JP3745553B2 - 強誘電体キャパシタ、半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
【0002】
本発明は一般に半導体装置に関し、特に強誘電体薄膜を使った半導体記憶装置の製造方法に関する。
【0003】
いわゆるDRAMあるいはSRAM等の半導体記憶装置はコンピュータを始めとする情報処理装置において高速主記憶装置として広く使われているが、これらは揮発性の記憶装置であり、電源をオフにすると記憶された情報は失われてしまう。これに対し、従来よりプログラムやデータを格納する大容量補助記憶装置として不揮発性の磁気ディスク装置が使われている。
【0004】
しかし、磁気ディスク装置は大型で機械的に脆弱であり、消費電力も大きく、さらに情報を読み書きする際のアクセス速度が遅い欠点を有している。これに対し、最近では不揮発性補助記憶装置として、フローティングゲート電極に情報を電荷の形で蓄積するEEPROMあるいはフラッシュメモリが使われていることが多くなっている。特にフラッシュメモリはDRAMと同様なセル構成を有するため大きな集積密度に形成しやすく、磁気ディスク装置に匹敵する大容量記憶装置として期待されている。
【0005】
一方、EEPROMやフラッシュメモリでは、情報の書き込みがトンネル絶縁膜を介してのフローティングゲート電極へのホットエレクトロンの注入によってなされるため、必然的に書き込みに時間がかかり、また情報の書き込みおよび消去を繰り返すとトンネル絶縁膜が劣化してしまう問題が生じていた。トンネル絶縁膜が劣化してしまうと書き込みあるいは消去動作が不安定になってしまう。
【0006】
これに対し、情報を強誘電体膜の自発分極の形で記憶する強誘電体記憶装置(以下FeRAMと記す)が提案されている。かかるFeRAMでは個々のメモリセルトランジスタがDRAMの場合と同様に単一のMOSFETよりなり、メモリセルキャパシタ中の誘電体膜をPZT(Pb(Zr,Ti)O3)あるいはPLZT(Pb(Zr,Ti,La)O3)、さらにはSBT(SrBi2Ta2O3)等の強誘電体に置き換えた構成を有しており、高い集積密度での集積が可能である。また、FeRAMは電界の印加により強誘電体キャパシタの自発分極を制御するため、書き込みをホットエレクトロンの注入によって行なうEEPROMやフラッシュメモリに比べて書き込み速度が1000倍あるいはそれ以上速くなり、また消費電力が約1/10に低減される有利な特徴を有している。さらにトンネル酸化膜を使う必要がないため寿命も長く、フラッシュメモリの10万倍の書き換え回数を確保できると考えられる。
【従来の技術】
【0007】
図1は従来のFeRAMの構成を示す。
【0008】
図1を参照するに、FeRAM10はp型Si基板11上に形成され、前記Si基板11表面にはフィールド酸化膜12により活性領域が画成される。前記活性領域中には図示を省略したゲート酸化膜を介してメモリセルトランジスタのゲート電極13がFeRAMのワード線に対応して形成され、さらに前記基板11中には前記ゲート電極13の両側にn+型の拡散領域11A、11Bが、それぞれメモリセルトランジスタのソース領域およびドレイン領域として形成される。また、前記基板11中には前記拡散領域11Aと11Bとの間にチャネル領域が形成される。
【0009】
前記ゲート電極13は前記Si基板11の表面を前記活性領域において覆うCVD酸化膜14により覆われ、さらに前記CVD酸化膜14は平坦化層間絶縁膜15により覆われる。前記層間絶縁膜15中には前記拡散領域11Bを露出するコンタクトホール15Aが形成され、前記コンタクトホール15AはポリシリコンあるいはWSiよりなるプラグ16により充填される。
【0010】
さらに、前記層間絶縁膜15上には前記プラグ16の露出部を覆うようにTi/TiN構造の密着層(図示せず)が形成され、前記密着層上にPt等よりなる下側電極17が形成される。さらに前記下側電極17上にはPZTあるいはPLZTよりなる強誘電体膜18が形成され、前記強誘電体膜18上にはPt等よりなる上側電極19が形成される。
【0011】
