JP3751617B2 - Method for forming ferroelectric film - Google Patents

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本発明は、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法に関し、特に、有機金属化学気相成長法を用いてビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure, and more particularly, to a method for forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure using a metal organic chemical vapor deposition method.

近年、デジタル技術の進展に伴って、大容量のデータを処理及び保存する傾向が推進される中で電子機器が一段と高度化しており、電子機器に使用される半導体集積回路装置の大集積化及び半導体素子の微細化が急速に進んできている。   In recent years, with the advancement of digital technology, electronic devices have become more sophisticated as the tendency to process and store large amounts of data has been promoted, and the integration of semiconductor integrated circuit devices used in electronic devices has increased. The miniaturization of semiconductor elements is progressing rapidly.

そして、ダイナミックRAM(Random Access Memory)の高集積化を実現するため、従来の珪素酸化物又は珪素窒化物に代えて、高誘電率を有する誘電体(以下、高誘電体と呼ぶ)を記憶容量素子の容量膜として用いる技術が広く研究開発されている。   In order to realize high integration of dynamic RAM (Random Access Memory), a dielectric having a high dielectric constant (hereinafter referred to as a high dielectric) is used instead of the conventional silicon oxide or silicon nitride. A technology used as a capacitor film of an element has been widely researched and developed.

さらに、従来よりも低電圧で動作し且つ高速での書き込み及び読み出しが可能な不揮発性RAMの実用化を目指して、自発分極特性を有する強誘電体膜を用いFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)に関する研究開発が盛んに行なわれている。   Furthermore, with the aim of commercializing a nonvolatile RAM that can operate at a lower voltage and can be written and read at a higher speed than before, research on FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric film having spontaneous polarization characteristics Development is actively underway.

不揮発性RAMに用いる強誘電体膜としては、書き換え耐性に優れ且つ低電圧動作が可能なビスマス層状構造を有する強誘電体膜が有望である。一般にビスマス層状構造は以下の化学式で表される。   As a ferroelectric film used for a nonvolatile RAM, a ferroelectric film having a bismuth layer structure that is excellent in rewriting resistance and capable of low voltage operation is promising. In general, a bismuth layer structure is represented by the following chemical formula.

(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-
(但し、mは1以上の整数であり、Aは1価、2価又は3価の金属であり、Bは4価、5価又は6価の金属である。)
(Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2-
(However, m is an integer of 1 or more, A is a monovalent, divalent or trivalent metal, and B is a tetravalent, pentavalent or hexavalent metal.)

ビスマス層状構造を有する一群の材料の中で、特に、SrBi2Ta29 (通称SBT)、SrBi2Nb29 (通称SBN) 、SrBi2(Ta1-xNbx)29 (但し、0<X<1、通称SBTN) 等の材料がよく用いられている。 Among a group of materials having a bismuth layer structure, SrBi 2 Ta 2 O 9 (commonly known as SBT), SrBi 2 Nb 2 O 9 (commonly known as SBN), SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 ( However, materials such as 0 <X <1, commonly known as SBTN) are often used.

このビスマス層状構造においては、酸化ビスマス層(Bi22)と擬ペロブスカイト層(Am-1m3m+1)とが交互に積層されている。 In this bismuth layered structure, bismuth oxide layers (Bi 2 O 2 ) and pseudo-perovskite layers (A m-1 B m O 3m + 1 ) are alternately stacked.

ビスマス層状構造を有する強誘電体膜は通常3種類以上の金属により構成されているので、良好な強誘電体特性を発現させるためには、強誘電体膜における組成比を正確に制御することが必要である。   Since a ferroelectric film having a bismuth layer structure is usually composed of three or more kinds of metals, the composition ratio in the ferroelectric film must be accurately controlled in order to develop good ferroelectric characteristics. is necessary.

強誘電体膜の形成方法は、CSD(Chemical Solution Deposition)法と気相成長法に大別される。   Ferroelectric film formation methods are roughly classified into CSD (Chemical Solution Deposition) and vapor phase growth.

CSD法は基板に溶液を直接塗布して熱処理を施すことにより所定の膜を形成する方法であり、CSD法には溶液の種類に応じてMOD(Metal Organic Decomposition)法(有機金属熱分解法)又はゾルゲル法等がある。また、CSD法における溶液の塗布の方法には、通常よく用いられるスピンコート法の他に、溶液を霧状にして塗布するLSMCD(Liquid Source Misted Chemical Deposition)法がある。   The CSD method is a method of forming a predetermined film by directly applying a solution to a substrate and performing a heat treatment. The CSD method is a MOD (Metal Organic Decomposition) method (organic metal pyrolysis method) according to the type of solution. Or there is a sol-gel method. In addition to the spin coating method that is usually used, there is an LSMCD (Liquid Source Misted Chemical Deposition) method in which the solution is applied in the form of a mist in addition to the spin coating method that is usually used.

一方、気相成長法には、スパッタ法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法(有機金属気相成長法)等がある。   On the other hand, the vapor phase growth method includes a sputtering method, a MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method (organic metal vapor phase growth method) and the like.

このように、強誘電体膜の成膜法として各種の成膜法があるが、従来はCSD法が一般に用いられてきた。CSD法により強誘電体膜を形成する場合、溶液中の金属組成比と最終的に成膜された強誘電体膜における金属組成比とがほぼ同じになるので、強誘電体膜における金属組成比の制御を容易に行なうことができる。従って、3種類以上の金属を含むビスマス層状構造を有する強誘電体膜における組成比を制御するためには、CSD法は適した方法である。   As described above, there are various film forming methods as a method for forming the ferroelectric film. Conventionally, the CSD method has been generally used. When the ferroelectric film is formed by the CSD method, the metal composition ratio in the solution is almost the same as the metal composition ratio in the finally formed ferroelectric film. Can be easily controlled. Therefore, the CSD method is a suitable method for controlling the composition ratio in a ferroelectric film having a bismuth layer structure containing three or more kinds of metals.

ところで、強誘電体記憶装置の高集積化を実現するためには、今後、立体型キャパシタを形成する必要があるが、立体型キャパシタにおいては、強誘電体膜が良好な段差被覆性を有するように成膜されることが要求される。この点、CSD法を用いることにより良好な段差被覆性を有する強誘電体膜を形成することは困難であるが、気相成長法を用いて良好な段差被覆性を有する強誘電体膜を形成できるMOCVD法が期待されている。   By the way, in order to realize high integration of the ferroelectric memory device, it is necessary to form a three-dimensional capacitor in the future. However, in the three-dimensional capacitor, the ferroelectric film seems to have good step coverage. It is required to form a film. In this regard, it is difficult to form a ferroelectric film having good step coverage by using the CSD method, but a ferroelectric film having good step coverage is formed by using a vapor phase growth method. A possible MOCVD method is expected.

MOCVD法は、加熱により液相又は固相の有機金属化合物を気化し、気化された有機金属化合物を基板の上まで輸送した後、高温に保持された基板の上で気化された有機金属化合物を熱分解させることにより、金属又は金属酸化物を堆積させる方法である。強誘電体膜のような2元系以上の材料を成膜する場合、強誘電体膜を構成する金属を含む有機化合物を供給源として用意し、チャンバー内に導入するガス供給量を個別に制御することにより、所望の組成比を有する強誘電体膜を形成する方法が一般的である。   In the MOCVD method, a liquid-phase or solid-phase organometallic compound is vaporized by heating, the vaporized organometallic compound is transported onto the substrate, and then the organometallic compound vaporized on the substrate held at a high temperature is removed. In this method, metal or metal oxide is deposited by thermal decomposition. When forming a binary system or more material such as a ferroelectric film, an organic compound containing a metal constituting the ferroelectric film is prepared as a supply source, and the gas supply amount introduced into the chamber is individually controlled. Thus, a method of forming a ferroelectric film having a desired composition ratio is common.

しかしながら、このように、ガス供給量を個別に制御して所望の組成比を有する強誘電体膜をMOCVD法によって形成すると、強誘電体膜における組成比の制御は容易になるが、強誘電体膜の堆積は供給律速(堆積速度が基板温度に基づくものではなくガス供給量に依存する状態)に支配される。このため、優れた段差被覆性を有する強誘電体膜の形成が可能なMOCVD法を用いても、深い段差を有する基板の上に強誘電体膜を形成する場合には、ガス供給量が多くなる凸部においては堆積速度が速くなる一方、ガス供給量が少ない凹部においては堆積速度が遅くなるので、基板の上に堆積される強誘電体膜の段差被覆性が悪くなる。   However, when a ferroelectric film having a desired composition ratio is formed by the MOCVD method by individually controlling the gas supply amount as described above, the composition ratio in the ferroelectric film can be easily controlled. The deposition of the film is governed by supply rate control (a state in which the deposition rate is not based on the substrate temperature but depends on the gas supply rate). For this reason, even if the MOCVD method capable of forming a ferroelectric film having excellent step coverage is used, when a ferroelectric film is formed on a substrate having a deep step, the amount of gas supply is large. On the other hand, the deposition rate is high in the convex portion, while the deposition rate is slow in the concave portion where the gas supply amount is small, so that the step coverage of the ferroelectric film deposited on the substrate is deteriorated.

ところで、強誘電体膜の段差被覆性を良くするためには、基板温度を低くすることにより、強誘電体膜を反応律速(堆積速度がガス供給量ではなく基板温度に依存する状態)で堆積させればよい。しかしながら、強誘電体膜を反応律速で堆積させる場合には、強誘電体膜における組成比の制御が困難になる。   By the way, in order to improve the step coverage of the ferroelectric film, the substrate temperature is lowered to deposit the ferroelectric film at a reaction rate-determined condition (deposition rate depends on the substrate temperature rather than the gas supply amount). You can do it. However, in the case where the ferroelectric film is deposited at a reaction rate, it is difficult to control the composition ratio in the ferroelectric film.

強誘電体膜における組成比を変化させるためには、基板温度、圧力又は酸素分圧等のパラメーターを変化させることにより、強誘電体膜を構成する各金属の堆積速度比を変化させればよいが、各金属の堆積速度は一様に変化するので、各金属の堆積速度比の微調整は可能であるが、各金属の堆積速度比を大きく変えることはできない。   In order to change the composition ratio in the ferroelectric film, it is only necessary to change the deposition rate ratio of each metal constituting the ferroelectric film by changing parameters such as the substrate temperature, pressure or oxygen partial pressure. However, since the deposition rate of each metal changes uniformly, fine adjustment of the deposition rate ratio of each metal is possible, but the deposition rate ratio of each metal cannot be changed greatly.

