JP4671194B2 - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体メモリに好適な半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device suitable for a ferroelectric memory.
不揮発性ランダムアクセスメモリ(RAM)には、例えば、電源を切っても直前の記憶を保持することができるという特徴や、ランダムアクセスが可能であるという特徴等がある。このため、ユビキタス社会の基盤を形成するデバイスとして有望である。 The nonvolatile random access memory (RAM) has, for example, a feature that it can hold the immediately preceding memory even when the power is turned off, a feature that random access is possible, and the like. Therefore, it is promising as a device that forms the foundation of a ubiquitous society.
不揮発性RAMの一つとして、強誘電体メモリが挙げられる。強誘電体メモリは、自発分極を有する強誘電体膜を容量絶縁膜とした強誘電体キャパシタを備えている。強誘電体メモリは、消費電力が小さいことからモバイル分野の次世代メモリとして期待されている。 One of nonvolatile RAMs is a ferroelectric memory. A ferroelectric memory includes a ferroelectric capacitor using a ferroelectric film having spontaneous polarization as a capacitive insulating film. Ferroelectric memories are expected as next-generation memories in the mobile field because of their low power consumption.
現在実用化されている強誘電体メモリでは、1つのメモリセルに1個のトランジスタ及び1個の強誘電体キャパシタが設けられており、このような構造は1T1C型とよばれる。このような構造では、強誘電体キャパシタがメモリセルにおいてある程度の大きさを占めることは避けられない。その一方で、強誘電体キャパシタに蓄積される電荷の量は、その面積に比例する。従って、微細化に伴って蓄積可能な電荷量が少なくなり、記憶保持に必要な電荷を蓄積することができなくなってしまう。即ち、容量の増加には限界がある。 In a ferroelectric memory that is currently in practical use, one memory cell is provided with one transistor and one ferroelectric capacitor, and such a structure is called 1T1C type. In such a structure, it is inevitable that the ferroelectric capacitor occupies a certain size in the memory cell. On the other hand, the amount of charge stored in the ferroelectric capacitor is proportional to the area. Accordingly, the amount of charge that can be accumulated with the miniaturization decreases, and the charge necessary for storing and holding cannot be accumulated. That is, there is a limit to the increase in capacity.
例えば、150nmルールのプロセスで強誘電体メモリを作製する場合、メモリセルの面積を0.27μm2としたときに、強誘電体キャパシタの面積が0.11μm2となることが非特許文献1に記載されている。
For example, the case of manufacturing the ferroelectric memory in the process of 150nm rule, the area of the memory cell when a 0.27 [mu] m 2, the area of the ferroelectric capacitor in a
また、現在のCMOSプロセスで作製されるセンスアンプの読み取り能力を考慮すると、強誘電体キャパシタの面積が0.11μm2程度の場合、記憶保持動作に必要な最小限の残留分極量QSWは30.1μC/cm2と見積もられる。 Considering the reading ability of a sense amplifier manufactured by the current CMOS process, when the area of the ferroelectric capacitor is about 0.11 μm 2 , the minimum residual polarization quantity Q SW necessary for the memory holding operation is 30. Estimated to be 1 μC / cm 2 .
一方、現在実用化されている強誘電体材料は、主に、PbZr1-XTiXO3及びSrBi2Ta2O9である。PbZr1-XTiXO3の残留分極量QSWは、強誘電体キャパシタに使用される程度の厚さにおいて最大で30μC/cm2程度であり、SrBi2Ta2O9の残留分極量QSWは、強誘電体キャパシタに使用される程度の厚さにおいて最大で10μC/cm2程度である。従って、強誘電体材料としてPbZr1-XTiXO3を用いれば、記憶保持動作に必要な最小限の残留分極量QSWを確保できる。 On the other hand, the ferroelectric materials currently in practical use are mainly PbZr 1-X Ti X O 3 and SrBi 2 Ta 2 O 9 . The residual polarization quantity Q SW of PbZr 1-X Ti X O 3 is about 30 μC / cm 2 at the maximum at the thickness used for the ferroelectric capacitor, and the residual polarization quantity Q of SrBi 2 Ta 2 O 9. SW is about 10 μC / cm 2 at the maximum at a thickness used for a ferroelectric capacitor. Therefore, if PbZr 1-X Ti X O 3 is used as the ferroelectric material, the minimum residual polarization quantity Q SW necessary for the memory holding operation can be secured.
しかしながら、チップ面積から商業性を判断すると、この世代(150nmルール)の1チップ当たりの最大メモリ容量は64Mbitと考えられる。このため、従来の技術では、より一層の微細化及び大容量化が困難である。 However, judging the commerciality from the chip area, the maximum memory capacity per chip of this generation (150 nm rule) is considered to be 64 Mbit. For this reason, it is difficult to further miniaturize and increase the capacity with the conventional technology.
