JP2005116940A - Semiconductor device - 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、特に凹状部または凸状部を含む強誘電体キャパシタを有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor device having a ferroelectric capacitor, and more particularly to a semiconductor device having a ferroelectric capacitor including a concave portion or a convex portion.
強誘電体メモリは、強誘電体薄膜の高速な分極反転と残留分極とを利用する、高速書き換えが可能な不揮発性メモリである。代表的な強誘電体メモリとして、DRAMのキャパシタを強誘電体キャパシタに置き換えた、いわゆる1T(トランジスタ)1C(キャパシタ)構成のメモリがある。 A ferroelectric memory is a non-volatile memory that can be rewritten at high speed using high-speed polarization reversal and remanent polarization of a ferroelectric thin film. As a typical ferroelectric memory, there is a memory having a so-called 1T (transistor) 1C (capacitor) configuration in which a DRAM capacitor is replaced with a ferroelectric capacitor.
この方式の強誘電体メモリでは、キャパシタに保持される電荷に応じてデータが保持される。そして、キャパシタに接続されたMISFETは、データの書き込み時及び読み出し時にオン状態になり、データを保持する際にはオフ状態となっている。 In this type of ferroelectric memory, data is held in accordance with the charge held in the capacitor. The MISFET connected to the capacitor is turned on when data is written and read, and is turned off when data is held.
従来の強誘電体メモリのうち、強誘電体キャパシタについて以下に説明する。 Of the conventional ferroelectric memory, a ferroelectric capacitor will be described below.
図9は、従来の強誘電体キャパシタを概略的に示す断面図である。同図に示すように、従来の強誘電体キャパシタは、基板101上に設けられた下部電極103と、下部電極103上に設けられた強誘電体層105と、強誘電体層105上に設けられた上部電極107とを備えている。このようなキャパシタでは、強誘電体層105に抗電界以上の電界がかかるように、上部電極107と下部電極103との間に電圧を印加することにより、強誘電体層105の分極状態を変化させることができる。
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a conventional ferroelectric capacitor. As shown in the figure, a conventional ferroelectric capacitor is provided on a lower electrode 103 provided on a
ところで、近年、強誘電体メモリの微細化が進展し、それに伴って、セル面積も縮小している。しかし、図9に示すような平面的なキャパシタでは、必要な容量を確保するためには大きな面積が必要となる。このため、近年ではキャパシタをトレンチ型などの立体構造とすることが多くなっている。 Incidentally, in recent years, the miniaturization of the ferroelectric memory has progressed, and accordingly, the cell area has also been reduced. However, a planar capacitor as shown in FIG. 9 requires a large area in order to ensure a necessary capacity. For this reason, in recent years, capacitors are often made into a three-dimensional structure such as a trench type.
図10(a)は、3次元構造の強誘電体キャパシタを有する従来の半導体記憶装置の一例を示す鉛直断面図であり、(b)は、(a)に示す従来の半導体記憶装置のXIb−XIb線における水平断面図である。なお、この半導体記憶装置は、特許文献2に記載されている。 FIG. 10A is a vertical sectional view showing an example of a conventional semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor having a three-dimensional structure, and FIG. 10B is an XIb− of the conventional semiconductor memory device shown in FIG. It is a horizontal sectional view in the XIb line. This semiconductor memory device is described in Patent Document 2.
図10(a)、(b)に示す従来の半導体記憶装置の各メモリセルは、Si(シリコン)基板141と、Si基板141上に設けられたポリSi層140と、ポリSi層140上に設けられた第1の層間絶縁膜124と、第1の層間絶縁膜124に形成されたトレンチ内に設けられた強誘電体キャパシタCapと、第1の層間絶縁膜124上に設けられた第2の層間絶縁膜121と、第2の層間絶縁膜121上に設けられた半導体層111と、半導体層111の一部を含み、第2の層間絶縁膜121上に設けられた制御用MISFETとを備えている。
Each memory cell of the conventional semiconductor memory device shown in FIGS. 10A and 10B includes a Si (silicon)
強誘電体キャパシタCapは、第1の層間絶縁膜124に形成されたトレンチを覆う第1の電極133と、第1の電極133の上に設けられた強誘電体層132と、強誘電体層132の上に設けられた柱状の第2の電極131とから構成されている。
The ferroelectric capacitor Cap includes a
また、制御用MISFETは、第2の電極131に接続されたソース112と、ビット線152に接続されたドレイン113と、半導体層111上にゲート絶縁膜(図示せず)を挟んで設けられたゲート電極151とを有している。
The control MISFET is provided on the
このように、強誘電体キャパシタが立体構造をとることにより、容量を確保しながらセル面積を低減することが可能となっている。 As described above, since the ferroelectric capacitor has a three-dimensional structure, it is possible to reduce the cell area while securing the capacity.
なお、従来の半導体記憶装置では、データの書き込み時に制御用MISFET(図示せず)を介して第1の電極133−第2の電極131間に書き込み電圧が印加される。この際に、強誘電体層132に抗電界以上の電界が印加されると、強誘電体層132の分極状態が変化し、データが書き換えられる。
In the conventional semiconductor memory device, a write voltage is applied between the
また、データを読み出す際には、制御用MISFETを導通状態にし、ビット線152に流れる電流を検出する。メモリセルから流れる電流は強誘電体層132の分極状態により異なるので、ビット線152に流れる電流を検出することで、保持されたデータを読み出すことができる。
When reading data, the control MISFET is turned on to detect the current flowing through the
なお、従来の半導体記憶装置において、第1の電極133、強誘電体層132、及び第2の電極131の厚みはすべての部分で200nm、150nm、200nm程度となっている。強誘電体層132の厚みは、強誘電体層132の平坦部分が、書き込み電圧に対して分極反転可能な値に設定されている。
しかしながら、さらに微細化が進んだ場合、上述の半導体記憶装置では、理論上期待される動作性能を実現することが難しくなっている。例えば、従来の半導体記憶装置に設定通りの動作電圧を印加しても、データの読み出しや書き込みが期待通りに行えない場合があった。 However, when the miniaturization is further advanced, it is difficult to realize the theoretically expected operation performance in the semiconductor memory device described above. For example, even when an operating voltage as set is applied to a conventional semiconductor memory device, data reading and writing may not be performed as expected.
そこで、本願発明者らは、従来の半導体記憶装置について、設計通りの動作を行えない理由の究明を試みた。種々の実験の結果、不具合の原因は、強誘電体キャパシタにあることが判明した。次いで、彼らはキャパシタの形状や強誘電体層の厚みを変えて分極状態を調べた。その結果、立体構造を有する従来の強誘電体キャパシタでは、特に曲面領域での強誘電体層の厚みが所定値を超えた場合、強誘電体層の一部が所望の分極状態にならないことが分かった。なお、本明細書中で、「曲面領域」とは、少なくとも第1の電極15の上面(容量絶縁膜17に近い方の面)、容量絶縁膜17の上面及び下面、及び第2の電極19の下面(容量絶縁膜17に近い方の面)が共に曲面となっている部分のことを指すものとする。
Therefore, the inventors of the present application tried to investigate the reason why the conventional semiconductor memory device cannot operate as designed. As a result of various experiments, it has been found that the cause of the failure is the ferroelectric capacitor. Next, they investigated the polarization state by changing the shape of the capacitor and the thickness of the ferroelectric layer. As a result, in a conventional ferroelectric capacitor having a three-dimensional structure, a part of the ferroelectric layer may not be in a desired polarization state, particularly when the thickness of the ferroelectric layer in a curved region exceeds a predetermined value. I understood. In this specification, the “curved region” means at least the upper surface of the first electrode 15 (the surface closer to the capacitor insulating film 17), the upper and lower surfaces of the
従来の強誘電体キャパシタでは、図10(a)に示す鉛直断面におけるコーナー部160,162や図10(b)に示す水平断面におけるコーナー部164が丸く形成されており、曲面領域の一部となっている。そのため、以下では、曲面領域の一例としてコーナー部164を挙げ、本願発明者らが見い出した、上述の不具合が生じる原理についての説明を行なう。なお、本明細書において「(断面における)コーナー部」とは、部材の該断面の輪郭線において、2つの線が180°以外の角度を成す角部分と、その角部分を丸めた部分とを意味する。
In the conventional ferroelectric capacitor, the
図11は、図10(b)に示す強誘電体キャパシタCapの水平断面において、コーナー部164を示す拡大断面図である。
FIG. 11 is an enlarged cross-sectional view showing a
同図に示すように、コーナー部164では、第1の電極133の強誘電体層132側の面積が第2の電極131の強誘電体層132側の面積よりも大きくなっている。そして、第1の電極133の面積と第2の電極131との面積の差は、強誘電体層132が厚くなる程大きくなる。
As shown in the figure, in the
一方、従来の強誘電体キャパシタが半導体記憶装置に用いられる場合、データの書き込み時に第1の電極133−第2の電極131間に所定の電圧が印加される。ところが、第1の電極133強誘電体層132が厚いため、強誘電体層132のうち、第1の電極133に近い部分では、第2の電極131に近い部分よりも印加される電界強度が小さくなっていた。そのため、第1の電極133に近い部分ではデータ書き込み時に抗電界以上の電界が印加されず、所望の分極状態にすることが困難であった。
On the other hand, when a conventional ferroelectric capacitor is used in a semiconductor memory device, a predetermined voltage is applied between the
このように、従来の強誘電体キャパシタでは、曲面領域において、強誘電体層132の一部を利用することができなかった。そのため、従来の強誘電体キャパシタを用いた半導体記憶装置では、十分な信頼性を得られない場合があった。
Thus, in the conventional ferroelectric capacitor, a part of the
加えて、強誘電体層132のうち、第1の電極133に近い部分と第2の電極131に近い部分とで印加される電界強度の差が大きいと、両部分で生じる自発分極量の違いを補償するために内部電荷が発生し、強誘電体キャパシタの動作信頼性が低下するおそれもある。
In addition, if the difference in electric field strength applied between the portion close to the
なお、上述の不具合は、コーナー部164に限らずコーナー部160,162を含め、強誘電体キャパシタの曲面領域すべてで起こりうる。
The above-described problem may occur not only in the
また、近年の半導体記憶装置に用いられる強誘電体キャパシタは、小面積で容量を稼ぐために、より複雑な立体構造をとるようになっており、キャパシタ全体に対する曲面領域の面積の割合は増加している。このため、上述の不具合は、例えば設計ルールが小さい半導体記憶装置において特に顕在化している。 In addition, ferroelectric capacitors used in recent semiconductor memory devices have a more complicated three-dimensional structure in order to gain capacity in a small area, and the ratio of the area of the curved surface area to the entire capacitor has increased. ing. For this reason, the above-described defects are particularly apparent in a semiconductor memory device having a small design rule, for example.
