said process, it is preferable to grind the surface of the
図3に戻り、次いでPZT膜上に第1の実施の形態と同様にして上部電極層16を形成する。以上により、本実施の形態に係る半導体装置20が形成される。
Returning to FIG. 3, the
本実施の形態によれば、強誘電体酸化物層としてのPZT膜を堆積後、基板が堆積中の温度から室温まで冷却するまでの間、PZT膜が曝露されている雰囲気がPZT膜のPb分圧より大なるPb蒸気圧により満たされているので、PZT膜からのPb原子の解離を防止し、PZT膜中にPb空孔が形成されることを防止できる。したがって、リーク電流を低減し消費電力を低減することができ、また、疲労特性を良好にすることができる。 According to the present embodiment, after the PZT film as the ferroelectric oxide layer is deposited, the atmosphere in which the PZT film is exposed until the substrate is cooled from the temperature during deposition to room temperature is the Pb of the PZT film. Since it is filled with the Pb vapor pressure larger than the partial pressure, it is possible to prevent the dissociation of Pb atoms from the PZT film and to prevent the formation of Pb vacancies in the PZT film. Therefore, leakage current can be reduced, power consumption can be reduced, and fatigue characteristics can be improved.
(第3の実施の形態)
図6は、本発明の第3の実施形態に係るFeRAMの回路図、図7は、本発明の第3の実施形態に係るFeRAMの断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 6 is a circuit diagram of an FeRAM according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the FeRAM according to the third embodiment of the present invention.
図6を参照するに、FeRAMは、1ビットの情報の記憶に2つの選択トランジスタTA、TCと、2つの強誘電体キャパシタCA、CCとを用いる2T2Cのメモリセル方式が採用されている。図7には、図6に示すビット線BLに接続された隣接するメモリセル41,42に亘っての断面図であり、メモリセル41,42の選択トランジスタTA,TB及び強誘電体キャパシタCA、CBが示されている。
Referring to FIG. 6, FeRAM employs a 2T2C memory cell system that uses two selection transistors T A and T C and two ferroelectric capacitors C A and C C to store 1-bit information. ing. Figure 7 is a sectional view taken across the
図7を参照するに、本実施の形態のFeRAM50は、図6に示すワード線WL1、WL2が選択トランジスタTA,TBのゲート電極54A,54Bとして形成される。選択トランジスタTA,TBの拡散領域56A,56Bは、強誘電体キャパシタ膜63を有する強誘電体キャパシタCA,CBの下部電極層61にコンタクトプラグ60A,60Bを介して電気的に接続されている。強誘電体キャパシタCA,CBは、第1の実施の形態において説明したものと同様の構成であり、下部電極層61、強誘電体酸化物層62、拡散防止層63、及び上部電極層64が順次積層されたプレーナスタック型強誘電体キャパシタ構造を有している。また、強誘電体キャパシタCA,CBは、その上側電極層64がシリコン酸化膜65で覆われ、このシリコン酸化膜65に形成されたコンタクトホール66A,66Bを介して、第一層配線であるプレート線74A,74B(図6に示すPL1、PL2)に接続されている。さらに、拡散領域56Cは、コンタクトプラグ70,74C,80を介して、強誘電体キャパシタCA,CBより上部に形成されたビット線84に接続されている。
Referring to FIG. 7, FeRAM50 of this embodiment, the word line WL1 as shown in FIG. 6, WL2 selection transistor T A, the
次に、本実施の形態のFeRAMの製造工程を説明する。図8(A)〜図10(B)は本実施の形態のFeRAMの製造工程を示す図である。 Next, the manufacturing process of the FeRAM of this embodiment will be described. FIG. 8A to FIG. 10B are diagrams showing the manufacturing process of the FeRAM of this embodiment.
