JP2006032562A - Capacitive element, its forming method, semiconductor memory device, and its manufacture - Google Patents

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慎一郎 林
Toru Nasu
徹 那須
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive element comprising a capacitance insulating film of ferroelectric material in which polarizing characteristics of the capacitance insulating film is suppressed from degrading even if the capacitance insulating film is reduced in thickness. <P>SOLUTION: A capacitive element 25a has a lower electrode 18a, a capacitance insulating film 19a of ferroelectric substance, and an upper electrode 20a formed in this order. The part of at least one of the upper electrode 20a and the lower electrode 18a that contacts the capacitance insulating film 19a is a conductor of noble metal oxide. The noble metal oxide has such composition as that of less oxygen than stoichiometry composition. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、強誘電体材料よりなる容量絶縁膜を備えた容量素子及びその形成方法、並びに強誘電体材料よりなる容量絶縁膜を備えた容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a capacitive element provided with a capacitive insulating film made of a ferroelectric material, a method for forming the same, a semiconductor memory device including the capacitive element provided with a capacitive insulating film made of a ferroelectric material, and a method for manufacturing the same.

半導体記憶装置を構成する、強誘電体材料よりなる容量絶縁膜を備えた容量素子からなる強誘電体メモリの開発は、プレーナ型構造を使用した1〜64kbitの小容量のものが量産され始め、最近では、スタック型構造を使用した256kbit〜4Mbitの大容量のものが開発の中心となってきている。スタック型構造の強誘電体メモリを実現するためには、集積度の大幅な向上、すなわち微細化が不可欠であり、容量絶縁膜を構成する強誘電体膜を形成する工程とトランジスタを形成する工程及び配線を形成する工程との整合を図ることが重要である。従来の技術においては、強誘電体膜を構成する金属元素が強誘電体膜から電極中へ拡散することが原因となり、強誘電体膜の組成がストイキオメトリ組成からずれることを補償するために、強誘電体膜を構成する金属元素を電極中に含有させることが提案されている。このようにすることで、強誘電体膜から元素が拡散することによって強誘電体膜の分極特性の劣化を防止して、高集積な強誘電体メモリが実現されている(例えば特許文献1)。   Development of a ferroelectric memory composed of a capacitive element having a capacitive insulating film made of a ferroelectric material, which constitutes a semiconductor memory device, has started to be mass-produced with a small capacity of 1 to 64 kbit using a planar structure, Recently, a large capacity of 256 kbit to 4 Mbit using a stack type structure has become the center of development. In order to realize a ferroelectric memory having a stacked structure, it is indispensable to increase the degree of integration, that is, miniaturization, and a process of forming a ferroelectric film constituting a capacitive insulating film and a process of forming a transistor It is important to match with the process of forming the wiring. In the conventional technique, in order to compensate for the deviation of the composition of the ferroelectric film from the stoichiometric composition due to the diffusion of the metal elements constituting the ferroelectric film from the ferroelectric film into the electrode. It has been proposed that a metal element constituting a ferroelectric film is contained in an electrode. By doing so, the diffusion of elements from the ferroelectric film prevents deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric film, and a highly integrated ferroelectric memory is realized (for example, Patent Document 1). .

以下に、強誘電体メモリにおける容量素子の構造に、前記特許文献1に開示された構成を適用した例について、図17を参照しながら説明する。   Hereinafter, an example in which the configuration disclosed in Patent Document 1 is applied to the structure of the capacitive element in the ferroelectric memory will be described with reference to FIG.

図17は、強誘電体メモリにおける容量素子の構造に、前記特許文献1に開示された構成を適用した場合の容量素子の構造を示す要部断面図である。   FIG. 17 is a cross-sectional view of the main part showing the structure of the capacitive element when the configuration disclosed in Patent Document 1 is applied to the structure of the capacitive element in the ferroelectric memory.

図17に示すように、半導体基板101上には、図示していないメモリセルトランジスタが形成されており、該メモリセルトランジスタを覆うように第1の層間絶縁膜102が形成されいる。該第1の層間絶縁膜102には、メモリセルトランジスタと接続するように第1のコンタクトプラグ103が形成されている。第1の層間絶縁膜102の上には、下面が第1の層間絶縁膜102の上端と接続する下部電極104が形成されている。該下部電極104の上には、強誘電体膜よりなる容量絶縁膜105が形成されており、該容量絶縁膜105の上には上部電極106が形成されている。このように、下部電極104、容量絶縁膜105及び上部電極106よりなる容量素子107が形成されている。また、第1の層間絶縁膜102の上には、容量素子107を覆うように第2の層間絶縁膜108が形成されており、該第2の層間絶縁膜108には、下端が上部電極106の上面と接続する第2のコンタクトプラグ109が形成されている。第2の層間絶縁膜108の上には下面が第2のコンタクトプラグ109の上端と電気的に接続する配線110が形成されている。   As shown in FIG. 17, a memory cell transistor (not shown) is formed on a semiconductor substrate 101, and a first interlayer insulating film 102 is formed so as to cover the memory cell transistor. A first contact plug 103 is formed in the first interlayer insulating film 102 so as to be connected to the memory cell transistor. A lower electrode 104 whose lower surface is connected to the upper end of the first interlayer insulating film 102 is formed on the first interlayer insulating film 102. A capacitive insulating film 105 made of a ferroelectric film is formed on the lower electrode 104, and an upper electrode 106 is formed on the capacitive insulating film 105. Thus, the capacitor element 107 including the lower electrode 104, the capacitor insulating film 105, and the upper electrode 106 is formed. Further, a second interlayer insulating film 108 is formed on the first interlayer insulating film 102 so as to cover the capacitor element 107, and the lower end of the second interlayer insulating film 108 has the upper electrode 106. A second contact plug 109 connected to the upper surface of the first contact plug 109 is formed. A wiring 110 whose lower surface is electrically connected to the upper end of the second contact plug 109 is formed on the second interlayer insulating film 108.

このような構造を有する容量素子107において、下部電極104又は上部電極106に、容量絶縁膜105を構成する元素のうちの少なくとも1つを含有させていることにより、容量絶縁膜105を構成する強誘電体膜を結晶化させるための熱処理を行なった場合においても、該強誘電体膜の構成元素が下部電極104又は上部電極106に拡散することを防いでいる。このようにして、強誘電体膜の分極特性の劣化を防止している。
特開平11−330357号公報
In the capacitive element 107 having such a structure, the lower electrode 104 or the upper electrode 106 contains at least one of the elements constituting the capacitive insulating film 105, whereby the stronger constituting the capacitive insulating film 105 is formed. Even when a heat treatment for crystallizing the dielectric film is performed, the constituent elements of the ferroelectric film are prevented from diffusing into the lower electrode 104 or the upper electrode 106. In this way, deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric film is prevented.
JP 11-330357 A

しかしながら、前述した従来例の場合では、下部電極中又は上部電極中に、強誘電体膜の構成元素を含有させる必要があるので、これらの電極を形成する工程が複雑になるという問題がある。具体的には、下部電極又は上部電極をスパッタ法によって形成するためには、スパッタターゲットを新たに用意しなければならない。また、下部電極又は上部電極をCVD法によって形成する場合においても、原料を追加し、所望の組成を得るための精密な組成制御が必要となる。組成制御の安定性を確保することは困難であり、強誘電体膜の分極特性の劣化抑制に対して一様に効果は期待できるとしても、強誘電体膜の分極特性の劣化を完全に抑制できるという段階には未だに至っていない。   However, in the case of the above-described conventional example, it is necessary to contain the constituent elements of the ferroelectric film in the lower electrode or the upper electrode, so that there is a problem that the process of forming these electrodes becomes complicated. Specifically, in order to form the lower electrode or the upper electrode by sputtering, a new sputtering target must be prepared. Further, even when the lower electrode or the upper electrode is formed by the CVD method, precise composition control is required to add a raw material and obtain a desired composition. It is difficult to ensure the stability of the composition control, and even if it can be expected to have a uniform effect on the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric film, it completely suppresses the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric film. We have not yet reached the stage where we can do it.

前記に鑑み、本発明の目的は、強誘電体材料よりなる容量絶縁膜を備えた容量素子において、容量絶縁膜を薄膜化する場合であっても、容量絶縁膜の分極特性の劣化が抑制された容量素子及びその製造方法、並びに該容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法を提供することである。   In view of the above, an object of the present invention is to suppress the deterioration of the polarization characteristics of the capacitive insulating film even when the capacitive insulating film is thinned in the capacitive element having the capacitive insulating film made of a ferroelectric material. And a method of manufacturing the same, and a semiconductor memory device including the capacitor and a method of manufacturing the same.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第1の容量素子は、下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、上部電極及び下部電極のうちの少なくとも一方における容量絶縁膜と接している部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であり、貴金属の酸化物は、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有していることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a first capacitive element according to the present invention is a capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order. And the portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the lower electrodes is a conductor made of a noble metal oxide, and the noble metal oxide has a composition with less oxygen than the stoichiometric composition. It is characterized by being.

本発明に係る第1の容量素子によると、上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方における容量絶縁膜と接する部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であって、該貴金属の酸化物の組成がストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有しており、該貴金属の酸化物から酸素が脱離しやすい状態になっている。このため、容量絶縁膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体よりなる容量絶縁膜から下部電極又は上部電極へ酸素が拡散することを防止することができる。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the first capacitive element of the present invention, the portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the upper electrode and the lower electrode is a conductor made of a noble metal oxide, and the composition of the noble metal oxide is The composition has less oxygen than the stoichiometric composition, and oxygen is easily released from the oxide of the noble metal. For this reason, it is possible to prevent oxygen from diffusing from the capacitive insulating film made of the ferroelectric material to the lower electrode or the upper electrode in the heat treatment step after forming the capacitive insulating film. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

本発明に係る第1の容量素子において、貴金属の酸化物は、構成元素として、600℃以上において貴金属の酸化物から脱離する酸素を有していることが好ましい。   In the first capacitor element according to the present invention, the noble metal oxide preferably has oxygen as a constituent element desorbed from the noble metal oxide at 600 ° C. or higher.

このようにすると、容量絶縁膜を形成した後に行なわれる600℃以上の熱処理工程において、該貴金属の酸化物から酸素が脱離しやすくなる。   In this case, oxygen is easily released from the noble metal oxide in a heat treatment step of 600 ° C. or higher performed after the capacitor insulating film is formed.

本発明に係る第1の容量素子において、貴金属は、Ir、Ru、Rh、Pd及びOsのうちから選ばれた1種類又は複数種類の金属よりなることが好ましい。   In the first capacitive element according to the present invention, the noble metal is preferably made of one or more kinds of metals selected from Ir, Ru, Rh, Pd and Os.

このようにすると、600℃以上の熱処理工程において、該貴金属の酸化物から酸素が脱離しやすくなる。   In this case, oxygen is easily released from the oxide of the noble metal in a heat treatment step at 600 ° C. or higher.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第2の容量素子は、下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、容量絶縁膜は、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有しているビスマス層状ペロブスカイトよりなることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a second capacitive element according to the present invention is a capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order. The film is characterized by comprising a bismuth layered perovskite having a composition having more bismuth than the stoichiometric composition.

本発明に係る第2の容量素子によると、容量絶縁膜が、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有しているビスマス層状ペロブスカイトよりなるため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜を構成する揮発性の高いビスマスが下部電極又は上部電極に拡散して、強誘電体膜を構成するビスマスが減少しても、強誘電体膜にはビスマスがストイキオメトリ組成よりも多く含有されているので、熱処理工程後の容量絶縁膜中のビスマスの量は、適正な値に維持される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the second capacitive element of the present invention, the capacitive insulating film is made of a bismuth layered perovskite having a composition with more bismuth than the stoichiometric composition. In the heat treatment process after forming the ferroelectric film, even if the volatile bismuth constituting the ferroelectric film diffuses to the lower electrode or the upper electrode, the bismuth constituting the ferroelectric film decreases. Since the ferroelectric film contains more bismuth than the stoichiometric composition, the amount of bismuth in the capacitive insulating film after the heat treatment step is maintained at an appropriate value. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第3の容量素子は、下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、容量絶縁膜における下部電極又は上部電極に接している少なくとも一方の面の近傍領域の誘電率は、容量絶縁膜における膜厚方向中央の近傍領域の誘電率よりも高いことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a third capacitive element according to the present invention is a capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order, and the capacitive insulating The dielectric constant of a region in the vicinity of at least one surface in contact with the lower electrode or the upper electrode in the film is higher than the dielectric constant in the region in the vicinity of the center of the capacitor insulating film in the film thickness direction.

本発明に係る第3の容量素子によると、容量絶縁膜における下部電極又は上部電極に接している面のうち少なくとも一方の面の近傍領域の誘電率が、容量絶縁膜における膜厚方向中央の領域の誘電率よりも高いため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜から酸素又はビスマスなどの揮発性の高い元素が下部電極又は上部電極に拡散して、これらの電極近傍における界面層が形成されても、電圧低下が抑制される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。   According to the third capacitive element of the present invention, the dielectric constant of the region in the vicinity of at least one of the surfaces in contact with the lower electrode or the upper electrode in the capacitor insulating film is the region in the center in the film thickness direction of the capacitor insulating film. In the heat treatment process after forming the ferroelectric film that becomes the capacitive insulating film in the process of forming the capacitor element, a highly volatile element such as oxygen or bismuth is present in the lower part from the ferroelectric film. Even if an interface layer is formed in the vicinity of these electrodes by diffusing to the electrode or the upper electrode, the voltage drop is suppressed. Accordingly, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film.

本発明に係る第3の容量素子において、少なくとも一方の面の近傍領域は、20nm以下の膜厚を有していれば、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を効果的に防止することができる。   In the third capacitive element according to the present invention, if at least the region in the vicinity of one surface has a film thickness of 20 nm or less, the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film is effectively reduced. Can be prevented.

