JP2009302307A - Manufacturing method of ferroelectric memory element - Google Patents

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博明 田村
Masaki Kurasawa
正樹 倉澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a ferroelectric memory element having an improved ferroelectric film. <P>SOLUTION: The manufacturing method comprises processes of: forming an underlayer iridium film 331 including a surface layer 334 in an amorphous shape in an upper portion of a base insulating film 23; oxidizing the surface layer 334 in an amorphous shape to form an iridium oxide layer 335; a process for forming a ferroelectric film on the iridium oxide layer 335 by an MOCVD method; and forming an electrode on the ferroelectric film. Since the surface layer 334 in an amorphous shape is formed and there is no polycrystalline structure on the surface layer 334, the surface layer 334 is thermally oxidized uniformly, thereby uniformizing volume expansion by oxidation and flattening the upper surface of the surface layer 334. Since the thickness of the surface layer 334 is set at not less than 10 nm and oxygen is hardly transmitted through the surface layer 334, the underlayer 331 is hardly oxidized, and thus the crystalline underlayer 331 is nonuniformly oxidized, and irregularities are prevented from being generated. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、強誘電体メモリ素子の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a ferroelectric memory device.

強誘電体材料の自発分極を利用した強誘電体メモリ装置は、低電圧動作及び高速動作が可能な不揮発メモリ装置として期待されている。また、強誘電体メモリ装置は、メモリセルを1トランジスタ/1キャパシタで構成できるためDRAM並の高集積化が可能であり、大容量のメモリ装置としても期待されている。   A ferroelectric memory device using spontaneous polarization of a ferroelectric material is expected as a nonvolatile memory device capable of low voltage operation and high speed operation. In addition, since the ferroelectric memory device can be composed of one transistor / one capacitor, the memory cell can be integrated as high as a DRAM and is expected as a large-capacity memory device.

強誘電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O、以下PZTと称す)等のペロブスカイト型酸化物や、タンタル酸ビスマスストロンチウム(SrBiTa)等のビスマス層状化合物等が有望視されている。強誘電体材料の自発分極を最大限に発揮させるためには、その結晶配向性が極めて重要である。 Ferroelectric materials include perovskite oxides such as lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 , hereinafter referred to as PZT), and bismuth such as bismuth strontium tantalate (SrBi 2 Ta 2 O 9 ). Layered compounds are promising. In order to maximize the spontaneous polarization of the ferroelectric material, the crystal orientation is extremely important.

例えばPZTを用いる場合は、自発分極量を大きくするために、Zr(ジルコニウム)に比べてTi(チタン)を多く含むチタンリッチの組成を採用することが多い。この組成域ではPZTが正方晶に属し、その自発分極軸がc軸となっている。理想的にはc軸配向させることで最大の分極量が得られるが、実際は非常に難しく、c軸と直交するa軸配向成分が同時に存在する。a軸配向成分は分極反転に寄与しないためその比率が大きくなると、かえって自発分極量が小さくなってしまう場合がある。   For example, when PZT is used, in order to increase the amount of spontaneous polarization, a titanium-rich composition containing more Ti (titanium) than Zr (zirconium) is often employed. In this composition range, PZT belongs to tetragonal crystal, and its spontaneous polarization axis is c-axis. Ideally, the maximum amount of polarization can be obtained by c-axis orientation, but in practice it is very difficult, and an a-axis orientation component orthogonal to the c-axis exists at the same time. Since the a-axis alignment component does not contribute to polarization reversal, if the ratio increases, the spontaneous polarization amount may decrease.

そこで、PZTを(111)配向にすることにより、a軸を基板法線から一定の角度だけオフセットした方向に向けることが考えられている。これによれば、分極軸が基板法線方向の成分を持つようになるため、分極反転に寄与させることが可能となる。一方、c軸配向成分も同時に分極軸が基板法線方向に対して一定のオフセット角度を向くため、分極反転で誘発される表面電荷量には一定量のロスが生じる。しかし、すべての結晶成分を分極反転に寄与させることができるため、電荷の取り出し効率がc軸配向と比較して格段に優れている。   Therefore, it is considered that the a-axis is oriented in a direction offset by a certain angle from the substrate normal by setting the PZT to the (111) orientation. According to this, since the polarization axis has a component in the substrate normal direction, it is possible to contribute to polarization inversion. On the other hand, since the polarization axis of the c-axis orientation component is also at a certain offset angle with respect to the normal direction of the substrate, a certain amount of loss occurs in the surface charge amount induced by polarization reversal. However, since all crystal components can contribute to polarization reversal, the charge extraction efficiency is remarkably superior to the c-axis orientation.

PZTからなる強誘電体膜を(111)配向に形成する方法としては、特許文献1に開示されている方法がある。特許文献1では、(111)配向のイリジウムからなる下部電極を形成し、その上面側の表層を熱酸化して酸化イリジウム層とした後、この上に強誘電体膜を形成している。強誘電体膜の形成は、強誘電体膜の原料ガスと酸素ガスとを化学反応させて成膜するMOCVD法を用いている。また、化学反応に必要な量未満の酸素ガスを供給し成膜した後に、化学反応に必要な量以上の酸素ガスを供給し成膜して厚膜化している。詳細なメカニズムの解明には至っていないが、酸化イリジウム層がPZTの成長方位の決定に寄与し、PZTを主として(111)配向させることができるとされている。
特開2003−324101号公報
As a method of forming a ferroelectric film made of PZT in the (111) orientation, there is a method disclosed in Patent Document 1. In Patent Document 1, a lower electrode made of (111) -oriented iridium is formed, the surface layer on the upper surface side is thermally oxidized to form an iridium oxide layer, and then a ferroelectric film is formed thereon. The formation of the ferroelectric film uses the MOCVD method in which the ferroelectric film material gas and the oxygen gas are chemically reacted to form a film. Further, after supplying an oxygen gas less than an amount necessary for a chemical reaction to form a film, an oxygen gas more than an amount necessary for the chemical reaction is supplied to form a film. Although the detailed mechanism has not yet been elucidated, it is said that the iridium oxide layer contributes to the determination of the growth orientation of PZT, and PZT can be mainly (111) oriented.
JP 2003-324101 A

ところが、特許文献1の方法を採用した場合でも、さらに良好な強誘電体膜を形成するためには改善点もある。すなわち、下部電極のイリジウム膜を(111)配向にしようとすればその結晶性を高める必要があるため、必然的に緻密な膜質になる。すると、その表層に酸素を良好に拡散させることが難しくなり、表層を良好に酸化イリジウム層とすることが難しくなる。また、イリジウムは非常に融点が高いので、通常は多結晶構造の膜となる。これを酸化すると、結晶粒間の粒界から酸素ガスが拡散しやすいため、結晶粒上と粒界とで酸化の程度がばらついてしまい、酸化による体積膨張がばらついてしまう。これによりイリジウム膜の表面に凹凸を生じてしまい、この上に良好な強誘電体膜を形成することができなくなってしまう。   However, even when the method of Patent Document 1 is adopted, there are improvements in order to form a better ferroelectric film. That is, if the iridium film of the lower electrode is intended to have a (111) orientation, its crystallinity needs to be improved, so that the film quality is inevitably high. Then, it becomes difficult to diffuse oxygen well in the surface layer, and it becomes difficult to make the surface layer well an iridium oxide layer. Moreover, since iridium has a very high melting point, it usually has a polycrystalline structure. When this is oxidized, oxygen gas is likely to diffuse from the grain boundaries between the crystal grains, so that the degree of oxidation varies between the crystal grains and the grain boundaries, and the volume expansion due to oxidation varies. As a result, irregularities are generated on the surface of the iridium film, and a good ferroelectric film cannot be formed thereon.

本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、良好な強誘電体膜を形成することにより良好な強誘電体メモリ素子を製造する方法を提供することを目的の一つとする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a method for manufacturing a good ferroelectric memory element by forming a good ferroelectric film.

本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法は、基板の上方に、アモルファス状の表層を含んだイリジウム膜を形成する工程と、前記アモルファス状の表層を酸化して、酸化イリジウム層とする酸化工程と、前記酸化イリジウム層上にMOCVD法で強誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に電極を形成する工程と、を有することを特徴とする。   The method for manufacturing a ferroelectric memory element of the present invention includes a step of forming an iridium film including an amorphous surface layer above a substrate, and an oxidation step of oxidizing the amorphous surface layer to form an iridium oxide layer. And a step of forming a ferroelectric film on the iridium oxide layer by MOCVD, and a step of forming an electrode on the ferroelectric film.

