JP3867283B2 - 強誘電体キャパシタの作製方法及び強誘電体メモリ装置の製造方法 - Google Patents

強誘電体キャパシタの作製方法及び強誘電体メモリ装置の製造方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体キャパシタ(特に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)膜を有する強誘電体キャパシタ)の作製方法及び強誘電体メモリ装置(特にPZT膜を有する強誘電体キャパシタを用いた不揮発性半導体メモリ)の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体物質であるPZTを誘電体膜として用いてキャパシタを形成することにより、その残留分極特性を用いた簡単な構造の不揮発性記憶素子、即ち、FRAMと称される不揮発性メモリである強誘電体RAM(Ferroelectric Random Access Memory)を作製することができる。
【0003】
しかしながら、従来のFRAMにおいては、PZTキャパシタCapの動作時に反転(即ち、データの書き込み及び読み出し動作のたびに行われる分極反転)を繰り返すことによって、分極特性が著しく低下する“分極疲労”と呼ばれる現象を生じ易い。これは、実デバイスを開発する上で問題となる現象であり、残留分極密度が106 回程度の反転によって劣化し、初期値の2分の1以下に減少してしまうことがある。このために、繰り返しの読み書きに関して信頼性の高いデバイスを開発することが困難であった。
【0004】
【発明に至る経過】
そこで、本発明者は既に、上記の如き分極疲労を緩和する方法として、2つの条件があることを見出し、特願平8−181358号において新規で効果的な方法(以下、先願発明と称する。)を提起した。即ち、この先願発明によれば、第1の条件は、過剰の鉛を含む(ゾル−ゲル法による成膜に用いる)PZT原液を用いて650℃以上の温度において結晶化することであり、また第2の条件は、例えばIr、Ruなどの酸化性金属の電極を用いることである。
【0005】
まず、上記の第1の条件について述べると、Ir下部電極上に非晶質PZTを堆積させて、結晶化温度以上に加熱すると、厚み方向に結晶化が進行し、この結晶化過程によって柱状の粒子構造が形成され、過剰な鉛が表面に押し出され、PZT層の表面にPbを主体とする構造遷移層を形成する。
【0006】
この場合、好適なPZT前駆体溶液の組成は、Pb=1.02〜1.50(Zr+Ti=1.0に対して)とする(但し、Ti/Zr比は任意の割合とする)。Pb濃度が低すぎると、上述した柱状構造(PZT結晶化方向の制御)が実現し難く、逆にPb濃度が高すぎると、上述した構造遷移層の表面析出量が多くなり、熱処理によっても消失し難くなる。
【0007】
そして、この熱処理、即ち、焼結時の焼結温度が低い(600℃)と、上記のPb主体の構造遷移層が生じ易いのに対し、焼結温度を制御して650℃以上にすることによって構造遷移層が消失する。但し、あまり焼結温度が高いと、PZT結晶が生成し難いので、750℃以下とするのがよい。
【0008】
このPZTの焼結(アニール)温度については、600℃で形成したPZTは、108 回の分極反転で残留分極密度がほとんどゼロまで減少する。しかし、650℃で形成したキャパシタの分極特性は、著しく向上し、また、650℃から700℃で形成した試料においては、108 回の反転においても残留分極密度の減少が殆ど見られない。この理由は、650℃以上で表面に形成されたPb過剰の構造遷移層が消失するために、疲労特性が向上したものと考えられる。
【0009】
次に、上記の第2の条件である電極物質については、一般に、PZTキャパシタの電極にはPt(但し、上部電極のみにAuが使用される場合もある。)などの酸化されない物質が用いられる。これに対して、先願発明では、金属Irを下部と上部の両方の電極に用いることによって分極疲労を緩和することに成功したのである。例えば、電極にPtを用いたキャパシタにおいては2×106 回以上の反転において急激な分極特性の低下が観測されるが、電極にIrを用いた場合、2×109 回まで分極特性の減少が見られない。
