JP4497493B2 - Ferroelectric memory element and method for manufacturing ferroelectric memory element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強誘電体不揮発性記憶素子およびその製造方法に関し、特に製造プロセス中における強誘電体薄膜の劣化を抑える技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体不揮発性記憶素子としては、少なくとも一つのトランジスタと一つの強誘電体キャパシタを接続したタイプと、電界効果型トランジスタのゲートに強誘電体を用いてソース〜ドレイン間の電流を制御するタイプとがある。前者のタイプは、例えば特開平2−113496号公報に記載されている。後者のタイプは、例えば特開平9−64206号公報に記載されている。
前者のタイプは、従来のDRAMのキャパシタを強誘電体に置き換えた構造で、FRAM(Ferroelectric Random Access Memory)とも呼ばれる。FRAMは低電圧動作であり、かつ、書き換え回数が従来のEEPROM(Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory)、Flash Memoryなどの不揮発性メモリより優れており、次世代の不揮発性メモリとして期待されている。後者のタイプは、電界効果型トランジスタのゲート絶縁膜部分に強誘電体を用いた構造で、そのゲート部分の積層構造から、MF(I)S−FET(金属−強誘電体−(絶縁体−)半導体−電界効果型トランジスタ)またはMFMIS−FET(金属−強誘電体−金属−絶縁体−半導体−電界効果型トランジスタ)とも呼ばれる。このタイプは、前者のFRAMより高速かつ面積縮小化に有利な強誘電体メモリとして提案されている。上記のFRAMやMF(I)S−FET構造やMFMIS−FET構造は、強誘電体薄膜の分極を用いた記憶素子である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、強誘電体として、ABO3型構造を持つ強誘電体(但し、A、Bは金属元素、以下同じ)、A2B2O7型構造を持つ強誘電体、あるいは層状ペロブスカイト構造を持つ強誘電体で、例えば、PbTiO3、またはPbZrTiO3、またはPbLaZrTiO3、またはBi4Ti3O12、またはSr2Nb2O7、またはSr2(TaNb)2O7、あるいはSrBi2Ta2O9などの酸化化合物であり、通常、半導体製造装置でよく使用されるシラン系ガスを用いた成膜プロセスや水素を用いたシンタリング工程での還元雰囲気中の熱処理により、この強誘電体薄膜の酸化物が金属に還元されてしまい、このため強誘電体薄膜が劣化するという問題点がある。本発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、半導体装置製造プロセスの際の還元雰囲気中においても、強誘電体薄膜を劣化させない構造を持った強誘電体記憶素子を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は強誘電体薄膜を有する強誘電体記憶素子において、水素を吸蔵するTi(チタン)と酸化膜の積層で強誘電体薄膜の少なくとも一部を覆う構造を有する強誘電体記憶素子を提供する。
【0005】
さらに、本発明では、強誘電体薄膜を有する強誘電体記憶素子において、水素を吸蔵するTi(チタン)と酸化膜の積層で強誘電体薄膜の少なくとも一部を覆い、これら強誘電体薄膜とTi(チタン)と酸化膜の積層を、水素の拡散係数が小さいBPSG(boron phosphorus silicate glass)の覆層間絶縁膜でさらに覆う構造を有する強誘電体記憶素子を提供する。以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1aから図1hは、本発明の一実施の形態によるMFIS−FETの製造工程を示す図である。図1aにおいて、P型半導体基板1の素子間分離用の酸化領域2が形成された主面上に、CeO2の相互拡散防止絶縁膜3が電子線ビーム蒸着により形成される。その上に、SBT(SrBi2Ta2O9)の強誘電体薄膜4がスピンコート法により形成された。さらに、ゲート電極としてのPt(白金)電極5がPtスパッター装置により積層された。
【0007】
図1bにおいて、ゲート構造部分だけを残すようにマスクして、Pt(白金)電極層5、SBT強誘電体層4、CeO2相互拡散防止絶縁膜3がRIE(リアクティブ・イオン・エッチング)で除去された。図1cにおいて、低濃度ソース領域6および低濃度ドレイン領域7の形成のためのN-イオン・インプランテーションがゲート構造体をマスクとして行なわれた。そして、活性化および回復のアニール処理が700℃の酸素雰囲気中で60分間なされた。
【0008】
図1dにおいて、200Åないし400Å厚の薄い二酸化シリコンの第1の酸化膜8の堆積がゲート構造の上に、TEOS(tetraethylorthosilicate)装置で行なわれる。その上に、スパッター装置で200Åないし400Å厚のTi(チタン)薄膜9が堆積される。さらに、3000Å厚の二酸化シリコンの第2の酸化膜8’の堆積が、TEOS(tetraethylorthosilicate)装置で行なわれる。次に図1eにおいて、上の厚い第2の酸化膜8’およびTi薄膜9および下の薄い第1の酸化膜8がエッチバックされて、ゲート構造体の両側部分のみにサイドスペースとして残された。
【0009】
次に、図1fにおいて、上の第2の酸化膜8’、Ti薄膜9および薄い第1の酸化膜8からなるサイドスペースを有するゲート構造体をマスクとして、高濃度ソース領域10および高濃度ドレイン領域11を形成するために、N+のイオン・インプランテーションが行なわれ、活性化および回復のための900℃のアニール処理が行なわれた。図1gに示すように、TEOS(tetraethylorthosilicate)装置により、BPSG(boron phosphorus silicate glass)の層間絶縁膜12が堆積される。そしてコンタクトホールがRIE(リアクテイブ・イオン・エッチング)装置でBPSG層間絶縁膜12に形成される。そしてコンタクトホールにアルミニウム電極13が形成される。そして、図1hに示されように、最終保護SiN膜14の堆積がプラズマCVDにより行なわれる。そして、界面準位を下げるためのシンターリングか行なわれる。
