JP2009272319A - Ferroelectric memory device and method of manufacturing same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体メモリ装置およびその製造方法に関し、特に、強誘電体キャパシタに酸素バリア性能および水素バリア性能を有する強誘電体メモリ装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a ferroelectric memory device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a ferroelectric memory device having a ferroelectric capacitor having oxygen barrier performance and hydrogen barrier performance and a manufacturing method thereof.
電極間に強誘電体膜を配置した構成のキャパシタ(以下において、「強誘電体キャパシタ」という。)が、ディスプレイデバイス等の画素や、不揮発性メモリ等のメモリセルを構成するキャパシタとして利用されている。強誘電体キャパシタに使用される強誘電体には、残留分極が大きく、抗電界が小さい角形比に優れたヒステリシスを有する材料が用いられる。具体的には、例えばランタンドープジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)膜等の強誘電体膜を上部電極と下部電極との間に配置した構造の強誘電体キャパシタが採用されている。 A capacitor having a ferroelectric film disposed between electrodes (hereinafter referred to as “ferroelectric capacitor”) is used as a capacitor constituting a pixel of a display device or a memory cell such as a nonvolatile memory. Yes. As the ferroelectric used in the ferroelectric capacitor, a material having a large remanent polarization and a small coercive electric field and having a good squareness ratio is used. Specifically, a ferroelectric capacitor having a structure in which a ferroelectric film such as a lanthanum-doped lead zirconate titanate (PLZT) film is disposed between an upper electrode and a lower electrode is employed.
強誘電体メモリは、強誘電体キャパシタが有するヒステリシス特性を用いることで、記憶データの不揮発性(例えば、約10年程度の保持性能)と、例えば、約数10ns程度の高速データ書込み性能という優れた特性を実現している。 The ferroelectric memory uses the hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor, so that it is excellent in non-volatile storage data (for example, retention performance of about 10 years) and high-speed data writing performance of, for example, about several tens of ns. Realize the characteristics.
従来の強誘電体キャパシタ積層構造は、図13に示すように、下部電極102と、下部電極102上に配置された強誘電体膜103と、強誘電体膜103上に配置された上部電極104とを備える。下部電極102とプラグ電極124間には、導電性バリア膜101が形成され、上部電極104上には、VIA電極126が形成される。導電性バリア膜101/下部電極102/強誘電体膜103/上部電極104の積層構造の側壁部および上部電極104上には、絶縁性水素バリア膜106が形成される。
As shown in FIG. 13, the conventional ferroelectric capacitor multilayer structure includes a
従来の強誘電体メモリセルにおいては、導電性バリア膜101/下部電極102/強誘電体膜103/上部電極104からなる強誘電体キャパシタ積層構造の周囲においてVIA電極126と上部電極104の界面には、水素バリア膜がない構造となっている。これは、従来の強誘電体メモリセルにおいては、強誘電体キャパシタの面積に比べ、VIA電極126の面積の割合が小さかったため、水素バリア性能については、あまり問題とはならなかったためである。
In the conventional ferroelectric memory cell, at the interface between the
しかしながら、加工ルールが微細になり、強誘電体キャパシタの面積に比べ、VIA電極126の面積の割合が増加すると、VIA電極126の材料としてタングステン(W)や銅(Cu)を適用する必要がある。
However, when the processing rule becomes finer and the ratio of the area of the
特に、WをVIA電極126やプラグ電極として使用する場合、高アスペクト比のコンタクトホールやVIAホールをW電極で埋め込む微細プロセスによる電極形成工程においては、化学的気相堆積(CVD:Chemical Vapor Deposition)法によって、原料ガスの六フッ化タングステン(WF6)を水素やシランで還元する方法が使用されている。
In particular, when W is used as a
このとき、水素バリア膜が存在しない従来例の構造では、強誘電体膜103も還元されてしまうという問題点がある。
At this time, the conventional structure in which no hydrogen barrier film is present has a problem that the
Wをプラグ電極124として使用する場合、導電性バリア膜101として酸素バリア性を有する材料を使用す必要がある。例えば、イリジウム(Ir)や、窒化チタン(TiN)系の材料が酸素バリア膜として使用されている。Irや、TiN系の材料を用いる場合、酸素バリア性が低いため、膜厚を厚くする、埋め込み構造を形成するなどの工夫がなされているが、工程数が増加するという欠点がある。また、IrTa膜を下部電極保護のための導電性バリア膜101として適用する構造は既に提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
When using W as the
また、絶縁性水素バリア膜106として、絶縁体であるアルミナ(Al2O3)膜を側壁部に形成する構造は既に提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
従来IrTa膜の酸素バリア性能については知られていたが、水素バリア性能については、見出されていなかった。本発明者らは、アモルファス金属としてのIrxTa1-x(0<x<1)膜の水素バリア性能を実験的に確認し、IrxTa1-x(0<x<1)膜を導電性酸素バリア膜としてのみならず導電性水素バリア膜としても適用可能であることを見出した。 Conventionally, the oxygen barrier performance of IrTa films has been known, but the hydrogen barrier performance has not been found. The present inventors experimentally confirmed the hydrogen barrier performance of an Ir x Ta 1-x (0 <x <1) film as an amorphous metal, and formed an Ir x Ta 1-x (0 <x <1) film. It has been found that the present invention can be applied not only as a conductive oxygen barrier film but also as a conductive hydrogen barrier film.
