JP5200581B2 - 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及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device suitable for a ferroelectric memory and a manufacturing method thereof.
近年、デジタル技術の進展に伴い、大容量のデータを高速に処理又は保存する傾向が高まっている。このため、電子機器に使用される半導体装置の高集積化及び高性能化が要求されている。 In recent years, with the progress of digital technology, there is an increasing tendency to process or store a large amount of data at high speed. For this reason, high integration and high performance of semiconductor devices used in electronic devices are required.
そこで、半導体記憶装置に関しては、例えばDRAMの高集積化を実現するため、DRAMを構成する容量素子の容量絶縁膜として、従来の珪素酸化物又は珪素窒化物に代えて、強誘電体材料又は高誘電率材料を用いる技術が広く研究開発され始めている。 Therefore, with respect to semiconductor memory devices, for example, in order to realize high integration of DRAM, as a capacitor insulating film of a capacitor element constituting the DRAM, a ferroelectric material or a high material is used instead of conventional silicon oxide or silicon nitride. Technologies using dielectric materials have been widely researched and developed.
また、より低電圧で且つ高速での書き込み動作及び読み出し動作が可能な不揮発性RAMを実現するため、容量絶縁膜として、自発分極特性を有する強誘電体膜を用いる技術も盛んに研究開発されている。このような半導体記憶装置は、強誘電体メモリ(FeRAM)とよばれる。 In addition, in order to realize a nonvolatile RAM that can perform a write operation and a read operation at a lower voltage and at a higher speed, a technique using a ferroelectric film having spontaneous polarization characteristics as a capacitor insulating film has been actively researched and developed. Yes. Such a semiconductor memory device is called a ferroelectric memory (FeRAM).
強誘電体メモリは、強誘電体のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。強誘電体メモリには強誘電体キャパシタが備えられており、強誘電体キャパシタは、強誘電体膜が1対の電極間に容量誘電体膜として挟み込まれて構成されている。強誘電体膜は電極間の印加電圧に応じて分極を生じ、印加電圧が取り去されても自発分極を有する。また、印加電圧の極性を反転すれば、自発分極の極性も反転する。従って、この自発分極を検出すれば、情報を読み出すことができる。強誘電体メモリは、フラッシュメモリに比べて低電圧で動作し、省電力で高速の書き込みが可能である。そして、強誘電体メモリを備えたロジック混載チップ(SoC:System on Chip)のICカード等への使用が検討されている。 A ferroelectric memory stores information using the hysteresis characteristics of a ferroelectric. A ferroelectric memory is provided with a ferroelectric capacitor, and the ferroelectric capacitor is configured such that a ferroelectric film is sandwiched between a pair of electrodes as a capacitive dielectric film. The ferroelectric film generates polarization according to the applied voltage between the electrodes, and has spontaneous polarization even when the applied voltage is removed. Further, if the polarity of the applied voltage is reversed, the polarity of the spontaneous polarization is also reversed. Therefore, information can be read by detecting this spontaneous polarization. A ferroelectric memory operates at a lower voltage than a flash memory, and can be written at high speed with low power consumption. Then, use of a logic embedded chip (SoC: System on Chip) having a ferroelectric memory for an IC card or the like is being studied.
なお、強誘電体膜としては、PZT系材料の膜及びBi層状構造化合物の膜等が用いられる。PZT系の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)そのもの、並びにPZT膜にLa、Ca、Sr及び/又はSiがドープされたもの等が挙げられる。Bi層状構造化合物としては、SrBi2Ta2O9(SBT、Y1)、及びSrBi2(Ta、Nb)2O9(SBTN、YZ)等が挙げられる。強誘電体膜は、下部電極膜上に、ゾルゲル法又はスパッタ法等によってアモルファス状態又は微細な等軸晶(微結晶)の状態で形成された後、熱処理によって柱状晶化されている。また、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法により下部電極上に、柱状晶化した状態で形成されることもある。 As the ferroelectric film, a PZT-based material film, a Bi layered structure compound film, or the like is used. Examples of the PZT-based material include lead zirconate titanate (PZT) itself and those obtained by doping a PZT film with La, Ca, Sr and / or Si. Examples of the Bi layer structure compound include SrBi 2 Ta 2 O 9 (SBT, Y1), SrBi 2 (Ta, Nb) 2 O 9 (SBTN, YZ), and the like. The ferroelectric film is formed in an amorphous state or a fine equiaxed crystal (microcrystal) state on the lower electrode film by a sol-gel method or a sputtering method, and is then columnarized by heat treatment. Further, it may be formed in a columnar crystallized state on the lower electrode by MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method.