なお、ここでは強誘電体キャパシタを半導体記憶装置に用いる従来例について述べたが、強誘電体キャパシタは高周波フィルターや赤外線センサなど、他の半導体装置にも用いることができる。 Although a conventional example using a ferroelectric capacitor in a semiconductor memory device has been described here, the ferroelectric capacitor can also be used in other semiconductor devices such as a high frequency filter and an infrared sensor.
本発明の目的は、曲面領域を有効に利用することが可能な立体構造の強誘電体キャパシタを備えた半導体装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device including a three-dimensional ferroelectric capacitor that can effectively use a curved surface region.
本発明の第1の半導体装置は、基板と、上記基板上に設けられた第1の電極と、上記第1の電極上に設けられ、強誘電体からなる容量絶縁膜と、上記容量絶縁膜の上に設けられた第2の電極とを有する強誘電体キャパシタを備えている半導体装置であって、上記強誘電体キャパシタは曲面領域を有しており、上記曲面領域では、上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して鉛直な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の35%以下となっている。 A first semiconductor device of the present invention includes a substrate, a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film provided on the first electrode and made of a ferroelectric, and the capacitive insulating film. A ferroelectric capacitor having a second electrode provided on the capacitor, wherein the ferroelectric capacitor has a curved region, and in the curved region, the capacitive insulating film Is 35% or less of the smaller one of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section perpendicular to the substrate of the ferroelectric capacitor. It has become.
この構成により、動作時の強誘電体キャパシタの曲面領域では、容量絶縁膜のうち、曲率半径の大きい方の電極に近い部分と、曲率半径の小さい方の電極に近い部分に印加される電界強度の差を従来よりも小さくすることができる。そのため、動作時の曲面領域では、容量絶縁膜の全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態を揃えることができる。その結果、曲面領域における容量絶縁膜を十分利用することが可能になるので、強誘電体キャパシタの動作信頼性が向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性を向上させることができる。 With this configuration, in the curved region of the ferroelectric capacitor during operation, the electric field strength applied to the portion of the capacitive insulating film close to the electrode with the larger radius of curvature and the portion closer to the electrode with the smaller radius of curvature. This difference can be made smaller than before. Therefore, in the curved region at the time of operation, an electric field higher than the coercive electric field can be applied to the entire capacitor insulating film, so that the polarization state can be made uniform. As a result, the capacitor insulating film in the curved region can be sufficiently utilized, so that the operational reliability of the ferroelectric capacitor can be improved, and consequently the operational reliability of the semiconductor device can be improved.
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して鉛直な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっていることにより、動作時の強誘電体キャパシタに印加される電圧がばらついたり、容量絶縁膜の厚みがばらついていたりする場合でも、確実に容量絶縁膜全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態をより均一に揃えることができる。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性がより向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性をより向上させることができる。 The capacitance insulating film has a smaller curvature radius of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section perpendicular to the substrate of the ferroelectric capacitor. By being 20% or less, even when the voltage applied to the ferroelectric capacitor during operation varies or the thickness of the capacitor insulating film varies, the entire capacitor insulating film can be surely exceeded the coercive electric field. Since an electric field can be applied, the polarization state can be made more uniform. As a result, the operational reliability of the ferroelectric capacitor is further improved, and as a result, the operational reliability of the semiconductor device can be further improved.
本発明の第2の半導体装置は、基板と、上記基板上に設けられた第1の電極と、上記第1の電極上に設けられ、強誘電体からなる容量絶縁膜と、上記容量絶縁膜の上に設けられた第2の電極とを有する強誘電体キャパシタを備えている半導体装置であって、上記強誘電体キャパシタは曲面領域を有しており、上記曲面領域では、上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して水平な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の35%以下となっている。 A second semiconductor device of the present invention includes a substrate, a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film provided on the first electrode and made of a ferroelectric, and the capacitive insulating film. A ferroelectric capacitor having a second electrode provided on the capacitor, wherein the ferroelectric capacitor has a curved region, and in the curved region, the capacitive insulating film Is 35% or less of the smaller one of the radius of curvature of the first electrode and the radius of curvature of the second electrode in a cross section horizontal to the substrate of the ferroelectric capacitor. It has become.
この構成により、動作時の強誘電体キャパシタの曲面領域では、容量絶縁膜のうち、曲率半径の大きい方の電極に近い部分と、曲率半径の小さい方の電極に近い部分に印加される電界強度の差を従来よりも小さくすることができる。そのため、動作時の曲面領域では、容量絶縁膜の全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態を揃えることができる。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性が向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性を向上させることができる。なお、強誘電体キャパシタの水平断面をとることで、曲面領域のうち、鉛直断面では電極の曲率半径を測定できない個所についても容量絶縁膜の厚みを規定することが可能となっている。 With this configuration, in the curved region of the ferroelectric capacitor during operation, the electric field strength applied to the portion of the capacitive insulating film close to the electrode with the larger radius of curvature and the portion closer to the electrode with the smaller radius of curvature. This difference can be made smaller than before. Therefore, in the curved region at the time of operation, an electric field higher than the coercive electric field can be applied to the entire capacitor insulating film, so that the polarization state can be made uniform. As a result, the operational reliability of the ferroelectric capacitor is improved, and as a result, the operational reliability of the semiconductor device can be improved. By taking a horizontal cross section of the ferroelectric capacitor, it is possible to define the thickness of the capacitive insulating film even in the curved area where the radius of curvature of the electrode cannot be measured in the vertical cross section.
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して水平な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっていることにより、動作時の強誘電体キャパシタに印加される電圧がばらついたり、容量絶縁膜の厚みがばらついていたりする場合でも、確実に容量絶縁膜全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態をより均一に揃えることができる。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性がより向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性をより向上させることができる。 The capacitance insulating film has a smaller radius of curvature of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section horizontal to the substrate of the ferroelectric capacitor. By being 20% or less, even when the voltage applied to the ferroelectric capacitor during operation varies or the thickness of the capacitor insulating film varies, the entire capacitor insulating film can be surely exceeded the coercive electric field. Since an electric field can be applied, the polarization state can be made more uniform. As a result, the operational reliability of the ferroelectric capacitor is further improved, and as a result, the operational reliability of the semiconductor device can be further improved.
上記強誘電体キャパシタは凹状部を有していることにより、例えば動作信頼性の高いトレンチ型キャパシタなどを実現することができる。特に、基板への投影面積を増加させることなく第1の電極及び第2の電極の面積を増加させることができるので、強誘電体キャパシタの容量を保持しつつ微細化を進めることができる。そのため、半導体装置全体の微細化を行うことも可能となる。 Since the ferroelectric capacitor has a concave portion, for example, a trench type capacitor having high operational reliability can be realized. In particular, since the areas of the first electrode and the second electrode can be increased without increasing the projected area on the substrate, miniaturization can be promoted while maintaining the capacitance of the ferroelectric capacitor. For this reason, the entire semiconductor device can be miniaturized.
上記強誘電体キャパシタは凸状部を有していることによっても基板への投影面積を増加させることなく第1の電極及び第2の電極の面積を増加させることができるので、強誘電体キャパシタの容量を保持しつつ微細化を進めることができる。 Since the ferroelectric capacitor has a convex portion, the area of the first electrode and the second electrode can be increased without increasing the projected area onto the substrate. It is possible to proceed with miniaturization while maintaining the capacity of the above.
上記曲面領域では、上記第1の電極の曲率半径及び上記第2の電極の曲率半径が共に1μm以下であることにより、例えば設計ルールが0.18μm以下の微細な半導体装置を実現することができる。 In the curved region, since the radius of curvature of the first electrode and the radius of curvature of the second electrode are both 1 μm or less, a fine semiconductor device having a design rule of 0.18 μm or less, for example, can be realized. .
上記強誘電体キャパシタの、上記基板の主面への投影面積は、1μm2以下であることにより、強誘電体キャパシタの面積を小さく抑えることができるので、半導体装置の面積を小さくすることもできる。 Since the projected area of the ferroelectric capacitor on the main surface of the substrate is 1 μm 2 or less, the area of the ferroelectric capacitor can be kept small, so that the area of the semiconductor device can also be reduced. .
上記容量絶縁膜の厚みは、100nm以下であることにより、強誘電体キャパシタの形状を凹状や凸状の3次元的に加工しやすくなるので、強誘電体キャパシタの基板への投射面積を低減しても所定の容量を確保しやすくできる。 Since the thickness of the capacitor insulating film is 100 nm or less, the shape of the ferroelectric capacitor can be easily processed three-dimensionally into a concave shape or a convex shape, thereby reducing the projection area of the ferroelectric capacitor onto the substrate. However, the predetermined capacity can be easily secured.
上記容量絶縁膜は、層状ペロブスカイト構造の強誘電体材料で構成されていることが好ましい。 The capacitive insulating film is preferably made of a ferroelectric material having a layered perovskite structure.
上記第1の電極及び上記第2の電極は、Pt、Ir、IrO2、PtO2、SrRuO3、Ru、RuO2のうちの少なくとも1つの材料から構成されていることが好ましい。 The first electrode and the second electrode are preferably made of at least one material of Pt, Ir, IrO 2 , PtO 2 , SrRuO 3 , Ru, RuO 2 .
上記強誘電体キャパシタに保持される電荷量に応じてデータが記録され、上記強誘電体キャパシタへの書き込み電流及び上記強誘電体キャパシタからの読み出し電流を通すための電界効果型トランジスタをさらに備えていることにより、半導体装置を不揮発性メモリとして動作させることが可能となる。 Field-effect transistors for recording data according to the amount of charge held in the ferroelectric capacitor and for passing a write current to the ferroelectric capacitor and a read current from the ferroelectric capacitor are further provided. Accordingly, the semiconductor device can be operated as a nonvolatile memory.
