JP4299959B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体メモリなどに形成された強誘電体膜を誘電体とするキャパシタ及びキャパシタ形成用フラッシュランプを用いた半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通信技術の発達により、近年、携帯電話やインターネットに代表される電子機器のポータブル化、ネットワーク化、低コスト化が進んでいる。画像情報、動画情報などのこれらの機器で扱う情報量も拡大しており、電子機器に使用されるメモリ容量の拡大が以前にも増して要求されている。半導体メモリの高集積化のためにはその中で電荷を蓄積する役割を果たすキャパシタの微細化が必要である。例えば、揮発性メモリであるDRAM(Dynamic Random Access Memory)の高集積化においては、メモリ容量が3年で4倍のスピードで高密度化しており、ギガビットの容量のものが開発されてきている。メモリの高集積化のため、キャパシタを微細化するにはいくつか手段がある。例えば、▲1▼材料そのものに高誘電率のものを使用する、▲2▼キャパシタの厚さを低減する、▲3▼キャパシタ面積を増加させる、の3方式があげられる。▲1▼に対しては、これまでキャパシタ材料に用いられてきたシリコン酸化膜から、酸化タンタル(Ta2 5 )、チタン酸バリウム・ストロンチウム(Ba、Sr)(TiO3 )などの薄膜が開発されている。これらの材料は、酸化シリコンと比較して誘電率が10−100倍程度高い特徴を持っている。▲2▼の誘電体膜の薄膜化については、これまでシリコン酸化膜の薄膜化を進めてきたが、厚さが3nm以下の領域となってくるとトンネル電流によりリーク電流が増加してしまう。したがって、このキャパシタの薄膜化についても限界が近くなっている。▲3▼のキャパシタの面積の増加では、従来の平面キャパシタ構造から、シリコン基板に深いあなを形成したトレンチタイプあるいは立体形状を形作ったスタック型キャパシタなどの方法がとられている。メガビットからギガビット級の容量のメモリに対して、例えば、DRAMでは1セルあたり30fCの電荷量が必要とされている。この量は、キャパシタに貯えられた電荷を検出するセンスアンプの特性、ビット線の容量などに依存する。しかし、キャパシタ面積の増加についても、キャパシタ構造を複雑化する必要があり、キャパシタ形成プロセスへの負担が増加しているのが現状である。
【0003】
近年、強誘電体薄膜を利用した不揮発性メモリである強誘電体メモリ(以下、Ferroelectric RAM:Ferroelectric Random Access Memory) の開発が進んでいる。Ferroelectric RAMは、DRAMのキャパシタ部分を強誘電体膜で置き換えたもので、以下のような特徴を有しており、次世代メモリとして期待されている。▲1▼書き込み、消去が高速であり、セルを小型化することによりDRAM並みの100ns以下の書き込み時間が可能である、▲2▼不揮発性メモリであり、SRAMと異なって電源が不必要である、▲3▼書き替え可能回数が多く、強誘電体材料(SBTなど)、電極材料(IrOx、RuOx、SrRuO3 など)を工夫することにより1012回以上が可能である、▲4▼高密度高集積化が可能であり、DRAMと同等の集積度が得られる、▲5▼内部の書き込み電圧を2V程度とすることができるので低消費電力である、▲6▼フラッシュメモリと異なりビット書き換え、ランダムアクセスが可能であるなどの特徴を有している。
【0004】
これらの利点を利用して、エアコンの湿温度センサ、各種電子機器の製造プロセスのモニタ用TAG、TVゲームのリジューム機能、アーケードゲームの記憶装置、TVやビデオの設定記憶、コピー、FAX、プリンタの感光ドラムの使用状況モニタ、衛星放送、ケーブルTVのセットトップボックス、自動車のエンジンコントロール、ラジオの周波数プリセット、RF−IDを用いた電子キー、ノイズの多い工業用製品などのラインの製造プロセスモニタ、電力積算計、工業用液体、気体流量計センサ、大型タンクの液面計、AVパソコン、PCカード、ファイルメモリ、携帯端末機器など、多分野、多方面に渡っての応用が実用化あるいは検討されている。Ferroelectric RAMは、キャパシタ部分にPZT(Pb(Zrx Ti1-x )O3 )、BIT(Bi4 Ti3 12)、SBT(SrBi2 Ta2 9 )などの強誘電体薄膜を使用する。いずれも酸素八面体を基本構造とするペロブスカイト構造を基本とした結晶構造を持っている。現在DRAM用キャパシタ材料として検討されている常誘電体BSTも同様である。これらの材料は従来のシリコン酸化膜と異なり、アモルファスで使用することができない。したがって結晶化のための工程、例えば、高温での結晶化熱処理、高温でのIn−situ結晶化プロセスなどが必要となる。材料にもよるが、一般的に400〜700℃の温度が結晶化で必要となる。成膜方法としてはレーザアブレーション法、真空蒸着法、MBE法など各種の方法が研究されているが、実用化されているものでは、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapour Deposition)法、スパッタ法、溶液法(CSD:Chemical Solution Deposition)がある。MOCVD法、スパッタ法は成膜温度により、In−situ結晶化とEx−situ結晶化プロセスの両方がある。
【0005】
以下は、とくに強誘電体薄膜キャパシタの構造及びその作成方法を例にとって説明する。
強誘電体は、自発分極を持ち、その自発分極が電界により向きを反転することが可能であるという特徴を有している。自発分極は、電界を印加しない状態でも分極値を持ち(残留分極)、その値(分極の向き)が電界を0とする前の状態に依存する。ヒステリシス曲線において分極0となる時の電界値を抗電界と呼ぶ。印加する電界の向きで+、−の電荷を結晶表面に誘起することができ、この状態をメモリ素子の0、1に対応させる。DRAMと同じ1T/1C(1トランジスタ/1キャパシタ)の構造をとることができるが、現状では信頼性を向上させるために2T/2C構造のものが多く採用されている。強誘電体材料には次にあげるような特性、仕様が要求される。▲1▼反転分極量(スイッチング電荷)が大きいこと。これはデバイスの構造、センシングする際の設定電圧値、分極値の安定性などにもよるが、一般に10μC/cm2 以上が必要とされている。▲2▼比誘電率が小さいこと。スイッチング電流に対して、比スイッチング電流値が小さく、S/N比を抑えることができる。▲3▼分極値の書き換えサイクルによる減少(疲労特性)が少ないこと。疲労特性では強誘電体の材料そのものを変え、あるいは電極材料を酸化物系のものとすることにより1012回以上の特性が得られている。▲4▼分極反転速度が速いこと。キャパシタの小型化によりスイッチング特性が正味のドメイン反転速度ではなく、電極配線抵抗、浮遊容量などに主として左右されることが示されている。
【0006】
▲5▼リーク電流が10-6A/cm2 以下であること。キャパシタに蓄積した電荷の有無を利用するDRAMと比較すると、Ferroelectric RAMでは残留分極値を利用するため、基準となるリーク電流値はDRAMの場合よりも高くて問題ない。▲6▼データ保持特性が10年以上であること。実際に使用されている強誘電体材料は、PZT(Pb(ZrTx Ti1-x 3 )薄膜、SBT(SrBi2 Ta2 9 )薄膜である。前者のPZTは結晶化温度が600℃程度であること、分極値が大きく残留分極値で20μC/cm2 程度であること、抗電界が比較的小さく低電圧で分極反転が可能なこと、Zr/Ti組成比により結晶化温度の他に、グレインサイズ、グレイン形状などの構造特性、分極量、抗電界、疲労特性、リーク電流などの強誘電体特性が制御可能なこと、ペブロスカイト構造の持つ元素許容性からAサイト元素と呼ばれるPbをSr,Ba,Ca,Laなどの元素で、Bサイト元素と呼ばれるZr,TiをNb,W,Mg,Co,Fe,Ni,Mnなどの元素で置換することが可能であり、それが結晶構造、構造特性、強誘電特性に大きく影響することなどが利点としてあげられる。
【0007】
もともとPZTは、アクチュエータ、超音波振動子、超音波モータ、ハイドロフォン、圧電トランスなどのトランスデューサへの応用、積層セラミックコンデンサなど受動部品への応用、赤外線センサなどセンサへの応用、さらに構造相転移、ドメイン挙動、圧電、焦電、強誘電体としての基本特性、ミクロな挙動など多くの研究がこれまでになされており、PZTの材料設計、特性改善、構造・電気特性の解明などのデータベースとして豊富であることも一つの利点といえる。またPZTは、その圧電、焦電、強誘電特性にすぐれることから早くから薄膜化の検討がなされてきており、スパッタ法、ゾルゲル法などの手法で成膜した研究例も多い。これらの背景からPZTは、最初にFerroelectric RAMとして実用化された材料である。欠点である書き込み回数の増加にともなう分極量の減少 (疲労特性)は、疲労特性そのものが電界により加速される特徴をもつため、最近の動作電圧の低電圧化、当初使用されていたPt電極からIrOx など酸化物電極の採用による疲労特性の改善もなされている。
【0008】
一方、後者のSBTは、PZTのもつ疲労特性の改善、膜の低電圧駆動を達成するため開発された材料である。SBTは、Bi層状化合物(Aurivillius Phase)の一種で強誘電性の起源となる酸素八面体からなる擬似ペロブスカイト構造層をBi2 2 層が挟む結晶構造を有している。この構造により主たる分極軸はc軸と垂直な面内にありc軸方向の分極は無いか、有ったとしても小さい値となる。擬似ペロブスカイト構造中の酸素八面体によってその分極が発現する。強い異方性によりこれまでセラミックとしては殆ど研究がなされていなかった。しかしMOD(Metalorganic Decomposition)法で薄膜形成が可能となり、形成された多結晶のSBT膜が強誘電性を示す、疲労特性が良好である、低電圧化が可能であることなどが確認されて以来さらに開発が加速されている。PZT膜の疲労は、Pt電極界面に形成される酸素空孔が主たる原因とされている。この酸素空孔の発生理由の一つがPb元素の揮発性、拡散容易性である。Pbは、ペロブスカイト構造の一部であるために酸素空乏が形成されると近傍の陽イオンと双極子を形成し、スイッチング電荷の減少を引き起こす。SBTは、揮発性元素であるBiがなくなっても電荷を補償する酸素空乏自体はBi酸化物層に形成されるため直接ペロブスカイト構造での影響は少ない。また、価数の変化し易いTiを持たないことも有効とされている。SBTは、PZTと比較して分極量が小さいが、Taの一部をNbで置換することにより分極量を増大させることも可能である。最近はSBTをキャパシタとして集積化したデバイスも試作されている。SBTは、MOD法の他にゾルゲル法、スパッタ法、レーザアブレーション法などでも形成されている。
【0009】
PZT膜もMOD法、レーザアブレーション法、イオンビームスパッタ法、熱CVD法、MOCVD法、レーザCVD法などで形成されているが、Ferroelectric RAM製品としてはゾルゲル法、スパッタ法が中心である。スパッタ法では基板上に直接結晶化したペロブスカイトPZT膜を形成するためには約500℃以上の高温が必要であるが、低融点元素のPbの蒸気圧が高いこと、スパッタ率が高いことなどの理由から、高温で容易に基板から蒸発、再スパッタする。結晶化温度である500℃以上ではPbはほとんど基板へとどまらず組成制御が困難である。通常はPbあるいはPbOのターゲットを別に用意し、同時にスパッタして過剰量のPbを供給するなどの工夫がなされるが、面積の大きい基板に均一に組成制御して膜形成することは難しい。室温ではPbの蒸発、再スパッタの影響が小さいため、比較的容易にターゲットに近い組成のPZT膜が形成可能である。ただし室温においてもプラズマからのイオン、スパッタ粒子などによる運動量によって基板やシールド部が高温となりやすく、蒸発、再スパッタの影響は注意する必要がある。各部の電位によってもArイオンの衝撃が異なるため組成が変化する。
【0010】
電子部品に使用する強誘電体膜を形成するプロセスをPZT強誘電体膜を用いたFerroelectric RAMの例で説明する。トランジスタを形成するプロセスを経たシリコン半導体基板に絶縁膜を形成し、下地電極として150nm厚のPt電極をDCマグネトロンスパッタにより形成する。Ptは酸化膜と密着性が良好ではないため、接合層としてTi(20nm)をPt成膜前に連続スパッタで形成する。次に、下地電極上にPZT膜をRFマグネトロンスパッタにより形成する。上記の理由から基板温度を上げず室温で成膜する。12インチのセラミックPZTターゲットに対して1.0〜1.5kWでスパッタを行う。スパッタガスはArで0.5〜2.0Paの圧力範囲で成膜した。約5分間のスパッタ時間で250〜300nmの膜厚のPZTアモルファス膜が得られる。PZT成膜前に約1時間のプレスパッタを成膜するスパッタ条件で行う。アモルファス状態のPZT膜は、RTA(Rapid Thermal Anneal)プロセスによりペロブスカイト相に結晶化する。600℃以上の温度で数秒で結晶化が可能である。管状炉などでも結晶化は可能であるが、RTAの方がサーマルバジェットが小さく下地電極、電極とPZT膜の拡散、反応を抑えることができ、界面の平滑化には適している。また、PZTの結晶化には異相として非強誘電相のパイロクロア相があるが、この相は結晶化の昇温速度を小さくした場合やZr/Ti比が大きい場合に形成され易い。パイロクロア相が第二相としてできた場合には分極量が小さくなるだけでなく、PZT膜の信頼性にも影響を及ぼす可能性がある。
結晶化したPZT膜に関して、さらに上部電極であるPt膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を形成する。キャパシタパターンは、RIE(Reactive Ion Etching)装置を用いて、Arと弗化炭素系のガス中でエッチングを行い微細パターンを形成する。電極との密着性を向上させるために600℃で酸素中1時間のアニール処理を行う。このようにして形成したPZT膜は、Pb1.15-1.20 La0.05(Zr0.4 Ti0.6 )O3 の膜組成を持ち、スパッタ時のスパッタ電力とガス圧を変えることによりPb量を10%以内の範囲で変化する。このPb量により特性が変動する。形成した100−300nm径の柱状組織のPZT膜の電気特性は、PZT膜組成、微細構造の変化により、リーク電流が大きい、疲労特性が悪い、分極量の小さいものが多い、抗電界が大きいなど問題も発生する。PZT膜表面の凹凸が大きい場合は、RIE時に加工表面の凹凸が大きくなる。PZT、Pt膜のRIEではイオンにより物理的エッチング効果が大きいため膜表面の凹凸がエッチング後の形状に大きく影響する。
【0011】
一方、ゾルゲル法やMOD法などの溶液法(CSD法)で形成するPZT成膜プロセスでは、原料の性状、取り扱い容易性、安定性や他の物質と混合した時の反応性からPb、Ti、ZrなどのPZT膜構成元素の原料をまず選択する。Pbでは酢酸鉛3水和物、Zrにはジルコニウムテトラプロポキシド、Tiにはチタンテトライソプロポキシドを利用する場合が多く、溶剤に2メトキシエタノールを使用して約0.2Mの溶液をまず調製する。この溶液は水分を十分に取り除くことで長期保存が可能である。一般に、酢酸鉛の水和物の水成分を除去する。成膜する時はこの溶液に水を加えて縮重合反応を起こさせるが、脱水反応及び脱アルコール反応によってM−O−Mの架橋状態が変化する。この際に加えた水の量、反応時間(保持時間)、pH、温度、濃度などによりこの架橋状態が変化する。スパッタの場合と同様に異なったアモルファス状態を形成することになるため、PZTペロブスカイト構造に結晶化した後に配向性、結晶粒の性状、強誘電特性、リーク電流、疲労特性などが変化する。MOD法でも同様である。Pb、Zr、Tiの2エチルヘキサン酸などを使用し、有機溶剤のキシレンを用いてPZTのMOD用溶液を調製する。MOD法の場合は加水分解反応は起こさず、その状態(混合状態)で半導体基板上に塗布する。半導体基板上に成膜した後に250℃程度の低温で乾燥、脱溶剤を実施して、アモルファス状態のPZT膜となる。MOD法では原料がC、H、Oを多く含む構造であるため結晶化時の膜の収縮が大きく、数100nmの厚い膜を形成するには塗布と結晶化工程を繰り返すなどの方法で行う。結晶化はスパッタと同様にRTAを使用する場合が多い。750℃、5分程度の熱処理でペロブスカイト単一相が得られる。このような溶液法を用いたPZT膜は結晶粒が100〜数100nmと小さく、スパッタで成膜された膜のような柱状組織を示さない粒状組織が見られる場合が多い。
一方、MOCVD法によりPZT、SBT膜などを形成する場合には、条件を最適化することで立体形状キャパシタを形成するためのステップカバレッジ性が良好なものを得ることができる。しかしこれら強誘電体、誘電体材料のMOCVD技術には困難な点が多い。例えば、膜組成を制御することが難しい。複合酸化物を構成する元素でBi,Sr,Baなどは蒸気圧の高いソース原料がないために液体供給を利用した方法などをとる必要がある。また、各元素のソースの特性が異なることから最適成膜条件を設定することが難しい。原料の供給量と膜組成が必ずしも比例しない状況もある。また、添加物を加える際にはさらにソースの選択をしなくてはいけないため困難さが増加する。In−situで結晶化した膜を得るプロセスでは半導体基板の表面(電極表面)の状態、組成によりその上に形成される膜の特性が変化する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
近年、以上で説明したような成膜方法を利用して高密度の強誘電体メモリを作製すべくCOP (Capacitor On Plug)構造が考えられている。これはトランジスタのアクティブエリアから接続されてWやSiからなるプラグ構造がキャパシタ直下にあるものであり、セルサイズを小さくすることができる。平面キャパシタであれば前述したスパッタ法、塗布法、MOCVD法が利用でき、立体キャパシタ構造を用いる場合にはMOCVD法などを利用すればよい。しかしこの構造ではキャパシタの強誘電体膜を結晶化する時もしくはキャパシタをインテグレーションした時のRIE加工、絶縁膜CVDなどのダメージを回復させるための熱処理の時に直下のプラグ材料の表面が酸化されてコンタクト抵抗が高くなり、ひどい場合には剥離が生じるなどの問題がある。これを回避するために、TiAlN、TiN、TaSiNなどのバリア層の形成、IrO2 、Ir、RuO2 、Ruなどの電極材料が試みられている。また、前述したような立体キャパシタ形成の試みもなされている。MOCVDでの膜形成においても組成制御性、ステップガバレッジの良好な低温で成膜し、後の熱処理において誘電体膜、強誘電体膜を結晶化する方法が行われている。また、キャパシタのRIEダメージの低減を目的としてダマシンプロセスを利用したキャパシタ作製プロセスなどが提案されているが、CMPを利用するプロセスでは酸化膜と誘電体膜、強誘電体膜が接した状態で熱処理することがあるためにそこの部分での反応が問題となる。例えば、PZTとSiO2 とは熱により鉛ガラスを形成して接触部分を著しく劣化させる問題がある。