本発明の目的は、酸素バリア性と水素バリア性を有し、強誘電体キャパシタの積層構造が簡単化され、かつ製造方法の容易な強誘電体メモリ装置およびその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a ferroelectric memory device having an oxygen barrier property and a hydrogen barrier property, a simplified multilayer structure of a ferroelectric capacitor, and an easy manufacturing method, and a manufacturing method thereof. .
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、第1電極と、前記第1電極に接続された導電性バリア膜と、前記導電性バリア膜上に配置され、前記導電性バリア膜を介して前記第1電極に接続された下部電極と、前記下部電極上に配置された強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に配置された上部電極と、前記上部電極上に配置された導電性水素バリア膜と、前記導電性水素バリア膜上に配置され、前記導電性水素バリア膜を介して前記上部電極に接続された第2電極と、前記導電性水素バリア膜上、および前記導電性バリア膜,前記強誘電体膜,前記上部電極,および前記導電性水素バリア膜の側壁上に配置された絶縁性水素バリア膜とを備える強誘電体メモリ装置が提供される。 According to one aspect of the present invention for achieving the above object, a first electrode, a conductive barrier film connected to the first electrode, and the conductive barrier film disposed on the conductive barrier film. A lower electrode connected to the first electrode via the first electrode; a ferroelectric film disposed on the lower electrode; an upper electrode disposed on the ferroelectric film; and an upper electrode disposed on the upper electrode. A conductive hydrogen barrier film, a second electrode disposed on the conductive hydrogen barrier film and connected to the upper electrode via the conductive hydrogen barrier film, on the conductive hydrogen barrier film, and A ferroelectric memory device is provided that includes a conductive barrier film, the ferroelectric film, the upper electrode, and an insulating hydrogen barrier film disposed on a sidewall of the conductive hydrogen barrier film.
本発明の他の態様によれば、第1電極を形成する工程と、前記第1電極上に導電性バリア膜を形成する工程と、前記導電性バリア膜上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、前記上部電極上に導電性水素バリア膜を形成する工程と、前記導電性水素バリア膜上、および前記導電性バリア膜,前記強誘電体膜,前記上部電極,および前記導電性水素バリア膜の側壁上に絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、前記導電性水素バリア膜上に第2電極を形成する工程とを有する強誘電体メモリ装置の製造方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a step of forming a first electrode, a step of forming a conductive barrier film on the first electrode, a step of forming a lower electrode on the conductive barrier film, Forming a ferroelectric film on the lower electrode; forming an upper electrode on the ferroelectric film; forming a conductive hydrogen barrier film on the upper electrode; and the conductive hydrogen Forming an insulating hydrogen barrier film on the barrier film and on the conductive barrier film, the ferroelectric film, the upper electrode, and a sidewall of the conductive hydrogen barrier film; and on the conductive hydrogen barrier film And a method of forming a second electrode. A method for manufacturing a ferroelectric memory device is provided.
本発明によれば、酸素バリア性と水素バリア性を有し、強誘電体キャパシタの積層構造が簡単化され、かつ製造方法の容易な強誘電体メモリ装置およびその製造方法が提供される。 According to the present invention, there are provided a ferroelectric memory device having an oxygen barrier property and a hydrogen barrier property, a simplified multilayer structure of a ferroelectric capacitor, and an easy manufacturing method, and a manufacturing method thereof.
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下において、同じブロックまたは要素には同じ符号を付して説明の重複を避け、説明を簡略にする。図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, the same reference numerals are assigned to the same blocks or elements to avoid duplication of explanation and simplify the explanation. It should be noted that the drawings are schematic and different from the actual ones. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、各構成部品の配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 The following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention. In the embodiments of the present invention, the arrangement of each component is as follows. Not specific. Various modifications can be made to the embodiment of the present invention within the scope of the claims.