本発明の第3の半導体装置は、基板と、上記基板上に設けられた第1の電極と、上記第1の電極上に設けられ、強誘電体からなる容量絶縁膜と、上記容量絶縁膜の上に設けられた第2の電極とを有し、曲面領域が形成された強誘電体キャパシタを備えている半導体装置であって、上記第1の電極の上記容量絶縁膜側の面積aと上記第2の電極の上記容量絶縁膜側の面積bとの差が、面積が小さい方の電極面積の35%以下となっていることにより、動作時の強誘電体キャパシタでは、容量絶縁膜のうち、曲率半径の大きい方の電極に近い部分と、曲率半径の小さい方の電極に近い部分に印加される電界強度の差を従来よりも小さくすることができる。そのため、動作時の強誘電体キャパシタでは、容量絶縁膜の全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態を揃えることができる。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性が向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性を向上させることができる。 A third semiconductor device of the present invention includes a substrate, a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film provided on the first electrode and made of a ferroelectric, and the capacitive insulating film. A ferroelectric device having a curved region formed thereon, the area a on the side of the capacitive insulating film of the first electrode; The difference between the area “b” of the second electrode on the side of the capacitive insulating film is 35% or less of the area of the electrode having the smaller area. Of these, the difference in electric field strength applied between the portion closer to the electrode with the larger radius of curvature and the portion closer to the electrode with the smaller radius of curvature can be made smaller than before. Therefore, in the ferroelectric capacitor during operation, an electric field higher than the coercive electric field can be applied to the entire capacitive insulating film, so that the polarization state can be made uniform. As a result, the operational reliability of the ferroelectric capacitor is improved, and as a result, the operational reliability of the semiconductor device can be improved.
上記第1の電極の上記容量絶縁膜側の面積aと上記第2の電極の上記容量絶縁膜側の面積bとの差が、面積が小さい方の電極面積の20%以下となっていることにより、動作時の強誘電体キャパシタに印加される電圧がばらついたり、容量絶縁膜の厚みがばらついていたりする場合でも、確実に容量絶縁膜全体に抗電界以上の電界を印加することができるので、分極状態をより均一に揃えることができる。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性がより向上し、ひいては半導体装置の動作信頼性をより向上させることができる。 The difference between the area a of the first electrode on the side of the capacitive insulating film and the area b of the second electrode on the side of the capacitive insulating film is 20% or less of the electrode area of the smaller area. Therefore, even when the voltage applied to the ferroelectric capacitor during operation varies or the thickness of the capacitor insulating film varies, an electric field higher than the coercive electric field can be reliably applied to the entire capacitor insulating film. The polarization state can be made more uniform. As a result, the operational reliability of the ferroelectric capacitor is further improved, and as a result, the operational reliability of the semiconductor device can be further improved.
本発明の半導体装置は、曲面領域が形成された強誘電体キャパシタを有しており、該強誘電体キャパシタの曲面領域では、容量絶縁膜の厚みが、強誘電体キャパシタの基板面に対して鉛直または水平な断面における、第1の電極の曲率半径と第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の35%以下となっている。このため、容量絶縁膜の上部と下部に加わる電界強度の差を従来よりも小さくできるので、容量絶縁膜の分極状態を揃えるとともに、分極の違いによる内部電荷の発生を抑え、動作の信頼性を向上させることができる。 The semiconductor device of the present invention has a ferroelectric capacitor in which a curved region is formed, and in the curved region of the ferroelectric capacitor, the thickness of the capacitive insulating film is relative to the substrate surface of the ferroelectric capacitor. Of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in the vertical or horizontal cross section, it is 35% or less of the smaller curvature radius. For this reason, the difference in electric field strength applied to the upper and lower portions of the capacitor insulating film can be made smaller than before. Can be improved.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態として、トレンチ型の強誘電体キャパシタを有するFeRAMを説明する。
(First embodiment)
As a first embodiment of the present invention, an FeRAM having a trench type ferroelectric capacitor will be described.
−半導体記憶装置の構造−
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体記憶装置のメモリセルの、基板面に鉛直な断面を示す断面図である。また、図2(a)は、本実施形態の半導体記憶装置のうち、強誘電体キャパシタの部分を拡大して示す断面図であり、(b)は、図2(a)に示す強誘電体キャパシタの、IIb−IIb線を通り、基板面に水平な断面を示す断面図であり、(c)は、本実施形態の強誘電体キャパシタを基板上方から見た場合の平面図である。
-Structure of semiconductor memory device-
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the substrate surface of the memory cell of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. 2A is an enlarged cross-sectional view showing a portion of the ferroelectric capacitor in the semiconductor memory device of the present embodiment, and FIG. 2B is a ferroelectric body shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the capacitor taken along line IIb-IIb and showing a horizontal cross section on the substrate surface, and FIG. 4C is a plan view of the ferroelectric capacitor of this embodiment when viewed from above the substrate.
本実施形態の半導体記憶装置は、いわゆる1T1C型のFeRAMであって、各々が1個の制御用MISFETと該制御用MISFETに接続された1個の強誘電体キャパシタとを有する多数のメモリセルを有している。 The semiconductor memory device of this embodiment is a so-called 1T1C type FeRAM, and includes a large number of memory cells each having one control MISFET and one ferroelectric capacitor connected to the control MISFET. Have.
図1に示すように、本実施形態の半導体記憶装置のメモリセルは、活性領域を有する半導体基板1と、半導体基板1上に設けられ、活性領域を囲む素子分離用絶縁膜3と、半導体基板1の活性領域上に設けられたゲート絶縁膜(図示せず)、ゲート電極5、及び半導体基板1のうちゲート電極5の両側方に位置する領域に設けられた不純物拡散層7を有する制御用MISFET(電界効果型トランジスタ)と、半導体基板1上に設けられた第1の層間絶縁膜11と、第1の層間絶縁膜11上に設けられた第2の層間絶縁膜14と、不純物拡散層7の一方に接続され、第1の層間絶縁膜11及び第2の層間絶縁膜14を貫通するコンタクトプラグ9と、コンタクトプラグ9に接続され、第2の層間絶縁膜14上に設けられた電極パッド13と、第2の層間絶縁膜14上に設けられ、電極パッド13の位置に開口するトレンチが形成された第3の層間絶縁膜16と、電極パッド13及び第3の層間絶縁膜16の上に設けられ、該トレンチを覆う凹状部を有する強誘電体キャパシタと、第3の層間絶縁膜16及び強誘電体キャパシタの上に設けられた第4の層間絶縁膜21とを備えている。また、制御用MISFETの不純物拡散層7の一方は、コンタクトプラグを介してビット線12に接続されている。
As shown in FIG. 1, the memory cell of the semiconductor memory device of this embodiment includes a
そして、強誘電体キャパシタは、電極パッド13の上に設けられ、第3の層間絶縁膜16に形成されたトレンチを覆う第1の電極15と、第1の電極15の上に設けられた強誘電体からなる容量絶縁膜17と、容量絶縁膜17の上に設けられた第2の電極19とを有し、曲面領域を含んでいる。ここで、凹状部とは、強誘電体キャパシタのうち、トレンチに沿って形成された凹状部分の部分のことであり、製造工程のばらつき等により発生する微細な凹みを意味するものではない。この凹状部では、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19が共に凹型形状を有している。
The ferroelectric capacitor is provided on the
また、図2(c)に示すように、本実施形態の強誘電体キャパシタを基板上方から見た場合の全体形状は、例えば縦が約1μm、横が約0.7μmの略四辺形となっている。図2(b)からも分かるように、強誘電体キャパシタの凹状部では、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の基板に水平な断面の輪郭が、共に角が丸められた略四辺形となっている。この凹状部の基板に水平な断面は、下方へ向かうに従って小さくなっており、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の底面部分の形状も角が丸められた略四辺形となっている。また、図2(a)に示す「コーナー部A」、「コーナー部B」は、それぞれ凹状部の底面の周縁部、及び強誘電体キャパシタの凹状部の上縁部であり、本実施形態の例では曲面領域の一部となっている。さらに、図2(b)に示す凹状部の水平断面におけるコーナー部Dも丸く形成されており、曲面領域の一部となっている。すなわち、本実施形態の強誘電体キャパシタの曲面領域は、少なくとも凹状部内の側壁のうちのコーナー部(コーナー部D)、凹状部の底面の周縁部(コーナー部A)、凹状部の上縁部(コーナー部B)を含んでいる。強誘電体キャパシタのうち、コーナー部A、B、Dを除く部分では、第1の電極15の上面(容量絶縁膜17に近い面)、容量絶縁膜17の上面及び下面、第2の電極19の下面(容量絶縁膜17に近い面)のそれぞれが、微細な凹凸を除いてほぼ平面となっている。
As shown in FIG. 2C, when the ferroelectric capacitor of this embodiment is viewed from above the substrate, the overall shape is, for example, a substantially quadrangular shape having a length of about 1 μm and a width of about 0.7 μm. ing. As can be seen from FIG. 2B, in the concave portion of the ferroelectric capacitor, the outlines of the cross sections horizontal to the substrates of the
なお、第3の層間絶縁膜16に設けられたトレンチは縦が約460nm、横約460nmの略四辺形であり、その深さは約300nmである。また、第2の電極19と容量絶縁膜17との界面のうち、凹状部の上縁部は縦が約300nm、横が約300nmの四辺形の四隅を丸めた形状であり、凹状部の底部は、縦が約200nm、横が約200nmの四辺形の四隅を丸めた形状となっている。そして、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の平面部分での厚みはそれぞれ30nm、50nm、30nmである。また、図1、2に示す例では、強誘電体キャパシタの曲面領域においても、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の厚みはそれぞれ30nm、50nm、30nmとなっている。従って、強誘電体キャパシタ全体の厚みは約110nmとなっている。
The trench provided in the third
なお、第1の電極15及び第2の電極19の材料としては、通常Pt(白金)が用いられるが、Ir(イリジウム)、IrO2、PtO2、SrRuO3、Ru、RuO2を用いてもよいし、これらの積層膜を用いてもよい。また、容量絶縁膜17の材料としては、例えばSBT(タンタル酸ストロンチウムビスマス)があるが、他にPZT(Pb(Ti,Zr)O3)、BIT(Bi4Ti3O12)やBLT((BiLa)4Ti3O12)、BaTiO3などのペロブスカイト構造や層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体材料であっても用いることができる。
Note that Pt (platinum) is usually used as the material of the
本実施形態の半導体記憶装置の特徴は、強誘電体キャパシタの曲面領域での容量絶縁膜の厚みが、基板面に対して鉛直または水平な断面における、第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっていることにある。 A feature of the semiconductor memory device of this embodiment is that the thickness of the capacitive insulating film in the curved region of the ferroelectric capacitor is equal to the curvature radius of the first electrode and the second radius in a cross section perpendicular or horizontal to the substrate surface. The radius of curvature of the electrode is 20% or less of the smaller radius of curvature.
