JP3319928B2 - Method for manufacturing semiconductor memory device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor memory device

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JP3319928B2
JP3319928B2 JP32457495A JP32457495A JP3319928B2 JP 3319928 B2 JP3319928 B2 JP 3319928B2 JP 32457495 A JP32457495 A JP 32457495A JP 32457495 A JP32457495 A JP 32457495A JP 3319928 B2 JP3319928 B2 JP 3319928B2
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semiconductor memory
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体メモリ素
子の製造方法に関し、特に強誘電体材料からなる不揮発
性半導体メモリ素子の製造方法に関するものである。
The present invention relates to a method of manufacturing a ferroelectric memory device, and more particularly to a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device made of a ferroelectric material.

【0002】[0002]

【従来の技術】図4に示す第1の従来の強誘電体を用い
た不揮発性メモリ素子は、少なくとも1つのスイッチン
グトランジスタと少なくとも1つの強誘電体キャパシタ
により構成され、上記トランジスタとキャパシタとは配
線層により接続されている。図4乃至図6は従来の第1
乃至第3の強誘電体を用いた不揮発性半導体メモリ素子
の構造断面図である。図4乃至図6において、21はシ
リコン基板、22はゲート電極、23は拡散層、24、
32は層間絶縁膜、25はポリシリコンプラグ、26は
下部電極、27は強誘電体膜、28は上部電極、29は
ビットライン、30はドライブライン、31はバリア層
を示す。
2. Description of the Related Art A first conventional non-volatile memory device using a ferroelectric material comprises at least one switching transistor and at least one ferroelectric capacitor, and the transistor and the capacitor are interconnected. Connected by layers. FIGS. 4 to 6 show a conventional first embodiment.
FIG. 9 is a structural sectional view of a nonvolatile semiconductor memory element using the third to third ferroelectrics. 4 to 6, 21 is a silicon substrate, 22 is a gate electrode, 23 is a diffusion layer, 24,
32 denotes an interlayer insulating film, 25 denotes a polysilicon plug, 26 denotes a lower electrode, 27 denotes a ferroelectric film, 28 denotes an upper electrode, 29 denotes a bit line, 30 denotes a drive line, and 31 denotes a barrier layer.

【0003】図4に示す、従来の強誘電体を用いた不揮
発性メモリ素子は、以下の工程で製造される。
The conventional nonvolatile memory element using a ferroelectric shown in FIG. 4 is manufactured by the following steps.

【0004】まず、素子分離により囲まれた活性領域に
スイッチングトランジスタを形成した後、素子分離領域
上にドライブラインに相当する下部電極を形成した後、
強誘電体膜を形成する。その後、強誘電体、上部電極を
加工し、キャパシタを形成する。次に、一方のソース/
ドレイン領域にビット線、他のソース/ドレイン領域と
強誘電体キャパシタのプレート電極を配線により電気的
に接続する。
[0004] First, after a switching transistor is formed in an active region surrounded by element isolation, a lower electrode corresponding to a drive line is formed on the element isolation region.
A ferroelectric film is formed. After that, the ferroelectric and the upper electrode are processed to form a capacitor. Next, one source /
A bit line is connected to the drain region, and another source / drain region is electrically connected to a plate electrode of the ferroelectric capacitor by a wiring.

【0005】強誘電体キャパシタは印加電界に対して蓄
積電荷は図7に示すような特性を示す。印加電界を取り
除いても強誘電体膜は自発分極を有しているため、この
分極方向により情報(1又は0)が記憶される。メモリ
素子に適用するには分極反転するための正負のしきい値
電圧が等しく、反転電荷量と非反転電荷量の差をメモリ
素子のセンシングアンプで検出するため、5μC/cm
2程度必要となる。
[0005] A ferroelectric capacitor has the characteristics shown in FIG. Since the ferroelectric film has spontaneous polarization even when the applied electric field is removed, information (1 or 0) is stored according to the polarization direction. When applied to a memory element, the positive and negative threshold voltages for polarization inversion are equal, and the difference between the amount of inversion charge and the amount of non-inversion charge is detected by a sensing amplifier of the memory element.
About 2 are required.

【0006】また、強誘電体材料には、上述の特性を満
足する材料として、チタン酸ジルコン酸鉛(PbZrx
Tix-13、以下「PZT」という。)等が用いられて
いる。また、電極材料には、PZT膜と格子の整合性が
よく、耐酸化性の優れたPtや酸化物で且つ導電性とい
う特徴をもつRuO2等が用いられている。
[0006] Ferroelectric materials include lead zirconate titanate (PbZr x) as a material satisfying the above characteristics.
Ti x-1 O 3 , hereinafter referred to as “PZT”. ) Etc. are used. In addition, as the electrode material, Pt having excellent lattice matching with the PZT film and excellent oxidation resistance, such as Pt or oxide, and RuO 2 having a characteristic of conductivity are used.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図4に
示すように、第1の従来のメモリ素子構造では、強誘電
体キャパシタが素子分離領域上に形成されている。この
ため素子分離領域はキャパシタに対して十分なマージン
を取った設計が必要となるため、セルサイズの縮小は困
難である。
However, as shown in FIG. 4, in the first conventional memory element structure, a ferroelectric capacitor is formed on an element isolation region. Therefore, the element isolation region needs to be designed with a sufficient margin for the capacitor, and it is difficult to reduce the cell size.