[第1の実施の形態]
(強誘電体メモリ装置)
本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の模式的断面構造は、図1に示すように表され、強誘電体キャパシタ積層構造8の拡大された模式的断面構造は、図2に示すように表される。
[First embodiment]
(Ferroelectric memory device)
A schematic cross-sectional structure of the ferroelectric memory device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. 1, and an enlarged schematic cross-sectional structure of the ferroelectric
第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置は、図1および図2に示すように、半導体基板10上に形成され、プラグ電極24と、プラグ電極24に接続された導電性バリア膜1と、導電性バリア膜1上に配置され、導電性バリア膜1を介してプラグ電極24に接続された下部電極2と、下部電極2上に配置された強誘電体膜3と、強誘電体膜3上に配置された上部電極4と、上部電極4上に配置された導電性水素バリア膜5と、導電性水素バリア膜5上に配置され、導電性水素バリア膜5を介して上部電極4に接続されたVIA電極26と、導電性水素バリア膜5上、および導電性水素バリア膜5,上部電極4,強誘電体膜3,下部電極2,および導電性バリア膜1の側壁上に配置された絶縁性水素バリア膜6とを備える。
As shown in FIGS. 1 and 2, the ferroelectric memory device according to the first embodiment is formed on a
半導体基板10上には、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ(MOSFET:Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)からなるメモリセルトランジスタが形成される。
A memory cell transistor made of a metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) is formed on the
半導体基板10はp型半導体で形成され、素子分離領域14によって電気的に素子分離された活性領域が形成される。活性領域内には、図1に示すように、n+拡散領域で形成されたソース領域またはドレイン領域(S/D領域)12とS/D領域13が配置され、さらにS/D領域12とS/D領域13が対向するn+(12,13)p(10)接合面にn-高抵抗領域16が配置され、n+(12,13)n-(16)p(10)接合が形成され、S/D領域12、S/D領域13近傍のリーク電流の低減と耐圧を保持している。
The
S/D領域12とS/D領域13間の半導体基板10上にはゲート絶縁膜18が配置され、ゲート絶縁膜18上にはゲート電極20が配置され、ゲート電極20上にはキャップ絶縁膜22が配置され、さらにゲート絶縁膜18,ゲート電極20およびキャップ絶縁膜22の側壁部には側壁絶縁膜19が配置される。
A
S/D領域13上には、プラグ電極25が配置され、プラグ電極25は、M1電極28およびVIA電極29を介して、ビット線BLに接続されるM2電極30に接続されている。
A
S/D領域12上には、プラグ電極24を介して強誘電体キャパシタ積層構造8が形成される。
A ferroelectric
強誘電体キャパシタ積層構造8上には、VIA電極26を介して、強誘電体メモリのプレート線PLに接続されるM1電極27が配置される。
An M1
領域41,42,43は層間絶縁膜を表し、各電極間を分離している。
図1において、ビット線BLに接続されるM2電極30上には層間絶縁膜44が配置され、層間絶縁膜44上にはM3電極32が埋め込まれた層間絶縁膜45が配置され、層間絶縁膜45上にはM4電極34が埋め込まれた層間絶縁膜46が配置されている。なお、本実施形態では、M1電極〜M4電極の4層メタルの構造を示すが、これに限るものではなく、例えば、3層、5層メタルであってもよい。メタルの層数は、例えば配線規模によって適切なものを選べばよい。
In FIG. 1, an
このようなM1電極27〜M4電極34間は、所定のコンタクト部分において、例えば、メタルダマシン構造によって、VIA電極を介して接続される。
The M1
図1には、S/D領域13を共通領域とするMOSFETからなるメモリセルトランジスタが2個配置されている。S/D領域13はビット線BLに接続されるM2電極30に接続され、S/D領域12は、強誘電体キャパシタ積層構造8によって形成される強誘電体キャパシタを介してプレート線27に接続されている。結果として、ビット線BLに接続されるM2電極30を共通配線とする1T−1C方式の強誘電体メモリセルが2個形成されている。
In FIG. 1, two memory cell transistors composed of MOSFETs having the S /
図1に示す構成において、MOSFET領域および各層間絶縁膜41〜46を介するM1電極27,28〜M4電極34の形成は、微細化シリコンプロセスと同様であるため、製造方法の説明は省略する。強誘電体キャパシタ積層構造8の部分は、本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の特徴的な構造であるため、その部分の詳細な製造方法については後述する。
In the configuration shown in FIG. 1, the formation of the
導電性バリア膜1は、IrxTa1-x (0<x<1)で形成可能である。特に、アモルファス金属で形成される。IrxTa1-x(0<x<1)中のイリジウムの組成比xは、例えば、約0.3程度以上約0.5程度以下である。
The
下部電極2としては、白金(Pt)、Ir、ルテニウム酸ストロンチウム(SRO)などが採用可能である。導電性バリア膜1はプラグ電極24の酸化を防止しつつ、プラグ電極24と下部電極2との導通を確保するために必要な層であり、本実施の形態に適用するスタック構造の強誘電体キャパシタ積層構造8には必須の層である。
As the
強誘電体膜3は、電界が印加されなくなった後も電界を加えた時に生じた分極状態が保持され、外部からの電界の方向により分極の向きが変わる材料で、特に、残留分極が大きく、且つ抗電界が小さい角形比に優れたヒステリシスを有する材料が採用可能である。具体的には、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)膜、ランタンドープジルコン酸チタン酸鉛(PLZT)膜、チタン酸ストロンチウムバリウム(BST)膜、タンタル酸ストロンチウムビスマス(SBT)膜、ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SBN)膜、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)膜、チタン酸バリウム(TiBaO3)膜、ランタンストロンチウムカッパーオキサイド(LSCO)膜、リン酸二水素カリウム(KDP)膜、ニオブ酸タンタルカリウム(KTN)膜、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛(PMN−PT)系セラミクス膜、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛(PZN−PT)系セラミクス膜などが採用可能である。
The
上部電極4としては、Pt、Ir、酸化イリジウム(IrOy)、SRO膜、或いはITO膜、酸化亜鉛(ZnO)膜などの透明電極が採用可能である。 As the upper electrode 4, a transparent electrode such as Pt, Ir, iridium oxide (IrO y ), SRO film, ITO film, or zinc oxide (ZnO) film can be employed.