また、電極の材料としては、酸化しにくい金属又は導電性酸化物が用いられる。例えば、白金、イリジウム、酸化イリジウム等が挙げられる。つまり、主に、白金族系金属又はその酸化物が用いられている。また、配線の材料としては、アルミニウムが主に用いられている。 In addition, as a material for the electrode, a metal that is difficult to oxidize or a conductive oxide is used. For example, platinum, iridium, iridium oxide, etc. are mentioned. That is, platinum group metals or oxides thereof are mainly used. In addition, aluminum is mainly used as a wiring material.
強誘電体キャパシタの構造は、プレーナ型構造及びスタック型構造に大別される。これらのうちスタック型構造が微細化に適している。スタック型構造では、下部電極が複数の導電膜から構成されている。このような導電膜としては、TiN膜、TiAlN膜、Ir膜、IrO2膜、Pt膜及びSrRuO3膜が挙げられる。なお、一部の導電膜は、下部電極の下に位置するコンタクトプラグの酸化を防止するバリアメタル膜としても機能する。 The structure of the ferroelectric capacitor is roughly divided into a planar type structure and a stack type structure. Of these, the stack type structure is suitable for miniaturization. In the stack structure, the lower electrode is composed of a plurality of conductive films. Examples of such a conductive film include a TiN film, a TiAlN film, an Ir film, an IrO 2 film, a Pt film, and a SrRuO 3 film. A part of the conductive film also functions as a barrier metal film that prevents oxidation of the contact plug located under the lower electrode.
強誘電体キャパシタの特性(特にスイッチング電荷量)及び歩留まりは、強誘電体膜を構成する柱状晶の配向に依存することが多い。そして、柱状層の配向は、下部電極の表面の配向の影響を受けやすい。従って、特性及び歩留まりの向上のためには、下部電極を構成する結晶の配向を適切に制御する必要がある。 The characteristics (especially switching charge amount) and yield of a ferroelectric capacitor often depend on the orientation of columnar crystals constituting the ferroelectric film. The orientation of the columnar layer is easily affected by the orientation of the surface of the lower electrode. Therefore, in order to improve the characteristics and the yield, it is necessary to appropriately control the orientation of the crystals constituting the lower electrode.
下部電極の構造に関して種々の提案がなされている。しかしながら、これまでのところ、強誘電体キャパシタの特性及び歩留まりの向上に十分に寄与できるものはない。 Various proposals have been made regarding the structure of the lower electrode. However, so far, nothing can sufficiently contribute to improving the characteristics and yield of the ferroelectric capacitor.
上記の特許文献29には、PZT膜を2層構造とすることが開示されている。しかし、この技術について本願発明者が検証したところ、所期の目的は達成されたものの、十分な特性を得ることは困難であった。例えば、PZT膜の配向が十分とはいえず、また、配向のばらつきが大きかった。この検証の結果を図19A〜図19Dに示す。図19Aは、ウェハの中心部における(111)面への配向の積分強度を示し、図19Bは、ウェハの周辺部における(111)面への配向の積分強度を示している。また、図19Cは、ウェハの中心部における(222)面の配向率を示し、図19Dは、ウェハの周辺部における(222)面の配向率を示している。ここで、配向率は、(222)面への配向強度をI222、(100)面への配向強度をI100、(101)面への配向強度をI101と表したとき、「I222/(I100+I101+I222)」から算出される。図19A〜図19Dに示すように、全体的に(111)面への配向が低く、特に周辺部における配向が低かった。 Patent Document 29 described above discloses that a PZT film has a two-layer structure. However, when the inventors of the present invention have verified this technique, it has been difficult to obtain sufficient characteristics although the intended purpose has been achieved. For example, the orientation of the PZT film was not sufficient, and the variation in orientation was large. The results of this verification are shown in FIGS. 19A to 19D. FIG. 19A shows the integrated intensity of orientation to the (111) plane at the center of the wafer, and FIG. 19B shows the integrated intensity of orientation to the (111) plane at the periphery of the wafer. FIG. 19C shows the orientation rate of the (222) plane at the center of the wafer, and FIG. 19D shows the orientation rate of the (222) plane at the peripheral portion of the wafer. Here, the orientation ratio is expressed as “I 222 when the orientation strength to the (222) plane is represented by I 222 , the orientation strength to the (100) plane is represented by I 100 , and the orientation strength to the (101) plane is represented by I 101. / (I 100 + I 101 + I 222 ) ”. As shown in FIGS. 19A to 19D, the orientation toward the (111) plane was low overall, and the orientation in the peripheral portion was particularly low.