前記下側電極17,強誘電体膜18および上側電極19よりなる強誘電体キャパシタの側壁面はCVD酸化膜21により覆われ、前記CVD酸化膜21中に形成されたコンタクトホールを介して配線パターン20が前記上側電極19にコンタクトする。さらに前記強誘電体キャパシタの全体は層間絶縁膜22により覆われる。前記層間絶縁膜22中には前記拡散領域22Aを露出するコンタクトホール22Aが形成され、前記層間絶縁膜22上には前記コンタクトホール22Aにおいて前記拡散領域22AとコンタクトするAlあるいはAl合金よりなるビット線パターン23が形成される。
【0012】
図2は図1のFeRAM10において前記強誘電体膜18として使われるPZTのユニットセルを示す。
【0013】
図2を参照するに、PZTはペロブスカイト型の結晶構造を有し、外部電界により酸素原子により配位されたPbあるいはTi原子がc軸方向に変位する。その結果PZTは図3に示す自発分極特性を示す。すなわち図1のFeRAM10では、前記下側電極17と上側電極19との間に所定の書き込み電圧を印加することにより、前記強誘電体膜18を構成するPZT膜中の自発分極が反転し、所望の二値情報が前記強誘電体膜18中に書き込まれる。
【0014】
また、図1のFeRAM10において書き込まれた二値情報を読み出すには前記ワード線、すなわちゲート電極13を活性化し、前記チャネル領域を通って前記ビット線電極23に現れる電圧を検出する。
【0015】
図3のヒステリシスループにおいて電界強度がゼロにおける幅は反転電荷量QSWと呼ばれる量で、この値が大きいほどFeRAM10による情報の保持が確実になされる。また書き込みに要する電界の値も減少する傾向にあり、その結果FeRAM10の低電力駆動が可能になる。換言すると、図1のFeRAM10では強誘電体膜18のQSWの値を最大化することが望ましい。
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
ところで、図1のFeRAM10で図3に示すような自発分極特性を得るには、前記強誘電体膜18を、酸化雰囲気中、少なくとも600℃の高い温度で結晶化する必要がある。このため、一般に前記下側電極17はPt等の反応性が低く、抵抗率も低い高融点金属により形成されていたが、Ptは酸素あるいはPbの拡散を阻止できないため、強誘電体膜18がPbあるいは酸素の欠損により、非化学量論組成になってしまい、図3に示すような所望の自発分極特性を得ることが困難であった。
【0017】
この問題を解決するために、従来より図1の強誘電体キャパシタCにおいて、図4(A)に示すように前記下側電極17を、IrO2よりなる下側電極膜17Aと、その上に形成されたPtよりなる上側電極膜17Bとにより構成することが提案されている。また、図4(B)に示すように、上側電極19を、IrO2よりなる下側電極膜19Aと、その上に形成されたPtよりなる上側電極膜とより構成することが提案されている。図4(B)の構成では、IrO2膜を前記強誘電体膜18に隣接して形成することにより、前記強誘電体膜18中に形成される酸素欠損を補うことができると考えられる。
【0018】
しかし、かかる構成の強誘電体キャパシタCでは、分極反転が繰り返されると強誘電体膜18に疲労が生じ、図3の残留分極値ないしQSWの値が減少してしまうことが知られている。これは、かかる分極反転の繰り返された場合、IrO2膜を形成していても強誘電体膜18中における酸素欠損の形成を抑止しきれないためであると考えられる。
【0019】
また、図4(A)あるいは(B)に示す強誘電体キャパシタCは、良好なインプリント特性が得られない問題点を有していた。これは、前記強誘電体膜18とこれに隣接するPt電極との界面近傍において、前記強誘電体膜18中に酸素欠損が生じるためと考えられる。また、図4(A),(B)の強誘電体キャパシタCでは、FeRAMの微細化に伴い、強誘電体膜18の厚さを減少させた場合、膜18の電気的特性が急激に劣化してしまう。
【0020】
これに対し、本発明の発明者は先に、図1の構成において上側電極19にSrRuO3を使う強誘電体キャパシタを提案した。かかる強誘電体キャパシタは、良好な疲労特性を有し、信頼性が高く、強誘電体膜18の厚さが減少した場合にも良好な電気特性を維持する。
【0021】