導電性水素バリア膜5は、IrxTa1-x(0<x<1)からなる。特に、アモルファス金属で形成される。IrxTa1-x(0<x<1)中のイリジウムの組成比xは、例えば、約0.3程度以上約0.5程度以下である。
The conductive
導電性水素バリア膜5は、配線工程、VIA電極26に限らずその後のVIA電極の形成工程時に発生する水素から、強誘電体膜3を保護するため、および上部電極4とVIA電極26との導通を確保するためには必要な層である。
The conductive
絶縁性水素バリア膜6としては、アルミナ(Al2O3)膜、窒化膜(Si3N4)またはこれらの多層膜などが採用可能である。絶縁性水素バリア膜6は、上部電極4と下部電極2の絶縁を保ちつつ、強誘電体膜3を、配線工程、VIA電極26に限らずその後のVIA電極の形成工程時に発生する水素から、保護するために必要な層である。
As the insulating hydrogen barrier film 6, an alumina (Al 2 O 3 ) film, a nitride film (Si 3 N 4 ), or a multilayer film thereof can be employed. The insulating hydrogen barrier film 6 maintains the insulation between the upper electrode 4 and the
半導体基板10には、例えばシリコン(Si)、ガリウム砒素(GaAs)、ガリウムリン(GaP)、ガリウムナイトライド(GaN)、シリコンカーバイド(SiC)などが採用可能である。なお、半導体基板10の代わりにサファイア基板、石英基板、シリコンオンインスレータ(SOI:Silicon On Insulator)基板などを適用することもできる。
For example, silicon (Si), gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP), gallium nitride (GaN), silicon carbide (SiC), or the like can be used for the
(メモリマトリックスの回路構成例)
本発明の第1の実施の形態に係る強誘電体メモリ装置のメモリマトリックス構成の回路構成は、図3に示すように表される。図3の一本のビット線BLに沿って配置される2個の強誘電体メモリセル200が、図1の素子断面構造に対応する。
(Memory matrix circuit configuration example)
The circuit configuration of the memory matrix configuration of the ferroelectric memory device according to the first embodiment of the present invention is expressed as shown in FIG. Two
図3に示す誘電体メモリ装置のメモリマトリックス構成は、列方向に配列された複数のビット線BL1、BL2、…と、このビット線BL1、BL2、,…と直交する行方向に配列された複数のワード線WL1、WL2、…を有する。ビット線BL1、BL2、…のいずれかとワード線WL1、WL2、…のいずれかによってそれぞれ制御される強誘電体メモリセル200が、列方向と行方向にマトリックス状に配置される。
3 has a plurality of bit lines BL1, BL2,... Arranged in the column direction and a plurality of bit lines BL1, BL2,... Arranged in the row direction orthogonal to the bit lines BL1, BL2,. Of word lines WL1, WL2,. The
強誘電体メモリセル200は、図3に示すように、直列に接続されたメモリセルトランジスタ(QM )201と強誘電体キャパシタ(CF)202を備える。強誘電体メモリセル200の書き込みや読み出しは、メモリセルトランジスタ201によって制御される。メモリセルトランジスタ201のゲート電極及びドレイン電極はそれぞれワード線WL1、WL2、…およびビット線BL1、BL2、…に接続され、ソース電極は強誘電体キャパシタ202の一方の電極に接続される。強誘電体キャパシタ202の他方の電極はプレート線に接続される。例えば、強誘電体キャパシタ202のプレート線に接続される電極を、各強誘電体メモリセル200の上部電極4とすることができる。
As shown in FIG. 3, the
強誘電体メモリセル200では、強誘電体膜3の分極現象を利用してデータの記憶保持が行われる。つまり、外部電界を取り去っても強誘電体膜3の分極状態は保持されるため、電源の供給が停止しても各強誘電体メモリセル200に記憶されたデータが消失することがない。そのため、強誘電体メモリセル200は、不揮発性メモリとして動作する。
In the
なお、上記の説明では強誘電体メモリセル200が1つのメモリセルトランジスタ201と1つの強誘電体キャパシタ202で構成される1T−1C方式の構成例を示したが、これ以外の構成であってもよい。例えば、強誘電体メモリセルが2つのメモリセルトランジスタQMと2つの強誘電体キャパシタCFで構成される2T−2C方式の構成例の場合であってもよい。また、メモリセルトランジスタQMのゲートキャパシタとして強誘電体キャパシタCFを有する1T方式の構成例を採用してもよい。
In the above description, the 1T-1C system configuration example in which the
(強誘電体メモリ装置の製造方法)
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法は、図4〜図8に示すように、プラグ電極24を形成する工程と、プラグ電極24上に導電性バリア膜1を形成する工程と、導電性バリア膜1上に下部電極2を形成する工程と、下部電極2上に強誘電体膜3を形成する工程と、強誘電体膜3上に上部電極4を形成する工程と、上部電極4上に導電性水素バリア膜5を形成する工程と、導電性水素バリア膜5上、および導電性バリア膜1,下部電極2,強誘電体膜3,上部電極4,および導電性水素バリア膜5の側壁上に絶縁性水素バリア膜6を形成する工程と、導電性水素バリア膜5上にVIA電極26を形成する工程とを有する。
(Manufacturing method of ferroelectric memory device)
As shown in FIGS. 4 to 8, the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present embodiment includes a step of forming a
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法を図4〜図8を用いて以下に詳細に説明する。 A manufacturing method of the ferroelectric memory device according to the present embodiment will be described below in detail with reference to FIGS.