堆積速度比を大きく変えるためには、強誘電体膜を構成する金属を含む各有機金属化合物における有機基の種類を変える必要がある。   In order to greatly change the deposition rate ratio, it is necessary to change the type of organic group in each organometallic compound including the metal constituting the ferroelectric film.

しかしながら、有機金属化合物には、低温で気化すること、輸送中に熱分解しないこと、基板上で適切な速度で分解すること等の多くの条件が要求されるため、有機基の種類を選択する際に材料が限定されるので、適切な材料よりなる有機金属化合物を容易に得ることが困難であるという課題があった。   However, since organic metal compounds require many conditions such as vaporization at low temperature, no thermal decomposition during transportation, and decomposition at an appropriate rate on the substrate, the type of organic group is selected. However, since the materials are limited, there is a problem that it is difficult to easily obtain an organometallic compound made of an appropriate material.

前述に鑑み、従来の第1の強誘電体膜の形成方法として、ダブルアルコキシドを用いてビスマス層状構造を有する強誘電体膜を成膜する方法がある(例えば特許文献1参照)。   In view of the foregoing, as a conventional method of forming a first ferroelectric film, there is a method of forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure using double alkoxide (see, for example, Patent Document 1).

従来の第1の強誘電体膜の形成方法によると、前記(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-に示されるA及びBに相当する金属を含む金属アルコキシド化合物を用いることにより、これまで3種類必要であった原料ガスの種類を最低2種類まで減らすことができるので、強誘電体膜における組成比を容易に制御することができる。 According to the conventional method for forming a first ferroelectric film, the metal corresponding to A and B represented by (Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- is included. By using a metal alkoxide compound, the number of raw material gases that have been required up to three can be reduced to at least two, so that the composition ratio in the ferroelectric film can be easily controlled.

ところで、近年、強誘電体記憶装置においてメガビット級の高集積記憶装置を実現するために、従来のプレーナ型メモリセルに代わってスタック型のメモリセルが強誘電体記憶装置に用いられている。スタック型のメモリセルを用いる場合、強誘電体膜を結晶化する際に必要な酸素雰囲気での高温の熱処理により、コンタクトプラグと容量素子の下部電極との接触面が酸化されることが問題となる。このため、一般に、コンタクトプラグと下部電極との間に酸化イリジウム等の酸素バリア膜が形成される。   Recently, in order to realize a megabit-class highly integrated memory device in a ferroelectric memory device, a stack type memory cell is used in the ferroelectric memory device instead of a conventional planar memory cell. When using a stack type memory cell, the contact surface between the contact plug and the lower electrode of the capacitor element is oxidized by high-temperature heat treatment in an oxygen atmosphere necessary for crystallizing the ferroelectric film. Become. Therefore, generally, an oxygen barrier film such as iridium oxide is formed between the contact plug and the lower electrode.

しかしながら、酸素バリア膜には耐熱限界があるので、熱処理によって強誘電体膜を結晶化する際の加熱温度を低温で行なうことが要求される。前述の従来の第1の強誘電体膜の形成方法によると、優れた段差被覆性を有すると共に所望の組成比を有する強誘電体膜の形成方法を提供することはできるが、金属アルコキシドを用いて強誘電体膜を形成する通常行なわれる方法と同様に、高温での熱処理によって強誘電体膜を結晶化することが必要になる。このように、従来の第1の強誘電体膜の形成方法では、強誘電体膜を結晶化する際の加熱処理を低い温度で行なうことはできない。   However, since the oxygen barrier film has a heat resistance limit, it is required that the heating temperature for crystallizing the ferroelectric film by heat treatment be low. According to the first conventional method for forming a ferroelectric film, a method for forming a ferroelectric film having excellent step coverage and a desired composition ratio can be provided. However, a metal alkoxide is used. Thus, it is necessary to crystallize the ferroelectric film by a heat treatment at a high temperature, as in the usual method for forming the ferroelectric film. Thus, in the conventional first method for forming a ferroelectric film, the heat treatment for crystallizing the ferroelectric film cannot be performed at a low temperature.

一方、強誘電体膜を結晶化する際の加熱処理を低温で行なう方法として、従来の第2の強誘電体膜の形成方法が開示されている(例えば特許文献2参照)。従来の第2の強誘電体膜の形成方法は、前記(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-に示すBiとA及びBに相当する金属とを含むトリプルアルコキシド溶液を用いてCSD法により強誘電体膜を成膜する方法である。従来の第2の強誘電体膜の形成方法によると、分子中に強誘電体膜の最終の結晶構造と同じ原子配列をすでに有するトリプルアルコキシド溶液を用いているため、強誘電体膜を結晶化する際に要求される活性化エネルギーが低減されるので、強誘電体膜に対する加熱処理を低温で行なうことができる。 On the other hand, a conventional second method for forming a ferroelectric film is disclosed as a method for performing heat treatment at the time of crystallizing a ferroelectric film at a low temperature (see, for example, Patent Document 2). A conventional second method for forming a ferroelectric film is to combine Bi shown in the above (Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2− and metals corresponding to A and B. In this method, a ferroelectric film is formed by a CSD method using a triple alkoxide solution. According to the conventional second method for forming a ferroelectric film, since a triple alkoxide solution having the same atomic arrangement as the final crystal structure of the ferroelectric film is already used in the molecule, the ferroelectric film is crystallized. Since the activation energy required for this is reduced, the heat treatment for the ferroelectric film can be performed at a low temperature.

特許第3116768号公報Japanese Patent No. 3116768 特開平11−80181号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-80181

前述のように、従来の第2の強誘電体膜の形成方法は、トリプルアルコキシド溶液を原料に用いたCSD法により強誘電体膜を形成する方法である。従って、トリプルアルコキシド溶液を原料に用いてMOCVD法により強誘電体膜を形成する方法によれば、優れた段差被覆性を有し且つ所望の組成比を実現する強誘電体膜を形成できると共に、強誘電体膜を結晶化する際に強誘電体膜に対して低温で熱処理を行なうことができるのではないかということが当然に予想される。   As described above, the conventional second method for forming a ferroelectric film is a method for forming a ferroelectric film by a CSD method using a triple alkoxide solution as a raw material. Therefore, according to the method of forming a ferroelectric film by MOCVD using a triple alkoxide solution as a raw material, a ferroelectric film having excellent step coverage and realizing a desired composition ratio can be formed. When the ferroelectric film is crystallized, it is naturally expected that the ferroelectric film can be heat-treated at a low temperature.

しかしながら、トリプルアルコキシドは1分子中に3種類の金属元素を合計5個含んでいるので、分子量が必然的に大きくなる。このため、強誘電体膜を成膜する際に必要な蒸気圧を得るためには、トリプルアルコキシド溶液を高温で加熱する必要があるが、トリプルアルコキシド溶液を高温で加熱すると、トリプルアルコキシドは熱分解してしまう。従って、MOCVD法を用いて強誘電体膜を成膜する場合、トリプルアルコキシド溶液を原料に用いることは不可能である。   However, since triple alkoxide contains a total of five three types of metal elements in one molecule, the molecular weight inevitably increases. For this reason, in order to obtain the vapor pressure required when forming a ferroelectric film, it is necessary to heat the triple alkoxide solution at a high temperature. However, when the triple alkoxide solution is heated at a high temperature, the triple alkoxide is thermally decomposed. Resulting in. Therefore, when forming a ferroelectric film using the MOCVD method, it is impossible to use a triple alkoxide solution as a raw material.

前記鑑み、本発明は、MOCVD法により成膜された強誘電体膜に対して低温での加熱処理を行なうことにより、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することを目的とする。   In view of the foregoing, an object of the present invention is to form a ferroelectric film having a bismuth layer structure by performing a heat treatment at a low temperature on a ferroelectric film formed by the MOCVD method.

前記課題を解決するために、本発明に係る第1の強誘電体膜の形成方法は、チャンバー内に、少なくとも、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 (但し、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)で表される第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと、B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)(但し、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R5、R6、R7、R8及びR9は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)で表される第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスと、酸化性ガスとを導入して、有機金属化学気相成長法により成膜する工程を備えることを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the first ferroelectric film forming method according to the present invention includes at least A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] in the chamber. 2 (where A is a divalent metal or a metal compound containing a divalent metal in an arbitrary ratio, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different, and C and H are A first source gas composed of a first organometallic compound represented by: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (provided that B is a metal compound containing pentavalent metal or pentavalent metal in an arbitrary ratio, and R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different and contain C and H A second source gas composed of a second organometallic compound represented by the following formula: and an oxidizing gas, and a step of forming a film by a metal organic chemical vapor deposition method. And features.

第1の強誘電体膜の形成方法によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物との化学反応により、最終的に形成するビスマス層状構造を有する強誘電体膜の結晶構造に含まれる一部の構造が形成されるので、結晶化によりビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができる。 According to the first ferroelectric film formation method, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) As a result of the chemical reaction with the second organometallic compound represented by the formula, a partial structure included in the crystal structure of the ferroelectric film having a bismuth layer structure to be finally formed is formed. Since the activation energy required when forming a ferroelectric film having a layered structure is reduced, a ferroelectric film having a bismuth layered structure can be formed by crystallization by heat treatment at a low temperature.

本発明に係る第2の強誘電体膜の形成方法は、チャンバー内に、少なくとも、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 (但し、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基であり、R21、R22及びR23は、同種又は異種であって、水素基又はC及びHを含む有機基である。)で表される第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと、B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)(但し、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R5、R6、R7、R8及びR9は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)で表される第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスと、酸化性ガスとを導入して、有機金属化学気相成長法により成膜する工程を備えることを特徴とする。 In the second ferroelectric film forming method according to the present invention, at least A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 is formed in the chamber. ) 2 (where A is a divalent metal or a metal compound containing a divalent metal in an arbitrary ratio, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different, and C and H R 21 , R 22 and R 23 are the same or different, and are hydrogen groups or organic groups containing C and H.) First source gas and B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (where B is a metal compound containing pentavalent metal or pentavalent metal in an arbitrary ratio) R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different, and are organic groups containing C and H.) 2 raw materials And a step of forming a film by a metal organic chemical vapor deposition method.

