JP2011108828A - Ferroelectric memory, and method for manufacturing the same - Google Patents

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Toshitaka Tatsunari
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric memory that achieves low-temperature heat treatment in a manufacturing process while preventing degradation of memory characteristics due to shortage of heat treatment of baking densification to crystallize a ferroelectric film, especially degradation of residual polarization characteristics of the ferroelectric film. <P>SOLUTION: The ferroelectric memory includes a ferroelectric capacitor on which a lower electrode 10, capacitance insulation film 12 composed of the ferroelectric film with a perovskite-type crystal structure, and an upper electrode 13 are formed to be laminated in this order on a p-type semiconductor substrate 1. Furthermore, the memory includes a convex lens 14 that is formed on the upper electrode 13 to selectively heat the ferroelectric film by concentrating light. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、強誘電体メモリ装置及びその製造方法に関する。特には、強誘電体メモリ部と論理回路部とを混載する強誘電体メモリ装置において、強誘電体薄膜の結晶化時に要する温度を低温化しても、良好な強誘電体電気特性を得ることができる強誘電体メモリ装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a ferroelectric memory device and a method for manufacturing the same. In particular, in a ferroelectric memory device in which a ferroelectric memory portion and a logic circuit portion are mixedly mounted, good ferroelectric electric characteristics can be obtained even when the temperature required for crystallization of the ferroelectric thin film is lowered. The present invention relates to a ferroelectric memory device that can be manufactured and a method of manufacturing the same.

近年、半導体チップが埋め込まれた運転免許証又はパスポートなどを用いて、個人を認証できる電子サービスを提供する社会インフラ環境が整ってきている。これらのアプリケーションを実現するICカード及び埋込みチップには、小型化と高いセキュリティーとが要求されており、搭載される不揮発性半導体メモリは、メモリ回路と複雑な暗号を高速で処理する論理回路とを混載することが必要となっている。この不揮発性半導体メモリとして、近年、強誘電体メモリ装置が注目されている。   2. Description of the Related Art In recent years, a social infrastructure environment that provides an electronic service that can authenticate an individual using a driver's license or a passport embedded with a semiconductor chip has been established. IC cards and embedded chips that realize these applications are required to be downsized and have high security. The mounted nonvolatile semiconductor memory includes a memory circuit and a logic circuit that processes complex encryption at high speed. It is necessary to load them together. In recent years, ferroelectric memory devices have attracted attention as this nonvolatile semiconductor memory.

強誘電体メモリ装置は、強誘電体薄膜の高速な分極反転と残留分極とを利用した高速書き換えが可能な不揮発性メモリ装置である。強誘電体メモリ装置のうち、FeRAM(Ferroelectric random access memory)は、特に消費電力が少なく且つ高速に動作させることができる半導体メモリ装置として有望である。また一方で、上述した通り、複雑な暗号を高速で処理する論理回路を搭載するためには、トランジスタの回路規模が必然的に大きくなる。この解決策の一つとして、プロセス変更、すなわち、トランジスタ寸法の微細化によりIC回路の微細化及び高速化を図るという対策が一般的である。このため、低消費電力及び高速動作を実現しながら、FeRAM混載ICのトランジスタ回路の微細化を進めてチップサイズの縮小によるコスト競争力の向上に向けた技術開発が盛んに行われている。   A ferroelectric memory device is a non-volatile memory device capable of high-speed rewriting utilizing high-speed polarization reversal and remanent polarization of a ferroelectric thin film. Among ferroelectric memory devices, FeRAM (Ferroelectric random access memory) is particularly promising as a semiconductor memory device that consumes less power and can be operated at high speed. On the other hand, as described above, in order to mount a logic circuit that processes a complicated cipher at high speed, the circuit scale of the transistor inevitably increases. As one of the solutions, there is a general measure to reduce the size and speed of the IC circuit by changing the process, that is, by reducing the transistor dimensions. For this reason, while realizing low power consumption and high-speed operation, technological development for improving cost competitiveness by reducing the chip size by advancing the miniaturization of the transistor circuit of the FeRAM embedded IC has been actively performed.

しかしながら、トランジスタ寸法の微細化に伴い、トランジスタ形成後の熱処理の高温化を極力避ける必要があるため、熱処理工程の低温化が要求されている。これは、トランジスタ形成後の高温熱処理により、トランジスタの電気特性がシフトしたり、細線部のPN境界において断線による不具合が発生するためである。   However, with the miniaturization of the transistor dimensions, it is necessary to avoid the heat treatment after the transistor formation as much as possible, so that the heat treatment process needs to be lowered. This is because the electrical characteristics of the transistor shift due to the high-temperature heat treatment after the transistor is formed, or a malfunction due to disconnection occurs at the PN boundary of the thin line portion.

微細なソース・ドレイン構造を有する電界トランジスタの製造方法に関する従来例(例えば特許文献1参照)によれば、超高密度集積回路装置を構成する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、特にMOS(Metal Oxide Semiconductor)型電界効果トランジスタがスケーリング則に基づいて微細化が進んでいること(同文献の段落[0002]参照)、ソース及びドレイン用の拡散層における低濃度領域の横方向拡がりの最適化が重要であることが開示されている(同文献の段落[0023]参照)。また、ソース及びドレイン用の拡散層を形成するためのイオン注入時に形成された非晶質層をレーザー光照射により選択的に溶融及び再結晶化することにより、浅接合のソース及びドレイン用の拡散層の低抵抗化を実現すること、その際、溶融領域とゲート電極との重畳部での短絡等の不良発生を防止するため、ゲート電極の側面にゲート側壁絶縁膜を形成した後に上記イオン注入することにより、非晶質層をゲート電極と重畳しない構造を実現することが開示されている(同文献図7及び対応する説明箇所を参照)。このようにして、上記短絡不良を生じさせることなく非晶質層の選択的な溶融及び再結晶化を実現し、ソース及びドレイン用の拡散層における低濃度領域の横方向拡がりを抑制して良好なトランジスタ特性を実現している。   According to a conventional example of a method for manufacturing a field transistor having a fine source / drain structure (see, for example, Patent Document 1), an insulated gate field effect transistor constituting an ultra-high density integrated circuit device, particularly a MOS (Metal Oxide Semiconductor). The miniaturization of the field effect transistor is progressing based on the scaling law (see paragraph [0002] of the same document), and optimization of the lateral extension of the low concentration region in the diffusion layer for the source and drain is important. (See paragraph [0023] of the same document). In addition, by selectively melting and recrystallizing an amorphous layer formed during ion implantation for forming diffusion layers for source and drain by laser light irradiation, diffusion for shallow junction source and drain In order to reduce the resistance of the layer, in order to prevent the occurrence of defects such as a short circuit at the overlapping portion of the molten region and the gate electrode, the ion implantation is performed after the gate sidewall insulating film is formed on the side surface of the gate electrode. By doing so, it is disclosed to realize a structure in which the amorphous layer does not overlap with the gate electrode (see FIG. 7 of the same reference and the corresponding explanation part). In this way, selective melting and recrystallization of the amorphous layer can be realized without causing the short-circuit failure, and the lateral extension of the low concentration region in the diffusion layer for the source and drain can be suppressed and good. Transistor characteristics.

一方で、PZTを強誘電体材料とするペロブスカイト型結晶構造の酸化物誘電体膜を有するキャパシタを備える半導体装置及びその製造方法に関する従来例(例えば特許文献2参照)によれば、強誘電体膜としての特性を引き出すためには、強誘電体膜の焼き締め処理が必要であることが開示されている。これは、ペロブスカイト型酸化物誘電体を単に成膜した状態では、該酸化物誘電体は、アモルファス相であったり、結晶化が不十分であったり、また、酸素が欠乏していることもあるため、有用な酸化物誘電体として用いることができず、成膜後、酸化性雰囲気中で高温熱処理することが必要だからである。   On the other hand, according to a conventional example of a semiconductor device including a capacitor having an oxide dielectric film having a perovskite crystal structure using PZT as a ferroelectric material and a method for manufacturing the same (see, for example, Patent Document 2), the ferroelectric film It is disclosed that a ferroelectric film needs to be baked in order to extract the characteristics as described above. This is because, when a perovskite oxide dielectric is simply formed, the oxide dielectric may be in an amorphous phase, insufficiently crystallized, or may be deficient in oxygen. Therefore, it cannot be used as a useful oxide dielectric, and it is necessary to perform high-temperature heat treatment in an oxidizing atmosphere after film formation.

具体的には、酸素遮蔽絶縁膜の上に、チタン層と白金層との積層膜からなる下部電極、PZTからなる誘電体膜、及び白金からなる上部電極が、それぞれスパッタリングにより成膜されており、該PZTからなる誘電体膜は、堆積したままの状態ではアモルファス相であって分極特性を有しない。そこで、PZTからの誘電体膜を堆積した後であって、上部電極を堆積する前又は上部電極を堆積した後に、酸素雰囲気中で熱処理を行っている。この熱処理は、詳細には、ラピッドサーマル熱処理(RTA)装置を用いて1気圧の酸素雰囲気中で850℃、約5秒間の高温熱処理である。なお、RTAの代わりに、抵抗炉を用いて、800℃以上、10分間以上(例えば約30分間)の高温熱処理を行ってもよいことが開示されている。このような酸素雰囲気中の高温熱処理により、PZTからなる誘電体膜は多結晶化し、例えば約30μC/cmの残留分極率を示すようになる。 Specifically, a lower electrode made of a laminated film of a titanium layer and a platinum layer, a dielectric film made of PZT, and an upper electrode made of platinum are formed on the oxygen shielding insulating film by sputtering. The dielectric film made of PZT is in an amorphous phase and does not have polarization characteristics as it is deposited. Therefore, heat treatment is performed in an oxygen atmosphere after depositing the dielectric film from PZT and before or after depositing the upper electrode. Specifically, this heat treatment is a high-temperature heat treatment at 850 ° C. for about 5 seconds in an oxygen atmosphere of 1 atm using a rapid thermal heat treatment (RTA) apparatus. It is disclosed that high temperature heat treatment may be performed at 800 ° C. or higher for 10 minutes or longer (for example, about 30 minutes) using a resistance furnace instead of RTA. By such high-temperature heat treatment in an oxygen atmosphere, the dielectric film made of PZT is polycrystallized, and exhibits a residual polarizability of, for example, about 30 μC / cm 2 .