前記の課題を解決するために、本発明に係る半導体記憶装置は、基板上に形成されたソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタと、基板上に、トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、層間絶縁膜中に、下端がソース領域又は前記ドレイン領域と電気的に接続するように形成されたプラグコンタクトと、下面がプラグコンタクトの上端と接続する第1〜第3のうちのいずれかの容量素子とを備えていることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a semiconductor memory device according to the present invention includes a transistor having a source region and a drain region formed on a substrate, and an interlayer insulating film formed on the substrate so as to cover the transistor. Any one of the first to third plug contacts formed in the interlayer insulating film so that the lower end thereof is electrically connected to the source region or the drain region and the lower surface is connected to the upper end of the plug contact. And a capacitor element.

本発明に係る半導体記憶装置によると、半導体記憶装置における容量素子を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。   According to the semiconductor memory device of the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric that constitutes the capacitor element in the semiconductor memory device.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第1の容量素子の形成方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、下部電極及び上部電極のうちの少なくとも一方における前記容量絶縁膜と接している部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であり、貴金属の酸化物は、堆積した貴金属を主成分とする金属材料膜に対して、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行なうことにより形成されることを特徴とする。   In order to solve the above-described problems, a first method for forming a capacitive element according to the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a capacitive insulating film on the lower electrode, and capacitive insulation. A step of forming an upper electrode on the film, and a portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the lower electrode and the upper electrode is a conductor made of a noble metal oxide, and the noble metal oxidation The object is formed by heat-treating a deposited metal material film mainly composed of noble metal in an atmosphere containing oxygen.

本発明に係る第1の容量素子の製造方法によると、上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方における容量絶縁膜と接する部分が、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有する貴金属の酸化物よりなる導電体となる。このため、貴金属の酸化物から酸素が脱離しやすい状態になっているので、容量絶縁膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体よりなる容量絶縁膜から下部電極又は上部電極へ酸素が拡散することを防止することができる。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the first method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, a portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the upper electrode and the lower electrode is made of a noble metal oxide having a composition with less oxygen than the stoichiometric composition. It becomes the conductor which becomes. For this reason, oxygen is easily released from the oxide of the noble metal, so that oxygen diffuses from the capacitive insulating film made of the ferroelectric material to the lower electrode or the upper electrode in the heat treatment step after forming the capacitive insulating film. Can be prevented. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第2の容量素子の形成方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程と、熱処理を行なうことにより、容量絶縁膜を結晶化する工程とを備え、容量絶縁膜を形成する工程は、結晶化された容量絶縁膜が、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有するように、ビスマスを含む誘電体溶液を下部電極の上に塗布して容量絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, a second capacitor element forming method according to the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a capacitive insulating film on the lower electrode, and capacitive insulation. A step of forming an upper electrode on the film and a step of crystallizing the capacitive insulating film by performing a heat treatment. The step of forming the capacitive insulating film includes the step of The method includes a step of forming a capacitive insulating film by applying a dielectric solution containing bismuth on the lower electrode so as to have a composition having more bismuth than a metric composition.

本発明に係る第2の容量素子の形成方法によると、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有しているビスマス層状ペロブスカイトよりなる容量絶縁膜を形成するため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜を構成する揮発性の高いビスマスが下部電極又は上部電極に拡散して、強誘電体膜を構成するビスマスが減少しても、強誘電体膜にはビスマスがストイキオメトリ組成よりも多く含有されているので、熱処理工程後の容量絶縁膜中のビスマスの量は、適正な値に維持される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the second method for forming a capacitive element according to the present invention, in order to form a capacitive insulating film made of a bismuth layered perovskite having a composition containing more bismuth than the stoichiometric composition, In the heat treatment step after forming the ferroelectric film serving as the capacitive insulating film, the highly volatile bismuth constituting the ferroelectric film diffuses into the lower electrode or the upper electrode, and the bismuth constituting the ferroelectric film becomes Even if the amount is reduced, the ferroelectric film contains more bismuth than the stoichiometric composition, so that the amount of bismuth in the capacitive insulating film after the heat treatment step is maintained at an appropriate value. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

前記の課題を解決するために、本発明に係る第3の容量素子の形成方法は、基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程と、下部電極を形成する工程と容量絶縁膜を形成する工程との間、及び容量絶縁膜を形成する工程と上部電極を形成する工程との間のうちの少なくとも一方に、容量絶縁膜の誘電率よりも高い誘電率を有する層を形成する工程とを備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a third method for forming a capacitive element according to the present invention includes a step of forming a lower electrode on a substrate, a step of forming a capacitive insulating film on the lower electrode, and capacitive insulation. Of the step of forming the upper electrode on the film, between the step of forming the lower electrode and the step of forming the capacitive insulating film, and between the step of forming the capacitive insulating film and the step of forming the upper electrode And forming a layer having a dielectric constant higher than that of the capacitor insulating film on at least one of the above.

本発明に係る第3の容量素子の製造方法によると、容量絶縁膜における下部電極又は上部電極に接している面のうち少なくとも一方の面の近傍領域の誘電率が、容量絶縁膜における膜厚方向中央の領域の誘電率よりも高いため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜から酸素又はビスマスなどの揮発性の高い元素が下部電極又は上部電極に拡散して、これらの電極近傍における界面層が形成されても、電圧低下が抑制される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。   According to the third method for manufacturing a capacitive element according to the present invention, the dielectric constant of the region in the vicinity of at least one of the surfaces in contact with the lower electrode or the upper electrode in the capacitive insulating film is the film thickness direction in the capacitive insulating film. Higher volatility such as oxygen or bismuth from the ferroelectric film in the heat treatment process after forming the ferroelectric film that becomes the capacitive insulating film in the process of forming the capacitive element because it is higher than the dielectric constant of the central region Even if the element diffuses into the lower electrode or the upper electrode and an interface layer in the vicinity of these electrodes is formed, the voltage drop is suppressed. Accordingly, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film.

本発明に係る第3の容量素子の形成方法において、容量絶縁膜は、第1の誘電体溶液が塗布されることによって形成されるものであり、高い誘電率を有する層は、第2の誘電体溶液が塗布されることによって形成されるものであり、第2の誘電体溶液は、結晶化処理を経ると、容量絶縁膜の誘電率よりも高い誘電率を有するように調整された溶液組成をもっていることが好ましい。   In the third method for forming a capacitive element according to the present invention, the capacitive insulating film is formed by applying the first dielectric solution, and the layer having a high dielectric constant is the second dielectric. The second dielectric solution is formed by applying a body solution, and the second dielectric solution is a solution composition adjusted to have a dielectric constant higher than that of the capacitive insulating film after crystallization treatment. It is preferable to have.

このようにすると、容量絶縁膜及び高い誘電率を有する層を容易に形成することができる。   In this way, a capacitor insulating film and a layer having a high dielectric constant can be easily formed.

本発明に係る第3の容量素子の形成方法において、容量絶縁膜及び高い誘電率を有する層は、気相成長によって形成されることが好ましい。   In the third method for forming a capacitive element according to the present invention, the capacitive insulating film and the layer having a high dielectric constant are preferably formed by vapor phase growth.

このようにすると、容量絶縁膜及び高い誘電率を有する層を容易に形成することができる。   In this way, a capacitor insulating film and a layer having a high dielectric constant can be easily formed.

前記の課題を解決するために、本発明に係る半導体記憶装置の製造方法は、基板上に、ソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、基板上に、トランジスタを覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、層間絶縁膜中に、下端がソース領域又はドレイン領域と電気的に接続するようにプラグコンタクトを形成する工程と、下面がプラグコンタクトの上端と接続するように、第1〜第3の容量素子の形成方法を用いて、下部電極、容量絶縁膜及び下部電極がこの順に形成されてなる容量素子を形成する工程を備えることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention includes a step of forming a transistor having a source region and a drain region on a substrate, and an interlayer insulation so as to cover the transistor on the substrate. A step of forming a film, a step of forming a plug contact in the interlayer insulating film so that the lower end thereof is electrically connected to the source region or the drain region, and a first surface so that the lower surface is connected to the upper end of the plug contact. A step of forming a capacitor element in which a lower electrode, a capacitor insulating film, and a lower electrode are formed in this order using the third capacitor element forming method is provided.

本発明に係る半導体記憶装置の製造方法によると、半導体記憶装置における容量素子を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。   According to the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric that constitutes the capacitor element in the semiconductor memory device.

本発明に係る第1の容量素子及びその製造方法によると、上部電極及び下部電極のうち少なくとも一方における容量絶縁膜と接する部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であって、該貴金属の酸化物の組成がストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有しており、該貴金属の酸化物から酸素が脱離しやすい状態になっている。このため、容量絶縁膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体よりなる容量絶縁膜から下部電極又は上部電極へ酸素が拡散することを防止することができる。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the first capacitive element and the method of manufacturing the same according to the present invention, the portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the upper electrode and the lower electrode is a conductor made of a noble metal oxide, and the noble metal is oxidized. The composition of the product has a composition with less oxygen than the stoichiometric composition, and oxygen is easily released from the noble metal oxide. For this reason, it is possible to prevent oxygen from diffusing from the capacitive insulating film made of the ferroelectric material to the lower electrode or the upper electrode in the heat treatment step after forming the capacitive insulating film. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

本発明に係る第2の容量素子及びその製造方法によると、容量絶縁膜が、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有しているビスマス層状ペロブスカイトよりなるため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜を構成する揮発性の高いビスマスが下部電極又は上部電極に拡散して、強誘電体膜を構成するビスマスが減少しても、強誘電体膜にはビスマスがストイキオメトリ組成よりも多く含有されているので、熱処理工程後の容量絶縁膜中のビスマスの量は、適正な値に維持される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。   According to the second capacitive element and the method of manufacturing the same according to the present invention, the capacitive insulating film is made of bismuth layered perovskite having a composition containing more bismuth than the stoichiometric composition. In the heat treatment step after forming the ferroelectric film serving as the capacitive insulating film, the highly volatile bismuth constituting the ferroelectric film diffuses into the lower electrode or the upper electrode, and the bismuth constituting the ferroelectric film becomes Even if the amount is reduced, the ferroelectric film contains more bismuth than the stoichiometric composition, so that the amount of bismuth in the capacitive insulating film after the heat treatment step is maintained at an appropriate value. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric material constituting the capacitive insulating film.

本発明に係る第3の容量素子及びその製造方法によると、容量絶縁膜における下部電極又は上部電極に接している面のうち少なくとも一方の面の近傍領域の誘電率が、容量絶縁膜における膜厚方向中央の領域の誘電率よりも高いため、容量素子を形成する工程における容量絶縁膜となる強誘電体膜を形成した後の熱処理工程において、強誘電体膜から酸素又はビスマスなどの揮発性の高い元素が下部電極又は上部電極に拡散して、これらの電極近傍における界面層が形成されても、電圧低下が抑制される。したがって、容量絶縁膜を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。   According to the third capacitive element and the method of manufacturing the same according to the present invention, the dielectric constant of the region in the vicinity of at least one of the surfaces in contact with the lower electrode or the upper electrode in the capacitive insulating film is the film thickness in the capacitive insulating film. Since the dielectric constant of the region in the center of the direction is higher, in the heat treatment step after the formation of the ferroelectric film serving as the capacitive insulating film in the step of forming the capacitive element, a volatile substance such as oxygen or bismuth is formed from the ferroelectric film. Even if a high element diffuses into the lower electrode or the upper electrode and an interface layer in the vicinity of these electrodes is formed, the voltage drop is suppressed. Accordingly, it is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film.

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
以下に、本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法について、図1、図2(a)〜(c)、並びに図3(a)及び(b)を参照しながら説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a capacitor element and a method for forming the capacitor according to the first embodiment of the present invention, a semiconductor memory device including the capacitor element, and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIGS. This will be described with reference to 3 (a) and (b).

図1は、本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of a capacitive element and a semiconductor memory device including the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.

図1に示すように、シリコン基板11におけるシリコン酸化膜よりなる素子分離層12によって区画された素子形成領域には、シリコン基板11の表層部に形成されたソース領域又はドレイン領域となる不純物拡散層13とシリコン基板11上に形成されたゲート絶縁膜14a及びゲート電極14とからなるメモリセルトランジスタが形成されている。シリコン基板11の上には、メモリセルトランジスタを覆うように第1の層間絶縁膜(例えばリン(P)又はボロン(B)などが添加されたシリコン酸化膜(BPSG膜))15が形成されており、該第1の層間絶縁膜15の上には、SiNよりなる第1の水素バリア膜16が形成されている。第1の層間絶縁膜15及び第1の水素バリア膜16には、これらを貫通すると共に下端が不純物拡散層13と接続するタングステンよりなる第1のコンタクトプラグ17が形成されている。   As shown in FIG. 1, an impurity diffusion layer serving as a source region or a drain region formed in a surface layer portion of the silicon substrate 11 is formed in an element formation region partitioned by an element isolation layer 12 made of a silicon oxide film in the silicon substrate 11. 13 and a gate insulating film 14a and a gate electrode 14 formed on the silicon substrate 11 are formed. A first interlayer insulating film (for example, a silicon oxide film (BPSG film) doped with phosphorus (P) or boron (B)) 15 is formed on the silicon substrate 11 so as to cover the memory cell transistors. A first hydrogen barrier film 16 made of SiN is formed on the first interlayer insulating film 15. The first interlayer insulating film 15 and the first hydrogen barrier film 16 are formed with a first contact plug 17 made of tungsten having a lower end connected to the impurity diffusion layer 13 through the first interlayer insulating film 15 and the first hydrogen barrier film 16.

また、図1に示すように、第1の水素バリア膜16の上には、下面が第1のコンタクトプラグ17の上端と電気的に接続され、酸化イリジウムよりなる下部電極18aが形成されている。該下部電極18aの上には、強誘電体(SBT(SrBiTaO)又はBLT(BiLaTiO))膜よりなる容量絶縁膜19aが形成されており、該容量絶縁膜19aの上には、酸化イリジウムよりなる上部電極20aが形成されている。このように、下部電極18a、容量絶縁膜19a及び上部電極20aよりなる容量素子21aが形成されている。   As shown in FIG. 1, a lower electrode 18 a made of iridium oxide is formed on the first hydrogen barrier film 16 with its lower surface electrically connected to the upper end of the first contact plug 17. . A capacitive insulating film 19a made of a ferroelectric (SBT (SrBiTaO) or BLT (BiLaTiO)) film is formed on the lower electrode 18a. The capacitive insulating film 19a is made of iridium oxide. An upper electrode 20a is formed. Thus, the capacitive element 21a composed of the lower electrode 18a, the capacitive insulating film 19a, and the upper electrode 20a is formed.