特許文献1には、BiFeO3からなる強誘電体層を形成する技術が記載されている。例えば、正方晶系で(001)配向の強誘電体(BiFeO3)層を形成するための、その下地(電極)の構造や形成方法が記載されている。また、強誘電体層自体の形成方法も記載されている。しかしながら、これらの技術をもってしても、150nmルール以降の世代において十分な容量を確保することはできない。例えば、残留分極量が十分ではなく、また、リーク電流を十分に抑えることができない。具体的には、BiFeO3の常温におけるリーク電流は10-2A/cm2以上であり、このままでは強誘電体メモリに使用することはできない。
特許文献2には、強誘電体層(ペロブスカイト型酸化物薄膜)に対して窒素雰囲気中での熱処理を実行すると、強誘電体層のリーク電流が低減されることが記載されている。しかしながら、特許文献2には、ペロブスカイト型酸化物薄膜の具体的な材料についての記載がない。また、熱処理の具体的な方法及び効果に関する詳細な説明がない。 Patent Document 2 describes that when a ferroelectric layer (perovskite oxide thin film) is subjected to heat treatment in a nitrogen atmosphere, the leakage current of the ferroelectric layer is reduced. However, Patent Document 2 does not describe a specific material for the perovskite oxide thin film. Moreover, there is no detailed description regarding the specific method and effect of heat processing.
特許文献3には、ゾル・ゲル法により種々の金属酸化物薄膜を形成する技術が記載されている。しかしながら、特許文献3には、金属酸化物薄膜の電気的特性を良好とするための具体的な方法が開示されていない。 Patent Document 3 describes a technique for forming various metal oxide thin films by a sol-gel method. However, Patent Document 3 does not disclose a specific method for improving the electrical characteristics of the metal oxide thin film.
このように、従来、強誘電体キャパシタの容量をより増大させるための有効な技術が要請されているものの、十分なものは存在しない。 Thus, although an effective technique for increasing the capacitance of the ferroelectric capacitor has been conventionally demanded, there is no sufficient one.
本発明は、良好な電気的特性を得ながら、高い残留分極量を得ることができる半導体装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device that can obtain a high remanent polarization amount while obtaining good electrical characteristics, and a manufacturing method thereof.
本願発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present application have come up with various aspects of the invention shown below.
本発明に係る半導体装置には、第1の電極と、前記第1の電極上に形成された容量絶縁膜と、前記容量絶縁膜上に形成された第2の電極と、が設けられている。そして、前記容量絶縁膜として、BiFe1-XCrXO3(0.03≦X≦0.08)で表される強誘電体膜が形成されている。 The semiconductor device according to the present invention includes a first electrode, a capacitor insulating film formed on the first electrode, and a second electrode formed on the capacitor insulating film. . A ferroelectric film represented by BiFe 1-X Cr X O 3 ( 0.03 ≦ X ≦ 0.08) is formed as the capacitive insulating film.
本発明に係る半導体装置の製造方法では、基板の上方に第1の導電膜を形成し、その後、前記第1の導電膜上に強誘電体膜を形成する。次に、前記強誘電体膜上に第2の導電膜を形成する。なお、前記強誘電体膜として、BiFe1-XCrXO3(0.03≦X≦0.08)で表される膜を形成する。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a first conductive film is formed above a substrate, and then a ferroelectric film is formed on the first conductive film. Next, a second conductive film is formed on the ferroelectric film. As the ferroelectric film, a film represented by BiFe 1-X Cr X O 3 ( 0.03 ≦ X ≦ 0.08) is formed.
本発明によれば、BiFe1-XCrXO3(0.03≦X≦0.08)で表される膜を強誘電体膜として用いているので、後述のように、リーク電流の低減等を達成しながら、高い残留分極量を得ることができる。 According to the present invention, since the film represented by BiFe 1-X Cr X O 3 ( 0.03 ≦ X ≦ 0.08) is used as the ferroelectric film, the leakage current is reduced as described later. A high remanent polarization amount can be obtained while achieving the above.
以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施形態)
先ず、本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体キャパシタを示す断面図である。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention.
シリコン基板等の上又は上方に形成された絶縁膜1上に、強誘電体キャパシタ5が形成されている。強誘電体キャパシタ5には、絶縁膜1上に形成された下部電極2、その上に形成された容量絶縁膜3、及びその上に形成された上部電極4が設けられている。
A ferroelectric capacitor 5 is formed on an
上部電極4及び下部電極2としては、例えば、Pt膜、Ir膜若しくはRu膜等の貴金属膜、又はIrO2膜、SrRuO3膜、YBCO膜又はLSCO膜等の導電性酸化物膜が形成されている。 As the upper electrode 4 and the lower electrode 2, for example, a noble metal film such as a Pt film, an Ir film, or a Ru film, or a conductive oxide film such as an IrO 2 film, a SrRuO 3 film, a YBCO film, or an LSCO film is formed. Yes.
また、容量絶縁膜3としては、BiFe1-XCrXO3膜が形成されている。このBiFe1-XCrXO3膜は、BiFeO3を主成分とした膜であり、Crの含有量が0mol%より多く8mol%以下、好ましくは3mol%〜8mol%となっている。つまり、1molのBiFe1-XCrXO3に0molより多く0.08mol以下、好ましくは0.03mol〜0.08molのCrが含まれている。 Further, as the capacitive insulating film 3, a BiFe 1-x Cr x O 3 film is formed. This BiFe 1-X Cr X O 3 film is a film containing BiFeO 3 as a main component, and the Cr content is more than 0 mol% and not more than 8 mol%, preferably 3 mol% to 8 mol%. That is, 1 mol of BiFe 1-X Cr X O 3 contains more than 0 mol and 0.08 mol or less, preferably 0.03 mol to 0.08 mol of Cr.