一方、SrRuO3を図1のようなFeRAMにおいて強誘電体キャパシタの上側電極に使う場合には、SrRuO3膜をドライエッチングする技術が不可欠であるが、従来より、かかるSrRuO3膜をドライエッチングする技術は確立していなかった。
【0022】
また、従来のSrRuO3膜を上側電極に使った強誘電体キャパシタでは、疲労特性が従来のものよりは著しく改良されているものの、実用的な半導体装置としてはまだ不十分であった。疲労特性が不十分な理由は十分には理解されていないが、熱処理の際にRuが部分的に前記SrRuO3からPZT等の強誘電体膜の粒界に移動し、脱出したRuが疲労試験の際にさらに拡散することにより、強誘電体膜中にPb2RuO6.5等の化合物よりなる導電性チャネルが形成されるのが原因であると考えられる。Pb2RuO6.5は抵抗器に使われる材料である。かかる導電性チャネルが強誘電体膜中に形成されると、強誘電体キャパシタは短絡を生じてしまう。この強誘電体キャパシタの短絡、およびそれに伴う信頼性の低下の問題は、本発明の発明者による、本発明の基礎となる研究において、特に前記強誘電体膜の厚さが70nmを超えた場合に顕著になることが見出された。
【0023】
そこで、本発明は上記の課題を解決した、新規で有用な半導体装置およびその製造方法を提供することを概括的課題とする。
【0024】
本発明のより具体的な課題は、ペロブスカイト型酸化膜を上側電極に有し、製造が容易で、リーク電流が減少し、疲労特性およびインプリント特性が向上した強誘電体キャパシタおよびその製造方法、さらにかかる強誘電体キャパシタを備えた半導体装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0025】
本発明は、上記の課題を、
請求項1に記載したように、
基板上に、PtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1 .04〜1.12の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行ない、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法により、または
請求項2に記載したように、
基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.07〜1.09の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行い、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法により、または
請求項3に記載したように、
強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.04〜1.12の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行ない、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により、または
請求項4に記載したように、
強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.07〜1.09の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行い、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法により、解決する。
【0026】
[作用]
本発明では、PZTあるいはPLZTよりなる強誘電体キャパシタ絶縁膜の組成を調整することにより、前記強誘電体キャパシタ絶縁膜中において粒界に存在するPbの量を最適化する。さらに、前記SrRuO3上側電極の厚さを約30nm以下に減少させることにより、前記SrRuO3は速やかに結晶化し、このため前記上側電極を結晶化に要する熱処理時間を短縮できる。かかる熱処理時間の短縮の結果、前記SrRuO3上側電極から強誘電体キャパシタ絶縁膜へのRuの拡散が抑制され、強誘電体キャパシタの疲労特性およびインプリント特性が向上する。同様の効果は、前記強誘電体キャパシタ絶縁膜の厚さを約300nm以下に設定することによっても得られる。さらに、前記SrRuO3上側電極の厚さを前記のように約30nm以下に設定することにより、上側電極のドライエッチングによるパターニングが容易に実行できるようになる。