図8(A)の工程では、基板51に、CMOSプロセスによりSTI(Shallow Trench Isolation)を用いて素子分離領域52及び素子領域53を形成し、この素子領域53の上部にシリコン絶縁膜等よりなるゲート絶縁膜57を形成し、その上にゲート電極54A,54Bを形成し、選択トランジスタTA、TBを形成する。なおゲート電極54A,54Bは紙面に垂直に延在して設けられている。
In the step of FIG. 8A, an
図8(A)の工程ではさらに、上記選択トランジスタTA,TB及び基板51の上面にSiN絶縁膜55を形成し、更にシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜58を形成する。レジスト膜のフォトリソグラフィー法及びRIE(異方性エッチング)法により、素子領域53の拡散領域56A,56Bの上面にコンタクトホールを形成し、TiN密着膜59−1及びタングステン59−2を充填することにより、拡散領域56A,56Bと後述する強誘電体キャパシタCA,CBを接続するためのコンタクトプラグ60A,60Bを形成する。次いで、層間絶縁膜58及びコンタクトプラグ60A,60Bの上面をCMP(Chemical and Mechanical Polishing)法により研磨する。
8A, a
次いで、図8(B)の工程では、層間絶縁膜58及びコンタクトプラグ60A,60Bの上面に、Ti密着膜61、下部電極層62を順次形成する。ここで、Ti密着膜61は厚さ100nm、下部電極層62は、例えば厚さ50nmであり、白金族の元素あるいはその合金などから構成される。
Next, in the step of FIG. 8B, a
図8(B)の工程ではさらに、下部電極層61上にPZT膜よりなる強誘電体酸化物層62を形成する。強誘電体酸化物層62は、RFスパッタリング、CSD法、CVD法などにより形成する。ここではRFスパッタリング法を用いて、Arガス圧1.1Pa、RFパワー1.0kWに設定して、厚さ200nm形成した。
In the step of FIG. 8B, a
図8(B)の工程ではさらに、強誘電体酸化物層62上にCVD法、スパッタ法などを用いて厚さ20nmの導電性酸化物よりなる拡散防止層63を形成する。導電性酸化物は第1の実施の形態において挙げたものを用いることができる。ここでは(La,Sr)CoO3膜を用いた。
In the step of FIG. 8B, a
図8(B)の工程ではさらに、拡散防止層63上に上側電極層64を形成する。上側電極層64は、例えば厚さ200nmであり、白金族合金層、IrO2、RuO2、SrRuO2などの導電性酸化物、またはこれらの積層体、強誘電体キャパシタ膜63側を導電性酸化物とした、例えばIrO2膜とIr膜を順次堆積した積層体などから構成される。上側電極層64は、例えばPtを形成する場合は酸素を5%以下の濃度のAr雰囲気中で、RFスパッタリング法を用いて形成してもよい。ここではIrO2膜を形成した。
In the step of FIG. 8B, an
図8(B)の工程ではさらに、約600℃において90秒間急速熱処理(RTA)することにより強誘電体酸化物層62が結晶化される。
In the step of FIG. 8B, the
次いで図8(C)の工程では、フォトリソグラフィー法及びRIE法により、コンタクトプラグ60A,60B上の下部電極層61、強誘電体酸化物層62、拡散防止層63及び上側電極層64を残す。以上により強誘電体キャパシタCA,CBが形成される。
Next, in the step of FIG. 8C, the
次いで図9(A)の工程では、CVD法を用いて図8(C)の構造体を覆うシリコン酸化膜65を堆積し、更に層間絶縁膜66を堆積する。次いで堆積した層間絶縁膜66の上面をCMP法により研磨し平坦化する。
Next, in the step of FIG. 9A, a
図9(A)の工程ではさらに、フォトリソグラフィー法及びRIE法により、SiN絶縁膜55\層間絶縁膜58\シリコン酸化膜65\層間絶縁膜66の積層体中を貫通して拡散領域56Cを露出させるコンタクトホールを形成し、TiN密着膜68及びタングステン69を充填して、コンタクトプラグ70を形成する。
9A, the
図9(A)の工程ではさらに、強誘電体キャパシタCA,CBの上側電極層64の上部に堆積しているシリコン酸化膜65及び層間絶縁膜66に、フォトリソグラフィー法及びRIE法により、上側電極層64を露出させるコンタクトホール66A、66Bを形成する。
In the process of FIG. 9A, the
次いで図9(B)の工程では、図9(A)の構造体上に、TiN密着膜71、Alメタル第1層72、TiN密着膜73を典型的にはそれぞれ厚さ20nmを順次堆積する。次いで、フォトリソグラフィー法及びRIE法によりTiN密着膜71\Alメタル第1層72\TiN密着膜73をエッチングして、紙面に垂直に延在する配線パターンを形成し、強誘電体キャパシタCA,CBの上側電極層64に接続するプレート線としての配線パターン74A、74B、及びコンタクトプラグ70に接続する電極パターン74Cを形成する。