このような構造の強誘電体キャパシタでは、残留分極量QSWは70μC/cm2以上となり、抗電界ECは0.3MV/cm以下となる。また、印加される電界が抗電界の3倍以内の範囲内でのリーク電流Ileakは1×10-3A/cm2以下となる。つまり、高い残留分極量QSWを得ながら、リーク電流Ileakを低く抑えることができる。 In the ferroelectric capacitor having such a structure, the residual polarization quantity Q SW is 70 μC / cm 2 or more, and the coercive electric field E C is 0.3 MV / cm or less. In addition, the leak current I leak is 1 × 10 −3 A / cm 2 or less when the applied electric field is within a range of 3 times the coercive electric field. That is, the leakage current I leak can be kept low while obtaining a high residual polarization quantity Q SW .
また、印加する電界の周波数が1×103Hz〜1×106Hzの範囲では、比誘電率εrが70〜140程度となる。 Further, when the frequency of the applied electric field is in the range of 1 × 10 3 Hz to 1 × 10 6 Hz, the relative dielectric constant ε r is about 70 to 140.
本実施形態に係る強誘電体キャパシタの電気的特性が良好である理由は、以下のようなものであると考えられる。 The reason why the electric characteristics of the ferroelectric capacitor according to the present embodiment are good is considered as follows.
例えば、Crを添加しないBiFeO3から構成された容量絶縁膜では、それにかかる電界強度を大きくしていくと、所定の電界強度を超えた場合に著しくリーク電流が増大することが本願発明者等により見出された。この現象は、強誘電体にかかる電界強度が大きくなった場合、Feイオンの電荷を2価(Fe2+)と3価(Fe3+)との間で変化させながら、電子がホッピング伝導する機構によるものである可能性がある。 For example, in the case of a capacitive insulating film made of BiFeO 3 not added with Cr, when the electric field strength applied thereto is increased, the leak current increases remarkably when a predetermined electric field strength is exceeded. It was found. In this phenomenon, when the electric field strength applied to the ferroelectric increases, the hopping conduction of electrons occurs while changing the charge of Fe ions between divalent (Fe 2+ ) and trivalent (Fe 3+ ). It may be due to the mechanism.
ここで、BiFeO3にCrを適量(8mol%以下、好ましくは3mol%〜8mol%)添加することで、上記のホッピング伝導が抑制されているのだと考えられる。例えば、Crは、2価のイオン、3価のイオン、又は4価のイオンになる可能性がある。このため、Feイオンから離れた(ホッピングした)電子が、Cr(イオン)によって固定され、一方でCrの側ではチャージが変わるというモデルが考えられる。 Here, it is considered that the above-mentioned hopping conduction is suppressed by adding an appropriate amount (8 mol% or less, preferably 3 mol% to 8 mol%) of Cr to BiFeO 3 . For example, Cr can be a divalent ion, a trivalent ion, or a tetravalent ion. For this reason, a model is considered in which electrons that are separated (hopped) from Fe ions are fixed by Cr (ions), while the charge changes on the Cr side.
また、Crの添加によって、Feの3価のイオンと2価のイオンとの存在比率が変わることでリーク電流が抑制される可能性もあると考えられる。 Further, it is considered that the leakage current may be suppressed by changing the abundance ratio of trivalent ions and divalent ions of Fe by addition of Cr.
次に、強誘電体キャパシタ5を製造する方法について説明する。図2は、強誘電体キャパシタ5を製造する方法を示すフローチャートであり、図3は、図2中のステップS2の詳細を示すフローチャートである。 Next, a method for manufacturing the ferroelectric capacitor 5 will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a method of manufacturing the ferroelectric capacitor 5, and FIG. 3 is a flowchart showing details of step S2 in FIG.
先ず、ステップS1において、シリコン基板等の上又は上方に形成された絶縁膜1上に、下部電極2の元となる膜である下部電極膜を形成する。下部電極膜としては、例えば、Pt膜等の貴金属膜、又はIrO2膜等の導電性酸化物膜を、例えば、スパッタリング法、CVD法、又はエピタキシャル成長法等により形成する。
First, in step S1, a lower electrode film, which is a film serving as a base of the lower electrode 2, is formed on an insulating
次に、ステップS2において、下部電極膜上に、容量絶縁膜3の元となる強誘電体膜を形成する。ここでは、強誘電体膜として、Crを8mol%以下、好ましくは3mol%〜8mol%含有するBiFe1-XCrXO3膜をゾル・ゲル法により形成する。 Next, in step S <b> 2, a ferroelectric film serving as the source of the capacitive insulating film 3 is formed on the lower electrode film. Here, as the ferroelectric film, a BiFe 1-X Cr X O 3 film containing 8 mol% or less, preferably 3 mol% to 8 mol% of Cr is formed by a sol-gel method.