【0013】
一方、Ferroelectric RAMをさらに高密度化するための1トランジスタタイプの強誘電体メモリも開発が進められている。古くはトランジスタのゲート上に直接Bi4 Ti3 12などの強誘電体を形成したものが研究開発されているが、Siとの界面に酸化物界面層が形成されること、特定の材料のみしか結晶化できないこと、界面の反応を制御することができないこと、などの阻害要因があり界面に欠陥が多く特性面で実現できなかった。また、PZTなどの材料ではSiO2 上で結晶化することが困難である。これはRTAなどの結晶化熱処理方法を採用すると、基板側から結晶化が進行し易いが、先にPZT中のPbとSiO2 とが反応することにより劣化した界面が形成され、コイルにPbが消費されることで組成ずれが生じ、したがって、その上にPZTが結晶化しないためである。PZT中のTi量を増加させて結晶化温度を低減し、膜上部あるいは膜内部から結晶化を促進することも可能であるが、この場合は結晶化の制御が困難である。また、下地との反応は避けられず1TrタイプのFerroelectric RAM作製には満足できるものではなかった。このことは高誘電率膜をゲート絶縁膜に採用した場合にも同様である。ZrO2 、HfO2 、その他ZrSiO3 などのシリケート膜をゲート膜として使用する際には、Siとの界面の欠陥形成阻害が重要である。この場合も高温での結晶化工程により界面の相互拡散、反応が引き起こされ、界面劣化が生じてしまう。
【0014】
従来、シリコンウェーハ上のアモルファス膜を結晶化するプロセスにおいて、RTAや炉などを使用すると選択的に結晶化することが困難である。例えば、DRAMのキャパシタ膜のように広い領域にわたって膜を形成し結晶化する場合には、電極膜だけでなく絶縁膜の上にも誘電体膜が存在するために、通常の結晶化でこれらの部分も熱にさらされることになる。誘電体膜と絶縁膜との間の反応が起こる可能性もあり、デバイスを形成する上で好ましくない。また、同じ電極上で結晶化させたい部分とさせたくない部分が存在する場合などは従来の加熱方法では困難である。
また、メモリ機能とロジック機能とを一つのチップに集積するSOC(System On Chip)の開発が進められている。メモリとロジックを共通のプロセスで作製するために各プロセスの整合性が問われる。Ferroelectric RAMとロジックとの混載の場合は通常のロジック作製プロセスにキャパシタ工程を追加すれば可能であるが、Ferroelectric RAM用のキャパシタがその後の加工、絶縁膜形成プロセスでダメージを受け易いこと、キャパシタに使用する材料がSiプロセスでは新規なものでクロスコンタミの問題があること、Ferroelectric RAM特有の低ダメージプロセスを採用し難いこと、などの理由から多層配線の上にキャパシタを形成するプロセスが提案されている。この場合は下地にAlやCuなどの多層配線、あるいは低誘電率膜が存在することで、キャパシタ形成温度を400℃程度まで低温化する必要がある。しかしこのような低温で強誘電特性が良好なキャパシタを作製することは困難であり、本構造を達成することは難しい。
さらに、Ferroelectric RAMに使用するPZT、SBTに代表される強誘電体膜は、Siプロセスに対して新しい材料であり、クロスコンタミの問題が生じる。誘電体、強誘電体膜を結晶化して形成すると前述したようにSiO2 などと反応が進行し、クロスコンタミの原因となるシリコンウェーハのベベル部のエッチングなどが困難である。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、下地の状態によらずに誘電体膜、強誘電体膜が結晶化された構造を有する半導体装置及び半導体装置の製造方法を提供する。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強誘電体膜を用いたキャパシタを具備する半導体装置において、フラッシュランプを用いて強誘電体膜を結晶化する工程を使用することを特徴としている。またフラッシュランプを用いてゲート酸化膜などのSiO2 絶縁膜あるいはシリコン上に界面反応を抑制した状態でPZT膜などの強誘電体膜を結晶化した1トランジスタタイプの半導体メモリを形成することを特徴としている。本発明は、フラッシュランプを使用する際にマスクを使用することにより光の照射された部分のみ結晶化させることも可能である。マスク材は、ランプ光を遮光する別に設けたメタルマスク、ガラスマスクのようなものあるいは半導体基板上のアモルファスシリコン上に形成した金属膜を使用することができる。本発明は、強誘電体膜を用いたキャパシタを具備する半導体メモリ装置において、フラッシュランプを用いて強誘電体膜を結晶化するに際し、フラッシュランプの照射条件(投入電力、パルス時間、最大電流値、アシスト加熱温度などを規定することを特徴としている。すなわち、本発明の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜に埋め込まれた接続プラグと、前記接続プラグに電気的に接続された下部電極、この下部電極上に形成され、且つ結晶化された強誘電体膜及びこの強誘電体膜上に形成された上部電極から構成されたキャパシタと、前記キャパシタを被覆するように、前記第1の絶縁膜上に形成されたシリコン酸化膜からなる第2の絶縁膜とを具備し、前記第1の絶縁膜と前記強誘電体膜との接触部分に形成された前記強誘電体膜に含まれる陽イオン元素とシリコンとの混合領域が30nm以下であることを特徴としている前記接続プラグが埋め込まれた第1の絶縁膜には前記半導体基板に形成された半導体素子と電気的に接続される少なくとも1層のアルミニウムを主成分とする金属配線もしくは銅を主成分とする金属配線が形成されているようにしても良い。前記接続プラグと前記下部電極との間にはバリア層が形成され、前記下部電極と前記バリア層を合わせた膜厚は、50nm以上、150nm以下、さらに好ましくは、50nm〜100nmにしても良い。前記強誘電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなるようにしても良い。
【0016】
本発明の半導体装置の製造方法は、前記強誘電体膜をフラッシュランプを用いて加熱することにより結晶化する工程を具備していることを特徴としている。
即ち、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜に埋め込まれた接続プラグと、前記接続プラグに電気的に接続された下部電極、この下部電極上に形成され、且つ結晶化された強誘電体膜及びこの強誘電体膜上に形成された上部電極から構成されたキャパシタと、前記キャパシタを被覆するように、前記第1の絶縁膜上に形成されたシリコン酸化膜からなる第2の絶縁膜とを具備した半導体装置の製造方法において、前記半導体基板を350−400℃に保った状態で、前記強誘電体膜をフラッシュランプを用いて加熱し結晶化することを特徴としている。前記強誘電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなるようにしても良い。前記強誘電体膜を結晶化するために行われるフラッシュランプ照射は、下記の式(1)、(2)の条件に従って行われるようにようにしても良い。
E≧−(T/10)+55・・・(1)
I=α・E/τ>1500・・・(2)
E(J/cm2 )は、Xeフラッシュランプの出力(コンデンサへの総蓄積電荷量から求めたコンデンサの蓄積エネルギー量を放射効率0.4、反射効率0.5として、照射面積をランプ配置面積として計算したもの)を表わし、I(A)は、フラッシュランプ最大電流値を表わし、τ(msec)は、パルス幅(パルス電流波形の半値幅と定義)(照射時間)を表わし、T(℃)は、アシスト温度(結晶化時の半導体基板の温度)を表わし、αは、70である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して発明の実施の形態を説明する。
まず、図1及び図2を参照して第1の実施例を説明する。
この実施例ではPZT膜を用いた強誘電体メモリ(Ferroelectric RAM)を用いて説明する。図1は、PZT膜を誘電体膜として使用したキャパシタが形成されたシリコン半導体基板の断面図、図2は、半導体装置を製造する工程フロー図である。まず、シリコン半導体基板1のnウエル、pウエルに通常プロセスによりトランジスタTr1、Tr2を作り込みCMOS構造を形成する(▲1▼)。次に、CVD法によりトランジスタ領域をPSG(Phospho-Silicate Glass)、BPSG(Born-doped Phospho Silicate Glass) 等の材料からなる絶縁膜2で被覆し、CMP(Chemical Mechanical Polishing) を用いて表面を平坦化する(▲2▼)。その上にCVD法により、シリコン窒化膜(SiN)3を形成し(▲3▼)、これを下地基板とする。ここでキャパシタとトランジスタのアクティブエリア(ソース及びドレイン)11との接続をタングステン(W)や多結晶シリコンなどからなるプラグを利用して行うために、あらかじめプラグ4を埋め込むコンタクト孔を形成する。プラグ材料は、TiNをCVDにて埋め込んだものでも良い(▲4▼)。この実施例では、プラグの形成は、ブランケットCVD法とCMPとを併用する。次に、強誘電体の形成プロセス又はその後のキャパシタ特性確保の為の酸素中アニールプロセスにおいて、プラグ4の表面が酸化することを防止する目的からバリア層5を形成する(▲5▼)。バリア層5にはTiAlN(Ti/Al=0.9/0.1(モル比))を用いる。厚さは略50nmである。キャパシタの下部電極下全面にバリア層を形成する必要はなく、プラグをリセスした状態でプラグ上にのみバリア層を形成しても良いし、下部電極下全面に下部電極形成時に作製してもよい。どちらを選ぶかにより全体のプロセスが若干異なってくる。この実施例ではDCマグネトロンスパッタ法を用いてプラグ4との接続面にこのバリア層5を成膜させる。その上に下部電極6のRuをスパッタ法により形成する(▲6▼)。Ruは、PZTキャパシタ用電極として使用すると界面部分にRuO2 の導電性酸化物層が形成され、PZTの疲労特性(分極反転を繰り返した時の分極量の劣化現象)が向上する。Ruは、この導電性酸化物RuO2 を形成すること、酸素を含むガスでのドライエッチングが良好なこと、PtやIrなどの貴金属と比較して材料費が安価なことなどの特徴がある。仕様によってはPt、Ir、IrO2 などの電極を使用することも可能である。
【0018】
次に、厚さ約50nmのRuを形成した後にスパッタ法を用いてPZT膜7を形成する(▲7▼)。この場合RFマグネトロンスパッタ法を採用する。ここではPb量を10モル%程度多くしたPZTセラミックターゲットを使用する。ターゲットの組成比は、Pb1.10La0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックターゲットは、密度の高い方がスパッタ速度が大きく水分などに対する耐環境性も良好であるため、理論密度98%のセラミック焼結体を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバードメントがあるために、シリコン半導体基板1からのPbの蒸発や再スパッタが起こり膜中のPb量の欠損が生じ易い。ターゲット中の過剰Pbはそれを補償するために加えてある。Zr、Ti、Laなどの元素はターゲット組成とほぼ同じ量で膜に取り込まれるため、望む組成の量比のものを用いればよい。電気特性がPZT膜7の組成などで不安定な場合にはアモルファスPZT膜7の上部あるいは下部にシード層を形成する。例えば、結晶化するPZT膜7の構造・電気特性を改良するために酸素を導入したスパッタ法を利用する。Arを導入した雰囲気でスパッタ成膜したPZT膜と、酸素を添加したAr中スパッタにより形成したPZTシード層を用いる。スパッタ条件として、ターゲット基板間距離が60nm、回転式マグネットを用いて12インチのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5kWでスパッタを行う。ガス圧が0.5〜2.0PaでArに酸素を20%導入した条件で15〜30秒成膜させ、略2〜5nm厚さのPZTアモルファスシード層を形成する。下地基板のRu上にはArガスのみを使用してガス圧0.5〜2.0Pa、1.0〜1.5kWの電力で約5分間RFマグネトロンスパッタによるアモルファスPZT膜7の形成を行う。膜厚は、100〜150nmである。シード層にはPZT膜ではなく、膜厚2〜5nm程度の薄いTi膜、Zr膜、Nb膜、Ta膜などを使用しても良い。
【0019】
PZT膜の形成前にターゲット表面の状態、温度、チャンバー内環境を一定とするため約1時間のプレスパッタを同じスパッタ条件で行う。Pb量及び結晶化後の構造及び電気特性は、このプレスパッタにより大きく変化してしまう。バリア層を介してプラグ上に形成されたRu電極にアモルファスPZTが成膜された構造にフラッシュランプを使用してPZT膜7を結晶化させる(▲8▼)。
フラッシュランプは、Xeガスを封入したものを1msec程度かそれ以下の短時間放電させる。PZT膜の結晶化を促進させる目的でシリコンウェハ下部に用意したハロゲンランプにより基板温度を予め350−450℃に保ってある。Xeランプの放出エネルギーは、25J/cm2 である。このエネルギーは貯えられた電荷量から求めたものであるが、実際は半分以下のエネルギーが膜の結晶化に寄与しているものと考えられる。この実施例では、ランプの照射と反対側には反射板を設けることで外部への光エネルギーの拡散を防止している。雰囲気は酸素気流中である。このような条件で約1msecの時間、上記エネルギーを照射することによりPZT膜7が結晶化する。得られた膜をX線回折にて結晶構造をを調べたところ、ペロブスカイト相で(100)面からの非常に強い反射が得られた。微細構造の観察結果では、0.5μm径以下のPZT粒子がRu上に形成されている。
【0020】
次に、結晶化されたPZT膜7上に上部電極8であるRu膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を形成する(▲9▼)。上部電極パターンは、半導体基板1の全面に形成されたRu膜をRIEを用い、酸素及び塩素の混合ガス中でエッチングして微細パターンを形成する。上部電極8との密着性、結晶の整合性を向上させるために350℃、窒素中30秒のアニール処理を施して強誘電体特性を得る。強誘電性を電荷量Q−印加電圧Vのヒステリシス特性で調べた結果、2.5V印加時に分極量2Pr(残留分極×2)で約30μC/cm2 を示し、8インチ(約20.32cm)シリコンウェハの全面に同程度の分極量と抗電界を有するPZT膜であることが分かった。抗電圧も0.6V程度と低い値が得られた。この試料の疲労特性を評価すると、疲労特性評価は50μm×50μmの面積に相当するアレイで評価したところ、1012サイクルまで分極量の変化がなく、リーク電流も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であった。キャパシタの上部電極8からのコンタクトは、通常のLSI作製プロセスを用いる。すなわち、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜9を半導体基板1上に形成してキャパシタ及びSiN膜3を被覆する。絶縁膜9の表面を平坦化してその表面から上部電極表面までのコンタクト孔を形成する。そして、その中にタングステン(W)などのプラグ10を埋め込み、上部電極8とその上に形成された金属配線12とを電気的に接続する。AlやCuなどの金属配線12は、絶縁膜9の平坦化された表面に形成される。次に、シリコン酸化膜などからなる絶縁膜13を半導体基板1上に形成して金属配線12及び絶縁膜9を被覆する。以下、絶縁膜とRIE、配線成膜工程を繰り返すことでキャパシタからの配線の引き出しを行って強誘電体メモリを形成する。
【0021】
この実施例のように、フラッシュランプによる結晶化プロセスではWプラグとの接続部であるバリア層部分に酸素が拡散、反応した様子がなく、したがって、プラグも酸化されず安定した電気的特性を有する半導体装置が得られる。
結晶化プロセスにおいて、タングステンやポリシリコンを材料とするプラグの酸化を防ぐのはPZT膜7とプラグ4との間に介在するバリア層5及び下部電極6の酸素の移動を阻止するバリア特性によるものである。バリア層には、TiN、TiAlN、TiSiNなどが用いられ、下部電極には、Ru、RuO2 、Ir、IrO2 などが用いられ、いずれも酸素に対するバリア特性の高い材料である。このバリア性が有効に維持されるためには、バリア層と下部電極の合わせた膜厚は、少なくとも50nmは必要であり、上限は100nmもしくは150nmが好ましい。あまり厚くすると、加工性が悪くなるし、キャパシタは通常半導体基板上に台形状に積層形成されるので、サイズが小さくできず半導体装置の微細化に資することがない。
【0022】
次に、図3及び図10を参照して第2の実施例を説明する。
この実施例では多層配線上にPZT薄膜を用いた強誘電体キャパシタを形成したFerroelectric RAM混載ロジックを説明する。図3は、PZT膜を使用したキャパシタの構造を示す断面図である。まず、p型シリコン半導体基板20に通常プロセスによりトランジスタTr1、Tr2を作り込みMOS構造を形成する。ここでキャパシタとトランジスタのアクテイブエリア(ソース、ドレイン)21にはコバルト(Co)シリサイド22を形成し、これを接続用タングステン(W)プラグ23と接続させる。Wプラグ23との接続はTi/TiNの積層膜24を利用し、Wプラグ23はブランケットCVDを用いて形成する。キャパシタとトランジスタとの間には多層の層間絶縁膜26(26a〜26e)が形成されており、各層間絶縁膜にはアルミニウム(Al)などの多層配線25(25a〜25d)が形成されている。このAl多層配線25は、シングルダマシン工程あるいはデイユアルダマシン工程を用いて形成することができる。Cu配線と低誘電率膜とを組み合わせた多層配線工程により形成することも可能である。
このような多層配線を形成した層間絶縁膜26上に強誘電体キャパシタを形成する。
【0023】