【0010】
図1aから図1hの工程で製作された強誘電体ゲート構造は、ゲートの強誘電体薄膜4の側部を、水素を吸蔵するTi膜9と酸化膜8および8’で覆って保護し、さらに層間絶縁膜として水素の拡散係数が小さいBPSG膜12を設けていることによって、シラン系ガスを用いた最終保護膜の成膜や水素を用いたシンタリングなどの還元雰囲気での熱処理を施しても、強誘電体薄膜4が還元されず、強誘電体薄膜4の劣化を抑えた強誘電体記憶素子ができる。
【0011】
図2aから図2fは、本発明の第2実施の形態によるFRAM用の強誘電体キャパシタを形成する工程を示す図である。図2aにおいて、BPSG膜12上に、白金のPt下部電極15がスパッターにより付着される。そして、3000Å厚のSBT(SrBi2Ta2O9)強誘電体薄膜4がスピンコート法により付着される。そして、白金のPt上部電極16がスパッターにより付着される。図2bにおいて、上部電極16にマスクが付けられて、RIE装置によりエッチングが行なわれる。次に、強誘電体薄膜4にマスクが付けられて、RIE装置によりエッチングが行なわれる。そして、下部電極15にマスクが付けられて、RIE装置によりエッチングが行なわれる。
【0012】
図2cにおいて、200Åないし400Å厚の薄い二酸化シリコンの第1の酸化膜8の堆積がキャパシタ構造の上にTEOS(tetraethylorthosilicate)装置で行なわれる。その上に、スパッター装置で200Åないし400Å厚のTi(チタン)薄膜9が堆積される。さらに、200Åないし400Å厚の二酸化シリコンの第2の酸化膜8’の堆積がTEOS(tetraethylorthosilicate)装置で行なわれる。次に、図2dにおいて、上の第2の酸化膜8’のエッチングのためのレジストが付着されて、上の第2の酸化膜8’のウエットまたはドライ・エッチングが行なわれる。そして、レジストが剥離除去される。次に、Ti層9のエッチングが、硫酸と過酸化水素水の混合液またはアンモニア溶液と過酸化水素水の混合液を用いて行なわれる。
【0013】
図2eにおいて、TEOS(tetraethylorthosilicate)装置により、BPSG(boron phosphorus silicate glass)の層間絶縁膜12が堆積される。そしてコンタクトホールがRIE(リアクテイブ・イオン・エッチング)装置で、BPSGの層間絶縁膜12に形成される。そしてコンタクトホールにアルミニウム電極13が形成される。そして、図2fに示されように、最終保護SiN膜14の堆積がプラズマCVDにより行なわれる。そして、界面準位を下げるためのシンターリングか行なわれる。
【0014】
図2aから図2fの工程で製作された強誘電体キャパシタ構造は、強誘電体キャパシタの強誘電体薄膜4の少なくとも一部を、水素を吸蔵するTi膜9と酸化膜8および8’で覆って保護し、さらに層間絶縁膜として水素の拡散係数が小さいBPSG膜12を設けることによって、シラン系ガスを用いた成膜や水素を用いたシンタリングなどの還元雰囲気中で熱処理を施しても、強誘電体薄膜が還元されず、強誘電体薄膜の劣化を抑えた強誘電体記憶素子ができる。
【0015】
【発明の効果】
本発明による強誘電体記憶素子およびその製造方法では、強誘電体薄膜の少なくとも一部を、水素を吸蔵するTi膜と酸化膜で覆って保護することにより、シラン系ガスを用いた成膜や水素を用いたシンタリングなどの還元雰囲気中で熱処理を施しても、強誘電体薄膜が還元されず、強誘電体薄膜の劣化を抑えた強誘電体記憶素子ができる。さらに層間絶縁膜として水素の拡散係数が小さいBPSG膜を設ければ、その効果は、一層高まる。
【図面の簡単な説明】
【図1a】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1b】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1c】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1d】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1e】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1f】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1g】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図1h】 本発明の一実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2a】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2b】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2c】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2d】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2e】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【図2f】 本発明の他の実施の形態による強誘電体不揮発性記憶素子の製造工程の一部を示す工程図である。
【符号の説明】
1 シリコン半導体基板
2 素子間分離酸化領域
3 相互拡散防止絶縁膜
4 強誘電体薄膜
5 Pt電極
6 N-ソース領域
7 N-ドレイン領域
8、8’ 酸化膜
9 Ti膜
10 N+ソース領域
11 N+ドレイン領域
12 BPSG膜
13 Al配線
14 最終保護膜
15 Pt下部電極
16 Pt上部電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ferroelectric nonvolatile memory element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a technique for suppressing deterioration of a ferroelectric thin film during a manufacturing process.