アモルファス状の表層は、結晶性のものよりも膜密度が小さくなっているので、ここに酸素を良好に拡散させることができる。また、多結晶構造の膜よりも粒界に起因するイリジウム原子の密度の不均一性がなくなっているので、原子の密度が均一な表層に酸素を均一に拡散させることができる。したがって、酸化工程では表層を良好かつ均一に酸化することができ、酸化による体積膨張が均一となる。よって、平坦な酸化イリジウム層とすることができ、平坦な酸化イリジウム層上に平坦な強誘電体膜を形成することができる。これにより、強誘電体膜にモフォロジー荒れによる特性低下を生じることが防止され、良好な強誘電体特性の強誘電体膜とすることができる。以上のように、本発明によれば良好な強誘電体メモリ素子を製造することができる。
なお、アモルファス状とは、完全な非晶質である状態、又は非晶質であって微結晶を含んだ状態を意味する。具体的には、X回折パターンに急峻なピークを有しない状態である。このようなアモルファス状の膜は、膜質が結晶性のものよりも緩くなっており、膜密度が結晶性の膜よりも小さくなっている。
Since the amorphous surface layer has a smaller film density than the crystalline surface layer, oxygen can be favorably diffused here. Further, since the non-uniformity of the density of iridium atoms due to the grain boundaries is eliminated as compared with the film having a polycrystalline structure, oxygen can be uniformly diffused into the surface layer having a uniform atom density. Accordingly, the surface layer can be satisfactorily and uniformly oxidized in the oxidation step, and the volume expansion due to the oxidation becomes uniform. Therefore, a flat iridium oxide layer can be formed, and a flat ferroelectric film can be formed on the flat iridium oxide layer. As a result, the ferroelectric film is prevented from being deteriorated in characteristics due to morphological roughness, and a ferroelectric film having good ferroelectric characteristics can be obtained. As described above, according to the present invention, a good ferroelectric memory element can be manufactured.
Note that the amorphous state means a state that is completely amorphous, or a state that is amorphous and includes microcrystals. Specifically, the X diffraction pattern does not have a sharp peak. Such an amorphous film has a film quality that is looser than that of a crystalline film and a film density that is smaller than that of a crystalline film.

また、前記イリジウム膜を形成する工程では、スパッタリング法でイリジウム膜の表層を形成し、形成時の基板温度、雰囲気圧力、雰囲気ガス量、又は成膜パワーのうちの少なくとも1以上を調整してアモルファス状の表層とすることが好ましい。この場合に、前記スパッタリング法を、前記基板を加熱せずに行うことによりアモルファス状の膜を成膜することがより好ましい。   Further, in the step of forming the iridium film, a surface layer of the iridium film is formed by a sputtering method, and at least one or more of a substrate temperature, an atmospheric pressure, an atmospheric gas amount, or a film formation power at the time of formation is adjusted to be amorphous. It is preferable to use a surface layer. In this case, it is more preferable to form an amorphous film by performing the sputtering method without heating the substrate.

通常、スパッタリング法を用いて結晶性のイリジウム膜を形成する際には、基板温度を500〜550℃程度に加熱して成膜を行う。これよりも基板温度を低下させて、特に基板を加熱することなく成膜を行えば、基板上方に配されたイリジウム原子の温度による表面マイグレーションを抑制することができ、結晶性が低い表層を形成することができる。
また、雰囲気圧力や雰囲気ガス量を大きくすれば、スパッタリング粒子(イリジウム)がその飛来中に雰囲気ガスの分子等に衝突する頻度が高くなる。これにより、スパッタリング粒子の基板上への入射方向をばらつかせることができ、結晶性が低い表層を形成することができる。
また、スパッタリング法における成膜パワーを高くすれば、イリジウムの成膜速度が大きくなる。これにより、基板上方に配されたイリジウム原子が規則的に並ぶよりも先に、この上にイリジウム原子が飛来して積層されるようになり、結晶性が低い表層を形成することができる。
以上のように、プロセスを複雑化することなくアモルファス状の表層を形成することができ、効率よく強誘電体メモリ素子を製造することができる。
Usually, when a crystalline iridium film is formed using a sputtering method, the film is formed by heating the substrate temperature to about 500 to 550 ° C. If the substrate temperature is lowered and the film is formed without heating the substrate, surface migration due to the temperature of iridium atoms placed above the substrate can be suppressed, and a surface layer with low crystallinity is formed. can do.
Further, if the atmospheric pressure or the amount of atmospheric gas is increased, the frequency of sputtering particles (iridium) colliding with the atmospheric gas molecules during the flight increases. Thereby, the incident direction of the sputtering particles on the substrate can be varied, and a surface layer having low crystallinity can be formed.
Further, when the film formation power in the sputtering method is increased, the film formation rate of iridium is increased. Thereby, before the iridium atoms arranged above the substrate are regularly arranged, the iridium atoms come flying and stacked thereon, and a surface layer with low crystallinity can be formed.
As described above, an amorphous surface layer can be formed without complicating the process, and a ferroelectric memory element can be manufactured efficiently.

また、前記イリジウム膜を形成する工程では、前記基板の上方に、面心立方晶に属する(111)配向の下地層を形成した後、この上にアモルファス状の表層を形成して、前記下地層と前記表層とを含んだイリジウム膜を形成することが好ましい。この場合には、前記アモルファス状の表層を10nm以上60nm以下の厚さに形成することがより好ましい。   Further, in the step of forming the iridium film, an underlayer having a (111) orientation belonging to a face-centered cubic crystal is formed above the substrate, and then an amorphous surface layer is formed thereon to form the underlayer It is preferable to form an iridium film including the surface layer. In this case, the amorphous surface layer is more preferably formed to a thickness of 10 nm to 60 nm.

MOCVD法で強誘電体膜を形成する工程では、酸化イリジウム層は酸素を奪われるとともに再結晶化する。(111)配向の下地層を含んだイリジウム膜を形成すれば、酸化イリジウム層が再結晶化する際に下地層の配向を反映させて、再結晶した部分を(111)配向とすることができる。したがって、再結晶した部分の結晶配向を反映させて、この上に(111)配向の強誘電体膜を形成することができる。(111)配向の強誘電体膜は、電荷の取り出し効率が良好になるので、優れた強誘電体特性となる。   In the step of forming a ferroelectric film by MOCVD, the iridium oxide layer is decrystallized and recrystallized. If an iridium film including a (111) oriented underlayer is formed, the recrystallized portion can be (111) oriented by reflecting the orientation of the underlayer when the iridium oxide layer is recrystallized. . Therefore, a (111) oriented ferroelectric film can be formed on the recrystallized portion reflecting the crystal orientation. The (111) oriented ferroelectric film has excellent ferroelectric characteristics because the charge extraction efficiency is improved.

前記アモルファス状の表層を10nm以上の厚さに形成すれば、これを酸化工程で酸化した際に、その下地層が酸化されることを抑制することができる。したがって、例えば下地層が不均一に酸化されてここに凹凸を生じることが防止され、この凹凸に起因して表層に凹凸を生じることが防止される。
また、前記アモルファス状の表層を60nm以下の厚さに形成すれば、酸化イリジウム層が再結晶化する際に、下地層の結晶配向を良好に引き継ぐことが可能になる。したがって、(111)配向の強誘電体膜を形成することができ、良好強誘電体メモリ素子を製造することが可能になる。
If the amorphous surface layer is formed to a thickness of 10 nm or more, when the surface layer is oxidized in the oxidation step, the underlying layer can be prevented from being oxidized. Therefore, for example, it is possible to prevent the base layer from being unevenly oxidized and thereby generate unevenness, and to prevent the surface layer from being uneven due to the unevenness.
If the amorphous surface layer is formed to a thickness of 60 nm or less, the crystal orientation of the underlayer can be satisfactorily inherited when the iridium oxide layer is recrystallized. Therefore, a (111) oriented ferroelectric film can be formed, and a good ferroelectric memory element can be manufactured.

以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を分かりやすく示すために、図面中の構造はその寸法や縮尺を実際の構造に対して異ならせて示す場合がある。まず、本発明の製造方法により得られる強誘電体メモリ素子の一例について、その構成を説明する。   Hereinafter, although one embodiment of the present invention is described, the technical scope of the present invention is not limited to the following embodiment. In the following description, various structures are illustrated using drawings, but in order to show the characteristic parts of the structures in an easy-to-understand manner, the structures in the drawings are shown in different sizes and scales from the actual structures. There is. First, the configuration of an example of a ferroelectric memory element obtained by the manufacturing method of the present invention will be described.

