JP2007036125A - 半導体デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも強誘電体膜の分極特性を向上した半導体デバイスを提供する。
【解決手段】半導体基板（シリコンの単結晶基板若しくはＳＯＩ基板）１の表面に酸化膜２を介して形成される薄膜状の下部電極３と、酸化膜２と反対側の下部電極３表面に密着して設けられる薄膜状の強誘電体膜４と、下部電極３と反対側の強誘電体膜４表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５とを備える。強誘電体膜４が少なくとも上部電極５と略同じ範囲に設けられている。そのために強誘電体膜４が上部電極５よりも十分に広い範囲に設けられている従来例と比較して強誘電体膜４に発生する残留応力が減少し、強誘電体膜４の分極特性を向上することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧電型の超音波センサや強誘電体メモリのように強誘電体薄膜を用いた半導体デバイスに関するものである。

従来より、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウムなどの強誘電体からなる薄膜を半導体基板上に形成し、かかる強誘電体薄膜の強誘電性や圧電性などの強誘電的性質を利用した半導体デバイス、例えば、強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）やダイアフラム型の超音波センサが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

図４（ａ）は従来の半導体デバイスの一例（強誘電体メモリ）を示す側断面図である。この従来例は、半導体基板（シリコンの単結晶基板）１の表面に酸化膜２を介して形成される薄膜状の下部電極３と、酸化膜２と反対側の下部電極３表面に密着して設けられる薄膜状の強誘電体膜４と、下部電極３と反対側の強誘電体膜４表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５とを備える。なお、強誘電体膜４は、強誘電的性質を有する材料（例えば、ＰＺＴ）をゾルゲル法により下部電極３の表面に成膜することで形成される。
特開平１０−２５６５７０号公報

ところで、半導体（例えば、シリコン）と基板上に形成される下部電極３、強誘電体膜４、上部電極５の各薄膜とで熱膨張率やヤング率、ポアソン比などが互いに異なっており、しかも、これらの薄膜が比較的に高温のプロセスで形成されるためにそれぞれの薄膜に固有の残留応力（膜応力）が発生する。かかる残留応力σ_thは、薄膜のヤング率及びポアソン比をそれぞれＥ_f，ν_fとし、薄膜並びに半導体基板の熱膨張率をそれぞれα_fとα_sとし、成膜時の熱処理による温度変化をΔＴとしたときに下記の式１で表される。

上記式（１）から明らかなように、薄膜に発生する残留応力σ_thは成膜時の温度変化ΔＴと熱膨張率差（＝α_f−α_s）に比例し、且つ薄膜と半導体基板とが接する界面の面積にも比例する。また、強誘電体膜４に発生する残留応力が引張り応力である場合は単位格子が圧縮されて分極特性を決める単位格子内部の荷電粒子（電子あるいはイオン）が非常に動き難い状態になるが、強誘電体膜４に発生する残留応力が圧縮応力である場合は単位格子が膨張して単位格子内部の荷電粒子が動き易い状態になるため、分極特性が向上して残留分極［Ｃ／ｍ²］や抗電界［Ｖ／ｍ］の値が大幅に増加する。

しかしながら、図４に示した従来例においては、強誘電体膜４の強誘電的性質（強誘電性や圧電性など）が利用できる範囲（平面視において上部電極５と重なる範囲）よりも広い範囲に強誘電体膜４が形成されていたため（図４（ｂ）参照）、強誘電体膜４に過大な引張り応力が発生して分極特性が大幅に低下していた。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来よりも強誘電体膜の分極特性を向上した半導体デバイスを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板の表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極と、半導体基板と反対側の下部電極表面に密着して設けられる薄膜状の強誘電体膜と、下部電極と反対側の強誘電体膜表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極とを備えた半導体デバイスであって、強誘電体膜が少なくとも上部電極と略同じ範囲に設けられたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、強誘電体膜が上部電極よりも十分に広い範囲に設けられている従来例と比較して強誘電体膜に発生する残留応力（特に引張り応力）が減少し、その結果、強誘電体膜の分極特性を向上することができる。

以下、本発明を強誘電体メモリに適用した実施形態について図面を参照して詳細に説明する。但し、本発明に係る半導体デバイスは強誘電体メモリに限定されるものではなく、強誘電体膜の強誘電的性質を利用した他の半導体デバイス、例えば、超音波を受けて撓む薄膜状のダイアフラム上に強誘電体膜（圧電膜）を形成し強誘電体膜に発生する電圧（電荷）を上部電極並びに下部電極を介して外部に取り出すことで超音波の強度（音圧）を検出するダイアフラム型の超音波センサなどにも適用可能である。