例えば、コーナー部Aにおいて、第1の電極15の曲率半径は300nmで第2の電極19の曲率半径は250nmである。また、コーナー部Bでは、第1の電極15の曲率半径は250nmで第2の電極19の曲率半径は300nmであり、コーナー部Dでは、第1の電極15の曲率半径は300nmで第2の電極19の曲率半径は250nmである。そして、コーナー部A,B,Dのそれぞれにおける容量絶縁膜17の膜厚は50nmである。
For example, in the corner portion A, the radius of curvature of the
なお、本明細書中において「電極の曲率半径」とは、該電極の面のうち、容量絶縁膜17に近い方の面の曲率半径を指すものとする。また、強誘電体キャパシタの曲面領域での容量絶縁膜17の膜厚は、近似的に、基板に対する鉛直断面または水平断面における第1の電極15と第2の電極19との距離が最小となる方向での膜厚とする。なお、曲面領域内には、基板面に対して鉛直な断面と水平な断面の両方で電極の曲率半径をとることができる部分があるが、その部分において容量絶縁膜17の膜厚は、両断面における内周側の電極の曲率半径のうち、小さい方の20%以下となっている。
In the present specification, the “radius of curvature of the electrode” refers to the radius of curvature of the surface of the electrode closer to the
この構成による作用・効果は後に詳述する。また、曲率半径の具体的な測定方法についても後にまとめて説明する。 The operation and effect of this configuration will be described in detail later. A specific method for measuring the radius of curvature will also be described later.
−半導体記憶装置の製造方法−
次に、本実施形態の半導体記憶装置の製造方法を簡単に説明する。
-Manufacturing method of semiconductor memory device-
Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device of this embodiment will be briefly described.
まず、半導体基板1を準備し、半導体基板1上に制御用MISFETを公知の方法で形成する。すなわち、半導体基板1上に例えばSiO2からなるゲート絶縁膜と例えばポリシリコンからなるゲート電極5とを順次形成した後、半導体基板1のうちゲート電極5の両側方に位置する領域に不純物イオンを注入して不純物拡散層7を形成する。
First, a
その後、CVDにより基板上にSiO2を堆積してから上面をCMP(機械的化学的研磨)により平坦化して第1の層間絶縁膜11を形成する。その後、一方の不純物拡散層7上にコンタクトホールを開口し、これを埋めるコンタクトプラグを形成する。次に、ビット線12を形成後、第1の層間絶縁膜11の上にCVDなどによりSiO2を堆積してから上面をCMPにより平坦化して第2の層間絶縁膜14を形成する。
Thereafter, SiO 2 is deposited on the substrate by CVD, and then the upper surface is planarized by CMP (mechanical chemical polishing) to form the first
次いで、第1の層間絶縁膜11及び第2の層間絶縁膜14を貫通し、ビット線12に接続されない方の不純物拡散層7に至るコンタクトホールを形成後、このコンタクトホールをタングステン等の導電体で埋めてコンタクトプラグ9を形成する。
Next, after forming a contact hole that penetrates the first
次に、スパッタリングなどによりTiAlN、あるいはIr、IrO2膜を第2の層間絶縁膜14上に形成後パターニングして電極パッド13を形成する。
Next, a TiAlN or Ir, IrO 2 film is formed on the second
続いて、基板上にCVDなどによりSiO2を堆積してから上面をCMPにより平坦化して第3の層間絶縁膜16を形成する。その後、第3の層間絶縁膜16の一部をエッチングして、深さが300nmで、電極パッド13にまで達するトレンチを形成する。トレンチは、上面から見た形状が縦460μm、横460μm程度の略四辺形となるように形成する。
Subsequently, SiO 2 is deposited on the substrate by CVD or the like, and then the upper surface is planarized by CMP to form a third
次に、基板上にスパッタリングなどにより厚さ30nmの第1のPt膜(図示せず)を第3の層間絶縁膜16上に形成する。ここで、第1のPt膜のうちトレンチ上に位置する部分はトレンチに沿って凹状となる。本工程では、この凹状部分の上面のうち、上縁部の基板に対して鉛直な断面における輪郭線の曲率半径が約250nmとなる。また、第1のPt膜の凹状部分は、基板に対して水平な断面における内側の輪郭線(上面の輪郭線)のコーナー部分の曲率半径が約250nmとなる。
Next, a first Pt film (not shown) having a thickness of 30 nm is formed on the third
続いて、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)などにより厚さ50nm以下のSBT膜を第1のPt膜上に形成する。ここで、SBT膜の厚みは、平坦部分及び屈曲している部分共に等しくなるよう形成する。なお、このSBT膜のうちトレンチの上方に位置する部分は、凹状部分となる。この工程により、SBT膜の凹状部分の上縁部の厚みは第1のPt膜の厚みの20%以下に形成される。 Subsequently, an SBT film having a thickness of 50 nm or less is formed on the first Pt film by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) or the like. Here, the SBT film is formed so that the flat portion and the bent portion are equal in thickness. Note that a portion of the SBT film located above the trench is a concave portion. By this step, the thickness of the upper edge portion of the concave portion of the SBT film is formed to be 20% or less of the thickness of the first Pt film.
次いで、SBT膜の上にスパッタリングなどにより厚さ30nmの第2のPt膜(図示せず)をSBT膜上に形成する。この第2のPt膜のうちトレンチの上方に位置する部分は、凹状部分となる。本工程では、第2のPt膜の凹状部分の下面(SBT膜側の面)のうち、底面の周縁部の鉛直方向断面の曲率半径が250nmとなる。 Next, a second Pt film (not shown) having a thickness of 30 nm is formed on the SBT film by sputtering or the like. A portion of the second Pt film located above the trench is a concave portion. In this step, the curvature radius of the vertical cross section of the peripheral portion of the bottom surface of the bottom surface (surface on the SBT film side) of the concave portion of the second Pt film is 250 nm.
次いで、縦が約1μm、横が約0.7μmの略四辺形の開口を設けたマスクを用いて第1のPt膜、SBT膜、第2のPt膜をそれぞれパターニングし、下から順に第1の電極15、容量絶縁膜17、第2の電極19をそれぞれ形成する。ここで、第1の電極15の上面(容量絶縁膜17に近い方の面)、第2の電極19の下面(容量絶縁膜17に近い方の面)が共に曲面となっている部分における容量絶縁膜17の厚みは、基板に対して鉛直または水平な断面における、第1の電極15の曲率半径と第2の電極19の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっている。
Next, the first Pt film, the SBT film, and the second Pt film are patterned using a mask having a substantially quadrangular opening having a length of about 1 μm and a width of about 0.7 μm, respectively. The
その後、第3の層間絶縁膜16の上に第4の層間絶縁膜21及びAl配線23を形成する。以上のようにして本実施形態の半導体記憶装置が製造される。
Thereafter, a fourth
なお、第1のPt膜及び第2のPt膜はスパッタリング以外にCVDにより形成してもよい。また、第1の電極15と容量絶縁膜17との間、及び容量絶縁膜17と第2の電極19との間にはシード層が形成されていてもよい。第1の電極15と容量絶縁膜17との間に形成されるシード層は、強誘電体であってもよいし、SrTaO3、SrO3、Bi2O3、Ta2O5などの常誘電体であってもよい。常誘電体をシード層として用いた場合でも加熱工程によって容量絶縁膜17と一体化するので、第1の電極15及び第2の電極19はそれぞれ実質的に容量絶縁膜17と接触しているものとみなせる。
Note that the first Pt film and the second Pt film may be formed by CVD in addition to sputtering. A seed layer may be formed between the
−半導体記憶装置の動作−
本実施形態の半導体記憶装置の動作方法は、上述した従来の半導体記憶装置と同様である。
-Operation of semiconductor memory device-
The operation method of the semiconductor memory device of this embodiment is the same as that of the conventional semiconductor memory device described above.
すなわち、本実施形態の半導体記憶装置においては、データの書き込み時に制御用MISFETがオン状態になり、強誘電体キャパシタの第1の電極15−第2の電極19間に書き込み電圧が印加される。この際に、容量絶縁膜17に抗電界以上の電界が印加されると、容量絶縁膜17の分極状態が変化し、データが書き換えられる。
That is, in the semiconductor memory device of this embodiment, the control MISFET is turned on when data is written, and a write voltage is applied between the
また、データを読み出す際には、制御用MISFETを導通状態にし、ビット線12に流れる電流を検出する。メモリセルから流れる電流は容量絶縁膜17の分極状態により異なるので、ビット線12に流れる電流を検出することで、保持されたデータを読み出すことができる。
When reading data, the control MISFET is turned on to detect the current flowing through the
−本実施形態の半導体記憶装置の構成による作用・効果−
図3は、本実施形態の強誘電体キャパシタのコーナー部Dを拡大して示す断面図である。以下、曲面領域の一例として、コーナー部Dを挙げて説明する。
-Actions and effects of the configuration of the semiconductor memory device of this embodiment-
FIG. 3 is an enlarged sectional view showing a corner portion D of the ferroelectric capacitor of the present embodiment. Hereinafter, a corner portion D will be described as an example of a curved surface region.
図3に示すように、コーナー部Dでは、基板に対して水平な断面における、第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっている。これにより、書き込み電圧が印加される際のコーナー部Dでは、容量絶縁膜17の内周部と外周部の両方に抗電界以上の電界が均一に印加される。その結果、強誘電体キャパシタの動作信頼性が向上し、ひいては半導体記憶装置の記憶動作の信頼性を向上させることが可能となっている。以下、この根拠となる測定結果について説明する。
As shown in FIG. 3, in the corner portion D, 20% or less of the smaller one of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section horizontal to the substrate. It has become. Thereby, in the corner portion D when the write voltage is applied, an electric field equal to or higher than the coercive electric field is uniformly applied to both the inner peripheral portion and the outer peripheral portion of the capacitive insulating
図4は、トレンチ型の強誘電体キャパシタの、基板に対する水平断面において、容量絶縁膜にかかる電界強度と電極の平均半径との関係を示す図である。この測定は、本実施形態の強誘電体キャパシタと同形状で、容量絶縁膜の厚みを変化させた強誘電体キャパシタを用い、図3に示すコーナー部Dに相当する部分について行った。図4において、縦軸は電界強度であり、横軸は{(電極の曲率半径)+容量絶縁膜の膜厚)}/(電極の曲率半径)である。なお、ここでの電極の曲率半径とは、内周側である第2の電極の曲率半径のことである。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the electric field strength applied to the capacitive insulating film and the average radius of the electrode in a horizontal section relative to the substrate of the trench type ferroelectric capacitor. This measurement was performed on a portion corresponding to the corner portion D shown in FIG. 3 using a ferroelectric capacitor having the same shape as that of the ferroelectric capacitor of the present embodiment and the thickness of the capacitive insulating film being changed. In FIG. 4, the vertical axis represents the electric field intensity, and the horizontal axis represents {(electrode curvature radius) + capacitance insulating film thickness)} / (electrode curvature radius). In addition, the curvature radius of an electrode here is a curvature radius of the 2nd electrode which is an inner peripheral side.