また、SEMを用いてこれらの試料の表面を観察したところ、図20Aに示すように、PZT膜の表面に多数の凹凸が生じていた。更に、SEMを用いて凸部近傍の断面を観察したところ、図20Bに示すように、PZT膜を構成する結晶が(111)面へは配向していなかった。このような現象は、特にウェハの周辺部で顕著であった。 Moreover, when the surface of these samples was observed using SEM, as shown to FIG. 20A, many unevenness | corrugations had arisen on the surface of the PZT film | membrane. Furthermore, when the cross section near the convex portion was observed using SEM, as shown in FIG. 20B, the crystals constituting the PZT film were not oriented in the (111) plane. Such a phenomenon was particularly remarkable at the peripheral portion of the wafer.
本願発明者は、この原因を究明すべく鋭意検討を重ねた結果、他の従来の技術と同様に、下部電極の表層部における結晶の配向が揃っていないことを見つけ出した。 As a result of intensive studies to find out the cause, the inventor of the present application has found that the crystal orientation in the surface layer portion of the lower electrode is not uniform as in other conventional techniques.
本発明は、配向が優れた誘電体膜の存在に基づいて高いスイッチング電荷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 capable of obtaining a high switching charge amount based on the presence of a dielectric film having excellent orientation and a method for manufacturing the same.
本発明に係る半導体装置の製造方法では、基板の上方に下部電極を形成し、前記下部電極上に酸化物誘電体膜を形成し、前記酸化物誘電体膜上に上部電極を形成する。そして、前記下部電極を形成する際には、第1の貴金属膜を形成し、その後、前記第1の貴金属膜上に貴金属酸化膜を形成する。また、前記酸化物誘電体膜を形成する際には、有機金属化学気相成長法により前記貴金属酸化膜上に下層膜を形成すると共に、前記貴金属酸化膜を還元により第2の貴金属膜に変化させ、その後、前記下層膜上に、前記下層膜の成膜速度よりも高い成膜速度で、前記下層膜よりも厚く、前記下層膜よりも酸化度が高いコア膜を形成する。前記第2の貴金属膜を構成する結晶粒は前記第1の貴金属膜を構成する結晶粒より小さい。 In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a lower electrode is formed above a substrate, an oxide dielectric film is formed on the lower electrode, and an upper electrode is formed on the oxide dielectric film. Then, when forming the lower electrode, a first noble metal film is formed, and then a noble metal oxide film is formed on the first noble metal film. In forming the oxide dielectric film, a lower layer film is formed on the noble metal oxide film by metal organic chemical vapor deposition, and the noble metal oxide film is changed to a second noble metal film by reduction. Thereafter, a core film that is thicker than the lower layer film and higher in oxidation degree than the lower layer film is formed on the lower layer film at a deposition rate higher than the deposition rate of the lower layer film. The crystal grains constituting the second noble metal film are smaller than the crystal grains constituting the first noble metal film.
本発明に係る半導体装置には、基板の上方に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された酸化物誘電体膜と、前記酸化物誘電体膜上に形成された上部電極と、が設けられている。そして、前記下部電極には、第1の貴金属膜と、前記第1の貴金属膜の上面及び前記酸化物誘電体膜の下面に接し、前記第1の貴金属膜よりも結晶粒径が小さい第2の貴金属膜と、が設けられている。また、前記酸化物誘電体膜には、前記第2の貴金属膜の上面に接する下層膜と、前記下層膜の上面に接し、前記下層膜よりも厚く、前記下層膜よりも酸化度が高いコア膜と、が設けられている。 The semiconductor device according to the present invention includes a lower electrode formed above a substrate, an oxide dielectric film formed on the lower electrode, an upper electrode formed on the oxide dielectric film, Is provided. The lower electrode is in contact with the first noble metal film, the upper surface of the first noble metal film and the lower surface of the oxide dielectric film, and has a second crystal grain size smaller than that of the first noble metal film. And a noble metal film. The oxide dielectric film includes a lower layer film in contact with the upper surface of the second noble metal film, a core in contact with the upper surface of the lower layer film, thicker than the lower layer film, and higher in oxidation degree than the lower layer film. And a membrane.