まず、Ir下部電極27をスパッタ法により形成する。Irは、PZTキャパシタ用電極として使用すると界面部分にIrO2 からなる導電性酸化物層が形成され、PZTの疲労特性(分極反転を繰り返した時の分極量の劣化現象)が向上する。Irは、この導電性酸化物IrO2 を形成すること、PZTとの反応による相互拡散が少ないこと、化学的に安定であることなどの特徴がある。Pt、Ru、RuO2 ,IrO2 などの電極を使用することも可能である。下部電極27と電気的に接続されるWプラグ23との間には、例えば、Ti/TiNなどのバリア層32を介在させる。下部電極27として厚さ100nmのIr膜を形成した後にスパッタ法を用いてアモルファスPZT膜28をこの下部電極27を被覆するように形成する。ここでは基板加熱を行わないRFマグネトロンスパッタ法を採用する。この方式を実施するにあたり、Pb量を10%程度多くしたPZTセラミックターゲットを使用する。ターゲットの組成は、Pb1.10La0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックターゲットは、密度の高いものがスパッタ速度が大きく水分などに対する耐環境性も良好であるため、理論密度98%のセラミック焼結体を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバードメントがあるために、シリコン半導体基板からのPbの蒸発や再スパッタが起こり、膜中のPb量の欠損が生じ易い。ターゲット中の過剰Pbは、その欠損を補償するために加えてある。Zr、Ti、Laなどの元素はターゲット組成とほぼ同じ量で膜に取り込まれるため、望む組成の量比のものを用いればよい。電気特性がPZT膜の組成などで不安定な場合にはアモルファスPZT膜の上部にシード層を形することができる。例えば、結晶化するPZT膜の構造・電気特性を改造するために、酸素を導入したスパッタ法を利用する。最初にArを導入した雰囲気でスパッタ成膜して、後に酸素を添加したAr中のスパッタリングによりPZTシード層を形成する。スパッタ条件は、ターゲット−基板間距離が60mm、回転式のマグネットを用いて、12インチのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5kWでスパッタを行う。ガス圧は、0.5〜2.0PaでArに酸素を20%導入した条件で15〜30秒間成膜して、2〜5nm厚さのPZTアモルファスシード層を形成する。下地のRu上にはArガスのみを使用してガス圧0.5〜2.0Pa、1.0〜1.5kWの電力により約5分間RFマグネトロンスパッタ法を用いたアモルファスPZT膜を形成する。成膜された膜厚は、100〜150nmである。シード層にはPZT膜ではなく、2〜5nm程度の薄いTi膜、Zr膜、Nb膜、Ta膜などを使用ことが可能である。PZT成膜前にターゲット表面の状態、温度、チャンバー内環境を一定とするために約1時間のプレスパッタを同じスパッタ条件で行った。Pb量及び結晶化後の構造・電気特性は、このプレスパッタにより大きく変化してしまう。
【0024】
次に、バリア層32を介してWプラグ23上に形成されたIr電極27にアモルファスPZT膜28が成膜されたものにフラッシュランプを使用してPZT膜28の結晶化を行う。フラッシュランプは、Xeガスを封入したものを1msec程度かそれ以下の短時間に放電させるものである。PZT膜の結晶化を促進させる目的でシリコンウェハ下部に用意したハロゲンランプにより基板温度を350〜400℃に保ってある。Xeランプの放出エネルギーは、23J/cm2 である。このエネルギーは貯えられた電荷量から求めたものであるが、ランプと基板との距離は20mmであるので、実際は半分以下のエネルギーが膜の結晶化に寄与しているものと考えられる。ランプの照射と反対側には反射板を設けることで外部への光エネルギーの拡散を防止するように構成することが可能である。ランプ照射は、2秒間隔で約5パルス印加した。雰囲気は、酸素気流中である。フラッシュランプは、0.8msecの時間、上記のエネルギーを照射され、これによりPZT膜が結晶化する。得られた膜をX線回折にて結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト相の(100)面からの非常に強い反射が得られた。微細構造の観察結果では、0.5μm径以下のPZT粒子がIr上に形成されている。次に、PZT結晶膜28上に上部電極29であるIr膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を作製する。
【0025】
上部電極29は、基板全面に形成されたIr膜をRIEを用いて酸素、塩素の混合ガス中でエッチングし、微細パターン化して得られる。上部電極29との密着性、結晶の整合性を向上させるために350℃、窒素中、30秒のアニール処理を施して強誘電体特性を有するキャパシタCを得た。強誘電性を電荷量Q−印加電圧Vのヒステリシス特性で調べたところ、2.5V印加時に分極量2Pr (残留分極×2)で約30μC/cm2 を示し、8インチシリコンウェハの全面に同程度の分極量と抗電界をもつPZT膜が得られたことがわかった。抗電圧も0.6V程度と低い値が得られた。この試料の疲労特性を評価すると、疲労特性評価は50μm×50μmの面積に相当するアレイで評価したところ、1012サイクルまで分極量の変化がなく、リーク電流も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であった。キャパシタ上部電極29からのコンタクトは、通常のLSI作製プロセスを用いる。すなわち、キャパシタCを被覆するシリコン酸化膜などの絶縁膜30にコンタクト孔を形成し、さらに配線成膜工程を行ってキャパシタCからの配線31の引き出しを行う。フラッシュランプによる結晶化プロセスではキャパシタ下部の多層配線のAl配線、Cu配線、層間絶縁膜の形状劣化は観察されなかった。
図10は、結晶化プロセス後のキャパシタ下部に配置されたAl配線を示す写真断面図である。図に示すように、フラッシュランプの照射後も強誘電体膜(PZT膜)及び下部電極(Pt膜)の下に配置され、絶縁膜(SiO2 )に被覆されたAl配線は、変形されていなかった。
【0026】
次に、図4を参照して第3の実施例を説明する。
この実施例では、SiO2 ゲート酸化膜上にPZT薄膜を形成した1Tr型のFerroelectric RAMを説明する。図4にPZT膜を使用したキャパシタの構造(MFIS:Metal-Ferroelectric-Insulater-Semiconductor )の断面図を示す。まず、図4(a)に示すように、p型シリコン半導体基板40に通常プロセスによりソース/ドレイン領域32を有するトランジスタを作り込みMOS構造を形成する。ここでゲート酸化膜33には通常のSiO2 を用いる。このゲート酸化膜33の上にアモルファスPZT膜34をゾルゲル法などの塗布法あるいはスパッタ法により形成する。通常のRTAによる結晶化ではゲート酸化膜とPZT膜とが相互拡散し膜中にトラップを形成して良好な特性が得られない。ここではフラッシュランプによる結晶化を行う。スパッタ法によりPZT膜34を形成する場合は以下のプロセスを使用する。ここでは基板加熱を行わないRFマグネトロンスパッタ法を採用する。そして、Pb量を10%程度多くしたPZTセラミックターゲットを使用する。ターゲットの組成は、Pb1.10La0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックターゲットは密度の高いものがスパッタ速度が大きく水分など対する耐環境性も良好であるため、理論密度98%のセラミック焼結体を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバードメントがあるために、シリコン半導体基板40からのPbの蒸発や再スパッタが起こり、膜中のPb量の欠損が生じ易い。ターゲット中の過剰Pbはそれを補償するために加えてある。Zr、Ti、Laなどの元素は、ターゲット組成とほぼ同じ量で膜に取り込まれるため、望む組成の量比のものを用いればよい。電気特性がPZT膜の組成などで不安定な場合にはアモルファスPZT膜の上部にシード層を形する。例えば、結晶化するPZT膜の構造・電気特性を改造するために、酸素を導入したスパッタ法を利用する。最初にArを導入した雰囲気でスパッタ成膜し、その後に酸素を添加したAr中スパッタによりPZTシード層を形成する。
【0027】
スパッタ条件は、ターゲット−基板間距離が60mm、回転式のマグネットを用い、12インチのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5kWでスパッタを行う。ガス圧は0.5〜2.0PaでArに酸素を20%導入した条件で15〜30秒間成膜して略2〜5nm厚さのPZTアモルファスシード層を形成する。下地のRu上にはArガスのみを使用してガス圧0.5〜2.0Pa、1.0〜1.5kWの電力で約5分間RFマグネトロンスパッタによるアモルファスPZT膜形成を行う。その膜厚は100〜150nmである。シード層にはPZT膜ではなく、膜厚2〜5nm程度の薄いTi膜、Zr膜、Nb膜、Ta膜などを使用してもよい。PZT成膜前にターゲット表面の状態、温度、チャンバー内環境を一定とするため約1時間のプレスパッタを同じスパッタ条件で行った。Pb量及び結晶化後の構造・電気特性は、このプレスパッタにより大きく変化してしまう。フラッシュランプはXeガスを封入したものを1msec程度かそれ以下の短時間に放電させるものである。PZT膜の結晶化を促進させる目的でシリコンウェハ下部に用意したハロゲンランプにより基板温度を350〜400℃に保ってある。Xeランプの放出エネルギーは23J/cm2 である。このエネルギーは、貯えられた電荷量から求めたものであるが、実際は半分以下のエネルギーが膜の結晶化に寄与しているものと考えられる。ランプの照射と反対側には反射板を設けることで外部への光エネルギーの拡散を防止している。照射は、2秒間隔で約2パルス印加した。雰囲気は酸素気流中である。フラッシュランプは、1msecの時間、上記のエネルギーで照射するが、これによりPZT膜が結晶化する。得られた膜をX線回折にて結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト相の(100)面からの非常に強い反射が得られた。微細構造の観察結果では0.5μm径以下のPZT粒子がSiO2 上に形成されている。
【0028】
次に、結晶化されたPZT膜34上に上部電極35であるPt膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を作製する。上部電極34は、基板全面に堆積されたPt膜をRIEを用い、Ar、塩素の混合ガス中でエッチングし、微細パターン化して得られる。上部電極との密着性、結晶の整合性を向上させるために450℃、窒素中、約30秒のアニール処理を施して強誘電体特性を有するメモリを得る。以下、通常のLSI作製プロセスによりAlとWプラグにより配線(図示しない)を形成する。強誘電性を電荷量Q−印加電圧Vのヒステリシス特性にて調べたところ、5V印加時に2Vのメモリウインドウが確認され、8インチシリコンウェハの全面に同程度の分極量と抗電界をもつPZT膜であることが分かった。また、ゲート部分を観察したところ、PZT膜とSiO2 との界面でゲート酸化膜(SiO2 )の膜厚が20nm以下と薄いにもかかわらず、相互拡散が起こらずに良好なペロブスカイト構造が形成されていることが確認できた。したがって、20nmを越える厚さにする必要がない。例えば、Pbとの反応層が厚くなると凹凸が大きくなってゲート酸化膜のSiO2 が絶縁破壊されることになる。
【0029】
この半導体メモリは、ゲートに高いプラス電圧を印加すると強誘電体は分極しチャネルに電子が誘起される(図4(b))。逆に、ゲートにマイナスの高い電圧を印加すると強誘電体は反対に分極しチャネルにプラス電荷が誘起される(図4(c))。この場合、電子が可動電荷であるから図4(b)の状態で電流が流れ、図4(c)の状態では電流が流れない。このようにして半導体メモリは動作が可能である。
本方式は、MFIS構造だけではなく、シリコン半導体基板上に直接強誘電体膜を形成したMFS構造、シリコン半導体基板上にSiO2 、CaF2 、MgAl2 4 、Ce02 などの絶縁膜を介したMFIS構造、SiO2 ゲート酸化膜上にPtなどの金属膜を形成した上に強誘電体膜を形成するMFMIS構造などに適用できることは明らかである。また、強誘電体材料もPZTに制限されるものでなく、SBT、SBTN、Bi4 Ti3 12、STNなどをすべて包含することになる。電極材料もPt、Ir、Ru及びそれらの酸化物、ペロブスカイト構造を持つ導電性酸化物膜を含むことができる。
【0030】
次に、図5乃至図7及び図11を参照して第4の実施例を説明する。
この実施例では立体形状キャパシタを用い、PZT薄膜を有する強誘電体メモリを説明する。図5は、PZT膜を使用した立体形状キャパシタの構造を示す断面図である。まず、図示はしないが、シリコン半導体基板50に通常プロセスによりトランジスタを作り込みCMOS構造を形成する。トランジスタ領域を被覆するように、PSG、BPSGなどの絶縁膜41をCVDにより形成し、CMPを用いてその表面を平坦化する。その上にCVD法にてシリコン窒化膜(SiN)を形成し、これを下地基板とする。ここで、キャパシタの下部電極とトランジスタのアクティブエリア(ソース/ドレイン領域)との接続をWや多結晶シリコンからなるプラグ42を用いて行うため、予め絶縁膜41にコンタクト孔を形成しておく。プラグ材料は、TiNをCVDで埋め込んだものでもよい。プラグ42の形成は、ブランケットCVD法とCMPとを併用する。まず強誘電体の形成あるいはその後のキャパシタ特性確保のための酸素中アニールプロセスにおいて、プラグ表面が酸化することを防止する目的からプラグ42の表面にバリア層43を形成する。バリア層43にはTiAlN(Ti/Al=0.9/0.1(モル比))を用いる。バリア層43の厚さは略50nmである。下部電極下の全面にバリア層を形成する必要はなく、プラグをリセスした状態でプラグ上にのみバリア層を形成してもよいし、下部電極下の全面に下部電極形成時に作製してもよい。それにより全体のプロセスが若干異なってくる。この実施例ではDCマグネトロンスパッタ法を用いてプラグ42との接続面にこのバリア層43を成膜する。バリア層を個々のキャパシタ部分に分離し(プラグ上に埋め込む場合はすでに分離されて状態になっている)、さらにその上にTEOSなどの材料を用いたCVD法によりSiO2 絶縁膜48を形成する。酸化膜48の厚さは立体キャパシタの深さに相当するためキャパシタサイズにあわせて厚さを調整する。キャパシタに必要とされる容量としては30fC程度である。したがって、PZT膜を使用した場合で仮に残留分極量を10μC/cm2 とすると0.5×0.5μmの平面キャパシタで25fCゆえこれより小さいサイズのキャパシタでは立体化が必要となる。アスペクト比0.5とすると側面で約2倍の面積がとれるために容量が3倍となる。但し実際は誘電体膜の厚さのスケーリング効果が小さく、キャパシタサイズがそれに律速される。次に、絶縁膜48に、凹型のキャパシタを形成するために、SiO2 絶縁膜48をRIEによりエッチングして底面にバリア層43が露出する凹部を形成する。RIEに用いるエッチングガスにはCF4 などのフロロカーボンガスを使用する。
【0031】
次に、バリア層43を形成した上の凹部にスパッタ法により下部電極45を成膜する。この際、ステップカバレッジをあげるためにロングスロースパッタなどの方式を用いるとより効果的である。但しこの実施例で形成されるキャパシタでは凹部のアスペクト比が1以下程度が主体であるために、通常のスパッタでも可能である。下部電極45にはRuを使用する。Ruは、PZTキャパシタ用電極として使用すると界面部分にRuO2 からなる導電性酸化物層が形成され、PZTの疲労特性(分極反転を繰り返した時の分極量の劣化現象)が向上する。Ruは、この導電性酸化物RuO2 を形成すること、酸素を含むガスでのドライエッチングが良好なこと、PtやIrなどの貴金属と比較して材料費が安価なことなどの特徴がある。厚さ約50nmのRu膜を形成した後にキャパシタを形成するこの凹部にレジストをいれ、CMPにより凹部内部のみに下部電極45を残す構造にRu膜を加工する。このように、PZT成膜後に上部電極と下部電極がキャパシタのエッジ部分で短絡することを防ぐためにRu下部電極45のエッジ部分をレジストを利用してエッチングによりCMP平坦部より下となるように加工する。キャパシタ以外の部分に形成されたRuは下地の酸化膜をストッパーとしてCMPされる。キャパシタ上面からレジストで覆われていないRuエッジ部分をドライあるいはウエットでエッチングする。
【0032】
次に、下部電極45を加工した上部にスパッタ法を用いてPZT膜46を形成する。その形成には、例えば、RFマグネトロンスパッタ法を用いる。ここではPb量を10%程度多くしたPZTセラミックターゲットを使用する。ターゲットの組成は、Pb1.10La0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックターゲットは、密度の高いものがスパッタ速度が大きく水分などに対する耐環境性も良好であるため理論密度98%のセラミック焼結体を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバードメントがあるためにシリコン半導体基板からのPbの蒸発や再スパッタが起こり膜中のPb量の欠損が生じ易い。ターゲット中の過剰Pbはそれを補償するために加えてある。Zr、Ti、Laなどの元素はターゲット組成とほぼ同じ量で膜に取り込まれるため望む組成の量比のものを用いることができる。電気特性がPZT膜の組成などで不安定な場合には膜の上部にシード層を形成し、その上にPZT膜を成膜する。スパッタ条件はターゲット−基板間距離が60mm、回転式のマグネットを用いて、12インチのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5kWでスパッタを行う。ガス圧は、0.5〜2.0PaでArで約5分間RFマグネトロンスパッタを行う。膜厚は100〜150nmである。PZT膜形成前にターゲット表面の状態、温度、チャンバー内環境を一定とするため約1時間のプレスパッタを同じスパッタ条件で行う。Pb量及び結晶化後の構造・電気特性は、このプレスパッタにより大きく変化してしまう。Xeフラッシュランプを用いて酸素気流中でペロブスカイト相を結晶化させた。フラッシュランプはXeガスを封入したものを1msec程度かそれ以下の短時間に放電させるものである。PZT膜の結晶化を促進させる目的でシリコンウェハ下部に用意したハロゲンランプにより基板温度を350〜400℃に保ってある。Xeランプの放出エネルギーは23J/cm2 である。このエネルギーは貯えられた電荷量から求めたものであるが、実際は半分以下のエネルギーが膜の結晶化に寄与しているものと考えられる。ランプの照射と反対側には反射板を設けることで外部への光エネルギーの拡散を防止している。フラッシュランプは1msecの時間、上記のエネルギーで照射し、これによりPZT膜が結晶化する。得られた膜をX線回折にて結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト相の(100)面からの非常に強い反射が得られた。この微細構造を図に示す。微細構造の観察結果では、0.5μm径以下のPZT粒子が形成されている。この時のキャパシタ凹部エッジでのカバレッジは図5に示すように良好であった。