(a)まず、図4に示すように、半導体基板10上にメモリセルトランジスタとなるMOSFETを形成後、例えば、CVD絶縁膜、TEOS膜などによって、層間絶縁膜41を堆積し、プラグ電極24を形成する。プラグ電極24の材料としては、メモリセルトランジスタの微細化とともに、例えばWなどが適用される。
(A) First, as shown in FIG. 4, after a MOSFET serving as a memory cell transistor is formed on the
ここで、プラグ電極24をWプラグ(W-plug)で形成する工程について説明する。層間絶縁膜41に対して高アスペクト比のコンタクトホールを形成後、このコンタクトホールをW電極で埋め込む際、原料ガスのWF6をH2,SiH4などで還元する。
Here, a process of forming the
H2還元の場合の反応は、WF6+3H2→W+6HFで表される。また、SiH4還元の場合の反応は、2WF6+3SiH4→2W+3SiF4+6H2で表される。したがって、強誘電体キャパシタ積層構造8において水素バリア性能がないと強誘電体膜3も還元される。
The reaction in the case of H 2 reduction is represented by WF 6 + 3H 2 → W + 6HF. The reaction in the case of SiH 4 reduction is represented by 2WF 6 + 3SiH 4 → 2W + 3SiF 4 + 6H 2 . Therefore, if there is no hydrogen barrier performance in the ferroelectric
なお、MOSFETの形成工程については、通常のシリコン微細化プロセスを適用可能である。例えば素子分離領域14は、シャロートレンチアイソレーション(STI:Shallow Trench Isolation)技術によって形成される。ゲート絶縁膜18は、熱酸化工程によって形成される。S/D領域12、S/D領域13、および高抵抗領域16は、砒素若しくはリンのイオン注入技術若しくは拡散工程によって形成される。ゲート電極20は、例えば、ポリシリコン形成技術によって形成される。S/D領域12、S/D領域13、およびゲート電極20に対する電極形成工程においては、微細化コンタクトを形成するためのW,モリブデン(Mo),コバルト(Co)などのシリサイド技術を適用することも可能である。側壁絶縁膜19およびキャップ絶縁膜22に対しては、CVD酸化膜、CVD窒化膜などの堆積技術を適用する。MOSFETの製造工程はここでは説明を省略する。
Note that a normal silicon miniaturization process can be applied to the MOSFET formation process. For example, the
(b)次に、図5に示すように、層間絶縁膜41およびプラグ電極24の表面上に全面に、導電性バリア膜1を形成する。導電性バリア膜1は、IrxTa1-x からなる。特に、アモルファス金属で形成する。IrxTa1-x中のイリジウムの組成比xは、例えば、約0.3程度以上約0.5程度以下である。アモルファス金属で形成されるIrxTa1-x 膜は、水素バリア性能を有するため、この後にプラグ電極やVIA電極をW電極として形成する際の水素バリア膜となる。その結果、強誘電体膜3の保護膜となり得る。また、アモルファス金属で形成されるIrxTa1-x (0<x<1)膜は酸素バリア性能も有するため、W電極が酸化されてしまうことを防止できる。
(B) Next, as shown in FIG. 5, the
(c)次に、図5に示すように、導電性バリア膜1上に全面に、下部電極2を形成する。下部電極2は、例えば、Pt、Ir、SROなどを、約数10nm〜約100nm程度の膜厚でスパッタ法等により形成する。
(C) Next, as shown in FIG. 5, the
詳細には、下部電極2を2層構造で形成してもよい。例えば、導電性バリア膜1に接して、IrTa膜をスパッタ法で形成し、その後IrTa膜上にIr膜を同様にスパッタ法で形成する。各層の膜厚は、数10nm〜100nm程度である。
Specifically, the
(d)次に、図5に示すように、下部電極2上に全面に、強誘電体膜3を形成する。例えば、PZT、PLZT膜、BST膜、SBT膜、SBN膜、LiNbO3膜、TiBaO3膜、LSCO膜、KDP膜、KTN膜、PMN−PT系セラミクス膜、PZN−PT系セラミクス膜などを、スパッタ法、MOCVD法、ゾルゲル法などによって形成する。具体的には、例えばMOCVD法等を用いて、PLZT膜を約数10〜約100nm程度の膜厚で形成する。
(D) Next, as shown in FIG. 5, a
(e)次に、図5に示すように、強誘電体膜3上に全面に、上部電極4を形成する。上部電極4としては、Pt、Ir、酸化イリジウム(IrOy)、SRO膜、或いはITO膜、ZnO膜などの透明電極を、約200nm程度の膜厚でスパッタ法等により形成する。
(E) Next, as shown in FIG. 5, the upper electrode 4 is formed on the entire surface of the