本発明によれば、下部電極及び誘電体膜の構成を適切なものとしているため、良好でばらつきの小さい配向を得ることができる。このため、高いスイッチング電荷量を得ることができる。 According to the present invention, since the configuration of the lower electrode and the dielectric film is made appropriate, it is possible to obtain a good alignment with little variation. For this reason, a high switching charge amount can be obtained.
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。但し、ここでは、便宜上、強誘電体メモリの各メモリセルの断面構造については、その製造方法と共に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. However, here, for convenience, the cross-sectional structure of each memory cell of the ferroelectric memory will be described together with its manufacturing method.
(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1A乃至図1Sは、本発明の第1の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(First embodiment)
First, a first embodiment of the present invention will be described. 1A to 1S are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the first embodiment of the present invention in the order of steps.
第1の実施形態では、先ず、図1Aに示すように、n型又はp型のシリコン基板1の表面に、トランジスタの活性領域を画定するSTI(Shallow Trench Isolation)用の溝を形成し、その中に酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込むことにより、素子分離絶縁膜2を形成する。なお、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により素子分離絶縁膜を形成してもよい。
In the first embodiment, first, as shown in FIG. 1A, a trench for STI (Shallow Trench Isolation) that defines an active region of a transistor is formed on the surface of an n-type or p-
次いで、活性領域にp型不純物を導入することにより、pウェル3を形成する。次に、活性領域の表面を熱酸化することにより、ゲート絶縁膜4を形成する。続いて、シリコン基板1の上側全面に、非晶質又は多結晶のシリコン膜を形成し、これをフォトリソグラフィ技術によりパターニングすることにより、ゲート電極5を形成する。このとき、pウェル3上に、2つのゲート電極5を互いに平行に配置する。これらのゲート電極5は、メモリのワード線の一部として機能する。
Next, a p-type impurity is introduced into the active region to form a p-
次いで、ゲート電極5をマスクとして用いて、n型不純物の導入(イオン注入)を行うことにより、エクステンション層6をゲート電極5の両脇に形成する。その後、シリコン基板1の上側全面に絶縁膜を形成し、これをエッチバックすることにより、ゲート電極5の横に絶縁性のサイドウォール8を形成する。絶縁膜としては、例えばシリコン酸化膜をCVD法により形成する。
Next, the
続いて、サイドウォール8及びゲート電極5をマスクとして用いて、n型不純物の導入(イオン注入)を行うことにより、不純物拡散層7をゲート電極5の両脇に形成する。2組のエクステンション層6及び不純物拡散層7から、MOSトランジスタのソース及びドレインが構成される。
Subsequently, impurity diffusion layers 7 are formed on both sides of the
次に、シリコン基板1の上側全面に、スパッタ法によりコバルト層等の高融点金属層を形成し、この高融点金属層を加熱してシリコンと反応させる。この結果、ゲート電極5上に高融点金属のシリサイド層9が形成され、不純物拡散層7上に高融点金属のシリサイド層10が形成される。そして、素子分離絶縁膜2上等にある未反応の高融点金属層をウェットエッチングにより除去する。
Next, a refractory metal layer such as a cobalt layer is formed on the entire upper surface of the
次に、例えば、プラズマCVD法により厚さが約200nmのシリコン酸窒化膜11をシリコン基板1の上側全面に形成する。次いで、シリコン酸窒化膜11上に、例えば、原料ガスとしてTEOSガスを用いたプラズマCVD法により、厚さが約1000nmのシリコン酸化膜12を形成する。その後、シリコン酸化膜12の上面をCMP(Chemical Mechanical Polishing)法により研磨して平坦化する。この平坦化では、シリコン酸化膜12の厚さを、シリコン基板1の上面上から約700nmとする。
Next, for example, a
