JP3151684B2 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
- H10B53/00—Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors
Landscapes
- Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
いた半導体装置、および該半導体装置の製造方法に関す
るものである。
(以下、DRAMという)はコンピュータの記憶素子と
して記憶容量が大きく高速であることから近年精力的に
研究され、より高速高集積化が進んでいる。図8、図9
は従来のDRAMのメモリセル部を模式的に示したもの
である。DRAMについての詳細な技術は、例えばサイ
エンスフォーラム社発行の「最新版超LSIプロセスデ
ータハンドブック(赤坂洋一他3名編集)」に詳細が述
べられている。
はMOSトランジスタ81とコンデンサ82がそれぞれ
1個ずつ1組となって構成され、コンデンサ82に蓄積
された電荷の量によって1ビットのデータを記憶する。
MOSトランジスタ81のゲート電極91はワード線8
3に接続され、さらにワード線83は周辺回路のX又は
Yデコーダドライバに連結されている。また、MOSト
ランジスタ81のドレイン電極はビット線84,92に
接続され、更にビット線84,92はセンスアンプ8
5、読み出し回路86、書き込み回路87等の周辺回路
に接続されている。また、ドレイン電極はコンデンサ8
2の一方の電極に接続されており、もう一方の電極は各
ビット共通のプレート線93に接続されている。
り出される電荷によるエラー(ソフトエラーと呼ばれ
る)に対する耐性を備えるために、100fC以上の電
荷が蓄積されていなければならない。仮に電源電圧3V
でプレート電極に1/2Vcc=1.5Vの電圧が印加
されていたとすると、コンデンサには60fF以上の容
量が必要となる。
コンデンサの電極面積に比例し、絶縁膜の膜厚に反比例
するので、コンデンサの容量を大きくするためには電極
の表面積を大きくし、絶縁膜の膜厚を薄くし、誘電率の
大きな絶縁膜を用いる必要がある。しかし、高集積化D
RAMにおいてはメモリセル1個当りの占める表面積が
縮小し、これまで用いられてきた技術では充分なコンデ
ンサの電極面積を得ることが困難になってきている。そ
のため表面積を増すための研究が行われている。例えば
1991 Symposium on VLSI Te
chnology Digest of Techni
cal Papers P7−P13に記載されている
ように、複雑なプロセスを経て表面積を増大することが
図られているが、絶縁膜の膜厚は絶縁破壊電界強度との
兼ね合いで絶縁膜の薄膜化には限界がある。
演予稿集」の第3頁〜第29頁に記載されているよう
に、絶縁膜として比誘電率の大きな物質を用いる研究が
進められている。比誘電率の大きな物質としてはTa2
O5,TiO2で20から100程度であり、さらにそれ
以上の物質としてはPb(ZrTi)O3,(PbL
a)(ZrTi)O3,BaTiO3,SrTiO3など
のペロブスカイト型の結晶構造をもつ強誘電体が知られ
ている。
より電界を印加せずとも物質中に分極を有する現象があ
る。この自発分極をメモリとして用いる強誘電体メモリ
に関する技術は、特開昭63−201998号公報、特
開昭64−66897公報、特開平1−158691号
公報に記載されている。このメモリセルは1個のトラン
ジスタと1個の強誘電体容量素子により構成されている
ので、強誘電体の残留分極を生じることを利用して記憶
状態を不揮発的に保持することが出来る。以下このよう
なメモリを強誘電体メモリ(以下、FRAMという)と
呼びDRAMと区別する。
体は、Japanese Jour. of App
l.Physics Vol.30 No.9B Se
p.1991に記載されているように、蒸着法、スパッ
タ法、プラズマ酸化法、MOCVD法などによって形成
されている。
上または分極に履歴を有するような酸化物絶縁体を成膜
し、良好な結晶を得るためには酸素雰囲気下で基板温度
を500℃以上の高温とする必要がある。このために下
地電極が高温の状態で酸素雰囲気中に置かれるために、
アルミニウム等の貴金属以外の金属や、ポリシリコン等
の半導体を下地電極として用いた場合には、これら金属
や半導体の表面が酸化され絶縁体が形成される。このよ
うな表面が酸化されて形成される酸化物の膜厚は5nm