また、BiFe1-XCrXO3膜の形成に当たっては、図3に示すように、先ず、ステップS21において、ゾル・ゲル液を、例えばスピンコート法により、下部電極膜上に塗布することにより、適当な厚さの塗布膜を形成する。ここでは、例えば、スピナーの回転速度を2000rpm〜3500rpmとし、塗布時間を10秒間〜60秒間とする。また、塗布膜の厚さは、30nm以下とすることが好ましく、例えば20nm〜25nm程度とする。なお、従来の方法では、スピンコート法により強誘電体膜を形成する場合、塗布膜の厚さは40nm〜50nm程度としている。 In forming the BiFe 1-X Cr X O 3 film, as shown in FIG. 3, first, in step S21, a sol-gel solution is applied onto the lower electrode film by, eg, spin coating. Then, a coating film having an appropriate thickness is formed. Here, for example, the rotation speed of the spinner is 2000 rpm to 3500 rpm, and the coating time is 10 seconds to 60 seconds. The thickness of the coating film is preferably 30 nm or less, for example, about 20 nm to 25 nm. In the conventional method, when the ferroelectric film is formed by spin coating, the thickness of the coating film is about 40 nm to 50 nm.
次に、ステップS22において、塗布膜を仮焼成することにより、その上に他の膜を積層できる状態とする。この仮焼成では、先ず、150℃〜250℃で1分間〜10分間の加熱を行うことにより乾燥させ、続いて、300℃〜400℃で5分間〜20分間の加熱を行う。なお、これらの一連の仮焼成は、例えば大気中で行う。 Next, in step S22, the coating film is temporarily baked so that another film can be laminated thereon. In this temporary baking, first, drying is performed by heating at 150 ° C. to 250 ° C. for 1 minute to 10 minutes, and then heating is performed at 300 ° C. to 400 ° C. for 5 minutes to 20 minutes. In addition, these series of temporary baking are performed in air | atmosphere, for example.
そして、仮焼成後の強誘電体膜の厚さが所望の厚さに達していなければ、ステップS21に戻り、仮焼成後の強誘電体膜上に、再度塗布膜を形成し、ステップS22の仮焼成を行う。このような処理を、所望の厚さ(例えば200nm〜300nm)の強誘電体膜が得られるまで繰り返す。繰り返し回数の目安は、2回〜30回程度である。 If the thickness of the ferroelectric film after the pre-baking does not reach the desired thickness, the process returns to step S21, and a coating film is formed again on the ferroelectric film after the pre-baking. Pre-baking is performed. Such a process is repeated until a ferroelectric film having a desired thickness (for example, 200 nm to 300 nm) is obtained. The standard of the number of repetitions is about 2 to 30 times.
所望の厚さの強誘電体膜が得られた後には、ステップS3において、強誘電体膜に対し、不活性ガス中で450℃〜600℃の本焼成を行う。本焼成の時間は、例えば5分間〜30分間とする。 After the ferroelectric film having a desired thickness is obtained, in step S3, the ferroelectric film is subjected to main baking at 450 ° C. to 600 ° C. in an inert gas. The firing time is, for example, 5 minutes to 30 minutes.
次いで、ステップS4において、強誘電体膜上に、上部電極4の元となる膜である上部電極膜を形成する。上部電極膜としては、例えば、Pt膜等の貴金属膜、又はIrO2膜等の導電性酸化物膜を、例えば、スパッタリング法、CVD法、又はエピタキシャル成長法等により形成する。 Next, in step S4, an upper electrode film, which is a film serving as the base of the upper electrode 4, is formed on the ferroelectric film. As the upper electrode film, for example, a noble metal film such as a Pt film or a conductive oxide film such as an IrO 2 film is formed by, for example, a sputtering method, a CVD method, an epitaxial growth method, or the like.
続いて、ステップS5において、上部電極膜、強誘電体膜及び下部電極膜をパターニングする。この結果、上部電極4、容量絶縁膜3及び下部電極2が形成され、これに伴って、強誘電体キャパシタ5が完成する。なお、これらの膜は、一括してパターニングしてもよく、また、個々にパターニングしてもよい。 Subsequently, in step S5, the upper electrode film, the ferroelectric film, and the lower electrode film are patterned. As a result, the upper electrode 4, the capacitor insulating film 3 and the lower electrode 2 are formed, and accordingly, the ferroelectric capacitor 5 is completed. These films may be patterned in a lump or may be individually patterned.
なお、ステップS3の焼成を不活性ガス雰囲気中で行っているのは、上記のリーク電流を低減させるモデルを実現させるためである。例えば、大気中で焼成を行うと、大気中に存在している酸素の影響で、ホッピングした電子をCrによって固定するという機能が十分に働かず、焼成された強誘電体膜のリーク電流を低減することが困難となってしまう。このため、ステップS3の焼成は、不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。なお、強誘電体膜と反応しないガス(例えば希ガス、窒素ガス)を用いてもよい。 The reason why the firing in step S3 is performed in an inert gas atmosphere is to realize a model for reducing the leakage current. For example, when firing in the atmosphere, the function of fixing hopped electrons by Cr does not work sufficiently due to the influence of oxygen present in the atmosphere, reducing the leakage current of the fired ferroelectric film It becomes difficult to do. For this reason, it is preferable to perform baking of step S3 in inert gas atmosphere. A gas that does not react with the ferroelectric film (for example, a rare gas or a nitrogen gas) may be used.
