JP3332014B2 - 半導体記憶装置の製造方法 - Google Patents

半導体記憶装置の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、主にダイナミック・ラ
ンダム・アクセス・メモリ(DRAM)に用いられる強
誘電体キャパシタの製造方法及び記録方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、例えばアイ・トリプル・イー・エ
レクトロン・デバイス・レターズ(IEEE ELEC
TRON DEVICE LETTERS)1990
年、第11巻、第10号、454項〜456項に記載さ
れていた様に、強誘電体を電荷蓄積コンデンサとして用
いたDRAMの読みだし/書き込み特性には、信頼性上
問題があった。
【0003】すなわち、従来の製造方法では、強誘電体
膜が多結晶からなり製造中に分極処理(ポーリング)を
施していないので、製造直後の強誘電体膜中の各々の分
域(ドメイン)は、双極子モーメントを持っているが、
お互いにランダムに向いているため、全体の分極、すな
わち自発分極は0である。
【0004】その後、DRAMとして使うとき、強誘電
体膜に電界をかけるので、各々の分域で、双極子モーメ
ントの向きがそろい、強誘電体膜全体として、分極が生
じる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の製造方
法で作成した半導体記憶装置をDRAMとして動作させ
ると、以下のような問題があった。
【0006】強誘電体の場合上記分極は、極性の異なる
構成原子間の相対位置が変位することによって起こり、
これが原因で、PZT中に空間電荷が発生し、分極反転
を利用した不揮発性メモリでは、残留分極の劣化が発生
すると言う問題を有しているが、一方分極反転を用いな
いDRAMの場合においても、キャパシタンスの劣化が
あると言う問題点を有していた。
【0007】図2のバイアス電圧に対するキャパシタン
スのグラフを基に従来例を説明する。
【0008】図2の実線は、初期の単位面積当りのキャ
パシタンスの電圧依存性を示し、破線は、1010回読み
出し/書き込み後の単位面積当りのキャパシタンスの電
圧依存性を示す。
【0009】図中の矢印は、電圧を上げたとき及び電圧
を下げたときに対応する。
【0010】このように、例えば昇圧時、3Vで比較す
ると、100fC/μm2から80fC/μm2へと20
%のキャパシタンスの減少が見られる。
【0011】そこで、本発明は従来のこの様な課題を解
決しようとするもので、その目的とするところは、半導
体記憶装置製造中に於て、既に分極処理を行ない、分極
処理後の製造中に各分域の双極子モーメントの反転を行
なわないこと及び、DRAM動作時においても、1度も
各分域の双極子モーメントの反転、すなわち極性の異な
る構成原子間の変位を行なわないことにより、強誘電体
薄膜内の空間電荷の発生を抑制し、読み出し/書き込み
を1015回としても、キャパシタンスの減少のほとんど
ない強誘電体記憶装置の製造方法を提供し、且つ記録方
法を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体記憶装置
の製造方法は、半導体基板上に第1電極を形成する工程
と、前記第1電極上に強誘電体膜を形成する工程と、前
記強誘電体膜上に第2電極を形成する工程と、前記第1
電極と前記第2電極の間に電界を加えることにより前記
強誘電体膜を分極させる工程と、前記第2電極を除去す
る工程を備えることを特徴とする。
【0013】また、上記の方法において、前記第2電極
を除去する工程以降の工程は、前記強誘電体膜の転移温
度未満の温度でを行なうことを特徴とする。
【0014】
【0015】
【実施例】本発明の第1実施例を図1(a)〜図1
(c)の製造工程断面図に基づいて説明する。
【0016】図1(a)に示すよう、シリコン基板10
1上に層間絶縁膜として、二酸化珪素膜(SiO2)1
02を形成した後、密着層のTi103を介して下部電
極のPt104を形成し、その上に強誘電体特性を示す
多結晶のチタン酸ジルコン酸鉛Pb(Zr0.5Ti0.5
3、略してPZT105を積層する。
【0017】SiO2102は、テトラ・エチル・オル
ト・シリケート(TEOS)のプラズマ化学気相成長法
で形成し、その膜厚を5000Åとした。
【0018】Ti及びPtは、直流スパッタ法により成
膜し、その膜厚はそれぞれ200Å、5000Åとし
た。
【0019】PZT105は、例えばPbOを10%過
剰に含むPb1.1(Zr0.5Ti0.5)O3.1をターゲット
に用いた高周波マグネトロンスパッタ法により堆積し、
その後、強誘電体特性を得るために酸素雰囲気中、50