図1は、本例の強誘電体メモリ素子を備えた強誘電体メモリ装置の要部を示す側断面構成図である。図1に示すように、強誘電体メモリ装置1はスタック型の構造となっており、トランジスタ22を有する基体2と、基体2上に設けられた強誘電体メモリ素子3と、を備えている。   FIG. 1 is a side sectional view showing the main part of a ferroelectric memory device provided with the ferroelectric memory element of this example. As shown in FIG. 1, the ferroelectric memory device 1 has a stack type structure and includes a base 2 having a transistor 22 and a ferroelectric memory element 3 provided on the base 2. .

基体2は、例えば単結晶シリコンからなるシリコン基板(基板)21上に設けられたトランジスタ22と、トランジスタ22を覆って設けられたSiOからなる下地絶縁膜23と、を備えて構成されている。シリコン基板21の表層には素子分離領域24が設けられており、素子分離領域24の間が1つのメモリセルと対応している。 The base 2 includes a transistor 22 provided on a silicon substrate (substrate) 21 made of, for example, single crystal silicon, and a base insulating film 23 made of SiO 2 provided so as to cover the transistor 22. . An element isolation region 24 is provided on the surface layer of the silicon substrate 21, and the space between the element isolation regions 24 corresponds to one memory cell.

トランジスタ22は、シリコン基板21上に設けられたゲート絶縁膜221と、ゲート絶縁膜221上に設けられたゲート電極222と、シリコン基板21表層におけるゲート電極222の両側に設けられたソース領域223及びドレイン領域224と、ゲート電極222の側面に設けられたサイドウォール225と、から構成されている。本例では、ソース領域223上にこれと導通する第1プラグ25が設けられており、ドレイン領域224上にこれと導通する第2プラグ26が設けられている。   The transistor 22 includes a gate insulating film 221 provided on the silicon substrate 21, a gate electrode 222 provided on the gate insulating film 221, source regions 223 provided on both sides of the gate electrode 222 on the surface of the silicon substrate 21, and The drain region 224 and sidewalls 225 provided on the side surfaces of the gate electrode 222 are configured. In this example, a first plug 25 that is electrically connected to the source region 223 is provided, and a second plug 26 that is electrically connected to the source region 223 is provided to the drain region 224.

第1プラグ25及び第2プラグ26は、例えばW(タングステン)やMo(モリブデン)、Ta(タンタル)、Ti、Ni(ニッケル)等の導電材料からなるものである。第1プラグ25は、本例ではビット線(図示略)と電気的に接続されており、これを介してソース領域223とビット線とが導通するようになっている。   The first plug 25 and the second plug 26 are made of a conductive material such as W (tungsten), Mo (molybdenum), Ta (tantalum), Ti, or Ni (nickel). In this example, the first plug 25 is electrically connected to a bit line (not shown), and the source region 223 and the bit line are electrically connected through the first plug 25.

本例の強誘電体メモリ素子3は、下地絶縁膜23及び第2プラグ26上に順に形成された導電膜31、酸素バリア膜32上に形成されている。強誘電体メモリ素子3は、下層から順に、下部電極33、強誘電体膜34及び上部電極35が積層された構成となっている。下部電極33は、酸素バリア膜32と導電膜31とを介して第2プラグ26と電気的に接続されている。すなわち、下部電極33とドレイン領域224は導通するようになっている。   The ferroelectric memory element 3 of this example is formed on a conductive film 31 and an oxygen barrier film 32 that are sequentially formed on the base insulating film 23 and the second plug 26. The ferroelectric memory element 3 has a configuration in which a lower electrode 33, a ferroelectric film 34, and an upper electrode 35 are laminated in order from the lower layer. The lower electrode 33 is electrically connected to the second plug 26 through the oxygen barrier film 32 and the conductive film 31. That is, the lower electrode 33 and the drain region 224 are electrically connected.

導電膜31は、例えばTiN等の導電材料からなるものであり、酸素バリア膜32は、例えばTiAlN、TiAl、TiSiN、TiN、TaN、TaSiN等の酸素バリア性を有する導電材料からなるものである。また、導電膜31及び酸素バリア膜32は、特に自己配向性に優れたTiを含む材料からなることが好ましく、このようにすれば下部電極33、強誘電体膜34の結晶配向を良好にすることができる。   The conductive film 31 is made of a conductive material such as TiN, and the oxygen barrier film 32 is made of a conductive material having an oxygen barrier property such as TiAlN, TiAl, TiSiN, TiN, TaN, and TaSiN. The conductive film 31 and the oxygen barrier film 32 are preferably made of a material containing Ti that is particularly excellent in self-orientation. In this way, the crystal orientation of the lower electrode 33 and the ferroelectric film 34 is improved. be able to.

下部電極33は、単層膜あるいは複数層が積層された多層膜からなるものであり、その最上層がイリジウムを主材とするイリジウム膜となっている。イリジウム膜は、その結晶構造が面心立方晶に属する(111)配向とされており、酸化イリジウムを含有する場合もある。多層膜とする場合には、最上層以外の層に、イリジウム、Pt(プラチナ)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Pd(パラジウム)、Os(オスミウム)のうちから少なくとも1つまたはこれらの合金あるいはこれらの酸化物からなる膜を用いることができる。なお、本例では、単層のイリジウム膜からなる下部電極33を採用している。   The lower electrode 33 is composed of a single layer film or a multilayer film in which a plurality of layers are laminated, and the uppermost layer is an iridium film mainly composed of iridium. The iridium film has a (111) orientation whose crystal structure belongs to a face-centered cubic crystal, and may contain iridium oxide. In the case of a multilayer film, at least one of iridium, Pt (platinum), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Pd (palladium), and Os (osmium) is used as a layer other than the uppermost layer. An alloy or a film made of these oxides can be used. In this example, the lower electrode 33 made of a single layer iridium film is employed.

強誘電体膜34は、ABOの一般式で示されるペロブスカイト型の結晶構造を有する強誘電体材料で構成されている。例えば前記一般式中のAは、PbあるいはPbの一部をLaあるいはCa(カルシウム)、Sr(ストロンチウム)に置換したものからなっている。また、例えばBは、Zr又はTiからなり、これにV(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta、Cr(クロム)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、及びMg(マグネシウム)のうちの1つ以上を添加してもよい。強誘電体材料の具体例としては、PZTやSBT、(Bi,La)Ti12(チタン酸ビスマスランタン:BLT)等が挙げられる。 The ferroelectric film 34 is made of a ferroelectric material having a perovskite crystal structure represented by a general formula of ABO 3 . For example, A in the above general formula consists of Pb or a part of Pb substituted with La, Ca (calcium), or Sr (strontium). Further, for example, B is made of Zr or Ti, and one of V (vanadium), Nb (niobium), Ta, Cr (chromium), Mo (molybdenum), W (tungsten), and Mg (magnesium). Two or more may be added. Specific examples of the ferroelectric material include PZT, SBT, (Bi, La) 4 Ti 3 O 12 (bismuth lanthanum titanate: BLT), and the like.

PZTは強誘電体材料として実績があるので、これを用いることにより高信頼性とすることができる。PZTを用いる場合には、自発分極量を大きくする観点から、Tiの含有量をZrの含有量よりも多くすることが好ましい。またこの場合には、ヒステリシス特性を良好にする観点から、PZTが正方晶に属する(111)配向であることが好ましい。   Since PZT has a track record as a ferroelectric material, it can be made highly reliable by using it. In the case of using PZT, it is preferable to make the Ti content larger than the Zr content from the viewpoint of increasing the spontaneous polarization amount. In this case, from the viewpoint of improving the hysteresis characteristics, it is preferable that PZT has a (111) orientation belonging to tetragonal crystal.

上部電極35は、本例ではグランド線(図示略)と電気的に接続されており、単層膜あるいは多層膜からなるものである。上部電極を構成する膜としては、先述した下部電極に適用可能な膜の他に、Al(アルミニウム)、Ag(銀)、Ni(ニッケル)等からなる膜を用いることもできる。本例では、下層側から図示略のプラチナ膜、酸化イリジウム膜、イリジウム膜が順に積層された多層膜となっている。   In this example, the upper electrode 35 is electrically connected to a ground line (not shown) and is made of a single layer film or a multilayer film. As the film constituting the upper electrode, a film made of Al (aluminum), Ag (silver), Ni (nickel), or the like can be used in addition to the film applicable to the lower electrode described above. In this example, a multilayer film in which a platinum film, an iridium oxide film, and an iridium film (not shown) are sequentially laminated from the lower layer side.