図4に示す測定の結果、強誘電体キャパシタに動作電圧を印加した場合、{(電極の曲率半径)+容量絶縁膜の膜厚)}/(電極の曲率半径)の値が約1.35以下であれば、容量絶縁膜にかかる電界が抗電界を超えることが分かった。つまり、容量絶縁膜の膜厚が、第2の電極の曲率半径の35%以下であれば、書き込み電圧の印加時に、容量絶縁膜のうち第1の電極に近い部分でも、第2の電極に近い部分と同様に抗電界以上の電圧を印加できることになる。この結果は、強誘電体キャパシタの基板面に対して水平断面でのコーナー部について検討したものであるが、強誘電体キャパシタの曲面領域すべてにあてはめることができる。 As a result of the measurement shown in FIG. 4, when an operating voltage is applied to the ferroelectric capacitor, the value of {(electrode radius of curvature) + capacitance insulating film thickness)} / (electrode radius of curvature) is about 1.35. It was found that the electric field applied to the capacitive insulating film exceeded the coercive electric field if it was below. That is, if the thickness of the capacitor insulating film is 35% or less of the curvature radius of the second electrode, even when the write voltage is applied, the portion of the capacitor insulating film that is close to the first electrode becomes the second electrode. A voltage higher than the coercive electric field can be applied in the same manner as in the vicinity. This result is an examination of a corner portion in a horizontal section with respect to the substrate surface of the ferroelectric capacitor, but it can be applied to the entire curved region of the ferroelectric capacitor.
また、強誘電体キャパシタを有する半導体記憶装置においては、データの書き込み電圧のばらつきや、容量絶縁膜の膜厚ばらつきなどが生じることが考えられる。このばらつきを考慮すると、{(電極の曲率半径)+容量絶縁膜の膜厚)}/(電極の曲率半径)の値が約1.2以下、すなわち容量絶縁膜の膜厚が第2の電極の曲率半径の20%以下であれば、より確実且つ均一に容量絶縁膜の全体を所望の状態に分極させることができる。 Further, in a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor, it is conceivable that variation in data write voltage, variation in film thickness of the capacitor insulating film, and the like occur. Considering this variation, the value of {(electrode radius of curvature) + capacity insulating film thickness)} / (electrode radius of curvature) is about 1.2 or less, that is, the thickness of the capacitive insulating film is the second electrode. If it is 20% or less of the curvature radius, the entire capacitor insulating film can be polarized to a desired state more reliably and uniformly.
なお、この測定では容量絶縁膜の材料を例えばSBTとして行ったが、PZT、BITやBLT、BaTiO3などのペロブスカイト構造や層状ペロブスカイト構造を有する強誘電体材料であってもほぼ同様の結果が得られた。 In this measurement, the material of the capacitive insulating film is SBT, for example, but almost the same result is obtained even with a ferroelectric material having a perovskite structure such as PZT, BIT, BLT, BaTiO 3 or a layered perovskite structure. It was.
以上の測定結果を用いて、本実施形態の強誘電体キャパシタ及び半導体記憶装置の作用、効果について説明する。 The operation and effect of the ferroelectric capacitor and the semiconductor memory device of the present embodiment will be described using the above measurement results.
図3に示す本実施形態の強誘電体キャパシタのコーナー部Dでは、第1の電極15の曲率半径が300nm、第2の電極19の曲率半径が250nm、容量絶縁膜17の膜厚は50nmとなっており、容量絶縁膜17の厚みは、内周側の電極である第2の電極19の曲率半径の20%となっている。このため、強誘電体キャパシタに所定の書き込み電圧を印加した場合、膜厚のばらつき等があっても、容量絶縁膜17のうち第1の電極15に近い部分と第2の電極19に近い部分とで印加される電界の強度の差を小さく抑えることができる。これにより、容量絶縁膜17のうち第1の電極15に近い部分を含むすべての部分に抗電界以上の電界が印加されるので、容量絶縁膜17の分極状態を均一に揃えることが可能となる。そのため、本実施形態の強誘電体キャパシタは、従来十分に利用できなかった曲面領域の容量絶縁膜17を利用することができることとなり、強誘電体キャパシタに比べて動作信頼性が大きく向上している。従って、本実施形態の強誘電体キャパシタを備えた半導体記憶装置では、データの書き込み動作を従来よりも確実に行なうことが可能となっている。
In the corner portion D of the ferroelectric capacitor of the present embodiment shown in FIG. 3, the radius of curvature of the
また、本実施形態の強誘電体キャパシタでは、容量絶縁膜17内での自発分極量もほぼ均一にできるので、内部電荷の発生を抑えることもできる。
Further, in the ferroelectric capacitor of this embodiment, the amount of spontaneous polarization in the capacitive insulating
なお、本実施形態の半導体記憶装置の動作電圧は例えば1.0V程度であり、容量絶縁膜17のうち第1の電極15との界面付近には約200V/cmの電界が加わっている。これは、例えばSBTの抗電界である約45V/cmを超えている。
The operating voltage of the semiconductor memory device of this embodiment is about 1.0 V, for example, and an electric field of about 200 V / cm is applied in the vicinity of the interface with the
ここでは、コーナー部Dを例にとって説明したが、本実施形態の強誘電体キャパシタでは、曲面領域内の各部分で、容量絶縁膜の厚みが、基板に対して鉛直または水平な断面における、第1の電極の曲率半径と第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっている。 Here, the corner portion D has been described as an example. However, in the ferroelectric capacitor according to the present embodiment, the thickness of the capacitive insulating film in each portion in the curved region is a vertical or horizontal cross section relative to the substrate. Of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode, it is 20% or less of the smaller curvature radius.
例えば、図2(a)に示す、本実施形態に係る強誘電体キャパシタの鉛直断面における、コーナー部Bについては、内周側となる第1の電極15の曲率半径が250nm、容量絶縁膜17の膜厚が50nmとなっており、容量絶縁膜17の膜厚は第1の電極15の曲率半径の20%となっている。また、コーナー部Aについても、容量絶縁膜17の膜厚は、内周側となる第2の電極19の曲率半径の20%となっている。従って、これらの部分においても、動作時に容量絶縁膜17の分極状態を均一に揃えることが可能となる。
For example, in the vertical section of the ferroelectric capacitor according to this embodiment shown in FIG. 2A, for the corner portion B, the radius of curvature of the
このように、ほぼすべての曲面領域内で容量絶縁膜を有効に利用できるので、本実施形態の強誘電体キャパシタの動作信頼性を、さらに向上させることができる。 As described above, since the capacitive insulating film can be effectively used in almost all curved regions, the operation reliability of the ferroelectric capacitor of this embodiment can be further improved.
なお、半導体記憶装置の微細化が進むにつれて、基板への投影面積を小さくしつつ強誘電体キャパシタの容量を確保するために複雑な立体構造をとることとなる。そのため、微細化が進むにつれ強誘電体キャパシタにおける曲面領域の占める割合が大きくなる。従って、本実施形態で説明した構成は、半導体記憶装置がどのようなサイズであっても有効であるが、微細化が進み、設計ルールが0.18μm以下となり、基板主面への強誘電体キャパシタの投影面積が1μm2以下となった場合には、特に有効である。また、この場合の強誘電体キャパシタの電極表面積はFeRAMの動作を担保する上で、1.5μm2以上であることが好ましい。従って、(強誘電体キャパシタの電極の表面積)/(強誘電体キャパシタの投影面積)の値が1.5以上である場合に本実施形態の構成はより効果を発揮することになる。 As the semiconductor memory device is miniaturized, a complicated three-dimensional structure is required to secure the capacity of the ferroelectric capacitor while reducing the projected area on the substrate. Therefore, as the miniaturization progresses, the ratio of the curved surface area in the ferroelectric capacitor increases. Therefore, the configuration described in this embodiment is effective regardless of the size of the semiconductor memory device. However, the miniaturization has progressed, the design rule becomes 0.18 μm or less, and the ferroelectric on the main surface of the substrate. This is particularly effective when the projected area of the capacitor is 1 μm 2 or less. In this case, the surface area of the ferroelectric capacitor is preferably 1.5 μm 2 or more in order to ensure the operation of the FeRAM. Therefore, when the value of (surface area of the ferroelectric capacitor electrode) / (projected area of the ferroelectric capacitor) is 1.5 or more, the configuration of this embodiment is more effective.
また、容量絶縁膜17の膜厚は立体的に成膜しやすいように100nm以下であれば好ましく、50nm以下であればさらに好ましい。
Further, the thickness of the capacitive insulating
さらに微細化を進める場合には、トレンチの深さを300nm程度まで深くしたり、容量絶縁膜17の厚みを50nmより小さくした上で、第1の電極15及び第2の電極19お厚みを30nmより小さくし、凹状部や凹凸部を複数形成すればよい。凹状部や凹凸部を複数形成する場合には、強誘電体キャパシタの電極表面積に占める曲面領域の割合がさらに大きくなるので、本実施形態で説明した構成の効果がさらに大きくなる。これは、以後に説明する実施形態についても同様である。
In the case of further miniaturization, the depth of the trench is increased to about 300 nm, the thickness of the
また、強誘電体キャパシタの曲面領域では、第1の電極15及び第2の電極19の曲率半径があまりに大きいと微細化ができないため、これらの電極の曲率半径は、共に1μm以下であることが好ましい。
Further, in the curved region of the ferroelectric capacitor, since the
なお、本実施形態の強誘電体キャパシタでは、曲面領域内の各部分で、容量絶縁膜の厚みが、基板に対して鉛直または水平な断面における、第1の電極の曲率半径と第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の0%以上となっている。 In the ferroelectric capacitor of the present embodiment, the thickness of the capacitive insulating film in each part in the curved region is the curvature radius of the first electrode and the second electrode in a cross section perpendicular or horizontal to the substrate. The curvature radius is 0% or more of the smaller curvature radius.