詳細には、上部電極4を2層構造で形成してもよい。例えば、強誘電体膜3に接して、IrO2膜をスパッタ法で形成し、その後IrO2膜上にIr膜を同様にスパッタ法で形成する。各層の膜厚は、数10nm〜100nm程度である。
Specifically, the upper electrode 4 may be formed with a two-layer structure. For example, an IrO 2 film is formed in contact with the
(f)次に、図5に示すように、上部電極4上に全面に導電性水素バリア膜5を形成する。導電性水素バリア膜5は、IrxTa1-x(0<x<1)からなる。特に、アモルファス金属で形成される。IrxTa1-x(0<x<1)中のイリジウムの組成比xは、例えば、約0.3程度以上約0.5程度以下である。アモルファス金属で形成されるIrxTa1-x (0<x<1)膜は、水素バリア性能を有するため、プラグ電極やVIA電極をH2還元によってW電極で形成する際の水素バリア膜となる。その結果、強誘電体膜3の保護膜となり得る。また、アモルファス金属で形成されるIrxTa1-x 膜は酸素バリア性能も有するため、W電極が酸化されてしまうことを防止できる。
(F) Next, as shown in FIG. 5, a conductive
(g)次に、図6に示すように、導電性水素バリア膜5上にフォトレジスト膜を塗布後、フォトリソグラフィ技術により、強誘電体キャパシタの形成領域を画定し、導電性水素バリア膜5、上部電極4、強誘電体膜3、下部電極2、および導電性バリア膜1をドライエッチングにより選択的にエッチングする。各層のドライエッチングにおいては、エッチングのガス系を切り替えて実施することが有効である。エッチングガス系としては、例えば塩素系或いは臭素系などのハロゲン系ガスやアルゴン(Ar)系のガスを用いることができる。具体的には、PLZTに対しては、例えばC4F8ガス、CF4ガス、Arガスを適用することができる。ITOに対しては、例えばArガス、Cl2ガス、Ptに対しては、C4F8ガス、CF4ガス、Arガス、或いはCl2ガスを適用することができる。
(G) Next, as shown in FIG. 6, after applying a photoresist film on the conductive
(h)次に、図7に示すように、デバイス表面の全面に絶縁性水素バリア膜6を形成後、フォトリソグラフィとエッチング技術により、導電性水素バリア膜5上、および導電性バリア膜1,下部電極2,強誘電体膜3,上部電極4,および導電性水素バリア膜5の側壁上、および層間絶縁膜41上の一部に絶縁性水素バリア膜6を形成する。絶縁性水素バリア膜6としては、Al2O3膜、Si3N4膜またはこれらの多層膜などをCVDまたはスパッタ法により、厚さ約数10nm〜約数100nm程度に形成する。
(H) Next, as shown in FIG. 7, after the insulating hydrogen barrier film 6 is formed on the entire surface of the device, the
(i)次に、図7に示すように、デバイス表面の全面に層間絶縁膜42を形成する。層間絶縁膜42としては、酸化膜、窒化膜などをCVDにより形成する。ここで層間絶縁膜42の形成後、化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)技術により平坦化する工程を適用してもよい。
(I) Next, as shown in FIG. 7, an
(j)次に、図8に示すように、層間絶縁膜42の形成後、VIA電極26を形成する。VIA電極26の材料としては、メモリセルトランジスタの微細化とともに、例えばW、Cuなどが適用される。
(J) Next, as shown in FIG. 8, after the formation of the
ここで、VIA電極26をWプラグ(W-plug)で形成する工程については、上記の工程(a)と同様であるため、説明は省略する。
Here, the process of forming the
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法において、導電性バリア膜としてIrTa膜を成膜した場合のX線ロッキング曲線を図9に示す。縦軸は相対強度(任意単位)、横軸はX線回折におけるブラック角θの2倍の角度2θ(°)である。 FIG. 9 shows an X-ray rocking curve when an IrTa film is formed as a conductive barrier film in the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present embodiment. The vertical axis represents relative intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis represents an angle 2θ (°) that is twice the black angle θ in X-ray diffraction.