次に、フォトリソグラフィ技術によりシリコン酸化膜12及びシリコン酸窒化膜11をパターニングすることにより、シリサイド層10を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの直径は、例えば0.25μmとする。次いで、コンタクトホールの底部及び側部に、厚さが約30nmのTi膜及び厚さが約20nmのTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)13を形成する。その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜12上にタングステン膜(W膜)14を形成する。W膜14の厚さは、シリコン酸化膜12の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜13及びW膜14を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜12上のグルー膜13及びW膜14を完全に除去する。
Next, a contact hole exposing the
次に、例えば、プラズマCVD法により厚さが約130nmのシリコン酸窒化膜15を酸化防止膜としてシリコン酸化膜12及びコンタクトプラグ上に形成する。更に、シリコン酸窒化膜15上に、例えば、原料ガスとしてTEOSガスを用いたたプラズマCVD法により、厚さが約300nmのシリコン酸化膜16を形成する。なお、酸化防止膜として、シリコン酸窒化膜15の代わりに、シリコン窒化膜又はアルミニウム酸化膜を形成してもよい。
Next, for example, a
次いで、図1Bに示すように、フォトリソグラフィ技術によりシリコン酸化膜16及びシリコン酸窒化膜15をパターニングすることにより、シリサイド層10を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホールの直径は、例えば0.25μmとする。次いで、コンタクトホールの底部及び側部に、厚さが約30nmのTi膜及び厚さが約20nmのTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)17を形成する。その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜16上にタングステン膜(W膜)18を形成する。W膜18の厚さは、シリコン酸化膜16の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜17及びW膜18を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。なお、このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜16上のグルー膜17及びW膜18を完全に除去する。また、スラリとしては、例えば、Cabot Microelectronics Corporation社製のSSW2000を使用する。
Next, as shown in FIG. 1B, a contact hole exposing the
次に、シリコン酸化膜16の表面に対してNH3プラズマ処理を行うことにより、シリコン酸化膜16の表面の酸素原子にNH基を結合させる。このプラズマ処理では、例えば、シリコン基板1から約9mm(350mils)離間した位置に対向電極が設けられた平行平板型のプラズマ処理装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を266Pa(2Torr)とした状態で、チャンバ内にアンモニアガスを350sccmの流量で供給する。また、シリコン基板1側に13.56MHzの高周波を100Wのパワで供給すると共に、対向電極に350kHzの高周波を55Wのパワで供給し、これらを60秒間継続する。
Next, NH 3 plasma treatment is performed on the surface of the
次いで、シリコン酸化膜16及びコンタクトプラグ上に厚さが約20nmのTi膜を形成する。このTi膜の形成では、例えば、シリコン基板1から約60mm離間した位置にターゲットが設けられたスパッタリング装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を20℃とし、チャンバ内圧力を0.15Paとし、チャンバ内の雰囲気をAr雰囲気とした状態で、2.6kWのスパッタDCパワを5秒間供給する。本実施形態では、Ti膜の形成前に、シリコン酸化膜16の表面にNH3プラズマ処理を行っているので、その上に堆積したTi原子は酸素原子に捕獲されることなく、シリコン酸化膜16の表面を自在に移動することができる。この結果、Ti膜は自己組織化され、その表面が(002)面に強く配向したものとなる。その後、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTA(Rapid Thermal Annealing)を行うことにより、図1Cに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。
Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the
続いて、TiN膜21上に、例えば反応性スパッタ法により厚さが約100nmのTiAlN膜22を酸素拡散バリア膜として形成する。このとき、例えば、Ti及びAlを合金化したターゲットを使用する。また、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を253.3Paとし、チャンバ内に、Arを40sccmの流量で供給すると共に、N2を10sccmの流量で供給する。また、スパッタパワは、例えば1.0kWとする。
Subsequently, a
次に、TiAlN膜22上に、例えばスパッタ法により厚さが60nm〜100nmのIr膜23を第1の貴金属膜として形成する。このとき、シリコン基板1の設定温度を450℃とし、チャンバ内圧力を0.2Paとし、チャンバ内雰囲気をAr雰囲気とする。また、スパッタパワは、例えば0.3kWとする。なお、Ir膜23はTiN膜21の配向を引き継ぐため、(111)面に配向する。また、Ir膜23の代わりに、白金族に属する金属(Ru、Rh又はPd等)の膜を形成してもよい。