【0027】
図5は、本発明者が行なった、本発明の基礎となる実験に使った強誘電体キャパシタの構造を示す。
【0028】
図5を参照するに、強誘電体キャパシタはSi基板31上に形成された厚さが80nmのPt膜よりなる下側電極32(BEL:bottom electrode)、前記下側電極32上に形成されたPZT膜よりなる強誘電体キャパシタ絶縁膜33(FER:ferroelectric film)と、前記強誘電体キャパシタ絶縁膜33上に形成された上側電極34(TEL:top electrode)とより構成され、前記上側電極32は導電性のペロブスカイト型酸化物であるSrRuO3より構成される。以下の実験では、前記PZT膜33は300nmの厚さに形成し、またSrRuO3膜34は30nmの厚さに形成した。ただし、前記PZT膜33は典型的にはスパッタ法あるいはCSD(Chemical Solution Deposition)法により形成され、550〜750℃の温度で熱処理され、ペロブスカイト型構造に結晶化される。一方前記SrRuO3膜34は焼結SrRuO3ターゲットを使ったスパッタ法により形成される。
【0029】
このようにして形成された強誘電体キャパシタは、前記SrRuO3膜34の堆積の後、約600℃の温度で再度熱処理され、その結果前記SrRuO3膜34が、ペロブスカイト型構造に結晶化する。
【0030】
表1は、前記PZT膜33において膜33中のPb量(Pb/(Ti+Zr)×100)を様々に変化させた場合における正および負のリーク電流、正及び負の抗電界電圧(±Vc)の88時間後における変化(±Vc−shift)、反転電荷量QSW、90%飽和電圧V90、および1×108回のパルス印加を行なった後における前記反転電荷量QSWの変化(QSW loss)、すなわち疲労特性を示す。ただし、前記正および負のリーク電流は、図2の強誘電体キャパシタに+5Vの電圧および−5Vの電圧を印加した場合のリーク電流を示す。また抗電界電圧(±Vc)は、図3のヒステリシスループにおいて、残留分極の反転を生じるのに必要な電界に対応する電圧を示す。
【0031】
【表1】
図6は、前記表1のリーク電流(+5V印加時)および疲労特性(QSW loss)を示す。ただし、図6は前記600℃での熱処理後の結果を示す。
【0032】
図6を参照するに、強誘電体キャパシタでは、PZT膜33中のPb量が107%以上である場合には疲労、すなわち反転電荷量QSWの減少は、1×108回のパルス印加を行なった後においても生じないことがわかる。一方図6より、PZT膜33中のPb量が増大するにつれて、膜33を通過するリーク電流は増大することがわかる。このことから、リーク電流が許容できる範囲において理想的な疲労特性は、前記Pb量を104〜112%の範囲、より好ましくは107〜109%の範囲に設定した場合に得られることがわかる。
【0033】
表2は図5の強誘電体キャパシタにおいて、前記上側電極34をSrRuO3膜とPt膜との積層構造とし、前記SrRuO3膜の厚さを0nm,5nm,15nm,70nmと変化させた場合の強誘電体キャパシタの反転電荷量QSWの値、V90の値、+5Vおよび−5Vの電圧を印加した場合の初期リーク電流値、短絡発生電圧値、1×108パルス印加後の疲労特性(ΔQSW=QSW loss)、および疲労試験後におけるリーク電流特性および短絡発生電圧の関係を示す。ただし、表2の実験においては、前記強誘電体膜33としてPb量が111%のPLZT膜を使った。
【0034】
【表2】
表2を参照するに、前記上側電極34がPt電極のみにより構成されていた場合には1×108パルス印加後において反転電荷量QSWが91%も減少するのに対し、厚さが5nmのSrRuO3膜を介在させるだけで、前記反転電荷量QSWの減少(ΔQSW)は−3%まで改善されるのがわかる。また、90%飽和電圧V90も、前記上側電極34がPt電極のみよりなる場合には6.0V前後であったのが、厚さが5nmのSrRuO3膜を介在させるだけで、5.0V以下に減少する。前記反転電荷量QSWの減少量の改善の度合いおよび前記90%飽和電圧V90の減少は、前記SrRuO3膜の厚さが増大するにつれてさらに向上する。