このように、強誘電体膜としての特性を引き出すためには、強誘電体の焼き締め処理が必要であるが、低温処理では強誘電体膜の十分な焼き締めが困難であり、強誘電体膜の残留分極特性が低下してしまう。   As described above, in order to bring out the characteristics as a ferroelectric film, a ferroelectric baking process is necessary. However, it is difficult to sufficiently bake the ferroelectric film at a low temperature, The remanent polarization characteristic of the film is deteriorated.

特開2003−229568号公報JP 2003-229568 A 特開平11−054716号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-054716

上述したように、絶縁ゲート型電界効果トランジスタ、特にMOS型電界効果トランジスタの特性確保のためには、製造プロセスの低温熱処理が要求される一方で、強誘電体膜の残留分極特性確保のためには、製造プロセスの高温熱処理が要求される。このように互いに相容れない要求は、FeRAM混載ICのトランジスタ回路の微細化を進展させる上で、大きな問題となっている。   As described above, in order to ensure the characteristics of an insulated gate field effect transistor, particularly a MOS field effect transistor, low temperature heat treatment in the manufacturing process is required, while in order to ensure the residual polarization characteristics of the ferroelectric film. Requires a high-temperature heat treatment of the manufacturing process. Such incompatible requirements are a major problem in the progress of miniaturization of transistor circuits of FeRAM-embedded ICs.

前記に鑑み、本発明の目的は、強誘電体膜の結晶化のための焼き締めによる熱処理不足によるメモリ特性の低下、特に強誘電体膜の残留分極特性の低下を防止しながら、製造プロセスの低温熱処理化を実現できる強誘電体メモリ装置及びその製造方法を提供することである。   In view of the above, an object of the present invention is to prevent a deterioration in memory characteristics due to insufficient heat treatment due to baking for crystallization of a ferroelectric film, particularly in a manufacturing process while preventing a decrease in residual polarization characteristics of the ferroelectric film. It is an object of the present invention to provide a ferroelectric memory device that can realize low-temperature heat treatment and a method for manufacturing the same.

上記の目的を達成するために、 半導体基板上に、下部電極、ペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体膜及び上部電極がこの順に積層して形成された強誘電体キャパシタを備えており、上部電極上に形成され、集光により強誘電体膜を選択的に加熱する凸型レンズをさらに備えている。   In order to achieve the above object, a ferroelectric capacitor is formed by laminating a lower electrode, a ferroelectric film having a perovskite crystal structure, and an upper electrode in this order on a semiconductor substrate. A convex lens that is formed on the surface and selectively heats the ferroelectric film by condensing is further provided.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置において、凸型レンズは、上部電極に直接接していてもよい。   In the ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the convex lens may be in direct contact with the upper electrode.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置において、凸型レンズは、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなってもよい。   In the ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the convex lens may be made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置において、凸型レンズは、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、又は酸化シリコン膜からなってもよい。   In the ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the convex lens may be formed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon oxide film.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置において、強誘電体キャパシタを複数個備えており、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜の表面は、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上に形成された凸型レンズの凸型の表面形状と連続するように凹型の表面形状に形成されていてもよい。   The ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention includes a plurality of ferroelectric capacitors, and a surface of an interlayer insulating film that fills between the adjacent ferroelectric capacitors is formed on the adjacent ferroelectric capacitors. It may be formed in a concave surface shape so as to be continuous with the convex surface shape of the formed convex lens.

この場合、半導体基板上に、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上及び互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜上を連続して覆うように形成された水素バリア膜をさらに備えていてもよい。   In this case, the semiconductor substrate may further include a hydrogen barrier film formed so as to continuously cover the ferroelectric capacitors adjacent to each other and the interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors. Good.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法は、半導体基板上に、下部電極、ペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体膜及び上部電極をこの順に積層して強誘電体キャパシタを形成する工程(a)と、上部電極上に凸型レンズを形成する工程(b)と、工程(b)の後に、ラピッドサーマルアニール法を用いて、強誘電体膜を結晶化する熱処理を行う工程(c)とを備え、工程(c)は、ラピッドサーマルアニール法で使用する光を凸型レンズを用いて強誘電体膜に集光させることにより、強誘電体膜を選択的に加熱する工程を含む。   According to one aspect of the present invention, a ferroelectric memory device manufacturing method forms a ferroelectric capacitor by laminating a lower electrode, a ferroelectric film having a perovskite crystal structure, and an upper electrode in this order on a semiconductor substrate. After the step (a), the step (b) of forming a convex lens on the upper electrode, and the step (b), a step of performing a heat treatment for crystallizing the ferroelectric film using a rapid thermal annealing method ( c), and the step (c) includes a step of selectively heating the ferroelectric film by condensing the light used in the rapid thermal annealing method onto the ferroelectric film using a convex lens. Including.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法は、工程(b)は、上部電極に直接接するように、凸型レンズを形成する工程を含んでもよい。   In the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the step (b) may include a step of forming a convex lens so as to be in direct contact with the upper electrode.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法は、工程(c)の前に、半導体基板上に、論理回路部を構成するトランジスタを形成する工程(d)をさらに備え、工程(c)は、トランジスタの実効チャネル長を実質的に変化させないように、熱処理を行う工程を含んでもよい。   The method for manufacturing a ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention further includes, before the step (c), a step (d) of forming a transistor constituting the logic circuit portion on the semiconductor substrate, the step (c) ) May include a step of performing heat treatment so as not to substantially change the effective channel length of the transistor.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法は、工程(a)は、半導体基板上に、強誘電体キャパシタを複数個形成する工程を含み、工程(b)の前に、複数の強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜を形成する工程(e)をさらに備え、工程(b)は、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜の表面を、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上に形成される凸型レンズの凸型の表面形状と連続するように、凹型の表面形状に形成する工程を含んでもよい。   In the method of manufacturing a ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the step (a) includes a step of forming a plurality of ferroelectric capacitors on a semiconductor substrate, and a plurality of ferroelectric capacitors are formed before the step (b). A step (e) of forming an interlayer insulating film filling the space between the ferroelectric capacitors, wherein the step (b) includes forming the surface of the interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors with the adjacent ferroelectric materials; A step of forming a concave surface shape so as to be continuous with the convex surface shape of the convex lens formed on the capacitor may be included.

この場合、工程(c)の後に、互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上及び互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜上を連続して覆うように水素バリア膜を形成する工程(f)をさらに備えていてもよい。   In this case, after the step (c), a step (f) of forming a hydrogen barrier film so as to continuously cover the ferroelectric capacitors adjacent to each other and the interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors. May be further provided.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法において、凸型レンズは、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなってもよい。   In the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the convex lens may be made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more.

本発明の一側面の強誘電体メモリ装置の製造方法において、凸型レンズは、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、又は酸化シリコン膜からなってもよい。   In the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to one aspect of the present invention, the convex lens may be formed of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon oxide film.

本発明の一側面に係る強誘電体メモリ装置及びその製造方法によると、強誘電体キャパシタを構成する上部電極の上に凸型レンズが形成されている。このため、凸型レンズの集光効果により、強誘電体膜が選択的及び効率的に加熱される。したがって、強誘電体メモリ部における強誘電体膜の結晶化の熱処理は、論理回路部におけるトランジスタと比較して高温熱処理となる。その結果、論理回路部における微細化されたトランジスタの特性を維持しながら、良好な強誘電体電気特性を得ることができる。   According to the ferroelectric memory device and the manufacturing method thereof according to one aspect of the present invention, the convex lens is formed on the upper electrode constituting the ferroelectric capacitor. For this reason, the ferroelectric film is selectively and efficiently heated by the light condensing effect of the convex lens. Therefore, the heat treatment for crystallization of the ferroelectric film in the ferroelectric memory portion is a high temperature heat treatment as compared with the transistor in the logic circuit portion. As a result, excellent ferroelectric electric characteristics can be obtained while maintaining the characteristics of the miniaturized transistor in the logic circuit portion.

図1は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. 図2(a)〜(c)は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法を工程順に示す断面図である。2A to 2C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory device according to one embodiment of the present invention in the order of steps. 図3(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法を工程順に示す断面図である。3A and 3B are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory device according to one embodiment of the present invention in the order of steps. 図4は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法で用いられるラピッドサーマル熱処理装置を模式的に示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a rapid thermal heat treatment apparatus used in the method for manufacturing a ferroelectric memory device according to one embodiment of the present invention. 図5(a)は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置における論理回路部のトランジスタ構造の狙い実効チャネル長(Lg−efl)と実際の実効チャネル長(Lg−eff)とを示す断面図であり、図5(b)は、閾値電圧(V)の熱処理温度(℃)依存性を示すグラフである。FIG. 5A shows a target effective channel length (Lg-efl) and an actual effective channel length (Lg-eff) of the transistor structure of the logic circuit portion in the ferroelectric memory device according to the embodiment of the present invention. FIG. 5B is a graph showing the dependency of the threshold voltage (V T ) on the heat treatment temperature (° C.). 図6は、本発明の一実施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の分極量を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the polarization amount of the ferroelectric capacitor in the ferroelectric memory device according to the embodiment of the present invention. 図7(a)は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置における隣り合う強誘電体キャパシタ間の形状を示す断面図であり、図7(b)は、従来の強誘電体メモリ装置における隣り合う強誘電体キャパシタ間の形状を示す断面図である。FIG. 7A is a cross-sectional view showing the shape between adjacent ferroelectric capacitors in the ferroelectric memory device according to one embodiment of the present invention, and FIG. 7B shows a conventional ferroelectric memory. It is sectional drawing which shows the shape between the adjacent ferroelectric capacitors in an apparatus.