第2の強誘電体膜の形成方法によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物との化学反応により、最終的に形成するビスマス層状構造を有する強誘電体膜の結晶構造に含まれる一部の構造が形成されるので、結晶化によりビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができる。さらに、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物は、金属元素Aに2個のアミンを配位結合させていることにより、金属元素Aが電気的に遮蔽されて分子間力が低減するため、第1の有機金属化合物は実際のプロセスに使用するための低い気化温度を得ることができので、プロセスマージンを大きくすることができる。 According to the method for forming the second ferroelectric film, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) As a result of the chemical reaction with the second organometallic compound represented by the formula, a partial structure included in the crystal structure of the ferroelectric film having a bismuth layer structure to be finally formed is formed. Since the activation energy required when forming a ferroelectric film having a layered structure is reduced, a ferroelectric film having a bismuth layered structure can be formed by crystallization by heat treatment at a low temperature. Furthermore, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 In the first organometallic compound represented by the formula (1), since two amines are coordinated to the metal element A, the metal element A is electrically shielded and the intermolecular force is reduced. Since the organometallic compound can obtain a low vaporization temperature for use in an actual process, the process margin can be increased.

本発明の第1及び第2の強誘電体膜の形成方法により形成される強誘電体膜は、(Bi22)2+(AB27)2-により表されることが好ましい。 The ferroelectric film formed by the first and second ferroelectric film forming methods of the present invention is preferably represented by (Bi 2 O 2 ) 2+ (AB 2 O 7 ) 2− .

本発明の第1及び第2の強誘電体膜の形成方法において、チャンバー内に水蒸気を導入する工程をさらに備えることが好ましい。   In the first and second ferroelectric film forming methods of the present invention, it is preferable to further include a step of introducing water vapor into the chamber.

このようにすると、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物との化学反応により形成される反応後の分子がさらに縮重合反応を起こして、金属と酸素との高分子ネットワークが形成されるので、さらに低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができる。   In this way, molecules after the reaction formed by the chemical reaction between the first organometallic compound and the second organometallic compound further undergo a polycondensation reaction to form a polymer network of metal and oxygen. Therefore, a ferroelectric film having a bismuth layer structure can be formed by crystallization by heat treatment at a lower temperature.

前記本発明に係る第1の強誘電体膜の形成方法によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物との化学反応により、最終的に形成するビスマス層状構造を有する強誘電体膜の結晶構造に含まれる一部の構造が形成されるので、結晶化によりビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができる。 According to the first method of forming a ferroelectric film according to the present invention, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) As a result of the chemical reaction with the second organometallic compound represented by the formula, a partial structure included in the crystal structure of the ferroelectric film having a bismuth layer structure to be finally formed is formed. Since the activation energy required when forming a ferroelectric film having a layered structure is reduced, a ferroelectric film having a bismuth layered structure can be formed by crystallization by heat treatment at a low temperature.

また、本発明に係る第2の強誘電体膜の形成方法によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物との化学反応により、最終的に形成するビスマス層状構造を有する強誘電体膜の結晶構造に含まれる一部の構造が形成されるので、結晶化によりビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができる。さらに、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物は、金属元素Aに2個のアミンを配位結合させていることにより、金属元素Aが電気的に遮蔽されて分子間力が低減するため、第1の有機金属化合物は実際のプロセスに使用するための低い気化温度を得ることができので、プロセスマージンを大きくすることができる。 Further, according to the second method for forming a ferroelectric film of the present invention, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) As a result of the chemical reaction with the second organometallic compound represented by the formula, a partial structure included in the crystal structure of the ferroelectric film having a bismuth layer structure to be finally formed is formed. Since the activation energy required when forming a ferroelectric film having a layered structure is reduced, a ferroelectric film having a bismuth layered structure can be formed by crystallization by heat treatment at a low temperature. Furthermore, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 In the first organometallic compound represented by the formula (1), since two amines are coordinated to the metal element A, the metal element A is electrically shielded and the intermolecular force is reduced. Since the organometallic compound can obtain a low vaporization temperature for use in an actual process, the process margin can be increased.

以下の各実施形では、前記一般式(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-において、m=2の場合の下記一般式で表されビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合について説明する。 In the following embodiments, in the general formula (Bi 2 O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2− , a bismuth layered structure represented by the following general formula when m = 2 is used. A case of forming a ferroelectric film having the above will be described.

(Bi22)2+(AB27)2-
(但し、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物である。)
(Bi 2 O 2 ) 2+ (AB 2 O 7 ) 2-
(However, A is a metal compound containing a divalent metal or a divalent metal in an arbitrary ratio, and B is a metal compound containing a pentavalent metal or a pentavalent metal in an arbitrary ratio.)

尚、Aは例えばCa、Sr又はBa等であり、Bは例えばV、Nb又はTa等である。   A is, for example, Ca, Sr or Ba, and B is, for example, V, Nb or Ta.

また、本発明の各実施形態に係る強誘電体膜の形成方法により形成した強誘電体膜を有する容量素子の断面構造について、容量素子が立体型容量素子である場合を例にして図1を参照しながら説明する。   FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a capacitive element having a ferroelectric film formed by the method of forming a ferroelectric film according to each embodiment of the present invention, taking the case where the capacitive element is a three-dimensional capacitive element as an example. The description will be given with reference.

図1に示すように、半導体基板1の表面部にソース領域又はドレイン領域となる不純物拡散層2が形成されていると共に、半導体基板1の上にゲート絶縁膜を介してゲート電極3が形成されており、これら不純物拡散層2及びゲート電極3によって電界効果型トランジスタ4が形成されている。   As shown in FIG. 1, an impurity diffusion layer 2 serving as a source region or a drain region is formed on a surface portion of a semiconductor substrate 1, and a gate electrode 3 is formed on the semiconductor substrate 1 via a gate insulating film. A field effect transistor 4 is formed by the impurity diffusion layer 2 and the gate electrode 3.

半導体基板1の上には電界効果型トランジスタ4を覆うように保護絶縁膜5が堆積されており、該保護絶縁膜5には下端が不純物拡散層2に接続されたタングステンよりなるコンタクトプラグ6が埋め込まれている。   A protective insulating film 5 is deposited on the semiconductor substrate 1 so as to cover the field effect transistor 4, and a contact plug 6 made of tungsten having a lower end connected to the impurity diffusion layer 2 is formed on the protective insulating film 5. Embedded.

保護絶縁膜5の上には、コンタクトプラグ6の上端を露出させる凹型の開口部7を有する層間絶縁膜8が形成されていると共に、凹型の開口部7には、下面がコンタクトプラグ6の上端と接続される酸化イリジウムよりなる酸素バリア膜9が形成されている。また、凹型の開口部7には、酸素バリア膜9の上に、下から順に、第1の電極10、各実施形態に係る強誘電体膜の形成方法により堆積されたビスマス層状構造を有する強誘電体膜11よりなる容量絶縁膜及び第2の電極12が形成されている。   An interlayer insulating film 8 having a concave opening 7 exposing the upper end of the contact plug 6 is formed on the protective insulating film 5, and the lower surface of the concave opening 7 is the upper end of the contact plug 6. An oxygen barrier film 9 made of iridium oxide is formed. The concave opening 7 has a strong bismuth layer structure deposited on the oxygen barrier film 9 in order from the bottom by the first electrode 10 and the ferroelectric film forming method according to each embodiment. A capacitor insulating film made of the dielectric film 11 and the second electrode 12 are formed.

尚、本発明に係る強誘電体膜の形成方法により形成された強誘電体膜は、前述の構造を有する容量素子にのみに用いられるものに限定されるものではなく、また、立体型容量素子に限定されるものではない。   The ferroelectric film formed by the method for forming a ferroelectric film according to the present invention is not limited to the one used only for the capacitive element having the above-described structure, and the three-dimensional capacitive element It is not limited to.

(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法について図1〜6を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A method for forming a ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

第1の実施形態においては、第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガス、第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガス及び酸化性ガスをチャンバー内に導入し、MOCVD法を用いて第1の電極10の上に強誘電体膜11a(図示せず)を成膜し、該強誘電体膜11aに対して熱処理を施して結晶化することにより、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を形成する。また、MOCVD法は、第1の原料ガス、第2の原料ガス及び酸化性ガスが所定の基板温度下で化学反応を起こすことにより、第1の電極10の上に強誘電体膜11aを成膜する方法である。   In the first embodiment, a first source gas made of the first organometallic compound, a second source gas made of the second organometallic compound, and an oxidizing gas are introduced into the chamber, and the MOCVD method is used. Then, a ferroelectric film 11a (not shown) is formed on the first electrode 10, and the ferroelectric film 11a is subjected to a heat treatment to be crystallized, whereby a ferroelectric having a bismuth layer structure is formed. The body film 11 is formed. In the MOCVD method, a ferroelectric film 11a is formed on the first electrode 10 by causing a chemical reaction between the first source gas, the second source gas, and the oxidizing gas at a predetermined substrate temperature. It is a method to form a film.

まず、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法において用いる第1の原料ガスについて説明する。第1の原料ガスは、下記一般式(1)で表されるビスマス及び金属元素Aを含む第1の有機金属化合物よりなる。   First, the first source gas used in the method for forming a ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention will be described. The first source gas is composed of a first organometallic compound containing bismuth and a metal element A represented by the following general formula (1).

A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 ・・・(1) A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (1)

ここで、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含むと共にO又はNが付加されている場合もあるしO又はNが付加されていない場合もある有機基である。 Here, A is a metal compound containing a divalent metal or a divalent metal in an arbitrary ratio, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and contain C and H And an organic group in which O or N may be added together or O or N may not be added.

第1の有機金属化合物の分子構造について図2を参照しながら説明する。図2において、実線はイオン結合又は共有結合を示していると共に、破線は配位結合を示している。尚、実際には配位結合と他の結合とを区別することは難しい。   The molecular structure of the first organometallic compound will be described with reference to FIG. In FIG. 2, a solid line indicates an ionic bond or a covalent bond, and a broken line indicates a coordinate bond. In practice, it is difficult to distinguish between coordination bonds and other bonds.