0℃で1時間熱処理する。
【0020】この熱処理により、膜厚5000Åのペロ
ブスカイト結晶構造を有する多結晶のPZTを得ること
が出来た。
【0021】図1(a)に、多結晶のグレインとその双
極子モーメントの向きを示す。
【0022】粒径は約2000Åである。
【0023】ここでは、簡単のため、1グレインが1分
域をもつと仮定した。
【0024】このように熱処理により結晶化した各分域
は、各々様々な方向を向いているので、PZT薄膜全体
の分極の値は0である。
【0025】次に、図1(b)に示すように空気中でコ
ロナ放電を用いて、PZT膜105に電界をかける。
【0026】外部電圧106を、Pt104と対向する
針107にかけ、電圧計108でPZT膜105にかか
る電圧が5Vになるよう外部電圧106を制御する。
【0027】5Vは半導体記憶装置製造後に、PZTキ
ャパシタにかかる電圧と同じである。ここで、針107
とPZT膜105の表面との距離を20mmとした。
【0028】その結果、図1(c)に示すように各分域
の双極子モーメントが、バイアス電圧の方向にそろい、
PZT膜105が分極する。
【0029】その後、PZT膜の転移温度未満の温度で
その後の工程を行ない、半導体記憶装置を製造する。
【0030】ここで言う転移温度は、強誘電体から常誘
電体へ結晶構造が変化する温度のことであり、転移温度
以上に温度を上げてしまうと、各分域の双極子モーメン
トの向きが様々な方向に戻ってしまい、残留分極が0と
なる。
【0031】ここでは、例えばPZTの転移温度が42
0℃であるので分極処理後のプロセス、例えばSiO2
等の層間絶縁膜の形成、配線用アルミのスパッタ、エッ
チング、SiO2、窒化珪素膜(Si34)等パシベー
ション膜の形成等を420℃未満で行なう必要がある。
【0032】望ましくは、温度は低い方がよく、300
℃以下であることが更に良い。
【0033】上記実施例では、針107を1本として説
明したが、針の本数は何本でも構わないし、PZT膜1
05との距離を一定に保ちつつ針107をウエハ面内で
走査させても良い。
【0034】次に本発明の第2実施例を図3(a)〜図
3(d)の製造工程断面図に基づいて説明する。
【0035】図3(a)は、図1(a)に示す工程の
後、PZT膜105上にPt上部電極109を形成した
後の断面構造図である。
【0036】Pt上部電極109は、直流スパッタ法に
より形成し、その膜厚を5000Åとした。
【0037】次に、図3(b)に示すように上部電極1
09と下部電極104の間に、5Vの電圧を印加して、
PZT膜105の分極処理を行ない、その結果図3
(c)に示すように各分域の双極子モーメントが、バイ
アス電圧の方向にそろう。
【0038】次に、図3(d)に示すようにPt上部電
極109を例えば、アルゴンをガスに用いたイオン・ミ
リングで除去する。
【0039】この時、基板を冷却しながら行ない、基板
温度が転移温度以上に上昇しないことに注意を払う。
【0040】ここで、一度上部電極109を取り除くの
は、PZT膜105の分極によるストレスを解放するた
めである。
【0041】その後、再びPt上部電極109をPZT
膜の転移温度以下で直流スパッタ法により形成した後、
引き続きPZT膜の転移温度以下の温度でその後の工程
を行ない、半導体記憶装置を製造するのは、実施例1と
同様である。
【0042】次に本発明の第1及び第2実施例の製造工
程を用いて、実際に能動素子の形成された半導体基板上
にPZTを集積化した半導体記憶装置の断面構造図を図
4に示す。
【0043】101がシリコン基板、401がイオン注
入と熱処理によって形成された拡散層であり、402が
SiO2からなるゲート酸化膜、403が、多結晶シリ
コンとタングステンシリサイド(WSi)によって形成
されたゲート電極であり、電界効果型トランジスタの主
要部を形成している。
【0044】404は、SiO2よりなる層間絶縁膜、
405はアルミ配線であり、上部電極109と拡散層4
01を接続している。
【0045】この実施例の場合、分極処理後のプロセス
として、PZT膜105の転移温度未満の温度で以下の
プロセスを行なう必要である。
【0046】上部電極109の堆積工程、上部電極10
9、PZT膜105、下部電極104及びTi103の
エッチング工程、SiO2404の堆積工程、SiO2
04及び102のエッチング工程、アルミ配線405の
堆積工程、及びエッチング工程。
【0047】次に本発明の第1及び第2実施例で示した
製造方法を用いて作成した半導体記憶装置の記録方法を
図5(a)、(b)の断面構造図に基づいて説明する。
【0048】図5(a)がDRAM動作前のPZT膜の
分域の双極子モーメントの向きを示す。