Next, in the process of FIG. 9B, a
次いで図10(A)の工程では、図9(B)の構造体上に、CVD法により層間絶縁膜76を堆積し、この層間絶縁膜76の表面をCMP法により研磨し平坦化する。次いで層間絶縁膜76中に電極パターン74Cを露出させるコンタクトホールを形成し、コンタクトホールを充填するTiN密着膜78およびタングステンプラグ79を充填することによりコンタクトプラグ80を形成する。
Next, in the step of FIG. 10A, an
次いで図10(B)の工程では、図10(A)の構造体上に、TiN密着膜81、Alメタル第2層82、TiN密着膜83を順次形成する。これらの積層体をフォトリソグラフィー法及びRIE法により、横方向に延在するビット線としてのビット線パターン84を形成する。これにより、ビット線パターン84と拡散領域56Cとが電気的に接続される。次いで、CVD法によりビット線パターン84及び層間絶縁膜76を覆うシリコン酸化膜85を形成し、更にパッシベーション膜86を形成する。以上により図7に示す本実施の形態のFeRAMが形成される。
Next, in the process of FIG. 10B, a
図11は、本実施の形態に係るFeRAMの強誘電体キャパシタの上部電極層64から深さ方向の組成プロファイルを示す図である。図中、横軸はArエッチングの時間を表し、Arエッチングにより研削した深さに相当する。
FIG. 11 is a diagram showing a composition profile in the depth direction from the
図11を参照するに、強誘電体キャパシタは加熱処理を経ているにも拘わらず、Pb元素のプロファイルが拡散防止層の位置で急激に減少し、PZT膜から上部電極層への拡散が防止されていることが分かる。 Referring to FIG. 11, although the ferroelectric capacitor has undergone the heat treatment, the profile of the Pb element rapidly decreases at the position of the diffusion preventing layer, and diffusion from the PZT film to the upper electrode layer is prevented. I understand that
一方、図12は本発明によらない比較例の強誘電体キャパシタの上部電極層から深さ方向の組成プロファイルを示す図である。本比較例の強誘電体キャパシタは、拡散防止層を設けていない以外は本実施の形態に係るFeRAMの強誘電体キャパシタと同様である。図12を参照するに、Pb元素の強度はPZT膜と上部電極層との界面から上部電極側に裾野をひいている。すなわち、上部電極層はPbを本来含んでいないので、Pb原子が上部電極層へ拡散していることが分かる。 On the other hand, FIG. 12 is a diagram showing a composition profile in the depth direction from the upper electrode layer of a ferroelectric capacitor of a comparative example not according to the present invention. The ferroelectric capacitor of this comparative example is the same as the FeRAM ferroelectric capacitor according to the present embodiment except that no diffusion prevention layer is provided. Referring to FIG. 12, the strength of the Pb element has a base from the interface between the PZT film and the upper electrode layer to the upper electrode side. That is, since the upper electrode layer does not originally contain Pb, it can be seen that Pb atoms are diffused into the upper electrode layer.