図2に示すように、金属元素Aは酸素を介してビスマスにより挟まれた構造になっており、ビスマスは4個の -OR基により囲まれている。R1、R2、R3及びR4としては、例えば、 -CH3(メチル基)、 -C25(エチル基)、 -CH(CH3)2(イソプロピル基)又は -C(CH3)3(ターシャリブチル基)等のC及びHのみから構成される鎖状のアルキル基が挙げられ、また、例えば -C24OCH3(メトキシエチル基)のように鎖の一部にO又はNを有する構造であってもよい。また、R1、R2、R3及びR4の種類によっては、O又はNが金属元素Aに配位結合することが可能であり、後述するように原料を気化する際の気化温度を小さくすること又は原料状態における安定性を高めることが可能になる。 As shown in FIG. 2, the metal element A has a structure sandwiched between oxygen and bismuth. Surrounded by -OR groups. Examples of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 include -CH 3 (methyl group), -C 2 H 5 (ethyl group), -CH (CH 3 ) 2 (isopropyl group) or A chain alkyl group composed only of C and H, such as —C (CH 3 ) 3 (tertiarybutyl group), A structure having O or N in a part of the chain such as —C 2 H 4 OCH 3 (methoxyethyl group) may be used. Further, depending on the types of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 , O or N can be coordinated to the metal element A, and the vaporization temperature when vaporizing the raw material is reduced as will be described later. Or stability in the raw material state can be increased.

次に、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法において用いる第2の原料ガスについて説明する。第2の原料ガスは、下記一般式(2)で表される金属元素Bを含む第2の有機金属化合物よりなる。   Next, the second source gas used in the ferroelectric film forming method according to the first embodiment of the present invention will be described. The second source gas is composed of a second organometallic compound containing a metal element B represented by the following general formula (2).

B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) ・・・(2) B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (2)

ここで、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、R5、R6、R7、R8及びR9は同種又は異種であって、C及びHを含むと共にO又はNが付加されている場合もあるしO又はNが付加されていない場合もある有機基である。 Here, B is a pentavalent metal or a metal compound containing a pentavalent metal in an arbitrary ratio, R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different, and C and H And an organic group in which O or N may be added or O or N may not be added.

第2の有機金属化合物の分子構造について図3を参照しながら説明する。図3において、実線はイオン結合又は共有結合を示している。   The molecular structure of the second organometallic compound will be described with reference to FIG. In FIG. 3, a solid line indicates an ionic bond or a covalent bond.

図3に示すように、金属元素Bは6個の -OR基により囲まれている。R5、R6、R7、R8及びR9としては、例えば、 -CH3(メチル基)、 -C25(エチル基)、 -CH(CH3)2(イソプロピル基)又は -C(CH3)3(ターシャリブチル基)等のC及びHのみから構成される鎖状のアルキル基が挙げられ、これらの鎖状のアルキル基を用いた原料は常温において液体又は固体である。従って、固体の場合には有機溶媒に溶解させて溶液とし、もともと液体の場合であっても、必要な粘性等を得るために有機溶媒に溶解させた溶液としてもよい。 As shown in FIG. 3, the metal element B is composed of 6 pieces. Surrounded by -OR groups. Examples of R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 include -CH 3 (methyl group), -C 2 H 5 (ethyl group), -CH (CH 3 ) 2 (isopropyl group) or -C (CH 3 ) 3 (tertiary butyl group) and the like include chain alkyl groups composed only of C and H. The raw materials using these chain alkyl groups are liquid or solid at room temperature. is there. Therefore, in the case of a solid, it may be dissolved in an organic solvent to form a solution, and even if it is originally a liquid, it may be a solution dissolved in an organic solvent in order to obtain a necessary viscosity or the like.

第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物は所定の原料収容容器に収容して必要量を供給して使用される。第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物とが混合されると通常化学反応が起きるので、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物とは別々の原料収容容器に収容される。但し、アミン等の添加剤を加えることにより、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物との化学反応を抑制するような場合には、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物とを事前に混合したガスを用いてもよい。   The first organometallic compound and the second organometallic compound are stored in a predetermined raw material container and used in a necessary amount. Since a chemical reaction usually occurs when the first organometallic compound and the second organometallic compound are mixed, the first organometallic compound and the second organometallic compound are accommodated in separate raw material containers. . However, in the case where the chemical reaction between the first organometallic compound and the second organometallic compound is suppressed by adding an additive such as amine, the first organometallic compound and the second organometallic are used. You may use the gas which mixed the compound beforehand.

また、第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物は、バブリング法、フラッシュ法又はミスト気化法等を用いて気化し、第1の原料ガス及び第2の原料ガスを得る。また、第1の原料ガス及び第2の原料ガスは、必要な蒸気圧が得られるように加熱して気体状態を保持する。また、第1の原料ガス及び第2の原料ガスは気化器内で混合され、さらに、アルゴン等の不活性ガスであるキャリアガス及び酸素ガス、オゾンガス又は一酸化窒素ガス等の酸化性ガスが混合された原料混合ガスとしてチャンバー内へ輸送される。   Further, the first organometallic compound and the second organometallic compound are vaporized using a bubbling method, a flash method, a mist vaporizing method, or the like to obtain a first source gas and a second source gas. In addition, the first source gas and the second source gas are heated and maintained in a gaseous state so that a necessary vapor pressure is obtained. In addition, the first source gas and the second source gas are mixed in a vaporizer, and further, an inert gas such as argon and an oxidizing gas such as oxygen gas, ozone gas or nitrogen monoxide gas are mixed. The raw material mixed gas is transported into the chamber.

そして、チャンバー内においては、原料混合ガスがシャワーヘッドを介して基板1の表面近傍に供給される。基板1は加熱されて所定の基板温度を保持しており、該所定の基板温度下で原料混合ガスが化学反応及び熱分解を起こすことにより、第1の電極10の上に強誘電体膜11aが成膜される。本発明の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法は、原料混合ガスにおける分子間の化学反応及び熱分解によって第1の電極10の上に強誘電体膜11aを成膜するので、基板温度として原料混合ガスが熱分解を起こす温度付近に保持する。第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物は通常300℃付近で熱分解を起こすので、基板温度として300℃程度に設定する。   In the chamber, the raw material mixed gas is supplied to the vicinity of the surface of the substrate 1 through the shower head. The substrate 1 is heated to maintain a predetermined substrate temperature, and the raw material mixed gas undergoes a chemical reaction and thermal decomposition at the predetermined substrate temperature, whereby the ferroelectric film 11a is formed on the first electrode 10. Is deposited. In the method for forming a ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention, the ferroelectric film 11a is formed on the first electrode 10 by intermolecular chemical reaction and thermal decomposition in the raw material mixed gas. The substrate temperature is kept near the temperature at which the raw material mixed gas undergoes thermal decomposition. Since the first organometallic compound and the second organometallic compound usually undergo thermal decomposition around 300 ° C., the substrate temperature is set to about 300 ° C.

ここで、第1の電極10の上に堆積された強誘電体膜11aは、金属酸化物を主成分とすると共に有機成分が一部残存しているので、強誘電体膜11aは原子間のネットワークは形成されているが結晶化していないというゲル状態である。   Here, since the ferroelectric film 11a deposited on the first electrode 10 contains a metal oxide as a main component and a part of the organic component remains, the ferroelectric film 11a is interatomic. It is a gel state in which a network is formed but not crystallized.

次に、炉又はRTA (Rapid Thermal Anneal) 装置を用いて、第1の電極10の上に堆積された強誘電体膜11aに対して結晶化するために必要な温度以上で加熱処理を行なう。これにより、強誘電体膜11aにおける有機成分が除去されると共に強誘電体膜11aが結晶化するので、最終目的物であるビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を第1の電極10の上に得ることができる。   Next, using a furnace or an RTA (Rapid Thermal Anneal) apparatus, the ferroelectric film 11a deposited on the first electrode 10 is subjected to a heat treatment at a temperature higher than that necessary for crystallization. As a result, the organic component in the ferroelectric film 11a is removed and the ferroelectric film 11a is crystallized, so that the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure, which is the final target, is formed on the first electrode 10. Can get to.

ここで、原料混合ガスにおける第1の原料ガスと第2の原料ガスとによって起きる化学反応について図2〜図4を参照しながら説明する。   Here, a chemical reaction caused by the first source gas and the second source gas in the source mixed gas will be described with reference to FIGS.

図2に示した第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと図3に示した第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスとは、熱分解温度付近の基板温度下で、基板表面近傍において下記一般反応式(a)で表される化学反応を起こす。   The first source gas made of the first organometallic compound shown in FIG. 2 and the second source gas made of the second organometallic compound shown in FIG. 3 are under the substrate temperature near the thermal decomposition temperature, A chemical reaction represented by the following general reaction formula (a) occurs in the vicinity of the substrate surface.

A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2+2B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)
→A[B Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)]2
・・・(a)
A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 + 2B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )
→ A [B Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 ) (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )] 2
... (a)

すなわち、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物とが化学反応を起こして、図4に示すように、ビスマスと金属元素A及びBを含む第3の有機金属化合物が形成される。尚、図4においては、簡略化のためにR1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及びR9は図示していないが、R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8及びR9は、実際には各酸素原子に結合している。 That is, the first organometallic compound and the second organometallic compound undergo a chemical reaction, and a third organometallic compound containing bismuth and metal elements A and B is formed as shown in FIG. In FIG. 4, R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are not shown for simplification, but R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are actually bonded to each oxygen atom.

ここで、最終的に形成されたビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造について図5を参照しながら説明する。   Here, the crystal structure of the ferroelectric film 11 having a finally formed bismuth layer structure will be described with reference to FIG.

図5はビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造に示しており、図5から明らかなように、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造には、図4に示す金属原子及び酸素原子よりなる原子配列を有する分子構造と同一構造が含まれている。すなわち、MOCVD法によって第1の電極10の上に強誘電体膜11aが成膜された直後には、強誘電体膜11aにはビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造におけるにおける原子配列の一部がすでに含まれているので、第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aを結晶化する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、強誘電体膜11aを結晶化する際に要する熱処理の温度を低くしても、強誘電体膜11aを十分に結晶化することができる。   FIG. 5 shows the crystal structure of the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure. As is clear from FIG. 5, the crystal structure of the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure includes the metal shown in FIG. The same structure as a molecular structure having an atomic arrangement consisting of atoms and oxygen atoms is included. That is, immediately after the ferroelectric film 11a is formed on the first electrode 10 by the MOCVD method, the ferroelectric film 11a has atoms in the crystal structure of the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure. Since a part of the arrangement is already included, the activation energy required for crystallization of the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 is reduced, so that the ferroelectric film Even if the temperature of the heat treatment required to crystallize 11a is lowered, the ferroelectric film 11a can be sufficiently crystallized.