【0035】
図7は、表2の初期リーク電流と印加電圧との関係を示す。
【0036】
図7を参照するに、初期リーク電流は、印加電圧が+5Vである場合、前記SrRuO3膜の厚さが0〜15nmの範囲では余り変化していないが、前記SrRuO3膜の厚さが70nmに到達すると急激に増大することがわかる。このことから、前記上側電極34を構成するSrRuO3膜の厚さは、おおよそ30nm以下に設定するのが好ましい。
【0037】
また、前記上側電極34にSrRuO3膜を使った場合には、前記上側電極34はClとO2とArを含むプラズマ中でドライエッチングを行なうことによりパターニングされるが、前記電極34がSrを含むために十分なエッチング速度を得ることが困難である。すなわち、プラズマとSrとの反応が前記SrRuO3膜のドライエッチングの際の律側過程となる。従ってこのようなSrRuO3膜を含む電極34のドライエッチングの際には、SrRuO3膜の厚さを可能な限り薄くするのが好ましい。
【0038】
表3は、図5の強誘電体キャパシタの熱処理温度と反転電荷量QSW、90%飽和電圧V90、200kVcm−1の印加電界下におけるリーク電流の値、および1×108パルス印加後における前記反転電荷量QSWの減少量(ΔQSW=QSW loss)との関係を示す。ただし、表3の実験では図5の強誘電体キャパシタにおいて強誘電体キャパシタ絶縁膜33として厚さが300nmのPLZT膜を使っている。また表3の例では、上側電極34として厚さが100nmのPt電極を使った場合と、前記キャパシタ絶縁膜33と前記Pt電極との間に厚さが5nm,15nmおよび30nmのSrRuO3膜を介在させた場合が示されている。
【0039】
【表3】
表3を参照するに、上側電極34としてPt電極のみを使った場合には、PZT膜33中のPb量が108%以上であった場合に、熱処理温度が600℃から650℃へと高くなるにつれてΔQSWの値が著しく減少するのがわかる。この50℃の温度範囲におけるこのようなΔQSWの値の大きな変化の理由は明らかでないが、Pt電極34をPZT膜33上にスパッタにより形成する際の損傷が、熱処理温度を高くすることで修復されるものと考えられる。
【0040】
これに対し、前記Pt電極の下に前記SrRuO3膜を介在させた場合には、前記反転電荷量QSWの減少(ΔQSW)に関しては、熱処理を600℃で行なった場合でも、熱処理温度を650℃まで上昇させた場合でも、実質的な変化は見られない。
【0041】
表4は、図5の強誘電体キャパシタにおいて強誘電体膜33として薄いPLZT膜を使った場合の、200kVcm−1の印加電界下におけるリーク電流、反転電荷量QSW、90%飽和電圧V90および1×108パルス印加後の反転電荷量QSWの変化ΔQSWを示す。
【0042】
【表4】
表4を参照するに、前記PLZT膜の厚さを150nmとした場合と170nmとした場合とが比較されているが、いずれの場合においても、上側電極34として厚さが10nmのSrRuO3膜上にPt電極を形成した構成を使った場合、3Vにおける反転電荷量QSWの値が50μCcm−2を超える例があるのがわかる。この値は、前記上側電極34をPtのみとした場合よりも大きい。すなわち、このような薄い強誘電体膜を使った強誘電体キャパシタは、低電圧駆動される将来の高集積化半導体装置への応用において有望である。
【0043】
表4よりわかるように、強誘電体キャパシタ絶縁膜の厚さが減少すると一般にリーク電流の値は増大するが、表4の例では、PLZT膜の厚さが同じである限り、リーク電流の値はPt電極のみを設けた場合とSrRuO3膜上にPt膜を設けた場合とで、さほど変わってはいない。
【0044】
図8は、図5の強誘電体キャパシタにおいて前記強誘電体キャパシタ絶縁膜33を構成する厚さが150nmのPLZT膜における反転電荷量QSWと印加電圧との関係を示す。
【0045】
図8を参照するに、前記PLZT膜33上に5nmの厚さのSrRuO3膜を形成し、さらにその上に5nmの厚さのPt膜を形成した場合の方が、反転電荷量QSWの値は、かかるSrRuO3膜を省略した場合よりも著しく大きくなることがわかる。
