JP4659436B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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第1の実験では、Si基板を熱酸化することにより、その表面に厚さが100nmのSiO2膜を形成した。次に、Al2O3ターゲットを用いたスパッタ法にて、SiO2膜上に厚さが20nmのAl2O3膜を形成した。このときの条件は、パワー:2kW、Ar流速:20sccm、温度:室温、成膜時間:34秒間とした。次いで、Ptターゲットを用いたスパッタ法にて、Al2O3膜上に厚さが155nmのPt膜を形成した。このときの条件は、パワー:1kW、Ar流速:116sccm、温度:350℃、成膜時間:93秒間とした。このPt膜を下部電極膜とした。
第2の実験では、図4Aに示す方法に従いつつ、第1のPZT膜の厚さ及び第2のPZT膜の厚さを変化させて種々の強誘電体キャパシタを作製した。このとき、第1及び第2のPZT膜の厚さは、成膜時間を変化させることにより調節し、総膜厚は120nmに固定した。そして、第1の実験と同様に、分極反転量及びリーク電流を測定した。この結果を図5A及び図5Bに示す。
第3の実験では、図4Aに示す方法に従い、強誘電体キャパシタを作製した。ステップS5では、上部電極膜として面内の平均抵抗率が337μΩcmのIrO2膜を形成した。また、ステップS6では、725℃で20秒間の熱処理を行った。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、分極反転量の面内分布の測定を行った。この結果を図6に示す。なお、図6では、下側にオリフラがある。これは、以下の面内分布を示す図でも同様である。
第4の実験でも、図4Aに示す方法に従い、強誘電体キャパシタを作製した。ステップS5では、DCスパッタ装置を用いて、出力:2kW、Arガス流量:100sccm、O2ガス流量:60sccm、成膜温度:20℃、成膜時間:9秒間の条件下で、上部電極膜として面内の平均抵抗率が409μΩcmのIrO2膜をスパッタ法で形成した。また、ステップS6では、725℃で20秒間の熱処理を行った。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、分極反転量の面内分布の測定を行った。この結果を図7に示す。
第5の実験でも、図4Aに示す方法に従いつつ、ステップS6の熱処理の条件を変更しながら2種類の強誘電体キャパシタを作製した。一方では、熱処理の条件を、温度:725℃、時間:120秒間とし、他方では、熱処理の条件を、温度:750℃、時間:20秒間とした。また、ステップS5では、上部電極膜として面内の平均抵抗率が337μΩcmのIrO2膜を形成した。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、分極反転量の面内分布の測定を行った。これらの結果を、夫々図8及び図9に順に示す。
第6の実験では、図4Aに示す方法に従いつつ、ステップS6の熱処理の条件を変更しながら6種類の強誘電体キャパシタを作製した。即ち、熱処理の温度を725℃又は750℃とし、熱処理の時間を20秒間、60秒間又は120秒間とした。また、ステップS5では、上部電極膜として面内の平均抵抗率が337μΩcmのIrO2膜を形成した。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、分極反転量の面内分布3σを求めた。この結果を図10に示す。
第7の実験では、第6の実験で得られた温度及び時間の範囲をより一般化するための実験及び検討を行った。
第8の実験でも、図4Aに示す方法に従い、強誘電体キャパシタを作製した。ステップS5では、第4の実験と同様にして、上部電極膜として面内の平均抵抗率が409μΩcmのIrO2膜を形成した。また、ステップS6では、第5の実験と同様にして、725℃で120秒間の熱処理を行った。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、分極反転量の面内分布の測定を行った。この結果を図13に示す。
第9の実験でも、図4Aに示す方法に従いつつ、上部電極膜(IrO2膜)の面内の平均抵抗率を変化させながら強誘電体キャパシタを作製した。ステップS6では、第5の実験と同様にして、725℃で120秒間の熱処理を行った。強誘電体キャパシタの平面形状は、1.15μm×1.8μmの長方形とした。そして、上部電極膜の面内の平均抵抗率と分極反転量の面内分布3σとの関係を求めた。この結果を図14に示す。
下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に非晶質の第1の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜を結晶化させる工程と、
前記第1の強誘電体膜上に非晶質の第2の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の強誘電体膜上に、Ptを含有しない上部電極膜を形成する工程と、
前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記第1の強誘電体膜と前記第2の強誘電体膜とを、互いに同じ材料を用いて形成することを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