Next, an
次いで、Ar等の不活性ガスの雰囲気中で650℃〜750℃、60秒間のRTAを行うことにより、Ir膜23の結晶性を向上させる。また、このRTAにより、TiN膜21、TiAlN膜22及びIr膜23間の密着性が向上する。
Next, RTA is performed at 650 ° C. to 750 ° C. for 60 seconds in an atmosphere of an inert gas such as Ar, thereby improving the crystallinity of the
その後、図1Dに示すように、Ir膜23上に、例えばスパッタ法により厚さが5〜50nm(例えば25nm)のIr酸化膜24を貴金属酸化物として形成する。なお、Ir酸化膜24の酸化度は化学量論組成よりも低くしておく。また、Ir酸化膜24としては、アモルファス膜を形成するか、又は微細な等軸晶からなる膜を形成する。なお、Ir酸化膜24はIr膜23の配向を引き継ぐため、(111)面に配向する。このようなIr酸化膜24の形成に当たっては、例えば、シリコン基板1の設定温度を20℃〜300℃とし、チャンバ内圧力を0.11Paとし、チャンバ内雰囲気をArと酸素との混合雰囲気とする。また、スパッタパワは、例えば1kWとし、スパッタガス中のO2ガスの割合を2%乃至30%とする。
Thereafter, as shown in FIG. 1D, an
続いて、Ir酸化膜24等が形成されたシリコン基板1を、MOCVD(有機金属化学気相成長)装置のチャンバ内のステージ上に載置する。次に、例えば2000sccmのO2ガスをチャンバ内に供給しながら、シリコン基板1を620℃まで昇温する。この昇温の間に、Ir酸化膜24がほぼ均一に更に酸化され、柱状晶化する。
Subsequently, the
シリコン基板1の温度が620℃に達したら、チャンバ内に供給するガスの流量を変化させる。例えば、Arガスの流量を1375sccmとし、O2ガスの流量を625sccmとする。
When the temperature of the
次いで、チャンバ内にPb、Zr及びTiの原料を、チャンバ内のO2ガスの量がPZT(Pb[Zr,Ti]O3)膜の形成に当たり不足するように多めに供給する。例えば、チャンバ内のO2の量がPZT膜の形成に必要とされる量の0.33倍となるようにPb、Zr及びTiの原料を多めにチャンバ内に供給する。また、チャンバ内圧力を665Paとする。 Next, a large amount of Pb, Zr, and Ti raw materials are supplied into the chamber so that the amount of O 2 gas in the chamber is insufficient for forming the PZT (Pb [Zr, Ti] O 3 ) film. For example, a large amount of Pb, Zr, and Ti materials are supplied into the chamber so that the amount of O 2 in the chamber is 0.33 times the amount required for forming the PZT film. Further, the pressure in the chamber is set to 665 Pa.
本実施形態では、例えば次のような3種類の液体原料を準備しておく。第一に、テトラキスジメチルへプタンジオネート鉛(Pb(DMHD)2)を酢酸ブチルに0.2mol/Lの濃度で溶解させたPb用液体原料を準備しておく。第二に、テトラキスジメチルへプタンジオネートジルコニウム(Zr(DMHD)4)を酢酸ブチルに0.1mol/Lの濃度で溶解させたZr用液体原料を準備しておく。第三に、ビスイソプロポキシビスジピバロイルメタネートチタン(Ti(O−iPr)2(DPM)2)を酢酸ブチルに0.1mol/Lの濃度で溶解させたTi用液体原料を準備しておく。そして、これらの液体原料を酢酸ブチル溶媒と共にMOCVD装置の気化器に、総流量が1.2mL/分となるように供給する。 In the present embodiment, for example, the following three types of liquid raw materials are prepared. First, a liquid raw material for Pb in which tetrakisdimethyl heptanedionate lead (Pb (DMHD) 2 ) is dissolved in butyl acetate at a concentration of 0.2 mol / L is prepared. Second, a liquid raw material for Zr in which tetrakisdimethyl heptanedionate zirconium (Zr (DMHD) 4 ) is dissolved in butyl acetate at a concentration of 0.1 mol / L is prepared. Thirdly, a liquid raw material for Ti in which bisisopropoxybisdipivaloylmethanate titanium (Ti (O-iPr) 2 (DPM) 2 ) is dissolved in butyl acetate at a concentration of 0.1 mol / L is prepared. Keep it. These liquid raw materials are supplied together with a butyl acetate solvent to the vaporizer of the MOCVD apparatus so that the total flow rate is 1.2 mL / min.