以上のような構成により、前記トランジスタ22のゲート電極222に電圧が印加されると、ソース領域223とドレイン領域224との間に電界が印加されてチャネルがオンとなり、ここに電流を流すことが可能となる。チャネルがオンとされると、ソース領域223と電気的に接続された前記ビット線からの電気信号は、ドレイン領域224に伝達され、さらにドレイン電極224と電気的に接続された強誘電体メモリ素子3の下部電極33に伝達される。そして、強誘電体メモリ素子3の上部電極35と下部電極33との間に電圧を印加することができ、強誘電体膜34に電荷(データ)を蓄積させることができる。このように、強誘電体メモリ素子3への電気信号をトランジスタ22でスイッチングすることにより、強誘電体メモリ装置1は、データ(電荷)を読出しあるいは書込みすることができるようになっている。   With the above structure, when a voltage is applied to the gate electrode 222 of the transistor 22, an electric field is applied between the source region 223 and the drain region 224 to turn on the channel, and a current flows therethrough. It becomes possible. When the channel is turned on, an electric signal from the bit line electrically connected to the source region 223 is transmitted to the drain region 224, and is further electrically connected to the drain electrode 224. 3 is transmitted to the lower electrode 33. A voltage can be applied between the upper electrode 35 and the lower electrode 33 of the ferroelectric memory element 3, and charges (data) can be accumulated in the ferroelectric film 34. As described above, the ferroelectric memory device 1 can read or write data (charges) by switching the electric signal to the ferroelectric memory element 3 by the transistor 22.

次に、本発明に係る強誘電体メモリ素子の製造方法の一実施形態を説明する。なお、本実施形態は、前記強誘電体メモリ装置1を製造する方法に基づいて説明する。   Next, an embodiment of a method for manufacturing a ferroelectric memory device according to the present invention will be described. This embodiment will be described based on a method for manufacturing the ferroelectric memory device 1.

図2(a)〜(c)、図3(a)〜(c)、図4(a)〜(c)は、強誘電体メモリ装置1の製造方法を示す断面工程図である。なお、図2(b)以降の図には、トランジスタ22等の基体2の下層構造を省略して示している。   2A to 2C, FIGS. 3A to 3C, and FIGS. 4A to 4C are cross-sectional process diagrams illustrating a method for manufacturing the ferroelectric memory device 1. FIG. In FIG. 2B and subsequent figures, the lower layer structure of the base 2 such as the transistor 22 is omitted.

まず、図2(a)に示すように、公知の方法等を用いて基体2を形成する。具体的には、例えばシリコン基板21にLOCOS法やSTI法等で素子分離領域24を形成し、素子分離領域24の間におけるシリコン基板21上に熱酸化法等でゲート絶縁膜221を形成する。そして、ゲート電極222上に多結晶シリコン等からなるゲート電極222を形成する。そして、素子分離領域24とゲート電極222との間におけるシリコン基板21の表層に不純物を注入してドープ領域223、224を形成する。そして、エッチバック法等を用いてサイドウォール225を形成する。そして、サイドウォール225の外側におけるドープ領域223、224に、さらに不純物を注入して高濃度不純物領域とする。本実施形態では、ドープ領域223をソース領域として機能させ、ドープ領域224をドレイン領域として機能させる。   First, as shown in FIG. 2A, the base 2 is formed using a known method or the like. Specifically, for example, the element isolation region 24 is formed on the silicon substrate 21 by the LOCOS method, the STI method, or the like, and the gate insulating film 221 is formed on the silicon substrate 21 between the element isolation regions 24 by the thermal oxidation method or the like. Then, a gate electrode 222 made of polycrystalline silicon or the like is formed on the gate electrode 222. Then, impurities are implanted into the surface layer of the silicon substrate 21 between the element isolation region 24 and the gate electrode 222 to form doped regions 223 and 224. Then, a sidewall 225 is formed using an etch back method or the like. Then, impurities are further implanted into the doped regions 223 and 224 outside the sidewall 225 to form high-concentration impurity regions. In this embodiment, the doped region 223 functions as a source region, and the doped region 224 functions as a drain region.

そして、トランジスタ22が形成されたシリコン基板21上に、例えばCVD法でSiOを成膜して下地絶縁膜23を形成する。そして、ソース領域223上とドレイン領域224上とにおける下地絶縁膜23をエッチングして、ソース領域223を露出させる貫通孔とドレイン領域224を露出させる貫通孔とを形成する。そして、これら貫通孔内のそれぞれに、例えばTiとTiNをスパッタリング法で順に成膜して、密着層(図示略)を形成する。 Then, a base insulating film 23 is formed on the silicon substrate 21 on which the transistor 22 is formed by depositing SiO 2 by, for example, a CVD method. Then, the base insulating film 23 on the source region 223 and the drain region 224 is etched to form a through hole that exposes the source region 223 and a through hole that exposes the drain region 224. Then, in each of these through holes, for example, Ti and TiN are sequentially formed by sputtering to form an adhesion layer (not shown).

そして、前記貫通孔内を含む下地絶縁膜23上の全面に、例えばCVD法でタングステンを成膜して前記貫通孔内にタングステンを埋め込む。そして、下地絶縁膜23上をCMP法等で研磨することにより、下地絶縁膜23上のタングステンを除去する。このようにして、ソース領域223上の貫通孔内に第1プラグ25を埋設し、ドレイン領域224上の貫通孔内に第2プラグ26を埋設する。以上のようにして基体2が得られる。   Then, tungsten is formed on the entire surface of the base insulating film 23 including the inside of the through hole by, for example, a CVD method, and the tungsten is embedded in the through hole. Then, the tungsten on the base insulating film 23 is removed by polishing the base insulating film 23 by a CMP method or the like. In this way, the first plug 25 is embedded in the through hole on the source region 223, and the second plug 26 is embedded in the through hole on the drain region 224. The base 2 is obtained as described above.

次に、下地絶縁膜23上に強誘電体メモリ素子3を形成(製造)する。
本実施形態では、図2(b)に示すように、下地絶縁膜23上に導電膜31aを形成する。具体的には、下地絶縁膜23上に、例えばCVD法やスパッタリング法等を用いてTiを成膜する。Tiは高い自己配向性を有しているので、六方晶に属する(001)配向の最密構造の膜が形成される。そして、この膜に例えば窒素雰囲気下で熱処理(例えば500℃以上650℃以下)を施す窒化処理により、TiNからなる導電膜31aを形成する。熱処理の温度を650℃未満とすることでトランジスタ22の特性への影響を抑制するとともに、500℃以上とすることで窒化処理の短縮化が図られる。なお、形成された導電膜31aは、元のメタル状態のTiの配向性を反映して、面心立方晶に属する(111)配向になる。
Next, the ferroelectric memory element 3 is formed (manufactured) on the base insulating film 23.
In the present embodiment, as shown in FIG. 2B, a conductive film 31a is formed on the base insulating film 23. Specifically, Ti is formed on the base insulating film 23 by using, for example, a CVD method or a sputtering method. Since Ti has high self-orientation, a (001) -oriented close-packed film belonging to hexagonal crystals is formed. Then, a conductive film 31a made of TiN is formed by a nitriding process in which the film is subjected to a heat treatment (for example, 500 ° C. or more and 650 ° C. or less) in a nitrogen atmosphere, for example. When the temperature of the heat treatment is less than 650 ° C., the influence on the characteristics of the transistor 22 is suppressed, and when the temperature is 500 ° C. or higher, the nitriding treatment is shortened. The formed conductive film 31a has a (111) orientation belonging to the face-centered cubic crystal, reflecting the orientation of Ti in the original metal state.

次に、図2(c)に示すように、導電膜31a上に例えばスパッタリング法やCVD法等を用いてTiAlNを成膜して、酸素バリア膜32aを形成する。酸素バリア膜32aは、その下地となる導電膜31aに結晶配向をマッチングさせることにより、エピタキシャルライクに形成することができる。すなわち、導電膜31aの結晶配向を反映させて、面心立方晶に属する(111)配向の酸素バリア膜32aを形成することができる。   Next, as shown in FIG. 2C, a TiAlN film is formed on the conductive film 31a by using, for example, a sputtering method or a CVD method to form an oxygen barrier film 32a. The oxygen barrier film 32a can be formed epitaxially by matching the crystal orientation with the conductive film 31a serving as the base. That is, the (111) -oriented oxygen barrier film 32a belonging to the face-centered cubic crystal can be formed by reflecting the crystal orientation of the conductive film 31a.

