JP3118702B2 - 非揮発性メモリ薄膜の製造方法 - Google Patents

非揮発性メモリ薄膜の製造方法

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    • H10N30/093Forming inorganic materials

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、非揮発性メモリ薄
膜の製造方法に関し、特に、非揮発性メモリの誘電特性
及び信頼性を向上する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、強誘電体のPZT(Lead zirco
nate titanate )薄膜は、基板の状態に敏感な特性を有
するため、同種類の基板を用いた場合にも、表面状態、
結晶構造、及び微細構造により物性が左右される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】特に、従来のSi/S
iO2 /Pt基板においては、シリコン(Si)及び緩
衝膜のシリカ(SiO2 )と白金(Pt)との接着性が
劣るため、熱処理を施すとき薄膜が剥がれるピーリング
(Peeling )現象を誘発し、PZT薄膜内の白金イオン
の拡散を防止する緩衝層としての役割も不充分であっ
た。
【0004】また、熱処理の温度が高くなると、鉛(P
b)が白金電極の界面を経て拡散され基板物質のシリコ
ンと反応して第2相を形成し、又は外部に揮発されて化
学量論的な組成比の不一致を招来し、非強誘電性ペロブ
スカイト形態の鉛の不足する単斜晶形態としてのPbT
3 7 結晶構造を形成していた。更に、基板物質のシ
リコンが薄膜の内部に拡散して薄膜と反応するため、鉛
−シリケート等のように強誘電特性に悪い影響を与える
結晶構造を保有し、ペロブスカイト相の形成温度が極め
て高く、生成温度の範囲も縮小され、実際の半導体素子
製造工程には適用し難いという欠点があった。
【0005】通常、PZT薄膜は、チタン酸鉛(PbT
iO3 )及びジルコニウム酸鉛(PbZrO3 )の固溶
体であり、ジルコニウム(Zr)の含量が増加するとペ
ロブスカイト相を形成するための核生成エネルギーが増
加して、相移転温度も高くなる。実質的に、現在報告さ
れているPZT薄膜は、製造方法に関係なく650℃以
上の高温で純粋なペロブスカイト相が形成されるが、こ
の温度で単一相が形成されないときもある。
【0006】併し、このような温度(650℃)は半導
体の製造工程時に金属線、又は不純物のドーピング状態
に影響を与え、実際に半導体素子を製造する時の信頼度
を低下させると共に、鉛イオンとシリコンイオンとの揮
発及び拡散の反応により、組成変化を起こして強誘電性
を低下させるおそれがあった。然るに、このような従来
の半導体の基板及び薄膜の不安定性は、微細構造にも悪
影響を与え、電気的物性の低下とクラック(Crack )等
を誘発するため、信頼性のある薄膜を製造することがで
きないという不都合な点があった。
【0007】そこで、本発明は以上のような従来の問題
点に鑑み、アルミナ(Al2 3 )緩衝層及びチタン酸
鉛(PbTiO3 )促進層を形成することで、半導体の
誘電特性及び信頼性を向上した非揮発性メモリ薄膜の製
造方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1記載
の発明は、半導体基板上にアルミナ(Al 2 3 )緩衝
層を蒸着形成する工程と、該アルミナ(Al 2 3 )緩
衝層上に白金電極を蒸着形成する工程と、該白金電極上
にチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層を蒸着形成する工
程と、該チタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層上にPZT
薄膜を蒸着形成する工程と、を含んで構成される非揮発
性メモリ薄膜の製造方法であって、前記アルミナ(Al
2 3 )緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層
を蒸着する工程は、夫々、アルミナ(Al 2 3 )及び
チタン酸鉛(PbTiO 3 )コーティング用ゾルをフィ
ルターにより濾過して半導体基板上に所定量を滴下する
工程と、スピンコータを用いて約4000rpmの回転
速度で約30秒間回転させスピンコーティングを行う工
程と、80〜90℃の温度で溶媒を蒸発しながら1次乾
燥を行う工程と、約450℃の温度で2次乾燥を行う工