本実施の形態によれば、強誘電体キャパシタCA,CBの強誘電体酸化物層62が拡散防止層63に覆われているので、強誘電体酸化物層62から上部電極層64へのPb原子の拡散が防止され、強誘電体酸化物層62中のPb空孔の形成が防止される。したがって、リーク電流を低減することができ、FeRAMの疲労特性を良好とすることができ、長期信頼性を向上することができる。
According to the present embodiment, since the
なお、本実施の形態の強誘電体キャパシタCA、CBに第2の実施の形態で説明した強誘電体酸化物層を形成する際のPb蒸気による処理を組み合わせてもよい。また、本実施の形態の強誘電体キャパシタCA、CBの替わりに第2の実施の形態の強誘電体キャパシタを適用してもよい。さらに、第1及び第2の実施の形態の強誘電体キャパシタCA、CBの構成を組み合わせてもよい。 It should be noted that the ferroelectric capacitors C A and C B of this embodiment may be combined with the treatment with Pb vapor when forming the ferroelectric oxide layer described in the second embodiment. Also, the ferroelectric capacitor C A of the present embodiment, the ferroelectric capacitor of the second embodiment may be applied instead of C B. Furthermore, the configurations of the ferroelectric capacitors C A and C B of the first and second embodiments may be combined.
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It can be changed.
例えば、上述したPZT膜は優れた圧電性を示し、アクチュエータとしても用いられる。したがって、本発明はかかるアクチュエータに適用することが可能であり、かつ優れたPb拡散防止効果を奏する。したがって、印加電圧に対する変位量が長期に亘って劣化することがなく長期信頼性を有する。また、PZT膜に限定されず、圧電性を示しPbを含むペロブスカイト構造を有する酸化物層を用いたアクチュエータに本発明を適用することが可能である。 For example, the PZT film described above exhibits excellent piezoelectricity and is also used as an actuator. Therefore, the present invention can be applied to such an actuator and has an excellent Pb diffusion preventing effect. Therefore, the displacement with respect to the applied voltage does not deteriorate over a long period of time and has long-term reliability. Further, the present invention is not limited to the PZT film, and the present invention can be applied to an actuator using an oxide layer that exhibits piezoelectricity and has a perovskite structure containing Pb.
なお、以上の説明に関して更に以下の付記を開示する。
(付記1) 強誘電体酸化物層と、該強誘電体酸化物層を挟む第1の電極層と第2の電極層とからなる強誘電体キャパシタを有する半導体装置であって、
前記強誘電体酸化物層がPbを含む酸化物よりなり、
前記第1の電極層と強誘電体酸化物層との間、及び強誘電体酸化物層と第2の電極層との間のうち、少なくともいずれか一方の間に、強誘電体酸化物層中のPbの拡散を防止する拡散防止層を有することを特徴とする半導体装置。
(付記2) 前記拡散防止層が導電性酸化物層であり、該導電性酸化物層がペロブスカイト構造を有する材料よりなることを特徴とする付記1記載の半導体装置。
(付記3) 前記ペロブスカイト構造を有する材料は、その結晶構造のAサイトを占めるイオンが、Pb2+イオンのイオン半径よりも小さいイオン半径を有することを特徴とする付記2記載の半導体装置。
(付記4) 前記Aサイトを占めるイオンがSr2+、La3+、Ca2+及びBi3+のうち少なくともいずれか1種を含むことを特徴とする付記3記載の半導体装置。
(付記5) 前記ペロブスカイト構造を有する材料は、その結晶構造のBサイトを占めるイオンがPb4+であることを特徴とする付記2〜4のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記6) 前記拡散防止層は1nm〜100nmの厚さに設定されることを特徴とする付記1〜5のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記7) 前記第1の電極層または第2の電極層がルチル構造またはスピネル構造を有する導電性酸化物層であることを特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記8) 前記ルチル構造またはスピネル構造を有する導電性酸化物層が、IrO2、RuO2、及びSrRuO2の群のうちいずれか1種であることを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の半導体装置。
(付記9) 半導体基板に、強誘電体酸化物層と、該強誘電体酸化物層を挟む第1の電極層と第2の電極層とからなる強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
前記第1の電極層を形成する第1工程と、
前記強誘電体酸化物層を形成する第2工程と、
前記第2の電極層を形成する第3工程とを含み、
前記第2工程において、
真空容器中で前記半導体基板を加熱して強誘電体酸化物層を堆積し、
次いで、前記真空容器中にPb蒸気を供給し、Pb蒸気圧を所定の蒸気圧に制御しながら冷却する処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記10) 半導体基板に、強誘電体酸化物層と、該強誘電体酸化物層を挟む第1の電極層と第2の電極層とからなる強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
前記第1の電極層を形成する第1工程と、
前記強誘電体酸化物層を形成する第2工程と、
前記第2の電極層を形成する第3工程とを含み、
前記第1工程と第2工程との間、及び前記第2工程と第3工程との間のうち少なくともいずれかの間に、前記Pbが第1または第2の電極層へ拡散することを防止する拡散防止層を形成する工程を更に含み、
前記第2工程において、
真空容器中で前記半導体基板を加熱して強誘電体酸化物層を堆積し、
次いで、前記真空容器中にPb蒸気を供給し、Pb蒸気圧を所定の蒸気圧に制御しながら冷却する処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記11) 前記Pb蒸気圧を強誘電体酸化物層の表面のPb分圧よりも高くすることを特徴とする付記11記載の半導体装置の製造方法。