また、ステップS3の焼成を600℃以下で行っているのは、強誘電体キャパシタに接続されるセル選択用トランジスタ及びロジック回路に使われるトランジスタのゲートコンタクトを構成するシリサイドの劣化を防止するためである。即ち、シリサイドとして、Wシリサイド、Tiシリサイド、Coシリサイド又はNiシリサイド等が用いられ、これらの耐熱温度(600℃程度)以下で処理するためである。また、トランジスタのゲートが多結晶シリコン以外の材料からなる場合、例えばメタルゲートの場合に、その耐熱温度以下で処理する必要があるためでもある。 The reason why the firing in step S3 is performed at 600 ° C. or less is to prevent the deterioration of the silicide that constitutes the gate contact of the cell selection transistor connected to the ferroelectric capacitor and the transistor used in the logic circuit. is there. That is, W silicide, Ti silicide, Co silicide, Ni silicide, or the like is used as the silicide, and the treatment is performed at a temperature lower than these heat resistant temperatures (about 600 ° C.). In addition, when the gate of the transistor is made of a material other than polycrystalline silicon, for example, in the case of a metal gate, it is necessary to perform the treatment at or below the heat resistant temperature.
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態に係るスタック型の強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法について説明する。図4A乃至図4Gは、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリの製造方法を工程順に示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a manufacturing method of the stack type ferroelectric memory (semiconductor device) according to the second embodiment of the present invention will be described. 4A to 4G are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory according to the second embodiment of the present invention in the order of steps.
先ず、図4Aに示すように、シリコン基板等の半導体基板11の表面に、例えばSTI(shallow trench isolation)により素子分離領域12を形成する。次いで、素子分離領域12により区画された素子活性領域において、半導体基板11の表面にウェル13を形成する。続いて、ゲート絶縁膜17、ゲート電極18、低濃度不純物拡散層16、サイドウォール20、高濃度不純物拡散層15及びシリサイド層19をウェル13の表面に形成することにより、MOSトランジスタ14を形成する。1組の低濃度不純物拡散層16及び高濃度不純物拡散層15から1個のソース・ドレイン領域が構成される。なお、各MOSトランジスタ14には、2個のソース・ドレイン領域を形成するが、その一方は、2個のMOSトランジスタ14間で共有させる。
First, as shown in FIG. 4A, an
次に、全面にシリコン酸窒化膜21を、MOSトランジスタ14を覆うようにして形成し、更に全面にシリコン酸化膜22を、例えば有機CVD法により形成する。シリコン酸窒化膜21は、シリコン酸化膜22を形成する際のゲート絶縁膜17等の水素劣化を防止するために形成されている。
Next, a
その後、図4Bに示すように、各ソース・ドレイン領域まで到達するコンタクトホールをシリコン酸化膜22及びシリコン酸窒化膜21に形成することにより、プラグコンタクト部を開口する。そして、コンタクトホール内に、グルー膜23として、50nmのTiN膜及び30nmのTi膜からなる積層膜を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMP(化学機械的研磨)を行って平坦化することにより、Wプラグ24を形成する。平坦化終了後、NH3ガスを用いたプラズマにて、シリコン酸化膜22(層間絶縁膜)の表面を若干窒化する。
Thereafter, as shown in FIG. 4B, contact holes reaching the source / drain regions are formed in the
次いで、図4Cに示すように、全面に下部電極膜25、強誘電体膜26及び上部電極膜27を順次形成する(ステップS1〜S4)。強誘電体膜26としては、第1の実施形態と同様に、BiFe1-XCrXO3膜を形成する。
Next, as shown in FIG. 4C, a
続いて、パターニング及びエッチング技術を用いて、上部電極膜27、強誘電体膜26及び下部電極膜25を加工することにより、上部電極膜27を上部電極とし、下部電極膜25を下部電極とし、強誘電体膜26を容量絶縁膜とするスタック型の強誘電体キャパシタを形成する(ステップS5)。なお、この加工では、例えばプラズマTEOS(tetraethyl orthosilicate)膜及びTiN膜の積層膜(図示せず)をハードマスクとして使用し、上部電極膜27、強誘電体膜26及び下部電極膜25を一括してエッチングする。
Subsequently, the
次に、強誘電体キャパシタを覆うアルミナ保護膜28を全面に形成する。アルミナ保護膜28は、例えばCVD法により形成し、その厚さは、例えば5乃至20nm、本実施形態では10nmとする。アルミナ保護膜28のステップカバレッジは良好である。続いて、550℃でO2雰囲気の炉内アニールを60分間行うことにより、強誘電体膜26に生じたエッチングダメージを回復させる。
Next, an alumina
次いで、図4Dに示すように、全面に層間絶縁膜29を成膜した後、これをCMPにより平坦化する。層間絶縁膜29としては、例えばシリコン酸化膜を成膜する。CMP後の残し膜厚は、例えば上部電極27上で400nmとする。
Next, as shown in FIG. 4D, after an
続いて、図4Eに示すように、パターニング及びエッチング技術を用いて、層間絶縁膜29及びアルミナ保護膜28に、2個のMOSトランジスタ14により共有されたソース・ドレイン領域に接続されたWプラグ24まで到達するコンタクトホールを形成する。次に、このコンタクトホール内にグルー膜30として、例えば50nmのTiN膜を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ31を形成する。その後、例えば350℃でN2プラズマに層間絶縁膜29及びWプラグ31の表面を晒す。このプラズマ処理の時間は、例えば120秒間である。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, the W plug 24 connected to the source / drain region shared by the two