【0008】一方、図5に示すような強誘電体キャパシ
タをスイッチングトランジスタ上に形成するスタック構
造とすることにより、メモリ素子領域が縮小でき、高集
積化が実現できる。このようなスタック構造を実現する
には、スイッチングトランジスタと強誘電体キャパシタ
を接続している配線をプラグ構造にする必要がある。従
来より、高集積化を図った半導体メモリ素子の微細コン
タクトには、タングステンやポリシリコンを用い、埋め
込まれている。
On the other hand, by employing a stack structure in which a ferroelectric capacitor as shown in FIG. 5 is formed on a switching transistor, a memory element area can be reduced and high integration can be realized. In order to realize such a stack structure, the wiring connecting the switching transistor and the ferroelectric capacitor needs to have a plug structure. 2. Description of the Related Art Conventionally, tungsten and polysilicon are buried in fine contacts of a semiconductor memory element for which high integration is intended.

【0009】また、強誘電体キャパシタの電極材料には
耐酸化性に優れた白金や酸化物導電体が用いられている
ため、プラグに用いる材料は、白金や酸化物導電体に対
して安定で良好なコンタクト特性が得られなければなら
ない。
Further, since a platinum or oxide conductor having excellent oxidation resistance is used as the electrode material of the ferroelectric capacitor, the material used for the plug is stable with respect to the platinum or oxide conductor. Good contact characteristics must be obtained.

【0010】しかしながら、ポリシリシコンプラグは強
誘電体キャパシタ形成工程での熱処理で、白金と容易に
反応し、白金シリサイドを形成する。このため、電極領
域で体積膨張が起こり、コンタクト不良となる。また、
導電性酸化物を用いた場合、導電性酸化物とポリシリコ
ンとの界面でシリコンが酸化され、良好なオーミックコ
ンタクトを得るのは難しい。
However, the polysilicon plug easily reacts with platinum by heat treatment in the ferroelectric capacitor forming step to form platinum silicide. For this reason, volume expansion occurs in the electrode region, resulting in a contact failure. Also,
When a conductive oxide is used, silicon is oxidized at the interface between the conductive oxide and polysilicon, and it is difficult to obtain a good ohmic contact.

【0011】一方、タングステンプラグは局所的に大き
なストレスをもっているため、強誘電体膜の結晶化のた
めの600〜700℃の熱処理工程で伴うストレスによ
り、ドレイン領域とのコンタクト領域で密着不良が発生
する恐れがある。このため、上記スタック構造の強誘電
体メモリ素子において、下部電極として白金、プラグと
してポリシリコンを用いた場合、下部電極とポリシリコ
ンとの界面にバリア層を挿入する必要がある。このよう
なバリア性を有する膜としてTiNが知られている。例
えば、コンタクトプラグにポリシリコン、下部電極とし
て白金、バリア層としてTiN膜、強誘電体としてPZ
T膜を用いた場合、PZT膜の結晶化温度(600〜7
00℃)において、十分なバリア性を保つためには、T
iN膜の厚さは2000Å以上必要となる。また、良好
な強誘電性を得るためには、PZT膜の厚さは2000
Å以上、下部電極の厚さは1000Å以上必要なため、
5000Å以上の段差が生じるため、微細加工及び高集
積化が困難となる。
On the other hand, since the tungsten plug locally has a large stress, poor adhesion occurs in the contact region with the drain region due to the stress accompanying the heat treatment process at 600 to 700 ° C. for crystallization of the ferroelectric film. Might be. Therefore, when platinum is used for the lower electrode and polysilicon is used for the plug in the ferroelectric memory element having the stack structure, it is necessary to insert a barrier layer at the interface between the lower electrode and polysilicon. TiN is known as a film having such a barrier property. For example, polysilicon for contact plug, platinum for lower electrode, TiN film for barrier layer, PZ for ferroelectric
When a T film is used, the crystallization temperature of the PZT film (600 to 7)
(00 ° C.), it is necessary to use T
The thickness of the iN film needs to be 2000 mm or more. Further, in order to obtain good ferroelectricity, the thickness of the PZT film must be 2000
Since the thickness of the lower electrode is required to be 1000 mm or more,
Since a step of 5000 ° or more occurs, it becomes difficult to perform fine processing and high integration.