このような条件下でPb、Zr及びTiの原料をチャンバ内に供給すると、O2ガスに対して過剰なPb、Zr及びTiがIr酸化膜24中の酸素と結合し始める。この結果、図1Eに示すように、Ir酸化膜24が還元され、その全体が柱状晶からなるIr膜24a(第2の貴金属膜)に変化する。なお、Ir膜24aを構成する結晶はIr膜23を構成する結晶よりも小さなものとなる。また、この変化と並行して、酸素が化学量論組成よりも少ない初期PZT膜25aが下層膜としてMOCVD法によりIr膜24a上に形成される。Ir膜24aはIr酸化膜24と同様に(111)面に配向しており、初期PZT膜25aも(111)面に配向する。初期PZT膜25aの厚さは、例えば2.5nm〜10nmとする。
When Pb, Zr, and Ti raw materials are supplied into the chamber under such conditions, excess Pb, Zr, and Ti with respect to the O 2 gas begin to combine with oxygen in the
厚さが2.5nm未満の初期PZT膜25aを形成しようとすると、Ir酸化膜24を十分に還元するための時間を確保しにくい。このため、初期PZT膜25aの配向が不足することがあり得る。一方、初期PZT膜25aの厚さが10nmを超えると、酸素欠損等の影響が大きくなり、十分なスイッチング電荷量を確保しにくくなる可能性がある。
If an initial PZT film 25a having a thickness of less than 2.5 nm is to be formed, it is difficult to ensure time for sufficiently reducing the
所定の厚さの初期PZT膜25aを形成した後には、Pb、Zr及びTiの原料の供給を停止すると共に、チャンバ内に供給するガスの流量を変化させる。例えば、Arガスの供給も停止し、O2ガスの流量を4500sccmとする。 After the initial PZT film 25a having a predetermined thickness is formed, the supply of Pb, Zr and Ti raw materials is stopped and the flow rate of the gas supplied into the chamber is changed. For example, the supply of Ar gas is also stopped, and the flow rate of O 2 gas is set to 4500 sccm.
次いで、チャンバ内にPb、Zr及びTiの原料を、初期PZT膜25aの形成時と同じ流量で供給する。また、シリコン基板1の設定温度を620℃のままとし、チャンバ内圧力も665Paのままとする。但し、O2ガスの流量が4500sccmであるため、初期PZT膜25aの形成時とは異なり、チャンバ内のO2の量がPZT膜の形成に必要とされる量よりも過剰(例えば、6.77倍)となる。
Next, Pb, Zr, and Ti raw materials are supplied into the chamber at the same flow rate as when the initial PZT film 25a is formed. Further, the set temperature of the
このような条件下でPb、Zr及びTiの原料をチャンバ内に供給すると、図1Fに示すように、十分な酸素を含むコアPZT膜25bがMOCVD法によりコア膜として初期PZT膜25a上に形成される。コアPZT膜25bは初期PZT膜25aの配向を引き継ぐため、(111)面に配向する。コアPZT膜25bの厚さは、例えば90nm〜97.5nmとし、初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bの総厚を100nm程度とする。 When raw materials of Pb, Zr and Ti are supplied into the chamber under such conditions, a core PZT film 25b containing sufficient oxygen is formed on the initial PZT film 25a as a core film by MOCVD as shown in FIG. 1F. Is done. The core PZT film 25b is oriented in the (111) plane in order to take over the orientation of the initial PZT film 25a. The thickness of the core PZT film 25b is, for example, 90 nm to 97.5 nm, and the total thickness of the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b is about 100 nm.
なお、コアPZT膜25bの形成速度は初期PZT膜25aの形成速度よりも速くする。例えば、初期PZT膜25aの形成速度は、0.1nm/秒以下とすることが好ましく、0.05nm/秒以下とすることがより好ましく、0.04nm/秒以下とすることがより一層好ましい。一方、コアPZT膜25bの形成速度は、0.17nm/秒とすることが好ましい。初期PZT膜25aの形成速度が0.1nm/秒を超えると、コアPZT膜25bの表面が荒れやすくなり、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量が低くなることがある。例えば、初期PZT膜25aを0.1nm/秒以下の速度で形成した場合には、40μC/cm2のスイッチング電荷量が得られるのに対し、初期PZT膜25aを0.17nm/秒の速度で形成した場合には、スイッチング電荷量32μC/cm2となることがある。 The formation speed of the core PZT film 25b is set higher than the formation speed of the initial PZT film 25a. For example, the formation rate of the initial PZT film 25a is preferably 0.1 nm / second or less, more preferably 0.05 nm / second or less, and even more preferably 0.04 nm / second or less. On the other hand, the formation rate of the core PZT film 25b is preferably 0.17 nm / second. If the formation rate of the initial PZT film 25a exceeds 0.1 nm / second, the surface of the core PZT film 25b tends to be rough, and the switching charge amount of the ferroelectric capacitor may be lowered. For example, when the initial PZT film 25a is formed at a speed of 0.1 nm / second or less, a switching charge amount of 40 μC / cm 2 is obtained, whereas the initial PZT film 25a is formed at a speed of 0.17 nm / second. If formed, the switching charge may be 32 μC / cm 2 .