また、図1に示すように、第1の水素バリア膜16の上には、容量素子21aを覆うようにSiNよりなる第2の水素バリア膜22が形成されており、該第2の水素バリア膜22を覆うように第2の層間絶縁膜(例えばO3 及びTEOSで形成されたシリコン酸化膜(O3 −TEOS膜)23が形成されている。第2の層間絶縁膜23には、該第2の層間絶縁膜23及び第2の水素バリア膜22を貫通すると共に下端が上部電極20aの上面と電気的に接続するタングステンよりなる第2のコンタクトプラグ24が形成されている。第2の層間絶縁膜23の上には、下面が第2のコンタクトプラグ24の上端と電気的に接続され、上層よりTiN/Al/TiN/Tiの積層膜よりなる配線24が形成されている。 Further, as shown in FIG. 1, a second hydrogen barrier film 22 made of SiN is formed on the first hydrogen barrier film 16 so as to cover the capacitive element 21a, and the second hydrogen barrier film is formed. A second interlayer insulating film (for example, a silicon oxide film (O 3 -TEOS film) 23 formed of O 3 and TEOS) is formed so as to cover the film 22. The second interlayer insulating film 23 includes A second contact plug 24 made of tungsten that penetrates through the second interlayer insulating film 23 and the second hydrogen barrier film 22 and whose lower end is electrically connected to the upper surface of the upper electrode 20a is formed. On the interlayer insulating film 23, the lower surface is electrically connected to the upper end of the second contact plug 24, and a wiring 24 made of a laminated film of TiN / Al / TiN / Ti is formed from the upper layer.

ここで、以上のような構造を有する本発明の第1の実施形態に係る容量素子及び該容量素子を含む半導体記憶装置の特徴について説明する。   Here, the features of the capacitive element according to the first embodiment of the present invention having the above-described structure and the semiconductor memory device including the capacitive element will be described.

上部電極20a及び下部電極18aのうちの少なくとも一方における強誘電体膜よりなる容量絶縁膜19aと接している部分は、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない(欠乏している)組成を有する酸化イリジウム(IrOx :0<x<2)よりなる。 A portion of at least one of the upper electrode 20a and the lower electrode 18a that is in contact with the capacitive insulating film 19a made of a ferroelectric film has an oxygen-less (deficient) composition than the stoichiometric composition. (IrO x : 0 <x <2).

したがって、本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置は以下の効果を有する。すなわち、上部電極20a又は下部電極18aにおける容量絶縁膜19aと接している部分が、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有する酸化イリジウム(IrOx :0<x<2)よりなり、この酸化イリジウム(IrOx :0<x<2)は、ストイキオメトリ組成を有する酸化イリジウム(IrO2 )と比較して、酸素が脱離しやすくなっており、酸素の脱離が600℃以上で生じる。このため、SBTよりなる強誘電体膜を用いる場合は、結晶化温度が800℃程度であり、BLTよりなる強誘電体膜を用いる場合は、結晶化温度が700℃程度であるので、SBT又はBLTよりなる強誘電体膜の結晶化のための熱処理の際に、容量絶縁膜19aを構成する強誘電体膜からの酸素が、上部電極20a中又は下部電極18a中に拡散することを防ぐことができる。これにより、強誘電体膜の分極特性の劣化を防止することできる。 Therefore, the capacitive element according to the first embodiment of the present invention and the semiconductor memory device including the capacitive element have the following effects. That is, the portion of the upper electrode 20a or the lower electrode 18a that is in contact with the capacitive insulating film 19a is made of iridium oxide (IrO x : 0 <x <2) having a composition with less oxygen than the stoichiometric composition. Compared with iridium oxide (IrO 2 ) having a stoichiometric composition, iridium (IrO x : 0 <x <2) has a tendency to desorb oxygen, and desorption of oxygen occurs at 600 ° C. or higher. Therefore, when using a ferroelectric film made of SBT, the crystallization temperature is about 800 ° C., and when using a ferroelectric film made of BLT, the crystallization temperature is about 700 ° C. During the heat treatment for crystallization of the ferroelectric film made of BLT, oxygen from the ferroelectric film constituting the capacitive insulating film 19a is prevented from diffusing into the upper electrode 20a or the lower electrode 18a. Can do. Thereby, deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric film can be prevented.

次に、図2(a)〜(c)並びに図3(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る容量素子の形成方法及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。   Next, FIGS. 2A to 2C and FIGS. 3A and 3B illustrate a method of forming a capacitor according to the first embodiment of the present invention and manufacture of a semiconductor memory device including the capacitor. It is principal part process sectional drawing which shows a method.

まず、図2(a)に示すように、シリコン基板11上におけるシリコン酸化膜よりなる素子分離層12によって区画された素子形成領域において、シリコン基板11の表層部のソース領域又はドレイン領域となる不純物拡散層13とシリコン基板11上のゲート絶縁膜14a及びゲート電極14とからなるメモリセルトランジスタを形成する。続いて、シリコン基板11の上に、メモリセルトランジスタを覆うように第1の層間絶縁膜(例えばリン(P)又はボロン(B)などが添加されたシリコン酸化膜(BPSG膜))15を形成した後、該第1の層間絶縁膜15の上に、SiNよりなる第1の水素バリア膜16を形成する。続いて、第1の層間絶縁膜15及び第1の水素バリア膜16に、これらを貫通すると共に下端が不純物拡散層13と接続するタングステンよりなる第1のコンタクトプラグ17を形成する。   First, as shown in FIG. 2A, in the element formation region partitioned by the element isolation layer 12 made of the silicon oxide film on the silicon substrate 11, the impurity which becomes the source region or drain region of the surface layer portion of the silicon substrate 11 A memory cell transistor composed of the diffusion layer 13, the gate insulating film 14 a on the silicon substrate 11 and the gate electrode 14 is formed. Subsequently, a first interlayer insulating film (for example, a silicon oxide film (BPSG film) doped with phosphorus (P) or boron (B)) 15 is formed on the silicon substrate 11 so as to cover the memory cell transistors. After that, a first hydrogen barrier film 16 made of SiN is formed on the first interlayer insulating film 15. Subsequently, a first contact plug 17 made of tungsten that penetrates the first interlayer insulating film 15 and the first hydrogen barrier film 16 and has a lower end connected to the impurity diffusion layer 13 is formed.

次に、図2(b)に示すように、第1の水素バリア膜16の上に、下面が第1のコンタクトプラグ17の上端と電気的に接続するように、酸化イリジウムよりなる下部電極18aを形成する。この際、酸素を含有する雰囲気下、スパッタ法により、下部電極18aの表面部分に、酸化イリジウム(IrOx (0<x<2))を形成する。 Next, as shown in FIG. 2B, the lower electrode 18 a made of iridium oxide is formed on the first hydrogen barrier film 16 so that the lower surface is electrically connected to the upper end of the first contact plug 17. Form. At this time, iridium oxide (IrO x (0 <x <2)) is formed on the surface portion of the lower electrode 18a by sputtering in an atmosphere containing oxygen.

次に、図2(c)に示すように、下部電極18aの上に、スピンコート法により、SBTよりなる強誘電体溶液を塗布した後、溶媒が揮発する温度程度(150〜300℃)で熱処理を行なうことにより、後に容量絶縁膜19aとなる強誘電体膜19a-1 を形成する。続いて、RTP(Rapid Thermal Processing )法により、結晶成長の基点となる核を形成するための仮焼結を行なう。なお、強誘電体材料の種類によって核を形成する温度又は雰囲気は異なるが、強誘電体膜19a-1 がSBT材料よりなる場合は、およそ650℃程度での酸素雰囲気中で仮焼結を行なう。なお、強誘電体膜19a-1 の形成は、スパッタリング法、MOCVD法又はレーザーアブレーション法などによって行なってもよい。 Next, as shown in FIG. 2 (c), after applying a ferroelectric solution made of SBT on the lower electrode 18a by a spin coating method, at a temperature at which the solvent volatilizes (150 to 300 ° C.). by performing the heat treatment, the ferroelectric a capacitor insulating film 19a after the film 19 to form the a-1. Subsequently, pre-sintering is performed by a RTP (Rapid Thermal Processing) method to form a nucleus serving as a base point for crystal growth. Although the temperature or atmosphere for forming nuclei varies depending on the type of ferroelectric material, when the ferroelectric film 19 a-1 is made of SBT material, temporary sintering is performed in an oxygen atmosphere at about 650 ° C. Do. The ferroelectric film 19 a-1 may be formed by sputtering, MOCVD, laser ablation, or the like.

次に、図3(a)に示すように、強誘電体膜19a-1 の上に、Irよりなる上部電極20aを形成する。続いて、下部電極18a、強誘電体膜19a-1 及び上部電極20aに対してパターニングを行なった後、強誘電体膜19a-1 を高温で熱処理して結晶化させることにより、結晶化した強誘電体膜よりなる容量絶縁膜19aを形成する。なお、結晶化温度は、強誘電体膜19a-1 がSBT材料よりなる場合は、およそ650℃〜800℃程度である。また、本実施形態では、強誘電体膜19a-1 を塗布した直後と前記のパターニング後に、熱処理を行なう場合について説明したが、強誘電体膜19a-1 を形成した後であれば、熱処理を行なう順序は本実施形態の順序に限られず、熱処理の回数も1回以上行なえばよい。このようにして、下部電極18a、容量絶縁膜19a及び上部電極20aよりなる容量素子21aが形成される。 Next, as shown in FIG. 3A, an upper electrode 20a made of Ir is formed on the ferroelectric film 19a-1 . Subsequently, after patterning the lower electrode 18a, the ferroelectric film 19a-1 and the upper electrode 20a, the ferroelectric film 19a-1 is crystallized by heat treatment at a high temperature. A capacitive insulating film 19a made of the ferroelectric film is formed. The crystallization temperature is about 650 ° C. to 800 ° C. when the ferroelectric film 19 a-1 is made of an SBT material. Further, in the present embodiment, the case where the heat treatment is performed immediately after the ferroelectric film 19 a-1 is applied and after the patterning is described, but after the ferroelectric film 19 a-1 is formed, The order of performing the heat treatment is not limited to the order of the present embodiment, and the number of heat treatments may be performed once or more. In this way, the capacitive element 21a composed of the lower electrode 18a, the capacitive insulating film 19a, and the upper electrode 20a is formed.

次に、図3(b)に示すように、第1の水素バリア膜17の上に、容量素子25aを覆うように、SiNよりなる第2の水素バリア膜22を堆積した後、該第2の水素バリア膜22のパターニングを行なう。続いて、第1の水素バリア膜17の上に、第2の水素バリア膜21aを覆うように、第2の層間絶縁膜(O3 −TEOS膜)23を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2の水素バリア膜22に、エッチングによって上部電極20aの上面に到達するコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールにタングステンを埋め込むことにより、下端が上部電極20aの上面に接する第2のコンタクトプラグ24を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2のコンタクトプラグ24の上に、下面が第2のコンタクトプラグ24の上端と電気的に接続するように、上層よりTiN/Al/TiN/Alの積層膜よりなる配線25を形成する。このようにして、図3(b)に示す構造を有する容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置が形成される。 Next, as shown in FIG. 3B, a second hydrogen barrier film 22 made of SiN is deposited on the first hydrogen barrier film 17 so as to cover the capacitive element 25a, and then the second hydrogen barrier film 22 is deposited. The hydrogen barrier film 22 is patterned. Subsequently, a second interlayer insulating film (O 3 -TEOS film) 23 is formed on the first hydrogen barrier film 17 so as to cover the second hydrogen barrier film 21a. Subsequently, a contact hole that reaches the upper surface of the upper electrode 20a is formed by etching in the second interlayer insulating film 23 and the second hydrogen barrier film 22, and then tungsten is buried in the contact hole so that the lower end is the upper part. A second contact plug 24 in contact with the upper surface of the electrode 20a is formed. Subsequently, on the second interlayer insulating film 23 and the second contact plug 24, TiN / Al / TiN / Al is formed from the upper layer so that the lower surface is electrically connected to the upper end of the second contact plug 24. A wiring 25 made of a laminated film is formed. In this manner, a capacitor having the structure shown in FIG. 3B and a semiconductor memory device including the capacitor are formed.

以上のように、本発明の第1の実施形態に係る容量素子の形成方法及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法によると、酸素を含有する雰囲気中でのスパッタ法により、下部電極18aにおける容量絶縁膜19aと接する部分を酸化イリジウム(IrOx (0<x<2))とする。この酸化イリジウム(IrOx (0<x<2))は、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有しているので、ストイキオメトリ組成である酸化イリジウム(IrO2 )と比較して、酸化イリジウム(IrOx (0<x<2))から酸素が脱離しやすい状態となっており、酸化イリジウム(IrOx (0<x<2))からの酸素の脱離が600℃以上で生じる。このため、強誘電体膜19a-1 を高温で熱処理することで結晶化させる工程において、容量絶縁膜19aを構成する強誘電体膜19a-1 からの酸素が下部電極18a中に拡散することを防ぐことができる。これにより、容量絶縁膜19aの分極特性の劣化を防止することできる。 As described above, according to the method for forming a capacitor element and the method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element according to the first embodiment of the present invention, the lower electrode 18a is formed by sputtering in an atmosphere containing oxygen. The portion in contact with the capacitor insulating film 19a is iridium oxide (IrO x (0 <x <2)). Since this iridium oxide (IrO x (0 <x <2)) has a composition with less oxygen than the stoichiometric composition, compared with the iridium oxide (IrO 2 ) having the stoichiometric composition, resulting in oxygen from the iridium oxide (IrO x (0 <x < 2)) has become a easily eliminated state, iridium oxide (IrO x (0 <x < 2)) desorption of oxygen from the 600 ° C. or higher . Therefore, in the step of crystallizing the ferroelectric film 19a -1 by heat treatment at a high temperature, oxygen from the ferroelectric film 19a -1 constituting the capacitive insulating film 19a diffuses into the lower electrode 18a. Can be prevented. Thereby, it is possible to prevent deterioration of the polarization characteristics of the capacitive insulating film 19a.