[0002]
[Prior art]
Ferroelectric nonvolatile memory elements include a type in which at least one transistor and one ferroelectric capacitor are connected, and a type in which a ferroelectric is used for the gate of a field effect transistor to control a source-drain current. There is. The former type is described, for example, in JP-A-2-113696. The latter type is described, for example, in JP-A-9-64206.
The former type is a structure in which a conventional DRAM capacitor is replaced with a ferroelectric, and is also called FRAM (Ferroelectric Random Access Memory). FRAM operates at a low voltage, and the number of rewrites is superior to conventional nonvolatile memories such as EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) and Flash Memory, and is expected as a next generation nonvolatile memory. The latter type is a structure in which a ferroelectric is used for a gate insulating film portion of a field effect transistor. From the laminated structure of the gate portion, an MF (I) S-FET (metal-ferroelectric material- (insulator- ) Semiconductor-Field Effect Transistor) or MFMIS-FET (Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor-Field Effect Transistor). This type has been proposed as a ferroelectric memory that is faster than the former FRAM and is advantageous for area reduction. The FRAM, MF (I) S-FET structure, and MFMIS-FET structure described above are memory elements using polarization of a ferroelectric thin film.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a ferroelectric, a ferroelectric having an ABO 3 type structure (A and B are metal elements, the same shall apply hereinafter), a ferroelectric having an A 2 B 2 O 7 type structure, or a layered perovskite structure. For example, PbTiO 3 , PbZrTiO 3 , PbLaZrTiO 3 , Bi 4 Ti 3 O 12 , Sr 2 Nb 2 O 7 , or Sr 2 (TaNb) 2 O 7 , or SrBi 2 Ta 2 O 9 is an oxidation compound, such as, usually, by heat treatment in a reducing atmosphere in the sintering process using a deposition process or hydrogen using a silane gas commonly used in semiconductor manufacturing device, the ferroelectric thin film There is a problem that the oxide is reduced to a metal, and thus the ferroelectric thin film deteriorates. The present invention has been made paying attention to the above-mentioned conventional unsolved problems, and has a structure in which a ferroelectric thin film is not deteriorated even in a reducing atmosphere in a semiconductor device manufacturing process. The purpose is to provide.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a ferroelectric memory element having a ferroelectric thin film has a structure in which at least a part of the ferroelectric thin film is covered with a stack of Ti (titanium) that stores hydrogen and an oxide film. A ferroelectric memory element having the same is provided.