ところで、金属元素A及びBを含む有機金属化合物よりなる原料ガスとビスマスを含む有機金属化合物よりなる原料ガスとを用いた従来の強誘電体膜の形成方法では、前述の作用を得ることができない。以下、その理由について説明する。   By the way, in the conventional method for forming a ferroelectric film using a source gas made of an organometallic compound containing metal elements A and B and a source gas made of an organometallic compound containing bismuth, the above-described effects cannot be obtained. . The reason will be described below.

従来の強誘電体膜の形成方法に用いる金属元素A及びBを含む有機金属化合物は下記一般式(b)で表される。   An organometallic compound containing metal elements A and B used in a conventional method for forming a ferroelectric film is represented by the following general formula (b).

A[(OR14)(OR15)(OR16)(OR17)(OR18)(OR19)]2 ・・・(b)
A [B (OR 14) ( OR 15) (OR 16) (OR 17) (OR 18) (OR 19)] 2 ··· (b)

ここで、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物である。また、R14、R15、R16、R17、R18及びR19は、同種又は異種であって、もC及びHを含むと共にO又はNが付加されている場合もあるしO又はNが付加されていない場合もある有機基である。 Here, A is a metal compound containing a divalent metal or a divalent metal in an arbitrary ratio, and B is a metal compound containing a pentavalent metal or a pentavalent metal in an arbitrary ratio. R 14 , R 15 , R 16 , R 17 , R 18 and R 19 may be the same or different and may contain C and H and may have O or N added thereto. Is an organic group that may not be added.

一般式(b)で表される有機金属化合物の分子構造について図6を参照しながら説明する。図6において、実線はイオン結合又は共有結合を示していると共に破線は配位結合を示している。尚、実際には配位結合と他の結合とを区別することは難しい。   The molecular structure of the organometallic compound represented by the general formula (b) will be described with reference to FIG. In FIG. 6, a solid line indicates an ionic bond or a covalent bond, and a broken line indicates a coordination bond. In practice, it is difficult to distinguish between coordination bonds and other bonds.

図6に示すように、金属元素Aは酸素を介して金属元素Bにより挟まれた構造になっており、Bは6個の -OR基により囲まれている。一方、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法において用いる第1の原料ガスを構成する第1の有機金属化合物の分子構造は図に示した通りであるが、図に示した分子構造と図に示した分子構造とを比較すると、図に示した分子構造にはBi-O-結合が形成されているのに対し、図に示した分子構造にはA-O-B結合が形成されている。
As shown in FIG. 6, the metal element A has a structure sandwiched between metal elements B through oxygen, and B is composed of six pieces. Surrounded by -OR groups. On the other hand, although the molecular structure of the first of the first organometallic compound constituting the first raw material gas used in the method for forming a ferroelectric film according to an embodiment of the present invention is as shown in FIG. 2, FIG. comparing the molecular structure shown in the molecular structure and Figure 6 shown in 2, while Bi-O-a bond is formed at the molecular structure shown in FIG. 2, the molecular structure shown in FIG. 6 Is formed with an A—O—B bond.

Bi-O 結合のエネルギーは本来的に高いので、Bi-O-結合はA-O-B結合よりもエネルギー的に高く不安定である。このため、図におけるBi-O-結合はエネルギー的に不安定であるので、Bi-O-結合は金属元素と反応を起こしてより安定なA-O-B結合を形成する。一方、図におけるA-O-B結合はエネルギー的に安定であるので、さらにビスマスを含む分子と反応を起こすことは困難である。従って、金属元素A,Bを含む有機金属化合物を用いる従来の強誘電体膜を形成する方法では、本発明の作用を得ることは不可能である。
Bi-O Since the bond energy is inherently high, the Bi—O— A bond is energetically higher and unstable than the A—O—B bond. Therefore, since the Bi—O— A bond in FIG. 2 is energetically unstable, the Bi—O— A bond reacts with the metal element B to form a more stable A—O—B bond. On the other hand, since the A—O—B bond in FIG. 6 is energetically stable, it is difficult to cause a reaction with a molecule containing bismuth. Therefore, the conventional method of forming a ferroelectric film using an organometallic compound containing the metal elements A and B cannot obtain the operation of the present invention.

以下、本発明の第1の実施形態に係るビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法についての一実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, although one Example about the formation method of the ferroelectric film which has a bismuth layered structure concerning a 1st embodiment of the present invention is described, the present invention is not limited to the following examples.

まず、以下の手順によって第1の有機金属化合物を調整する。すなわち、ストロンチウム(Sr)をエタノール(C24OH)に溶解して78℃で反応させることによりストロンチウム溶液を得る。次に、ビスマス・トリエトキシド(Bi(OC25)2)溶液のストロンチウム溶液に対するモル比が2:1になるように、ビスマス・トリエトキシド(Bi(OC25)2 溶液をストロンチウム溶液に加え、例えば78℃の温度で2時間還流する。これにより、第1の有機金属化合物としてストロンチウム・ビスマスのダブルアルコキシドSr[Bi(OC25)4]2溶液を得る。 First, the first organometallic compound is prepared by the following procedure. That is, strontium (Sr) is dissolved in ethanol (C 2 H 4 OH) and reacted at 78 ° C. to obtain a strontium solution. Then, bismuth triethoxide (Bi (OC 2 H 5) 2) molar ratio of strontium solution solution 2: to be 1, bismuth triethoxide (Bi (OC 2 H 5) 2) The solution is added to the strontium solution and refluxed, for example at a temperature of 78 ° C. for 2 hours. Thereby, a double alkoxide Sr [Bi (OC 2 H 5 ) 4 ] 2 solution of strontium bismuth is obtained as the first organometallic compound.

一方、第2の有機金属化合物は市販のタンタル・ペンタエトキシド(Ta(OC25)5)溶液を用いる。 On the other hand, a commercially available tantalum pentaethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) solution is used as the second organometallic compound.

第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物をそれぞれの原料ボトルに入れ、液体マスフローコントローラーによってそれぞれの原料ボトルからの流量を制御しながら、第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物を気化器へ供給する。気化器内には、第1及び第2の有機金属化合物のそれぞれに対応するインジェクターが設けられており、低圧に保持された気化器内へ第1及び第2の有機金属化合物を一気に噴出させて霧化し、例えば200℃に保持された気化器内でガス化することにより、第1の原料ガス及び第2の原料ガスを得る。   The first organometallic compound and the second organometallic compound are placed in each raw material bottle, and the flow rate from each raw material bottle is controlled by a liquid mass flow controller, while the first organometallic compound and the second organometallic compound are used. Is supplied to the vaporizer. An injector corresponding to each of the first and second organometallic compounds is provided in the vaporizer, and the first and second organometallic compounds are jetted into the vaporizer held at a low pressure at a stretch. By atomizing and gasifying in a vaporizer maintained at 200 ° C., for example, a first source gas and a second source gas are obtained.

さらに、第1の原料ガス及び第2の原料ガスは、キャリアガスであるアルゴンガスと酸化性ガスである酸素ガスと混合されて原料混合ガスとしてチャンバーへ輸送される。チャンバーへ輸送された原料混合ガスはシャワーヘッドを介して基板1の表面近傍に供給される。基板温度を熱分解が生じる温度付近である300℃に設定しているため、原料混合ガスは下記一般反応式(c)で表される化学反応が起きると共に熱分解が生じるので、第1の電極10の上に強誘電体膜11aが成膜される。   Furthermore, the first source gas and the second source gas are mixed with the carrier gas, argon gas, and the oxidizing gas, oxygen gas, and transported to the chamber as a source gas mixture. The raw material mixed gas transported to the chamber is supplied to the vicinity of the surface of the substrate 1 through a shower head. Since the substrate temperature is set to 300 ° C. near the temperature at which thermal decomposition occurs, the raw material mixed gas undergoes a chemical reaction represented by the following general reaction formula (c) and also undergoes thermal decomposition. A ferroelectric film 11 a is formed on the substrate 10.

Sr[Bi(OC25)4]2 + 2Ta(OC25)5
→ Sr[BiTa(OC25)9 ]2
Sr [Bi (OC 2 H 5 ) 4 ] 2 + 2Ta (OC 2 H 5 ) 5
→ Sr [BiTa (OC 2 H 5 ) 9 ] 2

このようして第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aに対して、RTA装置を用いて酸素雰囲気中で例えば750℃で且つ1分間熱処理を施すことにより、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を形成することができる。   The ferroelectric film 11a thus formed on the first electrode 10 is heat-treated in an oxygen atmosphere at, for example, 750 ° C. for 1 minute using an RTA apparatus, thereby providing a bismuth layer structure. Can be formed.

以上のように、第1の実施形態によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物とが化学反応を起こすと共に熱分解を起こすことにより形成される強誘電体膜11aは、A[B Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)]2で表される第3の有機金属化合物よりなる。このため、MOCVD法によって第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aは、最終的に形成されるビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造における原子配列の一部をすでに有しているため、第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aを結晶化して強誘電体膜11を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、強誘電体膜11aを結晶化する際の熱処理の温度を低くしても、強誘電体膜11aを十分に結晶化することができる。従って、図1に示すように、第1の電極10とコンタクトプラグ6との間に酸素バリア膜9を形成する場合であっても、酸素バリア膜9の耐熱限界を満足するような温度で、強誘電体膜11aの結晶化が可能になる。また、優れた段差被覆性を有すると共に所望の組成を有する強誘電体膜を形成することができる。 As described above, according to the first embodiment, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) The ferroelectric film 11a formed by causing a chemical reaction and thermal decomposition with the second organometallic compound represented by From a third organometallic compound represented by Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 ) (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )] 2 Become. Therefore, the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 by the MOCVD method is a part of the atomic arrangement in the crystal structure of the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure that is finally formed. Since the activation energy required for crystallization of the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 to form the ferroelectric film 11 is reduced, Even if the temperature of the heat treatment for crystallizing the ferroelectric film 11a is lowered, the ferroelectric film 11a can be sufficiently crystallized. Therefore, as shown in FIG. 1, even when the oxygen barrier film 9 is formed between the first electrode 10 and the contact plug 6, at a temperature that satisfies the heat resistance limit of the oxygen barrier film 9. Crystallization of the ferroelectric film 11a becomes possible. In addition, a ferroelectric film having excellent step coverage and a desired composition can be formed.