【0046】
図9は、図5の強誘電体キャパシタにおける抗電界電圧VcとPLZT膜33の厚さとの関係を示す。
【0047】
図9を参照するに、抗電界電圧VcはPLZT膜33の膜厚と共に減少し、かかる強誘電体キャパシタを半導体装置に使った場合、半導体装置の低電圧動作が可能になることがわかる。その際にも、前記上側電極34としてSrRuO3膜とPt電極の積層構造を使った方が、抗電界電圧Vcをより低くすることが可能である。
【0048】
また図9は、前記PLZT膜33の膜厚と抗電界Ecとの関係をも示すが、図9よりわかるように、抗電界Ecは、前記PLZT膜33の熱処理を600℃で行なった場合は余り変化しないことがわかる。また、前記抗電界Ecの大きさは前記抗電界電圧Vcに対応して、前記上側電極34としてSrRuO3膜とPt電極の積層構造を使った方が、Pt電極のみを使った場合よりも小さくなる。
【発明の実施の形態】
【0049】
[第1実施例]
図10(A)〜12(G)は、本発明の一実施例による強誘電体ランダムアクセスメモリ(FeRAM)40の製造工程を示す。
【0050】
図10(A)を参照するに、Si基板41上には素子領域43が素子分離構造42を構成するフィールド酸化膜により画成されており、前記素子領域43上には側壁酸化膜46を形成されたゲート電極48が形成されている。また、前記素子領域43中には、前記ゲート電極48の両側に拡散領域50A,50Bが形成されている。
【0051】
次に図10(B)の工程において、前記Si基板41上に、前記ゲート電極48を覆うように厚さが約600nmの層間絶縁膜52を形成し、さらに前記層間絶縁膜52中に前記拡散領域50A,50Bを露出するようにコンタクトホール53A,53Bを形成する。さらに、前記コンタクトホール53A,53B中には導電性プラグ54A,53Bがそれぞれ形成される。
【0052】
さらに図10(C)の工程において、前記層間絶縁膜52上にSiONよりなるエッチングストッパ膜56とSiO2膜58とを、いずれも100nmの厚さに形成し、次に図11(D)の工程において前記SiO2膜58上に、厚さが20〜100nmのIrOx膜60と、厚さが50〜200nmのPt膜64とをスパッタ法によりさらに順次堆積し、Pt/IrOx構造を有する下側電極層66を形成する。前記IrOx膜60の堆積は、典型的にはIrをターゲットに使った反応性スパッタにより形成される。より具体的には前記IrOx膜60のスパッタは、平行平板マグネトロンスパッタ装置を使い、ArとO2よりなる混合ガスプラズマ中において、DCパワーおよび反応室内圧をそれぞれ0.5〜5.0W・cm−2および約0.7Paに設定し、ArおよびO2をそれぞれ100SCCMおよび100SCCMの流量で供給しながら行なわれる。
【0053】
図11(D)の工程では、さらに前記下側電極層66上に厚さが約300nmのPZT膜68をスパッタあるいはCSD法により形成し、これを酸化雰囲気中、550〜750℃の温度で熱処理することにより、ペロブスカイト型構造に結晶化させる。その際、本実施例では前記PZT膜のPb量(Pb/Zr+Ti)を、先に説明した表1および図6の関係から、104〜112%の範囲、より好ましくは107〜109%の範囲に設定する。
【0054】
さらに図11(E)の工程で、前記PZT膜68上にSrRuO3膜70が焼結SrRuO3をターゲットに使ったスパッタ法により5〜30nmの厚さに形成され、さらにその上にPt膜74が前記Pt膜64と同様にしてスパッタにより、80〜100nmの厚さに堆積される。その結果、前記SrRuO3膜70とPt膜74とにより、上側電極層76が形成される。
【0055】
本実施例では、このようにして形成された構造をさらに酸化雰囲気中、600〜650℃、好ましくは約600℃の温度で熱処理することにより、前記SrRuO3膜70をペロブスカイト型構造に結晶化させる。前記SrRuO3膜70において、SrxRuO3で表した場合の膜70の組成は、組成パラメータxを1.0〜1.25の間で適宜設定することができる。前記SrRuO3膜70を形成するスパッタは、直流スパッタでも高周波スパッタでもよく、典型的には圧力が0.5〜4.0Paの範囲において、ArとO2の混合ガスプラズマ中、0.3〜3.0Wcm−2のパワー密度で、ArとO2の流量比を99:1〜50:50の範囲に設定して行われる。基板温度は室温から約700℃の範囲で設定すればよい。また、使用されるSrRuO3タ−ゲットとしては相対密度が50〜99%の焼結体が使われる。