なお、本実施形態においては、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有している酸化イリジウムとしてIrOx (0<x<2)で説明したが、より効果的な酸素の脱離を起こさせるために、酸化イリジウムとしてIrOx (1<x<2)とすることが望ましい。 In this embodiment, IrO x (0 <x <2) has been described as iridium oxide having a composition with less oxygen than the stoichiometric composition. However, more effective oxygen desorption occurs. Therefore, it is desirable to set IrO x (1 <x <2) as iridium oxide.

また、本実施形態に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法においては、上部電極20aが容量規定口となる場合、すなわち上部電極20aが下部電極18aより小さい構造である場合について説明したが、後述する図4に示すように、下部電極18aが容量規定口となる構造としてもかまわない。   Further, in the capacitor according to the present embodiment and the method for forming the same, and the semiconductor memory device including the capacitor and the method for manufacturing the same, when the upper electrode 20a serves as a capacity defining port, that is, the upper electrode 20a is lower than the lower electrode 18a. Although the case of a small structure has been described, as shown in FIG. 4 to be described later, a structure in which the lower electrode 18a serves as a capacity defining port may be used.

また、本実施形態に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法においては、容量絶縁膜19aとして、後述する第2及び第3の実施形態における容量絶縁膜19b及び容量絶縁膜19cを適用してもよい。   In the capacitive element and the method for forming the same according to the present embodiment, and the semiconductor memory device including the capacitive element and the method for manufacturing the same, the capacitive insulating film in the second and third embodiments described later is used as the capacitive insulating film 19a. 19b and the capacitor insulating film 19c may be applied.

(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態に係る容量素子及びその形成方法、並びに、その容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法について、図4、図5(a)〜(c)、図6(a)及び(b)、並びに図7(a)及び(b)を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a capacitive element and a method for forming the same, a semiconductor memory device including the capacitive element, and a method for manufacturing the same according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. This will be described with reference to FIGS. 6 (a) and (b) and FIGS. 7 (a) and (b).

図4は、本発明の第2の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。なお、図4に示す構成部分のうち前述の図1に示した構成部分と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さない。したがって、以下では、本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置と異なる点を中心に説明する。   FIG. 4 is a cross-sectional view of the main part showing the structure of the capacitor according to the second embodiment of the present invention and the semiconductor memory device including the capacitor. 4 that are the same as those shown in FIG. 1 are the same as those shown in FIG. 1, and therefore, description thereof will not be repeated. Therefore, the following description will focus on differences from the capacitive element according to the first embodiment of the present invention and the semiconductor memory device including the capacitive element.

図4に示すように、第1の水素バリア膜16及び第1のプラグコンタクト17の上には、酸素バリア層(上層より順に形成されたIrO2 /Ir/TiAlN)とPtとが下から順に積層された構造を有する下部電極18bが形成されており、また、第1の水素バリア膜16の上には、下部電極18bの側面を覆うようして、埋め込み絶縁膜26が形成されている。また、下部電極18b及び埋め込み絶縁膜26の上には、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成、ここでは、ビスマスを過剰に含む組成を有するビスマス層状ペロブスカイトよりなる容量絶縁膜19bが形成されている。容量絶縁膜19bの上には、Ptよりなる上部電極20bが形成されている。このように、下部電極18b、容量絶縁膜19b及び上部電極20bよりなる容量素子21bが形成されている。なお、図4に示すその他の構造は、図1に示した構造と同様である。また、ここでは、第1の実施形態における図1に示した構造とは異なって、上部電極20bが容量規定口となる構造、すなわち下部電極18bが上部電極20bよりも小さい構造となっている。但し、本実施形態においても、図1に示したように、下部電極18bが容量規定口となる構造としてもかまわない。 As shown in FIG. 4, on the first hydrogen barrier film 16 and the first plug contact 17, an oxygen barrier layer (IrO 2 / Ir / TiAlN formed in order from the upper layer) and Pt are sequentially arranged from the bottom. A lower electrode 18b having a stacked structure is formed, and a buried insulating film 26 is formed on the first hydrogen barrier film 16 so as to cover the side surface of the lower electrode 18b. Further, on the lower electrode 18b and the buried insulating film 26, a capacitive insulating film 19b made of a bismuth layered perovskite having a composition containing more bismuth than the stoichiometric composition, here, a composition containing excessive bismuth is formed. Yes. An upper electrode 20b made of Pt is formed on the capacitive insulating film 19b. In this manner, the capacitive element 21b composed of the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19b, and the upper electrode 20b is formed. The other structure shown in FIG. 4 is the same as the structure shown in FIG. Further, here, unlike the structure shown in FIG. 1 in the first embodiment, the structure is such that the upper electrode 20b serves as a capacity defining port, that is, the lower electrode 18b is smaller than the upper electrode 20b. However, also in this embodiment, as shown in FIG. 1, a structure in which the lower electrode 18b serves as a capacity defining port may be used.

以上のように、本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置によると、容量絶縁膜19bを構成するビスマス層状ペロブスカイトが、ストイキオメトリ組成であるSrBi2Ta29 に対して、ビスマス(Bi)を過剰に含む組成を有していることにより、容量素子21bを形成する工程における容量絶縁膜19bとなる強誘電体膜の形成後の熱処理工程において、強誘電体膜から揮発性の高いビスマスが下部電極18b又は上部電極20bに拡散し、強誘電体膜を構成するビスマスが減少しても、強誘電体膜にはビスマスが過剰に含有されているので、熱処理工程後の容量絶縁膜19b中のビスマスの量は、適正な値に維持され、容量絶縁膜19bを構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。 As described above, according to the capacitive element and the semiconductor memory device including the capacitive element according to the first embodiment of the present invention, the bismuth layered perovskite constituting the capacitive insulating film 19b has a stoichiometric composition SrBi 2 Ta. In the heat treatment step after the formation of the ferroelectric film serving as the capacitor insulating film 19b in the step of forming the capacitor element 21b by having a composition containing bismuth (Bi) excessively with respect to 2 O 9 , Even if bismuth having high volatility diffuses from the ferroelectric film to the lower electrode 18b or the upper electrode 20b and the bismuth constituting the ferroelectric film decreases, the ferroelectric film contains excessive bismuth. Therefore, the amount of bismuth in the capacitive insulating film 19b after the heat treatment process is maintained at an appropriate value, and deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film 19b can be prevented.

次に、図5(a)〜(c)、図6(a)及び(b)、並びに図7(a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。なお、図5(a)〜(c)、図6(a)及び(b)、並びに図7(a)及び(b)における構成部分のうち、図2(a)〜(c)及び図3(a)及び(b)に示した構成部分と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さない。したがって、以下では、本発明の第1の実施形態に係る容量素子の形成方法及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法と異なる点を中心に説明する。   Next, FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A and 6B, and FIGS. 7A and 7B illustrate a method for forming a capacitive element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10 is a fragmentary process cross-sectional view illustrating the method of manufacturing the semiconductor memory device including the capacitor element. Of the components in FIGS. 5A to 5C, FIGS. 6A and 6B, and FIGS. 7A and 7B, FIGS. Since the parts common to the constituent parts shown in (a) and (b) are the same, the description thereof will not be repeated. Therefore, the following description will focus on differences from the method for forming a capacitive element according to the first embodiment of the present invention and the method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitive element.

まず、図5(a)では、第1の実施形態における図2(a)に示す工程と同様の工程を行なう。   First, in FIG. 5A, a process similar to the process shown in FIG. 2A in the first embodiment is performed.

次に、図5(b)に示すように、第1の水素バリア膜16及び第1のコンタクトプラグ17の上に、酸素バリア層(上層より順に形成されたIrO/Ir/TiAlN)及びPtを下から順に積層してなる下部電極18bを形成した後、所望のマスクを用いて第1のコンタクトプラグ16が被覆されるようにパターニングする。   Next, as shown in FIG. 5B, an oxygen barrier layer (IrO / Ir / TiAlN formed in order from the upper layer) and Pt are formed on the first hydrogen barrier film 16 and the first contact plug 17. After forming the lower electrode 18b laminated in order from the bottom, patterning is performed using a desired mask so that the first contact plug 16 is covered.

次に、図5(c)に示すように、第1の水素バリア膜16の上に、下部電極18bを覆うように、埋め込み絶縁膜(例えばO3 −TEOS膜)を成膜した後、CMP法によって、下部電極18bの上に存在している埋め込み絶縁膜を研磨除去して下部電極18bの表面を露出させることにより、図5(c)に示すような埋め込み絶縁膜26を形成する。ここでは、下部電極18bが埋め込み絶縁膜26中に埋め込まれた構造としているが、必ずしも埋め込む構造とする必要はない。 Next, as shown in FIG. 5C, a buried insulating film (for example, an O 3 -TEOS film) is formed on the first hydrogen barrier film 16 so as to cover the lower electrode 18b, and then CMP is performed. The buried insulating film 26 as shown in FIG. 5C is formed by polishing and removing the buried insulating film existing on the lower electrode 18b to expose the surface of the lower electrode 18b. Here, the lower electrode 18b is embedded in the embedded insulating film 26, but the embedded structure is not necessarily required.

次に、図6(a)に示すように、下部電極18b及び埋め込み絶縁膜26の上に、ビスマスが過剰に添加された強誘電体溶液(溶液組成:Sr0.8Bi2.44Ta2x)をスピンコート法にて塗布した後、溶媒が揮発する温度程度(150〜300℃)で熱処理を行なうことにより、後に容量絶縁膜19bとなる強誘電体膜19b-1 を形成する。次に、RTP法により、結晶成長の基点となる核を形成するための仮焼結を行なう。強誘電体材料の種類によって核を形成する温度又は雰囲気は異なるが、強誘電体膜19b-1 がSBT材料よりなる場合には、およそ650℃程度で酸素雰囲気中である。なお、強誘電体膜19b-1 の形成は、スパッタリング法、MOCVD法又はレーザーアブレーション法により行なってもよい。 Next, as shown in FIG. 6A, a ferroelectric solution (solution composition: Sr 0.8 Bi 2.44 Ta 2 O x ) in which bismuth is excessively added is formed on the lower electrode 18b and the buried insulating film 26. After the application by spin coating, heat treatment is performed at a temperature at which the solvent volatilizes (150 to 300 ° C.) to form a ferroelectric film 19 b-1 that will later become a capacitive insulating film 19 b . Next, pre-sintering is performed by the RTP method to form a nucleus serving as a base point for crystal growth. Although the temperature or atmosphere for forming nuclei varies depending on the type of the ferroelectric material, when the ferroelectric film 19 b-1 is made of an SBT material, it is in an oxygen atmosphere at about 650 ° C. Note that the ferroelectric film 19 b-1 may be formed by sputtering, MOCVD, or laser ablation.

次に、図6(b)に示すように、容量絶縁膜19bとなる強誘電体膜19b-1 の上に、Ptよりなる上部電極20bを形成した後、埋め込み絶縁膜26、強誘電体膜19b-1 及び上部電極20bに対してパターニングを行なう。ここでは、埋め込み絶縁膜26、強誘電体膜19b-1 及び上部電極20bに対して同じマスクを用いてパターニングを行なっているが、それぞれに対して、別々のマスクを用いてパターニングを行なってもよい。 Next, as shown in FIG. 6B, after the upper electrode 20b made of Pt is formed on the ferroelectric film 19b -1 that becomes the capacitive insulating film 19b, the buried insulating film 26, the ferroelectric substance are formed. Patterning is performed on the film 19b-1 and the upper electrode 20b. In this case, the buried insulating film 26, the ferroelectric film 19b-1 and the upper electrode 20b are patterned using the same mask, but each of them is patterned using a separate mask. Also good.

次に、図7(a)に示すように、強誘電体膜19b-1 を高温で熱処理して結晶化させることにより、結晶化された強誘電体膜よりなる容量絶縁膜19bを形成する。結晶化の温度は、強誘電体膜19b-1 がSBT材料よりなる場合には、およそ650℃〜800℃程度である。なお、本実施形態では、強誘電体膜19b-1 を塗布した直後と前記の図6(b)のパターニング後に、熱処理を行なう場合について説明したが、強誘電体膜19b-1 を形成した以降であれば、熱処理を行なう順序は本実施形態の順序に限られず、熱処理の回数も1回以上であればよい。このようにして、下部電極18b、容量絶縁膜19b及び上部電極20bからなる容量素子21bが形成される。 Next, as shown in FIG. 7 (a), the ferroelectric film 19b -1 is crystallized by heat treatment at a high temperature, thereby forming a capacitive insulating film 19b made of the crystallized ferroelectric film. . The crystallization temperature is about 650 ° C. to 800 ° C. when the ferroelectric film 19 b-1 is made of an SBT material. In the present embodiment, the case where the heat treatment is performed immediately after the application of the ferroelectric film 19 b-1 and after the patterning shown in FIG. 6B has been described. However, the ferroelectric film 19 b-1 is formed. After that, the order of performing the heat treatment is not limited to the order of the present embodiment, and the number of heat treatments may be one or more. In this way, the capacitive element 21b composed of the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19b, and the upper electrode 20b is formed.

次に、図7(b)に示すように、埋め込み絶縁膜26、下部電極18b、容量絶縁膜19b及び上部電極20bを覆うように、SiNよりなる第2の水素バリア膜22を形成する。続いて、第2の水素バリア膜22のパターニングを行なった後、第2の水素バリア膜22を覆うように第2の層間絶縁膜(O3 −TEOS膜)23を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2の水素バリア膜22に、エッチングによって上部電極20bの上面に到達するコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールにタングステンを埋め込むことにより、下端が上部電極20bの上面に接する第2のコンタクトプラグ24を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2のコンタクトプラグ24の上に、下面が第2のコンタクトプラグ24の上端と電気的に接続するように、上層よりTiN/Al/TiN/Tiの積層膜よりなる配線25を形成する。このようにして、図7(b)に示す構造を有する容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置が形成される。 Next, as shown in FIG. 7B, a second hydrogen barrier film 22 made of SiN is formed so as to cover the buried insulating film 26, the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19b, and the upper electrode 20b. Subsequently, after patterning the second hydrogen barrier film 22, a second interlayer insulating film (O 3 -TEOS film) 23 is formed so as to cover the second hydrogen barrier film 22. Subsequently, a contact hole reaching the upper surface of the upper electrode 20b is formed in the second interlayer insulating film 23 and the second hydrogen barrier film 22 by etching, and then tungsten is buried in the contact hole so that the lower end is the upper part. A second contact plug 24 in contact with the upper surface of the electrode 20b is formed. Subsequently, on the second interlayer insulating film 23 and the second contact plug 24, TiN / Al / TiN / Ti is formed from the upper layer so that the lower surface is electrically connected to the upper end of the second contact plug 24. A wiring 25 made of a laminated film is formed. In this manner, a capacitor having the structure shown in FIG. 7B and a semiconductor memory device including the capacitor are formed.