【0012】また、強誘電体膜と下部電極とを加工した
後、上部電極をドライブラインとして形成するには、ド
ライブラインを形成する前に層間絶縁膜を形成すること
がある。ドライブラインを形成した後の段差は、最終的
には図6に示すような構造より、7500〜10000
Åになる。
Further, in order to form the upper electrode as a drive line after processing the ferroelectric film and the lower electrode, an interlayer insulating film may be formed before forming the drive line. The step after the formation of the drive line is ultimately 7500 to 10000 by the structure shown in FIG.
Becomes Å.

【0013】上記段差を低減するためには、バリア層を
挿入する代わりに、特開平5−299601号公報に示
すように、プラグに下部電極に対するバリア性を有する
材料、例えばTiNを用いている。
In order to reduce the step, instead of inserting a barrier layer, a material having a barrier property to the lower electrode, for example, TiN, is used for the plug as shown in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-299601.

【0014】しかしながら、特開平5−299601号
公報のように、下部電極、強誘電体膜及び上部電極を同
一マスクを用い、同時にエッチングする場合、上部電極
をドライブラインとすることはできず、別途上部電極に
接続するドライブラインを形成する必要がある。また、
Ptと強誘電体膜とを同時にエッチングする際に発生す
るPtの反応生成物が強誘電体膜側壁に付着し、上部電
極と下部電極とが導通する恐れがある。
However, when the lower electrode, the ferroelectric film, and the upper electrode are simultaneously etched using the same mask as in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-299601, the upper electrode cannot be used as a drive line. It is necessary to form a drive line connected to the upper electrode. Also,
A reaction product of Pt generated when Pt and the ferroelectric film are simultaneously etched adheres to the side wall of the ferroelectric film, and the upper electrode and the lower electrode may be electrically connected.

【0015】本発明は、上部電極を下部電極とは別に加
工し、上部電極をドライブラインとして形成するものに
おいて、平坦化可能なスタック構造の不揮発性半導体メ
モリ素子の製造方法を提供すること目的とするものであ
る。
An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a non-volatile semiconductor memory device having a stack structure which can be planarized, in which an upper electrode is processed separately from a lower electrode and the upper electrode is formed as a drive line. Is what you do.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】発明の半導体メモリ素
子の製造方法は、スイッチングトランジスタと強誘電体
膜を有するキャパシタとを備えた半導体メモリ素子の製
造方法において、半導体基板上にスイッチングトランジ
スタを形成した後、第1層間絶縁膜を形成し、該第1層
間絶縁膜における上記スイッチングトランジスタの拡散
領域上にコンタクトホールを形成する工程と、該コンタ
クトホールに拡散バリア膜を埋設し、上記第1層間絶縁
膜上の該拡散バリア膜をエッチバックすることで、コン
タクトプラグを形成する工程と、上記下部電極材料を堆
積させた後、所定の形状にパターニングし、下部電極を
形成する工程と、全面に所定の厚さのバッファ層を形成
した後、表面を平坦し、上記下部電極表面を露出させる
工程と、上記強誘電体膜材料を堆積させ、少なくとも上
記下部電極全面を覆う所定の形状にパターニングする工
程と、全面に上記上部電極材料を堆積させた後、ドライ
ブラインともなる上部電極を所定の形状にパターニング
する工程とを有することを特徴とするものである。
A method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention is directed to a method of manufacturing a semiconductor memory device including a switching transistor and a capacitor having a ferroelectric film, wherein the switching transistor is formed on a semiconductor substrate. Forming a first interlayer insulating film, forming a contact hole on the diffusion region of the switching transistor in the first interlayer insulating film, burying a diffusion barrier film in the contact hole, the diffusion barrier layer on the insulating film is etched back and forming a contact plug, after depositing the bottom electrode material is patterned into a predetermined shape, forming a lower portion electrode, the entire surface Forming a buffer layer having a predetermined thickness, flattening the surface and exposing the surface of the lower electrode; Depositing a body membrane material is patterned and a step of patterning to a predetermined shape covering at least the lower electrode over the entire surface, after the entire surface by depositing the top electrode material, the upper portion electrode Ru driveline Tomona into a predetermined shape And a process.

