JP2006278550A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 下部電極膜9を形成した後、下部電極膜9上に強誘電体膜10を形成する。次に、強誘電体膜10に対して、酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、強誘電体膜10を結晶化する。次いで、強誘電体膜10上に上部電極膜11を形成する。なお、熱処理(結晶化アニール)の際に、酸化性ガスの流量を10sccm乃至100sccmとする。
【選択図】 図2C
Description
第1の試験では、上述の実施形態に倣って下部電極膜を2種類の方法で形成した。その後、強誘電体膜の形成及び結晶化アニールを行った。また、いずれの方法においても、強誘電体膜(PLZT)を結晶化させるために行う1回目のRTAの際のO2ガスの流量を変化させた。但し、O2ガス及びArガスの総流量は2000sccmに固定した。そして、PLZT膜の形成後に、PLZT膜の(111)面のロッキングカーブの半値幅(ロッキング半値幅)及び(101)面のピーク値を測定した。(111)面がスイッチング可能な配向面であるのに対し、(101)面はスイッチング可能であるが、強度が弱い配向面である。(111)面のロッキング半値幅は4軸X線回折により求め、(101)面のピーク値は3軸X線回折により求めた。これらの結果を、夫々図3、図4に示す。なお、図3及び図4中の◆は、高温で下部電極膜を形成した場合の結果を示し、■は、低温で下部電極膜を形成した場合の結果を示す。
第2の試験では、第1の試験と同様にして強誘電体膜の結晶化アニールまでの工程を行った後に上部電極膜を形成し、その後、平面形状が、一辺の長さが50μmである正方形の強誘電体キャパシタ(ディスクリート)を形成した。そして、強誘電体キャパシタの形成後に、パルス幅が1μsecのパルス電圧を印加したときの平均スイッチング電荷量QSWを測定した。スイッチング電荷量QSWは、数1により求めた値である。この結果を図5に示す。
第3の試験では、上述の実施形態に倣って強誘電体膜を4種類の方法で形成し、その配向を調査した。これらの方法では、強誘電体膜(PLZT)を結晶化させるために行う1回目のRTAの際の温度を変化させた。下部電極膜は、第1の実験における低温の条件(■)で形成した。結晶化のためのRTAについては、1回目のRTAにおいて、O2ガスの流量を50sccm、Arガスの流量を1950sccmとし、温度を585℃、600℃、615℃又は630℃とし、時間を90秒間とした。また、2回目のRTAは、750℃の酸素雰囲気中で60秒間行った。そして、4軸X線回折によりPLZT膜の(111)面のロッキング半値幅を求めた。この結果を図6に示す。
第4の試験では、上述の実施形態に倣って3種類の厚さの強誘電体膜を形成した。なお、下部電極膜としては、第1〜第3の試験で形成したものとは異なるものを形成した。4軸X線回折により下部電極膜(Pt膜)の(111)面配向を測定したところ、そのロッキング半値幅は3.0度程度であった。強誘電体膜の形成後には、Ar及びO2の雰囲気下で600℃以下のRTAを行った。次に、厚さが50nmのIrOx膜を上部電極膜として形成した。次いで、上部電極膜及びPLZT膜に対して、700℃以上のAr及びO2の雰囲気中(O2濃度:0.1−100%、制限なし)でRTAを行った。このアニールにより、PLZT膜が完全に結晶化すると共に、強誘電体膜と上部電極膜との界面が改善された。更に、下部電極膜(Pt膜)が緻密化し、下部電極とPLZT膜との間の境界面近傍におけるPtとOとの相互拡散が抑制されるようになる。そして、第1の試験と同様に、PLZT膜の(111)面のロッキング半値幅及び(101)面のピーク値を測定した。これらの結果を図7〜図12に示す。図7は、PLZT膜の厚さが200nmの場合の(101)面のピーク値を示し、図8は、PLZT膜の厚さが200nmの場合の(111)面のロッキング半値幅を示す。図9は、PLZT膜の厚さが150nmの場合の(101)面のピーク値を示し、図10は、PLZT膜の厚さが150nmの場合の(111)面のロッキング半値幅を示す。図11は、PLZT膜の厚さが120nmの場合の(101)面のピーク値を示し、図12は、PLZT膜の厚さが120nmの場合の(111)面のロッキング半値幅を示す。なお、図7、図9及び図11中の「center」は、ウェハの中央部でのピーク強度を示し、「bottom」はウェハの下部(中央部よりオリエンテーションフラットが形成された側の部分)におけるピーク強度を示している。
第5の試験では、第4の試験と同様にして強誘電体膜の結晶化アニール(RTA)までの工程を行った後に上部電極膜上に酸化イリジウム膜(厚さ:200nm)を形成した。なお、1回目のRTA時のO2ガスの流量は25sccmとした。その後、一辺の長さが50μmである正方形の強誘電体キャパシタ(ディスクリート)、及び、長辺の長さが1.50μm、短辺の長さが1.15μmである1428個の長方形の強誘電体キャパシタ(セルアレイ)を形成した。更に、3層の配線を形成した。そして、スイッチング電荷量及びリーク電流等を測定した。
第6の試験では、上述の実施形態に倣って強誘電体膜(厚さ:150nm)を種々の方法で形成し、その配向を調査した。これらの方法では、強誘電体膜(PLZT)を結晶化させるために行う1回目のRTAの際の条件を変化させた。下部電極膜は、第1の実験における高温の条件(◆)で形成した。結晶化のためのRTAについては、1回目のRTAにおいて、O2ガスの流量、Arガスの流量及び温度を変化させ、時間を90秒間とした。また、2回目のRTAは、750℃の酸素雰囲気中で行った。そして、4軸X線回折によりPLZT膜の(111)面のロッキング半値幅を求めた。この結果を図19に示す。また、図20に、強誘電体キャパシタ(ディスクリート)における印加電圧とスイッチング電荷量との関係を示す。なお、図20に示す結果を得るに当たっては、1回目のRTAの際に、O2ガスの流量を25sccmとし、Arガスの流量を1980sccmとした。