以上のように、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法によると、強誘電体膜19b-1 の形成方法として、ビスマスが過剰に添加された強誘電体溶液(Sr0.8Bi2.44Ta2、強誘電体膜19b-1 から揮発性の高いビスマスが下部電極18b又は上部電極20bに拡散し、強誘電体膜19b-1 を構成するビスマスが減少しても、強誘電体膜19b-1 にはビスマスが過剰に含有されているので、熱処理工程後の容量絶縁膜19b中のビスマスの量は、適正な値に維持され、容量絶縁膜19bを構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止できる。 As described above, according to the method for forming the capacitor element and the method for manufacturing the semiconductor memory device including the capacitor element according to the second embodiment of the present invention, the method for forming the ferroelectric film 19 b-1 includes bismuth. Is added to the ferroelectric solution (Sr0.8Bi2.44Ta2, ferroelectric film 19b -1, bismuth having high volatility diffuses into the lower electrode 18b or the upper electrode 20b, and the ferroelectric film 19b- Even if the bismuth constituting 1 is reduced, the ferroelectric film 19 b-1 contains excessive bismuth, so that the amount of bismuth in the capacitive insulating film 19 b after the heat treatment step is set to an appropriate value. This prevents the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric that constitutes the capacitive insulating film 19b.

また、本実施形態においては、強誘電体膜SryBizTa2x中に含まれる過剰ビスマスとして、強誘電体の特性向上が図れる範囲(2.2<Z<2.6)とすることが望ましい。 In the present embodiment, as excess bismuth contained in the ferroelectric film Sr y Bi z Ta 2 O x , in the range (2.2 <Z <2.6) which attained the characteristic improvement of the ferroelectric It is desirable.

なお、本実施形態において、下部電極18b又は上部電極20bにおける容量絶縁膜19bと接する部分に、第1の実施形態と同様に、IrOx (0<x<2)が形成されていてもよい。 In the present embodiment, IrO x (0 <x <2) may be formed in the portion of the lower electrode 18b or the upper electrode 20b that is in contact with the capacitive insulating film 19b, as in the first embodiment.

(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態に係る容量素子及びその形成方法、並びに、その容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法について、図8、図9(a)及び(b)、図10(a)及び(b)、図11(a)及び(b)、並びに図12を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
A capacitor element and a method for forming the capacitor element according to the third embodiment of the present invention, and a semiconductor memory device including the capacitor element and a method for manufacturing the capacitor element will be described below with reference to FIGS. 8, 9A and 9B, FIG. Description will be made with reference to FIGS. 10 (a) and 10 (b), FIGS. 11 (a) and 11 (b), and FIG.

図8は、本発明の第3の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。なお、図8に示す構成部分のうち前述の図4に示した構成部分を共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さない。したがって、以下では、本発明の第2の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置と異なる点を中心に説明する。   FIG. 8 is a fragmentary cross-sectional view showing the structure of a capacitive element and a semiconductor memory device including the capacitive element according to the third embodiment of the present invention. 8 that are the same as those shown in FIG. 4 are the same as those shown in FIG. 8, and therefore description thereof will not be repeated. Therefore, the following description will focus on differences from the capacitive element according to the second embodiment of the present invention and the semiconductor memory device including the capacitive element.

図8に示すように、下部電極18b及び埋め込み絶縁膜26の上に形成されている容量絶縁膜19cは、下部電極18bに隣接する領域27aと容量絶縁膜19cの膜厚方向の中央部分を含む領域27bとを有しており、領域27aの誘電率が、領域27bの誘電率よりも高くなっている。また、容量絶縁膜19cは強誘電体(SBT)よりなり、領域27aにおけるビスマス組成比が領域27bにおけるビスマス組成比よりも大きくなっている。さらに、容量絶縁膜19cを構成するSBTにおけるビスマス組成比は、上部電極20bが形成されている側から下部電極18bが形成されている側に向かって徐々に増加している。   As shown in FIG. 8, the capacitive insulating film 19c formed on the lower electrode 18b and the buried insulating film 26 includes a region 27a adjacent to the lower electrode 18b and a central portion in the film thickness direction of the capacitive insulating film 19c. The dielectric constant of the region 27a is higher than that of the region 27b. The capacitive insulating film 19c is made of ferroelectric (SBT), and the bismuth composition ratio in the region 27a is larger than the bismuth composition ratio in the region 27b. Further, the bismuth composition ratio in the SBT constituting the capacitive insulating film 19c gradually increases from the side where the upper electrode 20b is formed toward the side where the lower electrode 18b is formed.

ここで、図9(a)及び(b)は、下部電極18b、容量絶縁膜19c及び上部電極20bよりなる容量素子21cを変形した例を示す断面拡大図である。   Here, FIGS. 9A and 9B are enlarged cross-sectional views showing an example in which the capacitive element 21c composed of the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19c, and the upper electrode 20b is modified.

まず、図9(a)に示すように、容量絶縁膜19c-1 における上部電極20bに隣接する領域27dの誘電率を、容量絶縁膜19c-1 の膜厚方向の中央部分を含む領域27cの誘電率よりも高くしてもよい。この場合は、容量絶縁膜19c-1 を構成するSBTにおけるビスマス組成比は、上部電極20bが存在している側から下部電極18bが存在している側に向かって、徐々に減少している。 First, as shown in FIG. 9 (a), the dielectric constant of the region 27d adjacent to the upper electrode 20b of the capacitor insulating film 19 c-1, a region including a central portion of the thickness direction of the capacitor insulating film 19 c-1 It may be higher than the dielectric constant of 27c. In this case, the bismuth composition ratio in the SBT constituting the capacitive insulating film 19 c-1 gradually decreases from the side where the upper electrode 20b exists toward the side where the lower electrode 18b exists. .

また、図9(b)に示すように、容量絶縁膜19c-2 における下部電極18bに隣接する領域27eの誘電率を、容量絶縁膜19c-2 の膜厚方向の中央部分を含む領域27fの誘電率よりも高くすると共に、容量絶縁膜19c-2 における上部電極20bに隣接する領域27gの誘電率を、容量絶縁膜19c-2 の膜厚方向の中央部分を含む領域27fの誘電率よりも高くしてもよい。この場合は、容量絶縁膜19c-2 を構成するSBTにおけるビスマス組成比は、上部電極20bが存在している側から下部電極18bが存在している側に向かって、徐々に減少し、途中から徐々に増加している。 Further, as shown in FIG. 9 (b), the dielectric constant of the region 27e adjacent to the lower electrode 18b of the capacitor insulating film 19 c-2, a region including a central portion of the thickness direction of the capacitor insulating film 19 c-2 The dielectric constant of the region 27g adjacent to the upper electrode 20b in the capacitive insulating film 19c-2 is set to be higher than the dielectric constant of 27f, and the dielectric constant of the region 27f including the central portion in the film thickness direction of the capacitive insulating film 19c-2 . It may be higher than the dielectric constant. In this case, the bismuth composition ratio in the SBT constituting the capacitive insulating film 19c-2 gradually decreases from the side where the upper electrode 20b is present toward the side where the lower electrode 18b is present. It is gradually increasing from.

以上のように、本発明の第3の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置によると、下部電極18b及び上部電極20bのうちの少なくとも一方に隣接する領域(27a、27d、27e、又は27g)の誘電率が、容量絶縁膜(19c、19c-1 、又は19c-2 )における中央部分を含む領域(27b、27c、又は27f)の誘電率よりも高い。このため、容量素子21cを形成する工程における、容量絶縁膜(19c、19c-1 又は19c-2 )となる強誘電体膜の形成後の熱処理工程において、容量絶縁膜(19c、19c-1 又は19c-2 )から酸素又はビスマスなどの揮発性の高い元素が下部電極18b又は上部電極20bに拡散して電極界面層が形成されても、電圧低下が抑制されるので、容量絶縁膜(19c、19c-1 又は19c-2 )を構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。また、容量絶縁膜(19c、19c-1 又は19c-2 )を構成するSBTのビスマス組成比が、上部電極20bが形成されている側から下部電極18bが形成されている側に向かって、徐々に増加(図8の場合)、徐々に減少(図9(a)の場合)、又は徐々に減少して途中から徐々に増加(図9(b)の場合)するので、下部電極18b又は上部電極20bの近傍によって電荷が集中することによる耐圧性の劣化又はリーク電流の増大という悪影響を防ぐこともできる。 As described above, according to the capacitor element and the semiconductor memory device including the capacitor element according to the third embodiment of the present invention, the regions (27a, 27d, 27b, 27d, 27b, 27b) adjacent to at least one of the lower electrode 18b and the upper electrode 20b. The dielectric constant of 27e or 27g) is higher than the dielectric constant of the region (27b, 27c, or 27f) including the central portion of the capacitive insulating film (19c, 19c -1 or 19c -2 ). Therefore, in the step of forming a capacitor element 21c, in the heat treatment step after the formation of the ferroelectric film serving as the capacitor insulating film (19c, 19 c-1 or 19 c-2), the capacitor insulating film (19c, 19 c -1 or 19 c-2 ), even if a highly volatile element such as oxygen or bismuth diffuses into the lower electrode 18b or the upper electrode 20b to form an electrode interface layer, the voltage drop is suppressed, so capacitive insulation It is possible to prevent the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the film (19c, 19c -1 or 19c -2 ). Further, the bismuth composition ratio of SBT constituting the capacitive insulating film (19c, 19c -1 or 19c -2 ) is from the side where the upper electrode 20b is formed toward the side where the lower electrode 18b is formed. Since it gradually increases (in the case of FIG. 8), gradually decreases (in the case of FIG. 9 (a)), or gradually decreases and gradually increases (in the case of FIG. 9 (b)), the lower electrode 18b Alternatively, it is possible to prevent an adverse effect such as deterioration in pressure resistance or increase in leakage current due to the concentration of electric charges near the upper electrode 20b.

また、下部電極18bと隣接している領域27a及び27e、又は上部電極20bと隣接している領域27d及び27gの厚さは、20nm以下であれば十分にその機能を発揮することができ、5nm以下としてもよい。   The thickness of the regions 27a and 27e adjacent to the lower electrode 18b or the regions 27d and 27g adjacent to the upper electrode 20b can sufficiently exhibit their functions as long as it is 20 nm or less. It is good also as follows.

次に、図10(a)及び(b)、図11(a)及び(b)、並びに図12は、本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。なお、図10(a)及び(b)、図11(a)及び(b)、並びに図12における構成部分のうち、前述の図5(a)〜(c)、図6(a)及び(b)、並びに図7(a)及び(b)に示した構成部分と共通する部分は同様であるので、その説明は繰り返さない。したがって、以下では、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法と異なる点を中心に説明する。   Next, FIGS. 10A and 10B, FIGS. 11A and 11B, and FIG. 12 include a method for forming a capacitor according to the third embodiment of the present invention, and the capacitor. It is principal part process sectional drawing which shows the manufacturing method of a semiconductor memory device. Of the components in FIGS. 10A and 10B, FIGS. 11A and 11B, and FIG. 12, FIGS. 5A to 5C, FIGS. Since the parts common to the constituent parts shown in b) and FIGS. 7A and 7B are the same, the description thereof will not be repeated. Therefore, the following description will focus on differences from the method for forming a capacitive element according to the second embodiment of the present invention and the method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitive element.

まず、図10(a)に示す工程は、前述した図5(a)〜(c)を用いた説明と同様に行なう。   First, the process shown in FIG. 10A is performed in the same manner as described with reference to FIGS. 5A to 5C.

次に、図10(b)に示すように、下部電極18b及び埋め込み絶縁膜26の上に、ビスマスが過剰に添加された第1の強誘電体溶液(SBT溶液)をスピンコート法にて塗布した後、溶媒が揮発する温度程度(150〜300℃)で熱処理を行なうことにより、後に容量絶縁膜19cにおける領域27aとなるビスマスが過剰に添加された強誘電体膜27a-1 を形成する。次に、強誘電体膜27a-1 の上に、第1の強誘電体溶液よりもビスマスの含有量が少ない第2の強誘電体溶液(SBT溶液)をスピンコート法にて塗布した後、溶媒が揮発する温度程度(150〜300℃)で熱処理を行なうことにより、後に容量絶縁膜19cにおける領域27bとなると共に強誘電体膜27a-1 よりもビスマス含有量が少ない強誘電体膜27b-1 を形成する。なお、第1の強誘電体溶液と第2の強誘電体溶液との平均の組成は、Sr0.8Bi2.44Ta2xとなっている。次に、RTP法により、結晶成長の基点となる核を形成するための仮焼結を行なう。強誘電体材料の種類により核を形成する温度又は雰囲気は異なるが、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 を構成するSBT材料よりなる場合には、およそ650℃程度で酸素雰囲気中である。なお、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 の形成は、スパッタリング法、MOCVD法又はレーザーアブレーション法によって行なってもよい。 Next, as shown in FIG. 10B, a first ferroelectric solution (SBT solution) in which bismuth is added excessively is applied on the lower electrode 18b and the buried insulating film 26 by spin coating. After that, by performing a heat treatment at a temperature at which the solvent volatilizes (150 to 300 ° C.), the ferroelectric film 27 a-1 to which bismuth that will later become the region 27 a in the capacitive insulating film 19 c is excessively added is formed. . Next, a second ferroelectric solution (SBT solution) having a bismuth content lower than that of the first ferroelectric solution is applied on the ferroelectric film 27 a-1 by spin coating. Then, by performing a heat treatment at a temperature at which the solvent volatilizes (150 to 300 ° C.), a ferroelectric film that later becomes a region 27b in the capacitive insulating film 19c and has a bismuth content lower than that of the ferroelectric film 27a-1. 27 b-1 is formed. The average composition of the first ferroelectric solution and the second ferroelectric solution is Sr 0.8 Bi 2.44 Ta 2 O x . Next, pre-sintering is performed by the RTP method to form a nucleus serving as a base point for crystal growth. The temperature or atmosphere at which the nucleus is formed differs depending on the type of the ferroelectric material, but when it is made of the SBT material constituting the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 , it is about 650 ° C. In an oxygen atmosphere. The formation of the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 may be performed by a sputtering method, an MOCVD method, or a laser ablation method.