【0033】
また、図6に示すように、PZTとSiO2 膜との接する部分(A)でも顕著な相互拡散、反応などによる形状劣化が観察されなかった。図6は、強誘電体膜を有する半導体基板の断面図である。すなわち、フラッシュランプ処理による結晶化により界面欠陥生成が防止される。PZT膜をウェハ全面に残さない場合にはこの段階でキャパシタ以外の部分のPZT膜をCMPにより除去する。また、この工程(PZT膜のCMP処理)は、上部電極を形成した後に上部電極をCMPする際に同時に行うようにしても良い。
次に、PZT結晶膜上に上部電極47であるRu膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を作製する。Ru膜をパターニングして上部電極47を形成するには、CMPを用いてキャパシタ部のみ残すようにしてもよいが、RIEを用いて、酸素、塩素の混合ガス中でエッチングを行い微細パターンを形成しても良い。この場合は、PZT膜の周辺部で上部電極を加工するためにPZTキャパシタ本体にはダメージは入らない。その後、上部電極との密着性、結晶の整合性を向上させるために500℃で窒素中、30秒のアニール処理を施して強誘電体特性を有する強誘電体を得る。強誘電性を電荷量Q−印加電圧Vのヒステリシス特性で調べたところ、分極量2Pr(残留分極×2)で約40μC/cm2 を示し、8インチシリコンウェハの全面に同程度の分極量と抗電界をもつPZT膜が形成されていることが分かった。抗電圧も1V程度と低い値が得られた。そして、この試料の疲労特性を評価した。疲労特性評価は50μm×50μmの面積に相当するアレイで評価したところ、1×1012サイクルまで分極量の変化がなく、リーク電流も5V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であった。
【0034】
この実施例は、スパッタ法により立体キャパシタを形成したものであるが、より大きいアスペクト比の場合にはMOCVDやLSMCDなどの方法を採用してもよい。また、フラッシュランプとシリコン半導体基板との間にマスク材を使用することでウェハの一部分のみ結晶化することも可能である。
図7は、マスクを用いて強誘電体膜を部分的にアモルファス状態から結晶化する状態を説明する半導体基板の断面図である。シリコン半導体基板上にシリコン酸化膜(SiO2 )(図7(a))もしくは電極膜を形成し、その上にアモルファスPZT膜を形成する。その上にマスクを間隔を置く(図7(b))かアモルファスPZT膜に密着させて配置し(図7(c))、この状態でこの実施例のようにフラッシュランプを照射すると、マスクされない部分のみPZT膜が結晶化する。
ウェハの外周部などでPZT膜を結晶化するとその後の工程でエッチングにより除去することが困難なためにクロスコンタミの問題が生じ易い。例えば、PZT膜を結晶化する際にウェハエッジ部分を覆うようなマスク材を利用する(図7(b)参照)ことで問題は解決できる。
また、さらに微小部分のみ結晶化した場合はより精度の高いマスクを用意し、ウェハとの距離を小さくする方法、レンズ系を使用して縮小投影する方法などが考えられる。後者はCrマスクなど通常の露光用マスクと併用することでさらに微小領域を選択的に結晶化することができるために強誘電体膜、誘電体膜を均一に選択的に結晶化することが可能になる。
【0035】
また、その他の応用として、ゲート絶縁膜そのものにフラッシュランプ加熱を利用することも可能である。ZrO2 、HfO2 やシリケート薄膜が検討されているが、それらの膜の誘電率を増加させるために一部結晶化する方式を本発明で用いたフラッシュランプ加熱により達成することが可能である。
すなわち、シリコンなどの半導体基板上にZrSiO3 などのシリケート誘電体、SrTiO3 や(BaSr)TiO3 などのペロブスカイト型誘電体、ZrO2 、HfO2 、Ta2 5 、TiO2 などの高誘電率材料からなるゲート絶縁膜を形成し、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、前記ゲート絶縁膜の前記ゲート電極が形成されたゲート領域以外の部分に遮光マスクを直接もしくは所定の距離をおいて配置し、前記遮光マスクを介してフラッシュランプを前記ゲート絶縁膜に照射して前記ゲート領域のゲート絶縁膜を選択的に結晶化する。
そこで、この実施例のように、ベベル部にまで強誘電体膜(PZT膜)が形成されたシリコンウェーハの周辺のベベル部に遮光マスクを配置し、この状態でPZT膜にフラッシュランプを照射して結晶化処理を行う(図11)。図11は、遮光マスクが配置されたシリコンウェーハの平面図及び断面図である。フラッシュランプ照射により非遮光部の中心部分のPZT膜は結晶化され、ベベル部のPZT膜はアモルファス状態にある。結晶化PZT膜は、弗酸には溶けるが塩酸ではエッチングが難しい。しかしアモルファスPZT膜は塩酸で容易にエッチングができるのでシリコンウェーハベベル部のエッチングが困難ではなくなる。このように強誘電体膜を結晶化するとSiO2 などと反応が進行し、クロスコンタミの原因となるシリコンウェーハのベベル部のエッチングなどが困難になるのにマスクを用いて部分的結晶化を行うと、エッチング処理が容易になる。
【0036】
次に、図8、図9、図12及び図13を参照して第5の実施例を説明する。
この実施例では、例えば、図1と同じ様なPZT薄膜を用いた強誘電体メモリを用いて強誘電体膜の結晶化を説明する。図8は、強誘電体膜の結晶化条件を示す特性図である。縦軸は、結晶化のためにフラッシュランプが半導体基板に照射するエネルギー密度(J/cm2 )を表わし、横軸は、結晶化時の基板温度(アシスト温度)(℃)を表わしている。まず、シリコン半導体基板に通常プロセスによりトランジスタを作り込みCMOS構造を形成する。トランジスタ領域をPSG、BPSGなどの絶縁膜をCVD法により形成し、CMP法によりその表面を平坦化する。その上にCVD法によりシリコン窒化膜(SiN)を形成し、これを下地基板とする。ここでキャパシタとトランジスタのアクティブエリア(ソース/ドレイン領域)との接続をタングステン(W)やポリシリコンからなるプラグを用いて行うため、予めそのプラグを形成しておく。プラグの形成にはブランケットCVD法とCMPとを併用する。キャパシタ構造は、始めに下部電極であるPtを形成する。このPt膜は、DCマグネトロンスパッタを用いて約100nmの厚さにされる。下部電極は、Pt以外ではRu、Ir、RuO2 、IrO2 あるいはこれらの積層構造、SRO、LSCO、YBCOなどのペロブスカイト構造酸化物導電体でも可能である。Ruは、PZTキャパシタ用電極として使用すると界面部分にRuO2 からなる導電性酸化物層が形成され、PZTの疲労特性(分極反転を繰り返した時の分極量の劣化現象)が向上する。Ruは、この導電性酸化膜RuO2 を形成すること、酸素を含むドライエッチングが良好なことなどの特徴がある。下部電極の上にRFマグネトロンスパッタ法によりアモルファスPZT膜を形成する。Pb量を10%程度多くしたPZTセラミックターゲットを使用する。
【0037】
ターゲットの組成はPb1.10La0.05Zr0.4 Ti0.6 3 である。PZTセラミックターゲットは密度の高いものがスパッタ速度が大きく水分などに対する耐環境性も良好であるため、理論密度98%のセラミック焼結体を使用する。スパッタ時にはプラズマにより基板温度の上昇や飛来粒子によるボンバードメントがあるためにシリコン半導体基板からのPbの蒸発や再スパッタが起こり膜中のPb量の欠損が生じ易い。ターゲット中の過剰Pbはその欠損を補償するために加えてある。Zr、Ti、Laなどの元素はターゲット組成とほぼ同じ量で膜に取り込まれるため、望む組成の量比のものを用いればよい。電気特性がPZT膜の組成などで不安定な場合にはアモルファスPZT膜の上部にシード層を形する。例えば、結晶化するPZT膜の構造・電気特性を改良するために酸素を導入したスパッタ法を利用する。最初にArを導入した雰囲気でスパッタ成膜して、後に酸素を添加したAr中スパッタによりPZTシード層を形成する。スパッタ条件は、ターゲット−基板間距離が60mm、回転式のマグネットを用いて、12インチのセラミックPZTターゲットに対し1.0〜1.5kWでスパッタを行う。ガス圧は0.5〜2.0PaでArに酸素を20%導入した条件で15〜30秒間成膜して2〜5nm厚さのPZTアモルファスシード層を形成する。下地のRu上にはArガスのみを使用してガス圧0.5〜2.0Pa、1.0〜1.5kWの電力で約5分間RFマグネトロンスパッタによるアモルファスPZT膜の形成を行う。アモルファスPZT膜の膜厚は100〜150nmである。シード層にはPZT膜ではなく、2〜5nm程度の薄いTi膜、Zr膜、Nb膜、Ta膜などを使用してもよい。PZT成膜前にターゲット表面の状態、温度、チャンバー内環境を一定とするため約1時間のプレスパッタを同じスパッタ条件で行う。Pb量及び結晶化後の構造及び電気特性は、このプレスパッタにより大きく変化する。
【0038】
バリア層を介してプラグ上に形成されたRu電極にアモルファスPZTが成膜されたものに、フラッシュランプを使用してPZT膜の結晶化を行う。フラッシュランプは、Xeガスを封入したものを1msec程度かそれ以下の短時間に放電させる。PZT膜の結晶化を促進させる目的でシリコンウェハ下部に用意したハロゲンランプにより基板温度を350〜450℃に保ってある。Xeランプの放出エネルギーは25J/cm2 である。このエネルギーは貯えられた電荷量から求めたものであるが、実際は半分以下のエネルギーが膜の結晶化に寄与しているものと考えられる。
図8は、基板温度とフラッシュランプの結晶化エネルギーとの関係を示す特性図である。図に示された直線Yは、結晶化領域の範囲を規定し、この直線Yの上は結晶化領域であり、下は非結晶化領域である。直線Yは、Y=−0.1X+5(Yはエネルギー密度、Xはアシスト温度を表わしている。)で表わされる。結晶化に必要なフラッシュランプの照射条件は、次式(1)、(2)で示される。
E≧−(T/10)+55 ・・・(1)
I=α・E/τ>1500 ・・・(2)
ここでE(J/cm2 )は、Xeフラッシュランプの出力(コンデンサへの総蓄積電荷量から求めたコンデンサの蓄積エネルギー量を放射効率0.4、反射効率0.5とし、照射面積をランプ配置面積として計算したもの)である。I(A)は、ランプ最大電流値である。τ(msec)は、パルス幅(パルス電流波形の半値幅と定義)、すなわち、照射時間である。T(℃)は、アシスト温度である。nは、パルス印加回数である。αは、定数であり、70を表わしている。この結晶化条件でランプ照射を行うと強誘電体膜が結晶化される。
【0039】
ランプの照射と反対側には反射板を設けることで外部への光エネルギーの拡散を防止している。結晶化時の雰囲気は酸素気流中である。約1msecの時間、上記のエネルギーを照射することによりPZT膜が結晶化される。得られた膜をX線回折にて結晶構造を調べたところ、ペロブスカイト相の(100)面からの非常に強い反射が得られた。微細構造の観察結果では、0.5μm径以下のPZT粒子がPt下部電極上に形成されている。
次に、結晶化されたPZT膜上に上部電極であるRu膜をDCマグネトロンスパッタにより形成してキャパシタ構造を作製する。上部電極は、Ru膜をRIEを用いて酸素、塩素の混合ガス中でエッチングを行い微細パターン化する。上部電極との密着性、結晶の整合性を向上させるために400℃、窒素中、30秒のアニール処理を施して強誘電体特性を有する強誘電体膜を得た。
図12及び図13は、半導体基板上のTEOS膜に形成された膜厚150nmのPZT膜をフラッシュランプで結晶化処理した後の状態及び結晶化処理をしないままの状態を光学的に測定した特性図であり、横軸が2θを表している。図12において、半導体基板は、予め450℃に加熱されている。この状態で特性線Aは、フラッシュランプにより光をPZT膜に照射した後を示し(Flash)、特性線Bは、従来のように、フラッシュランプ処理を行わない例(No flash)である。このように、結晶化処理により結晶化された強誘電体特性を有するPZTが形成される。図13は、半導体基板を400℃に加熱した場合のフラッシュランプの照射による効果を示している。ランプ照射を行った特性線Aでは結晶化されたPZT膜が示され(図13(a))、従来の加熱処理のみの特性線Bでは結晶化されたPZT膜が示されていない(図13(b))。
【0040】
次に、本発明に用いる加熱処理装置を説明する。
図9は、フラッシュランプを備えた加熱処理装置の概略断面図である。図で示すように、シリコンウエハが載置された試料台の下には棒状ランプ(ハロゲンランプ)が配置され、予めウエハを加熱できるように構成されている。この加熱処理装置は、アルミニウムからなる試料チャンバー100を有し、この試料チャンバー内部には、試料(シリコンウエハ)を載置する試料台102、酸素などのガスを導入するガス導入口103、排気する排気口104、光を導入するための上部の石英窓105、試料を予備加熱するための棒状ランプ106、フラッシュランプ107を備えている。棒状ランプ106は、3kWのタングステンハロゲンランプで16本、ウエハ108の下に設置され、ウエハ108を下から加熱する。一方、フラッシュランプ107は、同様に棒状のランプであり、15本がウエハ108の上に設置され、ウエハ108を上から加熱する。両ランプは、いずれもそれぞれ専用の電源109、110に接続されている。ランプ点灯のタイミング、点灯時間及びフラッシュランプの点灯回数は、マイコンによって制御されるように構成されている。上記ランプ106は、棒状のランプであることが本質的ではなく、ランプの分野でシングルエンドと呼ばれる一方向に外部端子が2つ設けられたタイプのランプでも同様の効果を期待することができる。
【0041】
強誘電性を電荷量Q−印加電圧Vのヒステリシス特性にて調べたところ、2.5V印加時に分極量2Pr(残留分極×2)で約30μC/cm2 を示し、8インチシリコンウェハの全面に同程度の分極量抗電界を持つPZT膜であることが判った。抗電圧も0.6V程度と低い値が得られた。この試料の疲労特性を評価し、疲労特性評価は50μm×50μmの面積に相当するアレイで評価したところ、1×1012サイクルまで分極量の変化がなく、リーク電流も3V印加時で10-8A/cm2 オーダーと低い値であった。キャパシタ上部電極からのコンタクトは通常のLSI作製プロセスを用いる。すなわち絶縁膜とRIE、配線成膜工程を繰り返すことでキャパシタからの配線の引き出しを行う。フラッシュランプによる結晶化プロセスではWプラグとの接続部であるバリア層部分に拡散、反応した様子がなく、プラグも酸化されなかった。
【0042】
【発明の効果】
本発明は、以上のように、強誘電体膜を用いたキャパシタを具備する半導体メモリ装置において、フラッシュランプを用いて強誘電体膜を結晶化することによりキャパシタ下部の構造に関係なく強誘電体膜を作製することができる。本発明ではキャパシタの下地部分への熱負荷を低減することが可能となる。
また、本発明は、ゲート酸化膜などの絶縁膜(シリコン酸化物)あるいはシリコン半導体基板上に界面反応を抑制した状態でPZTなどの強誘電体膜を結晶化させる1Trタイプのメモリに好適である。また、ゲート酸化膜として形成したZrO2 、HfO2 、シリケート膜などを誘電率増加、結晶性向上などを目的として熱処理することができる。これまではシリコンとの拡散、反応が問題であったが、フラッシュランプ加熱により良好な界面を形成することができる。また、耐熱性、耐酸化性が低いタングステン、ポリシリコンなどのプラグ上にキャパシタを形成するCOP構造において、プラグ部分にかかる熱負担を低減し、酸化の抑制、コンタクト抵抗の増加を抑制しながらキャパシタの強誘電体膜を結晶化することが可能となる。このプロセスにより微小なセルサイズが可能となり、半導体メモリの高集積化が実現できる。また、フラッシュランプを使用する際にマスク材を使用することにより容易に部分的な結晶化が可能になる。また、本発明は、電極膜/誘電体膜/電極膜の積層構造で誘電体膜の一部が下部電極膜から延在した立体形状キャパシタ構造において、その延在した部分の誘電体膜と絶縁膜との間の反応が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のPZT膜を誘電体膜として使用したキャパシタが形成されたシリコン半導体基板の断面図。
【図2】本発明の半導体装置を製造する工程フロー図。
【図3】本発明のPZT膜を使用したキャパシタの構造を示す断面図。
【図4】本発明のPZT膜を使用したキャパシタの構造(MFIS)の断面図。
【図5】本発明のPZT膜を使用した立体形状キャパシタの構造を示す断面図。
【図6】本発明の強誘電体膜を有する半導体基板の断面図。
【図7】本発明のマスクを用いて強誘電体膜を部分的にアモルファス状態から結晶化する状態を説明する半導体基板の断面図。
【図8】本発明の強誘電体膜の結晶化条件を示す特性図。
【図9】本発明のフラッシュランプを備えた加熱処理装置の概略断面図。
【図10】本発明の半導体基板上に形成されたキャパシタとその下に形成されたAl配線を示す写真の断面図。
【図11】本発明の遮光マスクが配置されたシリコンウェーハの平面図及び断面図。
【図12】半導体基板上に形成されたPZT膜をフラッシュランプで結晶化処理した後の状態及び結晶化処理をしない状態を光学的に測定した特性図。
【図13】半導体基板上に形成されたPZT膜をフラッシュランプで結晶化処理した後の状態及び結晶化処理をしない状態を光学的に測定した特性図。
【符号の説明】
1、20、40、50・・・半導体基板(ウエハ)、
2、9、13、26(26a、26b、26c、26d、26e)、30、41、48・・・絶縁膜、 3・・・シリコン窒化膜、
4、10、23、42・・・プラグ、
5、32、43・・・バリア層、 6、27、45・・・下部電極、
7、28、34、46・・・強誘電体膜(PZT膜)、
8、29、35、47・・・上部電極、
11、21・・・ソース/ドレイン領域、
12、25(25a、25b、25c、25d、25e)、31・・・配線、
22・・・コバルトシリサイド、 24・・・Ti/TiNの積層膜、
33・・・ゲート酸化膜、 100・・・試料チャンバー、
102・・・試料台、 103・・・ガス導入口、
104・・・排気口、 105・・・石英窓、 106・・・棒状ランプ、
107・・・フラッシュランプ、 108・・・ウエハ、
109、110・・・電源。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a capacitor using a ferroelectric film formed in a semiconductor memory or the like as a dielectric, and a method of manufacturing a semiconductor device using a capacitor forming flash lamp.