次に、図3(a)に示すように、基板温度を500〜550℃程度に加熱した状態で、酸素バリア膜32a上にスパッタリング法でイリジウムを成膜して、下地層331を形成する。下地層331は、図1に示した下部電極33の一部になる層である。下地層331は、酸素バリア膜32aと同様に下地の結晶配向を反映させて形成することができる。酸素バリア膜32aが(111)配向となっているので、下地層331も(111)配向に形成することができる。なお、下地層331は、柱状構造に成長した(111)配向の結晶粒332を多数有し、結晶粒332の間に結晶粒界(界面)333を持つ多結晶構造となる。なお、下地層331の厚さとしては、例えば80nm程度とする。   Next, as illustrated in FIG. 3A, iridium is formed on the oxygen barrier film 32 a by a sputtering method in a state where the substrate temperature is heated to about 500 to 550 ° C., thereby forming a base layer 331. The underlayer 331 is a layer that becomes a part of the lower electrode 33 shown in FIG. The underlayer 331 can be formed by reflecting the crystal orientation of the underlayer similarly to the oxygen barrier film 32a. Since the oxygen barrier film 32a has the (111) orientation, the underlayer 331 can also be formed with the (111) orientation. Note that the base layer 331 has a polycrystalline structure having a large number of (111) -oriented crystal grains 332 grown in a columnar structure and crystal grain boundaries (interfaces) 333 between the crystal grains 332. The thickness of the base layer 331 is, for example, about 80 nm.

次に、図3(b)に示すように、下地層331上にアモルファス状の表層334を形成する。ここでは、スパッタリング法でイリジウムを成膜して表層334を形成する。成膜時に、イリジウムが結晶化する温度よりも基板温度を低くするほど、結晶性が低い膜を形成することができる。また、スパッタリング法を行う成膜室内の雰囲気圧力を高くするほど、又は成膜室内に流通させる不活性ガス等のガス量を多くするほど、結晶性が低い膜とすることができる。また、スパッタリング粒子を射出するスパッタリング装置における成膜パワーを高くすることによっても、結晶性が低い膜とすることができる。これらのうち少なくとも1以上を適用することにより、結晶性を十分に低くすることができ、アモルファス状の膜を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 3B, an amorphous surface layer 334 is formed on the base layer 331. Here, iridium is formed by a sputtering method to form the surface layer 334. A film having lower crystallinity can be formed as the substrate temperature is lower than the temperature at which iridium crystallizes during film formation. Further, the higher the atmospheric pressure in the deposition chamber in which the sputtering method is performed, or the greater the amount of gas such as an inert gas circulated in the deposition chamber, the lower the crystallinity. A film with low crystallinity can also be obtained by increasing the film formation power in a sputtering apparatus for injecting sputtered particles. By applying at least one of these, the crystallinity can be sufficiently lowered, and an amorphous film can be formed.

本実施形態では、イリジウムが結晶化する温度よりも基板温度を低くする方法を採用し、ここでは基板を加熱せずに成膜を行う。これにより基板温度がほぼ室温程度となり、下地層331上に堆積したスパッタリング粒子(イリジウム)は、温度による表面マイグレーションが抑制される。したがって、下地層331の結晶構造を反映させずにイリジウムを成膜することができ、アモルファス状の表層334が得られる。スパッタリング法によれば、膜厚の制御を高精度に行うことができる。表層334は、10nm以上60nm以下の厚さに形成することが好ましく、ここでは20nm程度の厚さに形成する。また、スパッタリング法によれば、形成する膜の膜質を容易に制御することができるので、プロセスを複雑化することなく表層334を形成することができる。   In the present embodiment, a method is adopted in which the substrate temperature is made lower than the temperature at which iridium crystallizes. Here, the film is formed without heating the substrate. As a result, the substrate temperature becomes approximately room temperature, and the surface migration due to temperature of the sputtered particles (iridium) deposited on the base layer 331 is suppressed. Therefore, iridium can be formed without reflecting the crystal structure of the base layer 331, and an amorphous surface layer 334 is obtained. According to the sputtering method, the film thickness can be controlled with high accuracy. The surface layer 334 is preferably formed to a thickness of 10 nm to 60 nm, and here, it is formed to a thickness of about 20 nm. Further, according to the sputtering method, since the film quality of the film to be formed can be easily controlled, the surface layer 334 can be formed without complicating the process.

次に、図3(c)に示すように、アモルファス状の表層334を酸化してこれを酸化イリジウム層335とする。詳しくは後述するが、強誘電体膜の下地となる表層334を酸化しておくことにより、主として(111)に配向した強誘電体膜を形成することができる。本実施形態では、図5に示すようなMOCVD装置50を用い、熱酸化法により表層334を酸化する。なお、MOCVD装置50は、後に強誘電体膜の形成でも用いる装置である。以下、MOCVD装置50の構成を説明する。   Next, as shown in FIG. 3C, the amorphous surface layer 334 is oxidized to form an iridium oxide layer 335. As will be described in detail later, by oxidizing the surface layer 334 serving as the base of the ferroelectric film, a ferroelectric film mainly oriented in (111) can be formed. In the present embodiment, the surface layer 334 is oxidized by a thermal oxidation method using an MOCVD apparatus 50 as shown in FIG. Note that the MOCVD apparatus 50 is an apparatus used later in forming a ferroelectric film. Hereinafter, the configuration of the MOCVD apparatus 50 will be described.

図5は、MOCVD装置50を模式的に示す図である。MOCVD装置50は、図5に示すように、基体2を収容するチャンバ51と、チャンバ51内に配置されて基体2を載置するサセプタ52と、チャンバ51内にガスを供給するシャワーヘッド53と、載置された基体2を加熱する加熱ランプ54と、を備えている。   FIG. 5 is a diagram schematically showing the MOCVD apparatus 50. As shown in FIG. 5, the MOCVD apparatus 50 includes a chamber 51 that houses the substrate 2, a susceptor 52 that is disposed in the chamber 51 and places the substrate 2, and a shower head 53 that supplies gas into the chamber 51. And a heating lamp 54 for heating the mounted substrate 2.

そして、シャワーヘッド53には、チャンバ51内に強誘電体膜34の原料ガスや酸素ガス等を供給するための供給管55、56が設けられている。また、MOCVD装置50は、チャンバ51外に設けられた供給手段(図示略)により原料ガスを供給管55からチャンバ51内に供給するとともに、酸素ガスを供給管56からチャンバ51内に供給する構成となっている。なお、供給管55、56は、互いに独立して設けられており、原料ガス及び酸素ガスがチャンバ51に供給されるまでは遭遇しない構成となっている。また、チャンバ51には、排気口(図示略)が適宜設けられている。そして、サセプタ52には、加熱ランプ54とは別にヒータ(図示略)が設けられている。   The shower head 53 is provided with supply pipes 55 and 56 for supplying the raw material gas, oxygen gas, and the like of the ferroelectric film 34 into the chamber 51. The MOCVD apparatus 50 is configured to supply source gas into the chamber 51 from the supply pipe 55 and supply oxygen gas into the chamber 51 from the supply pipe 56 by supply means (not shown) provided outside the chamber 51. It has become. The supply pipes 55 and 56 are provided independently of each other, and are not encountered until the source gas and the oxygen gas are supplied to the chamber 51. The chamber 51 is appropriately provided with an exhaust port (not shown). The susceptor 52 is provided with a heater (not shown) separately from the heating lamp 54.

以上のような構成のMOCVD装置50を用いて表層334を熱酸化するには、まずサセプタ52に、表層334が形成された基体2(図3(b)参照)を載置する。そして、チャンバ51内に供給管56から酸素ガスを供給するとともに、加熱ランプ54や前記ヒータ等により基体2を加熱する。アモルファス状の表層334は、結晶性のものよりも膜密度が小さいので、表層334に酸素を良好に拡散させることができ、これを良好に酸化することができる。   In order to thermally oxidize the surface layer 334 using the MOCVD apparatus 50 configured as described above, first, the substrate 2 (see FIG. 3B) on which the surface layer 334 is formed is placed on the susceptor 52. Then, oxygen gas is supplied from the supply pipe 56 into the chamber 51, and the substrate 2 is heated by the heating lamp 54 and the heater. Since the amorphous surface layer 334 has a smaller film density than the crystalline surface layer, oxygen can be diffused well in the surface layer 334 and can be oxidized well.