以下では、図面及び詳細な説明をもって本発明の技術的思想を明確に説明するものであり、当該技術分野におけるいずれの当業者であれば、本発明の好ましい実施例を理解した後に、本発明が開示する技術により、変更及び付加を加えることが可能であり、これは本発明の技術的思想及び範囲を逸脱するものではない。   The technical idea of the present invention will be clearly described below with reference to the drawings and detailed description. Any person skilled in the art will understand the present invention after understanding the preferred embodiments of the present invention. Modifications and additions can be made according to the disclosed technology, which does not depart from the technical idea and scope of the present invention.

(一実施形態)
図1は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の構造を示している。なお、図1には、当該強誘電体メモリ装置における強誘電体メモリ部1Aと論理回路部1Bとを示している。
(One embodiment)
FIG. 1 shows the structure of a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 shows a ferroelectric memory unit 1A and a logic circuit unit 1B in the ferroelectric memory device.

図1に示すように、例えばシリコン(Si)からなるp型半導体基板1の主面には、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)などからなる素子分離領域2によって区画された複数の素子形成領域が形成されており、図1では、当該素子分離領域2により、強誘電体メモリ部1Aと論理回路部1Bとが区画されている。強誘電体メモリ部1A及び論理回路部1Bには、p型半導体基板1における活性領域3の上に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜4aを介在させて、例えば膜厚約150〜250nmのポリシリコンからなり、ゲート幅が180nmのゲート電極4bが形成されている。ゲート電極4bの側面には、例えば窒化シリコン膜からなるサイドウォール4cが形成されている。p型半導体基板1におけるゲート電極4bの側方の領域には、浅いソースドレイン領域5aが形成されており、p型半導体基板1におけるサイドウォール4cの外側方の領域には、深いソースドレイン領域6aが形成されている。ソースドレイン領域は、浅いソースドレイン領域5aと深いソースドレイン領域6aとによって構成されている。また、p型半導体基板1上の全面には、ゲート電極4b及びサイドウォール4cを覆うように、例えばBPSG(Boron-Phospho Silicate Glass)膜からなる膜厚500nmの層間絶縁膜7が形成されている。層間絶縁膜7には、ソースドレイン領域と電気的に接続する例えばタングステン(W)からなるコンタクトプラグ9a(プラグ直径150〜300nm)が形成されている。   As shown in FIG. 1, on the main surface of a p-type semiconductor substrate 1 made of, for example, silicon (Si), a plurality of element formation regions partitioned by an element isolation region 2 made of, for example, STI (Shallow Trench Isolation) are formed. In FIG. 1, the element isolation region 2 partitions the ferroelectric memory portion 1A and the logic circuit portion 1B. In the ferroelectric memory portion 1A and the logic circuit portion 1B, a gate insulating film 4a made of, for example, silicon oxide is interposed on the active region 3 in the p-type semiconductor substrate 1 to form a polycrystal having a thickness of about 150 to 250 nm, for example. A gate electrode 4b made of silicon and having a gate width of 180 nm is formed. A side wall 4c made of, for example, a silicon nitride film is formed on the side surface of the gate electrode 4b. A shallow source / drain region 5a is formed in a region lateral to the gate electrode 4b in the p-type semiconductor substrate 1, and a deep source / drain region 6a is formed in a region outside the sidewall 4c in the p-type semiconductor substrate 1. Is formed. The source / drain region is composed of a shallow source / drain region 5a and a deep source / drain region 6a. An interlayer insulating film 7 having a thickness of 500 nm made of, for example, a BPSG (Boron-Phospho Silicate Glass) film is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 so as to cover the gate electrode 4b and the sidewall 4c. . In the interlayer insulating film 7, a contact plug 9a (plug diameter: 150 to 300 nm) made of, for example, tungsten (W), which is electrically connected to the source / drain region is formed.

また、強誘電体メモリ部1Aにおける層間絶縁膜7の上には、例えば窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化アルミ膜(アルミナ)、酸化チタンアルミ膜、酸化タンタルアルミ膜、酸化チタンシリコン膜、及び酸化タンタルシリコン膜等の群から選択されるいずれか1つの材料又は複数の材料からなる膜厚100nmの下部水素バリア膜8が選択的に形成されている。下部水素バリア膜8及び層間絶縁膜7には、これらを貫通し、ソースドレイン領域と電気的に接続する例えばタングステンからなるコンタクトプラグ9b(プラグ直径150〜300nm)が形成されている。下部水素バリア膜8の上には、下面がコンタクトプラグ9bと接続する例えば白金等からなる膜厚50nmの下部電極10が形成されている。なお、下部電極10は、酸素遮蔽絶縁膜、例えばイリジウム又はイリジウム酸化膜との積層構造からなる膜を用いることが好ましい。下部水素バリア膜8の上及び下部電極10の側面には、例えばBPSG膜からなる膜厚500nmのスペーサ絶縁膜11が形成されている。下部電極10及びスペーサ絶縁膜11の上には、例えばPbTiO、Pb(ZrTi1−x)O若しくはPbLa1−y(ZrTi1−x)O等の鉛系ペロブスカイト型複合酸化物、BaSr1−xTiO等のバリウム系ペロブスカイト型複合酸化物、又は、SrBiTa若しくはBiTi12等のビスマス系層状複合化合物からなる強誘電体膜を構成する膜厚100nmの容量絶縁膜12が形成されている。容量絶縁膜12の上には、例えば白金等からなる膜厚50nmの上部電極13が形成されている。下部電極10、容量絶縁膜12、及び上部電極13によって強誘電体キャパシタが構成される。 Further, on the interlayer insulating film 7 in the ferroelectric memory unit 1A, for example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film (alumina), a titanium oxide aluminum film, a tantalum aluminum oxide film, a titanium oxide silicon film, And a lower hydrogen barrier film 8 having a thickness of 100 nm made of any one material or a plurality of materials selected from the group of tantalum silicon oxide film and the like. In the lower hydrogen barrier film 8 and the interlayer insulating film 7, a contact plug 9b (plug diameter: 150 to 300 nm) made of, for example, tungsten is formed so as to penetrate these and electrically connect to the source / drain region. On the lower hydrogen barrier film 8, a lower electrode 10 having a film thickness of 50 nm made of, for example, platinum, whose lower surface is connected to the contact plug 9b is formed. The lower electrode 10 is preferably an oxygen shielding insulating film, for example, a film having a laminated structure with an iridium or iridium oxide film. On the lower hydrogen barrier film 8 and on the side surface of the lower electrode 10, a spacer insulating film 11 made of, for example, a BPSG film and having a thickness of 500 nm is formed. A lead-based perovskite such as PbTiO 3 , Pb (Zr 2 Ti 1-x ) O 3 or Pb y La 1-y (Zr x Ti 1-x ) O 3 is formed on the lower electrode 10 and the spacer insulating film 11. Type composite oxides, barium-based perovskite type complex oxides such as Ba x Sr 1-x TiO 3 , or ferroelectrics composed of bismuth-based layered complex compounds such as SrBi 2 Ta 2 O 9 or Bi 4 Ti 3 O 12 A capacitive insulating film 12 having a thickness of 100 nm constituting the film is formed. On the capacitor insulating film 12, an upper electrode 13 made of, for example, platinum and having a film thickness of 50 nm is formed. The lower electrode 10, the capacitive insulating film 12, and the upper electrode 13 constitute a ferroelectric capacitor.

強誘電体キャパシタを構成する上部電極13の上には、凸型レンズ14が形成されており、該凸型レンズ14は、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなることが好ましく、具体的には、窒化シリコン膜(屈折率2.0〜2.2)、酸窒化シリコン膜(屈折率1.6〜1.8)、又は酸化シリコン膜(屈折率1.46)などに代表される屈折率が高い膜であって、且つ、半導体プロセスとの親和性が高いと共にドライエッチング加工が容易な材料を用いることが好ましい。また、凸型レンズ14の膜厚は、凸状の最も厚い箇所において300nm〜700nmである。また、凸型レンズ14は、上部電極13上に直接接するように形成されていることが好ましい。下部水素バリア膜8の上には、スペーサ絶縁膜11、強誘電体キャパシタ、及び凸型レンズ14を覆うように、例えば窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜(アルミナ)、酸化チタンアルミニウム膜、酸化タンタルアルミニウム膜、酸化チタンシリコン膜、及び酸化タンタルシリコン膜等の群から選択されるいずれか1つの材料又は複数の材料からなる膜厚約10〜100nmの上部水素バリア膜15が形成されている。このように、強誘電体キャパシタの周囲は、互いに接続する下部水素バリア膜8及び上部水素バリア膜15によって完全に被覆されている。なお、上部水素バリア膜15の膜厚は、後述の図6を用いて詳述するが、数nmであっても、高い水素バリア性能が実現される。   A convex lens 14 is formed on the upper electrode 13 constituting the ferroelectric capacitor, and the convex lens 14 is preferably made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more. Specifically, it is represented by a silicon nitride film (refractive index 2.0 to 2.2), a silicon oxynitride film (refractive index 1.6 to 1.8), a silicon oxide film (refractive index 1.46), or the like. It is preferable to use a material having a high refractive index and having a high affinity with a semiconductor process and being easy to dry-etch. The film thickness of the convex lens 14 is 300 nm to 700 nm at the thickest part of the convex shape. The convex lens 14 is preferably formed so as to be in direct contact with the upper electrode 13. On the lower hydrogen barrier film 8, for example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film (alumina), a titanium oxide aluminum so as to cover the spacer insulating film 11, the ferroelectric capacitor, and the convex lens 14. An upper hydrogen barrier film 15 having a film thickness of about 10 to 100 nm made of any one material or a plurality of materials selected from the group consisting of a film, a tantalum aluminum oxide film, a titanium oxide silicon film, and a tantalum silicon oxide film is formed. ing. Thus, the periphery of the ferroelectric capacitor is completely covered with the lower hydrogen barrier film 8 and the upper hydrogen barrier film 15 connected to each other. Although the film thickness of the upper hydrogen barrier film 15 will be described in detail with reference to FIG. 6 described later, high hydrogen barrier performance is realized even if it is several nm.