[0002]
[Prior art]
With the development of communication technology, in recent years, electronic devices such as mobile phones and the Internet have become portable, networked, and cost-effective. The amount of information handled by these devices, such as image information and moving image information, is also increasing, and the expansion of the memory capacity used for electronic devices is required more than ever before. In order to achieve high integration of a semiconductor memory, it is necessary to miniaturize a capacitor that plays a role of storing charges therein. For example, in the high integration of DRAM (Dynamic Random Access Memory) which is a volatile memory, the memory capacity is increased at a speed of 4 times in 3 years, and a gigabit capacity has been developed. There are several means for miniaturizing capacitors for high memory integration. For example, (1) the material itself has a high dielectric constant, (2) the thickness of the capacitor is reduced, and (3) the capacitor area is increased. For (1), tantalum oxide (Ta) is used from the silicon oxide film that has been used for capacitor materials. 2 0 Five ), Barium titanate / strontium (Ba, Sr) (TiO Three ) And other thin films have been developed. These materials have a characteristic that the dielectric constant is about 10 to 100 times higher than that of silicon oxide. Regarding the thinning of the dielectric film of (2), the silicon oxide film has been thinned so far, but if the thickness is in the region of 3 nm or less, the leak current increases due to the tunnel current. Therefore, the limit for the thin film capacitor is approaching. In order to increase the area of the capacitor in (3), a method such as a trench type in which a deep hole is formed on a silicon substrate or a stack type capacitor in which a three-dimensional shape is formed is employed from the conventional planar capacitor structure. For a memory having a capacity of megabit to gigabit, for example, a DRAM requires a charge amount of 30 fC per cell. This amount depends on the characteristics of the sense amplifier that detects the charge stored in the capacitor, the capacitance of the bit line, and the like. However, with regard to the increase in the capacitor area, it is necessary to complicate the capacitor structure, and the burden on the capacitor formation process is increasing at present.
[0003]
In recent years, a ferroelectric memory (hereinafter referred to as a Ferroelectric Random Access Memory), which is a nonvolatile memory using a ferroelectric thin film, has been developed. Ferroelectric RAM is obtained by replacing the capacitor portion of DRAM with a ferroelectric film, and has the following characteristics, and is expected as a next-generation memory. (1) High-speed writing and erasing, and a cell size of 100 ns or less is possible by reducing the size of the cell. (2) Non-volatile memory, which requires no power supply unlike SRAM. , (3) Rewriting is possible many times, ferroelectric material (SBT, etc.), electrode material (IrOx, RuOx, SrRuO) Three Etc.) 12 4) High density and high integration are possible, and the same degree of integration as DRAM can be obtained. 5) The internal write voltage can be reduced to about 2V, so low power consumption. Unlike (6) flash memory, bit rewriting and random access are possible.
[0004]
Utilizing these advantages, humidity sensors for air conditioners, monitoring tags for manufacturing processes of various electronic devices, resume functions for TV games, arcade game storage devices, TV and video setting storage, copying, FAX, printers, etc. Photosensitive drum usage monitor, satellite broadcasting, cable TV set-top box, automobile engine control, radio frequency preset, electronic key using RF-ID, noisy industrial product line production process monitor, Applications in various fields such as power integrators, industrial liquids, gas flow meter sensors, large tank liquid level gauges, AV personal computers, PC cards, file memories, and portable terminal devices have been put into practical use or are being studied. ing. Ferroelectric RAM has PZT (Pb (Zr x Ti 1-x ) O Three ), BIT (Bi Four Ti Three O 12 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) Or other ferroelectric thin film is used. All have a crystal structure based on a perovskite structure having an oxygen octahedron as a basic structure. The same applies to the paraelectric BST currently being studied as a capacitor material for DRAM. Unlike conventional silicon oxide films, these materials cannot be used in an amorphous state. Therefore, a step for crystallization, for example, a crystallization heat treatment at a high temperature, an in-situ crystallization process at a high temperature, and the like are required. Although it depends on the material, a temperature of 400 to 700 ° C. is generally required for crystallization. Various methods such as laser ablation, vacuum deposition, and MBE have been studied as film formation methods, but those that have been put to practical use include MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition), sputtering, and solution ( CSD: Chemical Solution Deposition. The MOCVD method and the sputtering method include both an in-situ crystallization process and an ex-situ crystallization process depending on the film formation temperature.
[0005]
In the following, a structure of a ferroelectric thin film capacitor and a method for producing the same will be described as an example.
A ferroelectric has a feature that it has a spontaneous polarization, and the spontaneous polarization can reverse the direction by an electric field. Spontaneous polarization has a polarization value (residual polarization) even when no electric field is applied, and the value (direction of polarization) depends on the state before the electric field is zero. The electric field value when the polarization becomes 0 in the hysteresis curve is called a coercive electric field. Depending on the direction of the applied electric field, + and-charges can be induced on the crystal surface, and this state corresponds to 0 and 1 of the memory element. The same 1T / 1C (1 transistor / 1 capacitor) structure as that of a DRAM can be used, but at present, a 2T / 2C structure is often used in order to improve reliability. Ferroelectric materials are required to have the following characteristics and specifications. (1) The amount of inversion polarization (switching charge) is large. This depends on the structure of the device, the set voltage value when sensing, the stability of the polarization value, etc., but generally 10 μC / cm 2 More is needed. (2) The relative dielectric constant is small. The specific switching current value is small with respect to the switching current, and the S / N ratio can be suppressed. (3) The decrease (fatigue property) of the polarization value due to the rewriting cycle is small. In terms of fatigue characteristics, the ferroelectric material itself can be changed, or the electrode material can be oxide-based. 12 More than once characteristics have been obtained. (4) The polarization reversal speed is fast. It has been shown that the switching characteristics are mainly influenced not by the net domain inversion speed but by electrode wiring resistance, stray capacitance, etc. due to the downsizing of the capacitor.
[0006]
(5) Leakage current is 10 -6 A / cm 2 The following. Compared with a DRAM that uses the presence or absence of charge accumulated in a capacitor, a Ferroelectric RAM uses a remanent polarization value, so that a reference leakage current value is higher than that of a DRAM, and there is no problem. (6) The data retention characteristic is 10 years or more. The ferroelectric material actually used is PZT (Pb (ZrT x Ti 1-x O Three ) Thin film, SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) Thin film. The former PZT has a crystallization temperature of about 600 ° C., a large polarization value and a residual polarization value of 20 μC / cm. 2 Degree, coercive electric field is relatively small, and polarization reversal is possible at low voltage, in addition to crystallization temperature by Zr / Ti composition ratio, grain size, grain shape and other structural characteristics, polarization amount, coercive electric field, Pb called an A-site element is an element such as Sr, Ba, Ca, La and Zr called a B-site element because of the controllability of ferroelectric properties such as fatigue characteristics and leakage current, and the element tolerance of the pebrotite structure. , Ti can be substituted with elements such as Nb, W, Mg, Co, Fe, Ni, and Mn, and this has an advantage that it greatly affects the crystal structure, structural characteristics, and ferroelectric characteristics. .
[0007]
Originally, PZT is applied to transducers such as actuators, ultrasonic transducers, ultrasonic motors, hydrophones, piezoelectric transformers, passive components such as multilayer ceramic capacitors, applications to sensors such as infrared sensors, and structural phase transition, Many studies have been conducted so far on domain behavior, piezoelectricity, pyroelectricity, basic properties as ferroelectrics, microscopic behavior, etc., abundant database for PZT material design, property improvement, structural and electrical property elucidation, etc. It can be said that it is one advantage. In addition, PZT has been studied from the early stage because of its excellent piezoelectric, pyroelectric and ferroelectric properties, and there are many research examples in which a film is formed by a technique such as sputtering or sol-gel. From these backgrounds, PZT is a material that was first put into practical use as a Ferroelectric RAM. The decrease in the amount of polarization accompanying the increase in the number of writings (fatigue characteristics), which is a drawback, is characterized by the fact that the fatigue characteristics themselves are accelerated by an electric field, so the recent operating voltage has been lowered, and the Pt electrode that was originally used IrO x For example, fatigue characteristics have been improved by using oxide electrodes.
[0008]
On the other hand, the latter SBT is a material developed to improve the fatigue characteristics of PZT and to achieve low voltage driving of the film. SBT is a kind of Bi layered compound (Aurivirius Phase), which is a quasi-perovskite structure layer made of oxygen octahedron that is the origin of ferroelectricity. 2 O 2 It has a crystal structure sandwiched between layers. With this structure, the main polarization axis is in a plane perpendicular to the c-axis, and there is no polarization in the c-axis direction or a small value, if any. The polarization is expressed by the oxygen octahedron in the pseudo-perovskite structure. Until now, there has been little research on ceramics due to its strong anisotropy. However, since MOD (Metalorganic Decomposition) method enabled thin film formation, it was confirmed that the formed polycrystalline SBT film exhibits ferroelectricity, good fatigue characteristics, and low voltage is possible. Further development is being accelerated. The fatigue of the PZT film is mainly caused by oxygen vacancies formed at the Pt electrode interface. One of the reasons for the generation of oxygen vacancies is the volatility and the ease of diffusion of the Pb element. Since Pb is a part of the perovskite structure, when oxygen depletion is formed, it forms dipoles with nearby cations and causes a decrease in switching charge. SBT has little influence on the direct perovskite structure because oxygen depletion itself that compensates for charges is formed in the Bi oxide layer even when Bi as a volatile element disappears. It is also effective not to have Ti whose valence is easy to change. SBT has a smaller amount of polarization than PZT, but it is also possible to increase the amount of polarization by substituting part of Ta with Nb. Recently, a device in which SBT is integrated as a capacitor has also been prototyped. SBT is also formed by a sol-gel method, a sputtering method, a laser ablation method or the like in addition to the MOD method.
[0009]
The PZT film is also formed by the MOD method, laser ablation method, ion beam sputtering method, thermal CVD method, MOCVD method, laser CVD method, etc., but the Ferroelectric RAM products are mainly sol-gel method and sputtering method. In the sputtering method, a high temperature of about 500 ° C. or higher is necessary to form a perovskite PZT film crystallized directly on the substrate. However, the vapor pressure of the low melting point element Pb is high and the sputtering rate is high. For this reason, it is easily evaporated and resputtered from the substrate at a high temperature. When the crystallization temperature is 500 ° C. or higher, Pb hardly reaches the substrate and the composition control is difficult. Usually, a Pb or PbO target is prepared separately and sputtered at the same time to supply an excess amount of Pb. However, it is difficult to form a film by uniformly controlling the composition on a substrate having a large area. Since the influence of Pb evaporation and resputtering is small at room temperature, a PZT film having a composition close to the target can be formed relatively easily. However, even at room temperature, the substrate and the shield part are likely to become high temperature due to the momentum of ions from the plasma, sputtered particles, etc., and it is necessary to pay attention to the effects of evaporation and resputtering. The composition changes because the impact of Ar ions varies depending on the potential of each part.
[0010]
A process for forming a ferroelectric film used for an electronic component will be described with reference to an example of a Ferroelectric RAM using a PZT ferroelectric film. An insulating film is formed on a silicon semiconductor substrate that has undergone a process for forming a transistor, and a Pt electrode having a thickness of 150 nm is formed as a base electrode by DC magnetron sputtering. Since Pt does not have good adhesion to the oxide film, Ti (20 nm) is formed as a bonding layer by continuous sputtering before forming Pt. Next, a PZT film is formed on the base electrode by RF magnetron sputtering. For the above reasons, the film is formed at room temperature without raising the substrate temperature. Sputtering is performed on a 12-inch ceramic PZT target at 1.0 to 1.5 kW. The sputtering gas was Ar and the film was formed in a pressure range of 0.5 to 2.0 Pa. A PZT amorphous film having a thickness of 250 to 300 nm can be obtained in a sputtering time of about 5 minutes. Before the PZT film formation, it is performed under the sputtering conditions for forming the pre-sputtering for about 1 hour. The amorphous PZT film is crystallized into a perovskite phase by an RTA (Rapid Thermal Anneal) process. Crystallization is possible in a few seconds at a temperature of 600 ° C. or higher. Crystallization is possible even in a tubular furnace or the like, but RTA has a smaller thermal budget and can suppress diffusion and reaction between the base electrode, the electrode and the PZT film, and is suitable for smoothing the interface. In addition, the PZT crystallization includes a non-ferroelectric phase pyrochlore phase as a different phase, and this phase is easily formed when the temperature rise rate of crystallization is reduced or when the Zr / Ti ratio is large. When the pyrochlore phase is formed as the second phase, not only the amount of polarization becomes small, but also the reliability of the PZT film may be affected.
Regarding the crystallized PZT film, a Pt film as an upper electrode is further formed by DC magnetron sputtering to form a capacitor structure. The capacitor pattern is etched by using an RIE (Reactive Ion Etching) apparatus in Ar and carbon fluoride gas to form a fine pattern. In order to improve the adhesion with the electrode, annealing is performed at 600 ° C. for 1 hour in oxygen. The PZT film thus formed is made of Pb 1.15-1.20 La 0.05 (Zr 0.4 Ti 0.6 ) O Three The amount of Pb is changed within a range of 10% or less by changing the sputtering power and gas pressure during sputtering. The characteristics vary depending on the amount of Pb. The electrical characteristics of the formed PZT film having a columnar structure with a diameter of 100 to 300 nm include large leakage current due to changes in the composition and microstructure of the PZT film, poor fatigue characteristics, many with a small amount of polarization, large coercive electric field, etc. Problems also arise. When the unevenness on the surface of the PZT film is large, the unevenness on the processed surface becomes large during RIE. In RIE of PZT and Pt films, the physical etching effect is large due to ions, so that the unevenness of the film surface greatly affects the shape after etching.
[0011]
On the other hand, in a PZT film forming process formed by a solution method (CSD method) such as a sol-gel method or a MOD method, Pb, Ti, First, a raw material of a PZT film constituent element such as Zr is selected. In many cases, lead acetate trihydrate is used for Pb, zirconium tetrapropoxide is used for Zr, and titanium tetraisopropoxide is used for Ti. A solution of about 0.2M is first prepared using 2 methoxyethanol as a solvent. To do. This solution can be stored for a long time by sufficiently removing moisture. Generally, the water component of lead acetate hydrate is removed. At the time of film formation, water is added to this solution to cause a condensation polymerization reaction, but the cross-linked state of MOM is changed by dehydration reaction and dealcoholization reaction. The crosslinking state changes depending on the amount of water added at this time, the reaction time (retention time), pH, temperature, concentration, and the like. Since different amorphous states are formed as in the case of sputtering, the orientation, crystal grain properties, ferroelectric characteristics, leakage current, fatigue characteristics, etc. change after crystallization into a PZT perovskite structure. The same applies to the MOD method. Using Pb, Zr, Ti 2-ethylhexanoic acid or the like, an organic solvent xylene is used to prepare a PZT MOD solution. In the case of the MOD method, the hydrolysis reaction does not occur, and it is applied on the semiconductor substrate in that state (mixed state). After forming the film on the semiconductor substrate, drying and solvent removal are performed at a low temperature of about 250 ° C. to form an amorphous PZT film. In the MOD method, since the raw material has a structure containing a large amount of C, H, and O, the shrinkage of the film during crystallization is large, and in order to form a thick film of several hundreds of nanometers, the coating and crystallization processes are repeated. For crystallization, RTA is often used in the same manner as sputtering. A perovskite single phase is obtained by heat treatment at 750 ° C. for about 5 minutes. A PZT film using such a solution method has a crystal grain as small as 100 to several hundred nm, and often has a granular structure that does not show a columnar structure like a film formed by sputtering.
On the other hand, when a PZT film, an SBT film, or the like is formed by the MOCVD method, a film having good step coverage for forming a three-dimensional capacitor can be obtained by optimizing the conditions. However, there are many difficulties in the MOCVD technology of these ferroelectrics and dielectric materials. For example, it is difficult to control the film composition. Since Bi, Sr, Ba, etc., which are elements constituting the composite oxide, do not have a source material with a high vapor pressure, it is necessary to adopt a method using liquid supply. In addition, it is difficult to set optimum film forming conditions because the characteristics of the source of each element are different. There are situations where the amount of raw material supplied and the film composition are not necessarily proportional. Also, the difficulty increases because the source must be further selected when adding additives. In a process for obtaining a film crystallized in-situ, the characteristics of the film formed thereon vary depending on the state and composition of the surface (electrode surface) of the semiconductor substrate.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, a COP (Capacitor On Plug) structure has been considered in order to fabricate a high-density ferroelectric memory using the film forming method described above. This is because the plug structure made of W or Si connected from the active area of the transistor is directly under the capacitor, and the cell size can be reduced. In the case of a planar capacitor, the above-described sputtering method, coating method, and MOCVD method can be used. When a three-dimensional capacitor structure is used, the MOCVD method or the like may be used. However, in this structure, the surface of the plug material immediately below is oxidized during the heat treatment to recover damage such as RIE processing when the capacitor ferroelectric film is crystallized or when the capacitor is integrated, and insulation film CVD. There is a problem that the resistance becomes high and peeling occurs when it is severe. In order to avoid this, formation of barrier layers such as TiAlN, TiN, TaSiN, IrO 2 , Ir, RuO 2 An electrode material such as Ru has been tried. Attempts have also been made to form a three-dimensional capacitor as described above. In film formation by MOCVD, a method of forming a film at a low temperature with good composition controllability and step coverage and crystallizing the dielectric film and the ferroelectric film in a subsequent heat treatment is performed. In addition, a capacitor manufacturing process using a damascene process has been proposed for the purpose of reducing RIE damage of the capacitor. In the process using CMP, a heat treatment is performed in a state where an oxide film, a dielectric film, and a ferroelectric film are in contact with each other. Because there is a thing to do, the reaction there is a problem. For example, PZT and SiO 2 There is a problem that lead glass is formed by heat and the contact portion is remarkably deteriorated.