【0056】
次に、図12(F)の工程において、前記下側電極層66,PZT膜68および上側電極層76は、ArにCl2およびO2を加えた組成のエッチングガスを使ったドライエッチングによりパターニングされ、強誘電体キャパシタ78が形成される。その際、前記SrRuO3膜70のドライエッチングが全体のドライエッチングの律速要因になるが、前記SrRuO3膜70の厚さが30nm以下であるので、パターニングの際のスループットが著しく低下することはない。また、前記強誘電体キャパシタ78では、前記SrRuO3膜70の厚さが30nm以下であるので、600℃程度の温度でも膜70は十分に結晶化する。
【0057】
前記強誘電体キャパシタ78の形成の後、図12(G)の工程において前記SiO2膜58上に前記強誘電体キャパシタ78の上面および側壁面を覆うようにSiO2膜80を堆積し、さらに前記SiO2膜80中に、前記上側電極76を構成するPt膜74を露出するようにコンタクトホール82を形成する。また、前記SiO2膜80中に前記導電性プラグ54Bを露出するようにコンタクトホール84を形成し、さらに、前記SiO2膜80上には前記コンタクトホール82を介して前記Pt膜74にコンタクトし、さらに前記コンタクトホール84を介して前記拡散領域50Bに電気的に接続される局部配線パターン86を、TiN膜の堆積およびパターニングにより形成する。
【0058】
最後に、前記SiO2膜80上に前記局部配線パターン86を覆うように層間絶縁膜88を堆積し、さらに前記層間絶縁膜88中に、前記導電性プラグ54Aを露出するコンタクトホール90を形成し、前記コンタクトホール90に前記導電性プラグ54Aとコンタクトするビット線電極92を形成する。
【0059】
本実施例によれば、先にも説明したように前記PZT膜68中のPb量が最適化されているため、表1および図6に示すように、リーク電流特性を損なうことなく強誘電体キャパシタ78の疲労特性(ΔQSW)が向上する。さらに、前記上側電極76中のSrRuO3膜70の厚さを最適化することにより、図7に示すように強誘電体キャパシタ78のリーク電流特性が向上する。
【0060】
図12(G)のFeRAM40において、前記上側電極76中のSrRuO3膜70は、600〜650℃の温度で熱処理することにより、表3で説明したように疲労特性を向上させることができる。特に前記上側電極76としてSrRuO3膜70を省略した場合には、前記熱処理温度を約650℃に設定することにより、表3に示すように疲労特性を大きく向上させることができる。
【0061】
さらに、図12(G)のFeRAM40において、前記PZT膜68の厚さを175nmあるいは150nm、あるいはそれ以下に減少させることにより、90%飽和電圧V90の値が減少し、3.3Vあるいはそれ以下の低電圧駆動が可能になる。
【0062】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【発明の効果】
【0063】
本発明の特徴によれば、強誘電体キャパシタを構成するPZT膜中のPb量が最適化されているため、リーク電流特性を損なうことなく強誘電体キャパシタの疲労特性が向上する。さらに、上側電極のSrRuO3膜70の厚さを最適化することにより、強誘電体キャパシタのリーク電流特性が向上する。
【0064】
また、本発明では強誘電体キャパシタを構成する上側電極中のSrRuO3膜を600〜650℃の温度で熱処理することにより、疲労特性を向上させることができる。特に前記上側電極においてSrRuO3膜を省略した場合には、前記熱処理温度を約650℃に設定することにより、疲労特性を大きく向上させることができる。
【0065】
さらに、本発明では強誘電体キャパシタのPZT膜68の厚さを175nmあるいは150nm、あるいはそれ以下に減少させることにより、かかる強誘電体キャパシタを使った半導体装置の低電圧駆動が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のFeRAMの構成を示す図である。