【0010】
このように、分極疲労特性は電極物質にも強く依存し、上下の両電極をIrとしたキャパシタは、他のものに比べて分極反転時の残留分極密度(Pr)が安定し、非常に優れていることが明らかである。これは、Ir金属の酸化性等に寄因するものと思われる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
このように、先願発明は優れた特長を有しているが、なお改善すべき点が残されていることが判明した。即ち、上記した条件を満足させる製造工程においては、PZTの形成温度(焼結温度)を650℃以上と高温にする必要があるため、その形成温度の低温化を図ることが難しい。
【0012】
この形成温度が高いと、半導体基板の素子領域や配線への熱の影響が生じ、例えば不純物濃度の変動やAl配線の損傷が生じることがある。
【0013】
本発明の目的は、上述した先願発明の特長を生かしながら、低温での処理が可能であるにも拘らず、分極疲労しないキャパシタを作製する方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、第1の電極上に強誘電体膜及び第2の電極が順次積層された強誘電体キャパシタを作製するに際し、前記第1の電極上に、鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)層を形成する工程と、600℃よりも低い温度の熱処理によって前記PZT層を結晶化して前記強誘電体膜を形成する工程と、前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される構造遷移層を含む表面上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層の所定部分を除去し、更にこの除去部分の直下の前記構造遷移層を除去して前記強誘電体膜の一部を露出させる工程とを有する強誘電体キャパシタの作製方法、及びこの方法によってメモリセルに強誘電体キャパシタを作製する強誘電体メモリ装置の製造方法に係るものである。
【0015】
本発明によれば、前記第1の電極上に、鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)層を形成し、600℃よりも低い温度の熱処理によって前記PZT層を結晶化して前記強誘電体膜を形成し、次いで前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される構造遷移層を含む表面上に絶縁層を形成し、前記絶縁層の所定部分を除去し、更にこの除去部分の直下の前記遷移層を除去して前記強誘電体膜の一部を露出させるので、前記熱処理を低温(600℃よりも低い温度)で行っても、その熱処理で生じた前記表面析出物を除去するために、この表面析出物による分極疲労特性の劣化を防止することができると共に、Pb等の特定構成元素を過剰に含有する材料層の使用によって、その結晶化を目的とする方向に生じさせ、分極反転特性の良好な強誘電体膜を形成することができ、しかも前記遷移層を一部だけ除去すればよいので製造工程を簡略化することができる。
【0016】
従って、これまでは困難であった低温での熱処理が可能となるから、半導体基板の素子領域や配線への熱の影響を抑制し、例えば不純物濃度の変動やAl配線の損傷を防止することができる。
【0017】
本発明の方法においては、前記表面析出物の除去をエッチング又は溶解で行うとき、前記エッチングをドライエッチングで行い、前記溶解を前記表面析出物のガラス化後の化学溶解によって行うことができる。前記表面析出物をドライエッチングするときは、その後に、400〜700℃で熱処理し、ドライエッチングによる強誘電体膜のダメージを回復させることが望ましい。
【0018】
また、強誘電体膜材料としてPb過剰の前記非晶質を適用するとき、前記ジルコン酸チタン酸鉛の前記非晶質層の鉛含有量をジルコニウムとチタンとの合計量に対して原子数比で1.02〜1.50倍とするのが好ましい。
【0019】