また、強誘電体メモリ部1A及び論理回路部1Bにおいて、層間絶縁膜7の上には、下部水素バリア膜8及び上部水素バリア膜15を覆うように、例えばBPSG膜からなる膜厚2000nmの層間絶縁膜16が形成されている。層間絶縁膜16には、強誘電体メモリ部1Aにおいて、該層間絶縁膜16を貫通してコンタクトプラグ9aと接続し、強誘電体メモリ部1Aのメモリトランジスタのソースドレイン領域と電気的に接続する例えばタングステンからなるコンタクトプラグ17(プラグ直径150〜300nm)が形成されている。また、論理回路部1Bにおいて、層間絶縁膜16を貫通してコンタクトプラグ9aと接続し、論理回路部1Bのトランジスタのソースドレイン領域と電気的に接続する例えばタングステンからなるコンタクトプラグ17(プラグ直径150〜300nm)が形成されている。層間絶縁膜16の上には、公知の技術を用いて例えばアルミニウム又は銅からなり、強誘電体メモリ部1Aにおけるコンタクトプラグ17と接続する膜厚約400nmで幅70um以上のボンディングパッド19と論理回路部1Bにおけるコンタクトプラグ17と接続する膜厚約400nmで幅250nm以上の配線層18とが形成されている。層間絶縁膜16の上には、配線層18及びボンディングパッド19を覆うように、例えばBPSG膜からなる膜厚800nmの層間絶縁膜20が形成されている。   In the ferroelectric memory unit 1A and the logic circuit unit 1B, an interlayer having a film thickness of 2000 nm made of, for example, a BPSG film is formed on the interlayer insulating film 7 so as to cover the lower hydrogen barrier film 8 and the upper hydrogen barrier film 15. An insulating film 16 is formed. In the ferroelectric memory portion 1A, the interlayer insulating film 16 is connected to the contact plug 9a through the interlayer insulating film 16 and electrically connected to the source / drain region of the memory transistor of the ferroelectric memory portion 1A. For example, contact plugs 17 (plug diameter 150 to 300 nm) made of tungsten are formed. In the logic circuit portion 1B, the contact plug 17 (plug diameter 150) made of, for example, tungsten is connected to the contact plug 9a through the interlayer insulating film 16 and electrically connected to the source / drain region of the transistor of the logic circuit portion 1B. ~ 300 nm) is formed. On the interlayer insulating film 16, a bonding pad 19 made of, for example, aluminum or copper and connected to the contact plug 17 in the ferroelectric memory portion 1A and having a film thickness of about 400 nm and a width of 70 μm or more is formed on the interlayer insulating film 16. A wiring layer 18 having a thickness of about 400 nm and a width of 250 nm or more connected to the contact plug 17 in the portion 1B is formed. On the interlayer insulating film 16, an 800 nm-thick interlayer insulating film 20 made of, for example, a BPSG film is formed so as to cover the wiring layer 18 and the bonding pad 19.

以上の構造を有する本実施形態に係る強誘電体メモリ装置は、強誘電体メモリ部1Aにおいて、強誘電体キャパシタの上に、凸型レンズ14を備えている。これにより、下記強誘電体メモリ装置の製造方法において詳述するように、凸型レンズ14を形成した後に、ラピッドサーマル熱処理法を用いて従来技術に比べて低温の熱処理を行っても、凸型レンズ14の集光効果により、強誘電体キャパシタ領域のみを選択的及び効率的に焼き締めて結晶化できるため、強誘電体メモリ部1Aにおいて十分な残留分極を有する強誘電体膜からなる容量絶縁膜12を形成できる。その結果、強誘電体膜の結晶化時の熱処理不足によって強誘電体メモリ特性が十分に得られないということを改善することができる。一方で、論理回路部1Bでは、この焼き締め処理においては従来技術に比べて低温の熱処理が行われるのみであるから、トランジスタの特性確保のために要求される製造プロセスの低温熱処理を満足することができる。その結果、微細化されたトランジスタの特性を維持することができる。   The ferroelectric memory device according to this embodiment having the above-described structure includes a convex lens 14 on the ferroelectric capacitor in the ferroelectric memory unit 1A. As a result, as described in detail in the manufacturing method of the ferroelectric memory device below, even if the convex lens 14 is formed and then heat treatment is performed at a temperature lower than that of the prior art using the rapid thermal heat treatment method, the convex type Since the focusing effect of the lens 14 allows only the ferroelectric capacitor region to be selectively and efficiently baked and crystallized, the capacitor insulation made of a ferroelectric film having sufficient remanent polarization in the ferroelectric memory portion 1A. The film 12 can be formed. As a result, it is possible to improve that the ferroelectric memory characteristics cannot be sufficiently obtained due to insufficient heat treatment during crystallization of the ferroelectric film. On the other hand, in the logic circuit portion 1B, only the low-temperature heat treatment is performed in the baking process as compared with the prior art, so that the low-temperature heat treatment of the manufacturing process required for securing the transistor characteristics is satisfied. Can do. As a result, the characteristics of the miniaturized transistor can be maintained.

次に、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention will be described.

図2(a)〜(c)並びに図3(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る強誘電体メモリ装置の製造方法を工程順に示している。なお、図2及び図3において、当該強誘電体メモリ装置における強誘電体メモリ部1Aと論理回路部1Bとを示している。   2A to 2C and FIGS. 3A and 3B show a method of manufacturing a ferroelectric memory device according to an embodiment of the present invention in the order of steps. 2 and 3, the ferroelectric memory unit 1A and the logic circuit unit 1B in the ferroelectric memory device are shown.

まず、図2(a)に示すように、例えばp型半導体基板1の主面に、例えばSTI法等により素子分離領域2を選択的に形成することにより、p型半導体基板1の主面を複数の素子形成領域に区画し、図では、当該素子分離領域2により、強誘電体メモリ部1Aと論理回路部1Bとに区画する。続いて、p型半導体基板1の全面に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜形成膜、及び例えば膜厚約150〜250nmのポリシリコンからなるゲート電極形成膜を順に堆積した後に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて選択的にエッチングすることにより、ゲート絶縁膜4a及びゲート幅が180nmのゲート電極4bを形成する。続いて、ゲート電極4bをマスクとして所望のイオン注入を行うことにより、p型半導体基板1におけるゲート電極4bの側方下の領域に浅いソースドレイン領域5aを形成する。続いて、p型半導体基板1の全面に、例えば膜厚120nmの窒化シリコン膜を化学的気相堆積法(CVD:Chemical Vapor Deposition)法等により堆積した後、堆積した窒化シリコン膜に対して異方性エッチングを行い、ゲート電極4b及びゲート絶縁膜4aの側面にサイドウォール4cを形成する。続いて、p型半導体基板1におけるサイドウォール4cの外側方の領域に深いソースドレイン領域6aを形成する。ソースドレイン領域は、浅いソースドレイン領域5a及び深いソースドレイン領域6aとによって構成されている。   First, as shown in FIG. 2A, for example, by selectively forming the element isolation region 2 on the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 by, for example, the STI method, the main surface of the p-type semiconductor substrate 1 is formed. In the figure, the device is divided into a plurality of element formation regions, and in the figure, the element isolation region 2 is divided into a ferroelectric memory portion 1A and a logic circuit portion 1B. Subsequently, a gate insulating film formation film made of, for example, silicon oxide and a gate electrode formation film made of, for example, polysilicon having a film thickness of about 150 to 250 nm are sequentially deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1, and then photolithography and drying are performed. By selectively etching using an etching method, the gate insulating film 4a and the gate electrode 4b having a gate width of 180 nm are formed. Subsequently, by performing desired ion implantation using the gate electrode 4b as a mask, a shallow source / drain region 5a is formed in a region below the side of the gate electrode 4b in the p-type semiconductor substrate 1. Subsequently, a silicon nitride film having a film thickness of 120 nm, for example, is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by a chemical vapor deposition (CVD) method or the like, and then the deposited silicon nitride film is different from the deposited silicon nitride film. Isotropic etching is performed to form sidewalls 4c on the side surfaces of the gate electrode 4b and the gate insulating film 4a. Subsequently, a deep source / drain region 6 a is formed in a region outside the sidewall 4 c in the p-type semiconductor substrate 1. The source / drain region is constituted by a shallow source / drain region 5a and a deep source / drain region 6a.

続いて、p型半導体基板1の全面に、ゲート電極4b及びサイドウォール4cを覆うように、例えばBPSG膜等からなる膜厚500nmの層間絶縁膜7をCVD法により堆積した後に、該層間絶縁膜7の表面を化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法により平坦化する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、層間絶縁膜7にソースドレイン領域を露出するコンタクトホールを形成した後に、CVD法及びエッチバック法、又はCVD法及びCMP法の組み合わせを用いて、下端がソースドレイン領域に接続する例えばタングステンからなるコンタクトプラグ9a(プラグ直径150〜350nm)を形成する。   Subsequently, an interlayer insulating film 7 made of, for example, a BPSG film or the like is deposited on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by a CVD method so as to cover the gate electrode 4b and the sidewall 4c. The surface of 7 is flattened by a chemical mechanical polishing (CMP) method. Subsequently, after a contact hole exposing the source / drain region is formed in the interlayer insulating film 7 by lithography and dry etching, the lower end is formed by using a CVD method and an etch back method, or a combination of the CVD method and the CMP method. A contact plug 9a (plug diameter: 150 to 350 nm) made of, for example, tungsten connected to the source / drain region is formed.