【0049】いま、双極子モーメントは、下を向いてい
る。
【0050】この双極子モーメントは、強誘電体の自発
分極によるものである。
【0051】次にDRAM動作時には、図5(b)に示
すように、分極の向きに、すなわち下向きに5Vのバイ
アス電圧を加えて、データの書き込みを行なう。
【0052】図5(b)のPZT膜105と上下の電極
109、104の間に書かれているプラス(+)/マイ
ナス(−)は、電子分極であり、バイアス電圧を取り除
いた後、ショートすると消滅してしまう電荷であり、D
RAM動作時のデータとなる。
【0053】一方、強誘電体の自発分極は、DRAM動
作に関係なく反転せず保持されたままであるので、PZ
Tの極性の異なる構成原子間の相対位置の変位が無いた
め、信頼性特性に優れている。
【0054】本実施例では、双極子モーメントの向きを
下向きとして説明したが、もちろん双極子モーメントの
向きが上向きの場合においても、DRAM動作時のバイ
アス電圧を上向きとすれば良いことは自明である。
【0055】図6に本実施例で作成した半導体記憶装置
のバイアス電圧に対するキャパシタンスのグラフを示
す。
【0056】実線は、初期の単位面積当りのキャパシタ
ンスの電圧依存性を示し、破線は、1010回読み出し/
書き込み後の単位面積当りのキャパシタンスの電圧依存
性を示す。
【0057】このように、本発明の製造方法及び記録方
法を用いることにより、半導体記憶装置の実使用時に於
いて、強誘電体の極性の異なる構成原子間の相対位置の
変位が1度も無いため、1010回の読み出し/書き込み
後に於いても、キャパシタンスの減少はほとんど見られ
なかった。
【0058】以上本実施例では、強誘電体膜としてPZ
Tを用いて説明したが、PbTiO3、KNbO3、Pb
(MnNb)O3等他のペロブスカイト結晶構造を有す
る酸化物強誘電体でもよい。
【0059】又、それらに、ランタン(La)、ネオジ
ウム(Nd)、ビスマス(Bi)、ナイオビウム(N
b)、アンチモン(Sb)、タンタル(Ta)等をドー
パントとして用いてもよい。
【0060】
【発明の効果】本発明の半導体記憶装置の製造方法及び
記録方法は、以上説明したように実使用時に、強誘電体
の極性の異なる構成原子間の相対位置の変位が1度も無
いため、分極反転によって通常観察される空間電荷は発
生せず、1015回の読み出し/書き込み後に於いても、
キャパシタンスの減少はほとんどなく、信頼性に優れた
半導体記憶装置を提供すると言った効果を有し、更に本
発明の半導体記憶装置の製造方法に用いた強誘電体膜
は、誘電率が1000以上と大きいため256メガビッ
ト以上の高集積DRAMには、非常に有効となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の半導体記憶装置の製造工
程断面図である。
【図2】従来の半導体記憶装置に用いられるキャパシタ
のバイアス電圧に対するキャパシタンスのグラフであ
る。
【図3】本発明の第2実施例の半導体記憶装置の製造工
程断面図である。
【図4】本発明の半導体記憶装置の断面構造図である。
【図5】本発明の半導体記憶装置の記録方法を示す断面
構造図である。
【図6】本発明の半導体記憶装置に用いられるキャパシ
タのバイアス電圧に対するキャパシタンスのグラフであ
る。
【符号の説明】
101 シリコン基板 102 SiO2 103 Ti 104 Pt 105 PZT 106 外部電圧 107 針 108 電圧計 109 上部電極 401 拡散層 402 ゲート酸化膜 403 ゲート電極 404 SiO2 405 アルミ配線
───────────────────────────────────────────────────── 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 21/822 H01L 21/8242 H01L 27/04

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に第1電極を形成する工程
    と、前記第1電極上に強誘電体膜を形成する工程と、前
    記強誘電体膜上に第2電極を形成する工程と、前記第1
    電極と前記第2電極の間に電界を加えることにより前記
    強誘電体膜を分極させる工程と、前記第2電極を除去す
    る工程を備えることを特徴とする半導体記憶装置の製造
    方法。
  2. 【請求項2】 前記第2電極を除去する工程以降の工程
    は、前記強誘電体膜の転移温度未満の温度でを行なうこ
    とを特徴とする請求項1記載の半導体記憶装置の製造方
    法。
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