更に、本発明は、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金又はパラジウムからなる下部電極上に、ジルコン酸チタン酸鉛層と、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金又はパラジウムからなる上部電極とが順次積層された強誘電体キャパシタを作製するに際し、鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛の非晶質層を前記下部電極上に形成する工程と、600℃よりも低い温度の熱処理によって前記非晶質層を結晶化して前記ジルコン酸チタン酸鉛の結晶層を形成する工程と、前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される鉛を主体とする表面析出物を含む表面上に絶縁層を形成する工程と、過剰な鉛を主体とする表面析出物を含む前記強誘電体膜の表面上の前記絶縁層の所定部分と、この所定部分の直下の前記表面析出物とを共通のマスクによるエッチング又は溶解によって除去する工程と、露出した前記結晶層上に前記上部電極を形成する工程とを有する強誘電体キャパシタの作製方法、及びこの方法によってメモリセルに強誘電体キャパシタを作製する強誘電体メモリ装置の製造方法に係る。
【0020】
前記エッチングはドライエッチングで行い、前記溶解は前記表面析出物のガラス化後の化学溶解によって行うことができる。
【0021】
このドライエッチング後に、400〜700℃で熱処理してドライエッチングによる損傷を回復させるのがよい。
【0022】
また、前記ジルコン酸チタン酸鉛の前記非晶質層の鉛含有量をジルコニウムとチタンとの合計量に対して原子数比で1.02〜1.50倍とするのが好ましい。
【0023】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の方法を更に詳細に説明する。
【0024】
本発明の方法の実施においては、過剰鉛を含む溶液を用い、600℃以下の低温においてペロブスカイト結晶構造のPZT薄膜を形成した場合に、PZT薄膜表面に生成するPb過剰の構造遷移層をドライエッチングで除去した後、この上に上部電極を設けることによって、分極疲労しない強誘電体キャパシタを製造する工程を提案するものである。
【0025】
まず、PZTの結晶化温度について述べる。図2には、化学量論組成の溶液(Pb=1.0)と、これとは異なる過剰Pbを含む溶液(Pb=1.2)からそれぞれ形成したPZT薄膜について、結晶化に伴う回折パターンの変化をXRD(X線回折)によってその場観察した結果を示す。また、図3は、X線回折パターンの変化から調べたPb量による結晶化開始温度と完了温度を示す。
【0026】
これらの図2及び図3の結果から、Pb=1.2(即ち、化学量論量よりも原子数が20%多いこと:Pb過剰量が20atm%)と過剰Pb量に拘らず、結晶化(核形成)の温度は約460℃でほぼ一定であるが、結晶化完了温度を見ると、過剰Pb量に依存することがわかる。即ち、Pb過剰量が増加するに従って、結晶化完了温度が低下している。化学量論組成(Pb=1.0)のPZT薄膜では、結晶化完了温度が620℃以上であるのに対して、20atm%の過剰Pb(Pb=1.2)を含むPZT薄膜は520℃で結晶化が完了する。従って、過剰Pbを含む溶液を用いれば、薄膜形成温度の低温化(600℃以下)が達成できることになる。
【0027】
しかしながら、Pbを過剰に含むPZT薄膜を600℃以下の低温で形成した場合、図4(C)に示すようにPZT薄膜14(但し、Pb=1.1)表面に構造遷移層33が形成される。この層を除去するには、図4(B)のように、650℃以上の熱処理が要求される。この表面層33は、図5に示したSIMS法(2次イオン質量分析)による2次イオン強度のデプスプロファイルからも明らかなように、過剰Pbの層からなっており、650℃以上の熱処理温度で消失し、またアモルファス状態(結晶化前)では生じないものである。
【0028】
単に結晶化の熱処理温度のみを低温化しても、表面層33が形成されると、図6に示すように、分極反転を繰り返すと分極密度が著しく低下し、分極疲労特性などの信頼性に関わる特性を満足することができないことがある。これに対し、図4(B)に示したような表面の構造遷移層のないキャパシタは、分極密度が高く維持され、良好な耐疲労特性を示している。つまり、分極疲労の原因は、この遷移層によるものであることが明らかである。