続いて、強誘電体メモリ部1Aにおける層間絶縁膜7の上に、例えばCVD法並びにリソグラフィ法及びドライエッチング法により、例えば窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜(アルミナ)、酸化チタンアルミニウム膜、酸化タンタルアルミニウム膜、酸化チタンシリコン膜、及び酸化タンタルシリコン膜等の群から選択されるいずれか1つの材料又は複数の材料からなる膜厚150nmの下部水素バリア膜8を選択的に形成する。   Subsequently, on the interlayer insulating film 7 in the ferroelectric memory unit 1A, for example, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an aluminum oxide film (alumina), a titanium oxide aluminum film, for example, by a CVD method, a lithography method, and a dry etching method. A lower hydrogen barrier film 8 having a thickness of 150 nm is selectively formed of any one material or a plurality of materials selected from the group consisting of a film, a tantalum aluminum oxide film, a titanium oxide silicon film, and a tantalum silicon oxide film. .

続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、下部水素バリア膜8及び層間絶縁膜7に、ソースドレイン領域を開口するコンタクトホールを形成した後に、CVD法及びエッチバック法、又はCVD法及びCMP法の組み合わせを用いて、下端がソースドレイン領域に接続する例えばタングステンからなるコンタクトプラグ9b(プラグ直径150〜350nm)を形成する。   Subsequently, a contact hole that opens the source / drain region is formed in the lower hydrogen barrier film 8 and the interlayer insulating film 7 by a lithography method and a dry etching method, and then a CVD method and an etch back method, or a CVD method and a CMP method are used. Using the combination, a contact plug 9b (plug diameter: 150 to 350 nm) made of, for example, tungsten, whose lower end is connected to the source / drain region is formed.

続いて、スパッタ法又はCVD法により、下部水素バリア膜8の上に、下面がコンタクトプラグ9bの上端と接続する例えば白金等からなる膜厚50nmの下部電極10を形成する。なお、下部電極10は、酸素遮蔽絶縁膜、例えばイリジウム又はイリジウム酸化膜との積層構造からなる膜を用いることが好ましい。続いて、CVD法により、層間絶縁膜7及び下部水素バリア膜8の上に、下部電極10を覆うように、例えばBPSG膜からなる膜厚500nmの層間絶縁膜を堆積した後に、該層間絶縁膜を下部電極10の表面が露出するまでCMP法により研磨することにより、下部水素バリア膜8の上及び下部電極10の側面にスペーサ絶縁膜11を形成する。   Subsequently, the lower electrode 10 having a thickness of 50 nm and made of platinum or the like whose lower surface is connected to the upper end of the contact plug 9b is formed on the lower hydrogen barrier film 8 by sputtering or CVD. The lower electrode 10 is preferably an oxygen shielding insulating film, for example, a film having a laminated structure with an iridium or iridium oxide film. Subsequently, an interlayer insulating film made of, for example, a BPSG film having a thickness of 500 nm is deposited on the interlayer insulating film 7 and the lower hydrogen barrier film 8 by the CVD method so as to cover the lower electrode 10. The spacer insulating film 11 is formed on the lower hydrogen barrier film 8 and on the side surface of the lower electrode 10 by polishing the surface of the lower electrode 10 until the surface of the lower electrode 10 is exposed.

続いて、p型半導体基板1上の全面に、有機金属分解(MOD)法、有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法又はスパッタ法により、例えばPbTiO、Pb(ZrTi1−x)O若しくはPbLa1−y(ZrTi1−x)O等の鉛系ペロブスカイト型複合酸化物、BaSr1−xTiO等のバリウム系ペロブスカイト型複合酸化物、又は、SrBiTa若しくはBiTi12等のビスマス系層状複合化合物からなり、膜厚100〜200nmの容量絶縁膜形成膜を形成する。続いて、スパッタ法により、容量絶縁膜形成膜の上に、例えばPtからなる膜厚50〜200nmの上部電極形成膜を成膜する。続いて、リソグラフィ法及びドライエッチング法により、上部電極形成膜及び容量絶縁膜形成膜をパターニングして、上部電極形成膜から上部電極13を形成すると共に、容量絶縁膜形成膜から容量絶縁膜12を形成する。このようにして、下部電極10、容量絶縁膜12、及び上部電極13からなる強誘電体キャパシタが形成される。なお、同図のように、下部電極10の断面積よりも容量絶縁膜12及び上部電極13の断面積が大きくなる場合には、上述のように、下部電極10の周囲を埋めるスペーサ絶縁膜11を形成することが好ましい。 Subsequently, for example, PbTiO 3 , Pb (Zr 2 Ti 1-x ) is formed on the entire surface of the p-type semiconductor substrate 1 by an organic metal decomposition (MOD) method, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, or a sputtering method. Lead-based perovskite complex oxides such as O 3 or Pb y La 1-y (Zr x Ti 1-x ) O 3 , barium-based perovskite complex oxides such as Ba x Sr 1-x TiO 3 , or SrBi consists 2 Ta 2 O 9 or Bi 4 Ti 3 O bismuth-based layered composite compounds such as 12, to form a capacitor insulating film forming film having a thickness of 100 to 200 nm. Subsequently, an upper electrode forming film made of, for example, Pt and having a thickness of 50 to 200 nm is formed on the capacitor insulating film forming film by sputtering. Subsequently, the upper electrode forming film and the capacitor insulating film forming film are patterned by lithography and dry etching to form the upper electrode 13 from the upper electrode forming film, and the capacitor insulating film 12 from the capacitor insulating film forming film. Form. In this way, a ferroelectric capacitor including the lower electrode 10, the capacitor insulating film 12, and the upper electrode 13 is formed. As shown in the figure, when the cross-sectional areas of the capacitive insulating film 12 and the upper electrode 13 are larger than the cross-sectional area of the lower electrode 10, the spacer insulating film 11 filling the periphery of the lower electrode 10 as described above. Is preferably formed.

次に、図2(b)に示すように、上部電極13上に入射する光を容量絶縁膜12の中心方向へ集光させるために、各キャパシタの上部電極12上にのみ凸型レンズ(マイクロレンズ)14を設ける。ここで、凸型レンズ14を形成する方法としては、一般的に固体撮像素子のマイクロレンズを作成する方法と同様であって、酸素(O)及び四フッ化メタン(CF)よりなる混合ガスをエッチングガスとして用い、ドライエッチングによりレンズ材料を凸型形状に形成する。具体的には、CVD法により、上部電極10上に酸化シリコン膜などからなるレンズ材料を堆積し、この上にレジストを塗布してレジスト層を形成する。続いて、各キャパシタに対応してレジスト層を矩形形状、正方形状、又は円形状などにパターニングする。続いて、レジスト層を100℃〜250℃程度の温度で溶融させた後固化させることで、凸型のレンズ形状とするレンズ材料上に凸型の球面状となるレジストパターンを生成する。続いて、凸型の球面状のレジストパターンをマスクに用いて、凸型のレンズ形状とするレンズ材料をエッチングすることにより、凸型レンズ14を形成する。なお、凸型レンズ14の焦点は容量絶縁膜12の中心に合致するように、凸型レンズ14を形成することが好ましい。これは凸型レンズ14による集光効果を最大限に発揮させるためである。また、凸型レンズ14は、上部電極13上に直接接するように形成することが好ましい。 Next, as shown in FIG. 2B, in order to focus the light incident on the upper electrode 13 toward the center of the capacitor insulating film 12, only a convex lens (micro-lens) is formed on the upper electrode 12 of each capacitor. Lens) 14 is provided. Here, the method for forming the convex lens 14 is generally the same as the method for producing a microlens of a solid-state imaging device, and is a mixture of oxygen (O 2 ) and tetrafluoromethane (CF 4 ). Using the gas as an etching gas, the lens material is formed into a convex shape by dry etching. Specifically, a lens material made of a silicon oxide film or the like is deposited on the upper electrode 10 by a CVD method, and a resist is applied thereon to form a resist layer. Subsequently, the resist layer is patterned into a rectangular shape, a square shape, a circular shape or the like corresponding to each capacitor. Subsequently, the resist layer is melted at a temperature of about 100 ° C. to 250 ° C. and then solidified, thereby generating a resist pattern having a convex spherical shape on a lens material having a convex lens shape. Subsequently, the convex lens 14 is formed by etching the lens material having a convex lens shape using the convex spherical resist pattern as a mask. The convex lens 14 is preferably formed so that the focal point of the convex lens 14 coincides with the center of the capacitive insulating film 12. This is to maximize the light condensing effect of the convex lens 14. The convex lens 14 is preferably formed so as to be in direct contact with the upper electrode 13.

ここで、凸型レンズ14の材料は、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなることが好ましく、具体的には、窒化シリコン膜(屈折率2.0〜2.2)、酸窒化シリコン膜(屈折率1.6〜1.8)、又は酸化シリコン膜(屈折率1.46)などに代表される屈折率が高い膜であって、且つ、半導体プロセスとの親和性が高いと共にドライエッチング加工が容易な材料を用いることが好ましい。なお、本実施形態において、凸型レンズ14の膜厚は、凸状の最も厚い箇所において300nm〜700nmである。また、凸型レンズ14を形成する際に用いる混合ガスとしては、凸型レンズ14の材料が酸化シリコン膜である場合にはテトラエトキシシラン(TEOS)及びオゾン(O)からなる混合ガス、凸型レンズ14の材料が窒化シリコン膜である場合にはシラン(SiH)、アンモニア(NH)、及び亜酸化窒素(NO)からなる混合ガス、凸型レンズ14の材料が酸窒化シリコン膜である場合にはシラン(SiH)、アンモニア(NH)、亜酸化窒素(NO)及び酸素)O)からなる混合ガスを用いることが好ましい。 Here, the material of the convex lens 14 is preferably made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more, specifically, a silicon nitride film (refractive index 2.0 to 2.2), an acid A film having a high refractive index typified by a silicon nitride film (refractive index: 1.6 to 1.8) or a silicon oxide film (refractive index: 1.46) and having high affinity with a semiconductor process. In addition, it is preferable to use a material that is easy to dry-etch. In the present embodiment, the film thickness of the convex lens 14 is 300 nm to 700 nm at the thickest portion of the convex shape. Further, as a mixed gas used when forming the convex lens 14, when the material of the convex lens 14 is a silicon oxide film, a mixed gas composed of tetraethoxysilane (TEOS) and ozone (O 3 ), convex When the material of the mold lens 14 is a silicon nitride film, a mixed gas composed of silane (SiH 4 ), ammonia (NH 3 ), and nitrous oxide (N 2 O), and the material of the convex lens 14 is silicon oxynitride In the case of a film, it is preferable to use a mixed gas composed of silane (SiH 4 ), ammonia (NH 3 ), nitrous oxide (N 2 O) and oxygen) O 2 ).