組成がIr0.45Ta0.55の場合は、成膜後および酸素雰囲気中の650℃でのアニ−ル後のいずれも、結晶化を示すピークが観測されず、アモルファスのままであることがわかる。一方、Ir0.6Ta0.4の場合には、成膜後に結晶化を示すピークが観測されており、さらにアニ−ル後でもピークが維持され、結晶化されたままであることがわかる。 When the composition is Ir 0.45 Ta 0.55 , it can be seen that a peak indicating crystallization is not observed both after film formation and after annealing at 650 ° C. in an oxygen atmosphere and remains amorphous. On the other hand, in the case of Ir 0.6 Ta 0.4 , a peak indicating crystallization is observed after the film formation, and further, the peak is maintained even after annealing, and it can be seen that it is still crystallized.
IrxTa1-x(0<x<1)膜のシート抵抗(Ω/□)とIr/(Ir+Ta)比xの関係は、図10(a)に示すように表される。また、図10(a)の測定に用いたサンプルの模式的断面構造は、図10(b)に示すように表される。Ir/(Ir+Ta)比xの値が、約0.5より大きい場合には、結晶化され、したがって酸素雰囲気中でアニ−ルした場合には、酸化される。一方、Ir/(Ir+Ta)比xの値が、約0.5より小さい場合には、IrxTa1-x(0<x<1)膜はアモルファスのままである。しかも650℃で酸素雰囲気中でアニ−ルした場合には、シート抵抗(Ω/□)の値にあまり変化は観測されないが、700℃酸素雰囲気中でアニ−ルした場合には、シート抵抗(Ω/□)のグラフ形状は大きく変化している。しかしながら、700℃酸素雰囲気中でアニ−ルしても、Ir/(Ir+Ta)比xの値が、約0.4程度以上約0.45程度以下の場合には、シート抵抗(Ω/□)の値にあまり変化は観測されない。700℃酸素雰囲気中でアニ−ルした場合でも、IrxTa1-x(0<x<1)膜下のWが酸化されず、IrxTa1-x(0<x<1)膜の酸素バリア性が確認されている。 The relationship between the sheet resistance (Ω / □) of the Ir x Ta 1-x (0 <x <1) film and the Ir / (Ir + Ta) ratio x is expressed as shown in FIG. Moreover, the schematic cross-sectional structure of the sample used for the measurement of Fig.10 (a) is represented as shown in FIG.10 (b). If the value of the Ir / (Ir + Ta) ratio x is greater than about 0.5, it will crystallize, and therefore will oxidize if annealed in an oxygen atmosphere. On the other hand, when the value of the Ir / (Ir + Ta) ratio x is smaller than about 0.5, the Ir x Ta 1-x (0 <x <1) film remains amorphous. Moreover, when annealing is performed in an oxygen atmosphere at 650 ° C., the sheet resistance (Ω / □) does not change much, but when annealed in an oxygen atmosphere at 700 ° C., the sheet resistance ( The graph shape of (Ω / □) has changed greatly. However, even when annealed in a 700 ° C. oxygen atmosphere, if the value of the Ir / (Ir + Ta) ratio x is about 0.4 or more and about 0.45 or less, the sheet resistance (Ω / □) Little change is observed in the value of. Annealed at 700 ° C. in an oxygen atmosphere - even when Le, Ir x Ta 1-x ( 0 <x <1) W under film is not oxidized, Ir x Ta 1-x ( 0 <x <1) film Oxygen barrier properties have been confirmed.
水素シンター後のIrTa膜中の水素分布のSIMS分析結果を図11(a)に示す。また、図11(a)の測定に用いたサンプルの模式的断面構造を図11(b)に示す。Ir/IrTa構造の表面側から測った深さ方向が約120nm程度までのIr中では、SIMSの2次イオン強度(counts/sec)が増加するが、IrTa中ではSIMSの2次イオン強度(counts/sec)に変化がない。このことより、Ir/IrTa界面において水素をブロックしていることがわかる。したがって、IrTa膜は、水素バリア膜としても機能することが観測された。 FIG. 11A shows the SIMS analysis result of hydrogen distribution in the IrTa film after hydrogen sintering. FIG. 11B shows a schematic cross-sectional structure of the sample used for the measurement in FIG. In Ir where the depth direction measured from the surface side of the Ir / IrTa structure is about 120 nm, the secondary ion intensity (counts / sec) of SIMS increases, but in IrTa, the secondary ion intensity (counts) of SIMS increases. / Sec) is unchanged. This shows that hydrogen is blocked at the Ir / IrTa interface. Therefore, it was observed that the IrTa film also functions as a hydrogen barrier film.