次いで、全面にW酸化防止膜(図示せず)を形成する。W酸化防止膜としては、例えばSiON膜を使用することができ、その厚さは例えば100nm程度とする。そして、パターニング及びエッチング技術を用いて、図4Fに示すように、W酸化防止膜及び層間絶縁膜29に、上部電極膜27まで到達するコンタクトホールと、下部電極膜25まで到達するコンタクトホール(図示せず)とを形成する。続いて、層間絶縁膜29の堆積時の水素による損傷及びエッチングによる損傷を回復させるためのアニールを施す。このアニールは、例えば550℃でO2雰囲気の炉内アニールとしてもよく、その時間は例えば60分間である。このアニールの後、W酸化防止膜をエッチバックにより除去する。
Next, a W antioxidant film (not shown) is formed on the entire surface. As the W antioxidant film, for example, a SiON film can be used, and its thickness is, for example, about 100 nm. Then, using patterning and etching techniques, as shown in FIG. 4F, contact holes reaching the
次に、グルー膜、配線材料膜及びグルー膜を順次堆積する。下層のグルー膜としては、例えば厚さが70nmのTiN膜と5nmのTi膜との積層膜を形成し、配線材料膜としては、例えば厚さが400nmのAl−Cu合金膜を形成し、上層のグルー膜としては、例えば厚さが30nmのTiN膜と60nmのTi膜との積層膜を形成する。 Next, a glue film, a wiring material film, and a glue film are sequentially deposited. As the lower glue film, for example, a laminated film of a TiN film having a thickness of 70 nm and a Ti film having a thickness of 5 nm is formed, and as the wiring material film, for example, an Al—Cu alloy film having a thickness of 400 nm is formed. As the glue film, for example, a laminated film of a 30 nm thick TiN film and a 60 nm Ti film is formed.
次いで、上層のグルー膜上に反射防止膜(図示せず)を塗布により形成し、更にレジストを塗布する。続いて、レジスト膜を配線パターンに整合するように加工し、加工後のレジスト膜をマスクとして、反射防止膜、上層のグルー膜、配線材料膜及び下層のグルー膜をエッチングする。反射防止膜としては、例えばSiON膜を形成し、その厚さは例えば30nm程度とする。このようなエッチングにより、図2Fに示すように、Wプラグ31及び/又は上部電極膜27に電気的に接続されるグルー膜32、配線33及びグルー膜34が形成される。
Next, an antireflection film (not shown) is formed on the upper glue film by coating, and a resist is further applied. Subsequently, the resist film is processed to match the wiring pattern, and the antireflection film, the upper glue film, the wiring material film, and the lower glue film are etched using the processed resist film as a mask. As the antireflection film, for example, a SiON film is formed, and the thickness thereof is, for example, about 30 nm. By such etching, as shown in FIG. 2F, the
その後、図4Gに示すように、全面に層間絶縁膜35を成膜した後、これをCMPにより平坦化する。層間絶縁膜35としては、例えばシリコン酸化膜を成膜する。続いて、パターニング及びエッチング技術を用いて、層間絶縁膜35に、グルー膜34まで到達するコンタクトホールを形成する。次に、このコンタクトホール内にグルー膜36として、例えば50nmのTiN膜を形成した後、例えばCVD法によりW膜を埋め込み、CMPを行って平坦化することにより、Wプラグ37を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4G, an
その後、更に上層の配線及び層間絶縁膜等を形成する。そして、例えばTEOS酸化膜及びSiN膜からなるカバー膜を形成して強誘電体キャパシタを有する強誘電体メモリを完成させる。なお、上層配線の形成に際しては、例えば、上部電極膜27に接続された配線33がプレート線に接続されるようにし、2個のMOSトランジスタ14により共有されたソース・ドレイン領域に接続された配線33がビット線に接続されるようにする。ゲート電極18については、それ自体をワード線としてもよく、また、上層配線において、ゲート電極18がワード線に接続されるようにしてもよい。
Thereafter, further upper wirings, interlayer insulating films and the like are formed. Then, for example, a cover film made of a TEOS oxide film and a SiN film is formed to complete a ferroelectric memory having a ferroelectric capacitor. In forming the upper layer wiring, for example, the
このようにして製造された強誘電体メモリでは、第1の実施形態に係る強誘電体キャパシタと同様の強誘電体キャパシタを備えている。従って、第1の実施形態と同様の効果が得られる。例えば、更なる微細化に対応することが可能となり、65nmルールのプロセスに適用した場合には、最大メモリ容量を256Mbit程度とすることも可能である。 The ferroelectric memory manufactured as described above includes a ferroelectric capacitor similar to the ferroelectric capacitor according to the first embodiment. Therefore, the same effect as the first embodiment can be obtained. For example, it is possible to cope with further miniaturization, and when applied to a 65 nm rule process, the maximum memory capacity can be set to about 256 Mbit.