【0017】また、本発明の半導体メモリ素子の製造方
法は、スイッチングトランジスタと強誘電体膜を有する
キャパシタとを備えた半導体メモリ素子の製造方法にお
いて、半導体基板上にスイッチングトランジスタを形成
した後、第1層間絶縁膜を形成し、該第1層間絶縁膜に
おける上記スイッチングトランジスタの拡散領域上にコ
ンタクトホールを形成する工程と、該コンタクトホール
に拡散バリア膜を埋設し、上記第1層間絶縁膜上の該拡
散バリア膜をエッチバックすることで、コンタクトプラ
グを形成する工程と、下部電極材料を堆積させた後、所
定の形状にパターニングし、上記下部電極を形成する工
程と、全面に所定の厚さのバッファ層を形成した後、表
面を平坦し、上記下部電極表面を露出させる工程と、上
記強誘電体膜及び上部電極材料を堆積させた後、少なく
とも上記下部電極を覆う所定の形状にパターニングし、
上記強誘電体膜及びドライブラインともなる上記上部電
極を同時に形成する工程とを有することを特徴とするも
のである。
Further, according to a method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor memory device including a switching transistor and a capacitor having a ferroelectric film, the method comprises the steps of: Forming a first interlayer insulating film and forming a contact hole on the diffusion region of the switching transistor in the first interlayer insulating film; burying a diffusion barrier film in the contact hole; by etching back the diffusion barrier film, forming a contact plug, after depositing the lower portion electrode material is patterned into a predetermined shape, and forming the lower electrode, the predetermined entire surface thickness after forming the the buffer layer, the surface flat, thereby exposing the lower electrode surface, the ferroelectric film及beauty After the part electrode material is deposited and patterned into a predetermined shape to cover at least the lower electrode,
Simultaneously forming the ferroelectric film and the upper electrode also serving as a drive line.

【0018】更に、請求項3記載の本発明の半導体メモ
リ素子の製造方法は、上記コンタクトホールに上記拡散
バリア膜を埋設した後、上記第1層間絶縁膜上の拡散バ
リア膜をエッチバックにより除去し、上記コンタクトプ
ラグを形成する工程を有することを特徴とする、請求項
1又は請求項2記載の半導体メモリ素子の製造方法であ
る。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, after the diffusion barrier film is buried in the contact hole, the diffusion barrier film on the first interlayer insulating film is removed by etch back. 3. The method according to claim 1, further comprising the step of forming said contact plug.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態に基づい
て本発明について詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments of the present invention.

【0020】図1及び図2は本発明の第1の実施の形態
の、半導体メモリ素子の製造工程図であり、図3は本発
明の第2の実施の形態の、半導体メモリ素子の製造工程
図である。図1乃至図3において、1はシリコン基板、
2はゲート電極、3は拡散層、4は第1層間絶縁膜、5
はTi膜、6aはTiN層、6bはTiNプラグ、7は
下部電極、8はバッファ層、9は強誘電体膜、10は第
2層間絶縁膜、11は上部電極、12は第3層間絶縁
膜、13はビットラインを示す。
FIGS. 1 and 2 are views showing a manufacturing process of a semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention. FIG. 1 to 3, 1 is a silicon substrate,
2 is a gate electrode, 3 is a diffusion layer, 4 is a first interlayer insulating film, 5
Is a Ti film, 6a is a TiN layer, 6b is a TiN plug, 7 is a lower electrode, 8 is a buffer layer, 9 is a ferroelectric film, 10 is a second interlayer insulating film, 11 is an upper electrode, and 12 is a third interlayer insulating film. Reference numeral 13 denotes a bit line.

【0021】次に、図1を用いて本発明の第1の実施の
形態の半導体メモリ素子の製造工程を説明する。
Next, a manufacturing process of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0022】まず、従来の技術により、シリコン基板1
上にゲート電極2及び拡散層3を有するスイッチングト
ランジスタを形成する。その後、第1層間絶縁膜4を堆
積させ、第1層間絶縁膜4上にレジスト(図示せず。)
を堆積させ、フォトリソグラフィ工程によりパターニン
グし、RIE法等により、コンタクトホールを形成する
(図1(a))。
First, a silicon substrate 1 is formed by a conventional technique.
A switching transistor having a gate electrode 2 and a diffusion layer 3 thereon is formed. Thereafter, a first interlayer insulating film 4 is deposited, and a resist (not shown) is formed on the first interlayer insulating film 4.
Is deposited, patterned by a photolithography process, and a contact hole is formed by an RIE method or the like (FIG. 1A).

【0023】上記レジスト(図示せず。)を除去した
後、DCマグネトロンスパッタ法により、拡散層3に良
好なオーミックコンタクトを得るため、Ti膜5を形成
する。良好なオーミック特性を得るためには、Ti膜5
の膜厚は500〜1000Åが望ましい。Ti原料とし
て四塩化チタン、還元ガスとしてメチルヒドラジンある
いはアンモニアを用いる。Ti原料は上記原料に限定さ
れるものではなく、テトラキスジメチルアミノチタニュ
ウム等の有機金属原料を用いてもよい。
After removing the resist (not shown), a Ti film 5 is formed by DC magnetron sputtering to obtain a good ohmic contact with the diffusion layer 3. In order to obtain good ohmic characteristics, the Ti film 5
Is preferably 500 to 1000 °. Titanium tetrachloride is used as a Ti raw material, and methylhydrazine or ammonia is used as a reducing gas. The Ti raw material is not limited to the above raw materials, and an organic metal raw material such as tetrakisdimethylaminotitanium may be used.