(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係るビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法について図1〜図4及び図7を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a method of forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

前述の第1の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法によると、第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aを結晶化する際に要求される熱処理を低温で行なうことができる点で優れた方法であるが、第1の有機金属化合物が気化する温度が高いので、プロセス的なマージンが少ないという問題点を有している。   According to the method for forming a ferroelectric film according to the first embodiment described above, the heat treatment required for crystallizing the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 is performed at a low temperature. Although it is an excellent method in that it can be performed, since the temperature at which the first organometallic compound is vaporized is high, there is a problem that the process margin is small.

本発明の第2の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法は、この問題点をさらに解決するものであり、気化温度が高い第1の有機金属化合物を用いることにより、プロセス的なマージンを大きくすると共に、前述の第1の実施形態と同様の効果を実現するものである。   The method for forming a ferroelectric film according to the second embodiment of the present invention further solves this problem. By using the first organometallic compound having a high vaporization temperature, a process margin can be obtained. While enlarging, the effect similar to 1st Embodiment mentioned above is implement | achieved.

第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガス、第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガス及び酸化性ガスをチャンバー内に導入し、MOCVD法を用いて第1の電極10の上に強誘電体膜11a(図示せず)を成膜し、該強誘電体膜11aに対して熱処理を施して結晶化することにより、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を形成する。また、MOCVD法は、第1の原料ガス、第2の原料ガス及び酸化性ガスが所定の基板温度下で化学反応を起こすことにより、第1の電極10の上に成膜を行なう方法である。   Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the first source gas made of the first organometallic compound, the second source gas made of the second organometallic compound, and the oxidizing gas are chambered. A ferroelectric film 11a (not shown) is formed on the first electrode 10 by MOCVD, and the ferroelectric film 11a is heat-treated and crystallized. Thus, the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure is formed. The MOCVD method is a method of forming a film on the first electrode 10 by causing a chemical reaction between the first source gas, the second source gas, and the oxidizing gas at a predetermined substrate temperature. .

まず、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法において用いる第1の原料ガスについて説明する。第1の原料ガスは、下記一般式(3)で表されるビスマス及び金属元素Aを含む第1の有機金属化合物よりなる。   First, the first source gas used in the ferroelectric film forming method according to the second embodiment of the present invention will be described. The first source gas is composed of a first organometallic compound containing bismuth and a metal element A represented by the following general formula (3).

A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 ・・・(3) A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 ... (3)

ここで、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属であり、R1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含むと共にO又はNが付加されている場合もあるしO又はNが付加されていない場合もある有機基である。また、R21、R22及びR23は、同種又は異種であって、水素基又は少なくともC及びHを含むと共にO若しくはNが付加されている場合もあるしO若しくはNが付加されていない場合もある有機基である。 Here, A is a divalent metal or a metal containing a divalent metal in an arbitrary ratio, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and contain C and H An organic group in which O or N may be added or O or N may not be added. R 21 , R 22 and R 23 are the same or different and contain a hydrogen group or at least C and H and may have O or N added thereto, or may not have O or N added thereto. There are also organic groups.

第1の有機金属化合物の分子構造について図7を参照しながら説明する。図7において、実線はイオン結合又は共有結合を示していると共に、破線は配位結合を示している。尚、実際には配位結合と他の結合とを区別することは難しい。   The molecular structure of the first organometallic compound will be described with reference to FIG. In FIG. 7, a solid line indicates an ionic bond or a covalent bond, and a broken line indicates a coordinate bond. In practice, it is difficult to distinguish between coordination bonds and other bonds.

図7に示すように、金属元素Aは酸素を介してビスマスにより挟まれた構造になっており、ビスマスは4個の -OR基により囲まれている。また、金属元素Aはさらに2個のアミンNR21NR22NR23 が配位結合している。R1、R2、R3及びR4としては、例えば、 -CH3(メチル基)、 -C25(エチル基)、 -CH(CH3)2(イソプロピル基)又は -C(CH3)3(ターシャリブチル基)等のC及びHのみから構成される鎖状のアルキル基が挙げられる。また、NR21、NR22又はNR23としては、例えば、 -H(水素基)、 -CH3(メチル基)、 -C25(エチル基)、 -CH2OH(メタノール基)又は -C24OH(エタノール基)等が挙げられる。 As shown in FIG. 7, the metal element A has a structure sandwiched between oxygen and bismuth. Surrounded by -OR groups. Further, the metal element A is further coordinated with two amines NR 21 NR 22 NR 23 . Examples of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 include -CH 3 (methyl group), -C 2 H 5 (ethyl group), -CH (CH 3 ) 2 (isopropyl group) or Examples thereof include a chain alkyl group composed only of C and H such as —C (CH 3 ) 3 (tertiarybutyl group). Further, as NR 21 , NR 22 or NR 23 , for example, -H (hydrogen group), -CH 3 (methyl group), -C 2 H 5 (ethyl group), —CH 2 OH (methanol group) or -C 2 H 4 OH (ethanol group).

次に、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法において用いる第2の原料ガスについて説明する。第2の原料ガスは、前述の第1の実施形態と同じ下記一般式(4)で表される金属元素Bを含む第2の有機金属化合物よりなる。   Next, the second source gas used in the method for forming a ferroelectric film according to the second embodiment of the present invention will be described. The second source gas is made of the second organometallic compound containing the metal element B represented by the following general formula (4) as in the first embodiment.

B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) ・・・(4) B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (4)

ここで、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属であり、R5、R6、R7、R8及びR9は、同種又は異種であって、C及びHを含むと共にO又はNが付加されている場合もあるしO又はNが付加されていない場合もある有機基である。 Here, B is a pentavalent metal or a metal containing a pentavalent metal in any ratio, and R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different, and C and H And an organic group in which O or N may be added or O or N may not be added.

尚、第2の有機金属化合物の分子構造についても、前述の第1の実施形態で示した図3と同じである。   The molecular structure of the second organometallic compound is also the same as that in FIG. 3 shown in the first embodiment.

次に、一般式(3)で表される第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと一般式(4)で表される第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスを用いて、MOCVD法により第1の電極10の上に強誘電体膜11aを成膜した後、強誘電体膜11aに対して熱処理を施して結晶化することにより強誘電体膜11を形成するが、前述の第1の実施形態と同様に行なう。   Next, a first source gas composed of the first organometallic compound represented by the general formula (3) and a second source gas composed of the second organometallic compound represented by the general formula (4) are used. Then, after the ferroelectric film 11a is formed on the first electrode 10 by the MOCVD method, the ferroelectric film 11 is formed by subjecting the ferroelectric film 11a to heat treatment and crystallization. This is performed in the same manner as in the first embodiment.

ここで、第1の原料ガスと第2の原料ガスとによって起きる化学反応について図2、図4及び図7を参照しながら説明する。   Here, a chemical reaction caused by the first source gas and the second source gas will be described with reference to FIGS.

図7に示した第1の有機金属化合物と図2に示した第2の有機金属化合物とは、熱分解温度付近の基板温度下で、基板表面近傍において下記一般反応式(c)で表される化学反応を起こす。   The first organometallic compound shown in FIG. 7 and the second organometallic compound shown in FIG. 2 are expressed by the following general reaction formula (c) near the substrate surface under the substrate temperature near the thermal decomposition temperature. Cause a chemical reaction.

A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2
+2B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)
→A[B Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)]2 +2NR21NR22NR23・・・(c)
A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2
+ 2B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )
→ A [B Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 ) (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )] 2 + 2NR 21 NR 22 NR 23. )

このように、第1の有機金属化合物と第2の有機金属化合物とが化学反応を起こして、図4に示した構造を有するビスマス、金属元素A及びBを含む第3の有機金属化合物が形成されるので、第1の実施形態と同様の効果を有する。すなわち、MOCVD法によって第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aは、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の結晶構造における原子配列の一部をすでに有しているため、強誘電体膜11aを結晶化して強誘電体膜11を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、強誘電体膜11aを低温で結晶化することができる。従って、図1に示すように、第1の電極10とコンタクトプラグ6との間に酸素バリア膜9を形成する場合であっても、酸素バリア膜9の耐熱限界を満足するような温度で、強誘電体膜11aの結晶化が可能になる。また、優れた段差被覆性を有すると共に所望の組成を有する強誘電体膜を形成することができる。   In this way, the first organometallic compound and the second organometallic compound cause a chemical reaction to form a third organometallic compound containing bismuth and metal elements A and B having the structure shown in FIG. Therefore, it has the same effect as the first embodiment. That is, the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 by the MOCVD method already has a part of the atomic arrangement in the crystal structure of the ferroelectric film 11 having the bismuth layer structure. Since the activation energy required for crystallization of the ferroelectric film 11a to form the ferroelectric film 11 is reduced, the ferroelectric film 11a can be crystallized at a low temperature. Therefore, as shown in FIG. 1, even when the oxygen barrier film 9 is formed between the first electrode 10 and the contact plug 6, the temperature satisfies the heat resistance limit of the oxygen barrier film 9. The ferroelectric film 11a can be crystallized. In addition, a ferroelectric film having an excellent step coverage and a desired composition can be formed.

さらに、第2の実施形態では、第1の実施形態とは異なって、第1の有機金属化合物が有する金属元素Aに2個のアミンを配位結合させていることにより、次の効果をさらに有する。   Furthermore, in the second embodiment, unlike the first embodiment, two amines are coordinated and bonded to the metal element A of the first organometallic compound, thereby further providing the following effects. Have.