〜20nm程度である。このような金属や半導体が酸化
されて形成された物質の比誘電率は例えばSiO2で約
4.0、Al2O3で約9.0程度であり比誘電率が20未
満である。
酸化されて形成された低誘電率膜との直列接合となり、
高誘電率膜の膜厚を薄くしても、見かけ上、高い誘電率
の膜を得ることはできない。これらの酸化の問題点を解
決するために、J. Vac. Sci. Techn
ol. A9(3),May/Jun 1991 P4
09−P413に記載のようにBaMgF4組成の誘電
体膜が提案されているが、成膜時フッ素による下地金属
材の腐食が考えられる。
ない金属として、白金やパラジウムのような貴金属が用
いられてきた。この場合、仮に比較的、結晶性が優れ誘
電率の高い強誘電体膜が形成でき、実効的な誘電率の高
い絶縁体が形成されても、白金等の貴金属はドライエチ
ングによる加工をすることができず、イオンミリングま
たはウェトエッチングによってのみ加工が可能である。
イオンミリングやウェットエッチング技術では、ドライ
エッチングでなされるような微細加工を行うことができ
ず、高集積化の容量素子を軽減することが困難であると
いった問題がある。
可能な、例えばAl、各種シリサイド等を下地金属と一
方の電極とする容量素子を構成すると、高誘電率層と下
地材との界面付近の低誘電率層とが直列に結合された容
量となり、この低誘電率層が例え数nmの薄膜であった
としても実効的な誘電率が低下してしまうといった問題
がある。
素子の材料として良質の酸化物誘電体膜が望まれている
が、上述したように薄い酸化膜の生成などにより誘電体
膜として応用可能な誘電率の大きいものは今のところ得
られていない。
が約10であるが、膜厚を500Å以下に薄くすると誘
電率のばらつきが大きく、実用的応用は難しい。薄膜形
成における膜厚のばらつき及びその測定精度、膜の欠陥
発生密度等を考慮すると、実用的には誘電体膜の比誘電
率は20以上必要である。
電体膜として用いることにより、誘電体膜が薄膜化され
ても高い誘電率を保持することができる半導体装置及び
その製造方法を提供することである。
に、本発明は、基板上に設けられた複数の電極と、該電
極間に形成された誘電体膜と、を備えた半導体装置にお
いて、前記誘電体膜をBaTiN 2 で構成したものであ
る。
数の電極間に誘電体膜を形成する際に、少なくとも窒素
原子を含んだガスとバリウムとチタンの有機金属錯体
を、キャリアガスによって処理室に導き、加熱した前記
半導体基板上で反応させることにより、前記電極間に窒
化物の誘電体膜を形成するようにしたことである。
ると、誘電体と接する電極表面が高温の酸素雰囲気にさ
らされることを回避ができる。このため、電極表面が酸
化されて低誘電率の金属膜が形成されることを防ぐこと
ができ、実効的な誘電率を低下させることが防止され高
い容量値を得ることができる。その結果、従来、高誘電
体や分極に履歴を有する絶縁体を備え、容量素子の電極
材料として用いられてきた白金等の貴金属以外のAl,
Cu,Ti,W及び各種シリサイドなどの電極材料を用
いることができる。このような貴金属以外の金属あるい
は半導体はドライエッチング等による加工性に優れてい
るために、基板上に微細な容量素子を構成することが可
能となる。また、窒化物、例えばBaTiN2を用いる
と比誘電率は20以上であり、また強誘電性を有するた
め、信頼性の高いDRAM及びFRAMを製作すること
ができる。
膜を成膜し、この上に連続的にBaTiN2の強誘電体
膜を形成し、さらにその上にAlの膜を形成した。MO
CVD法で製作した膜厚5000Åの時のBaTiO3
の特性をみると、比誘電率は400、リーク電流は1×
10~6A/cm2、電荷蓄積能は3fFであるのに対
し、酸素ガスの代わりにNH3ガスを用いて製作した膜
厚5000Åの時のBaTiN2の特性をみると、比誘
電率は200、リーク電流は1×10~8A/cm2、電
荷蓄積能は30fFであった。
緻密な堆積状態をなしているのでリーク電流値は低い。
本実施例での強誘電体膜は、製作時に酸素を使用しない
ので、誘電率低下の原因である成膜時に下地金属と容量
素子との間にできる絶縁膜の形成を防止することがで
き、また高い電荷蓄積能の示しているので酸化物よりD
RAM又はFRAMの容量素子として有効である。
生成に磁場中の電子のマイクロ波の共鳴吸収を利用した
ものであるが、無磁場のマイクロ波放電プラズマの特徴
も合わせてもっている。1mTorr以下の低圧では、
電子−分子の平均自由行程が数cm以上となる。したが