【0024】次に、CVD法により、下部電極に対する
バリア性を有する材料として、TiN層6aをコンタク
トホール内を含めて全面に堆積させる。TiN層6a
は、基板温度を400〜600℃に加熱し、上記原料を
基板上に導入し、圧力を1〜5Torrの減圧下で形成
する。コンタクトホールの直径が0.5μmの場合、T
iN層6aで完全に埋め込むには7000〜10000
Å堆積することが望ましい(図1(b))。スパッタリ
ング法は、段差被覆性が悪いため、コンタクトホールの
完全な埋め込みが困難であるため、本実施例ではCVD
法を用いる。
Next, a TiN layer 6a is deposited on the entire surface including the inside of the contact hole as a material having a barrier property to the lower electrode by the CVD method. TiN layer 6a
Is formed by heating the substrate to a temperature of 400 to 600 ° C., introducing the raw material onto the substrate, and reducing the pressure to 1 to 5 Torr. When the diameter of the contact hole is 0.5 μm, T
7000-10000 for complete embedding with iN layer 6a
望 ま し い It is desirable to deposit (FIG. 1B). In the sputtering method, it is difficult to completely fill the contact hole because the step coverage is poor,
Method.

【0025】次に、Cl2、SF6あるいはCF4によ
り、第1層間絶縁膜4上のTiN膜6aをエッチバック
する。エッチバック後、TiN層6aはコンタクトホー
ルにのみTiNプラグ6bとして残る(図1(c))。
また、コンタクトプラグにTiNプラグ6bを用い、第
1層間絶縁膜4と下部電極7との間にバリア層を設けな
いようにすることにより、従来のバリア層による段差の
低減ができる。
Next, the TiN film 6a on the first interlayer insulating film 4 is etched back with Cl 2 , SF 6 or CF 4 . After the etch-back, the TiN layer 6a remains as a TiN plug 6b only in the contact hole (FIG. 1C).
Further, by using a TiN plug 6b as a contact plug and not providing a barrier layer between the first interlayer insulating film 4 and the lower electrode 7, a step difference due to a conventional barrier layer can be reduced.

【0026】次に、下部電極7となる白金(Pt)膜を
形成する。Ptはスパッタリング法により約1000Å
形成するのが望ましい。下部電極7は、Ptに限定され
るものではなく、RuO2、ReO3等の酸化物導電体を
用いてもよい。これらの電極の膜厚も約1000Å程度
が望ましい。白金膜形成後、リソグラフィ工程により、
レジスト(図示せず。)をパターニングし、RIE法に
より、下部電極7を形成する(図1(d))。
Next, a platinum (Pt) film to be the lower electrode 7 is formed. Pt is about 1000Å by sputtering method.
It is desirable to form. The lower electrode 7 is not limited to Pt, and may be an oxide conductor such as RuO 2 or ReO 3 . The thickness of these electrodes is also desirably about 1000 °. After forming the platinum film, the lithography process
A resist (not shown) is patterned, and a lower electrode 7 is formed by RIE (FIG. 1D).

【0027】次に、下部電極7上に、強誘電体膜9と第
1層間絶縁膜4との反応を防止するバッファ層8となる
酸化チタン膜あるいは酸化ジルコニュウム膜等をCVD
法により形成する。チタン原料及びジルコニュウム原料
は、これらの金属アルコキシド原料を用いることが望ま
しい。例えば、Ti原料として、Ti(OC25)、T
i(i−OC374、Ti(t−OC494など、Z
r原料として、Zr(i−OC374、Zr(i−O
494、Zr(C11192)などを用いることが望
ましい。
Next, a titanium oxide film or a zirconium oxide film serving as a buffer layer 8 for preventing a reaction between the ferroelectric film 9 and the first interlayer insulating film 4 is formed on the lower electrode 7 by CVD.
It is formed by a method. As the titanium raw material and the zirconium raw material, it is desirable to use these metal alkoxide raw materials. For example, Ti (OC 2 H 5 ), T
Z such as i (i-OC 3 H 7 ) 4 , Ti (t-OC 4 H 9 ) 4
As r raw material, Zr (i-OC 3 H 7) 4, Zr (i-O
It is desirable to use C 4 H 9 ) 4 , Zr (C 11 H 19 O 2 ) or the like.