第7の試験では、第6の試験と同様にして強誘電体膜の結晶化アニールまでの工程を行った後に上部電極膜を形成し、その後、セルアレイ及びディスクリートの強誘電体キャパシタを形成した。更に、アルミナ保護膜を形成した後、1層の配線を形成した。そして、スイッチング電荷量及びリーク電流を測定した。強誘電体膜の結晶化アニールの際には、O2ガスの流量を25sccmとし、Arガスの流量を1980sccmとした。
第8の試験では、第6の試験と同様に、上述の実施形態に倣って強誘電体膜(厚さ:120nm)を種々の方法で形成し、その配向を調査した。これらの方法では、強誘電体膜(PLZT)を結晶化させるために行う1回目のRTAの際の条件を変化させた。下部電極膜は、第1の実験における高温の条件(◆)で形成した。結晶化のためのRTAについては、1回目のRTAにおいて、O2ガスの流量、Arガスの流量及び温度を変化させ、時間を90秒間とした。また、2回目のRTAは、750℃の酸素雰囲気中で行った。そして、4軸X線回折によりPLZT膜の(111)面のロッキング半値幅を求めた。この結果を図23に示す。なお、図23中の「center」は、ウェハの中央部でのピーク強度を示し、「top」はウェハの上部におけるピーク強度を示し、「bottom」はウェハの下部におけるピーク強度を示し、「left」はウェハの左部におけるピーク強度を示し、「right」はウェハの右部におけるピーク強度を示し、「average」は、これらの平均値を示している。
第9の試験では、第8の試験と同様にして強誘電体膜の結晶化アニールまでの工程を行った後に上部電極膜を形成し、その後、セルアレイ及びディスクリートの強誘電体キャパシタを形成した。更に、アルミナ保護膜を形成した後、1層の配線を形成した。そして、スイッチング電荷量、リーク電流及び抗電圧Vcを測定した。
第10の試験では、第9の試験で作製したセルアレイの試料における疲労損失(ストレスサイクルの依存関係)を調査した。ここでは、読み出し電圧を3Vとし、ストレス電圧を7Vとした。この結果を図28に示す。なお、一般に、PLZT膜の結晶性が良好なほど、疲労損失が低く抑えられる。
第11の試験では、第9の試験で作製したセルアレイの試料におけるインプリント特性を調査した。ここでは、504時間の熱処理を行った後のOS_RATEによりインプリント特性を評価した。OS_Rateはその絶対値が低いほどインプリントしにくいことを示している。
第12の試験では、上述の実施形態に倣って種々の方法でPLZT膜の形成及び結晶化アニールを行った。第1の試料では、PLZT膜の厚さを150nmとし、1回目のRTAの条件を、Arガスの流量:1980sccm、O2ガスの流量:25sccm、温度:600℃、時間:90秒間とした。第2の試料では、PLZT膜の厚さを150nmとし、1回目のRTAの条件を、Arガスの流量:1980sccm、O2ガスの流量:25sccm、温度:630℃、時間:90秒間とした。第3の試料では、PLZT膜の厚さを120nmとし、1回目のRTAの条件を、Arガスの流量:1980sccm、O2ガスの流量:15sccm、温度:630℃、時間:90秒間とした。また、2回目のRTAは、750℃の酸素雰囲気中で行った。そして、4軸X線回折によりPLZT膜の(111)面のロッキング半値幅を求めた。この結果、各試料の面内5点の平均値は、夫々4.40度、3.96度、4.04度であった。
下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に高誘電体膜を形成する工程と、
前記高誘電体膜に対して、酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記高誘電体膜を結晶化する工程と、
前記高誘電体膜上に上部電極膜を形成する工程と、
を有し、
前記熱処理の際に、酸化性ガスの流量を10sccm乃至100sccmとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記酸化性ガスの流量を50sccm以下とすることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
前記酸化性ガスとして、O2ガス、O3ガス及びN2Oガスからなる群から選択された1種を用いることを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理の際に、不活性ガスを1500sccm以上で供給することを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記不活性ガスとして、Arガス、N2ガス及びHeガスからなる群から選択された1種を用いることを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理を550℃以上の温度で行うことを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理を580℃乃至650℃の温度で行うことを特徴とする付記6に記載の半導体装置の製造方法。