程と、スピンコーティングを行う工程、1次乾燥及び2
次乾燥を行う工程を2回繰返した後、約2℃/minの
温度変化条件下の電気炉内で酸素(O 2 )雰囲気で約6
00℃、約30分間の熱処理を施す工程と、を含んで構
成されることを特徴とする
【0009】かかる構成によれば、半導体基板と白金電
極との間に、半導体基板と白金電極との接着力を増大さ
せると共に、半導体基板とPZT薄膜との反応を抑制す
るアルミナ(Al 2 3 )緩衝層を形成することができ
るので、非揮発性メモリ薄膜の電気的特性及びPZT薄
膜の結晶化が安定し、従来の非揮発性メモリ薄膜よりも
ペロブスカイト相の形成温度が低下する。また、PZT
薄膜と白金電極との間に、微細構造が略均一なチタン酸
鉛(PbTiO 3 )促進層を形成することができるの
で、ペロブスカイト相の形成温度が低下し、第2相の生
成が防止される。ここで、アルミナ(Al 2 3 )緩衝
層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層は、コーティ
ング用ゾルを半導体基板上に滴下してスピンコーティン
グを行う工程、及び、1次乾燥及び2次乾燥を行う工程
を2回繰返した後、約2℃/minの温度変化条件下の
電気炉内で酸素(O 2 )雰囲気で約600℃、約30分
間の熱処理が施されて形成される。
【0010】請求項2記載の発明は、前記アルミナ(A
2 3 )緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進
層を、夫々100Å以下の厚さに形成した。
【0011】かかる構成によれば、アルミナ(Al 2
3 )緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )の夫々の作
用が充分に発揮できるように、アルミナ(Al 2 3
緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )を形成しても、
その合計厚さが200Å以下となるので、非揮発性メモ
リ薄膜の厚さの増加が極力抑制される。
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態に対
し、図面を用いて説明する。本発明に係る非揮発性メモ
リ薄膜は、図1に示すように、半導体基板(1)と、該
半導体基板(1)上に蒸着形成されるアルミナ(Al2
3 )緩衝層(2)と、該アルミナ(Al2 3 )緩衝
層(2)上に蒸着形成される白金電極(3)と、該白金
電極(3)上に蒸着形成されるチタン酸鉛(PbTiO
3 )促進層(4)と、該チタン酸鉛(PbTiO3 )促
進層(4)上に蒸着形成されるPZT薄膜(5)と、を
含んで構成されている。
【0016】即ち、非揮発性メモリ薄膜は、PZT薄膜
(5)のような正方晶構造を有しながらも、結晶化温度
の低いチタン酸鉛(PbTiO3 )の促進層(Seed Lay
er)(4)をPZT薄膜(5)と白金電極(3)間に挿
入し、PZT薄膜(5)のペロブスカイト相を形成する
前に予め核を形成する場所を充分に確保して、低い核生
成エネルギーにより核を成長させて低温で純粋なペロブ
スカイト相を形成し、且つ、半導体基板(1)と白金電
極(3)間には、半導体基板(1)とPZT薄膜(5)
との反応を制御するアルミナ(Al2 3 )の緩衝層
(2)をゾルーゲルスピンコーティング法により挿入し
て、電気的な物性を向上させ、PZT薄膜(5)の結晶
化を安定化したものである。
【0017】ここで、半導体基板(1)と白金電極
(3)間の緩衝膜としてアルミナ(Al 2 3 )を選ん
だ理由について説明する。現在、半導体基板(1)上の
電極物質として広用されている白金は、高温工程を行う
ときには、薄膜及び基板物質の拡散が制御できず、且
つ、白金と半導体基板との接着性も顕著に低下するた
め、酸化イリジウム(Ir2 3 )及び酸化ルテニウム
(RuO2 )のような酸化物電極の開発が進行されてい
るが、現在まで開発された酸化物電極は既存の白金電極
より却って漏れ電流(Leakage current)等が多く発生
するため、非揮発性メモリ薄膜の商業的な大量生産には
適用されない状態である。そして、従来の拡散防止及び
基板との接着力増進のため使用していたTiN,Ta2
5 ,ZrO2 ,Si3 4 ,YBa2 Cu3 7-x
のような緩衝膜は、高温の熱処理を行うときに拡散が制
御できず、却って電極及び薄膜の物性低下を起こすとい
う問題点があった、また、半導体基板(1)との界面性
質が良好であるため、従来の非揮発性メモリ薄膜を製造
するときに用いられていた熱酸化膜(SiO2 )は、欠