すなわち、第1の実施形態で用いた第1の有機金属化合物は、図に示すように、金属元素Aのまわりにおいて空間的に隙間が存在しているため電気的に遮蔽されていないので、その隙間が存在する空間において分子間力が生じる。一般に、分子間力が働くと気化温度が上昇することが知られており、第1の有機金属化合物の気化温度は高い。従って、第1の有機金属化合物の気化温度を下げるためには分子間力を減らせばよいので、金属元素Aを電気的に遮蔽すればよい。そこで、本発明の第2の実施形態で用いた第1の有機金属化合物では、図7に示すように、金属元素Aに2個のアミンを配位結合させることにより、金属元素Aを電気的に遮蔽している。これにより、図7に示した第1の有機金属化合物は、実際のプロセスに使用するための低い気化温度を得ることができる。
That is, the first organic metal compound used in the first embodiment, as shown in FIG. 2, since no electrically shielding due to the presence of spatially gap around the metal element A, Intermolecular force occurs in the space where the gap exists. In general, it is known that the vaporization temperature rises when intermolecular force acts, and the vaporization temperature of the first organometallic compound is high. Therefore, in order to lower the vaporization temperature of the first organometallic compound, it is only necessary to reduce the intermolecular force. Therefore, the metal element A may be electrically shielded. Therefore, in the first organometallic compound used in the second embodiment of the present invention, as shown in FIG. 7, two amines are coordinated to the metal element A to electrically connect the metal element A. Shielded. Thereby, the 1st organometallic compound shown in FIG. 7 can obtain the low vaporization temperature for using it for an actual process.

以下、本発明の第2の実施形態に係るビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法についての一実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, an example of a method for forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure according to the second embodiment of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following example.

まず、以下の手順によって第1の有機金属化合物を調整する。ストロンチウム(Sr)をエタノール(C24OH)に溶解して例えば78℃で反応させることによりストロンチウム溶液を得る。次に、ビスマス・トリエトキシド(Bi(OC25)2)溶液のストロンチウム溶液に対するモル比が2:1になうように、ビスマス・トリエトキシド(Bi(OC25)2)溶液をストロンチウム溶液に加え、例えば78℃で2時間還流する。次に、ジエタノールアミン(NH(C24OH)2)溶液のストロンチウム溶液に対するモル比が2:1になるように、ジエタノールアミン(NH(C24OH)2)溶液をストロンチウム溶液に加え、例えば60℃で1時間還流する。これにより、第1の有機金属化合物としてアミンを配位させたストロンチウム・ビスマスのダブルアルコキシドSr[Bi2(OC25)4]2(NH(C24OH)2)2を得る。 First, the first organometallic compound is prepared by the following procedure. Strontium (Sr) is dissolved in ethanol (C 2 H 4 OH) and reacted at, for example, 78 ° C. to obtain a strontium solution. Next, the bismuth triethoxide (Bi (OC 2 H 5 ) 2 ) solution is added to the strontium solution so that the molar ratio of the bismuth triethoxide (Bi (OC 2 H 5 ) 2 ) solution to the strontium solution is 2: 1. In addition, the mixture is refluxed at 78 ° C. for 2 hours, for example. Next, the diethanolamine (NH (C 2 H 4 OH) 2 ) solution is added to the strontium solution so that the molar ratio of the diethanolamine (NH (C 2 H 4 OH) 2 ) solution to the strontium solution is 2: 1. For example, the mixture is refluxed at 60 ° C. for 1 hour. Thus, strontium bismuth double alkoxide Sr [Bi 2 (OC 2 H 5 ) 4 ] 2 (NH (C 2 H 4 OH) 2 ) 2 in which an amine is coordinated as the first organometallic compound is obtained.

一方、第2の有機金属化合物は、第1の実施形態と同様に、市販のタンタル・ペンタエトキシド(Ta(OC25)5)溶液を用いる。 On the other hand, as the second organometallic compound, a commercially available tantalum pentaethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ) solution is used as in the first embodiment.

第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物をそれぞれの原料ボトルに入れ、液体マスフローコントローラーによってそれぞれの原料ボトルからの流量を制御しながら、第1の有機金属化合物及び第2の有機金属化合物を気化器へ供給する。気化器内には、第1及び第2の有機金属化合物のそれぞれに対応するインジェクターが設けられており、低圧に保持された気化器内へ第1及び第2の有機金属化合物を一気に噴出させて霧化し、200℃に保持された気化器内でガス化することにより、第1の原料ガス及び第2の原料ガスを得る。   The first organometallic compound and the second organometallic compound are placed in each raw material bottle, and the flow rate from each raw material bottle is controlled by a liquid mass flow controller, while the first organometallic compound and the second organometallic compound are used. Is supplied to the vaporizer. An injector corresponding to each of the first and second organometallic compounds is provided in the vaporizer, and the first and second organometallic compounds are jetted into the vaporizer held at a low pressure at a stretch. By atomizing and gasifying in a vaporizer maintained at 200 ° C., a first source gas and a second source gas are obtained.

さらに、第1の原料ガス及び第2の原料ガスは、キャリアガスであるアルゴンガスと酸化性ガスである酸素ガスと混合されて原料混合ガスとしてチャンバーへ輸送される。チャンバーへ輸送された原料混合ガスはシャワーヘッドを介して基板1の表面近傍に供給される。基板温度は熱分解が生じる温度付近である300℃に設定しているため、原料混合ガスは下記一般反応式で表される化学反応が起きると共に熱分解が生じるので、第1の電極10の上に強誘電体膜11aが堆積される。   Furthermore, the first source gas and the second source gas are mixed with the carrier gas, argon gas, and the oxidizing gas, oxygen gas, and transported to the chamber as a source gas mixture. The raw material mixed gas transported to the chamber is supplied to the vicinity of the surface of the substrate 1 through a shower head. Since the substrate temperature is set to 300 ° C., which is near the temperature at which thermal decomposition occurs, the raw material mixed gas undergoes a chemical reaction represented by the following general reaction formula and undergoes thermal decomposition. Then, a ferroelectric film 11a is deposited.

Sr[Bi(OC25)4]2(NH(C24OH)2)2 + 2Ta(OC25)5
→ Sr[BiTa(OC25)9]2 + 2NH(C24OH)2
Sr [Bi (OC 2 H 5 ) 4 ] 2 (NH (C 2 H 4 OH) 2 ) 2 + 2Ta (OC 2 H 5 ) 5
→ Sr [BiTa (OC 2 H 5 ) 9 ] 2 + 2NH (C 2 H 4 OH) 2

このようして第1の電極10の上に堆積された強誘電体膜11aに対して、RTA装置を用いて酸素雰囲気中で例えば750℃で且つ1分間熱処理を施すことにより、ビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を形成することができる。   The ferroelectric film 11a thus deposited on the first electrode 10 is heat-treated in an oxygen atmosphere, for example, at 750 ° C. for 1 minute using an RTA apparatus, thereby forming a bismuth layer structure. The ferroelectric film 11 having the same can be formed.

以上のように、第2の実施形態によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物とB(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) で表される第2の有機金属化合物とが化学反応を起こすと共に熱分解を起こすことにより形成される強誘電体膜11aは、A[B Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9)]2で表される第3の有機金属化合物よりなる。このため、MOCVD法によって第1の電極10の上に成膜された強誘電体膜11aには、最終的に形成されるビスマス層状構造を有する強誘電体膜11の原子配列の一部をすでに有しているため、第1の電極10の上に堆積された強誘電体膜11aを結晶化して強誘電体膜11を形成する際に必要な活性化エネルギーが低減されるので、強誘電体膜11aを結晶化する際の熱処理の温度を低くしても、強誘電体膜11aを十分に結晶化することができる。従って、図1に示すように、第1の電極10とコンタクトプラグ6との間に酸素バリア膜7を形成する場合であっても、酸素バリア膜7の耐熱限界を満足するような温度で、強誘電体膜11aの結晶化が可能になる。また、優れた段差被覆性を有すると共に所望の組成を有する強誘電体膜を形成することができる。 As described above, according to the second embodiment, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 And a first organometallic compound represented by the formula: B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) The ferroelectric film 11a formed by causing a chemical reaction and thermal decomposition with the second organometallic compound represented by From a third organometallic compound represented by Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 ) (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 )] 2 Become. Therefore, in the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 by the MOCVD method, a part of the atomic arrangement of the ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure that is finally formed is already present. Therefore, the activation energy required for crystallization of the ferroelectric film 11a deposited on the first electrode 10 to form the ferroelectric film 11 is reduced. Even if the temperature of the heat treatment for crystallizing the film 11a is lowered, the ferroelectric film 11a can be sufficiently crystallized. Therefore, as shown in FIG. 1, even when the oxygen barrier film 7 is formed between the first electrode 10 and the contact plug 6, the temperature satisfies the heat resistance limit of the oxygen barrier film 7. The ferroelectric film 11a can be crystallized. In addition, a ferroelectric film having an excellent step coverage and a desired composition can be formed.

さらに、第2の実施形態によると、A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 で表される第1の有機金属化合物は、金属元素Aに2個のアミンを配位結合されているため、金属元素Aが電気的に遮蔽されて分子間力が低減するので、第1の有機金属化合物は実際のプロセスに使用するための低い気化温度を得ることができ、プロセスマージンを大きくできる。 Furthermore, according to the second embodiment, A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 In the first organometallic compound represented by the formula, since two amines are coordinated to the metal element A, the metal element A is electrically shielded and the intermolecular force is reduced. The organometallic compound can obtain a low vaporization temperature for use in an actual process, and can increase a process margin.

(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法について説明する。
(Third embodiment)
A method for forming a ferroelectric film according to the third embodiment of the present invention will be described below.

第3の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法は、強誘電体膜11aを結晶化する際の加熱温度について、前述の各実施形態よりもさらに低温化する方法である。従って、本実施形態で用いる原料及び原料の気化方法は、前述の各実施形態での説明と同様である。また、第3の実施形態に係る強誘電体膜の形成方法は、第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガス及び第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスが形成された後に特徴を有するので、以下ではその特徴部分について説明する。   The method for forming a ferroelectric film according to the third embodiment is a method for further lowering the heating temperature for crystallization of the ferroelectric film 11a than in the above-described embodiments. Therefore, the raw material used in the present embodiment and the method for vaporizing the raw material are the same as those described in the previous embodiments. In addition, the ferroelectric film forming method according to the third embodiment is performed after the first source gas made of the first organometallic compound and the second source gas made of the second organometallic compound are formed. Since it has characteristics, the characteristic part will be described below.