【0029】
そこで、本発明者は、Pbを過剰に含むPZT薄膜を600℃以下、特に550℃以下の低温において結晶化させ、表面に生じた構造遷移層をドライエッチングによって除去し、しかる後に上部電極を形成する工程を見出し、低温化と同時に分極疲労特性の向上を共に実現したのである。
【0030】
なお、本発明の方法によりPZTキャパシタを作製するに際し、次に述べる条件がキャパシタ性能(特に分極疲労の防止)にとって望ましいものである。
【0031】
まず、電極物質について、一般に、PZTキャパシタの電極にはPt(但し、上部電極のみにAuが使用される場合もある。)などの酸化されない物質が用いられるが、金属Irを下部と上部の両方の電極に用いることによって分極疲労を緩和することができる。例えば、電極にAuを用いたキャパシタにおいては、106 回以上の反転によって残留分極密度がほとんどゼロまで減少しており、また、上部電極にPtを用いたキャパシタにおいては疲労特性が僅かに向上するが、2×106 回以上の反転において急激な分極特性の低下が観測されるが、電極にIrを用いた場合、2×109 回まで分極特性の減少が見られない。
【0032】
次に、PZTの結晶化方向の制御について、下部電極上に非晶質PZTを堆積させて、結晶化温度以上に加熱すると、厚み方向に結晶化が進行し、この結晶化過程によって図4(C)のように柱状の粒子構造14Aが形成され、過剰な鉛などが表面に押し出され、PZT層14の表面にPbを主体とする構造遷移層33を形成する。
【0033】
このような結晶化が起きるのは、例えばゾル−ゲル法において、過剰な鉛を含むPZT前駆体溶液を用いた場合のみである。これは、Pbが化学量論量(Pb=1.0)のときには、結晶化時に表面からPbが飛散するため、PZT上部ではペロブスカイト結晶が生じ難くなるが、過剰Pbの場合は表面でのPb濃度が保持されて結晶化が良好に進行するからであると考えられる。ここで用いた溶液組成は原子数比でPb:Zr:Ti=1.0:0.5:0.5、1.1:0.5:0.5及び1.2:0.5:0.5の3種類である。Ir下部電極13上に形成したPZT薄膜の微細構造を透過型電子顕微鏡TEMのスケッチとして図4に示すが、上記組成に対応してそれぞれ塊状、柱状、柱状の粒子構造が得られる。
【0034】
即ち、前駆体溶液(又は非晶質PZT)のPb濃度が低い場合(Pb=1.0)は、図4(A)のように塊状の粒子14Bの集合体でしかPZT薄膜14’が形成されないが、同じ焼結温度(650℃)で同Pb濃度が過剰であると(Pb>1.0、特にPb≧1.02を満たすPb=1.1又はPb=1.2)、柱状の粒子構造14Aが得られる。
【0035】
好適なPZT前駆体溶液の組成は、Pb=1.02〜1.50、更には1.05〜1.30、特に1.10〜1.20(Zr+Ti=1.0に対して)とする(但し、Ti/Zr比は任意の割合とする)。Pb濃度が低すぎると、上述した柱状構造(PZT結晶化方向の制御)が実現し難く、逆にPb濃度が高すぎると、上述した構造遷移層の表面析出量が多くなり、消失し難くなり、装置汚染も生じ易くなる。
【0036】
本発明では、低い焼結温度(600℃以下)でPZTを結晶化するが、このときには図4(C)のように構造遷移層33が生じ易いが、これはドライエッチング(プラズマエッチングやRIEエッチング等)、或いはウエットエッチングで十二分に除去しているので、構造遷移層33による分極疲労の問題は生じることがないのである。焼結温度を低くできることによって、半導体基板や配線への熱的影響を抑制することができるので、極めて有利である。
【0037】
【実施例】
以下、本発明を実施例について説明する。
【0038】
図1〜図14は、本発明の第1の実施例を示すものである。
【0039】