次に、図11(a)に示すように、容量絶縁膜19cの一部を構成する強誘電体膜27b-1 の上に、Ptからなる上部電極20bを形成した後、埋め込み絶縁膜26、強誘電体膜27a-1 、強誘電体膜27b-1 及び上部電極20bに対してパターニングを行なう。なお、ここでは、埋め込み絶縁膜26、強誘電体膜27a-1 、強誘電体膜27b-1 及び上部電極20bに対して同じマスクを用いてパターニングを行なっているが、それぞれに対して、別々のマスクを用いてパターニングを行なってもよい。 Next, as shown in FIG. 11A, after the upper electrode 20b made of Pt is formed on the ferroelectric film 27b-1 constituting a part of the capacitive insulating film 19c, the buried insulating film 26 is formed. Then, the ferroelectric film 27 a-1 , the ferroelectric film 27 b-1, and the upper electrode 20 b are patterned. Here, the buried insulating film 26, the ferroelectric film 27a-1 , the ferroelectric film 27b-1 and the upper electrode 20b are patterned using the same mask. Alternatively, patterning may be performed using separate masks.

次に、図11(b)に示すように、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 を高温で熱処理して結晶化させることにより、結晶化された強誘電体膜よりなる容量絶縁膜19cを形成する。容量絶縁膜19cは、下部電極18bに隣接する領域27aとそれ以外の領域27bとを有している。結晶化の温度は、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 がSBT材料よりなる場合には、およそ650℃〜800℃程度である。なお、本実施形態では、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 を塗布した直後と前記図11(a)のパターニング後に、熱処理を行なう場合について説明したが、強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 を形成した以降であれば、熱処理を行なう順序は本実施形態の順序に限られず、熱処理の回数も1回以上であればよい。このようにして、下部電極18b、容量絶縁膜19c及び上部電極20cよりなる容量素子21cが形成される。 Next, as shown in FIG. 11B, the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 are crystallized by heat treatment at a high temperature, thereby crystallizing the ferroelectric film. A capacitive insulating film 19c is formed. The capacitive insulating film 19c has a region 27a adjacent to the lower electrode 18b and a region 27b other than the region 27a. The crystallization temperature is about 650 ° C. to 800 ° C. when the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 are made of an SBT material. In the present embodiment, the case where the heat treatment is performed immediately after the application of the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 and after the patterning of FIG. 11A has been described. After the formation of the body film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 , the heat treatment order is not limited to the order of this embodiment, and the number of heat treatments may be one or more. In this manner, a capacitive element 21c composed of the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19c, and the upper electrode 20c is formed.

次に、図12に示すように、埋め込み絶縁膜26、下部電極18b、容量絶縁膜19c及び上部電極20bを覆うように、SiNよりなる第2の水素バリア膜22を形成する。続いて、第2の水素バリア膜22のパターニングを行なった後、第2の水素バリア膜22を覆うように、第2の層間絶縁膜(O3 −TEOS膜)23を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2の水素バリア膜22に、エッチングによって上部電極20bの上面に到達するコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールにタングステンを埋め込むことにより、下端が上部電極20bの上面に接するタングステンよりなる第2のコンタクトプラグ24を形成する。続いて、第2の層間絶縁膜23及び第2のコンタクトプラグ24の上に、上層よりTiN/Al/TiN/Tiの積層膜よりなる配線25を形成する。このようにして、図12に示す構造を有する容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置が形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a second hydrogen barrier film 22 made of SiN is formed so as to cover the buried insulating film 26, the lower electrode 18b, the capacitive insulating film 19c, and the upper electrode 20b. Subsequently, after patterning the second hydrogen barrier film 22, a second interlayer insulating film (O 3 -TEOS film) 23 is formed so as to cover the second hydrogen barrier film 22. Subsequently, a contact hole reaching the upper surface of the upper electrode 20b is formed in the second interlayer insulating film 23 and the second hydrogen barrier film 22 by etching, and then tungsten is buried in the contact hole so that the lower end is the upper part. A second contact plug 24 made of tungsten in contact with the upper surface of the electrode 20b is formed. Subsequently, a wiring 25 made of a laminated film of TiN / Al / TiN / Ti is formed on the second interlayer insulating film 23 and the second contact plug 24 from the upper layer. In this manner, a capacitor having the structure shown in FIG. 12 and a semiconductor memory device including the capacitor are formed.

なお、前述した図9(a)の構造を実現するためには、図10(b)に示した工程において、第2の強誘電体溶液を先に塗布した後に、第1の強誘電体溶液を塗布すればよい。また、前述した図9(b)の構造を実現するためには、図10(b)に示す工程において、第2の強誘電体溶液を塗布した後に、さらに、第1の強誘電体溶液を塗布すればよい。   In order to realize the structure shown in FIG. 9A, the first ferroelectric solution is first applied after the second ferroelectric solution is first applied in the step shown in FIG. 10B. May be applied. Further, in order to realize the structure shown in FIG. 9B, the first ferroelectric solution is further added after applying the second ferroelectric solution in the step shown in FIG. 10B. What is necessary is just to apply.

以上のように、本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法によると、下部電極18bの上に、ビスマスが過剰に添加された強誘電体膜27a-1 の上に、強誘電体膜27a-1 よりもビスマス含有量が少ない強誘電体膜27b-1 を形成しているので、下部電極18bが形成されている側から上部電極20bに向かっての距離に対する強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 中のビスマス含有量は、図13(a)における実線に示す通りである。そして、図11(b)における熱処理によって、容量絶縁膜21c中のビスマス組成比は、図13(a)における破線に示す通りである。 As described above, according to the method for forming a capacitor element and the method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element according to the third embodiment of the present invention, bismuth is excessively added on the lower electrode 18b. on the ferroelectric film 27 a-1, since the forming the ferroelectric film 27 strength is less bismuth content than a-1 dielectric film 27 b-1, the lower electrode 18b is formed The bismuth content in the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 with respect to the distance from the side toward the upper electrode 20 b is as shown by the solid line in FIG. Then, by the heat treatment in FIG. 11B, the bismuth composition ratio in the capacitive insulating film 21c is as shown by the broken line in FIG.

すなわち、容量絶縁膜19cを構成するSBTのビスマス組成比は、上部電極20bが形成されている側から下部電極18bが形成されている側に向かって、徐々に増加している。したがって、下部電極18bが形成されている側から上部電極20bが形成されている側に向かっての距離に対する容量絶縁膜19cの誘電率は、図13(b)における実線に示す通りである。また、容量絶縁膜19cにおける下部電極18bに隣接する領域27aの誘電率が、容量絶縁膜19cの中央を含む領域27bの誘電率よりも高くなっている。したがって、容量絶縁膜19cを構成する強誘電体膜27a-1 及び強誘電体膜27b-1 を形成した後の熱処理工程(図11(b))において、容量絶縁膜19cから酸素又はビスマスなどの揮発性の高い元素が下部電極18bに拡散して電極界面層が形成されても、電圧低下が抑制されるので、容量絶縁膜19cを構成する強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる。また、容量絶縁膜19cを構成するSBTのビスマス組成比が、上部電極20bが形成されている側から下部電極18bが形成されている側に向かって徐々に増加していることにより、下部電極18bの近傍で電荷が集中することによる耐圧性の劣化又はリーク電流の増大といった悪影響を防ぐこともできる。なお、強誘電体の分極特性の劣化を防止することができる効果と、耐圧性の劣化又はリーク電流の増大といった悪影響を防ぐことができる効果とは、図9(a)又は図9(b)の構造を形成する場合であっても、下部電極18b又は上部電極20bに対して、同様に得ることができる。 That is, the bismuth composition ratio of SBT constituting the capacitive insulating film 19c gradually increases from the side where the upper electrode 20b is formed toward the side where the lower electrode 18b is formed. Therefore, the dielectric constant of the capacitive insulating film 19c with respect to the distance from the side where the lower electrode 18b is formed to the side where the upper electrode 20b is formed is as shown by the solid line in FIG. The dielectric constant of the region 27a adjacent to the lower electrode 18b in the capacitive insulating film 19c is higher than the dielectric constant of the region 27b including the center of the capacitive insulating film 19c. Accordingly, the ferroelectric film 27 a-1 and the ferroelectric film 27 b-1 heat treatment step after forming the forming the capacitor insulating film 19c (FIG. 11 (b)), oxygen or bismuth from the capacitor insulating film 19c Even when a highly volatile element such as diffusing into the lower electrode 18b is formed and the electrode interface layer is formed, the voltage drop is suppressed, so that deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric constituting the capacitive insulating film 19c is prevented. be able to. Further, the bismuth composition ratio of the SBT constituting the capacitive insulating film 19c gradually increases from the side where the upper electrode 20b is formed toward the side where the lower electrode 18b is formed, so that the lower electrode 18b It is also possible to prevent adverse effects such as deterioration of pressure resistance or increase in leakage current due to concentration of charges in the vicinity of. The effect of preventing the deterioration of the polarization characteristics of the ferroelectric and the effect of preventing the adverse effect such as the deterioration of the pressure resistance or the increase of the leakage current are shown in FIG. 9A or FIG. 9B. Even when the above structure is formed, the same structure can be obtained for the lower electrode 18b or the upper electrode 20b.

なお、本実施形態においては、領域27aの誘電率は380であり、領域27cの誘電率は320となるが、強誘電体の特性向上が図れる範囲に設定するため、領域27aの誘電率は領域27cの誘電率の1.1倍以上でかつ2.5倍以下であることが望ましい。   In this embodiment, the dielectric constant of the region 27a is 380, and the dielectric constant of the region 27c is 320. However, the dielectric constant of the region 27a is set to a range in which the ferroelectric characteristics can be improved. The dielectric constant of 27c is preferably 1.1 times or more and 2.5 times or less.

なお、本実施形態において、下部電極18b又は上部電極20bにおける容量絶縁膜19cと接している部分には、第1の実施形態と同様に、IrOx (0<x<2)が形成されていてもよい。 In this embodiment, IrO x (0 <x <2) is formed in the portion of the lower electrode 18b or the upper electrode 20b that is in contact with the capacitive insulating film 19c, as in the first embodiment. Also good.

(実施例1)
以下に、本発明の実施例1に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法について、図1、図2(a)〜(c)、図3(a)及び(b)、並びに図14を参照しながら説明する。
Example 1
A capacitor element and a method for forming the capacitor according to the first embodiment of the present invention, and a semiconductor memory device including the capacitor element and a method for manufacturing the capacitor element will be described below with reference to FIGS. 1, 2A to 2C, and FIG. ) And (b) and FIG.

本発明の実施例1は、第1の実施形態に第2の実施形態を組み合わせた構成を有する。   Example 1 of the present invention has a configuration in which the second embodiment is combined with the first embodiment.

まず、本発明の実施例1に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図は、図1と同様である。   First, the principal part sectional view showing the structure of the capacitive element according to the first embodiment of the present invention and the semiconductor memory device including the capacitive element is the same as FIG.

本実施例では、下部電極18bにおける容量絶縁膜19aに接している部分が、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない(欠乏している)組成を有する酸化イリジウム(IrOx :0<x<2)よりなることに加えて、特に、容量絶縁膜19aを構成する強誘電体(SBT)がビスマス層状ペロブスカイトであり、ビスマス組成比が、ストイキオメトリよりもビスマスが過剰である組成であることが特徴である。 In the present embodiment, the portion of the lower electrode 18b in contact with the capacitive insulating film 19a has iridium oxide (IrO x : 0 <x <2) having a composition with less oxygen (deficient) than the stoichiometric composition. In addition to the above, in particular, the ferroelectric (SBT) constituting the capacitive insulating film 19a is a bismuth layered perovskite, and the bismuth composition ratio is a composition in which bismuth is more excessive than stoichiometry. It is.

次に、本発明の実施例1に係る容量素子の形成方法及びその容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図は、図2(a)〜(c)並びに図3(a)及び(b)と同様である。   Next, main part process sectional views showing the method for forming a capacitor element and the method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element according to the first embodiment of the present invention are shown in FIGS. Same as a) and (b).

本実施例では、特に、図2(b)に示した下部電極18aを形成する工程において、下部電極18aの表面部分に、酸素分圧が10%である雰囲気中でのスパッタ法により、IrOx(0<x<2)を形成する。その後、後処理として、RTP法により、650℃で1分の熱処理を行なう。 In the present embodiment, in particular, in the step of forming the lower electrode 18a shown in FIG. 2B, IrO x is formed on the surface portion of the lower electrode 18a by sputtering in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 10%. (0 <x <2) is formed. Thereafter, as post-processing, heat treatment is performed at 650 ° C. for 1 minute by the RTP method.

次に、図2(c)に示した強誘電体膜19a-1 の形成工程において、ビスマスが過剰に添加された強誘電体溶液(溶液組成:Sr0.8Bi2.54Ta2x )をスピンコート法にて塗布した後、溶媒が揮発する温度程度(150〜300℃)で熱処理を行なうことにより、後に容量絶縁膜19aとなる強誘電体膜19a-1 (Sr0.8Bi2.24Ta2x)を形成する。 Next, in the formation process of the ferroelectric film 19 a-1 shown in FIG. 2C, a ferroelectric solution (solution composition: Sr 0.8 Bi 2.54 Ta 2 O x ) to which bismuth is added excessively is spun. After coating by the coating method, the ferroelectric film 19 a-1 (Sr 0.8 Bi 2.24 Ta 2 O to be the capacitive insulating film 19a later) is formed by performing heat treatment at a temperature at which the solvent volatilizes (150 to 300 ° C.). x ).