なお、本発明はスタック型の強誘電体キャパシタ以外にも適用可能であり、種々の3次元構造を有するメモリに適用することもできる。この場合には、より一層メモリ容量を大きくすることができる。また、本発明を不揮発性メモリ以外の半導体装置に適用してもよい。 The present invention can be applied to other than stacked ferroelectric capacitors, and can also be applied to memories having various three-dimensional structures. In this case, the memory capacity can be further increased. Further, the present invention may be applied to a semiconductor device other than a nonvolatile memory.
以下、本願発明者等が行った試験の内容及び結果について説明する。 Hereinafter, the contents and results of the tests conducted by the inventors will be described.
(第1の試験)
第1の試験では、容量絶縁膜の組成とヒステリシスループ(分極−電界曲線)の形状との関係について検証した。試料は、第1の実施形態と同様にして作製した。但し、BiFe1-XCrXO3膜におけるXの値を、0、0.03、0.06の3種類とした。印加する電界の周波数は100kHzとし、最大の電界強度は±750kV/cmとした。この結果を図5に示す。図5中の破線がX=0の場合のヒステリシスループを示し、実線がX=0.03の場合のヒステリシスループを示し、点線がX=0.06の場合のヒステリシスループを示している。
(First test)
In the first test, the relationship between the composition of the capacitive insulating film and the shape of the hysteresis loop (polarization-electric field curve) was verified. The sample was produced in the same manner as in the first embodiment. However, the value of X in the BiFe 1-X Cr X O 3 film was set to three types of 0, 0.03, and 0.06. The frequency of the applied electric field was 100 kHz, and the maximum electric field strength was ± 750 kV / cm. The result is shown in FIG. The broken line in FIG. 5 shows the hysteresis loop when X = 0, the solid line shows the hysteresis loop when X = 0.03, and the dotted line shows the hysteresis loop when X = 0.06.
図5に示すように、Crが添加されていない試料(X=0)では、ヒステリシスループの傾斜がなだらかで、残留分極量が低かった。これに対し、Crが添加されている試料(X=0.03、0.06)では、ヒステリシスループの傾斜が急峻で、残留分極量が高くなった。例えば、X=0.03の場合には、残留分極量が100μC/cm2であった。また、抗電界は258kV/cmであった。 As shown in FIG. 5, in the sample to which Cr was not added (X = 0), the slope of the hysteresis loop was gentle and the residual polarization amount was low. On the other hand, in the sample to which Cr was added (X = 0.03, 0.06), the slope of the hysteresis loop was steep and the residual polarization amount was high. For example, when X = 0.03, the residual polarization amount was 100 μC / cm 2 . The coercive electric field was 258 kV / cm.
(第2の試験)
第2の試験では、容量絶縁膜の組成とリーク電流との関係について検証した。試料は、第1の実施形態と同様にして作製した。但し、BiFe1-XCrXO3膜におけるXの値を、0、0.03、0.06の3種類とした。この結果を図6に示す。図6中の実線がX=0の場合のリーク電流の変化を示し、破線がX=0.03の場合のリーク電流の変化を示し、点線がX=0.06の場合のリーク電流の変化を示している。
(Second test)
In the second test, the relationship between the composition of the capacitive insulating film and the leakage current was verified. The sample was produced in the same manner as in the first embodiment. However, the value of X in the BiFe 1-X Cr X O 3 film was set to three types of 0, 0.03, and 0.06. The result is shown in FIG. The solid line in FIG. 6 shows the change in leak current when X = 0, the broken line shows the change in leak current when X = 0.03, and the dotted line shows the change in leak current when X = 0.06 Is shown.
図6に示すように、Crが添加されていない試料(X=0)では、電界が約30kV/cmを超えると、急激にリーク電流が増加した。これに対し、Crが添加されている試料(X=0.03、0.06)では、電界の増加に付随してリーク電流が徐々に増加するものの、急激な増加は生じなかった。 As shown in FIG. 6, in the sample to which Cr was not added (X = 0), when the electric field exceeded about 30 kV / cm, the leakage current increased rapidly. On the other hand, in the sample to which Cr was added (X = 0.03, 0.06), the leakage current gradually increased with the increase of the electric field, but no rapid increase occurred.
(第3の試験)
第3の試験では、容量絶縁膜の組成と比誘電率εrの周波数依存性との関係について検証した。試料は、第1の実施形態と同様にして作製した。但し、BiFe1-XCrXO3膜におけるXの値を、0、0.03、0.06の3種類とした。この結果を図7に示す。図7中の実線がX=0の場合のリーク電流の変化を示し、破線がX=0.03の場合のリーク電流の変化を示し、点線がX=0.06の場合のリーク電流の変化を示している。
(Third test)
In the third test, the relationship between the composition of the capacitive insulating film and the frequency dependence of the relative dielectric constant ε r was verified. The sample was produced in the same manner as in the first embodiment. However, the value of X in the BiFe 1-X Cr X O 3 film was set to three types of 0, 0.03, and 0.06. The result is shown in FIG. The solid line in FIG. 7 shows the change in leak current when X = 0, the broken line shows the change in leak current when X = 0.03, and the dotted line shows the change in leak current when X = 0.06. Is shown.