また、本実施形態の半導体記憶装置では、強誘電体キャパシタの曲面領域と平面部分とで容量絶縁膜17の厚みを同一としたが、平面部分の容量絶縁膜17の厚みを従来例と同じにし、曲面領域でのみ50nmにしても容量絶縁膜17の全体を機能させることができる。
In the semiconductor memory device of this embodiment, the thickness of the capacitive insulating
なお、本実施形態の半導体記憶装置のメモリセルにおいて、MISFETの不純物拡散層に接続されている構成を例に挙げたが、半導体記憶装置のメモリセルは、MISFETのゲート電極に強誘電体キャパシタが接続されている構成であってもよい。この場合には、同一のゲート電圧を印加した時のMISFETを流れる電流値が、強誘電体キャパシタの分極状態に応じて変化するので、これを利用してデータの書き込み、読み出しを行なうことができる。 In the memory cell of the semiconductor memory device of the present embodiment, the configuration connected to the impurity diffusion layer of the MISFET is taken as an example. However, in the memory cell of the semiconductor memory device, a ferroelectric capacitor is provided on the gate electrode of the MISFET. A connected configuration may be used. In this case, since the value of the current flowing through the MISFET when the same gate voltage is applied varies depending on the polarization state of the ferroelectric capacitor, data can be written and read using this. .
また、本実施形態の強誘電体キャパシタは、FeRAMなどの半導体記憶装置だけでなく、高周波フィルタや赤外線センサ、アクチュエータなどに用いることが可能であり、これらの装置の動作信頼性を向上させることができる。 Further, the ferroelectric capacitor of this embodiment can be used not only for semiconductor memory devices such as FeRAM but also for high frequency filters, infrared sensors, actuators, etc., and can improve the operational reliability of these devices. it can.
−電極の曲率半径、及び容量絶縁膜の膜厚の測定方法−
次に、本実施形態の強誘電体キャパシタにおいて、電極の曲率半径と、容量絶縁膜の膜厚とを測定する方法について説明する。これまでの説明で用いた電極の曲率半径は以下の方法で実測することができる。
-Measuring method of radius of curvature of electrode and film thickness of capacitive insulating film-
Next, a method for measuring the radius of curvature of the electrode and the film thickness of the capacitive insulating film in the ferroelectric capacitor of this embodiment will be described. The radius of curvature of the electrode used in the above description can be measured by the following method.
まず、本実施形態の強誘電体キャパシタを準備する。次いで、凹状部を通り、基板面に水平な断面、あるいは凹状部を通り、基板面に鉛直な断面を露出させる。この際には、FIB(フォーカスドイオンビーム)や研磨、へき開などの手段を用いる。これにより、図2(a)、あるいは図2(b)に示す断面が露出する。 First, the ferroelectric capacitor of this embodiment is prepared. Next, a cross section that passes through the concave portion and is horizontal to the substrate surface or a vertical cross section that passes through the concave portion and is exposed to the substrate surface is exposed. At this time, means such as FIB (focused ion beam), polishing, and cleavage are used. Thereby, the cross section shown in FIG. 2A or 2B is exposed.
次に、露出させた断面の走査型電子顕微鏡(SEM)像を撮り、画像データを得る。次いで、得られた画像データを基に、ソフトウェアを用いて第1の電極15及び第2の電極19の各面の輪郭線を得る。具体的には、画像データを二値化処理し、第1の電極15及び第2の電極19の表面の微細な凹凸を平均化する。その後、第1の電極15及び第2の電極19の断面の、曲線あるいは直線でフィッティングされた輪郭線を得る。
Next, a scanning electron microscope (SEM) image of the exposed cross section is taken to obtain image data. Next, based on the obtained image data, the contour lines of the surfaces of the
次に、フィッティング結果を用いて第1の電極15と第2の電極19のうち、解析したい部分において曲率半径の小さい内周側の電極を決定する。例えば、図2(a)に示す鉛直断面におけるコーナー部Aについて測定したい場合には、第2の電極19が選択される。また、図2(a)に示すコーナー部Bについて測定したい場合には、第1の電極15が選択される。
Next, of the
続いて、選択された電極の容量絶縁膜17に近い方の面について画像処理を行ない、曲率半径の分布を計算する。
Subsequently, image processing is performed on the surface of the selected electrode closer to the capacitive insulating
図5(a)は、図2(a)に示す本実施形態の強誘電体キャパシタの鉛直断面において、第2の電極19の曲率半径の分布を示す図であり、(b)は、図2(b)に示す本実施形態の強誘電体キャパシタの水平断面において、第2の電極19の曲率半径の分布を示す図である。
FIG. 5A is a diagram showing the distribution of the radius of curvature of the
本実施形態の強誘電体キャパシタの鉛直断面について上述の処理を行なうと、図5(a)に示すように、2つのピークの後、曲率半径が大きくなるに従って頻度が増加する、という結果が得られる。第2の電極19はコーナー部Aでは内周側、コーナー部Bでは外周側となっており、両コーナー部での曲率半径の大小は既知であるので、値が小さい方のピークが第2の電極19のコーナー部Aでの曲率半径、値の大きい方のピークがコーナー部Bでの曲率半径として測定される。そして、断面の輪郭が略直線または緩い曲線となる領域Cが、曲率半径が最も大きい部分として測定される。なお、説明を簡単にするため、ここでは断面が線対称であるとする。
When the above-described processing is performed on the vertical cross section of the ferroelectric capacitor of the present embodiment, as shown in FIG. 5A, the frequency increases as the radius of curvature increases after the two peaks. It is done. The
また、容量絶縁膜17のコーナー部における膜厚は、フィッティング処理を受けた鉛直断面の画像から第1の電極15と第2の電極19との距離が最短となる方向を求めることができるので、容易に測定することができる。
Further, since the film thickness at the corner portion of the capacitive insulating
コーナー部Aでは、容量絶縁膜17の膜厚が、以上のようにして測定された第2の電極19の曲率半径の35%、あるいは20%以下であるか否かを判断する。
In the corner portion A, it is determined whether or not the film thickness of the capacitive insulating
一方、本実施形態の強誘電体キャパシタの水平断面について上述の処理を行なうと、図5(b)に示すように、1つのピークの後、中間の曲率半径の頻度が小さくなり、曲率半径がさらに大きい部分の頻度が最大となる、という結果が得られる。ここで、図2(b)に示す第2の電極19の水平断面では、コーナー部Dを含む四隅の曲率半径が等しいので、頻度がピークとなる部分の曲率半径がコーナー部Dの曲率半径として測定される。また、断面の輪郭が略直線となる領域Eは、曲率半径が最も大きく頻度が高い部分に相当する。そして、容量絶縁膜17のコーナー部Dにおける膜厚は、図2(b)に示す水平断面の画像データから容易に測定することができる。従って、コーナー部Dでは、容量絶縁膜17の膜厚が、以上のようにして測定された第2の電極19の曲率半径の35%、あるいは20%以下であるか否かを判断する。
On the other hand, when the above-described processing is performed on the horizontal cross section of the ferroelectric capacitor of the present embodiment, the frequency of the intermediate radius of curvature decreases after one peak, as shown in FIG. The result is that the frequency of the larger portion is maximized. Here, in the horizontal cross section of the
以上と同様の方法により、強誘電体キャパシタの他の曲面領域についても曲率半径を測定することができる。 By the same method as described above, the radius of curvature can be measured for the other curved region of the ferroelectric capacitor.
なお、上述の測定方法で、強誘電体キャパシタの水平断面と鉛直断面の両断面を測定することで、曲面領域すべてにおいて曲率半径を測定することができる。これは、曲面領域であれば、電極のいずれかの断面の輪郭線が必ず曲線となるためである。 Note that the radius of curvature can be measured in the entire curved surface region by measuring both the horizontal and vertical cross sections of the ferroelectric capacitor by the measurement method described above. This is because the contour line of any cross section of the electrode is always a curved line in the curved region.
また、容量絶縁膜17の膜厚は、動作時に印加される電界方向の膜厚を求めることが本来望ましいが、実測するのが困難であるため、本測定方法のように、水平または鉛直断面における膜厚を近似的に容量絶縁膜の膜厚として扱うことが好ましい。ただし、基板に対する水平断面及び鉛直断面以外の断面で強誘電体キャパシタを切断し、該断面における電極の曲率半径と、容量絶縁膜17の膜厚とを測定しても構わない。
The thickness of the capacitive insulating
(第2の実施形態)
これ以降の各実施形態で説明する半導体記憶装置は、第1の実施形態で説明した半導体記憶装置と強誘電体キャパシタの形状のみが異なっているので、強誘電体キャパシタの形状について主に説明する。
(Second Embodiment)
Since the semiconductor memory devices described in the following embodiments are different from the semiconductor memory device described in the first embodiment only in the shape of the ferroelectric capacitor, the shape of the ferroelectric capacitor will be mainly described. .
図6(a)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体記憶装置のうち、強誘電体キャパシタの、基板面に鉛直な断面を示す断面図であり、(b)は、本実施形態に係る強誘電体キャパシタの、図6(a)に示すVIb−VIb線を通り、基板面に水平な断面を示す断面図である。 FIG. 6A is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the substrate surface of the ferroelectric capacitor in the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 7 is a cross-sectional view of the ferroelectric capacitor according to FIG. 6 passing through the VIb-VIb line shown in FIG.
図6(a)、(b)に示すように、本実施形態の強誘電体キャパシタは、第1の実施形態の強誘電体キャパシタと同じく、第1の電極15と、第1の電極15上に設けられた容量絶縁膜17と、容量絶縁膜17上に設けられた第2の電極19とを有し、曲面領域が形成されている。また、本実施形態の強誘電体キャパシタは、第1の実施形態の強誘電体キャパシタと同様に凹状に形成された凹状部と、凹状部を囲む平坦な部分とが設けられている。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the ferroelectric capacitor of the present embodiment is similar to the ferroelectric capacitor of the first embodiment on the
ただし、本実施形態の強誘電体キャパシタは、その凹状部において、第1の電極15、容量絶縁膜17及び第2の電極19がそれぞれ底面を有し、下に凸な円筒形の形状となっている点が第1の実施形態の強誘電体キャパシタと異なる。
However, in the ferroelectric capacitor of this embodiment, in the concave portion, the
本実施形態の強誘電体キャパシタにおける曲面領域は、図6(a)に示すコーナー部A,Bと、水平断面が図6(b)に示すような略円形となる凹状部の側壁部分とを含んでいる。ここで、「コーナー部A」、「コーナー部B」は、第1の実施形態と同様に、それぞれ凹状部の底面の周縁部、及び凹状部の上縁部である。 The curved region in the ferroelectric capacitor of the present embodiment includes corner portions A and B shown in FIG. 6A and a side wall portion of a concave portion whose horizontal section is substantially circular as shown in FIG. 6B. Contains. Here, “corner portion A” and “corner portion B” are the peripheral edge portion of the bottom surface of the concave portion and the upper edge portion of the concave portion, respectively, as in the first embodiment.