次に、図2(c)に示すように、ラピッドサーマル熱処理法を用いて、容量絶縁膜12を構成する強誘電体膜に対して結晶化熱処理を行う。図2(c)には、ラピッドサーマル熱処理における光路2Lを模式的に示している。同図に示すように、強誘電体メモリ部1Aでは、凸型レンズ14が形成されていることにより、ラピッドサーマル熱処理において光路2Lは凸型レンズ14によって集光され、容量絶縁膜12は選択的に加熱される。一方で、論理回路部1Bでは、上述したようなレンズによる集光機能がないため、その結果、容量絶縁膜12は論理回路部1Bのトランジスタと比較して高温で熱処理がなされることになる。したがって、容量絶縁膜12を選択的及び効率的に結晶化することができるため、強誘電体膜の結晶化時の熱処理不足によって強誘電体メモリ特性が十分に得られないということを改善することができる。   Next, as shown in FIG. 2C, a crystallization heat treatment is performed on the ferroelectric film constituting the capacitive insulating film 12 using a rapid thermal heat treatment method. FIG. 2C schematically shows the optical path 2L in the rapid thermal heat treatment. As shown in the figure, in the ferroelectric memory unit 1A, since the convex lens 14 is formed, the optical path 2L is condensed by the convex lens 14 in the rapid thermal heat treatment, and the capacitive insulating film 12 is selectively formed. To be heated. On the other hand, since the logic circuit portion 1B does not have the light condensing function by the lens as described above, as a result, the capacitor insulating film 12 is heat-treated at a higher temperature than the transistor of the logic circuit portion 1B. Therefore, since the capacitor insulating film 12 can be selectively and efficiently crystallized, it is improved that the ferroelectric memory characteristics cannot be sufficiently obtained due to insufficient heat treatment during crystallization of the ferroelectric film. Can do.

ここで、本工程において、ラピッドサーマル熱処理がトランジスタ特性及び強誘電体メモリ特性に及ぼす影響について説明する。   Here, the influence of rapid thermal heat treatment on transistor characteristics and ferroelectric memory characteristics in this step will be described.

下記表1は、本実施形態におけるラピッドサーマル熱処理条件の一例を示している。   Table 1 below shows an example of rapid thermal heat treatment conditions in the present embodiment.

Figure 2011108828
Figure 2011108828

本実施形態では、容量絶縁膜12を構成する強誘電体膜としてストロンチウムビスマスオキサイドを代表例に用い、酸素が3000sccm(3mL/min)、温度が700℃、時間が30秒である条件下で結晶化熱処理を行う。   In the present embodiment, strontium bismuth oxide is used as a representative example of the ferroelectric film constituting the capacitive insulating film 12, and the crystal is formed under the conditions that oxygen is 3000 sccm (3 mL / min), temperature is 700 ° C., and time is 30 seconds. A heat treatment is performed.

また、図4は、上記表1の条件にて、ラピッドサーマル熱処理を行う際に用いるラピッドサーマル熱処理装置の構造を模式的に示している。   FIG. 4 schematically shows the structure of a rapid thermal heat treatment apparatus used when rapid thermal heat treatment is performed under the conditions shown in Table 1 above.

図4に示すように、石英チャンバ103の内部に、半導体基板101(図1などのp型半導体基板1に相当する)を搭載するサセプタ102が設けられており、その内部は大気圧下である構造となっている。半導体基板101は、光源である加熱用ランプ104を用いて所定の温度に加熱され、ガス導入口105から上記表1に示す条件で酸素が内部に導入され、ガス排気口106から外部へ排出される。なお、図4では、加熱用ランプ104を用いて加熱処理を行う場合について説明したが、加熱用ランプ104の代わりにヒーターを用いたホットウォール型ヒーター加熱方式のラピッドサーマル熱処理を行うこともできる。   As shown in FIG. 4, a susceptor 102 on which a semiconductor substrate 101 (corresponding to the p-type semiconductor substrate 1 in FIG. 1) is mounted is provided inside a quartz chamber 103, and the inside thereof is under atmospheric pressure. It has a structure. The semiconductor substrate 101 is heated to a predetermined temperature using a heating lamp 104 as a light source, oxygen is introduced into the interior from the gas inlet 105 under the conditions shown in Table 1 above, and is exhausted to the outside from the gas outlet 106. The Note that although the case where heat treatment is performed using the heating lamp 104 has been described with reference to FIG. 4, rapid thermal heat treatment of a hot wall heater heating method using a heater instead of the heating lamp 104 can be performed.

また、上記結晶化熱処理は、バッチ式又は枚葉式等の多種多様なラピッドサーマル熱処理方式が存在するが、各種半導体装置に最適な処理条件を用いればよい。その際、強誘電体膜の残留分極量が最大になるように、ラピッドサーマル熱処理装置の温度及び時間を調節すればよい。このように、ラピッドサーマル熱処理条件は、上記表1に示す一例に限定されるものではないことは言うまでもない。   The crystallization heat treatment includes a variety of rapid thermal heat treatment methods such as a batch type or a single wafer type, and the optimum processing conditions may be used for various semiconductor devices. At this time, the temperature and time of the rapid thermal heat treatment apparatus may be adjusted so that the residual polarization amount of the ferroelectric film is maximized. Thus, it goes without saying that the rapid thermal heat treatment conditions are not limited to the example shown in Table 1 above.

また、図5(a)は、本実施形態に係る強誘電体メモリ装置における論理回路部1Bのトランジスタ(MOS型電界効果トランジスタ)構造の狙い実効チャネル長(Lg−efl)と実際のチャネル長(Lg−eff)とを示している。一般的に、MOS型トランジスタの実効チャネル長Lg−effは、ゲート電極4bを介して対向する浅いソースドレイン領域5a間の距離によって決定されるものであるから、イオン注入後の熱処理によって、実効チャネル長Lg−effは変化することになる。具体的には、図5(a)に示すように、当初目標としていた狙い実効チャネル長Lg−eflは、熱処理工程を経ることによって短くなり、実効チャネル長Lg−effとなる。その結果、トランジスタ特性はシフトすることになる。   FIG. 5A shows a target effective channel length (Lg-efl) and an actual channel length (Lg-efl) of the transistor (MOS field effect transistor) structure of the logic circuit unit 1B in the ferroelectric memory device according to the present embodiment. Lg-eff). In general, the effective channel length Lg-eff of a MOS transistor is determined by the distance between the shallow source / drain regions 5a facing each other via the gate electrode 4b. The length Lg-eff will change. Specifically, as shown in FIG. 5A, the target effective channel length Lg-efl, which was the initial target, is shortened through the heat treatment step, and becomes the effective channel length Lg-eff. As a result, transistor characteristics shift.

図5(b)は、MOS型電界効果トランジスタのトランジスタ特性のひとつである閾値電圧(V)の熱処理温度依存性を示している。 FIG. 5B shows the heat treatment temperature dependence of the threshold voltage (V T ), which is one of the transistor characteristics of the MOS field effect transistor.

図5(b)に示すように、トランジスタ形成後に700℃以下の熱処理を行った場合、閾値電圧(V)はV=−0.55V〜−0.45Vの間の値となり、所望の閾値電圧を維持している。しかしながら、800℃の熱処理を行った場合には、閾値電圧(V)はV=−0.4V〜−0.3Vの間の値となり、所望の閾値電圧から大きくシフトしている。これは、上記図5(a)を用いて説明したように、熱処理温度が高すぎると、実効チャネル長Lg−effが短くなり、トランジスタ特性がシフトした結果であると考えられる。 As shown in FIG. 5B, when a heat treatment at 700 ° C. or lower is performed after the transistor is formed, the threshold voltage (V T ) is a value between V T = −0.55 V to −0.45 V, which is a desired value. The threshold voltage is maintained. However, when the heat treatment at 800 ° C. is performed, the threshold voltage (V T ) becomes a value between V T = −0.4 V to −0.3 V, which is greatly shifted from the desired threshold voltage. As described with reference to FIG. 5A, this is considered to be a result of the transistor characteristics being shifted because the effective channel length Lg-eff is shortened when the heat treatment temperature is too high.

したがって、上記表1に示した本実施形態におけるラピッドサーマル熱処理条件下で強誘電体膜を結晶化すれば、結晶化温度を700℃に低温化できるため、熱処理の前後において、実効チャネル長Lg−effを実質的に変化させることがなく、トランジスタ特性のシフトを防止できる。それと同時に、容量絶縁膜12は上記の通り、凸型レンズ14によって選択的及び効率的に結晶化することが可能であるため、結晶化温度700℃においても、強誘電体膜の結晶化時の熱処理不足によって強誘電体メモリ特性が十分に得られないということを改善することができる。   Therefore, if the ferroelectric film is crystallized under the rapid thermal heat treatment conditions in the present embodiment shown in Table 1 above, the crystallization temperature can be lowered to 700 ° C. Therefore, before and after the heat treatment, the effective channel length Lg− It is possible to prevent a shift in transistor characteristics without substantially changing eff. At the same time, since the capacitive insulating film 12 can be selectively and efficiently crystallized by the convex lens 14 as described above, even when the ferroelectric film is crystallized even at a crystallization temperature of 700 ° C. It can be improved that the ferroelectric memory characteristics cannot be sufficiently obtained due to insufficient heat treatment.

図6は、本発明の一実施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の分極量を示すヒステリシス曲線である。   FIG. 6 is a hysteresis curve showing the polarization amount of the ferroelectric capacitor in the ferroelectric memory device according to the embodiment of the present invention.