本実施例の方法によりPZTキャパシタを作製するプロセスを図1について説明すると、まず、工程1において、Siウエハ上に形成した絶縁層1AであるSiO2 膜にコンタクトホール19を開け、このコンタクトホールにポリシリコンプラグ20をフォトリソグラフィ技術によって選択的に形成し、この上にバリア層(バリアメタル)30となる膜厚200nmのTiN薄膜を反応性スパッタ法によって形成し、更にこの上に膜厚200nmのIr(イリジウム)下部電極13をスパッタリング又は電子線加熱方式の蒸着法によって形成し、このIr下部電極13上に膜厚200nm〜500nmの非晶質状PZT薄膜32をゾル−ゲル法の材料としてスピンコート法により形成する。この場合、ゾル−ゲル溶液の組成、Pb濃度が20atm%過剰のPb:Ti:Zr=1.2:0.5:0.5(原子数の比)であり、その薄膜形成条件は温度400℃〜480℃、酸化性環境とする。
【0040】
次に、工程2において、PZTの結晶化熱処理を行う。温度はXRD(X線回折)のその場観察から求めた結晶化完了温度とする。上記のPb濃度が20atm%過剰の溶液に対しては、結晶化完了温度は520℃〜540℃が適切であり、酸化性雰囲気で結晶化処理を行う。この処理の結果、PZTペロブスカイト結晶14が形成されるが、同時にその表面にはPb過剰の構造遷移層(表面層又は界面層)33が生成する。
【0041】
次に、工程3において、例えばECR(Electron cyclotron resonance)を用いたドライエッチング法によって表面の構造遷移層33を除去する。エッチングガスとしては、ArとCl2 との混合ガスを用いた反応性エッチング(Ar流量10〜20sccm、Cl2 流量10〜20sccm、反応温度0〜100℃)や、Arのみを用いたスパッタエッチング(Ar流量10〜20sccm、基板温度0〜100℃、放電電力100〜400W)などが採用可能である。
【0042】
次に、工程4において、このように構造遷移層33が除去されたPZT14の表面にIrなどの上部電極15をスパッタリング法や電子線蒸着法によって形成する。
【0043】
次に、工程5において、上部電極15、PZT14、下部電極13及びバリアメタル30を順次同じパターンにエッチングしてPZTキャパシタCAPの微細加工を行い、しかる後、SiO2 系物質からなる絶縁層1Bを被着し、これにスルーホール29を開け、上部配線21を施す。
【0044】
次に、本実施例によるPZTキャパシタを組み込んだ半導体デバイス、例えば不揮発性メモリであるFRAMのメモリセル(例えばスタック型のもの)の製造方法を図7〜図14に基づいて説明する。
【0045】
まず、図7のように、P- 型シリコン基板(ウエハ)17上に選択酸化法によりフィールド酸化膜7を形成し、熱酸化法によるゲート酸化膜11及び化学的気相成長法によるポリシリコンワードライン9(WL)をそれぞれ形成し、更にAs等のN型不純物の熱拡散でN+ 型ソース領域10及びドレイン領域8をそれぞれ形成する。
【0046】
そして、全面に化学的気相成長法で堆積させたSiO2 絶縁層1Aに対し、ソース領域10上にフォトリソグラフィでコンタクトホール19を形成する。
【0047】
次いで、図8のように、コンタクトホール19においてソース領域10に接触するように埋め込まれたポリシリコンプラグ20を被着し、この上にTiNバリア層30、Ir下部電極13を形成し、更に全面にスピンコート法又はディップコート法によって、上述したPb過剰のゾルーゲル原料溶液32Aを塗布し、この原料溶液を塗布したウェハを所定の温度(100〜300℃、例えば170℃)で例えば3分間加熱し、塗布した溶液の乾燥を行い、乾燥ゲル膜32Bを形成し、乾燥を完了したウエハを400〜480℃で処理して、非晶質層32を形成する。
【0048】
次いで、大気中でペロブスカイト結晶の上述した柱状構造を生成するような条件下で、低温(600℃以下、例えば520〜540℃)で例えば10分間焼結(酸化焼結)し、図9のように、PZTペロブスカイト結晶からなる強誘電体膜14を全面に形成する。このとき、PZT膜14の表面には、Pb過剰の構造遷移層33が生成する。
【0049】
なお、強誘電体膜14を所定の膜厚(例えば2000Å)に形成するには、必要に応じて上記した塗布工程と乾燥工程とを繰り返し、一度に目的とする塗布厚にするのではなく、乾燥膜を積層して最終膜厚を得ることができる。
【0050】
次いで、図10のように、上記の構造遷移層33をプラズマ22によるドライエッチングで除去し、図11のように、PZT膜14の表面を露出させる。