【0028】また、CVD法による酸化チタン(TiO
2)膜及び酸化ジルコニュウム(ZrO2)膜の形成は、
上記原料を不活性ガスによりバブリングさせ、揮発した
蒸気とともに1〜5Torrの減圧下のシリコン基板1
上に導入する。シリコン基板1は400〜500℃に加
熱し、反応ガスとしてO2又はO3を用いることが望まし
い。TiO2膜又はZrO2膜は、下部電極7の厚みの
1.5〜2倍堆積することが望ましい。
Further, titanium oxide (TiO.sub.2) formed by CVD is used.
2 ) The formation of the film and the zirconium oxide (ZrO 2 ) film
The above raw material is bubbled with an inert gas, and the silicon substrate 1 under reduced pressure of 1 to 5 Torr together with the vaporized vapor.
Introduce on top. It is desirable that the silicon substrate 1 is heated to 400 to 500 ° C. and O 2 or O 3 is used as a reaction gas. It is desirable that the TiO 2 film or the ZrO 2 film is deposited 1.5 to 2 times the thickness of the lower electrode 7.

【0029】その後、バッファ層8となる酸化チタン膜
又は酸化ジルコニュウム膜をCMP(Chemical
Mechnical Polising:化学的機械
的研磨)法を用い下部電極7の表面が露出まで研磨し、
表面を平坦化する(図1(e))。尚、バッファ層8
は、強誘電体膜に対する熱処理時に、安定で且つ良好
な、強誘電体膜9と下地の第1層間絶縁膜4との絶縁性
が得られるものが望ましい。
Thereafter, a titanium oxide film or a zirconium oxide film serving as the buffer layer 8 is formed by CMP (Chemical).
The surface of the lower electrode 7 is polished until the surface is exposed using a Mechanical Polishing (chemical mechanical polishing) method,
The surface is flattened (FIG. 1E). The buffer layer 8
It is desirable that a stable and favorable insulating property between the ferroelectric film 9 and the underlying first interlayer insulating film 4 be obtained during the heat treatment of the ferroelectric film.

【0030】次に、シリコン基板1全面にゾルゲル法等
により強誘電体膜9を形成し、ランプ加熱あるいは電気
炉により結晶化させる。結晶化温度は強誘電体材料によ
り大きく異なるが、PZT膜あるいはPLZT膜では、
600〜700℃が望ましい(図1(f))。尚、本発
明において、強誘電体膜9の成膜方法は、ゾルゲル法に
限定されず、CVD法やスパッタ法も適用可能である。
尚、CVD法や高温でのスパッタ法を用いた場合は、上
述の強誘電体膜9の結晶化工程を省略することができ
る。
Next, a ferroelectric film 9 is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by a sol-gel method or the like, and is crystallized by lamp heating or an electric furnace. The crystallization temperature varies greatly depending on the ferroelectric material, but in the case of a PZT film or a PLZT film,
A temperature of 600 to 700 ° C. is desirable (FIG. 1F). In the present invention, the method for forming the ferroelectric film 9 is not limited to the sol-gel method, and a CVD method or a sputtering method is also applicable.
When the CVD method or the high-temperature sputtering method is used, the above-described crystallization step of the ferroelectric film 9 can be omitted.

【0031】強誘電体膜9をパターニングした後、第2
層間絶縁膜10を形成し、強誘電体膜9上の第2層間絶
縁膜10を一部除去した後、ドライブラインともなる上
部電極11を膜厚1000Å程度形成する(図1
(g))。尚、上記第2層間絶縁膜10形成工程は行わ
なくてもよいが、膜質不良等により強誘電体膜9側面を
キャパシタとして用いない等の場合には、第2層間絶縁
膜10を形成することが望ましい。次に、第3層間絶縁
膜12としてシリコン窒化膜やPSG膜、BPSG膜等
を形成し、スイッチングトランジスタのソース側にコン
タクトホールを形成し、金属配線によりビットライン1
3を形成する(図1(h))。
After patterning the ferroelectric film 9, the second
After an interlayer insulating film 10 is formed and the second interlayer insulating film 10 on the ferroelectric film 9 is partially removed, an upper electrode 11 serving as a drive line is formed to a thickness of about 1000 ° (FIG. 1).
(G)). The step of forming the second interlayer insulating film 10 may not be performed. However, when the side surface of the ferroelectric film 9 is not used as a capacitor due to poor film quality or the like, the second interlayer insulating film 10 may be formed. Is desirable. Next, a silicon nitride film, a PSG film, a BPSG film, or the like is formed as the third interlayer insulating film 12, a contact hole is formed on the source side of the switching transistor, and the bit line 1 is formed by metal wiring.
3 is formed (FIG. 1 (h)).