[0013]
On the other hand, a one-transistor type ferroelectric memory for further increasing the density of the Ferroelectric RAM is being developed. In the old days Bi directly on the gate of the transistor Four Ti Three O 12 Researches and developments have been made on the formation of ferroelectrics such as that an oxide interface layer is formed at the interface with Si, that only specific materials can be crystallized, and interface reactions can be controlled. There were many obstruction factors such as inability to do so, and there were many defects at the interface, which could not be realized in terms of characteristics. Also, in the case of materials such as PZT, SiO 2 It is difficult to crystallize above. In this case, if a crystallization heat treatment method such as RTA is adopted, crystallization is likely to proceed from the substrate side. 2 This is because a deteriorated interface is formed by the reaction of and the Pb is consumed in the coil, resulting in a composition shift, and thus PZT does not crystallize thereon. It is possible to reduce the crystallization temperature by increasing the amount of Ti in PZT and promote crystallization from the upper part of the film or inside the film, but in this case, it is difficult to control the crystallization. In addition, the reaction with the substrate is unavoidable, and it is not satisfactory for producing a 1Tr type Ferroelectric RAM. The same applies to the case where a high dielectric constant film is used as the gate insulating film. ZrO 2 , HfO 2 Other ZrSiO Three When a silicate film such as is used as a gate film, it is important to inhibit defect formation at the interface with Si. Also in this case, interfacial interdiffusion and reaction are caused by the crystallization process at a high temperature, and interface deterioration occurs.
[0014]
Conventionally, in the process of crystallizing an amorphous film on a silicon wafer, it is difficult to selectively crystallize using an RTA or a furnace. For example, when a film is formed and crystallized over a wide area like a capacitor film of a DRAM, a dielectric film is present not only on the electrode film but also on the insulating film. The part will also be exposed to heat. A reaction between the dielectric film and the insulating film may occur, which is not preferable for forming a device. Further, when there is a portion that is desired to be crystallized and a portion that is not desired to be crystallized on the same electrode, it is difficult with the conventional heating method.
Further, development of SOC (System On Chip) that integrates a memory function and a logic function on one chip is in progress. In order to fabricate the memory and logic in a common process, the consistency of each process is required. In the case of mixed mounting of Ferroelectric RAM and logic, it is possible by adding a capacitor process to the normal logic fabrication process. However, the capacitor for Ferroelectric RAM is easily damaged by the subsequent processing and insulating film formation process. A process for forming capacitors on multilayer wiring has been proposed because the material used is a new Si process and there is a problem of cross contamination, and it is difficult to adopt the low damage process unique to Ferroelectric RAM. Yes. In this case, since the multilayer wiring such as Al or Cu or the low dielectric constant film exists in the base, it is necessary to lower the capacitor formation temperature to about 400 ° C. However, it is difficult to produce a capacitor having good ferroelectric characteristics at such a low temperature, and it is difficult to achieve this structure.
Furthermore, the ferroelectric film represented by PZT and SBT used for Ferroelectric RAM is a new material for the Si process, which causes a problem of cross contamination. When the dielectric and ferroelectric films are formed by crystallization, as described above, SiO 2 It is difficult to etch the beveled portion of the silicon wafer, which causes cross contamination and causes reaction.
The present invention has been made under such circumstances, and provides a semiconductor device having a structure in which a dielectric film and a ferroelectric film are crystallized regardless of the state of the base, and a method for manufacturing the semiconductor device.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is characterized in that in a semiconductor device including a capacitor using a ferroelectric film, a step of crystallizing the ferroelectric film using a flash lamp is used. In addition, using a flash lamp, SiO2 such as a gate oxide film 2 A one-transistor type semiconductor memory is formed by crystallizing a ferroelectric film such as a PZT film on an insulating film or silicon while suppressing an interface reaction. In the present invention, it is also possible to crystallize only a portion irradiated with light by using a mask when using a flash lamp. As the mask material, a metal mask, a glass mask, or a metal film formed on amorphous silicon on a semiconductor substrate can be used. The present invention relates to flash lamp irradiation conditions (input power, pulse time, maximum current value) when a ferroelectric film is crystallized using a flash lamp in a semiconductor memory device having a capacitor using a ferroelectric film. In other words, the semiconductor device of the present invention has a semiconductor substrate, a connection plug embedded in a first insulating film formed on the semiconductor substrate, and the connection. A lower electrode electrically connected to the plug, a ferroelectric film formed on the lower electrode and crystallized, and an upper electrode formed on the ferroelectric film; and the capacitor A second insulating film made of a silicon oxide film formed on the first insulating film so as to cover the first insulating film, and a contact between the first insulating film and the ferroelectric film A mixed region of a cation element and silicon contained in the ferroelectric film formed in a portion is 30 nm or less, and the first insulating film in which the connection plug is embedded is formed on the semiconductor substrate. A metal wiring mainly composed of aluminum or a metal wiring mainly composed of copper, which is electrically connected to the formed semiconductor element, may be formed. A barrier layer is formed between the electrodes, and the total thickness of the lower electrode and the barrier layer may be 50 nm or more and 150 nm or less, more preferably 50 nm to 100 nm. It may be made of lead zirconate titanate.
[0016]
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized by comprising a step of crystallizing the ferroelectric film by heating it using a flash lamp.
That is, the semiconductor device manufacturing method of the present invention includes a semiconductor substrate, a connection plug embedded in a first insulating film formed on the semiconductor substrate, a lower electrode electrically connected to the connection plug, A capacitor formed on the lower electrode and crystallized ferroelectric film and an upper electrode formed on the ferroelectric film, and the first insulation so as to cover the capacitor In a method of manufacturing a semiconductor device comprising a second insulating film made of a silicon oxide film formed on a film, the ferroelectric film is a flash lamp while the semiconductor substrate is kept at 350-400 ° C. It is characterized by being heated and crystallized. The ferroelectric film may be made of lead zirconate titanate. The flash lamp irradiation performed to crystallize the ferroelectric film may be performed according to the conditions of the following formulas (1) and (2).
E ≧ − (T / 10) +55 (1)
I = α · E / τ> 1500 (2)
E (J / cm 2 ) Is the output of the Xe flash lamp (calculated from the amount of energy stored in the capacitor calculated from the total amount of charge stored in the capacitor as radiation efficiency 0.4, reflection efficiency 0.5, and irradiation area as lamp layout area) Where I (A) represents the flash lamp maximum current value, τ (msec) represents the pulse width (defined as the half width of the pulse current waveform) (irradiation time), and T (° C.) represents the assist temperature ( Represents the temperature of the semiconductor substrate during crystallization, and α is 70.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a first embodiment will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, a ferroelectric memory (Ferroelectric RAM) using a PZT film will be described. FIG. 1 is a sectional view of a silicon semiconductor substrate on which a capacitor using a PZT film as a dielectric film is formed, and FIG. 2 is a process flow diagram for manufacturing a semiconductor device. First, transistors Tr1 and Tr2 are formed in the n well and p well of the silicon semiconductor substrate 1 by a normal process to form a CMOS structure ((1)). Next, the transistor region is covered with an insulating film 2 made of a material such as PSG (Phospho-Silicate Glass) or BPSG (Born-doped Phospho Silicate Glass) by CVD, and the surface is flattened using CMP (Chemical Mechanical Polishing). ((2)). A silicon nitride film (SiN) 3 is formed thereon by CVD (3), and this is used as a base substrate. Here, in order to connect the capacitor and the active area (source and drain) 11 of the transistor using a plug made of tungsten (W), polycrystalline silicon, or the like, a contact hole in which the plug 4 is embedded is formed in advance. The plug material may be TiN embedded by CVD (4). In this embodiment, the plug is formed by using both blanket CVD and CMP. Next, the barrier layer 5 is formed for the purpose of preventing the surface of the plug 4 from being oxidized in the ferroelectric formation process or the subsequent annealing process in oxygen for securing the capacitor characteristics ((5)). TiAlN (Ti / Al = 0.9 / 0.1 (molar ratio)) is used for the barrier layer 5. The thickness is approximately 50 nm. It is not necessary to form a barrier layer on the entire surface under the lower electrode of the capacitor. The barrier layer may be formed only on the plug with the plug recessed, or may be formed when the lower electrode is formed on the entire surface under the lower electrode. . Depending on which one you choose, the overall process will be slightly different. In this embodiment, the barrier layer 5 is formed on the connection surface with the plug 4 by using a DC magnetron sputtering method. On top of this, Ru of the lower electrode 6 is formed by sputtering ((6)). When Ru is used as an electrode for a PZT capacitor, RuO is present at the interface. 2 Thus, the fatigue properties of PZT (the phenomenon of deterioration in the amount of polarization when polarization inversion is repeated) are improved. Ru is the conductive oxide RuO. 2 There are features such as formation of metal, good dry etching with a gas containing oxygen, and low material cost compared to noble metals such as Pt and Ir. Pt, Ir, IrO depending on the specification 2 It is also possible to use electrodes such as.
[0018]
Next, after forming Ru with a thickness of about 50 nm, a PZT film 7 is formed by sputtering (7). In this case, an RF magnetron sputtering method is employed. Here, a PZT ceramic target in which the amount of Pb is increased by about 10 mol% is used. The composition ratio of the target is Pb 1.10 La 0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O Three It is. A PZT ceramic target is a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% because the higher the density, the higher the sputtering rate and the better the environmental resistance against moisture and the like. At the time of sputtering, since there is a substrate temperature rise due to plasma and bombardment due to flying particles, evaporation of Pb from the silicon semiconductor substrate 1 and resputtering easily occur, and loss of the amount of Pb in the film tends to occur. Excess Pb in the target is added to compensate for it. Since elements such as Zr, Ti, and La are incorporated into the film in substantially the same amount as the target composition, elements having a desired composition ratio may be used. If the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film 7 or the like, a seed layer is formed above or below the amorphous PZT film 7. For example, in order to improve the structural and electrical characteristics of the PZT film 7 to be crystallized, a sputtering method in which oxygen is introduced is used. A PZT film formed by sputtering in an atmosphere into which Ar is introduced and a PZT seed layer formed by sputtering in Ar to which oxygen is added are used. As sputtering conditions, the distance between target substrates is 60 nm, and a 12-inch ceramic PZT target is sputtered at 1.0 to 1.5 kW using a rotary magnet. A film is formed for 15 to 30 seconds under the condition that the gas pressure is 0.5 to 2.0 Pa and 20% of oxygen is introduced into Ar, thereby forming a PZT amorphous seed layer having a thickness of about 2 to 5 nm. An amorphous PZT film 7 is formed on the underlying substrate Ru by RF magnetron sputtering using only Ar gas and a gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and a power of 1.0 to 1.5 kW for about 5 minutes. The film thickness is 100 to 150 nm. Instead of the PZT film, a thin Ti film, Zr film, Nb film, Ta film or the like having a thickness of about 2 to 5 nm may be used for the seed layer.
[0019]
Before the PZT film is formed, pre-sputtering for about 1 hour is performed under the same sputtering conditions in order to keep the target surface state, temperature, and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by this pre-sputtering. The PZT film 7 is crystallized by using a flash lamp in a structure in which amorphous PZT is formed on the Ru electrode formed on the plug through the barrier layer (8).
The flash lamp discharges Xe gas sealed for a short time of about 1 msec or less. For the purpose of promoting crystallization of the PZT film, the substrate temperature is previously maintained at 350 to 450 ° C. by a halogen lamp prepared under the silicon wafer. The emission energy of the Xe lamp is 25 J / cm 2 It is. This energy is obtained from the amount of stored charge, but in fact it is considered that less than half of the energy contributes to the crystallization of the film. In this embodiment, the diffusion of light energy to the outside is prevented by providing a reflector on the side opposite to the lamp irradiation. The atmosphere is in an oxygen stream. By irradiating the above energy for about 1 msec under such conditions, the PZT film 7 is crystallized. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, very strong reflection from the (100) plane was obtained in the perovskite phase. According to the observation result of the fine structure, PZT particles having a diameter of 0.5 μm or less are formed on Ru.
[0020]
Next, a Ru film as the upper electrode 8 is formed on the crystallized PZT film 7 by DC magnetron sputtering to form a capacitor structure (9). The upper electrode pattern is formed by etching the Ru film formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 in a mixed gas of oxygen and chlorine using RIE. In order to improve the adhesion to the upper electrode 8 and the crystal matching, an annealing process is performed at 350 ° C. in nitrogen for 30 seconds to obtain ferroelectric characteristics. As a result of investigating the ferroelectricity with the hysteresis characteristic of charge amount Q-applied voltage V, it is about 30 μC / cm with a polarization amount 2 Pr (residual polarization × 2) when 2.5 V is applied. 2 It was found that the PZT film had the same amount of polarization and coercive electric field on the entire surface of an 8-inch (about 20.32 cm) silicon wafer. The coercive voltage was as low as about 0.6V. When the fatigue characteristics of this sample were evaluated, the fatigue characteristics were evaluated with an array corresponding to an area of 50 μm × 50 μm. 12 There is no change in the amount of polarization until the cycle, and the leakage current is 10 when 3V is applied -8 A / cm 2 The order was low. The contact from the upper electrode 8 of the capacitor uses a normal LSI manufacturing process. That is, an insulating film 9 made of a silicon oxide film or the like is formed on the semiconductor substrate 1 to cover the capacitor and the SiN film 3. The surface of the insulating film 9 is flattened to form a contact hole from the surface to the upper electrode surface. Then, a plug 10 such as tungsten (W) is embedded therein, and the upper electrode 8 and the metal wiring 12 formed thereon are electrically connected. The metal wiring 12 such as Al or Cu is formed on the planarized surface of the insulating film 9. Next, an insulating film 13 made of a silicon oxide film or the like is formed on the semiconductor substrate 1 to cover the metal wiring 12 and the insulating film 9. Thereafter, the ferroelectric film is formed by drawing the wiring from the capacitor by repeating the insulating film, the RIE, and the wiring film forming process.
[0021]
As in this embodiment, in the crystallization process using the flash lamp, oxygen does not diffuse and react in the barrier layer portion that is the connection portion with the W plug, and therefore the plug is not oxidized and has stable electrical characteristics. A semiconductor device is obtained.
In the crystallization process, the oxidation of the plug made of tungsten or polysilicon is prevented by the barrier property that prevents the oxygen movement of the barrier layer 5 and the lower electrode 6 interposed between the PZT film 7 and the plug 4. It is. TiN, TiAlN, TiSiN, etc. are used for the barrier layer, and Ru, RuO are used for the lower electrode. 2 , Ir, IrO 2 These are materials having high barrier properties against oxygen. In order to maintain this barrier property effectively, the total thickness of the barrier layer and the lower electrode needs to be at least 50 nm, and the upper limit is preferably 100 nm or 150 nm. If the thickness is too large, the workability is deteriorated, and the capacitor is usually formed in a trapezoidal shape on the semiconductor substrate. Therefore, the size cannot be reduced, and the semiconductor device is not miniaturized.
[0022]
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS.
In this embodiment, a Ferroelectric RAM embedded logic in which a ferroelectric capacitor using a PZT thin film is formed on a multilayer wiring will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor using a PZT film. First, transistors Tr1 and Tr2 are formed on the p-type silicon semiconductor substrate 20 by a normal process to form a MOS structure. Here, cobalt (Co) silicide 22 is formed in the active area (source, drain) 21 of the capacitor and the transistor, and this is connected to the connection tungsten (W) plug 23. The connection with the W plug 23 uses a Ti / TiN laminated film 24, and the W plug 23 is formed by blanket CVD. A multilayer interlayer insulating film 26 (26a to 26e) is formed between the capacitor and the transistor, and a multilayer wiring 25 (25a to 25d) such as aluminum (Al) is formed on each interlayer insulating film. . The Al multilayer wiring 25 can be formed using a single damascene process or a daily damascene process. It is also possible to form by a multilayer wiring process in which a Cu wiring and a low dielectric constant film are combined.
A ferroelectric capacitor is formed on the interlayer insulating film 26 on which such multilayer wiring is formed.
[0023]
First, the Ir lower electrode 27 is formed by sputtering. When Ir is used as an electrode for a PZT capacitor, IrO 2 As a result, the fatigue characteristics of PZT (the phenomenon of deterioration in the amount of polarization when polarization inversion is repeated) are improved. Ir is the conductive oxide IrO. 2 There are features such as formation of, forming less interdiffusion due to reaction with PZT, and being chemically stable. Pt, Ru, RuO 2 , IrO 2 It is also possible to use electrodes such as. Between the lower electrode 27 and the W plug 23 electrically connected, for example, a barrier layer 32 such as Ti / TiN is interposed. After forming an Ir film having a thickness of 100 nm as the lower electrode 27, an amorphous PZT film 28 is formed so as to cover the lower electrode 27 by sputtering. Here, an RF magnetron sputtering method without heating the substrate is employed. In carrying out this method, a PZT ceramic target having a Pb amount increased by about 10% is used. The composition of the target is Pb 1.10 La 0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O Three It is. As the PZT ceramic target, a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% is used because a high density target has a high sputtering rate and good environmental resistance against moisture and the like. At the time of sputtering, since there is a substrate temperature rise due to plasma and bombardment due to flying particles, Pb evaporation and resputtering from the silicon semiconductor substrate occurs, and the loss of Pb amount in the film tends to occur. Excess Pb in the target is added to compensate for the loss. Since elements such as Zr, Ti, and La are incorporated into the film in substantially the same amount as the target composition, elements having a desired composition ratio may be used. When the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film, a seed layer can be formed on the amorphous PZT film. For example, in order to modify the structure and electrical characteristics of the PZT film to be crystallized, a sputtering method in which oxygen is introduced is used. First, sputtering is performed in an atmosphere into which Ar is introduced, and then a PZT seed layer is formed by sputtering in Ar to which oxygen is added. As the sputtering conditions, sputtering is performed on a 12-inch ceramic PZT target with a target-substrate distance of 60 mm and a rotary magnet at 1.0 to 1.5 kW. The gas pressure is 0.5 to 2.0 Pa, and the film is formed for 15 to 30 seconds under the condition that 20% of oxygen is introduced into Ar to form a PZT amorphous seed layer having a thickness of 2 to 5 nm. An amorphous PZT film using RF magnetron sputtering is formed on the underlying Ru by using only Ar gas and a gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and a power of 1.0 to 1.5 kW for about 5 minutes. The film thickness formed is 100 to 150 nm. For the seed layer, a thin Ti film, Zr film, Nb film, Ta film, etc. of about 2 to 5 nm can be used instead of the PZT film. Before the PZT film formation, pre-sputtering for about 1 hour was performed under the same sputtering conditions in order to make the state of the target surface, temperature, and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by this pre-sputtering.