【0051】
次いで、図12のように、スパッタリングによってイリジウムを被着し、上部電極15を所定パターンに形成する。
【0052】
次いで、図13のように、全面に形成した各膜の不要な部分をドライエッチング法などによって除去し、バリアメタル30、下部電極13、PZT強誘電体膜14及び上部電極15が同一パターンに積層されたPZTキャパシタCAPを作製する。
【0053】
更に、図14のように、層間絶縁膜1B、コンタクトホール18、ポリシリコンプラグ(図示せず)を下部に有するビットライン16(BL)をそれぞれ形成し、FRAMとしてのメモリセルM−CELを作製する。このメモリセルは、CUB(Cell under Bitline)タイプのものであって、トランスファゲートTRにおいては、例えばN+ 型ソース領域10とN+ 型ドレイン領域8との両領域間にはゲート酸化膜11を介してポリシリコンワードライン9(WL)が設けられ、ドレイン領域8にはSiO2 等の絶縁層のコンタクトホール18を介してビットライン16(BL)が接続されている。但し、キャパシタ上部電極15は、図1に示したように配線21に接続されるが、図14では示してはいない。
【0054】
図15は、本発明の第2の実施例を示すものである。
【0055】
本実施例によれば、上述の第1の実施例と比較して、PZTキャパシタの作製方法が異なっており、まず、工程Iのように、上述した工程2と同様にPZTの結晶化熱処理を行う。この場合も、上記のPb濃度が20atm%過剰の溶液に対して結晶化完了温度は520℃〜540℃が適切であり、酸化雰囲気で結晶化処理を行う。この処理の結果、PZTペロブスカイト結晶14が形成されるが、同時にその表面にはPb過剰の構造遷移層(表面層又は界面層)33が生成する。
【0056】
次に、工程IIにおいて、各膜33、14、13及び30を同一パターンに重ねてエッチングした後、工程III のように、SiO2 の如き絶縁層1CをCVD法(化学的気相成長法)等によって被着する。
【0057】
次に、工程IVのように、パターン露光及び現像処理したフォトレジスト40を共通のマスクとして用い、例えばECR(Electron cyclotron resonance)を用いたドライエッチング法によって、絶縁層1Cと共に表面の構造遷移層33を部分的に除去する(但し、この際、PZT14の表面も除去される)。エッチングガスとしては、ArとCl2 との混合ガスを用いた反応性エッチング(Ar流量10〜20sccm、Cl2 流量10〜20sccm、反応温度0〜100℃)や、Arのみを用いたスパッタエッチング(Ar流量10〜20sccm、基板温度0〜100℃、放電電力100〜400W)などが採用可能である。
【0058】
次に、工程Vにおいて、このように構造遷移層33が部分的に除去されたPZT14の表面にIrなどの上部電極15をスパッタリング法や電子線蒸着法によって形成する。上部電極15は図示のように絶縁層1C上にも被着するが、エッチングでパターニングしてよい。
【0059】
このように、本実施例の方法では、上述した第1の実施例と同様に低温結晶成長と分極特性の向上が可能であると同時に、工程IVに示すように、上部電極のコンタクト用のエッチング時に構造遷移層33も共通のマスク40によって(即ち、セルフアラインに)除去できるので、上述の工程3及び5のように別々にそれらの工程を行う必要がない。また、構造遷移層33を全面的に除去する場合(上述の工程3)のようにエッチング除去が困難な構造遷移層33を一部分だけ除去すればよい。従って、製造工程が簡略化されると共に、エッチングを含む工程をより容易に実施できることになる。
【0060】
以上、本発明の実施例を説明したが、上述の実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可能である。
【0061】
例えば、上述したドライエッチングによる構造遷移層33の除去時にPZTが損傷され、これに起因した特性低下に対して、400℃〜700℃(例えば500℃)における熱処理を行うことによって、その特性を図16に示すように回復させることができる。従って、この熱処理工程を加えることが有利なことがある。この熱処理の温度はあまり高すぎると、バリアメタルの酸化が生じて抵抗が増大し易くなる。この熱処理は400〜550℃で行うのが一層好ましいが、PZTは500℃程度で特性を十分に回復する。