本実施例に係る容量素子における効果を以下に説明する。   The effects of the capacitive element according to this example will be described below.

図14は、本実施例に係る容量素子(本発明)について、容量絶縁膜の膜厚と分極量(自発分極量2Prとその不揮発性成分の分極量Pnv)又はリラクゼーション率((2Pr−Pnv)/2Pr)との関係を示している。なお、図14においては、本実施例に係る容量素子との比較のために、強誘電体溶液(溶液組成:Sr0.8Bi2Ta2x)を使用して形成された容量素子(従来例)についての値も示している。 FIG. 14 shows the film thickness and polarization amount (spontaneous polarization amount 2Pr and polarization amount Pnv of its non-volatile component) or relaxation rate ((2Pr−Pnv)) of the capacitive insulating film for the capacitive element according to this example (the present invention). / 2Pr). In FIG. 14, for comparison with the capacitive element according to the present embodiment, a capacitive element (conventional example) formed using a ferroelectric solution (solution composition: Sr 0.8 Bi 2 Ta 2 O x ). ) Is also shown.

図14から明らかなように、本実施例に係る容量素子では、従来例と比較して、容量絶縁膜の膜厚が薄い領域においても、分極量2Pr及びPnvの変化がなく、また、リラクゼーション率の劣化もほとんど無いことがわかる。   As is clear from FIG. 14, in the capacitive element according to this example, the polarization amounts 2Pr and Pnv are not changed and the relaxation rate is increased even in the region where the thickness of the capacitive insulating film is thin compared to the conventional example. It can be seen that there is almost no deterioration.

(実施例2)
以下に、本発明の実施例2に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法について、図15及び図16を参照しながら説明する。
(Example 2)
Hereinafter, a capacitor according to Example 2 of the present invention, a method for forming the capacitor, a semiconductor memory device including the capacitor, and a method for manufacturing the same will be described with reference to FIGS.

本発明の実施例2は、第1の実施形態に第3の実施形態を組み合わせた構成を有する。   Example 2 of the present invention has a configuration in which the third embodiment is combined with the first embodiment.

図15は、本発明の実施例2に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の要部断面図である。   FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of a capacitor according to Embodiment 2 of the present invention and a semiconductor memory device including the capacitor.

図15に示すように、シリコン基板31におけるシリコン酸化膜よりなる素子分離層32によって区画された素子形成領域には、シリコン基板31の表層部に形成されたソース領域又はドレイン領域となる不純物拡散層33とシリコン基板31上に形成されたゲート絶縁膜34a及びゲート電極34とからなるメモリセルトランジスタが形成されている。シリコン基板31の上には、メモリセルトランジスタを覆うように第1の層間絶縁膜(例えばリン(P)又はボロン(B)などが添加されたシリコン酸化膜(BPSG膜))35が形成されている。第1の層間絶縁膜35には、該第1の層間絶縁膜35を貫通すると共に下端が不純物拡散層33と接続するタングステンよりなるコンタクトプラグ36が形成されている。   As shown in FIG. 15, in the element formation region partitioned by the element isolation layer 32 made of a silicon oxide film in the silicon substrate 31, an impurity diffusion layer serving as a source region or a drain region formed in the surface layer portion of the silicon substrate 31. A memory cell transistor including the gate insulating film 34 a and the gate electrode 34 formed on the silicon substrate 31 is formed. A first interlayer insulating film (for example, a silicon oxide film (BPSG film) doped with phosphorus (P) or boron (B)) 35 is formed on the silicon substrate 31 so as to cover the memory cell transistors. Yes. In the first interlayer insulating film 35, a contact plug 36 made of tungsten that penetrates the first interlayer insulating film 35 and has a lower end connected to the impurity diffusion layer 33 is formed.

また、図15に示すように、第1の層間絶縁膜35の上には、凹部を有する第2の層間絶縁膜(例えばO3 及びTEOSで形成されたシリコン酸化膜(O3 −TEOS膜)37が形成されている。第2の層間絶縁膜37に形成された凹部に沿うように、下から順に、下面が第1のコンタクトプラグ36の上端と電気的に接続された酸化イリジウムよりなる下部電極38、強誘電体(SBT(SrBiTaO)又はBLT(BiLaTiO))膜よりなる容量絶縁膜39、及び酸化イリジウムよりなる上部電極40が形成されている。このように、下部電極38、容量絶縁膜39及び上部電極40よりなる段差形状を有する容量素子41が形成されている。 Further, as shown in FIG. 15, on the first interlayer insulating film 35, the second interlayer insulating film (e.g., O 3 and silicon oxide film formed by TEOS having a recess (O 3 -TEOS film) 37. A lower part made of iridium oxide whose lower surface is electrically connected to the upper end of the first contact plug 36 in order from the bottom along the concave portion formed in the second interlayer insulating film 37. An electrode 38, a capacitor insulating film 39 made of a ferroelectric (SBT (SrBiTaO) or BLT (BiLaTiO)) film, and an upper electrode 40 made of iridium oxide are formed. A capacitive element 41 having a stepped shape composed of 39 and the upper electrode 40 is formed.

本実施例では、下部電極38における強誘電体よりなる容量絶縁膜39と接している部分は、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない(欠乏している)組成を有する酸化イリジウム(IrOx :0<x<2)である。また、容量絶縁膜39を構成する強誘電体(BLT)がビスマス層状ペロブスカイトよりなり、そのビスマス組成比は、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが過剰である組成である。 In this embodiment, the portion of the lower electrode 38 that is in contact with the capacitive insulating film 39 made of a ferroelectric material has iridium oxide (IrO x : 0) having a composition with less oxygen (deficiency) than the stoichiometric composition. <X <2). Further, the ferroelectric (BLT) constituting the capacitive insulating film 39 is made of bismuth layered perovskite, and the bismuth composition ratio is a composition in which bismuth is more excessive than the stoichiometric composition.

また、本実施例では、特に、下部電極38を形成する際には、酸素分圧が70%である雰囲気中でのスパッタ法により、下部電極38の表面部分に、IrOx (0<x<2)を形成する。その後の処理としては、RTP法によって、650℃で1分の熱処理を行なう。 In this embodiment, in particular, when forming the lower electrode 38, IrO x (0 <x <) is formed on the surface portion of the lower electrode 38 by sputtering in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 70%. 2) is formed. As the subsequent treatment, heat treatment is performed at 650 ° C. for 1 minute by the RTP method.

また、容量絶縁膜39となる強誘電体膜を形成する際には、MOCVD法によって強誘電体膜を形成する。具体的には、MOCVD法によって、下部電極38の上に、ビスマスを過剰に含む層として、組成がBi4.8Ti3x である強誘電体膜(膜厚は5nm)を形成した後、さらにその上に、MOCVD法によって、組成がBi3.58La0.75Ti3x である強誘電体膜(膜厚は65nm)を形成する。ここで、組成がBi4.8Ti3x である強誘電体膜は、第3の実施形態における高い誘電率を有する領域に相当する。 Further, when forming a ferroelectric film to be the capacitive insulating film 39, the ferroelectric film is formed by MOCVD. Specifically, after forming a ferroelectric film (film thickness: 5 nm) having a composition of Bi 4.8 Ti 3 O x as a layer containing bismuth excessively on the lower electrode 38 by MOCVD, A ferroelectric film (thickness: 65 nm) having a composition of Bi 3.58 La 0.75 Ti 3 O x is formed thereon by MOCVD. Here, the ferroelectric film whose composition is Bi 4.8 Ti 3 O x corresponds to the region having a high dielectric constant in the third embodiment.

以下に、本実施例に係る容量素子の効果について説明する。   The effects of the capacitive element according to this example will be described below.

図16は、本実施例に係る容量素子において、下部電極38の底部幅を種々変えて、分極量(自発分極量2Prとその不揮発性成分の分極量Pnv)を測定した結果を示している。   FIG. 16 shows the results of measuring the amount of polarization (the amount of spontaneous polarization 2Pr and the amount of polarization Pnv of its non-volatile component) with various changes in the bottom width of the lower electrode 38 in the capacitive element according to this example.

図16から明らかなように、下部電極38の底部幅が小さくなっても、2Pr及びPnvはほとんど変化していない。したがって、本発明によって製造された薄膜は種々の立体構造を有する容量素子においても性能を発揮することがわかる。   As is apparent from FIG. 16, 2Pr and Pnv hardly change even when the bottom width of the lower electrode 38 is reduced. Therefore, it can be seen that the thin film produced according to the present invention exhibits performance even in capacitive elements having various three-dimensional structures.

一方、図示していないが、比較のために、高い誘電率の領域を設けていない従来の強誘電体膜(Bi3.59La0.75Ti3x )を使用して形成された容量素子については、分極率(2Pr)及びPnvの下部電極38の底部幅に依存する性質が非常に大きい。例えば、下部電極38の底部幅が0.5μmにおいて、2Prは10μC/cm2 以下であるので、従来の強誘電体膜では実用的な値が得られていない。 On the other hand, for comparison, a capacitor formed using a conventional ferroelectric film (Bi 3.59 La 0.75 Ti 3 O x ) that does not have a high dielectric constant region is provided for comparison. The properties depending on the polarizability (2Pr) and the bottom width of the lower electrode 38 of Pnv are very large. For example, when the bottom width of the lower electrode 38 is 0.5 μm, since 2Pr is 10 μC / cm 2 or less, a practical value is not obtained with the conventional ferroelectric film.

なお、本実施例1では、誘電率の高い層として組成がBi4.8Ti3x である強誘電体膜を使用したが、ビスマス層状ペロブスカイトであって、その全金属元素中のビスマスの占める比率が、Bi3.58La0.75Ti3x 中の全金属元素中のビスマスの占める比率よりも高ければよく、例えばBiOx でもよく、BiTiOx 又はBiLaOx であってもよい。 In Example 1, a ferroelectric film having a composition of Bi 4.8 Ti 3 O x was used as a layer having a high dielectric constant. However, this is a bismuth layered perovskite, and the ratio of bismuth in all metal elements Is higher than the ratio of bismuth in all metal elements in Bi 3.58 La 0.75 Ti 3 O x , for example, BiO x , BiTiO x, or BiLaO x .

また、本実施例2は、凹部を有した下部電極上に容量絶縁膜を形成した立体構造の容量素子としたが、凸部形状の下部電極を使用してもよいし、第4の実施形態のように平面構造の容量素子としてもよい。   Further, in Example 2, a three-dimensional structure capacitive element in which a capacitive insulating film is formed on a lower electrode having a concave portion may be used, but a convex-shaped lower electrode may be used, or the fourth embodiment. Thus, a capacitive element having a planar structure may be used.

また、本実施例2では、水素バリア膜が形成されていない場合について説明したが、容量素子41への水素の拡散が問題となる場合には、容量素子41を取り囲むように、前述した第1〜第3の実施形態と同様に、水素バリア膜を形成してもよい。   In the second embodiment, the case where the hydrogen barrier film is not formed has been described. However, when hydrogen diffusion into the capacitive element 41 becomes a problem, the first described above is provided so as to surround the capacitive element 41. As in the third embodiment, a hydrogen barrier film may be formed.

また、前述した第1の実施形態並びに実施例1及び実施例2において、下部電極18a,38における強誘電体と接する部分にIrOx (0<x<2)を形成する方法としては、Irよりなる下部電極を形成した後に、酸素雰囲気中での熱処理を行なうようにしてもよい。 In the first embodiment and Examples 1 and 2 described above, IrO x (0 <x <2) is formed on the portions of the lower electrodes 18a and 38 that are in contact with the ferroelectric. After forming the lower electrode, heat treatment in an oxygen atmosphere may be performed.

また、上部電極20a,40における強誘電体と接する部分にIrOx (0<x<2)を形成してもよい。この場合、下部電極18a,38の全体をIrとしてもよい。 Further, IrO x (0 <x <2) may be formed in the portions of the upper electrodes 20a and 40 that are in contact with the ferroelectric. In this case, the entire lower electrodes 18a and 38 may be Ir.

また、上部電極20a,40又は下部電極18a,38における強誘電体よりなる容量絶縁膜19a,39と接する部分は、ストイキオメトリよりも酸素が欠乏している組成を有する貴金属の酸化物よりなる導電体であればよい。該貴金属としては、Ir、Ru、Rh、Pd及びOsのうちから選ばれた1種類又は複数種類以上の金属よりなればよい。例えば、貴金属が、Ru、Rh、Pd又はOsである場合には、RuOx 、RhOx 、PdOx 又はOsOx (0<x<2)となる。 In addition, the portions of the upper electrodes 20a, 40 or the lower electrodes 18a, 38 that are in contact with the capacitor insulating films 19a, 39 made of a ferroelectric material are made of a noble metal oxide having a composition in which oxygen is more deficient than stoichiometry. Any conductor may be used. The noble metal may be made of one or more kinds of metals selected from Ir, Ru, Rh, Pd and Os. For example, when the noble metal is Ru, Rh, Pd or Os, RuO x , RhO x , PdO x or OsO x (0 <x <2).

また、上部電極20a,40又は下部電極18a,38における強誘電体よりなる容量絶縁膜19a,39と接する部分以外には、Pt、Ir、Ru、Rh、Pd及びOsのうちから選ばれた1種類若しくは複数種類以上の金属、これらの酸化物、TiAlN又はTiNを用いてもよい。   In addition to the portions of the upper electrodes 20a, 40 or the lower electrodes 18a, 38 that are in contact with the capacitor insulating films 19a, 39 made of a ferroelectric material, 1 selected from Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, and Os. One or more kinds of metals, their oxides, TiAlN or TiN may be used.

なお、前述した第1〜第3の実施形態並びに実施例1及び実施例2において、強誘電体の材料として、SBT又はBLT以外に、SBTN(SrBiTaNbOx )又はBLTV(BiLaTiVOx )などを用いてもよい。 In the first to third embodiments and Examples 1 and 2 described above, SBTN (SrBiTaNbO x ) or BLTV (BiLaTiVO x ) or the like is used as the ferroelectric material in addition to SBT or BLT. Also good.