図6の評価で使用した強誘電体キャパシタは、一例として、下部電極10の上方より見た投影表面積(図示せず)が0.7μm、白金からなる下部電極10のX軸の長さが0.835μm、同じくY軸の長さが0.835μmで、容量絶縁膜12の膜厚が100nmの試料である。 As an example, the ferroelectric capacitor used in the evaluation of FIG. 6 has a projected surface area (not shown) of 0.7 μm 2 as viewed from above the lower electrode 10, and the X-axis length of the lower electrode 10 made of platinum. This sample is 0.835 μm, the length of the Y-axis is 0.835 μm, and the thickness of the capacitive insulating film 12 is 100 nm.

図6に示すように、強誘電体キャパシタに凸型レンズ14を設けることにより、凸型レンズ14を設けない場合と比較して、強誘電体分極量は約1.67倍になっていることが分かる。   As shown in FIG. 6, by providing the convex lens 14 in the ferroelectric capacitor, the amount of ferroelectric polarization is about 1.67 times that in the case where the convex lens 14 is not provided. I understand.

以上のように、本実施形態に係る強誘電体装置の製造方法によると、強誘電体メモリとトランジスタとの混載を容易にインテグレーションでき、強誘電体特性とトランジスタ特性との両立を実現することができる。このため、例えば、トランジスタとしてキャッシュデータを格納するためのSRAM回路又は暗号化回路に用いられるような大規模の論理回路部のトランジスタが存在する場合に、プロセスが微細化されてもトランジスタの特性シフトが起こらないため、面積縮小によるチップコストの削減などの大きな効果が得られる。   As described above, according to the manufacturing method of the ferroelectric device according to the present embodiment, the mixed mounting of the ferroelectric memory and the transistor can be easily integrated, and both the ferroelectric characteristics and the transistor characteristics can be realized. it can. For this reason, for example, when there is a transistor of a large-scale logic circuit part used in an SRAM circuit or an encryption circuit for storing cache data as a transistor, the characteristic shift of the transistor is reduced even if the process is miniaturized. Therefore, a great effect such as reduction of chip cost due to area reduction can be obtained.

次に、図3(a)に示すように、例えばCVD法を用いて、下部水素バリア膜8の上に、層間絶縁膜11、強誘電体キャパシタ、及び凸型レンズ14を覆うように、例えば窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜(アルミナ)、酸化チタンアルミニウム膜、酸化タンタルアルミニウム膜、酸化チタンシリコン膜、及び酸化タンタルシリコン膜等の群から選択されるいずれか1つの材料又は複数の材料からなる膜厚10〜100nmの上部水素バリア膜15を形成する。このようにして、強誘電体キャパシタの周囲を、互いに接続する下部水素バリア膜8及び上部水素バリア膜15とによって完全に被覆する。   Next, as shown in FIG. 3A, for example, the CVD method is used to cover the interlayer insulating film 11, the ferroelectric capacitor, and the convex lens 14 on the lower hydrogen barrier film 8, for example, One or more materials selected from the group consisting of silicon nitride film, silicon oxynitride film, aluminum oxide film (alumina), titanium aluminum oxide film, tantalum aluminum oxide film, titanium oxide silicon film, tantalum silicon oxide film, etc. An upper hydrogen barrier film 15 made of the above material and having a thickness of 10 to 100 nm is formed. In this way, the periphery of the ferroelectric capacitor is completely covered with the lower hydrogen barrier film 8 and the upper hydrogen barrier film 15 connected to each other.

ここで、本実施形態の強誘電体メモリ部1Aにおける複数の強誘電体メモリ装置が互いに隣り合う構造部分においては、図7(a)に示すように、上部電極13と上部水素バリア膜15との間にそれぞれ凸型レンズ14が形成されている。このため、凸型レンズ14を形成する際に、強誘電体キャパシタ間における層間絶縁膜13の表面が凹状に30〜100nm程度エッチングされる。その結果、強誘電体キャパシタ上においては凸型レンズ14の角張った所のない凸型の形状が形成されていると共に、強誘電体キャパシタ間の層間絶縁膜13においては、凸型レンズ14の凸型の形状と連続するようにして、凹状のなだらかな傾斜を有する表面が形成される。したがって、連続したなだらか凹凸形状の上に、上部水素バリア膜15を形成することができるため、その被覆性を良化することができる。それゆえ、上部水素バリア膜15の膜厚を薄く形成したとしても、高い水素バリア性を維持でき、強誘電体膜の特性劣化を防止できる。なお、本実施形態では、上部水素バリア膜15の膜厚は10〜100nmの範囲で形成する場合を例に挙げたが、本件発明者が得た知見によると、上部水素バリア膜15の膜厚は数nmあれば十分に水素を遮断できることが分かっている。   Here, in the structure portion where the plurality of ferroelectric memory devices in the ferroelectric memory portion 1A of the present embodiment are adjacent to each other, as shown in FIG. 7A, the upper electrode 13, the upper hydrogen barrier film 15, and the like. Convex lenses 14 are formed between the two. Therefore, when the convex lens 14 is formed, the surface of the interlayer insulating film 13 between the ferroelectric capacitors is etched in a concave shape by about 30 to 100 nm. As a result, the convex shape without the angular portion of the convex lens 14 is formed on the ferroelectric capacitor, and the convex of the convex lens 14 is formed on the interlayer insulating film 13 between the ferroelectric capacitors. Continuing with the shape of the mold, a concave, gently inclined surface is formed. Therefore, since the upper hydrogen barrier film 15 can be formed on the continuous gentle uneven shape, the coverage can be improved. Therefore, even if the upper hydrogen barrier film 15 is formed thin, high hydrogen barrier properties can be maintained and characteristic deterioration of the ferroelectric film can be prevented. In the present embodiment, the film thickness of the upper hydrogen barrier film 15 is described as an example in the range of 10 to 100 nm. However, according to the knowledge obtained by the present inventors, the film thickness of the upper hydrogen barrier film 15 is described. Is known to be able to sufficiently block hydrogen with a few nm.

これに対し、図7(b)に示すように、互いに隣り合う強誘電体メモリ装置において、上部電極13と上部水素バリ膜15との間にそれぞれ凸型レンズ14を設けない従来の構造の場合、平坦な上面形状を有し且つ端面形状が垂直に近い形状である上部電極13同士が隣り合って形成された構造に対して、上部水素バリア膜15を形成することになるため、上部水素バリア膜15の被覆性は悪化する。その結果、上部水素バリア膜15の膜厚を薄く形成すると、水素バリア性が低下し、強誘電体膜の特性劣化が大きくなる。   On the other hand, as shown in FIG. 7B, in the ferroelectric memory device adjacent to each other, the conventional structure in which the convex lens 14 is not provided between the upper electrode 13 and the upper hydrogen burr film 15, respectively. Since the upper hydrogen barrier film 15 is formed on the structure in which the upper electrodes 13 having a flat upper surface shape and the end surface shape being nearly vertical are formed adjacent to each other, the upper hydrogen barrier film 15 is formed. The coverage of the film 15 is deteriorated. As a result, when the thickness of the upper hydrogen barrier film 15 is reduced, the hydrogen barrier property is lowered and the characteristic deterioration of the ferroelectric film is increased.

次に、図3(b)に示すように、強誘電体メモリ部1A及び論理回路部1Bにおいて、層間絶縁膜7及び下部水素バリア膜8の上に、強誘電体キャパシタを覆うように、例えばBPSG膜からなる膜厚1500〜2500nmの層間絶縁膜16を形成した後、CMP法を用いてその表面を平坦化して、最終的に、層間絶縁膜16及び層間絶縁膜7の膜厚合計が1300〜2500nmになるように調整する。続いて、強誘電体メモリ部1Aにおける層間絶縁膜16に、該層間絶縁膜16を貫通してコンタクトプラグ9aを露出するコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込むことにより、コンタクトプラグ9aと接続し、且つ、強誘電体メモリ部1Aのメモリトランジスタのソースドレイン領域と電気的に接続するコンタクトプラグ17(プラグ直径150〜350nm)を形成する。また、同時に、論理回路部1Bにおける層間絶縁膜16に、該層間絶縁膜16を貫通してコンタクトプラグ9aを露出するコンタクトホールを形成した後、該コンタクトホールに例えばタングステンを埋め込むことにより、コンタクトプラグ9aと接続し、且つ、層間絶縁膜16を貫通してコンタクトプラグ9aと接続し、論理回路部1Bのトランジスタのソースドレイン領域と電気的に接続するコンタクトプラグ17(プラグ直径150〜350nm)を形成する。続いて、層間絶縁膜16の上に、公知の技術を用いて例えばアルミニウム又は銅からなり、強誘電体メモリ部1Aにおけるコンタクトプラグ17と接続する膜厚約400nm前後であり幅が70umのボンディングパッド18と論理回路部1Bにおけるコンタクトプラグ17(直径150〜350nm)と接続する膜厚約400nm前後で幅が250nm以上の配線層19とを形成する。さらに、CVD法及びCMP法を用いた公知の技術により、層間絶縁膜16の上に、配線層18及びボンディングパッド19を覆うように、表面を平坦化した例えばBPSG膜からなる膜厚800nmの層間絶縁膜20を形成する。   Next, as shown in FIG. 3B, in the ferroelectric memory unit 1A and the logic circuit unit 1B, the ferroelectric capacitor is covered on the interlayer insulating film 7 and the lower hydrogen barrier film 8, for example, After the interlayer insulating film 16 made of a BPSG film having a thickness of 1500 to 2500 nm is formed, the surface thereof is flattened using the CMP method, and finally the total thickness of the interlayer insulating film 16 and the interlayer insulating film 7 is 1300. Adjust to ˜2500 nm. Subsequently, a contact hole that penetrates the interlayer insulating film 16 and exposes the contact plug 9a is formed in the interlayer insulating film 16 in the ferroelectric memory portion 1A, and then contact is made by, for example, burying tungsten in the contact hole. A contact plug 17 (plug diameter 150 to 350 nm) is formed which is connected to the plug 9a and electrically connected to the source / drain region of the memory transistor of the ferroelectric memory unit 1A. At the same time, a contact hole that penetrates the interlayer insulating film 16 and exposes the contact plug 9a is formed in the interlayer insulating film 16 in the logic circuit portion 1B, and the contact plug is filled with tungsten, for example. A contact plug 17 (plug diameter 150 to 350 nm) is formed which is connected to 9a and is connected to the contact plug 9a through the interlayer insulating film 16 and electrically connected to the source / drain region of the transistor of the logic circuit portion 1B. To do. Subsequently, on the interlayer insulating film 16, a bonding pad made of, for example, aluminum or copper using a known technique and having a thickness of about 400 nm and a width of 70 μm connected to the contact plug 17 in the ferroelectric memory portion 1A. 18 and a wiring layer 19 having a thickness of about 400 nm and a width of 250 nm or more connected to the contact plug 17 (diameter 150 to 350 nm) in the logic circuit portion 1B. Further, an 800 nm thick interlayer made of, for example, a BPSG film having a planarized surface so as to cover the wiring layer 18 and the bonding pad 19 on the interlayer insulating film 16 by a known technique using the CVD method and the CMP method. An insulating film 20 is formed.