って、1mTorr以下の低圧で生成するECRプラズ
マ中では、電子−分子間の衝突頻度が少ないために電子
が衝突によって運動エネルギを失う機会が少ない。この
ため分子のイオン化エネルギ以上のエネルギをもった高
エネルギ電子の比率が高くなっている。また電子−分子
衝突の結果によって生成した活性種の二次反応が少な
く、活性種が失活しないという特徴も合わせ持ってい
る。このECRプラズマの特徴を利用し、窒素ガスをプ
ラズマ源としたECR−MOCVD法を用いることによ
り、MOCVD法と比べBaTiN2製作時、堆積状態
がもっと緻密で成膜時間が短くできる。BaTiN2膜
のX線回折パターンをみると、成膜時基板温度が、60
0℃の時は多結晶体を示している(表1)。この時、得
られたBaTiN2のリーク電流は1×10~9A/cm2
であった。なお、成膜装置については後述の実施例4で
詳しく説明する。
いたDRAMの断面を示し、図2から図6にその製造プ
ロセスの断面略図を示している。これは、64Mビット
DRAM技術によって、0.3μmルールで設計され、
電源電圧は1.5V、センスアンプピッチは0.8μm、
ワード線はピッチ0.7μmで設計された例である。し
かし、本発明は上記の設計寸法に限られたものではな
い。
るn型拡散層13、ゲート電極11、ゲート絶縁膜・素
子分離等のSiO2絶縁膜12、ポリシリコンからなる
ビット線14を形成することにより、MOSトランジス
タが構成される(図2)。
N2を膜厚1.0μmに成膜する。成膜方法としてはEC
R−MOCVD法を用いて、窒素ガスとバリウムとチタ
ンの有機金属錯体をキャリアガスとしてアルゴンを用い
て処理室に導き、600℃に加熱した基板に反応させる
(図3)。
誘電体膜21をエッチング加工をする(図4)。その
際、MOSトランジスタのソースコンタクト部上の強誘
電体が除去されること、強誘電体膜21が所望の厚さに
加工されていることが必要である。ビット線上のSiO
2絶縁膜12上に強誘電体が残されていても何ら問題は
ない。
壁に金属あるいはポリシリコンを成膜する。本実施例で
はアルミニウムを成膜温度300℃で高周波スパッタ法
により成膜した。上記加工された強誘電体膜21を7ナ
インのアルミニウムターゲットと対向させて配置させ、
あらかじめ3×10~7Torrまで排気し、スパッタガ
スとしてアルゴンを流し、高周波電力を印加してアルミ
ニウム薄膜41の成膜を行なう。その際、上記アルミニ
ウム薄膜41とトランジスタのソース電極と電気的に接
続されていなければならない(図5)。
強誘電体の上部に堆積された部分を取り除き、強誘電体
側壁部同士を電気的に分離して電極とすることにより、
容量素子を形成する(図6)。なお、その際の電極間隔
は0.2μmとした。しかし、0.2μm程度の膜厚に限
られたものではなく、必要とされる容量値、膜の比抵抗
より決定されるものである。
トランジスタと接続されていない電極は他の容量素子と
共通の電極と電気的に接続されており、プレート電極5
1として用いられる。
を保護膜として形成し、メモリセルが構成される(図
1)。DRAMとして用いられる場合、さらにその上に
アルミ配線等が配設され外部電極とのコンタクトがとら
れ、パッケージに封入されて完成する。
0fFが得られている。プレート電極51に印加される
電圧が電源電圧1.5Vの半分の0.75Vが印加される
ため、蓄積される電荷量は75fCである。また、強誘
電体の側壁部を利用した際の抵抗率は約1013Ωcmで
あり電極間隔を0.2μmとしたことによりDRAMメ
モリセルとして用いるには充分小さいリーク電流値が得
られている。
来SiO2膜を絶縁体として用いたメモリセル構造と比
較して、メモリセルの占有面積が約3分の1以下に縮小
できたことになる。
置について図面を参照しながら説明する。図7において
71はECRの高密度プラズマを発生させるためのプラ
ズマ生成室、72はECRに必要な磁場を提供する電磁
石であり、73は処理室、74はマイクロ波(2.45
GHz)導入口、75はプラズマ源となる窒素ガスの導
入口、76はシリコン基板、77は基板ホルダである。
78は反応ガスの導入口である。79は反応室を強制排
気するためのポンプ(ターボ分子ポンプ)につながって
いる排気口である。
を2.5×10~6Torr以下に減圧して吸着ガス等を
除去する。次にプラズマ生成室71に導入口75からプ
ラズマ源とな窒素(流量1000sccm)を導入し、
導入口75より2.45GHzのマイクロ波を400W
印加して、電磁石72により磁界強度を875ガウスと