ところで、通常はアモルファス状の表層を形成せずに、結晶性のイリジウム膜を形成した後、その表層を酸化している。結晶性のイリジウム膜は多結晶構造となっており、結晶粒の間に粒界を有している。このようなイリジウム膜を熱酸化すると、粒界には酸素ガスが浸透(拡散)しやすいため、結晶粒における粒界側は結晶粒上よりも熱酸化の程度が顕著になる。そのため、酸化の程度がばらついてしまい、酸化による体積膨張の程度がばらついてしまう。これにより、イリジウム膜の表面に凹凸を生じてしまう。   By the way, normally, after forming a crystalline iridium film without forming an amorphous surface layer, the surface layer is oxidized. The crystalline iridium film has a polycrystalline structure and has a grain boundary between crystal grains. When such an iridium film is thermally oxidized, oxygen gas easily permeates (diffuses) into the grain boundary. Therefore, the degree of thermal oxidation becomes more prominent on the grain boundary side than on the crystal grain. Therefore, the degree of oxidation varies, and the degree of volume expansion due to oxidation varies. As a result, irregularities occur on the surface of the iridium film.

本発明ではアモルファス状の表層334を形成しており、表層334に前記のような多結晶構造がないので、これを均一に熱酸化することができる。したがって、酸化による体積膨張が均一となり、表層334の上面を平坦にすることができる。また、表層334の厚さを10nm以上にしており酸素が表層334をほとんど透過しないので、下地層331はほとんど酸化されない。これにより、結晶性の下地層331が不均一に酸化されて凹凸を生じることが防止される。   In the present invention, the amorphous surface layer 334 is formed, and since the surface layer 334 does not have the polycrystalline structure as described above, it can be uniformly thermally oxidized. Therefore, the volume expansion due to oxidation becomes uniform, and the upper surface of the surface layer 334 can be flattened. Further, since the thickness of the surface layer 334 is 10 nm or more and oxygen hardly permeates the surface layer 334, the base layer 331 is hardly oxidized. This prevents the crystalline base layer 331 from being oxidized unevenly and causing unevenness.

次に、図4(a)に示すように、酸化イリジウム層335上に強誘電体膜34の初期膜341を形成するとともに、下部電極33aを形成する。具体的には、酸化イリジウム層335を形成した後、MOCVD装置50のサセプタ52に基体2を載置したままにしておく。そして、供給管55、56からチャンバ51内に強誘電体膜34の原料ガス及び酸素ガスをそれぞれ供給するとともに、加熱ランプ54により基体2を下面側から550〜650℃程度に加熱する。   Next, as shown in FIG. 4A, the initial film 341 of the ferroelectric film 34 is formed on the iridium oxide layer 335, and the lower electrode 33a is formed. Specifically, after the iridium oxide layer 335 is formed, the base 2 is left on the susceptor 52 of the MOCVD apparatus 50. Then, the source gas and oxygen gas for the ferroelectric film 34 are respectively supplied from the supply pipes 55 and 56 into the chamber 51, and the substrate 2 is heated from the lower surface side to about 550 to 650 ° C. by the heating lamp 54.

本実施形態では、前記原料ガスとして、Pb(DIBM)[Pb(C15:鉛ビス(ジイソブチリルメタナト)]、Zr(DIBM)[Zr(C15:ジルコニウム(ジイソブチリルメタナト)]、及びTi(OiPr)(DPM)[Ti(O−i−C(C1119:チタン(ジイソプロポキシ)(ジイソブチリルメタナト)]の混合ガスを用いる。
なお、前記原料ガスとして、Pb(DPM)[Pb(C1119:鉛(ジピバロイルメタナト)]、Zr(IBPM)[Zr(C1017:ジルコニウムテトラキス(イソブチリルピバロイルメタナト)]及びTi(OiPr)(DPM)等、他の材料を用いてもよい。
In this embodiment, Pb (DIBM) [Pb (C 9 H 15 O 2 ) 2 : lead bis (diisobutyrylmethanato)], Zr (DIBM) [Zr (C 9 H 15 O 2 ) is used as the source gas. 2 : Zirconium (diisobutyryl methanato)], and Ti (OiPr) 2 (DPM) 2 [Ti (Oi-C 3 H 7 ) 2 (C 11 H 19 O 2 ) 2 : Titanium (diisopropoxy) (Diisobutyrylmethanato)] is used.
Note that, as the source gas, Pb (DPM) 2 [Pb (C 11 H 19 O 2 ) 2 : lead (dipivaloylmethanato)], Zr (IBPM) 4 [Zr (C 10 H 17 O 2 ) 2 : Zirconium tetrakis (isobutyrylpivaloylmethanato)] and Ti (OiPr) 2 (DPM) 2 may be used.

また、酸素ガス量としては、原料ガスを反応させるために必要な量よりも少ない(例えば0.1倍以上1.0倍未満)量とする。すなわち、原料ガスの有機成分であるカーボンあるいは水素が燃焼させることにより、原料ガスの金属成分(Pb、Zr、Ti)が分離され、これら金属成分が酸化されるとともに結晶化してPZTとなるが、有機成分を燃焼させるために必要な酸素ガス量と金属成分を酸化するために必要な酸素ガス量の和よりも少ない酸素ガス量を供給するようにする。このような酸素ガス量は、供給する原料ガス量から化学量論に基づいて算出可能である。   Further, the amount of oxygen gas is set to be smaller (for example, 0.1 times or more and less than 1.0 times) than the amount necessary for reacting the raw material gas. That is, by burning carbon or hydrogen, which is an organic component of the source gas, the metal components (Pb, Zr, Ti) of the source gas are separated, and these metal components are oxidized and crystallized to become PZT. An oxygen gas amount smaller than the sum of the oxygen gas amount necessary for burning the organic component and the oxygen gas amount necessary for oxidizing the metal component is supplied. Such an oxygen gas amount can be calculated based on the stoichiometry from the supplied raw material gas amount.

供給する酸素ガス量が原料ガスを反応させるために必要な量よりも少ないので、初期膜341の形成は、酸化イリジウム層335の酸素を奪いながら、すなわち酸化イリジウムを還元しながら進行する。イリジウムが結晶化可能な温度(例えば550〜650℃)に基体2を加熱しているので、還元されたイリジウムは下地層331上に再結晶化する。表層334(図3(a)参照)の厚さを60nm以下にしているので、還元されたイリジウムは下地層331の(111)配向を引き継ぐことができ、これを初期膜341の成長方向に反映させることができる。このようにして、初期膜341を(111)配向に形成するとともに、酸化イリジウム層335が還元され再結晶化した部分と下地層331とからなるイリジウム膜を下部電極33aとする。   Since the amount of oxygen gas to be supplied is less than the amount necessary for reacting the source gas, the formation of the initial film 341 proceeds while depriving the oxygen of the iridium oxide layer 335, that is, while reducing iridium oxide. Since the substrate 2 is heated to a temperature at which iridium can be crystallized (for example, 550 to 650 ° C.), the reduced iridium is recrystallized on the base layer 331. Since the thickness of the surface layer 334 (see FIG. 3A) is 60 nm or less, the reduced iridium can take over the (111) orientation of the underlayer 331, and this is reflected in the growth direction of the initial film 341. Can be made. In this way, the initial film 341 is formed in the (111) orientation, and the iridium film composed of the portion obtained by reducing and recrystallizing the iridium oxide layer 335 and the base layer 331 is used as the lower electrode 33a.

次に、図4(b)に示すように、初期膜341上にコア膜342を形成する。具体的には、初期膜341を形成した後、MOCVD装置50のサセプタ52に基体2を載置したままにしておく。そして、供給管55、56からチャンバ51内に強誘電体膜34の原料ガス及び酸素ガスをそれぞれ供給するとともに、加熱ランプ54により基体2を下面側から450〜550℃程度に加熱する。   Next, as shown in FIG. 4B, a core film 342 is formed on the initial film 341. Specifically, after the initial film 341 is formed, the substrate 2 is left on the susceptor 52 of the MOCVD apparatus 50. Then, the source gas and oxygen gas of the ferroelectric film 34 are supplied from the supply pipes 55 and 56 into the chamber 51, and the base 2 is heated from the lower surface side to about 450 to 550 ° C. by the heating lamp 54.