陥密度及び歩止り等が不足して非揮発性メモリ薄膜の厚
さを薄くすることが難しく、例えば、熱酸化膜(SiO
2 )の厚さが100Å以下であると、漏れ電流が急激に
増加して安定性及び信頼性が低下するので、超高集積の
半導体メモリ素子としては不適であった。
【0018】更に、該熱酸化膜(SiO2 )は、根本的
にナトリウムイオン(Na+ )のような不純物の拡散に
対し、保護層としての役割を果たすことができず、最近
の超高集積の半導体素子に広用される電子ビーム(Elec
tron beam 、EB)、又は反応性イオンエッチング(Reac
tive ion etching、RIE )の放射(Radiative )によ
り、半導体素子が損傷されるという欠点があった。
【0019】この他には、非活性層(Passivation laye
r )として使用される窒化膜(Si 3 4 )は、ストレ
スが大きく蒸着反応を行うときの放射損傷(Radiation
damage)により素子の信頼性が低下し、新材料及び別途
の中間層(Intermediate layer)が必要になるので、使
用上限界があった。尚且つ、酸化タンタル(Ta
2 5 )の緩衝膜は、600℃以上の熱処理を行うとき
拡散が甚だしく発生し、電極の機能及び安定性が低下す
るため、使用上限界があった。
【0020】そこで、本発明では、漏れ電流の特性に優
れた白金電極と、汎用性のある半導体基板とを活用する
ために、テープテスティング(Tape testing)と、高温
下で熱処理を施した後の組成分析のような予備実験とを
行った結果、熱的に安定で、シリコンと白金との接着力
を増大させ、且つ、ゾルーゲル法により容易に製造し得
るアルミナ(Al2 3 )を緩衝膜として選択した。
【0021】現在、表面保護用の薄膜として広用されて
いるアルミナ(Al2 3 )は、優れた化学的安定性及
び高い硬度を有し、放射(Radiation )に対する抵抗性
が優秀で、ナトリウムイオン(Na+ )等の不純物に対
する透過性(Permeability)が低く、誘電率が7.5〜
8であるため熱酸化膜(SiO2 )より大きく、且つ蒸
着層の微細構造の変化により食刻速度(Etching rate)
の調節を行い得る長所を有している。
【0022】特に、アルミナ(Al2 3 )は熱的安定
性が優秀であるため、高温時の拡散を効果的に制御し、
基板物質であるシリコンとの接着力に優れるため、拡散
防止用の緩衝膜として最適である。次に、本発明に係る
強誘電特性を有する非揮発性メモリ薄膜を製造するとき
に、用いるPZT,PbTiO3 及びAl2 3 コーテ
ィング用のゾルの製造方法について説明する。
【0023】先ず、PZT,PbTiO3 コーティング
用のゾルを製造するための出発物質としては、Lead ace
tate trihydrate[Pb(C2 4 2 )・3H
2 O]、Titanium iso-propoxide[TIP,Ti(OC
3 7 4 ]、Zirconium n-butoxide[ZNB,Zr
(OC4 9 3 ]を使用し、溶媒としては、Iso-prop
anol[IPA,C3 7 OH]を使用する。また、ゾル
の安定化のための錯化剤としては、Alkanolamine系列の
中実験を行った結果、最適のDEA(Diethanolamine)
を選択し、触媒としては最終的に酸性触媒の窒酸(HN
3 )を選択した。本実施形態で用いたPZTゾルの組
成は、MPB(Morphotropic phase boundary )領域と
して知られる52:48(Zr:Ti)の組成を選択し
た。
【0024】又、チタン酸鉛(PbTiO3 )ゾルの製
造のために、転移金属アルコクサイドのTIPの1モル
に、溶媒としてのIPAの1モルを混合させて溶解させ
た後、加水分解及び重縮合反応の抑制のためにDEAの
1モルを滴下させ、充分に反応し得るように2時間程度
攪拌させる。ここに、Pb acetetae trihydrateに含有
されている水分(H2 O)を除去せずに常温で直接添加
して、加水分解及び重縮合反応に用いた。
【0025】次いで、ゾルに薄膜の製造に適合な線形構
造を与えるため、最終的に窒酸(HNO3 )をIPAに
希釈させて添加しチタン酸鉛(PbTiO3 )の前駆体
ゾルを製造し、上記IPAと該製造された前駆体ゾルと
の容積比が約3:1になるように該IPAを希釈し、コ
ーティング用のゾルを製造する。ここで、本発明に係る
非揮発性メモリ薄膜の製造方法について、図1を参照し
て説明する。
【0026】先ず、本実施形態で用いる半導体基板
(1)は、p形のシリコンウエハであって、抵抗が1.