することによりECRプラズマを発生させる。その際、
電磁石72による発散磁界によりプラズマ生成室71内
に発生させたプラズマは処理室73に引き出される。さ
らに、気化器710にはバリウムをβ−ジケトン錯体と
して、また気化器711にはチタンをアルコキシドとし
て入れておき、気化器710,711がそれぞれ160
℃,50℃になるように加熱し、その蒸気をキャリアガ
スとしてアルゴンガスとともに反応室73に導入する。
そして導入された蒸気を、プラズマ生成室71より引き
出された活性なプラズマに触れさせることにより、基板
76上にBaTiN2を成膜する。なお、成膜時のシリ
コン基板温度は600℃と一定で、真空度は2.0×1
0~2Torrであった。また図7において、712はマ
グネトロン、713はロード・アンロード機構、713
は真空ポンプである。
BaTiN 2 からなる強誘電体膜が形成されているの
で、高誘電体膜を容量素子として用いたメモリの高集積
化、高速化、低価格化及び高信頼性化を達成することが
できる。
ており、初期の工程による半導体装置の断面略図であ
る。
る。
る。
る。
る。
置の全体構成図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 基板上に設けられた複数の電極と、該電
極間に形成された誘電体膜と、を備えた半導体装置にお
いて、前記誘電体膜をBaTiN 2 で構成したことを特
徴とする半導体装置。 - 【請求項2】 半導体基板上の複数の電極間に誘電体膜
を形成する際に、少なくとも窒素原子を含んだガスとバ
リウムとチタンの有機金属錯体を、キャリアガスによっ
て処理室に導き、加熱した前記半導体基板上で反応させ
ることにより、前記電極間に窒化物の誘電体膜を形成す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10660092A JP3151684B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 半導体装置及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10660092A JP3151684B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 半導体装置及びその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05299580A JPH05299580A (ja) | 1993-11-12 |
JP3151684B2 true JP3151684B2 (ja) | 2001-04-03 |
Family
ID=14437634
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP10660092A Expired - Fee Related JP3151684B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | 半導体装置及びその製造方法 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP3151684B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19536528A1 (de) * | 1995-09-29 | 1997-04-03 | Siemens Ag | Integrierbarer Kondensator und Verfahren zu seiner Herstellung |
DE19640215C1 (de) * | 1996-09-30 | 1998-02-19 | Siemens Ag | Integrierte Halbleiterspeicheranordnung mit "Buried-Plate-Elektrode" |
-
1992
- 1992-04-24 JP JP10660092A patent/JP3151684B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
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JPH05299580A (ja) | 1993-11-12 |
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