[0005]
Furthermore, according to the present invention, in a ferroelectric memory element having a ferroelectric thin film, at least a part of the ferroelectric thin film is covered with a laminate of Ti (titanium) that stores hydrogen and an oxide film, Provided is a ferroelectric memory element having a structure in which a laminate of Ti (titanium) and an oxide film is further covered with an interlayer insulating film of BPSG (boron phosphorus silicate glass) having a small hydrogen diffusion coefficient. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIGS. 1a to 1h are diagrams showing manufacturing steps of an MFIS-FET according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1a, an interdiffusion-preventing
[0007]
In FIG. 1 b, the Pt (platinum)
[0008]
In FIG. 1d, a thin silicon dioxide
[0009]
Next, in FIG. 1f, the high-
[0010]
In the ferroelectric gate structure manufactured in the steps of FIGS. 1a to 1h, the sides of the ferroelectric
[0011]
2a to 2f are views showing a process of forming a ferroelectric capacitor for FRAM according to a second embodiment of the present invention. In FIG. 2a, a platinum Pt
[0012]
In FIG. 2c, a thin silicon dioxide
[0013]
In FIG. 2e, an
[0014]
In the ferroelectric capacitor structure manufactured by the steps of FIGS. 2a to 2f, at least a part of the ferroelectric
[0015]
【The invention's effect】
In the ferroelectric memory element and the method of manufacturing the same according to the present invention, at least a part of the ferroelectric thin film is covered with a Ti film and an oxide film that occludes hydrogen to protect the film. Even if heat treatment is performed in a reducing atmosphere such as sintering using hydrogen, the ferroelectric thin film is not reduced, and a ferroelectric memory element in which deterioration of the ferroelectric thin film is suppressed can be obtained. Further, if a BPSG film having a small hydrogen diffusion coefficient is provided as an interlayer insulating film, the effect is further enhanced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1a is a process diagram showing a part of a manufacturing process of a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 1B is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1c is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1D is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1e is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1f is a process diagram showing a part of a process for manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention;
FIG. 1g is a process diagram showing a part of a manufacturing process of a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 1h is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2a is a process diagram showing a part of a manufacturing process of a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2B is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2C is a process diagram showing a part of a process for manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2D is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2E is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
FIG. 2f is a process diagram showing a part of a process of manufacturing a ferroelectric nonvolatile memory element according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記強誘電体薄膜上に上部電極となる導電体層を形成する工程と、
前記強誘電体薄膜及び前記導電体層を所定の電極パターンにパターニングする工程と、
前記電極パターンを直接覆う第1の酸化膜、Ti膜および第2の酸化膜をこの順序で積層形成する工程と、
前記第1および第2の酸化膜及びTi膜の形成の後、シラン系ガスを用いた成膜を行う行程、または水素を用いたシンタリングの還元雰囲気を用いた熱処理を行う工程と
を備えることを特徴とする強誘電体記憶素子の製造方法。Forming a ferroelectric thin film on a semiconductor substrate;
Forming a conductor layer to be an upper electrode on the ferroelectric thin film;
Patterning the ferroelectric thin film and the conductor layer into a predetermined electrode pattern;
Laminating a first oxide film, a Ti film and a second oxide film directly covering the electrode pattern in this order;
After the first and second oxide films and the Ti film are formed, a step of forming a film using a silane-based gas or a step of performing a heat treatment using a reducing atmosphere of sintering using hydrogen is provided. A method for manufacturing a ferroelectric memory element.
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