前記第1及び第2の強誘電体膜として、Pb(Zrx,Ti1-x)O3(0≦x≦1)膜、又はこれにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素をドーピングした膜を形成することを特徴とする付記1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の強誘電体膜の厚さを前記第1の強誘電体膜の厚さの50%以下とすることを特徴とする付記1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第1及び第2の強誘電体膜を、スパッタ法により形成することを特徴とする付記1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部電極膜として、酸化イリジウム膜を形成することを特徴とする付記1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第1及び第2の強誘電体膜として、結晶化後の構造がペロブスカイト型構造となる膜を形成することを特徴とする付記1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部電極膜として、平均抵抗率が350μΩcm乃至410μΩcmの膜を形成することを特徴とする付記1乃至7のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記上部電極膜として、各点の抵抗率が331μΩcm乃至431μΩcmの膜を形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程は、前記第2の強誘電体膜に対して、725℃で120秒間以上の熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程は、前記第2の強誘電体膜に対して、750℃で20秒間以上の熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程は、
導電型がN型であり、表面の面方位が(100)であり、抵抗率が4±1ΩcmであるSiウェハに、加速電圧を50keVとし、ドーズ量を1×1014atoms/cm2として、ツイスト角度が0°、チルト角度が7°の方向からB+をイオン注入した後に、当該Siウェハの裏面に厚さが20nmのTi膜及び厚さが180nmのPt膜を順次形成することにより作製された基準ウェハに対して、Ar雰囲気中でその表面を下向きにして急速加熱処理を行った後の、当該基準ウェハの表面のシート抵抗が1218Ω/□以下となる熱量が得られる条件下で、
前記第2の強誘電体膜に対して、熱処理を行う工程を有することを特徴とする付記1乃至9のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
下部電極と、
前記下部電極上に形成された第1の強誘電体膜と、
前記第1の強誘電体膜上に、前記第1の強誘電体膜の表面に存在する空隙を埋め込むようにして形成された第2の強誘電体膜と、
前記第2の強誘電体膜上に形成された上部電極と、
を有し、
前記第2の強誘電体膜の表面には、前記第1の強誘電体膜の表面に存在するような空隙が実質的に存在しないことを特徴とする半導体装置。
前記第1及び第2の強誘電体膜は、Pb(Zrx,Ti1-x)O3(0≦x≦1)膜、又はこれにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素がドーピングされた膜であることを特徴とする付記13に記載の半導体装置。
前記第2の強誘電体膜の厚さは、前記第1の強誘電体膜の厚さの50%以下であることを特徴とする付記13又は14に記載の半導体装置。
前記上部電極は、Ptを含有しないことを特徴とする付記13乃至15のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記上部電極は、酸化イリジウムを含有することを特徴とする付記13乃至16のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記上部電極の平均抵抗率は、350μΩcm乃至410μΩcmであることを特徴とする付記13乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記上部電極の各点の抵抗率は、331μΩcm乃至431μΩcmであることを特徴とする付記13乃至17のいずれか1項に記載の半導体装置。
前記第1及び第2の強誘電体膜の結晶化後の構造は、ペロブスカイト型構造であることを特徴とする付記13乃至19のいずれか1項に記載の半導体装置。
2:MOSトランジスタ
3:ビット線
4:ワード線
5:プレート線
25:下部電極膜
26a、26b:PZT膜
27:上部電極膜
51、52:結晶粒界
Claims (8)
- 下部電極膜を形成する工程と、
前記下部電極膜上に非晶質の第1の強誘電体膜を形成する工程と、
次に、前記第1の強誘電体膜の全体を非晶質の状態から結晶化した状態に変化させる工程と、
次に、前記第1の強誘電体膜上に非晶質の第2の強誘電体膜を形成する工程と、
次に、前記第2の強誘電体膜上に、Ptを含有しない上部電極膜を形成する工程と、
次に、前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の強誘電体膜と前記第2の強誘電体膜とを、互いに同じ材料を用いて形成す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。
- 前記第1及び第2の強誘電体膜として、Pb(Zrx,Ti1-x)O3(0≦x≦1)膜、又はこれにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir及びWからなる群から選択された少なくとも1種の元素をドーピングした膜を形成することを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の強誘電体膜の厚さを前記第1の強誘電体膜の厚さの50%以下とすることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記上部電極膜として、酸化イリジウム膜を形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記上部電極膜として、平均抵抗率が350μΩcm乃至410μΩcmの膜を形成することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程は、前記第2の強誘電体膜に対して、725℃で120秒間以上の熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記第2の強誘電体膜を結晶化させる工程は、前記第2の強誘電体膜に対して、750℃で20秒間以上の熱処理を行う工程を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
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