なお、酸素ガス量としては、先述した原料ガスを反応させるために必要な量以上とする。初期膜341は、結晶配向が(111)配向になっているので、この上にコア膜342をエピタキシャルライクに形成することができ、コア膜342を(111)配向に形成することができる。また、原料ガスを反応させるために必要な量以上の酸素ガスを供給しているので、酸素欠損を生じることなくコア膜342を形成することができる。また、加熱温度を初期膜341形成時よりも低くすることで、トランジスタ22(図1参照)への熱影響を低減することができる。また、初期膜341を平坦に形成しているので、この上に平坦なコア膜342を形成することができる。このようにして、初期膜341とコア膜342とからなる平坦な強誘電体膜34aを形成する。   Note that the amount of oxygen gas is set to be not less than the amount necessary for reacting the above-described raw material gas. Since the crystal orientation of the initial film 341 is the (111) orientation, the core film 342 can be formed epitaxially on the initial film 341, and the core film 342 can be formed in the (111) orientation. In addition, since the oxygen gas more than the amount necessary for reacting the source gas is supplied, the core film 342 can be formed without causing oxygen vacancies. Further, by making the heating temperature lower than that at the time of forming the initial film 341, the thermal influence on the transistor 22 (see FIG. 1) can be reduced. Since the initial film 341 is formed flat, the flat core film 342 can be formed thereon. In this way, a flat ferroelectric film 34a composed of the initial film 341 and the core film 342 is formed.

通常は、表層を形成しないのでその表面に凹凸を生じている。この凹凸面上に強誘電体膜を形成すると、強誘電体膜に凹凸を生じてしまう。凹凸を生じた部分は所望の結晶配向にならないため、これを強誘電体膜の分極反転に寄与させることができない。
本発明では、表層334が均一に酸化されて平坦となっているので、この上に平坦な初期膜341を形成することができる。したがって、平坦な初期膜341上に平坦なコア膜342を形成することができ、平坦な強誘電体膜34aを形成することができる。よって、凹凸に起因する特性低下が防止され、良好な強誘電体膜34aとすることができる。
Usually, since the surface layer is not formed, the surface is uneven. If a ferroelectric film is formed on the uneven surface, the ferroelectric film is uneven. Since the uneven portion does not have the desired crystal orientation, it cannot contribute to the polarization inversion of the ferroelectric film.
In the present invention, since the surface layer 334 is uniformly oxidized and flattened, a flat initial film 341 can be formed thereon. Therefore, the flat core film 342 can be formed on the flat initial film 341, and the flat ferroelectric film 34a can be formed. Therefore, characteristic deterioration due to unevenness is prevented, and a good ferroelectric film 34a can be obtained.

次に、図4(c)に示すように、強誘電体膜34a上に、例えばスパッタリング法やCVD法等を用いてプラチナ、酸化イリジウム、イリジウム等の金属材料からなる上部電極35aを形成する。
次に、公知のレジスト技術及びフォトリソグラフィ技術等を用いて、導電膜31a、酸素バリア膜32a、下部電極33a、強誘電体膜34a、及び上部電極35aをパターニングし、強誘電体メモリ素子3を形成する。このようにして、図1に示した強誘電体メモリ装置1が得られる。
Next, as shown in FIG. 4C, an upper electrode 35a made of a metal material such as platinum, iridium oxide, or iridium is formed on the ferroelectric film 34a by using, for example, a sputtering method or a CVD method.
Next, the conductive film 31a, the oxygen barrier film 32a, the lower electrode 33a, the ferroelectric film 34a, and the upper electrode 35a are patterned by using a known resist technique and photolithography technique, and the ferroelectric memory element 3 is formed. Form. In this way, the ferroelectric memory device 1 shown in FIG. 1 is obtained.

[実験例]
次に、異なる条件で下部電極を形成した5つの強誘電体メモリ素子に関して、強誘電体膜の結晶配向の違いについて説明する。
[Experimental example]
Next, differences in the crystal orientation of the ferroelectric film will be described for the five ferroelectric memory elements in which the lower electrode is formed under different conditions.

図6は、本実験例で比較用に形成した5つ強誘電体メモリ素子(実験例1〜5)について、それぞれの下部電極を形成した条件を示す表である。実験例1〜5が異なる点は、下地層及び表層からなる下部電極の形成条件のみであり、強誘電体膜や上部電極等はいずれも同じ手法により形成されている。また、いずれの形成条件でも、下地層及び表層をスパッタリング法で形成しており、下地層の形成時の基板温度をいずれも500℃としている。また、いずれの形成条件でも、下地層の膜厚と表層の膜厚の合計を100nmとしている。   FIG. 6 is a table showing the conditions under which the respective lower electrodes were formed for the five ferroelectric memory elements (Experimental Examples 1 to 5) formed for comparison in this experimental example. The difference between Experimental Examples 1 to 5 is only the formation conditions of the lower electrode composed of the base layer and the surface layer, and the ferroelectric film and the upper electrode are all formed by the same method. In any of the formation conditions, the base layer and the surface layer are formed by a sputtering method, and the substrate temperature when the base layer is formed is 500 ° C. Further, under any formation condition, the total thickness of the base layer and the surface layer is 100 nm.

実験例1は、表層を形成せずに下部電極を形成したものである。実験例2、3は、下地層の膜厚を80nm、表層の膜厚を20nmとしたものである。実験例4、5は、下地層の膜厚を20nm、表層の膜厚を80nmとしたものである。また、実験例2、4は表層の形成時に基板温度を200℃としており、実験例3、5は表層の形成時に基板温度を室温程度としている。   In Experimental Example 1, the lower electrode is formed without forming the surface layer. In Experimental Examples 2 and 3, the thickness of the underlayer is 80 nm and the thickness of the surface layer is 20 nm. In Experimental Examples 4 and 5, the thickness of the underlayer is 20 nm and the thickness of the surface layer is 80 nm. In Experimental Examples 2 and 4, the substrate temperature is 200 ° C. when the surface layer is formed, and in Experimental Examples 3 and 5, the substrate temperature is about room temperature when the surface layer is formed.

図7は、図6の条件で形成したそれぞれの強誘電体メモリ素子における強誘電体膜(PZT)の(111)配向率を示すグラフである。図7に示すグラフは、それぞれの強誘電体メモリ素子について、X線回折(XRD)パターンを調べたデータに基づくものである。縦軸は、PZT(111)の配向率を示しており、この値が高いほど安定して大きな分極量が得られることを示す。PZT(111)の配向率は、PZT(222)の回折強度I(222)、PZT(100)の回折強度I(100)、及びPZT(101)の回折強度I(101)を用いて、(I(222)/I(222)+I(100)+I(101))で表される。   FIG. 7 is a graph showing the (111) orientation ratio of the ferroelectric film (PZT) in each ferroelectric memory element formed under the conditions of FIG. The graph shown in FIG. 7 is based on data obtained by examining an X-ray diffraction (XRD) pattern for each ferroelectric memory element. The vertical axis indicates the orientation ratio of PZT (111), and the higher this value, the more stable and large polarization amount can be obtained. The orientation ratio of PZT (111) is determined by using the diffraction intensity I (222) of PZT (222), the diffraction intensity I (100) of PZT (100), and the diffraction intensity I (101) of PZT (101). I (222) / I (222) + I (100) + I (101)).

表層の形成時の基板温度を常温程度とした実験例3は、200℃とした実験例2よりも
PZT(111)の配向率が高くなっており、実験例4、5に関しても同様の傾向を示している。このことから、スパッタリング法による成膜時に基板温度を低くすることにより、良好な強誘電体膜を形成することができることが分かる。これは、基板温度を低くすることにより表層の結晶性が低くなり、これが良好に酸化され良好な強誘電体膜を形成することができるためと考えられる。
In Experimental Example 3 in which the substrate temperature at the time of forming the surface layer is about room temperature, the orientation ratio of PZT (111) is higher than in Experimental Example 2 in which the temperature is 200 ° C. Show. From this, it can be seen that a good ferroelectric film can be formed by lowering the substrate temperature during film formation by sputtering. This is presumably because the crystallinity of the surface layer is lowered by lowering the substrate temperature, and this can be oxidized well to form a good ferroelectric film.