また、本実施形態の強誘電体キャパシタのコーナー部Aでは、第1の電極15の曲率半径は300nmで第2の電極19の曲率半径は250nmである。また、コーナー部Bでは、第1の電極15の曲率半径は250nmで第2の電極19の曲率半径は300nmである。また、コーナー部A,Bにおける第1の電極15、容量絶縁膜17及び第2の電極19の膜厚は、それぞれ35nm、60nm、35nmである。
In the corner portion A of the ferroelectric capacitor of the present embodiment, the radius of curvature of the
従って、本実施形態に係る強誘電体キャパシタのコーナー部Aにおいては、容量絶縁膜17の膜厚が、内周側の電極である第2の電極19の曲率半径の35%以下となっている。また、コーナー部Bにおいては、容量絶縁膜17の膜厚が、内周側の電極である第1の電極15の曲率半径の20%となっている。
Therefore, in the corner portion A of the ferroelectric capacitor according to this embodiment, the film thickness of the capacitive insulating
このため、本実施形態の強誘電体キャパシタに所定の書き込み電圧を印加した場合、膜厚のばらつき等があっても、容量絶縁膜17のうち第1の電極15に近い部分と第2の電極19に近い部分とで印加される電界の強度の差を小さく抑えることができる。これにより、容量絶縁膜17のうち外周側の電極に近い部分を含むすべての部分に抗電界以上の電界が印加されるので、容量絶縁膜17の分極状態を均一に揃えることが可能となる。そのため、本実施形態の強誘電体キャパシタは、従来十分に利用できなかった曲面領域の容量絶縁膜17を利用することができることとなり、強誘電体キャパシタに比べて動作信頼性が大きく向上している。
Therefore, when a predetermined write voltage is applied to the ferroelectric capacitor of this embodiment, even if there is a variation in film thickness, the portion of the capacitive insulating
一方、図6(b)に示す水平断面においては、第1の電極15、第2の電極19の円形、あるいは略円形となっている。この場合、内周側の電極となる第2の電極19の曲率半径は、外半径とほぼ等しく、約250nmである。また、第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の膜厚は、それぞれ30nm、50nm、30nmである。容量絶縁膜17の膜厚が、内周側の電極である第2の電極19の曲率半径の20%となっている。これは、図6(b)に示す断面だけでなく、凹状部の側壁部分全体についてもあてはまる。
On the other hand, in the horizontal cross section shown in FIG. 6B, the
そのため、凹状部の側壁部分では、容量絶縁膜17のうち第1の電極15に近い部分と第2の電極19に近い部分とで印加される電界の強度の差を小さく抑えることができる。そのため、本実施形態の強誘電体キャパシタは、凹状部内の側壁部分の容量絶縁膜17を十分に利用することができるので、本実施形態の強誘電体キャパシタを備えた半導体装置では、従来よりも確実にデータの書き込みが行えるなど、動作の信頼性を向上させることが可能となっている。
Therefore, in the side wall portion of the concave portion, the difference in the strength of the electric field applied between the portion near the
なお、本実施形態の強誘電体キャパシタにおいては、第1の電極15及び第2の電極19の形状は共に容量絶縁膜17と同じ凹型であったが、第1の電極15の上面と第2の電極19の下面の一部分が共に凹型でさえあれば、第1の電極15の全体形状及び第2の電極19の全体形状はどのような形状であっても構わない。
In the ferroelectric capacitor of this embodiment, the
(第3の実施形態)
図7(a)は、本発明の第3の実施形態に係る半導体記憶装置の、基板面に鉛直な断面を示す断面図であり、(b)は、本実施形態に係る強誘電体キャパシタの、図7(a)に示すVIIb−VIIb線を通り、基板面に水平な断面を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 7A is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the substrate surface of the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view of the ferroelectric capacitor according to the present embodiment. FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line VIIb-VIIb shown in FIG.
本実施形態の半導体記憶装置は、ゲート電極5及び不純物拡散層7を有する制御用MISFET、第1の層間絶縁膜11、第2の層間絶縁膜14、及びコンタクトプラグ9の構造が図1に示す第1の実施形態の半導体記憶装置と同一であり、強誘電体キャパシタが凸状部を有している点が第1の実施形態の半導体装置と異なっている。ここで、凸状部とは、強誘電体キャパシタのうち、第1の電極15、容量絶縁膜17及び第2の電極19が共に凸型形状を有している部分のことであり、製造工程のばらつき等により発生する微細な凸部を意味するものではない。
In the semiconductor memory device of this embodiment, the structure of the control MISFET having the
図7(a)に示すように、本実施形態の半導体記憶装置は、コンタクトプラグ9の上に設けられた電極パッド13と、第2の層間絶縁膜14及び電極パッド13の上に設けられ、上面の一部が凸型形状を有している第1の電極15と、第1の電極15の上に設けられ、一部が凸状に形成された容量絶縁膜17と、容量絶縁膜17の上に設けられ、一部が凸状に形成された第2の電極19と、第2の層間絶縁膜14及び第2の電極19の上に設けられた第5の層間絶縁膜25とを備えている。また、図7(b)に示すように、強誘電体キャパシタの凸状部の、基板に対して水平な断面において、第1の電極15の上面(容量絶縁膜17に近い方の面)の輪郭線、第2の電極19の下面(容量絶縁膜17に近い方の面)の輪郭線は、共に円形もしくは略円形になっている。そして、図示しないが、凸状部を含む強誘電体キャパシタ全体を上から見た場合の形状は、例えば縦が1μm、横が0.7μmの略四辺形となっている。
As shown in FIG. 7A, the semiconductor memory device of this embodiment is provided on the
本実施形態の強誘電体キャパシタは、第1、第2の実施形態に係る強誘電体キャパシタと同様、一部に曲面領域を有している。この曲面領域は、図7(a)、(b)に示すように、鉛直断面におけるコーナー部F及びコーナー部Gと、凸状部内の側壁部分全体を含んでいる。ここで、コーナー部Fは、凸状部の上縁部であり、コーナー部Gは凸状部の立ち上がり部である。 The ferroelectric capacitor of the present embodiment has a curved region in part, as with the ferroelectric capacitors according to the first and second embodiments. As shown in FIGS. 7A and 7B, the curved surface region includes the corner portion F and the corner portion G in the vertical cross section, and the entire side wall portion in the convex portion. Here, the corner portion F is an upper edge portion of the convex portion, and the corner portion G is a rising portion of the convex portion.
本実施形態の強誘電体キャパシタの曲面領域では、基板に対して鉛直または水平な断面において、容量絶縁膜17の膜厚が、第1の電極15と第2の電極19のうち、内周側の電極の曲率半径の20%以下となっている。
In the curved region of the ferroelectric capacitor of the present embodiment, the thickness of the capacitive insulating
例えば、図7(a)に示す鉛直断面において、コーナー部Fでは、内周側となる第1の電極15の曲率半径が250nm、外周側となる第2の電極19の曲率半径が300nmである。また、コーナー部Gでは、外周側となる第1の電極15の曲率半径が300nm、内周側となる第2の電極19の曲率半径が250nmである。また、図7(b)に示す水平断面においては、内周側の電極となる第1の電極15の曲率半径は、外半径とほぼ等しく、約250nmである。これらの曲面領域における第1の電極15、容量絶縁膜17、及び第2の電極19の膜厚は、それぞれ30nm、50nm、30nmである。
For example, in the vertical cross section shown in FIG. 7A, in the corner portion F, the radius of curvature of the
このため、本実施形態の強誘電体キャパシタの曲面領域では、容量絶縁膜17のうち、外周側の電極に近い部分と内周側の電極に近い部分とで動作時に印加される電界強度の差が従来よりも小さくなっている。そのため、半導体記憶装置の書き込み電圧の印加時に、曲面領域における容量絶縁膜17全体に抗電界以上の電圧を印加することができる。その結果、本実施形態の強誘電体キャパシタは、曲面領域内の容量絶縁膜17を十分に利用することができるので、本実施形態の強誘電体キャパシタを備えた半導体装置では、従来よりも確実にデータの書き込みが行えるなど、動作の信頼性を向上させることが可能となっている。
For this reason, in the curved region of the ferroelectric capacitor of this embodiment, the difference in electric field strength applied during operation between the portion near the outer peripheral electrode and the portion near the inner peripheral electrode in the capacitive insulating
以上のように、強誘電体キャパシタが凸状部を有している場合でも、上述のように容量絶縁膜17の厚みを設定することで、動作の信頼性を高めることができる。
As described above, even when the ferroelectric capacitor has a convex portion, the operational reliability can be improved by setting the thickness of the capacitive insulating
なお、凸状部の形状が図7(a)、(b)に示した例以外の形状であっても、曲面領域が形成されていれば、容量絶縁膜17の厚みを鉛直断面または水平断面のいずれかにおける内周側の電極の曲率半径の35%以下、さらには20%以下にすることで、動作の信頼性を向上させることが可能となる。
Even if the shape of the convex portion is a shape other than the example shown in FIGS. 7A and 7B, the thickness of the
(第4の実施形態)
図8(a)は、本発明の第4の実施形態に係る半導体記憶装置のうち、強誘電体キャパシタの、基板面に鉛直な断面を示す断面図であり、(b)は、本実施形態に係る強誘電体キャパシタの、図8(a)に示すVIIIb−VIIIb線を通り、基板面に水平な断面を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 8A is a cross-sectional view showing a cross section perpendicular to the substrate surface of a ferroelectric capacitor in a semiconductor memory device according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view of the ferroelectric capacitor according to FIG. 8 passing through the line VIIIb-VIIIb shown in FIG.