本実施形態は、図１及び図２に示すように半導体基板（シリコンの単結晶基板若しくはＳＯＩ基板）１の表面に酸化膜２を介して形成される薄膜状の下部電極３と、酸化膜２と反対側の下部電極３表面に密着して設けられる薄膜状の強誘電体膜４と、下部電極３と反対側の強誘電体膜４表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５とを備える点で従来例と共通しているが、従来例では上部電極５よりも広い範囲に強誘電体膜４が形成されていたのに対し、強誘電体膜４が上部電極５と略同じ範囲に設けられている点に特徴がある。なお、下部電極３並びに上部電極５の表面端部に接合されたランド３ａ，５ａを介して強誘電体膜４に電圧が印加される。

次に本実施形態の製造プロセスを簡単に説明する。

まず、半導体基板１表面の酸化膜２上に白金とチタンの多層薄膜をＲＦマグネトロンスパッタにて成膜することで下部電極３を形成する。続いて、ゾルゲル法によって強誘電体（例えば、ＰＺＴ）の薄膜を下部電極３の表面に成膜することで強誘電体膜４を形成する。この成膜工程においては、ＰＺＴを１２層に塗布して所望の膜厚を得ており、各層毎に４００℃で１０分間ずつ乾燥させるとともに４層ごとに６００℃の酸素雰囲気下で１０分間ずつ焼結させる。

そして、強誘電体膜４の表面に白金とチタンの多層薄膜をＲＦマグネトロンスパッタにて成膜した後、フォトリソグラフィとＩＣＰ型ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングにより所望の大きさに加工することで上部電極５を形成する。さらに、フォトリソグラフィと希フッ硝酸を用いたウェットエッチングにより強誘電体膜４を上部電極５とほぼ同一の範囲（大きさ）に加工するとともに、フォトリソグラフィとＩＣＰ型ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングによって下部電極３を強誘電体膜４とほぼ同じ範囲（大きさ）に加工し（図２参照）、さらに下部電極３と上部電極５にランド３ａ，５ａを設けて本実施形態が完成する。

従来技術で説明したように、上述の製造プロセスにおいて強誘電体膜４に残留応力が発生するが、本実施形態では強誘電体膜４が上部電極５とほぼ同じ範囲に設けられているので、強誘電体膜４が上部電極５よりも広い範囲に設けられていた従来例と比較して強誘電体膜４に発生する残留応力（特に引張り応力）が大幅に低減できる。但し、上部電極５と下部電極３の短絡を防止するために強誘電体膜４の周縁部分を上部電極５よりも僅かに外側へはみ出させているが、はみ出した周縁部分を除けば上部電極５と強誘電体膜４とは略同じ範囲に設けられている。

ここで、本実施形態並びに従来例のものに直流電界を加えて取り去った際に残る分極の量（残留分極）を比較する実験を行ったところ、図３に示す結果が得られた（図３における実線イが本実施形態、破線ロが従来例を示す）。この実験結果によれば、従来例（図３における破線ロ）に比較して本実施形態（図３における実線イ）の方が同一の電界強度に対する残留分極が大きくなっており、従来例に比較して強誘電体膜４の分極特性が向上していることが判る。

上述のように本実施形態では、強誘電体膜４が少なくとも上部電極５と略同じ範囲に設けられているので、強誘電体膜４が上部電極５よりも十分に広い範囲に設けられている従来例と比較して強誘電体膜４に発生する残留応力が減少し、その結果、強誘電体膜４の分極特性を向上することができるものである。

本発明の実施形態を示す側断面図である。 同上の平面図である。 同上と従来例の分極特性を比較した実験結果を示すグラフである。 従来例を示し、（ａ）は側断面図、（ｂ）は平面図である。

符号の説明

１ 半導体基板
３ 下部電極
４ 強誘電体膜
５ 上部電極

Claims (1)

1. 半導体基板の表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極と、半導体基板と反対側の下部電極表面に密着して設けられる薄膜状の強誘電体膜と、下部電極と反対側の強誘電体膜表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極とを備えた半導体デバイスであって、強誘電体膜が少なくとも上部電極と略同じ範囲に設けられたことを特徴とする半導体デバイス。

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