72〜2.58Ω・cmの4”ウエハであり、該ウエハ
を2×2cm2 の大きさに切断した試片をコーティング
用に使用し、半導体基板(1)の汚染を避けるために次
のような工程を順次行う。 1)蒸留水を用いて洗浄及び乾燥する。
【0027】2)有機物を除去するため30分間TCE
(Tetrachloroethylene )にソーキング(soaking )す
る。 3)アセトン(Aceton)で5分間洗浄する。 4)メタノール(Methanol)で5分間洗浄する。 5)フッ化水素溶液(H2 O:HF=10:1)で3分
間洗浄する。
【0028】6)水酸化ナトリウム(NH4 OH)で5
分間洗浄する。 7)蒸留水で洗浄した後、乾燥させる。 上記のように、半導体基板(1)を洗浄及び乾燥した
後、アルミナ(Al2 3 )の緩衝層(2)を製造する
ため、アルミナ(Al2 3 )コーティング用のゾルを
0.2μmフィルターにより濾過した後、半導体基板
(1)上に所定量を滴下しスピンコータを用いて約40
00rpmの回転速度で約30秒間回転させて、スピン
コーティングを施す。
【0029】次いで、緩衝層(2)の乾燥段階として
は、溶媒を蒸発しながら80〜90℃の温度で1次乾燥
し、殆どの有機物が除去される約450℃の温度で2次
乾燥を行って、コーティング工程、1次及び2次乾燥工
程を2回繰返し、約2℃/minの温度変化条件下の電気
炉内で酸素(O2 )雰囲気に約600℃、約30分間の
熱処理を行って最終緩衝層(2)を形成する。このよう
に製造されたアルミナ(Al2 3 )の緩衝層(2)の
厚さをα−stepにより測定した結果、100Å以下であ
った。
【0030】その後、白金電極(3)として白金をスパ
ッタリングし約100Åの厚さに蒸着して、約600
℃、約30分間の熱処理を行った後、チタン酸鉛(Pb
TiO 3 )(4)のコーティング用のゾルを0.2μm
フィルターにより濾過し、上記アルミナ(Al2 3
(2)と同様な方法で100Å以下の厚さにコーティン
グする。
【0031】次いで、上記チタン酸鉛(PbTiO3
(4)の薄膜を約80℃の温度の熱板(Hot plate )で
約5分間乾燥して溶媒を蒸発させた後、約450℃の温
度で約5分間の熱処理を行って薄膜内の有機物を除去す
る。その後、このような乾燥段階を経てチタン酸鉛(P
bTiO3 )(4)の薄膜を約500℃で約30分間維
持させて結晶状の薄膜に転移させ、該結晶状の薄膜の上
にPZT薄膜(5)をチタン酸鉛(PbTiO3
(4)薄膜を製造するときと同様な方法でコーティン
グ、乾燥、及び熱処理を施して、最終的に約3000Å
厚さのPZT薄膜(5)を製造する。
【0032】次いで、上記PZT薄膜(5)上に上部電
極(6)として白金を半径約0.5mmの点電極形態に
蒸着形成して、最終試片の製造を終了する。図2及び図
3は、X−線回折分析で測定した非揮発性メモリ薄膜の
特性測定結果を示したもので、従来のSi/SiO2
Pt/PZT薄膜の場合は、図3に示すように、700
℃の温度でも純粋なペロブスカイト相を得ることが難し
く、単斜晶構造のパイロクロロ相のような第2相が形成
されるが、本発明のSi/Al2 3 /Pt/PbTi
3 /PZT薄膜においては、図2に示すように、55
0℃の低温で純粋なペロブスカイト単一相が形成され、
750℃の高温でも第2相を形成せずに単一相を維持し
ている。
【0033】図4及び図5は、AES分析で薄膜の拡散
程度及び界面状態を分析した結果を示したもので、従来
のSi/SiO2 /Pt/PZT薄膜は、図5に示すよ
うに、多孔性の白金電極を経て基板物質のシリコンがP
ZT薄膜の内部に拡散され、PZT薄膜内の鉛(Pb)
が基板に急激に拡散されて不均一の組成を示している
が、本発明のSi/Al2 3 /Pt/PbTiO3
PZT薄膜においては、図4に示すように、拡散防止層
のアルミナ(Al2 3 )薄膜が拡散を効果的に制御
し、均一な組成を示している。
【0034】図6及び図7は、非揮発性メモリ薄膜の熱
処理温度に応じた誘電常数及び誘電損失を示したグラフ
で、本発明に係る薄膜の誘電特性がチタン酸鉛(PbT
iO 3 )の相促進層のない従来薄膜に比べて2〜3倍以
上改善されている。図8は、非揮発性メモリ薄膜の疲労
(Fatigue )特性を示したもので、半導体に5Vの電圧
を印加して疲労特性を測定した結果、本発明のSi/A
2 3 /Pt/PbTiO3 /PZT薄膜は、1011
の疲労サイクルでも約5%程度の物性低下にとどまり、
安定な薄膜であることが分かる。
【0035】このように、本発明に係る非揮発性メモリ
薄膜においては、強誘電性及び非揮発性のメモリとして
要求される、低温でペロブスカイト単一相の形成、鉛
(Pb)の揮発による組成比不一致の抑制、高温で物性
低下の抑制、及び低い印加電圧で典型的なP−E履歴曲
線の発現及び1011以上の疲労サイクルでも疲労現象が