また、表層の膜厚を20nmにした実験例3は、表層の膜厚を80nmとした実験例5よりもPZT(111)の配向率が高くなっており、実験例2、4に関しても同様の傾向を示している。このことから、表層の膜厚を薄くすれば、良好な強誘電体膜を形成することができることが分かる。これは、表層の膜厚を薄くすることにより、強誘電体膜の初期膜の形成時に酸化イリジウム層に下地層の結晶配向を反映させることができ、これを初期膜の成長方向に反映させることができるためと考えられる。   Further, in Experiment Example 3 in which the surface layer thickness was 20 nm, the orientation ratio of PZT (111) was higher than in Experiment Example 5 in which the film thickness of the surface layer was 80 nm. It shows a trend. From this, it can be seen that a good ferroelectric film can be formed by reducing the thickness of the surface layer. By reducing the surface layer thickness, the iridium oxide layer can reflect the crystal orientation of the underlayer during the formation of the initial film of the ferroelectric film, and this is reflected in the growth direction of the initial film. This is thought to be possible.

また、表層を形成した実験例3は、表層を形成しない実験例1よりもPZT(111)の配向率が高くなっている。実験例1は、従来の方法に対応するものであり、本発明を適用することにより、良好な強誘電体膜を形成することが可能になることが分かる。なお、実験例1、3に対して、走査型電子顕微鏡(SEM)により強誘電体膜の表面を観察したところ、本発明を適用した実験例3は、従来の方法による実験例1よりも表面の凹凸(ラフネス)が格段に低減されていることが確認された。このことから、本発明を適用することにより、ラフネスが低減されて分極反転に寄与しない部分が小さくなり、良好な強誘電体膜とすることができると考えられる。   Further, in Experimental Example 3 in which the surface layer was formed, the orientation ratio of PZT (111) was higher than in Experimental Example 1 in which the surface layer was not formed. Experimental Example 1 corresponds to a conventional method, and it can be seen that a good ferroelectric film can be formed by applying the present invention. When the surface of the ferroelectric film was observed with respect to Experimental Examples 1 and 3 using a scanning electron microscope (SEM), Experimental Example 3 to which the present invention was applied was more surface than Experimental Example 1 according to the conventional method. It was confirmed that the unevenness (roughness) was significantly reduced. From this, it is considered that by applying the present invention, the roughness is reduced and the portion that does not contribute to the polarization inversion is reduced, and a good ferroelectric film can be obtained.

本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法によれば、アモルファス状の表層334を形成しているので、結晶配向が(111)配向の初期膜341を平坦に形成することができる。したがって、平坦な初期膜341上に(111)配向のコア膜342を平坦に形成することができ、(111)配向の強誘電体膜34aを平坦に形成することができる。強誘電体膜34aは、(111)配向となっているので、その電荷の取り出し効率が良好となっている。また、強誘電体膜34aは平坦に形成されているので、凹凸による分極量の低下が防止されている。このように良好な強誘電体膜34aを形成することができ、よってこれを備えた良好な強誘電体メモリ素子3を製造することができる。   According to the method for manufacturing a ferroelectric memory element of the present invention, since the amorphous surface layer 334 is formed, the initial film 341 having a crystal orientation of (111) can be formed flat. Therefore, the (111) -oriented core film 342 can be formed flat on the flat initial film 341, and the (111) -oriented ferroelectric film 34a can be formed flat. Since the ferroelectric film 34a has a (111) orientation, its charge extraction efficiency is good. Further, since the ferroelectric film 34a is formed flat, a decrease in the polarization amount due to the unevenness is prevented. Thus, a good ferroelectric film 34a can be formed, and thus a good ferroelectric memory element 3 provided with the same can be manufactured.

なお、前記実施形態ではスタック型の強誘電体メモリ装置を説明したが、プレーナ型のものにも適用することができ、これにより本発明の効果を得ることができる。また、前記実施形態では、MOCVD装置を用いてアモルファス状の表層334を熱酸化したが、電気炉等を用いた炉アニールによって熱酸化するようにしてもよい。炉アニールによれば、ランプアニールによる熱酸化のように赤外線加熱手段(ランプ)等の制約により処理時間の制約を受けることや、MOCVD装置による熱酸化のように供給する酸素量の制約等を受けることが少ない。そのため、十分に熱酸化を行うことができ、良好な酸化イリジウム層を形成することができる。   Although the stack type ferroelectric memory device has been described in the above embodiment, the present invention can also be applied to a planar type, and the effects of the present invention can be obtained. In the above embodiment, the amorphous surface layer 334 is thermally oxidized using the MOCVD apparatus. However, the amorphous surface layer 334 may be thermally oxidized by furnace annealing using an electric furnace or the like. Furnace annealing is subject to processing time restrictions such as infrared heating means (lamps) as in the case of thermal oxidation by lamp annealing, and restrictions on the amount of oxygen supplied, such as thermal oxidation by the MOCVD apparatus. There are few things. Therefore, sufficient thermal oxidation can be performed, and a good iridium oxide layer can be formed.

本発明の方法による強誘電体メモリ素子の例を示す側断面構成図である。1 is a side cross-sectional configuration diagram illustrating an example of a ferroelectric memory device according to a method of the present invention. (a)〜(c)は、本発明の製造方法を示す断面工程図である。(A)-(c) is sectional process drawing which shows the manufacturing method of this invention. (a)〜(c)は、図2(c)から続く断面工程図である。(A)-(c) is sectional process drawing which continues from FIG.2 (c). (a)〜(c)は、図3(c)から続く断面工程図である。(A)-(c) is sectional process drawing which continues from FIG.3 (c). MOCVD装置の構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of a MOCVD apparatus. 実験例1〜5における下部電極の形成条件を示す表である。It is a table | surface which shows the formation conditions of the lower electrode in Experimental example 1-5. 実験例1〜5における強誘電体膜の配向率を示すグラフである。It is a graph which shows the orientation rate of the ferroelectric film in Experimental Examples 1-5.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・強誘電体メモリ装置、2・・・基体、3・・・強誘電体メモリ素子、21・・・シリコン基板(基板)、22・・・トランジスタ、33、33a・・・下部電極、34、34a・・・強誘電体膜、35、35a・・・上部電極、331・・・下地層、334・・・表層、335・・・酸化イリジウム層、341・・・初期膜、342・・・コア膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ferroelectric memory device, 2 ... Base | substrate, 3 ... Ferroelectric memory element, 21 ... Silicon substrate (substrate | substrate), 22 ... Transistor, 33, 33a ... Lower electrode , 34, 34a ... ferroelectric film, 35, 35a ... upper electrode, 331 ... underlayer, 334 ... surface layer, 335 ... iridium oxide layer, 341 ... initial film, 342 ... Core film

Claims (5)

基板の上方に、アモルファス状の表層を含んだイリジウム膜を形成する工程と、
前記アモルファス状の表層を酸化して、酸化イリジウム層とする酸化工程と、
前記酸化イリジウム層上にMOCVD法で強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に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素子の製造方法。
Forming an iridium film including an amorphous surface layer above the substrate;
An oxidation step of oxidizing the amorphous surface layer to form an iridium oxide layer;
Forming a ferroelectric film on the iridium oxide layer by MOCVD;
Forming a electrode on the ferroelectric film, and a method for manufacturing a ferroelectric memory element.
前記イリジウム膜を形成する工程では、スパッタリング法でイリジウム膜の表層を形成し、形成時の基板温度、雰囲気圧力、雰囲気ガス量、又は成膜パワーのうちの少なくとも1以上を調整してアモルファス状の表層とすることを特徴とする請求項1に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。   In the step of forming the iridium film, a surface layer of the iridium film is formed by a sputtering method, and at least one or more of a substrate temperature, an atmospheric pressure, an atmospheric gas amount, or a film formation power at the time of formation is adjusted to form an amorphous state. 2. The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 1, wherein the ferroelectric memory element is a surface layer. 前記スパッタリング法を、前記基板を加熱せずに行うことによりアモルファス状の膜を成膜することを特徴とする請求項2に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。   3. The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 2, wherein an amorphous film is formed by performing the sputtering method without heating the substrate. 前記イリジウム膜を形成する工程では、前記基板の上方に、面心立方晶に属する(111)配向の下地層を形成した後、この上にアモルファス状の表層を形成して、前記下地層と前記表層とを含んだイリジウム膜を形成することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。   In the step of forming the iridium film, an underlayer having a (111) orientation belonging to a face-centered cubic crystal is formed above the substrate, and then an amorphous surface layer is formed thereon to form the underlayer and the The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 1, wherein an iridium film including a surface layer is formed. 前記アモルファス状の表層を10nm以上60nm以下の厚さに形成することを特徴とする請求項4に記載の強誘電体メモリ素子の製造方法。   5. The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to claim 4, wherein the amorphous surface layer is formed to a thickness of 10 nm to 60 nm.
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