また、第1若しくは第2のコンタクトプラグ17,24又はコンタクトプラグ36の材料には、ポリシリコンを用いてもよい。   Polysilicon may be used as a material for the first or second contact plugs 17 and 24 or the contact plug 36.

また、第1又は第2の水素バリア膜16,22の材料には、SiON、TiAlO又はAl23等の水素バリア性を有する絶縁性材料を用いてもよい。 Moreover, an insulating material having a hydrogen barrier property such as SiON, TiAlO, or Al 2 O 3 may be used for the material of the first or second hydrogen barrier films 16 and 22.

なお、前述した第1〜第3の実施形態並びに実施例1においては、集積化プロセスで問題となる強誘電体の水素劣化を抑制する効果を有する第1又は第2の水素バリア膜16,22を含む形態で説明したが、強誘電体の水素劣化が問題とならない場合には、必ずしも、第1又は第2の水素バリア膜16,22を設けなくともよい。   In the first to third embodiments and Example 1 described above, the first or second hydrogen barrier films 16 and 22 having the effect of suppressing the hydrogen degradation of the ferroelectric material, which is a problem in the integration process. However, the first or second hydrogen barrier films 16 and 22 are not necessarily provided when hydrogen degradation of the ferroelectric material does not cause a problem.

以上のように、本発明に係る容量素子及びその形成方法、並びにその容量素子を含む半導体記憶装置及びその製造方法によると、強誘電体材料よりなる容量絶縁膜を備えた容量素子における強誘電体の分極特性の劣化を防止することができるので、高集積強誘電体メモリの実現に有用である。   As described above, according to the capacitive element and the method of forming the same, the semiconductor memory device including the capacitive element, and the method of manufacturing the same, the ferroelectric in the capacitive element including the capacitive insulating film made of the ferroelectric material Therefore, it is useful for realizing a highly integrated ferroelectric memory.

本発明の第1の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。1 is a cross-sectional view of a main part showing the structure of a capacitive element and a semiconductor memory device including the capacitive element according to a first embodiment of the present invention. (a)〜(c)は、本発明の第1の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A)-(c) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. (a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。FIGS. 4A and 4B are main part process cross-sectional views illustrating a method for forming a capacitor element according to the first embodiment of the present invention and a method for manufacturing a semiconductor memory device including the capacitor element. FIGS. 本発明の第2の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the structure of the semiconductor memory device containing the capacitive element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the capacitive element. (a)〜(c)は、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A)-(c) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. (a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A) And (b) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. (a)及び(b)は、本発明の第2の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A) And (b) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. 本発明の第3の実施形態に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the structure of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the semiconductor memory device containing the capacitive element. 本発明の第3の実施形態に係る容量素子の構造の変形例を示した拡大図である。It is the enlarged view which showed the modification of the structure of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A) And (b) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. (a)及び(b)は、本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。(A) And (b) is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. 本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法を示す要部工程断面図である。It is principal part process sectional drawing which shows the formation method of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element. 本発明の第3の実施形態に係る容量素子の形成方法、及び、その容量素子を含む半導体記憶装置の製造方法における効果を説明するための図であって、(a)は下部電極の表面から上部電極に向かっての距離と強誘電体膜中のビスマス含有量及びビスマス組成比との関係図であり、(b)は下部電極の表面から上部電極に向かっての距離と容量絶縁膜の誘電率との関係図である。It is a figure for demonstrating the effect in the formation method of the capacitive element which concerns on the 3rd Embodiment of this invention, and the manufacturing method of the semiconductor memory device containing the capacitive element, Comprising: (a) is from the surface of a lower electrode. FIG. 6 is a relationship diagram between the distance toward the upper electrode, the bismuth content in the ferroelectric film, and the bismuth composition ratio, and (b) shows the distance from the surface of the lower electrode toward the upper electrode and the dielectric of the capacitive insulating film. It is a relationship figure with a rate. 本発明の実施例1に係る容量絶縁膜の膜厚と分極量との関係図である。It is a related figure of the film thickness and the amount of polarization of a capacity insulating film concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例2に係る容量素子及びその容量素子を含む半導体記憶装置の構造を示す要部断面図である。It is principal part sectional drawing which shows the structure of the capacitive element which concerns on Example 2 of this invention, and the semiconductor memory device containing the capacitive element. 本発明の実施例2に係る下部電極の底部幅と分極量との関係図である。It is a related figure of the bottom part width of the lower electrode and the amount of polarization concerning Example 2 of the present invention. 従来例に係る強誘電体膜よりなる容量素子を備えた半導体装置の構造を示す要部構造断面図である。It is principal part structure sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device provided with the capacitive element which consists of a ferroelectric film concerning a prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

11、31 シリコン基板
12、32 素子分離層
13、33 不純物拡散層
14a、34a ゲート絶縁膜
14、34 ゲート電極
15、35 第1の層間絶縁膜
16 第1の水素バリア膜
17 第1のコンタクトプラグ
18a、18b、38 下部電極
19a、19b、19c、19cc-1、19cc-2、39 容量絶縁膜
19a-1、19b-1、 強誘電体膜
20a、20b、40 上部電極
21a、21b、21c、41 容量素子
22 第2の水素バリア膜
23 第2の層間絶縁膜
24 第2のコンタクトプラグ
25 配線
26 埋め込み絶縁膜
27a 容量絶縁膜における下部電極に隣接する領域
27b、27c、27f 容量絶縁膜の中央を含む領域
27d、27g 容量絶縁膜における上部電極に隣接する領域
27a-1 ビスマスが過剰に添加された強誘電体膜
27b-1 ビスマス含有量が少ない強誘電体膜
101 半導体基板
102 第1の層間絶縁膜
103 第1のコンタクトプラグ
104 下部電極
105 容量絶縁膜
106 上部電極
107 容量素子
108 第2の層間絶縁膜
109 第2のコンタクトプラグ
110 配線
11, 31 Silicon substrate 12, 32 Element isolation layer 13, 33 Impurity diffusion layer 14a, 34a Gate insulating film 14, 34 Gate electrode 15, 35 First interlayer insulating film 16 First hydrogen barrier film 17 First contact plug 18a, 18b, 38 a lower electrode 19a, 19b, 19c, 19c c -1, 19c c-2, 39 capacitive insulating film 19 a-1, 19 b- 1, the ferroelectric film 20a, 20b, 40 upper electrode 21a, 21b, 21c, 41 Capacitor element 22 Second hydrogen barrier film 23 Second interlayer insulating film 24 Second contact plug 25 Wiring 26 Embedded insulating film 27a Regions 27b, 27c, 27f adjacent to the lower electrode in the capacitive insulating film region 27d containing the center of the insulating film, 27 g capacitor insulating strength is region 27 a-1 bismuth adjacent the top electrode is excessively added in the film the dielectric film 2 b-1 bismuth content is less ferroelectric film 101 semiconductor substrate 102 first interlayer insulating film 103 first contact plug 104 lower electrode 105 capacitive insulating film 106 upper electrode 107 capacitor 108 second interlayer insulating film 109 first 2 contact plug 110 wiring

Claims (13)

下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、
前記上部電極及び前記下部電極のうちの少なくとも一方における前記容量絶縁膜と接している部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であり、
前記貴金属の酸化物は、ストイキオメトリ組成よりも酸素が少ない組成を有していることを特徴とする容量素子。
A capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order,
The portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the upper electrode and the lower electrode is a conductor made of a noble metal oxide,
The capacitor element, wherein the oxide of the noble metal has a composition with less oxygen than a stoichiometric composition.
前記貴金属の酸化物は、構成元素として、600℃以上において前記貴金属の酸化物から脱離する酸素を有していることを特徴とする請求項1に記載の容量素子。   2. The capacitor element according to claim 1, wherein the noble metal oxide includes oxygen desorbed from the noble metal oxide at 600 ° C. or higher as a constituent element. 前記貴金属は、Ir、Ru、Rh、Pd及びOsのうちから選ばれた1種類又は複数種類の金属よりなることを特徴とする請求項1に記載の容量素子。   The capacitive element according to claim 1, wherein the noble metal is made of one or more kinds of metals selected from Ir, Ru, Rh, Pd, and Os. 下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、
前記容量絶縁膜は、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有しているビスマス層状ペロブスカイトよりなることを特徴とする容量素子。
A capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order,
The capacitive element is made of a bismuth layered perovskite having a composition having more bismuth than a stoichiometric composition.
下部電極、強誘電体よりなる容量絶縁膜、及び上部電極がこの順に形成されてなる容量素子であって、
前記容量絶縁膜における前記下部電極又は前記上部電極に接している少なくとも一方の面の近傍領域の誘電率は、前記容量絶縁膜における膜厚方向中央の近傍領域の誘電率よりも高いことを特徴とする容量素子。
A capacitive element in which a lower electrode, a capacitive insulating film made of a ferroelectric, and an upper electrode are formed in this order,
A dielectric constant of a region in the vicinity of at least one surface in contact with the lower electrode or the upper electrode in the capacitive insulating film is higher than a dielectric constant of a neighboring region in the center in the film thickness direction of the capacitive insulating film. Capacitance element.
前記少なくとも一方の面の近傍領域は、20nm以下の膜厚を有していることを特徴とする請求項5に記載の容量素子。   The capacitive element according to claim 5, wherein a region in the vicinity of the at least one surface has a film thickness of 20 nm or less. 基板上に形成されたソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタと、
前記基板上に、前記トランジスタを覆うように形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜中に、下端がソース領域又は前記ドレイン領域と電気的に接続するように形成されたプラグコンタクトと、
下面が前記プラグコンタクトの上端と接続する請求項1乃至6のうちのいずれか1項に記載の容量素子とを備えていることを特徴とする半導体記憶装置。
A transistor having a source region and a drain region formed on a substrate;
An interlayer insulating film formed on the substrate so as to cover the transistor;
A plug contact formed in the interlayer insulating film so that a lower end thereof is electrically connected to the source region or the drain region;
A semiconductor memory device comprising: the capacitor element according to claim 1, wherein a lower surface is connected to an upper end of the plug contact.
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程とを備え、
前記下部電極及び前記上部電極のうちの少なくとも一方における前記容量絶縁膜と接している部分は、貴金属の酸化物よりなる導電体であり、
前記貴金属の酸化物は、堆積した前記貴金属を主成分とする金属材料膜に対して、酸素を含む雰囲気中で熱処理を行なうことにより形成されることを特徴とする容量素子の形成方法。
Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the capacitive insulating film,
The portion in contact with the capacitive insulating film in at least one of the lower electrode and the upper electrode is a conductor made of a noble metal oxide,
The method for forming a capacitor element, wherein the noble metal oxide is formed by performing heat treatment in an atmosphere containing oxygen on the deposited metal material film containing the noble metal as a main component.
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程と、
熱処理を行なうことにより、前記容量絶縁膜を結晶化する工程とを備え、
前記容量絶縁膜を形成する工程は、
前記結晶化された容量絶縁膜が、ストイキオメトリ組成よりもビスマスが多い組成を有するように、ビスマスを含む誘電体溶液を前記下部電極の上に塗布して前記容量絶縁膜を形成する工程を含むことを特徴とする容量素子の形成方法。
Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the capacitive insulating film;
A step of crystallizing the capacitive insulating film by performing a heat treatment,
The step of forming the capacitive insulating film includes:
Applying the dielectric solution containing bismuth on the lower electrode so that the crystallized capacitive insulating film has a composition containing more bismuth than the stoichiometric composition, and forming the capacitive insulating film. A method for forming a capacitor element.
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極の上に容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜の上に上部電極を形成する工程と、
前記下部電極を形成する工程と前記容量絶縁膜を形成する工程との間、及び前記容量絶縁膜を形成する工程と前記上部電極を形成する工程との間のうちの少なくとも一方に、前記容量絶縁膜の誘電率よりも高い誘電率を有する層を形成する工程とを備えることを特徴とする容量素子の形成方法。
Forming a lower electrode on the substrate;
Forming a capacitive insulating film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the capacitive insulating film;
Capacitor insulation between at least one of the step of forming the lower electrode and the step of forming the capacitive insulating film and the step of forming the capacitive insulating film and the step of forming the upper electrode Forming a layer having a dielectric constant higher than the dielectric constant of the film.
前記容量絶縁膜は、第1の誘電体溶液が塗布されることによって形成されるものであり、
前記高い誘電率を有する層は、第2の誘電体溶液が塗布されることによって形成されるものであり、
前記第2の誘電体溶液は、結晶化処理を経ると、前記容量絶縁膜の誘電率よりも高い誘電率を有するように調整された溶液組成をもっていることを特徴とする請求項10に記載の容量素子の形成方法。
The capacitive insulating film is formed by applying a first dielectric solution,
The layer having a high dielectric constant is formed by applying a second dielectric solution,
The said 2nd dielectric material solution has the solution composition adjusted so that it might have a dielectric constant higher than the dielectric constant of the said capacity | capacitance insulating film, after passing through a crystallization process. A method for forming a capacitor element.
前記容量絶縁膜及び前記高い誘電率を有する層は、気相成長によって形成されることを特徴とする請求項10に記載の容量素子の形成方法。   The method for forming a capacitive element according to claim 10, wherein the capacitive insulating film and the layer having a high dielectric constant are formed by vapor deposition. 基板上に、ソース領域及びドレイン領域を有するトランジスタを形成する工程と、
前記基板上に、前記トランジスタを覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜中に、下端が前記ソース領域又は前記ドレイン領域と電気的に接続するようにプラグコンタクトを形成する工程と、
下面が前記プラグコンタクトの上端と接続するように、請求項8乃至12のうちのいずれか1項に記載の容量素子の形成方法を用いて、下部電極、容量絶縁膜及び下部電極がこの順に形成されてなる容量素子を形成する工程を備えることを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
Forming a transistor having a source region and a drain region over a substrate;
Forming an interlayer insulating film on the substrate so as to cover the transistor;
Forming a plug contact in the interlayer insulating film so that a lower end thereof is electrically connected to the source region or the drain region;
The lower electrode, the capacitive insulating film, and the lower electrode are formed in this order using the method for forming a capacitive element according to any one of claims 8 to 12 so that the lower surface is connected to the upper end of the plug contact. A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising the step of forming a capacitive element formed.
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