現れない、等の優秀な薄膜の特性を有している。
【0036】
【発明の効果】上述したように、請求項1記載の発明に
よると、アルミナ(Al2 3 )緩衝膜の助けを受け
て、半導体基板と電極間の接着力を増加させると共に、
半導体基板と白金電極間の界面において相互拡散防止に
も優れた効果があり、結果的に非揮発性メモリ用のPZ
T薄膜の安定化を図ることができる。また、チタン酸鉛
(PbTiO3 )促進層の形成により、従来のメモリ用
の非揮発性メモリ薄膜よりもペロブスカイト相の形成温
度が大幅に低下し、第2相の生成を防止するため、非揮
発性メモリ素子の誘電特性、疲労特性及び信頼性を大き
く向上させることができる。さらに、アルミナ(Al 2
3 )緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層を
形成する際に、約450℃の温度で2次乾燥が行われる
ので、コーティング用ゾルに含有されている有機物が効
果的に除去され、純度の高いアルミナ(Al 2 3 )緩
衝層及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層を形成する
ことができる。
【0037】請求項2記載の発明によれば、アルミナ
(Al2 3 )緩衝層及びチタン酸鉛(PbTiO3
促進層の合計厚さが200Å以下となるので、非揮発性
メモリ薄膜の厚さの増加を極力抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る非揮発性メモリ薄膜の一実施形
態を示す断面構造図
【図2】 本発明の非揮発性メモリ薄膜の温度に対する
結晶化挙動を示す線図
【図3】 従来の非揮発性メモリ薄膜の温度に対する結
晶化挙動を示す線図
【図4】 本発明の非揮発性メモリ薄膜の組成、拡散及
び界面状態を示す線図
【図5】 従来の非揮発性メモリ薄膜の組成、拡散及び
界面状態を示す線図
【図6】 本発明の非揮発性メモリ薄膜の熱処理温度に
対する誘電常数及び誘電損失を示す線図
【図7】 従来の非揮発性メモリ薄膜の熱処理温度に対
する誘電常数及び誘電損失を示す線図
【図8】 非揮発性メモリ薄膜の疲労現象を示す線図
【符号の説明】
1:半導体基板 2:アルミナ(Al2 3 )の緩衝層 3:白金電極 4:チタン酸鉛(PbTiO3 )の促進層 5:PZT薄膜
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H01L 29/788 29/792 (56)参考文献 特開 平8−181289(JP,A) 特開 平8−236708(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/10 451 G11C 11/22 H01L 21/8242 H01L 21/8247 H01L 27/108 H01L 29/788 H01L 29/792

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板(1)上にアルミナ(Al 2
    3 )緩衝層(2)を蒸着形成する工程と、該アルミナ
    (Al 2 3 )緩衝層(2)上に白金電極(3)を蒸着
    形成する工程と、該白金電極(3)上にチタン酸鉛(P
    bTiO 3 )促進層(4)を蒸着形成する工程と、該チ
    タン酸鉛(PbTiO 3 )促進層(4)上にPZT薄膜
    (5)を蒸着形成する工程と、を含んで構成される非揮
    発性メモリ薄膜の製造方法であって、 前記アルミナ(Al 2 3 )緩衝層(2)及びチタン酸
    鉛(PbTiO 3 )促進層(4)を蒸着する工程は、夫
    々、アルミナ(Al 2 3 )及びチタン酸鉛(PbTi
    3 )コーティング用ゾルをフィルターにより濾過して
    半導体基板(1)上に所定量を滴下する工程と、スピン
    コータを用いて約4000rpmの回転速度で約30秒
    間回転させスピンコーティングを行う工程と、80〜9
    0℃の温度で溶媒を蒸発しながら1次乾燥を行う工程
    と、約450℃の温度で2次乾燥を行う工程と、スピン
    コーティングを行う工程、1次乾燥及び2次乾燥を行う
    工程を2回繰返した後、約2℃/minの温度変化条件
    下の電気炉内で酸素(O 2 )雰囲気で約600℃、約3
    0分間の熱処理を施す工程と、を含んで構成されること
    を特徴とする非揮発性メモリ薄膜の製造方法
  2. 【請求項2】前記アルミナ(Al 2 3 )緩衝層(2)
    及びチタン酸鉛(PbTiO 3 )促進層(4)は、夫々
    100Å以下の厚さに形成されることを特徴とする請求
    項1記載の非揮発性メモリ薄膜の製造方法。
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