【図2】図1のFeRAMで使われるペロブスカイト型構造を有する強誘電体膜の結晶構造を示す図である。
【図3】図2の強誘電体膜の分極特性を示す図である。
【図4】(A),(B)は、従来の強誘電体キャパシタの構成を示す図である。
【図5】本発明の基礎になる実験で使った強誘電体キャパシタの構造を示す図である。
【図6】図5の強誘電体キャパシタの特性を示す図(その1)である。
【図7】図5の強誘電体キャパシタの特性を示す図(その2)である。
【図8】図5の強誘電体キャパシタの特性を示す図(その3)である。
【図9】図5の強誘電体キャパシタの特性を示す図(その4)である。
【図10】(A)〜(C)は、本発明の一実施例によるFeRAMの製造工程を示す図(その1)である。
【図11】(D),(E)は、本発明の一実施例によるFeRAMの製造工程を示す図(その2)である。
【図12】(F),(G)は、本発明の一実施例によるFeRAMの製造工程を示す図(その3)である。
【符号の説明】
10,40 FeRAM
11,41 Si基板
11A,11B,41A,41B 拡散領域
12,42 フィールド酸化膜
13,48 ゲート電極
14 SiO2 膜
15 層間絶縁膜
16 導体プラグ
17,66 下側電極
17A,19A,60 IrO2 膜
17B,19B,64,74 Pt膜
18,33,68 強誘電体キャパシタ絶縁膜
19,76 上側電極
20 配線パターン
21,22 酸化膜
22A コンタクトホール
23 導体パターン
31 基板
32 下側電極
34 上側電極
43 素子形成領域
46 側壁酸化膜
52 層間絶縁膜
53A,53B コンタクトホール
54A,54B 導体プラグ
56 SiONエッチングストッパ
58,80 SiO2 膜
70 SrRuO3 膜
78 強誘電体キャパシタ
82 コンタクトホール
86 局部配線パターン
Claims (4)
- 基板上に、PtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.04〜1.12の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行ない、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。 - 基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.07〜1.09の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行い、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする強誘電体キャパシタの製造方法。 - 強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.04〜1.12の範囲の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行ない、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 強誘電体キャパシタを有する半導体装置の製造方法であって、
基板上にPtもしくはIrOxとPtの積層膜よりなる下側電極を堆積する工程と、
前記下側電極上に、Pbを過剰に含むPZT膜を形成する工程と、
前記PZT膜を熱処理することで結晶化し、Pbが、Pb/(Zr+Ti)比にして1.07〜1.09の強誘電体キャパシタ絶縁膜を形成する工程と、
前記強誘電体キャパシタ絶縁膜上に、膜厚が5〜30nmのSrRuO 3 組成の膜とPt膜の積層膜よりなる上側電極を形成する工程と、
前記SrRuO 3 組成の膜を、600〜650℃の温度で熱処理を行い、前記SrRuO 3 組成の膜を結晶化させ、ペロブスカイト構造を有するSrRuO 3 組成の膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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