以上のようにして、本実施形態に係る強誘電メモリ装置が完成する。   As described above, the ferroelectric memory device according to this embodiment is completed.

本発明は、強誘電体メモリ部と論理回路部とを混載する強誘電体メモリ装置にとって有用である。   The present invention is useful for a ferroelectric memory device in which a ferroelectric memory portion and a logic circuit portion are mixedly mounted.

1A 強誘電体メモリ部
1B 論理回路部
1 p型半導体基板
2 素子分離領域
2L 光路
3 活性領域
4a ゲート絶縁膜
4b ゲート電極
4c サイドウォール
5a 浅いソースドレイン領域
6a 深いソースドレイン領域
7 層間絶縁膜
7A、7B 領域
8 下部水素バリア膜
9a コンタクトプラグ
9b コンタクトプラグ
10 下部電極
11 スペーサ絶縁膜
12 容量絶縁膜
13 上部電極
14 凸型レンズ
15 上部水素バリア膜
16 層間絶縁膜
17 コンタクトプラグ
18 配線層
19 ボンディングパッド
20 層間絶縁膜
101 半導体基板
102 サセプタ
103 石英チャンバ
104 ランプ
105 ガス導入口
106 ガス排出口
Lg−eff 実効チャネル長
Lg−efl 狙い実効チャネル長
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1A Ferroelectric memory part 1B Logic circuit part 1 P-type semiconductor substrate 2 Element isolation region 2L Optical path 3 Active region 4a Gate insulating film 4b Gate electrode 4c Side wall 5a Shallow source / drain region 6a Deep source / drain region 7 Interlayer insulating film 7A, 7B region 8 lower hydrogen barrier film 9a contact plug 9b contact plug 10 lower electrode 11 spacer insulating film 12 capacitive insulating film 13 upper electrode 14 convex lens 15 upper hydrogen barrier film 16 interlayer insulating film 17 contact plug 18 wiring layer 19 bonding pad 20 Interlayer insulating film 101 Semiconductor substrate 102 Susceptor 103 Quartz chamber 104 Lamp 105 Gas inlet 106 Gas outlet Lg-eff Effective channel length Lg-efl Target effective channel length

Claims (13)

半導体基板上に、下部電極、ペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体膜及び上部電極がこの順に積層して形成された強誘電体キャパシタを備えており、
前記上部電極上に形成され、集光により前記強誘電体膜を選択的に加熱する凸型レンズをさらに備えている、強誘電体メモリ装置。
On the semiconductor substrate, there is provided a ferroelectric capacitor in which a lower electrode, a ferroelectric film having a perovskite crystal structure, and an upper electrode are laminated in this order,
A ferroelectric memory device, further comprising a convex lens formed on the upper electrode and selectively heating the ferroelectric film by condensing.
請求項1に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記凸型レンズは、前記上部電極に直接接している、強誘電体メモリ装置。
The ferroelectric memory device according to claim 1,
The ferroelectric memory device, wherein the convex lens is in direct contact with the upper electrode.
請求項1又は2に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記凸型レンズは、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなる、強誘電体メモリ装置。
The ferroelectric memory device according to claim 1 or 2,
The convex lens is a ferroelectric memory device made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more.
請求項1〜3のうちのいずれか1項に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記凸型レンズは、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、又は酸化シリコン膜からなる、強誘電体メモリ装置。
The ferroelectric memory device according to any one of claims 1 to 3,
In the ferroelectric memory device, the convex lens is made of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon oxide film.
請求項1〜4のうちのいずれか1項に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記強誘電体キャパシタを複数個備えており、
互いに隣り合う前記強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜の表面は、前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上に形成された前記凸型レンズの凸型の表面形状と連続するように凹型の表面形状に形成されている、強誘電体メモリ装置。
The ferroelectric memory device according to any one of claims 1 to 4,
A plurality of the ferroelectric capacitors,
The surface of the interlayer insulating film that fills between the adjacent ferroelectric capacitors has a concave surface shape that is continuous with the convex surface shape of the convex lens formed on the adjacent ferroelectric capacitors. A ferroelectric memory device formed on the substrate.
請求項5に記載の強誘電体メモリ装置において、
前記半導体基板上に、前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上及び前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜上を連続して覆うように形成された水素バリア膜をさらに備えている、強誘電体メモリ装置。
The ferroelectric memory device according to claim 5,
A hydrogen barrier film formed on the semiconductor substrate so as to continuously cover the ferroelectric capacitors adjacent to each other and an interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors; Ferroelectric memory device.
半導体基板上に、下部電極、ペロブスカイト型結晶構造を持つ強誘電体膜及び上部電極をこの順に積層して強誘電体キャパシタを形成する工程(a)と、
前記上部電極上に凸型レンズを形成する工程(b)と、
前記工程(b)の後に、ラピッドサーマルアニール法を用いて、前記強誘電体膜を結晶化する熱処理を行う工程(c)とを備え、
前記工程(c)は、前記ラピッドサーマルアニール法で使用する光を前記凸型レンズを用いて前記強誘電体膜に集光させることにより、前記強誘電体膜を選択的に加熱する工程を含む、強誘電体メモリ装置の製造方法。
(A) forming a ferroelectric capacitor by laminating a lower electrode, a ferroelectric film having a perovskite crystal structure, and an upper electrode in this order on a semiconductor substrate;
Forming a convex lens on the upper electrode (b);
A step (c) of performing a heat treatment for crystallizing the ferroelectric film using a rapid thermal annealing method after the step (b);
The step (c) includes a step of selectively heating the ferroelectric film by condensing the light used in the rapid thermal annealing method onto the ferroelectric film using the convex lens. And manufacturing method of ferroelectric memory device.
請求項7に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記工程(b)は、前記上部電極に直接接するように、前記凸型レンズを形成する工程を含む、強誘電体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 7,
The method of manufacturing a ferroelectric memory device, wherein the step (b) includes a step of forming the convex lens so as to be in direct contact with the upper electrode.
請求項7又は8に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記工程(c)の前に、前記半導体基板上に、論理回路部を構成するトランジスタを形成する工程(d)をさらに備え、
前記工程(c)は、前記トランジスタの実効チャネル長を実質的に変化させないように、前記熱処理を行う工程を含む、強誘電体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 7 or 8,
Before the step (c), the method further includes a step (d) of forming a transistor constituting a logic circuit portion on the semiconductor substrate.
The step (c) includes a step of performing the heat treatment so as not to substantially change the effective channel length of the transistor.
請求項7〜9のうちのいずれか1項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記工程(a)は、前記半導体基板上に、前記強誘電体キャパシタを複数個形成する工程を含み、
前記工程(b)の前に、前記複数の強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜を形成する工程(e)をさらに備え、
前記工程(b)は、互いに隣り合う前記強誘電体キャパシタ間を埋める前記層間絶縁膜の表面を、前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上に形成される前記凸型レンズの凸型の表面形状と連続するように、凹型の表面形状に形成する工程を含む、強誘電体メモリ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the ferroelectric memory device according to any one of claims 7 to 9,
The step (a) includes a step of forming a plurality of the ferroelectric capacitors on the semiconductor substrate,
Before the step (b), the method further comprises a step (e) of forming an interlayer insulating film filling the space between the plurality of ferroelectric capacitors,
In the step (b), the surface of the interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors is defined as the convex surface shape of the convex lens formed on the adjacent ferroelectric capacitors. A method for manufacturing a ferroelectric memory device, comprising a step of forming a concave surface shape so as to be continuous.
請求項10に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記工程(c)の後に、前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ上及び前記互いに隣り合う強誘電体キャパシタ間を埋める層間絶縁膜上を連続して覆うように水素バリア膜を形成する工程(f)をさらに備える、強誘電体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to claim 10,
After the step (c), a step (f) of forming a hydrogen barrier film so as to continuously cover the ferroelectric capacitors adjacent to each other and the interlayer insulating film filling the space between the adjacent ferroelectric capacitors. A method for manufacturing a ferroelectric memory device, further comprising:
請求項7〜11のうちのいずれか1項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記凸型レンズは、屈折率が1.46以上の高屈折率材料からなる、強誘電体メモリ装置の製造方法。
In the manufacturing method of the ferroelectric memory device according to any one of claims 7 to 11,
The method for manufacturing a ferroelectric memory device, wherein the convex lens is made of a high refractive index material having a refractive index of 1.46 or more.
請求項7〜12のうちのいずれか1項に記載の強誘電体メモリ装置の製造方法において、
前記凸型レンズは、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、又は酸化シリコン膜からなる、強誘電体メモリ装置の製造方法。
The method of manufacturing a ferroelectric memory device according to any one of claims 7 to 12,
The method of manufacturing a ferroelectric memory device, wherein the convex lens is made of a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, or a silicon oxide film.
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