図7に示すように、比誘電率εrはいずれの試料においても低かった。なお、従来、使用されているPbZr1-XTiXO3の比誘電率εrは500程度であり、SrBi2Ta2O9の比誘電率εrは200〜300程度である。 As shown in FIG. 7, the relative dielectric constant ε r was low in all samples. Incidentally, conventionally, the dielectric constant epsilon r of PbZr 1-X Ti X O 3 used is about 500, the dielectric constant epsilon r of SrBi 2 Ta 2 O 9 is approximately 200 to 300.
(第4の試験)
第4の試験では、容量絶縁膜の組成及び厚さと配向性との関係について検証した。試料は、第1の実施形態と同様にして作成した。但し、BiFe1-XCrXO3膜におけるXの値を、0、0.03、0.06、0.08、0.1、0.2の6種類とした。また、容量絶縁膜の厚さを、200nm、300nm、400nm、500nmの4種類とした。この結果を図8A〜図8Dに示す。図8Aに、厚さが200nmの試料の結果を示し、図8Bに、厚さが300nmの試料の結果を示し、図8Cに、厚さが400nmの試料の結果を示し、図8Dに、厚さが500nmの試料の結果を示している。
(Fourth test)
In the fourth test, the relationship between the composition and thickness of the capacitive insulating film and the orientation was verified. The sample was created in the same manner as in the first embodiment. However, six values of 0, 0.03, 0.06, 0.08, 0.1, and 0.2 were used for the value of X in the BiFe 1-X Cr X O 3 film. The thickness of the capacitive insulating film was set to four types of 200 nm, 300 nm, 400 nm, and 500 nm. The results are shown in FIGS. 8A to 8D. 8A shows the result of a sample having a thickness of 200 nm, FIG. 8B shows the result of a sample having a thickness of 300 nm, FIG. 8C shows the result of a sample having a thickness of 400 nm, and FIG. 8D shows the thickness of the sample. The result of a sample having a thickness of 500 nm is shown.
図8A〜図8Dに示すように、概ね、容量絶縁膜の厚さが200nm又は300nmで、Xの値が0.03〜0.08の場合に良好な配向性が得られた。なお、図8A〜図8Dに示すように、容量絶縁膜は、主に(111)配向、(012)配向、(110)配向、(024)配向、(116)配向及び(300)配向の配向性を有している。即ち、容量絶縁膜が特定の面方位に優先的に配向することはなく、ランダム配向の多結晶から構成されているといえる。なお、容量絶縁膜が下部電極膜の配向を引き継ぐエピタキシャル膜であってもよい。 As shown in FIGS. 8A to 8D, good orientation was obtained when the capacitance insulating film was approximately 200 nm or 300 nm thick and the value of X was 0.03 to 0.08. As shown in FIGS. 8A to 8D, the capacitive insulating film is mainly formed of (111), (012), (110), (024), (116), and (300) oriented. It has sex. That is, it can be said that the capacitor insulating film is not preferentially oriented in a specific plane orientation, but is composed of a randomly oriented polycrystal. The capacitor insulating film may be an epitaxial film that inherits the orientation of the lower electrode film.
1:絶縁膜
2:下部電極
3:容量絶縁膜
4:上部電極
5:強誘電体キャパシタ
25:下部電極膜
26:強誘電体膜
27:上部電極膜
1: Insulating film 2: Lower electrode 3: Capacitive insulating film 4: Upper electrode 5: Ferroelectric capacitor 25: Lower electrode film 26: Ferroelectric film 27: Upper electrode film
Claims (10)
前記第1の電極上に形成された容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成された第2の電極と、
を有し、
前記容量絶縁膜として、BiFe1-XCrXO3(0.03≦X≦0.08)で表される強誘電体膜が形成されていることを特徴とする半導体装置。 A first electrode;
A capacitive insulating film formed on the first electrode;
A second electrode formed on the capacitive insulating film;
Have
A semiconductor device, wherein a ferroelectric film represented by BiFe 1-X Cr X O 3 ( 0.03 ≦ X ≦ 0.08) is formed as the capacitive insulating film.
前記第1の導電膜上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に第2の導電膜を形成する工程と、
を有し、
前記強誘電体膜として、BiFe1-XCrXO3(0.03≦X≦0.08)で表される膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first conductive film above the substrate;
Forming a ferroelectric film on the first conductive film;
Forming a second conductive film on the ferroelectric film;
Have
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising forming a film represented by BiFe 1-X Cr X O 3 ( 0.03 ≦ X ≦ 0.08) as the ferroelectric film.
ゾル・ゲル液からなる塗布膜の形成と、前記塗布膜の仮焼成と、を繰り返す工程と、
前記仮焼成後の複数の塗布膜に対し、本焼成を行う工程と、
を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の半導体装置の製造方法。 The step of forming the ferroelectric film includes
A step of repeating the formation of a coating film made of a sol-gel solution and the temporary baking of the coating film;
A step of performing main baking for the plurality of coating films after the preliminary baking;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein:
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