第1の原料ガス及び第2の原料ガスは気化器内で混合され、さらに、アルゴン等の不活性ガスであるキャリアガスと酸素ガス、オゾンガス又は一酸化窒素ガス等の酸化性ガスと水蒸気とに混合されて原料混合ガスとしてチャンバー内へ輸送される。   The first source gas and the second source gas are mixed in a vaporizer, and further into an inert gas such as argon, an oxidizing gas such as oxygen gas, ozone gas or nitrogen monoxide gas, and water vapor. It is mixed and transported into the chamber as a raw material mixed gas.

そして、チャンバー内においては、原料混合ガスがシャワーヘッドを介して基板1の表面近傍に供給される。基板1は加熱されて所定の基板温度を保持しており、該所定の基板温度下で、原料混合ガスが前記一般反応式(a)又は(c)示す化学反応を起こすと共に熱分解を起こすことにより、第1の電極10の上に強誘電体膜11aが成膜される。尚、基板温度は、前述の各実施形態と同様に300℃程度に設定している。   In the chamber, the raw material mixed gas is supplied to the vicinity of the surface of the substrate 1 through the shower head. The substrate 1 is heated to maintain a predetermined substrate temperature, and under this predetermined substrate temperature, the raw material mixed gas undergoes a chemical reaction represented by the general reaction formula (a) or (c) and also causes thermal decomposition. Thus, the ferroelectric film 11 a is formed on the first electrode 10. The substrate temperature is set to about 300 ° C. as in the above embodiments.

このようにして第1の電極10の上に成膜される強誘電体膜11aは、前記一般反応式(a)又は(c)に示す化学反応を起こした後に、反応後の分子がさらに縮重合反応を起こす。このため、強誘電体膜11aには、金属と酸素との高分子ネットワークが形成されるので、強誘電体膜11aを結晶化する際の加熱温度をさらに低い温度に設定して、強誘電体膜11aの結晶化を行なってビスマス層状構造を有する強誘電体膜11を形成することができる。   In this way, the ferroelectric film 11a formed on the first electrode 10 undergoes the chemical reaction shown in the general reaction formula (a) or (c), and then the molecules after the reaction further shrink. Causes a polymerization reaction. For this reason, since a polymer network of metal and oxygen is formed in the ferroelectric film 11a, the heating temperature for crystallizing the ferroelectric film 11a is set to a lower temperature, and the ferroelectric film The ferroelectric film 11 having a bismuth layer structure can be formed by crystallizing the film 11a.

尚、以上の各実施形態では、第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガス及び第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスとを用いて、ビスマス層状構造の一般式である(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-において、m=2である場合の(Bi22)2+(AB27)2-で表されるビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、Ti(OR11)(OR12)(OR13)(OR14)で表される有機金属化合物をさらに用いることにより、ビスマス層状構造の一般式である(Bi22)2+(Am-1m3m+1)2-において、m=3である場合の(Bi22)2+(A2310)2-で表されるビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することもできる。 In each of the above embodiments, the general formula of the bismuth layer structure is obtained by using the first source gas made of the first organometallic compound and the second source gas made of the second organometallic compound. Bi 2 O 2) 2+ (a m-1 B m O 3m + 1) in 2-, m = when it is 2 (Bi 2 O 2) 2+ (AB 2 O 7) represented by 2- Although the case where a ferroelectric film having a bismuth layer structure is formed has been described, the present invention is not limited to this. For example, by further using an organometallic compound represented by Ti (OR 11 ) (OR 12 ) (OR 13 ) (OR 14 ), (Bi 2 O 2 ) 2+ (A in m-1 B m O 3m + 1) 2-, a ferroelectric having a (Bi 2 O 2) 2+ ( a 2 B 3 O 10) bismuth layer structure represented by 2 when it is m = 3 A body membrane can also be formed.

また、原料としてビスマス及び金属元素Aを含む第1の有機金属化合物と金属元素Bを含む第2の有機金属化合物との2種類のみを用いる場合について説明したが、ビスマスを含む有機金属化合物又は金属元素Aを含む有機金属化合物をさらに原料として加えてもよいし、また、金属元素A,Bを含む有機金属化合物又はビスマス及び金属元素Bを含む有機金属化合物を原料として用いることもできる。このように、各原料を補助的に用いたり組み合わせたりすることにより、強誘電体膜の組成比を容易に制御できるので、最適な組成比を有する強誘電体膜を形成することができる。   Moreover, although the case where only two types of the first organometallic compound containing bismuth and the metal element A and the second organometallic compound containing the metal element B are used as raw materials has been described, the organometallic compound or metal containing bismuth An organometallic compound containing element A may be further added as a raw material, or an organometallic compound containing metal elements A and B or an organometallic compound containing bismuth and metal element B may be used as a raw material. As described above, since the composition ratio of the ferroelectric film can be easily controlled by using or combining each raw material in an auxiliary manner, a ferroelectric film having an optimum composition ratio can be formed.

以上のように、本発明の第1の強誘電体膜の形成方法によると、低温での加熱処理による結晶化によってビスマス層状構造を有する強誘電体膜を形成することができるので、優れた特性を有する強誘電体容量素子を製造することができる。   As described above, according to the first method for forming a ferroelectric film of the present invention, a ferroelectric film having a bismuth layer structure can be formed by crystallization by heat treatment at a low temperature. A ferroelectric capacitor element having the following can be manufactured.

各実施形態に係る強誘電体膜の形成方法により形成した強誘電体膜を有する容量素子の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the capacitive element which has the ferroelectric film formed with the formation method of the ferroelectric film which concerns on each embodiment. 第1の実施形態に係る第1の有機金属化合物の分子構造図である。It is a molecular structure figure of the 1st organometallic compound concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る第2の有機金属化合物の分子構造図である。It is a molecular structure figure of the 2nd organometallic compound concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係るビスマス、金属元素A及びBを含む第3の有機金属化合物の分子構造図である。It is a molecular structure figure of the 3rd organometallic compound containing bismuth and metal elements A and B concerning a 1st embodiment. ビスマス層状構造を有する強誘電体膜の結晶構造図である。It is a crystal structure diagram of a ferroelectric film having a bismuth layer structure. 従来の強誘電体膜の形成方法において用いる金属元素A及びBを含む有機金属化合物の分子構造図である。It is a molecular structure diagram of an organometallic compound containing metal elements A and B used in a conventional method for forming a ferroelectric film. 第2の実施形態に係る第1の有機金属化合物の分子構造図である。It is a molecular structure figure of the 1st organometallic compound concerning a 2nd embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 不純物拡散層
3 ゲート電極
4 電界効果型トランジスタ
5 保護絶縁膜
6 コンタクトプラグ
7 開口部
8 層間絶縁膜
9 酸素バリア膜
10 第1の電極
11 強誘電体膜
12 第2の電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Impurity diffusion layer 3 Gate electrode 4 Field effect transistor 5 Protective insulating film 6 Contact plug 7 Opening portion 8 Interlayer insulating film 9 Oxygen barrier film 10 First electrode 11 Ferroelectric film 12 Second electrode

Claims (4)

チャンバー内に、少なくとも、
下記一般式(1)で表される第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと、
下記一般式(2)で表される第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスと、
酸化性ガスとを導入して、有機金属化学気相成長法により成膜する工程を備えることを特徴とするビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法。
A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2 ・・・(1)
(但し、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、
1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)
B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) ・・・(2)
(但し、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、
5、R6、R7、R8及びR9は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)
In the chamber, at least,
A first source gas composed of a first organometallic compound represented by the following general formula (1);
A second source gas composed of a second organometallic compound represented by the following general formula (2);
A method of forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure, comprising a step of introducing an oxidizing gas and forming a film by metal organic chemical vapor deposition.
A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (1)
(However, A is a metal compound containing a divalent metal or a divalent metal in an arbitrary ratio,
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different, and are organic groups containing C and H. )
B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (2)
(However, B is a metal compound containing pentavalent metal or pentavalent metal in an arbitrary ratio,
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different, and are organic groups containing C and H. )
チャンバー内に、少なくとも、
下記一般式(3)で表される第1の有機金属化合物よりなる第1の原料ガスと、
下記一般式(4)で表される第2の有機金属化合物よりなる第2の原料ガスと、
酸化性ガスとを導入して、有機金属化学気相成長法により成膜する工程を備えることを特徴とするビスマス層状構造を有する強誘電体膜の形成方法。
A[Bi(OR1)(OR2)(OR3)(OR4)]2(NR21NR22NR23)2 ・・・(3)
(但し、Aは2価の金属又は2価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、
1、R2、R3及びR4は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基であり、
21、R22及びR23は、同種又は異種であって、水素基又はC及びHを含む有機基である。)
B(OR5)(OR6)(OR7)(OR8)(OR9) ・・・(4)
(但し、Bは5価の金属又は5価の金属を任意の比率で含む金属化合物であり、
5、R6、R7、R8及びR9は、同種又は異種であって、C及びHを含む有機基である。)
In the chamber, at least,
A first source gas composed of a first organometallic compound represented by the following general formula (3);
A second source gas composed of a second organometallic compound represented by the following general formula (4);
A method of forming a ferroelectric film having a bismuth layer structure, comprising a step of introducing an oxidizing gas and forming a film by metal organic chemical vapor deposition.
A [Bi (OR 1 ) (OR 2 ) (OR 3 ) (OR 4 )] 2 (NR 21 NR 22 NR 23 ) 2 (3)
(However, A is a metal compound containing a divalent metal or a divalent metal in an arbitrary ratio,
R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and are organic groups containing C and H;
R 21 , R 22 and R 23 are the same or different, and are a hydrogen group or an organic group containing C and H. )
B (OR 5 ) (OR 6 ) (OR 7 ) (OR 8 ) (OR 9 ) (4)
(However, B is a metal compound containing pentavalent metal or pentavalent metal in an arbitrary ratio,
R 5 , R 6 , R 7 , R 8 and R 9 are the same or different, and are organic groups containing C and H. )
前記強誘電体膜は、(Bi22)2+(AB27)2-により表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の強誘電体膜の形成方法。 3. The method of forming a ferroelectric film according to claim 1, wherein the ferroelectric film is represented by (Bi 2 O 2 ) 2+ (AB 2 O 7 ) 2− . 前記チャンバー内に水蒸気を導入する工程をさらに備えることを特徴とする請求項1又
は2に記載の強誘電体膜の形成方法。
The method for forming a ferroelectric film according to claim 1, further comprising a step of introducing water vapor into the chamber.
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