【0062】
また、構造遷移層33の除去方法としては、上述したドライエッチング法以外にも適用可能であり、構造遷移層上にSiO2 薄膜をスパッタ法などによって堆積した後に500℃程度の熱処理を施し、SiO2 −PbO系の低融点ガラス化し、これをHFなどで化学溶解する方法も適用できる。
【0063】
また、Pbを過剰に含む非晶質PZT薄膜の形成方法(上述の工程1参照)としては、ゾル−ゲル法以外に、スパッタ法、CVD法、蒸着法、レーザーアブレーション法などがある。
【0064】
また、電極物質としてIrを例に挙げたが、IrO2 、Ru、RuO2 、Pt、Pdなども適用可能である。PZTについては、過剰Pbを含む組成においてはTi/Zr比は任意であってよい。過剰Pb量としては、化学量論組成に対して2atm%〜50atm%がよく、5atm%〜50atm%が更によい。使用可能な強誘電体膜の材質は、上記のPZT以外にも、PZTにNb、Zr、Fe等を添加したPZT、PLT((Pb,La)X (Ti,Zr)1-X 3 )等であってよい。
【0065】
本発明に基づく強誘電体膜は、例えば図1や図14に示したIr/PZT/Ir/バリア層/ポリ−Si構造のキャパシタ(スタック型キャパシタ)を有するデバイスに適用可能であるが、これに限らず、SiO2 膜上に上述のスタック型キャパシタを設けてこのキャパシタの下部電極を延設してトランスファゲートのソース領域と接続する構造としてよいし、或いはスタック型ではなく、いわゆるトレンチ(溝)内にキャパシタを組み込んだ構造のキャパシタにも適用可能である。また、FRAM以外の用途にも適用できる。また、COB(Cell over Bitline)タイプのメモリセルにも適用可能である。
【0066】
【発明の作用効果】
本発明は、上述した如く、前記第1の電極上に、鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)層を形成し、600℃よりも低い温度の熱処理によって前記PZT層を結晶化して前記強誘電体膜を形成し、次いで前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される構造遷移層を含む表面上に絶縁層を形成し、前記絶縁層の所定部分を除去し、更にこの除去部分の直下の前記遷移層を除去して前記強誘電体膜の一部を露出させるので、前記熱処理を低温(600℃よりも低い温度)で行っても、その熱処理で生じた前記表面析出物を除去するために、この表面析出物による分極疲労特性の劣化を防止することができると共に、Pb等の特定構成元素を過剰に含有する材料層の使用によって、その結晶化を目的とする方向に生じさせ、分極反転特性の良好な強誘電体膜を形成することができ、しかも前記遷移層を一部だけ除去すればよいので製造工程を簡略化することができる。
【0067】
従って、従来では困難であった低温での熱処理が可能となるから、半導体基板の素子領域や配線への熱の影響を抑制し、例えば不純物濃度の変動やAl配線の損傷を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づくPZTキャパシタの作製フローを示す概略断面図である。
【図2】熱処理温度によるPZTのX線回折スペクトルをPb濃度に応じて比較して示すグラフである。
【図3】PZT薄膜のPb過剰量による結晶化開始温度及び結晶化完了温度を示すグラフである。
【図4】PZTキャパシタのPb濃度とアニール温度による構造を比較して示す概略断面図である。
【図5】異なる温度及びPb濃度で形成したPZT薄膜を有するPZTキャパシタのSIMS法によるプロファイルである。
【図6】PZTキャパシタの熱処理温度による残留分極密度と分極反転回数との関係を示すグラフである。