(付記12) 前記真空容器中に設けたPb蒸発源の加熱温度を制御してPb蒸気圧を制御することを特徴とする付記9〜11のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記13) 前記真空容器中の過剰のPb蒸気圧を含むガスを不活性ガスと置換してPb蒸気圧を制御することを特徴とする付記9〜12のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
(付記14) 前記第3の工程の後に前記強誘電体酸化物層を結晶化する加熱工程を更に含むことを特徴とする付記9〜13のうち、いずれか一項記載の半導体装置の製造方法。
In addition, the following additional notes are disclosed regarding the above description.
(Appendix 1) A semiconductor device having a ferroelectric capacitor comprising a ferroelectric oxide layer, and a first electrode layer and a second electrode layer sandwiching the ferroelectric oxide layer,
The ferroelectric oxide layer is made of an oxide containing Pb;
A ferroelectric oxide layer is provided between at least one of the first electrode layer and the ferroelectric oxide layer and between the ferroelectric oxide layer and the second electrode layer. A semiconductor device comprising a diffusion preventing layer for preventing diffusion of Pb therein.
(Supplementary note 2) The semiconductor device according to supplementary note 1, wherein the diffusion preventing layer is a conductive oxide layer, and the conductive oxide layer is made of a material having a perovskite structure.
(Supplementary note 3) The semiconductor device according to supplementary note 2, wherein the material having a perovskite structure has an ion radius smaller than an ion radius of a Pb 2+ ion in an ion occupying the A site of the crystal structure.
(Supplementary note 4) The semiconductor device according to supplementary note 3, wherein the ions occupying the A site include at least one of Sr 2+ , La 3+ , Ca 2+ and Bi 3+ .
(Supplementary note 5) The semiconductor device according to any one of supplementary notes 2 to 4 , wherein the material having the perovskite structure has Pb 4+ ions occupying a B site of the crystal structure.
(Additional remark 6) The said diffusion prevention layer is set to 1 nm-100 nm in thickness, The semiconductor device as described in any one of Additional remarks 1-5 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 7) The semiconductor according to any one of Supplementary notes 1 to 6, wherein the first electrode layer or the second electrode layer is a conductive oxide layer having a rutile structure or a spinel structure. apparatus.
(Supplementary Note 8) The rutile structure or an electrically conductive oxide layer having a spinel structure, IrO 2, RuO 2, and of the appended 1 to 7, characterized in that any one of a group of SrRuO 2, The semiconductor device according to any one of claims.
(Additional remark 9) Manufacturing method of semiconductor device which has ferroelectric capacitor which consists of a ferroelectric oxide layer and the 1st electrode layer which pinches | interposes this ferroelectric oxide layer, and a 2nd electrode layer in a semiconductor substrate Because
A first step of forming the first electrode layer;
A second step of forming the ferroelectric oxide layer;
A third step of forming the second electrode layer,
In the second step,
Heating the semiconductor substrate in a vacuum container to deposit a ferroelectric oxide layer;
Next, a method of manufacturing a semiconductor device, wherein Pb vapor is supplied into the vacuum container and cooling is performed while controlling the Pb vapor pressure to a predetermined vapor pressure.