本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法工程におけるM1〜M4電極の形成工程後に、強誘電体膜3の残留分極量を測定した結果を図12に示す。縦軸は、規格化した残留分極量であり、M1電極の形成工程前において測定した強誘電体膜3の残留分極量を1としている。図1に示すようなM1電極〜M4電極の形成工程後においても、強誘電体膜3の残留分極量の低下はあまり観測されていない。このことから、本実施の形態に係る強誘電体メモリ装置における強誘電体キャパシタ積層構造は水素バリア性および酸素バリア性をともに有することがわかる。
FIG. 12 shows the result of measuring the residual polarization amount of the
本実施の形態によれば、酸素バリア性と水素バリア性を有し、強誘電体キャパシタの構造が簡単化され、かつ製造方法の容易な強誘電体メモリ装置およびその製造方法が提供される。 According to the present embodiment, a ferroelectric memory device having an oxygen barrier property and a hydrogen barrier property, a simplified structure of a ferroelectric capacitor, and an easy manufacturing method, and a manufacturing method thereof are provided.
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other embodiments]
As described above, the present invention has been described according to the first embodiment. However, it should be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure are exemplary and limit the present invention. Absent. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。 As described above, the present invention includes various embodiments that are not described herein.
本発明の強誘電体メモリ装置は、不揮発性メモリ、LSI混載(エンベデッド)メモリ、圧電デバイス、ディスプレイデバイス、光通信用スイッチ、光変調器、レーザプリンタ、複写機、ホログラフィックメモリの光変調器、光演算装置、暗号化回路など幅広い分野に適用可能である。 The ferroelectric memory device of the present invention includes a nonvolatile memory, an LSI embedded (embedded) memory, a piezoelectric device, a display device, an optical communication switch, an optical modulator, a laser printer, a copying machine, an optical modulator of a holographic memory, It can be applied to a wide range of fields such as optical arithmetic units and encryption circuits.
1…導電性バリア膜
2…下部電極
3…強誘電体膜
4…上部電極
5…導電性水素バリア膜
6…絶縁性水素バリア膜
8…強誘電体キャパシタ積層構造
10…半導体基板
12,13…ソース領域またはレイン領域(S/D領域)
14…素子分離領域(STI)
16…高抵抗領域
18…ゲート絶縁膜
19…側壁絶縁膜
20…ゲート電極
22…キャップ絶縁膜
24,25…プラグ電極
26,29…VIA電極
27,28…M1電極
30…M2電極
32…M3電極
34…M4電極
41,42,43,44,45,46…層間絶縁膜
200…強誘電体メモリセル
201…メモリセルトランジスタ(QM)
202…強誘電体キャパシタ(CF)
BL,BL1,BL2,…ビット線
WL,WL1,WL2,…ワード線
DESCRIPTION OF
14: Element isolation region (STI)
16 ...
202 ... Ferroelectric capacitor (C F )
BL, BL1, BL2,... Bit line WL, WL1, WL2,.
Claims (20)
前記第1電極上に配置された導電性バリア膜と、
前記導電性バリア膜上に配置され、前記導電性バリア膜を介して前記第1電極に接続された下部電極と、
前記下部電極上に配置された強誘電体膜と、
前記強誘電体膜上に配置された上部電極と、
前記上部電極上に配置された導電性水素バリア膜と、
前記導電性水素バリア膜上に配置され、前記導電性水素バリア膜を介して前記上部電極に接続された第2電極と、
前記導電性水素バリア膜上、および前記導電性バリア膜,前記下部電極,前記強誘電体膜,前記上部電極,および前記導電性水素バリア膜の側壁上に配置された絶縁性水素バリア膜
とを備えることを特徴とする強誘電体メモリ装置。 A first electrode;
A conductive barrier film disposed on the first electrode;
A lower electrode disposed on the conductive barrier film and connected to the first electrode through the conductive barrier film;
A ferroelectric film disposed on the lower electrode;
An upper electrode disposed on the ferroelectric film;
A conductive hydrogen barrier film disposed on the upper electrode;
A second electrode disposed on the conductive hydrogen barrier film and connected to the upper electrode via the conductive hydrogen barrier film;
An insulating hydrogen barrier film disposed on the conductive hydrogen barrier film, and on the conductive barrier film, the lower electrode, the ferroelectric film, the upper electrode, and a sidewall of the conductive hydrogen barrier film; A ferroelectric memory device comprising:
前記第1電極上に導電性バリア膜を形成する工程と、
前記導電性バリア膜上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極上に導電性水素バリア膜を形成する工程と、
前記導電性水素バリア膜上、および前記導電性バリア膜,前記下部電極,前記強誘電体膜,前記上部電極,および前記導電性水素バリア膜の側壁上に絶縁性水素バリア膜を形成する工程と、
前記導電性水素バリア膜上に第2電極を形成する工程と
を有することを特徴とする強誘電体メモリ装置の製造方法。 Forming a first electrode;
Forming a conductive barrier film on the first electrode;
Forming a lower electrode on the conductive barrier film;
Forming a ferroelectric film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the ferroelectric film;
Forming a conductive hydrogen barrier film on the upper electrode;
Forming an insulating hydrogen barrier film on the conductive hydrogen barrier film and on the conductive barrier film, the lower electrode, the ferroelectric film, the upper electrode, and a sidewall of the conductive hydrogen barrier film; ,
Forming a second electrode on the conductive hydrogen barrier film. A method of manufacturing a ferroelectric memory device, comprising:
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