【図7】本発明に基づくPZTキャパシタを組み込んだFRAMのメモリセルの製造方法の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図8】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図9】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図10】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図11】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図12】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図13】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図14】同メモリセルの製造方法の更に他の一工程段階を示す拡大断面図である。
【図15】本発明に基づく他のPZTキャパシタの作製フローを示す概略断面図である。
【図16】構造遷移層除去後の熱処理の有無による分極特性を比較して示すヒステリシス曲線図である。
【符号の説明】
1A、1B、1C・・・絶縁層
8・・・N+ 型ドレイン領域
9(WL)・・・ワードライン
10・・・N+ 型ソース領域
13・・・Ir下部電極
14・・・強誘電体膜(PZT薄膜)
15・・・Ir上部電極
16(BL)・・・ビットライン
17・・・シリコン基板
20・・・ポリシリコンプラグ
22・・・プラズマ
30・・・バリア層
32・・・非晶質PZT層
33・・・構造遷移層
CAP・・・強誘電体キャパシタ
TR・・・トランスファゲート
M−CEL・・・メモリセル

Claims (6)

  1. 第1の電極上に強誘電体膜及び第2の電極が順次積層された強誘電体キャパシタを作製するに際し、
    前記第1の電極上に、鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛(PZT)層を形成する工程と、
    600℃よりも低い温度の熱処理によって前記PZT層を結晶化して前記強誘電体膜を形成する工程と、
    前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される構造遷移層を含む表面上に絶縁層を形成する工程と、
    前記絶縁層の所定部分を除去し、更にこの除去部分の直下の前記構造遷移層を除去して前記強誘電体膜の一部を露出させる工程と
    を有する強誘電体キャパシタの作製方法。
  2. イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金又はパラジウムからなる下部電極上に、ジルコン酸チタン酸鉛層と、イリジウム、酸化イリジウム、ルテニウム、酸化ルテニウム、白金又はパラジウムからなる上部電極とが順次積層された強誘電体キャパシタを作製するに際し、
    鉛を化学量論組成に対して過剰に含有するジルコン酸チタン酸鉛の非晶質層を前記下部電極上に形成する工程と、
    600℃よりも低い温度の熱処理によって前記非晶質層を結晶化して前記ジルコン酸チタン酸鉛の結晶層を形成する工程と、
    前記結晶化時に前記強誘電体膜の表面に生成される鉛を主体とする表面析出物を含む表面上に絶縁層を形成する工程と、
    過剰な鉛を主体とする表面析出物を含む前記強誘電体膜の表面上の前記絶縁層の所定部分と、この所定部分の直下の前記表面析出物とを共通のマスクによるエッチング又は溶解によって除去する工程と、
    露出した前記結晶層上に前記上部電極を形成する工程と
    を有する強誘電体キャパシタの作製方法。
  3. 前記エッチングをドライエッチングで行い、前記溶解を前記表面析出物のガラス化後の化学溶解によって行う請求項に記載した方法。
  4. 前記ジルコン酸チタン酸鉛の非晶質の鉛含有量がジルコニウムとチタンとの合計量に対して原子数比で1.02〜1.50倍である請求項1又は2に記載した方法。
  5. 前記表面析出物のドライエッチング後に、400〜700℃で熱処理を行う請求項に記載した方法。
  6. 請求項1〜5の何れか1項に記載した方法によって、メモリセルに強誘電体キャパシタを作製する強誘電体メモリ装置の製造方法。
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