【0032】次に、図2を用いて本発明の第2の実施の
形態の半導体メモリ素子の製造工程を説明する。
Next, a manufacturing process of the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0033】まず、上記第1の実施の形態と同様の工程
(図1(a)〜(e))を用いて、下部電極7の表面が
露出まで、バッファ層8を研磨し、表面を平坦化した
後、シリコン基板1全面にゾルゲル法等により強誘電体
膜9を形成し、ランプ加熱あるいは電気炉により結晶化
させる。結晶化温度は強誘電体材料により大きく異なる
が、PZT膜あるいはPLZT膜では、600〜700
℃が望ましい。更に、強誘電体膜9上に上部電極11と
してPt膜を約1000Å程度形成し(図2(a))、
フォトリソグラフィ工程により、パターニングする。上
部電極11はPtに限定されるものではなく、酸化物導
電体を用いてもよい。上部電極11及び強誘電体膜9を
同時にドライエッチングにより加工する(図2
(b))。
First, the buffer layer 8 is polished until the surface of the lower electrode 7 is exposed using the same steps (FIGS. 1A to 1E) as in the first embodiment, and the surface is flattened. After the formation, a ferroelectric film 9 is formed on the entire surface of the silicon substrate 1 by a sol-gel method or the like, and crystallized by lamp heating or an electric furnace. The crystallization temperature varies greatly depending on the ferroelectric material, but the PZT film or the PLZT film has a crystallization temperature of 600 to 700.
C is desirable. Further, a Pt film is formed on the ferroelectric film 9 as the upper electrode 11 at about 1000 ° (FIG. 2A).
Patterning is performed by a photolithography process. The upper electrode 11 is not limited to Pt, but may be an oxide conductor. The upper electrode 11 and the ferroelectric film 9 are simultaneously processed by dry etching (FIG. 2).
(B)).

【0034】次に、第3層間絶縁膜12としてシリコン
窒化膜やPSG膜、BPSG膜等を形成し、スイッチン
グトランジスタのソース側にコンタクトホールを形成
し、金属配線によりビットライン13を形成する(図2
(c))。
Next, a silicon nitride film, a PSG film, a BPSG film or the like is formed as the third interlayer insulating film 12, a contact hole is formed on the source side of the switching transistor, and a bit line 13 is formed by metal wiring (FIG. 2
(C)).

【0035】[0035]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用い、バッファ層表面と下部電極表面とを同一面にした
ため、従来のように下部電極による段差がないので、キ
ャパシタ部の上に形成される層間絶縁膜を薄膜化できる
ので表面の段差が低減でき(本発明を用いれば、最終的
な段差は3000〜4000Å程度に抑えられる)、ド
ライブラインの形成も容易となる。
As described above in detail, since the present invention is used to make the surface of the buffer layer and the surface of the lower electrode coplanar, there is no step due to the lower electrode as in the prior art. Since the interlayer insulating film to be formed can be made thinner, the step on the surface can be reduced (the final step can be suppressed to about 3000 to 4000 ° by using the present invention), and the drive line can be easily formed.

【0036】また、下部電極と強誘電体膜とは別々にパ
ターニングのためのエッチングするため、下部電極と強
誘電体膜とを同時にエッチングする際に強誘電体膜側壁
に付着するPtの反応生成物の発生を抑制することがで
きる。
In addition, since the lower electrode and the ferroelectric film are separately etched for patterning, when the lower electrode and the ferroelectric film are simultaneously etched, the reaction generation of Pt adhering to the side wall of the ferroelectric film occurs. The generation of objects can be suppressed.

【0037】更に、酸化チタン又は酸化ジルコニュウム
をバッファ層として、第1層間絶縁膜と強誘電体膜との
間に設けることにより、強誘電体膜の熱処理に対しても
安定で且つ良好な、強誘電体膜と下地の層間絶縁膜との
絶縁性が得られる。
Further, by providing titanium oxide or zirconium oxide as a buffer layer between the first interlayer insulating film and the ferroelectric film, the ferroelectric film is stable and excellent in heat treatment of the ferroelectric film. Insulation between the dielectric film and the underlying interlayer insulating film is obtained.

【0038】また、請求項2記載の本発明を用い、下部
電極形成後、強誘電体膜と層間絶縁膜との反応を防止す
るバッファ層を用いて平坦化を行い、下部電極よりも大
きく強誘電体膜を加工しているので、上部電極と強誘電
体膜とを同時にエッチングした場合、上部電極と強誘電
体膜とを同時にエッチングする際に発生するPtの反応
生成物が強誘電体膜側壁に付着しても、この反応生成物
によって、上部電極と下部電極とが導通することがな
い。したがって、上部電極と強誘電体膜とは同一パター
ンで加工が可能となり、工程数が低減でき、ドライブラ
インの形成も容易になる。
Further, after the lower electrode is formed, planarization is performed by using a buffer layer for preventing a reaction between the ferroelectric film and the interlayer insulating film, so that the lower electrode is made stronger than the lower electrode. Since the dielectric film is processed, when the upper electrode and the ferroelectric film are simultaneously etched, the reaction product of Pt generated when the upper electrode and the ferroelectric film are simultaneously etched is a ferroelectric film. Even if it adheres to the side wall, the reaction product does not cause conduction between the upper electrode and the lower electrode. Therefore, the upper electrode and the ferroelectric film can be processed in the same pattern, the number of steps can be reduced, and the formation of the drive line is facilitated.