(Additional remark 10) Manufacturing method of semiconductor device which has ferroelectric capacitor which consists of a ferroelectric oxide layer and the 1st electrode layer which pinches | interposes this ferroelectric oxide layer, and a 2nd electrode layer in a semiconductor substrate Because
A first step of forming the first electrode layer;
A second step of forming the ferroelectric oxide layer;
A third step of forming the second electrode layer,
Preventing Pb from diffusing into the first or second electrode layer between at least one of the first step and the second step and between the second step and the third step. Further comprising the step of forming a diffusion barrier layer
In the second step,
Heating the semiconductor substrate in a vacuum container to deposit a ferroelectric oxide layer;
Next, a method of manufacturing a semiconductor device, wherein Pb vapor is supplied into the vacuum container and cooling is performed while controlling the Pb vapor pressure to a predetermined vapor pressure.
(Additional remark 11) The said Pb vapor pressure is made higher than Pb partial pressure of the surface of a ferroelectric oxide layer, The manufacturing method of the semiconductor device of
(Additional remark 12) The manufacturing temperature of the semiconductor device as described in any one of additional remarks 9-11 which control Pb vapor pressure by controlling the heating temperature of the Pb evaporation source provided in the said vacuum vessel. .
(Supplementary note 13) The semiconductor according to any one of supplementary notes 9 to 12, wherein a gas containing excess Pb vapor pressure in the vacuum vessel is replaced with an inert gas to control Pb vapor pressure. Device manufacturing method.
(Supplementary note 14) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 9 to 13, further comprising a heating step of crystallizing the ferroelectric oxide layer after the third step. .
10、20 半導体装置
11 基板
12 シリコン酸化膜
13、61 下部電極層
14、62 強誘電体酸化物層
15、21、63 拡散防止層
16、64 上部電極層
50 FeRAM
CA、CB 強誘電体キャパシタ
DESCRIPTION OF
C A and C B ferroelectric capacitors
Claims (5)
前記強誘電体酸化物層がPbを含む酸化物よりなり、
前記第1の電極層と強誘電体酸化物層との間、及び強誘電体酸化物層と第2の電極層との間のうち、少なくともいずれか一方の間に、強誘電体酸化物層中のPbの拡散を防止する拡散防止層を有することを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device having a ferroelectric capacitor comprising a ferroelectric oxide layer, and a first electrode layer and a second electrode layer sandwiching the ferroelectric oxide layer,
The ferroelectric oxide layer is made of an oxide containing Pb;
A ferroelectric oxide layer is provided between at least one of the first electrode layer and the ferroelectric oxide layer and between the ferroelectric oxide layer and the second electrode layer. A semiconductor device comprising a diffusion preventing layer for preventing diffusion of Pb therein.
前記第1の電極層を形成する第1工程と、
前記強誘電体酸化物層を形成する第2工程と、
前記第2の電極層を形成する第3工程とを含み、
前記第1工程と第2工程との間、及び前記第2工程と第3工程との間のうち少なくともいずれかの間に、前記Pbが第1または第2の電極層へ拡散することを防止する拡散防止層を形成する工程を更に含み、
前記第2工程において、
真空容器中で前記半導体基板を加熱して強誘電体酸化物層を堆積し、
次いで、前記真空容器中にPb蒸気を供給し、Pb蒸気圧を所定の蒸気圧に制御しながら冷却する処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。 A method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric capacitor comprising a ferroelectric oxide layer and a first electrode layer and a second electrode layer sandwiching the ferroelectric oxide layer on a semiconductor substrate,
A first step of forming the first electrode layer;
A second step of forming the ferroelectric oxide layer;
A third step of forming the second electrode layer,
Preventing Pb from diffusing into the first or second electrode layer between at least one of the first step and the second step and between the second step and the third step. Further comprising the step of forming a diffusion barrier layer
In the second step,
Heating the semiconductor substrate in a vacuum container to deposit a ferroelectric oxide layer;
Next, a method of manufacturing a semiconductor device, wherein Pb vapor is supplied into the vacuum container and cooling is performed while controlling the Pb vapor pressure to a predetermined vapor pressure.
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the Pb vapor pressure is made higher than the Pb partial pressure of the surface of the ferroelectric oxide layer.
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