[0024]
Next, the PZT film 28 is crystallized using a flash lamp on the Ir electrode 27 formed on the W plug 23 through the barrier layer 32 and the amorphous PZT film 28 is formed. The flash lamp discharges the Xe gas sealed in a short time of about 1 msec or less. The substrate temperature is maintained at 350 to 400 ° C. by a halogen lamp prepared under the silicon wafer for the purpose of promoting crystallization of the PZT film. The emission energy of the Xe lamp is 23 J / cm 2 It is. This energy is obtained from the amount of stored charge, but since the distance between the lamp and the substrate is 20 mm, it is considered that the energy of less than half actually contributes to the crystallization of the film. A reflection plate may be provided on the side opposite to the lamp irradiation so as to prevent the diffusion of light energy to the outside. For lamp irradiation, about 5 pulses were applied at intervals of 2 seconds. The atmosphere is in an oxygen stream. The flash lamp is irradiated with the above-mentioned energy for a time of 0.8 msec, whereby the PZT film is crystallized. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, very strong reflection from the (100) plane of the perovskite phase was obtained. According to the observation result of the fine structure, PZT particles having a diameter of 0.5 μm or less are formed on Ir. Next, an Ir film that is the upper electrode 29 is formed on the PZT crystal film 28 by DC magnetron sputtering to produce a capacitor structure.
[0025]
The upper electrode 29 is obtained by etching an Ir film formed on the entire surface of the substrate in a mixed gas of oxygen and chlorine using RIE to form a fine pattern. In order to improve the adhesion with the upper electrode 29 and the crystal matching, annealing was performed at 350 ° C. in nitrogen for 30 seconds to obtain a capacitor C having ferroelectric characteristics. When the ferroelectricity was examined by the hysteresis characteristic of the charge amount Q and the applied voltage V, it was about 30 μC / cm at a polarization amount 2Pr (residual polarization × 2) when 2.5V was applied. 2 It was found that a PZT film having the same amount of polarization and coercive electric field was obtained on the entire surface of the 8-inch silicon wafer. The coercive voltage was as low as about 0.6V. When the fatigue characteristics of this sample were evaluated, the fatigue characteristics were evaluated with an array corresponding to an area of 50 μm × 50 μm. 12 There is no change in the amount of polarization until the cycle, and the leakage current is 10 when 3V is applied. -8 A / cm 2 The order was low. The contact from the capacitor upper electrode 29 uses a normal LSI manufacturing process. That is, a contact hole is formed in the insulating film 30 such as a silicon oxide film covering the capacitor C, and a wiring film forming process is further performed to lead out the wiring 31 from the capacitor C. In the crystallization process using a flash lamp, the shape deterioration of the Al wiring, Cu wiring, and interlayer insulating film of the multilayer wiring under the capacitor was not observed.
FIG. 10 is a photograph cross-sectional view showing the Al wiring disposed under the capacitor after the crystallization process. As shown in the figure, after irradiation with the flash lamp, the insulating film (SiO 2 film) is disposed under the ferroelectric film (PZT film) and the lower electrode (Pt film). 2 The Al wiring covered with) was not deformed.
[0026]
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
In this example, SiO 2 A 1Tr type Ferroelectric RAM in which a PZT thin film is formed on a gate oxide film will be described. FIG. 4 shows a cross-sectional view of a capacitor structure (MFIS: Metal-Ferroelectric-Insulater-Semiconductor) using a PZT film. First, as shown in FIG. 4A, a transistor having a source / drain region 32 is formed on a p-type silicon semiconductor substrate 40 by a normal process to form a MOS structure. Here, the gate oxide film 33 is made of ordinary SiO. 2 Is used. An amorphous PZT film 34 is formed on the gate oxide film 33 by a coating method such as a sol-gel method or a sputtering method. In normal crystallization by RTA, the gate oxide film and the PZT film are mutually diffused to form traps in the film, and good characteristics cannot be obtained. Here, crystallization is performed by a flash lamp. When the PZT film 34 is formed by sputtering, the following process is used. Here, an RF magnetron sputtering method without heating the substrate is employed. And the PZT ceramic target which increased Pb amount about 10% is used. The composition of the target is Pb 1.10 La 0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O Three It is. Since a high-density PZT ceramic target has a high sputtering rate and good environmental resistance against moisture and the like, a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% is used. At the time of sputtering, since the substrate temperature rises due to plasma and there is bombardment due to flying particles, evaporation of Pb from the silicon semiconductor substrate 40 and re-sputtering occur, and the loss of the amount of Pb in the film tends to occur. Excess Pb in the target is added to compensate for it. Since elements such as Zr, Ti, and La are incorporated into the film in almost the same amount as the target composition, elements having a desired composition ratio may be used. When the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film, a seed layer is formed on the amorphous PZT film. For example, in order to modify the structure and electrical characteristics of the PZT film to be crystallized, a sputtering method in which oxygen is introduced is used. First, sputter deposition is performed in an atmosphere into which Ar is introduced, and then a PZT seed layer is formed by sputtering in Ar to which oxygen is added.
[0027]
As the sputtering conditions, a target-substrate distance is 60 mm, a rotary magnet is used, and sputtering is performed on a 12-inch ceramic PZT target at 1.0 to 1.5 kW. A PZT amorphous seed layer having a thickness of about 2 to 5 nm is formed by forming a film for 15 to 30 seconds under a condition of gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and 20% oxygen introduced into Ar. On the underlying Ru, an amorphous PZT film is formed by RF magnetron sputtering for about 5 minutes at a gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and a power of 1.0 to 1.5 kW using only Ar gas. The film thickness is 100 to 150 nm. Instead of the PZT film, a thin Ti film, Zr film, Nb film, Ta film or the like having a film thickness of about 2 to 5 nm may be used for the seed layer. Before the PZT film formation, pre-sputtering for about 1 hour was performed under the same sputtering conditions in order to keep the target surface state, temperature, and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by this pre-sputtering. The flash lamp discharges the Xe gas sealed in a short time of about 1 msec or less. The substrate temperature is maintained at 350 to 400 ° C. by a halogen lamp prepared under the silicon wafer for the purpose of promoting crystallization of the PZT film. Xe lamp emission energy is 23 J / cm 2 It is. This energy is obtained from the amount of stored charge, but in fact, it is considered that less than half of the energy contributes to the crystallization of the film. A reflection plate is provided on the side opposite to the lamp irradiation to prevent the diffusion of light energy to the outside. Irradiation was performed by applying about 2 pulses at intervals of 2 seconds. The atmosphere is in an oxygen stream. The flash lamp is irradiated with the above energy for a time of 1 msec, which causes the PZT film to crystallize. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, very strong reflection from the (100) plane of the perovskite phase was obtained. According to the observation results of the fine structure, PZT particles having a diameter of 0.5 μm or less are SiO 2 2 Formed on top.
[0028]
Next, a Pt film as the upper electrode 35 is formed on the crystallized PZT film 34 by DC magnetron sputtering to produce a capacitor structure. The upper electrode 34 is obtained by etching a Pt film deposited on the entire surface of the substrate using RIE in a mixed gas of Ar and chlorine to form a fine pattern. In order to improve the adhesion with the upper electrode and the crystal matching, an annealing process is performed at 450 ° C. in nitrogen for about 30 seconds to obtain a memory having ferroelectric characteristics. Thereafter, wiring (not shown) is formed with Al and W plugs by a normal LSI manufacturing process. When the ferroelectricity was examined by the hysteresis characteristic of the charge amount Q and the applied voltage V, a 2 V memory window was confirmed when 5 V was applied, and a PZT film having the same polarization amount and coercive electric field on the entire surface of an 8-inch silicon wafer. It turns out that. When the gate portion was observed, the PZT film and SiO 2 Gate oxide film (SiO 2 It was confirmed that a good perovskite structure was formed without causing interdiffusion even though the film thickness was as small as 20 nm or less. Therefore, it is not necessary to have a thickness exceeding 20 nm. For example, as the reaction layer with Pb becomes thicker, the unevenness becomes larger and the gate oxide film SiO 2 Will break down.
[0029]
In this semiconductor memory, when a high positive voltage is applied to the gate, the ferroelectric is polarized and electrons are induced in the channel (FIG. 4B). On the other hand, when a negative high voltage is applied to the gate, the ferroelectric substance is oppositely polarized and a positive charge is induced in the channel (FIG. 4C). In this case, since electrons are movable charges, current flows in the state of FIG. 4B, and no current flows in the state of FIG. 4C. In this way, the semiconductor memory can operate.
In this method, not only the MFIS structure, but also an MFS structure in which a ferroelectric film is formed directly on a silicon semiconductor substrate, an SiOF on a silicon semiconductor substrate. 2 , CaF 2 , MgAl 2 O Four , Ce0 2 MFIS structure through insulating film such as SiO 2 It is clear that the present invention can be applied to an MFMIS structure in which a ferroelectric film is formed on a metal film such as Pt formed on a gate oxide film. Further, the ferroelectric material is not limited to PZT, but SBT, SBTN, Bi. Four Ti Three O 12 , STN, etc. are all included. The electrode material can also include Pt, Ir, Ru and oxides thereof, and conductive oxide films having a perovskite structure.
[0030]
Next, a fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 5 to 7 and FIG.
In this embodiment, a ferroelectric memory using a three-dimensional capacitor and having a PZT thin film will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structure of a three-dimensional capacitor using a PZT film. First, although not shown, a transistor is formed on the silicon semiconductor substrate 50 by a normal process to form a CMOS structure. An insulating film 41 such as PSG or BPSG is formed by CVD so as to cover the transistor region, and the surface thereof is planarized using CMP. A silicon nitride film (SiN) is formed thereon by CVD, and this is used as a base substrate. Here, in order to connect the lower electrode of the capacitor and the active area (source / drain region) of the transistor using the plug 42 made of W or polycrystalline silicon, a contact hole is formed in the insulating film 41 in advance. The plug material may be TiN embedded by CVD. The formation of the plug 42 uses both blanket CVD and CMP. First, the barrier layer 43 is formed on the surface of the plug 42 for the purpose of preventing the plug surface from being oxidized in the annealing process in oxygen for forming the ferroelectric material or securing the capacitor characteristics thereafter. TiAlN (Ti / Al = 0.9 / 0.1 (molar ratio)) is used for the barrier layer 43. The thickness of the barrier layer 43 is approximately 50 nm. It is not necessary to form a barrier layer on the entire surface under the lower electrode, and the barrier layer may be formed only on the plug with the plug recessed, or may be formed when the lower electrode is formed on the entire surface under the lower electrode. . This makes the overall process slightly different. In this embodiment, the barrier layer 43 is formed on the connection surface with the plug 42 by DC magnetron sputtering. The barrier layer is separated into individual capacitor parts (if they are embedded on the plug, they are already separated), and further, SiO2 is deposited thereon by CVD using a material such as TEOS. 2 An insulating film 48 is formed. Since the thickness of the oxide film 48 corresponds to the depth of the three-dimensional capacitor, the thickness is adjusted according to the capacitor size. The capacitance required for the capacitor is about 30 fC. Therefore, if a PZT film is used, the residual polarization amount is assumed to be 10 μC / cm. 2 In this case, a 0.5 × 0.5 μm planar capacitor is 25 fC, so a capacitor having a smaller size needs to be three-dimensional. If the aspect ratio is 0.5, the area is approximately doubled on the side surface, so the capacity is tripled. In practice, however, the scaling effect of the thickness of the dielectric film is small, and the capacitor size is limited to that. Next, in order to form a concave capacitor in the insulating film 48, SiO 2 2 The insulating film 48 is etched by RIE to form a recess where the barrier layer 43 is exposed on the bottom surface. The etching gas used for RIE is CF Four Use fluorocarbon gas.
[0031]
Next, the lower electrode 45 is formed by sputtering in the recess on which the barrier layer 43 is formed. At this time, it is more effective to use a method such as long throw sputtering in order to increase the step coverage. However, in the capacitor formed in this embodiment, the aspect ratio of the recesses is mainly about 1 or less, so that normal sputtering is also possible. Ru is used for the lower electrode 45. When Ru is used as an electrode for a PZT capacitor, RuO is present at the interface. 2 As a result, the fatigue characteristics of PZT (the phenomenon of deterioration in the amount of polarization when polarization inversion is repeated) are improved. Ru is the conductive oxide RuO. 2 There are features such as formation of metal, good dry etching with a gas containing oxygen, and low material cost compared to noble metals such as Pt and Ir. After the Ru film having a thickness of about 50 nm is formed, a resist is put in the recess for forming the capacitor, and the Ru film is processed by CMP to leave the lower electrode 45 only inside the recess. Thus, in order to prevent the upper electrode and the lower electrode from being short-circuited at the edge portion of the capacitor after the PZT film is formed, the edge portion of the Ru lower electrode 45 is processed to be below the CMP flat portion by etching using a resist. To do. Ru formed in a portion other than the capacitor is subjected to CMP using the underlying oxide film as a stopper. The Ru edge portion not covered with the resist is etched from the upper surface of the capacitor by dry or wet.
[0032]
Next, a PZT film 46 is formed on the processed upper portion of the lower electrode 45 by sputtering. For example, RF magnetron sputtering is used for the formation. Here, a PZT ceramic target having a Pb amount increased by about 10% is used. The composition of the target is Pb 1.10 La 0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O Three It is. As the PZT ceramic target, a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% is used because a high-density one has a high sputtering rate and good environmental resistance against moisture and the like. During sputtering, the substrate temperature rises due to plasma and bombardment due to flying particles causes Pb evaporation and resputtering from the silicon semiconductor substrate, and the loss of the Pb amount in the film tends to occur. Excess Pb in the target is added to compensate for it. Since elements such as Zr, Ti, and La are incorporated into the film in almost the same amount as the target composition, elements having a desired composition ratio can be used. When the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film or the like, a seed layer is formed on the film, and a PZT film is formed thereon. As the sputtering conditions, a target-substrate distance is 60 mm, and a 12-inch ceramic PZT target is sputtered at 1.0 to 1.5 kW using a rotary magnet. The gas pressure is 0.5 to 2.0 Pa, and RF magnetron sputtering is performed with Ar for about 5 minutes. The film thickness is 100 to 150 nm. Before the PZT film is formed, pre-sputtering for about 1 hour is performed under the same sputtering conditions in order to keep the target surface state, temperature, and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by this pre-sputtering. The perovskite phase was crystallized in an oxygen stream using a Xe flash lamp. The flash lamp discharges the Xe gas sealed in a short time of about 1 msec or less. The substrate temperature is maintained at 350 to 400 ° C. by a halogen lamp prepared under the silicon wafer for the purpose of promoting crystallization of the PZT film. Xe lamp emission energy is 23 J / cm 2 It is. This energy is obtained from the amount of stored charge, but in fact it is considered that less than half of the energy contributes to the crystallization of the film. A reflection plate is provided on the side opposite to the lamp irradiation to prevent the diffusion of light energy to the outside. The flash lamp is irradiated with the above-mentioned energy for a time of 1 msec, whereby the PZT film is crystallized. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, very strong reflection from the (100) plane of the perovskite phase was obtained. This microstructure is shown in the figure. According to the observation result of the microstructure, PZT particles having a diameter of 0.5 μm or less are formed. The coverage at the capacitor recess edge at this time was good as shown in FIG.
[0033]
Further, as shown in FIG. 6, PZT and SiO 2 Even in the portion (A) in contact with the film, no remarkable deterioration of the shape due to mutual diffusion or reaction was observed. FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate having a ferroelectric film. That is, generation of interface defects is prevented by crystallization by flash lamp processing. When the PZT film is not left on the entire surface of the wafer, the PZT film other than the capacitor is removed by CMP at this stage. Further, this step (CMP treatment of the PZT film) may be performed simultaneously with the CMP of the upper electrode after the formation of the upper electrode.
Next, a Ru film, which is the upper electrode 47, is formed on the PZT crystal film by DC magnetron sputtering to produce a capacitor structure. In order to form the upper electrode 47 by patterning the Ru film, only the capacitor part may be left using CMP, but etching is performed in a mixed gas of oxygen and chlorine using RIE to form a fine pattern. You may do it. In this case, the PZT capacitor body is not damaged because the upper electrode is processed at the peripheral portion of the PZT film. Thereafter, in order to improve the adhesion with the upper electrode and the crystal matching, annealing is performed in nitrogen at 500 ° C. for 30 seconds to obtain a ferroelectric having ferroelectric characteristics. When the ferroelectricity was examined by the hysteresis characteristic of the charge amount Q-the applied voltage V, the polarization amount was 2Pr (residual polarization × 2), and about 40 μC / cm. 2 It was found that a PZT film having the same amount of polarization and coercive electric field was formed on the entire surface of the 8-inch silicon wafer. The coercive voltage was as low as about 1V. And the fatigue characteristic of this sample was evaluated. Fatigue properties were evaluated using an array corresponding to an area of 50 μm × 50 μm, and 1 × 10 12 There is no change in the amount of polarization until the cycle, and the leakage current is 10 when 5 V is applied. -8 A / cm 2 The order was low.
[0034]
In this embodiment, a three-dimensional capacitor is formed by sputtering, but a method such as MOCVD or LSMCD may be employed in the case of a larger aspect ratio. In addition, it is possible to crystallize only a part of the wafer by using a mask material between the flash lamp and the silicon semiconductor substrate.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate for explaining a state in which a ferroelectric film is partially crystallized from an amorphous state using a mask. Silicon oxide film (SiO2) on silicon semiconductor substrate 2 (FIG. 7A) or an electrode film is formed, and an amorphous PZT film is formed thereon. If a mask is placed on it (see FIG. 7B) or placed in close contact with the amorphous PZT film (FIG. 7C), and the flash lamp is irradiated in this state as in this embodiment, the mask is not masked. Only part of the PZT film crystallizes.