【0039】更に、請求項3記載の本発明を用い、第1
層間絶縁膜と下部電極との間にバリア層を設けないよう
にすることにより、従来のバリア層による段差の低減が
できる。
Further, using the present invention described in claim 3, the first
By not providing a barrier layer between the interlayer insulating film and the lower electrode, a step difference due to the conventional barrier layer can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態の半導体メモリ素子
の製造工程図である。
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態の半導体メモリ素子
の製造工程図である。
FIG. 2 is a manufacturing process diagram of the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施の形態の半導体メモリ素子
の製造工程図である。
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】第1の従来の半導体メモリ素子の構成図であ
る。
FIG. 4 is a configuration diagram of a first conventional semiconductor memory device.

【図5】第2の従来の半導体メモリ素子の構成図であ
る。
FIG. 5 is a configuration diagram of a second conventional semiconductor memory device.

【図6】第3の従来の半導体メモリ素子の構成図であ
る。
FIG. 6 is a configuration diagram of a third conventional semiconductor memory device.

【図7】印加電界に対する蓄積電荷の履歴特性を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing a hysteresis characteristic of accumulated charges with respect to an applied electric field.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 ゲート電極 3 拡散層 4 第1層間絶縁膜 5 Ti膜 6a TiN層 6b TiNプラグ 7 下部電極 8 バッファ層 9 強誘電体膜 10 第2層間絶縁膜 11 上部電極 12 第3層間絶縁膜 13 ビットライン Reference Signs List 1 silicon substrate 2 gate electrode 3 diffusion layer 4 first interlayer insulating film 5 Ti film 6a TiN layer 6b TiN plug 7 lower electrode 8 buffer layer 9 ferroelectric film 10 second interlayer insulating film 11 upper electrode 12 third interlayer insulating film 13 bit line

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/105 H01L 27/108 H01L 21/8242 H01L 21/822 H01L 27/04 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 27/105 H01L 27/108 H01L 21/8242 H01L 21/822 H01L 27/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 スイッチングトランジスタと強誘電体膜
を有するキャパシタとを備えた半導体メモリ素子の製造
方法において、 半導体基板上にスイッチングトランジスタを形成した
後、第1層間絶縁膜を形成し、該第1層間絶縁膜におけ
る上記スイッチングトランジスタの拡散領域上にコンタ
クトホールを形成する工程と、 該コンタクトホールに拡散バリア膜を埋設し、所定の形
状に該拡散バリア膜をエッチングし、コンタクトプラグ
を形成する工程と、 下部電極材料を堆積させた後、所定の形状にパターニン
グし、上記下部電極を形成する工程と、 全面に所定の厚さのバッファ層を形成した後、表面を平
坦し、上記下部電極表面を露出させる工程と、 上記強誘電体膜及び上部電極材料を堆積させた後、少な
くとも上記下部電極を覆う所定の形状にパターニング
し、上記強誘電体膜及びドライブラインともなる上記上
部電極を同時に形成する工程とを有することを特徴とす
る、半導体メモリ素子の製造方法。
1. A method of manufacturing a semiconductor memory device comprising a switching transistor and a capacitor having a ferroelectric film, comprising: forming a switching transistor on a semiconductor substrate, forming a first interlayer insulating film; Forming a contact hole on the diffusion region of the switching transistor in the interlayer insulating film, burying a diffusion barrier film in the contact hole, etching the diffusion barrier film into a predetermined shape, and forming a contact plug; After depositing the lower electrode material, patterning it into a predetermined shape and forming the lower electrode, after forming a buffer layer of a predetermined thickness on the entire surface, flattening the surface, Exposing, after depositing the ferroelectric film and the upper electrode material, a predetermined covering at least the lower electrode Patterned into a shape, and having a step of simultaneously forming the upper electrode also becomes the ferroelectric film and driveline, the method of manufacturing a semiconductor memory device.
【請求項2】 上記コンタクトホールに上記拡散バリア
膜を埋設した後、上記第1層間絶縁膜上の拡散バリア膜
をエッチバックにより除去し、上記コンタクトプラグを
形成する工程を有することを特徴とする、請求項記載
の半導体メモリ素子の製造方法。
2. The method according to claim 2, further comprising, after embedding the diffusion barrier film in the contact hole, removing the diffusion barrier film on the first interlayer insulating film by etch back to form the contact plug. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 1 .
【請求項3】 上記バッファ層が酸化チタン膜または酸
化ジルコニウムであることを特徴とする、請求項1また
は請求項2記載の半導体メモリ素子の製造方法。
3. The method according to claim 1, wherein the buffer layer is a titanium oxide film or an acid.
And zirconium oxide.
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 2.
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