本実施形態の半導体記憶装置は、第2の実施形態の半導体記憶装置と同じく、凹状部を有する強誘電体キャパシタを備えている。また、本実施形態の強誘電体キャパシタの図8(a)に示す、基板に対して鉛直な断面の形状も第2の実施形態と同様であるが、図8(b)に示す、基板に対して水平な断面の形状が、第2の実施形態の強誘電体キャパシタと異なっている。 Similar to the semiconductor memory device of the second embodiment, the semiconductor memory device of this embodiment includes a ferroelectric capacitor having a concave portion. Further, the ferroelectric capacitor of the present embodiment shown in FIG. 8A is similar to the second embodiment in the shape of a cross section perpendicular to the substrate, but the substrate shown in FIG. On the other hand, the shape of the horizontal cross section is different from the ferroelectric capacitor of the second embodiment.
すなわち、図8(b)に示すように、本実施形態のキャパシタの凹状部の、基板に対して水平な断面においては、第1の電極15の上面(容量絶縁膜17に近い方の面)の輪郭線、及び第2の電極19の下面(容量絶縁膜17に近い方の面)の輪郭線は、共に正方形となっている。第1の電極15の上面の輪郭線は1辺が300nmとなっており、第2の電極19の下面の輪郭線は、一辺が200nm程度となっている。本実施形態の強誘電体キャパシタでは、第2の実施形態と異なり、凹状部内の側壁のうち、水平断面におけるコーナー部Hが丸められていない。そして、第1の電極15、容量絶縁膜17及び第2の電極19のコーナー部H以外の部分での膜厚は、それぞれ30nm、50nm、30nmであり、コーナー部Hにおける膜厚は、それぞれ約35nm、60nm、35nmである。。
That is, as shown in FIG. 8B, the upper surface of the first electrode 15 (the surface closer to the capacitor insulating film 17) in the cross section of the concave portion of the capacitor of the present embodiment that is horizontal to the substrate. And the outline of the lower surface of the second electrode 19 (the surface closer to the capacitor insulating film 17) are both square. The contour of the upper surface of the
本実施形態の強誘電体キャパシタの凹状部においては、外周側の電極となる第1の電極15の容量絶縁膜17に近い方の面積aと、内周側の電極となる第2の電極19の容量絶縁膜17に近い方の面の面積bとの差が、面積の小さい第2の電極19の容量絶縁膜17に近い方の面積bの35%以下となっている。
In the concave portion of the ferroelectric capacitor of the present embodiment, the area a closer to the capacitive insulating
このため、図8(b)に示すコーナー部Hにおいて、容量絶縁膜17の外周側と内周側に加わる電界強度の差を従来よりも小さくすることができる。従って、半導体記憶装置の書き込み電圧の印加時に、曲面領域における容量絶縁膜17全体に抗電界以上の電圧を印加することができる。特に、第1の電極15の容量絶縁膜17に近い方の面積aと、第2の電極19の容量絶縁膜17に近い方の面の面積bとの差は、面積の小さい第2の電極19の容量絶縁膜17側の面積bの20%以下となっているので、容量絶縁膜17の厚みや書き込み電圧がばらついた場合であっても、容量絶縁膜17の全体に均一に抗電界以上の電界を印加することができる。その結果、本実施形態の強誘電体キャパシタは、コーナー部H内の容量絶縁膜17を十分に利用することができるので、本実施形態の強誘電体キャパシタを備えた半導体装置では、従来よりも確実にデータの書き込みが行えるなど、動作の信頼性を向上させることが可能となっている。
For this reason, in the corner part H shown in FIG.8 (b), the difference of the electric field strength added to the outer peripheral side and inner peripheral side of the capacitive insulating
以上のように、曲面領域に含まれないコーナー部においては、電極の曲率半径を求めることができないので、電極の曲率半径から容量絶縁膜17の膜厚を設定することができないが、内周側の電極面積と外周側の電極面積との差を、内周側の電極面積の35%以下、より好ましくは20%以下に設定することで、従来よりも信頼性の高い強誘電体キャパシタを実現することができる。
As described above, since the radius of curvature of the electrode cannot be obtained at the corner portion not included in the curved region, the film thickness of the capacitive insulating
なお、上述の電極面積の差を用いた規定は、図4に示す測定結果から導いたものである。例えば、水平断面が図6(b)のような形状の凹状部を有する第2の実施形態の強誘電体キャパシタにおいて、容量絶縁膜17の膜厚が第2の電極19の曲率半径の35%以下及び20%以下であれば、第1の電極15の容量絶縁膜17に近い面の面積aと第2の電極19の容量絶縁膜17に近い面の面積bとの差は、それぞれ近似的に面積bの35%以下、及び20%以下となっている。従って、この規定は、凹状部あるいは凸状部を構成する第1の電極15、容量絶縁膜17、第2の電極19の上面及び下面が平面のみを有する場合であっても用いることができる。また、第1〜第3の実施形態で説明した、曲面領域を含むキャパシタにも適用することができる。
The definition using the above-described difference in electrode area is derived from the measurement results shown in FIG. For example, in the ferroelectric capacitor according to the second embodiment having a concave section with a horizontal cross section as shown in FIG. 6B, the film thickness of the capacitive insulating
本発明の強誘電体キャパシタを有する半導体装置は、FeRAMなどの不揮発性メモリや、高周波フィルター、赤外線センサ、及びアクチュエータなどとして利用することができる。また、本発明の半導体装置を半導体記憶装置として利用する場合、コンピュータや携帯電話のメモリ等、種々の用途に用いることができる。 The semiconductor device having the ferroelectric capacitor of the present invention can be used as a nonvolatile memory such as FeRAM, a high frequency filter, an infrared sensor, and an actuator. Further, when the semiconductor device of the present invention is used as a semiconductor memory device, it can be used for various purposes such as a memory of a computer or a mobile phone.
1 半導体基板
5 ゲート電極
7 不純物拡散層
9 コンタクトプラグ
11 第1の層間絶縁膜
12 ビット線
13 電極パッド
14 第2の層間絶縁膜
15 第1の電極
16 第3の層間絶縁膜
17 容量絶縁膜
19 第2の電極
21 第4の層間絶縁膜
23 Al配線
25 第5の層間絶縁膜
Claims (14)
上記強誘電体キャパシタは曲面領域を有しており、
上記曲面領域では、
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して鉛直な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の35%以下となっている、半導体装置。 A strong electrode having a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film made of a ferroelectric material provided on the first electrode, and a second electrode provided on the capacitive insulating film. A semiconductor device comprising a dielectric capacitor,
The ferroelectric capacitor has a curved region,
In the curved area,
The capacitance insulating film has a smaller curvature radius of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section perpendicular to the substrate of the ferroelectric capacitor. A semiconductor device of 35% or less.
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して鉛直な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The capacitance insulating film has a smaller curvature radius of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section perpendicular to the substrate of the ferroelectric capacitor. A semiconductor device that is 20% or less.
上記強誘電体キャパシタは曲面領域を有しており、
上記曲面領域では、
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して水平な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の35%以下となっている、半導体装置。 A substrate, a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film made of a ferroelectric material provided on the first electrode, and a second electrode provided on the capacitive insulating film A semiconductor device comprising a ferroelectric capacitor having
The ferroelectric capacitor has a curved region,
In the curved area,
The thickness of the capacitive insulating film is a smaller one of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section horizontal to the substrate of the ferroelectric capacitor. A semiconductor device of 35% or less.
上記容量絶縁膜の厚みが、上記強誘電体キャパシタの上記基板に対して水平な断面における、上記第1の電極の曲率半径と上記第2の電極の曲率半径のうち、小さい方の曲率半径の20%以下となっている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 3.
The capacitance insulating film has a smaller radius of curvature of the curvature radius of the first electrode and the curvature radius of the second electrode in a cross section horizontal to the substrate of the ferroelectric capacitor. A semiconductor device that is 20% or less.
上記強誘電体キャパシタは凹状部を有している、半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor device, wherein the ferroelectric capacitor has a concave portion.
上記強誘電体キャパシタは凸状部を有している、半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 5,
The ferroelectric capacitor is a semiconductor device having a convex portion.
上記曲面領域では、上記第1の電極の曲率半径及び上記第2の電極の曲率半径が共に1μm以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
In the curved surface region, a semiconductor device in which a radius of curvature of the first electrode and a radius of curvature of the second electrode are both 1 μm or less.
上記強誘電体キャパシタの、上記基板の主面への投影面積は、1μm2以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device, wherein a projected area of the ferroelectric capacitor onto the main surface of the substrate is 1 μm 2 or less.
上記容量絶縁膜の厚みは、100nm以下である、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The thickness of the said capacitive insulating film is a semiconductor device which is 100 nm or less.
上記容量絶縁膜は、層状ペロブスカイト構造の強誘電体材料で構成されている、半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 9,
The semiconductor device, wherein the capacitive insulating film is made of a ferroelectric material having a layered perovskite structure.
上記第1の電極及び上記第2の電極は、Pt、Ir、IrO2、PtO2、SrRuO3、Ru、RuO2のうちの少なくとも1つの材料から構成されている、半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the first electrode and the second electrode are made of at least one material of Pt, Ir, IrO 2 , PtO 2 , SrRuO 3 , Ru, RuO 2 .
上記強誘電体キャパシタに保持される電荷量に応じてデータが記録され、
上記強誘電体キャパシタへの書き込み電流及び上記強誘電体キャパシタからの読み出し電流を通すための電界効果型トランジスタをさらに備えている、半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 11,
Data is recorded according to the amount of charge held in the ferroelectric capacitor,
A semiconductor device further comprising a field effect transistor for passing a write current to the ferroelectric capacitor and a read current from the ferroelectric capacitor.
上記第1の電極の上記容量絶縁膜側の面積aと上記第2の電極の上記容量絶縁膜側の面積bとの差が、面積が小さい方の電極面積の35%以下となっている、半導体装置。 A substrate, a first electrode provided on the substrate, a capacitive insulating film made of a ferroelectric material provided on the first electrode, and a second electrode provided on the capacitive insulating film Including a ferroelectric capacitor in which a curved region is formed,
The difference between the area a of the first electrode on the side of the capacitive insulating film and the area b of the second electrode on the side of the capacitive insulating film is 35% or less of the electrode area having the smaller area. Semiconductor device.
上記第1の電極の上記容量絶縁膜側の面積aと上記第2の電極の上記容量絶縁膜側の面積bとの差が、面積が小さい方の電極面積の20%以下となっている、半導体装置。 The semiconductor device according to claim 13,
The difference between the area a of the first electrode on the side of the capacitive insulating film and the area b of the second electrode on the side of the capacitive insulating film is 20% or less of the electrode area having the smaller area. Semiconductor device.
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CN111316438A (en) * | 2017-10-17 | 2020-06-19 | 索尼半导体解决方案公司 | Semiconductor memory device and electronic apparatus |
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