前記高誘電体膜として強誘電体膜を形成することを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記熱処理を行う工程と前記上部電極膜を形成する工程との間に、前記熱処理時よりも高い温度で前記高誘電体膜に対して第2の熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の熱処理を酸素濃度が50%以上の雰囲気中で行うことを特徴とする付記9に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の熱処理を酸素雰囲気中で行うことを特徴とする付記10に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の熱処理を650℃以上の温度で行うことを特徴とする付記9乃至11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の熱処理を725℃乃至775℃の温度で行うことを特徴とする付記12に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部電極膜を形成する工程の後に、前記上部電極膜上に導電膜を形成する工程を有することを特徴とする付記1乃至13のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記高誘電体膜の厚さを150nm以下とすることを特徴とする付記1乃至14のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記高誘電体膜の(111)面のロッキングカーブの半値幅を4.6度以下とすることを特徴とする付記1乃至15のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記高誘電体膜の(111)面のロッキングカーブの半値幅を4.2度以下とすることを特徴とする付記16に記載の半導体装置の製造方法。
前記高誘電体膜として、アモルファス状の膜又は微結晶からなる膜を形成することを特徴とする付記1乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に高誘電体膜を形成する工程と、
流量が50sccm未満の酸化性ガスと流量が1500sccm以上の不活性ガスとの混合雰囲気中で第1の熱処理を行うことにより、前記高誘電体膜を結晶化する工程と、
前記高誘電体膜上に第1の上部電極膜を形成する工程と、
酸化性雰囲気中で第2の熱処理を行う工程と、
前記第1の上部電極膜上に第2の上部電極膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の熱処理を540℃乃至620℃の温度で行うことを特徴とする付記19に記載の半導体装置の製造方法。
前記第1の熱処理を585℃で行うことを特徴とする付記19に記載の半導体装置の製造方法。
前記第1の上部電極膜として、白金、イリジウム、ルテニウム、ロジウム及びSrRuO3からなる群から選択された少なくとも1種を含む金属膜又は金属酸化物導電膜を1又は2以上形成すること特徴とする付記19乃至21のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の熱処理を650℃以上の温度で行うことを特徴とする付記19乃至22のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
9a:下部電極
10:強誘電体膜
10a:容量絶縁膜
11:上部電極膜
11a:上部電極
18:導電膜
101:強誘電体キャパシタ
102:MOSトランジスタ
103:ビット線
104:ワード線
105:プレート線
Claims (10)
- 下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に高誘電体膜を形成する工程と、
前記高誘電体膜に対して、酸化雰囲気中で熱処理を行うことにより、前記高誘電体膜を結晶化する工程と、
前記高誘電体膜上に上部電極膜を形成する工程と、
を有し、
前記熱処理の際に、酸化性ガスの流量を10sccm乃至100sccmとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記酸化性ガスの流量を50sccm以下とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理の際に、不活性ガスを1500sccm以上で供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理を550℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高誘電体膜として強誘電体膜を形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記熱処理を行う工程と前記上部電極膜を形成する工程との間に、前記熱処理時よりも高い温度で前記高誘電体膜に対して第2の熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の熱処理を650℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項6に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記上部電極膜を形成する工程の後に、前記上部電極膜上に導電膜を形成する工程を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記高誘電体膜の(111)面のロッキングカーブの半値幅を4.6度以下とすることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に高誘電体膜を形成する工程と、
流量が50sccm未満の酸化性ガスと流量が1500sccm以上の不活性ガスとの混合雰囲気中で第1の熱処理を行うことにより、前記高誘電体膜を結晶化する工程と、
前記高誘電体膜上に第1の上部電極膜を形成する工程と、
酸化性雰囲気中で第2の熱処理を行う工程と、
前記第1の上部電極膜上に第2の上部電極膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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