If the PZT film is crystallized at the outer periphery of the wafer or the like, it is difficult to remove it by etching in the subsequent process, so that the problem of cross contamination tends to occur. For example, the problem can be solved by using a mask material that covers the wafer edge portion when the PZT film is crystallized (see FIG. 7B).
Further, when only a minute part is crystallized, a method of preparing a mask with higher accuracy and reducing the distance from the wafer, a method of reducing projection using a lens system, and the like can be considered. The latter can be used in combination with a normal exposure mask such as a Cr mask to further selectively crystallize a minute region, so that the ferroelectric film and the dielectric film can be selectively crystallized uniformly. become.
[0035]
As another application, flash lamp heating can be used for the gate insulating film itself. ZrO 2 , HfO 2 In order to increase the dielectric constant of these films, a method of partially crystallization can be achieved by the flash lamp heating used in the present invention.
That is, ZrSiO on a semiconductor substrate such as silicon Three Silicate dielectrics such as SrTiO Three Ya (BaSr) TiO Three Perovskite dielectrics such as ZrO 2 , HfO 2 , Ta 2 O Five TiO 2 A gate insulating film made of a high dielectric constant material such as a gate electrode is formed on the gate insulating film, and a light shielding mask is formed directly or on a portion of the gate insulating film other than the gate region where the gate electrode is formed. The gate insulating film is selectively crystallized by disposing a predetermined distance and irradiating the gate insulating film with a flash lamp through the light shielding mask.
Therefore, as in this embodiment, a light shielding mask is arranged on the peripheral bevel portion of the silicon wafer on which the ferroelectric film (PZT film) is formed up to the bevel portion, and in this state, the PZT film is irradiated with a flash lamp. The crystallization process is performed (FIG. 11). FIG. 11 is a plan view and a cross-sectional view of a silicon wafer on which a light shielding mask is arranged. The PZT film in the central part of the non-light-shielding part is crystallized by flash lamp irradiation, and the PZT film in the beveled part is in an amorphous state. Crystallized PZT films are soluble in hydrofluoric acid, but are difficult to etch with hydrochloric acid. However, since the amorphous PZT film can be easily etched with hydrochloric acid, it is not difficult to etch the silicon wafer bevel portion. When the ferroelectric film is crystallized in this way, SiO 2 Etching treatment becomes easier when partial crystallization is performed using a mask, although the reaction proceeds and etching of the bevel portion of the silicon wafer, which causes cross contamination, becomes difficult.
[0036]
Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIG. 8, FIG. 9, FIG. 12, and FIG.
In this embodiment, crystallization of a ferroelectric film will be described using a ferroelectric memory using a PZT thin film similar to that shown in FIG. FIG. 8 is a characteristic diagram showing the crystallization conditions of the ferroelectric film. The vertical axis represents the energy density (J / cm) applied to the semiconductor substrate by the flash lamp for crystallization. 2 The horizontal axis represents the substrate temperature (assist temperature) (° C.) during crystallization. First, a transistor is formed on a silicon semiconductor substrate by a normal process to form a CMOS structure. An insulating film such as PSG or BPSG is formed in the transistor region by the CVD method, and the surface thereof is planarized by the CMP method. A silicon nitride film (SiN) is formed thereon by CVD, and this is used as a base substrate. Here, since the capacitor and the active area (source / drain region) of the transistor are connected using a plug made of tungsten (W) or polysilicon, the plug is formed in advance. For forming the plug, a blanket CVD method and CMP are used in combination. In the capacitor structure, first, Pt which is a lower electrode is formed. The Pt film is about 100 nm thick using DC magnetron sputtering. The lower electrode is made of Ru, Ir, RuO except for Pt. 2 , IrO 2 Alternatively, these stacked structures, and perovskite structure oxide conductors such as SRO, LSCO, and YBCO are also possible. When Ru is used as an electrode for a PZT capacitor, RuO is present at the interface. 2 As a result, the fatigue characteristics of PZT (the phenomenon of deterioration in the amount of polarization when polarization inversion is repeated) are improved. Ru is the conductive oxide film RuO. 2 There are characteristics such as good formation of oxygen and good dry etching including oxygen. An amorphous PZT film is formed on the lower electrode by RF magnetron sputtering. A PZT ceramic target with a Pb amount increased by about 10% is used.
[0037]
The composition of the target is Pb 1.10 La 0.05 Zr 0.4 Ti 0.6 O Three It is. Since a high-density PZT ceramic target has a high sputtering rate and good environmental resistance against moisture and the like, a ceramic sintered body having a theoretical density of 98% is used. During sputtering, the substrate temperature rises due to plasma and bombardment due to flying particles causes Pb evaporation and resputtering from the silicon semiconductor substrate, and the loss of the Pb amount in the film tends to occur. Excess Pb in the target is added to compensate for the loss. Since elements such as Zr, Ti, and La are incorporated into the film in substantially the same amount as the target composition, elements having a desired composition ratio may be used. When the electrical characteristics are unstable due to the composition of the PZT film, a seed layer is formed on the amorphous PZT film. For example, in order to improve the structure and electrical characteristics of the PZT film to be crystallized, a sputtering method in which oxygen is introduced is used. First, sputter deposition is performed in an atmosphere into which Ar is introduced, and then a PZT seed layer is formed by sputtering in Ar to which oxygen is added. As the sputtering conditions, sputtering is performed on a 12-inch ceramic PZT target with a target-substrate distance of 60 mm and a rotary magnet at 1.0 to 1.5 kW. A PZT amorphous seed layer having a thickness of 2 to 5 nm is formed by forming a film for 15 to 30 seconds under a gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and introducing 20% oxygen into Ar. On the underlying Ru, an amorphous PZT film is formed by RF magnetron sputtering for about 5 minutes at a gas pressure of 0.5 to 2.0 Pa and a power of 1.0 to 1.5 kW using only Ar gas. The film thickness of the amorphous PZT film is 100 to 150 nm. Instead of the PZT film, a thin Ti film, Zr film, Nb film, Ta film or the like of about 2 to 5 nm may be used for the seed layer. Before the PZT film formation, pre-sputtering for about 1 hour is performed under the same sputtering conditions in order to make the target surface state, temperature, and chamber environment constant. The amount of Pb and the structure and electrical characteristics after crystallization are greatly changed by this pre-sputtering.
[0038]
The PZT film is crystallized using a flash lamp on the Ru electrode formed on the plug through the barrier layer and the amorphous PZT film is formed. The flash lamp discharges Xe gas sealed in a short time of about 1 msec or less. For the purpose of promoting crystallization of the PZT film, the substrate temperature is maintained at 350 to 450 ° C. by a halogen lamp prepared under the silicon wafer. Xe lamp emission energy is 25 J / cm 2 It is. This energy is obtained from the amount of stored charge, but in fact it is considered that less than half of the energy contributes to the crystallization of the film.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the substrate temperature and the crystallization energy of the flash lamp. The straight line Y shown in the figure defines the range of the crystallized region, the upper part of the straight line Y is the crystallized region, and the lower part is the non-crystallized region. The straight line Y is represented by Y = −0.1X + 5 (Y represents energy density and X represents assist temperature). The irradiation conditions of the flash lamp necessary for crystallization are expressed by the following formulas (1) and (2).
E ≧ − (T / 10) +55 (1)
I = α · E / τ> 1500 (2)
Where E (J / cm 2 ) Is the output of the Xe flash lamp (calculated from the amount of accumulated energy in the capacitor as the radiation efficiency of 0.4 and reflection efficiency of 0.5, and the irradiation area as the lamp layout area). is there. I (A) is a lamp maximum current value. τ (msec) is a pulse width (defined as a half-value width of a pulse current waveform), that is, an irradiation time. T (° C.) is an assist temperature. n is the number of pulse applications. α is a constant and represents 70. When the lamp is irradiated under this crystallization condition, the ferroelectric film is crystallized.
[0039]
A reflection plate is provided on the side opposite to the lamp irradiation to prevent the diffusion of light energy to the outside. The atmosphere during crystallization is in an oxygen stream. The PZT film is crystallized by irradiating the above energy for about 1 msec. When the crystal structure of the obtained film was examined by X-ray diffraction, very strong reflection from the (100) plane of the perovskite phase was obtained. According to the observation result of the fine structure, PZT particles having a diameter of 0.5 μm or less are formed on the Pt lower electrode.
Next, a Ru film as an upper electrode is formed on the crystallized PZT film by DC magnetron sputtering to produce a capacitor structure. The upper electrode is formed into a fine pattern by etching the Ru film in a mixed gas of oxygen and chlorine using RIE. In order to improve the adhesion with the upper electrode and the crystal matching, an annealing treatment was performed at 400 ° C. in nitrogen for 30 seconds to obtain a ferroelectric film having ferroelectric characteristics.
FIG. 12 and FIG. 13 show characteristics obtained by optically measuring the state after the crystallization treatment of the 150 nm-thick PZT film formed on the TEOS film on the semiconductor substrate and the state without the crystallization treatment. In this figure, the horizontal axis represents 2θ. In FIG. 12, the semiconductor substrate is heated to 450 ° C. in advance. In this state, the characteristic line A shows the light irradiated to the PZT film by the flash lamp (Flash), and the characteristic line B is an example in which the flash lamp processing is not performed (No flash) as in the prior art. In this way, PZT having ferroelectric characteristics crystallized by the crystallization process is formed. FIG. 13 shows the effect of flash lamp irradiation when the semiconductor substrate is heated to 400.degree. The characteristic line A subjected to the lamp irradiation shows a crystallized PZT film (FIG. 13A), and the characteristic line B only for the conventional heat treatment does not show the crystallized PZT film (FIG. 13). (B)).
[0040]
Next, the heat processing apparatus used for this invention is demonstrated.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a heat treatment apparatus provided with a flash lamp. As shown in the figure, a rod-shaped lamp (halogen lamp) is disposed under the sample table on which the silicon wafer is placed, and is configured so that the wafer can be heated in advance. This heat treatment apparatus has a sample chamber 100 made of aluminum. Inside the sample chamber, a sample stage 102 on which a sample (silicon wafer) is placed, a gas inlet 103 for introducing a gas such as oxygen, and the like are exhausted. An exhaust port 104, an upper quartz window 105 for introducing light, a rod lamp 106 for preheating the sample, and a flash lamp 107 are provided. Sixteen rod lamps 106 of 3 kW tungsten halogen lamps are installed under the wafer 108 and heat the wafer 108 from below. On the other hand, the flash lamps 107 are similarly rod-shaped lamps, and 15 lamps are installed on the wafer 108 to heat the wafer 108 from above. Both lamps are connected to dedicated power sources 109 and 110, respectively. The lamp lighting timing, lighting time, and flash lamp lighting frequency are configured to be controlled by a microcomputer. It is not essential that the lamp 106 is a rod-shaped lamp, and a similar effect can be expected with a lamp of a type in which two external terminals are provided in one direction, which is called single-ended in the field of lamps.
[0041]
When the ferroelectricity was examined by the hysteresis characteristic of the charge amount Q and the applied voltage V, it was about 30 μC / cm at a polarization amount 2Pr (residual polarization × 2) when 2.5V was applied. 2 It was found that the PZT film has the same amount of coercive electric field on the entire surface of the 8-inch silicon wafer. The coercive voltage was as low as about 0.6V. The fatigue characteristics of this sample were evaluated, and the fatigue characteristics were evaluated with an array corresponding to an area of 50 μm × 50 μm. 12 There is no change in the amount of polarization until the cycle, and the leakage current is 10 when 3V is applied. -8 A / cm 2 The order was low. The contact from the capacitor upper electrode uses a normal LSI manufacturing process. That is, the wiring is drawn out from the capacitor by repeating the insulating film, RIE, and wiring film forming process. In the crystallization process using the flash lamp, the barrier layer portion, which is the connection portion with the W plug, did not diffuse and reacted, and the plug was not oxidized.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a semiconductor memory device including a capacitor using a ferroelectric film, the ferroelectric film is crystallized by using a flash lamp, regardless of the structure under the capacitor. A film can be made. In the present invention, it is possible to reduce the thermal load on the base portion of the capacitor.
Further, the present invention is suitable for a 1Tr type memory in which a ferroelectric film such as PZT is crystallized on an insulating film (silicon oxide) such as a gate oxide film or a silicon semiconductor substrate while suppressing an interface reaction. . Also, ZrO formed as a gate oxide film 2 , HfO 2 The silicate film can be heat-treated for the purpose of increasing the dielectric constant and improving the crystallinity. Until now, diffusion and reaction with silicon has been a problem, but a good interface can be formed by flash lamp heating. Further, in a COP structure in which a capacitor is formed on a plug of tungsten, polysilicon, etc. having low heat resistance and oxidation resistance, the heat load applied to the plug portion is reduced, and the capacitor is suppressed while suppressing oxidation and increasing contact resistance. This ferroelectric film can be crystallized. This process enables a very small cell size and high integration of the semiconductor memory. Further, partial crystallization can be easily performed by using a mask material when using a flash lamp. Further, the present invention provides a three-dimensional capacitor structure in which a part of a dielectric film extends from a lower electrode film in a laminated structure of an electrode film / dielectric film / electrode film, and is insulated from the extended dielectric film. Reaction between the membrane is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a silicon semiconductor substrate on which a capacitor using a PZT film of the present invention as a dielectric film is formed.
FIG. 2 is a process flow diagram for manufacturing the semiconductor device of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitor using the PZT film of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a capacitor structure (MFIS) using the PZT film of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of a three-dimensional capacitor using the PZT film of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate having a ferroelectric film of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a semiconductor substrate for explaining a state in which a ferroelectric film is partially crystallized from an amorphous state using the mask of the present invention.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing crystallization conditions for the ferroelectric film of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a heat treatment apparatus provided with the flash lamp of the present invention.
10 is a cross-sectional view of a photograph showing a capacitor formed on a semiconductor substrate of the present invention and an Al wiring formed thereunder. FIG.
11A and 11B are a plan view and a cross-sectional view of a silicon wafer on which a light-shielding mask according to the present invention is arranged.
FIG. 12 is a characteristic diagram obtained by optical measurement of a state after a PZT film formed on a semiconductor substrate is crystallized with a flash lamp and a state without crystallizing.
FIG. 13 is a characteristic diagram optically measured after the PZT film formed on the semiconductor substrate is crystallized with a flash lamp and when it is not crystallized.
[Explanation of symbols]
1, 20, 40, 50... Semiconductor substrate (wafer),
2, 9, 13, 26 (26a, 26b, 26c, 26d, 26e), 30, 41, 48 ... insulating film, 3 ... silicon nitride film,
4, 10, 23, 42 ... plug,
5, 32, 43 ... barrier layer 6, 27, 45 ... lower electrode,
7, 28, 34, 46 ... ferroelectric film (PZT film),
8, 29, 35, 47 ... upper electrode,
11, 21... Source / drain regions,
12, 25 (25a, 25b, 25c, 25d, 25e), 31 ... wiring,
22 ... Cobalt silicide, 24 ... Ti / TiN laminated film,
33 ... Gate oxide film, 100 ... Sample chamber,
102 ... Sample stage, 103 ... Gas inlet,
104 ... exhaust port, 105 ... quartz window, 106 ... bar lamp,
107: Flash lamp, 108 ... Wafer,
109, 110: Power supply.

Claims (3)

半導体基板と、前記半導体基板上に形成された第1の絶縁膜に埋め込まれた接続プラグと、前記接続プラグに電気的に接続された下部電極、この下部電極上に形成され、且つ結晶化された強誘電体膜及びこの強誘電体膜上に形成された上部電極から構成されたキャパシタと、前記キャパシタを被覆するように、前記第1の絶縁膜上に形成されたシリコン酸化膜からなる第2の絶縁膜とを具備した半導体装置の製造方法において、前記半導体基板を350−400℃に保った状態で、前記強誘電体膜をフラッシュランプを用いて加熱し結晶化することを特徴とする半導体装置の製造方法。  A semiconductor substrate, a connection plug embedded in a first insulating film formed on the semiconductor substrate, a lower electrode electrically connected to the connection plug, formed on the lower electrode and crystallized A capacitor comprising a ferroelectric film and an upper electrode formed on the ferroelectric film, and a silicon oxide film formed on the first insulating film so as to cover the capacitor. In a method of manufacturing a semiconductor device comprising two insulating films, the ferroelectric film is heated and crystallized using a flash lamp in a state where the semiconductor substrate is maintained at 350 to 400 ° C. A method for manufacturing a semiconductor device. 前記強誘電体膜は、チタン酸ジルコン酸鉛からなることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the ferroelectric film is made of lead zirconate titanate. 前記強誘電体膜を結晶化するために行われるフラッシュランプ照射は、下記の式(1)、(2)の条件に従って行われることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
E≧−(T/10)+55・・・(1)
I=α・E/τ>1500・・・(2)
E(J/cm2 )は、Xeフラッシュランプの出力(コンデンサへの総蓄積電荷量から求めたコンデンサの蓄積エネルギー量を放射効率0.4、反射効率0.5として、照射面積をランプ配置面積として計算したもの)を表わし、I(A)は、フラッシュランプ最大電流値を表わし、τ(msec)は、パルス幅(パルス電流波形の半値幅と定義)(照射時間)を表わし、T(℃)は、アシスト温度(結晶化時の半導体基板の温度)を表わし、αは、70である。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the flash lamp irradiation performed to crystallize the ferroelectric film is performed according to the conditions of the following formulas (1) and (2): Manufacturing method.
E ≧ − (T / 10) +55 (1)
I = α · E / τ> 1500 (2)
E (J / cm 2 ) is the output of the Xe flash lamp (the amount of energy stored in the capacitor determined from the total amount of charge stored in the capacitor is defined as radiation efficiency 0.4 and reflection efficiency 0.5, and the irradiation area is the lamp layout area. I (A) represents the flash lamp maximum current value, τ (msec) represents the pulse width (defined as the half-value width of the pulse current waveform) (irradiation time), and T (° C. ) Represents an assist temperature (temperature of the semiconductor substrate during crystallization), and α is 70.
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