なお、初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bの形成速度に関し、これらを形成する際の酢酸ブチル溶媒及び各液体原料の流量は、PZT膜の形成速度に応じて調整することが好ましい。例えば、0.04nm/秒の速度で形成する場合には、酢酸ブチル溶媒の流量を0.95mL/分とし、Pb用液体原料の流量を0.1mL/分とし、Zr用液体原料の流量を0.07mL/分とし、Ti用液体原料の流量を0.08mL/分とする。また、例えば、0.17nm/秒の速度で形成する場合には、酢酸ブチル溶媒の流量を0.30mL/分とし、Pb用液体原料の流量を0.26mL/分とし、Zr用液体原料の流量を0.34mL/分とし、Ti用液体原料の流量を0.30mL/分とする。 Regarding the formation speed of the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b, it is preferable to adjust the flow rates of the butyl acetate solvent and the liquid raw materials in forming them according to the formation speed of the PZT film. For example, when forming at a rate of 0.04 nm / second, the flow rate of the butyl acetate solvent is 0.95 mL / min, the flow rate of the Pb liquid source is 0.1 mL / min, and the flow rate of the Zr liquid source is The flow rate of the liquid raw material for Ti is 0.08 mL / min. For example, when forming at a rate of 0.17 nm / second, the flow rate of the butyl acetate solvent is 0.30 mL / min, the flow rate of the liquid raw material for Pb is 0.26 mL / min, The flow rate is 0.34 mL / min, and the flow rate of the liquid raw material for Ti is 0.30 mL / min.
所定の厚さのコアPZT膜25bを形成した後には、図1Fに示すように、例えばスパッタ法により、アモルファス状態のキャップPZT膜25cを形成する。キャップPZT膜25cの厚さは1nm〜30nm(例えば20nm)とする。 After the core PZT film 25b having a predetermined thickness is formed, an amorphous cap PZT film 25c is formed by sputtering, for example, as shown in FIG. 1F. The thickness of the cap PZT film 25c is 1 nm to 30 nm (for example, 20 nm).
この結果、初期PZT膜25a、コアPZT膜25b及びキャップPZT膜25cからなる表面が平坦なPZT膜25が得られる。
As a result, a
次いで、図1Gに示すように、PZT膜25上に、例えばスパッタ法により厚さが50nmのIr酸化膜26を形成する。このとき、シリコン基板1の設定温度を300℃とし、チャンバ内に、Arを140sccmの流量で供給すると共に、O2を60sccmの流量で供給する。また、スパッタパワは、例えば1kW〜2kW程度とする。なお、Ir酸化膜26の代わりに、Ru、Rh、Re、Os又はPdの酸化膜を形成してもよい。また、SrRuO3膜等の導電性酸化物膜を形成してもよい。また、これらを積層したものを用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 1G, an
次に、チャンバ内に、O2を20sccmの流量で供給すると共に、Arを2000scmの流量で供給しながら、725℃、60秒間のRTAを行うことにより、PZT膜25を完全に結晶化させる。また、このRTAにより、Ir酸化膜26のプラズマダメージが回復され、PZT膜25中の酸素欠損が補われる。
Next, while supplying O 2 at a flow rate of 20 sccm into the chamber and performing RTA at 725 ° C. for 60 seconds while supplying Ar at a flow rate of 2000 sccm, the
その後、Ir酸化膜26上に、例えばスパッタ法により厚さが50nm〜100nmのIr酸化膜27を形成する。チャンバ内雰囲気をAr及びO2の混合雰囲気とし、チャンバ内圧力を0.8Paとし、スパッタパワを1.0kWとした場合、45秒間程度で、Ir酸化膜27の厚さは125nm程度となる。なお、Ir酸化膜27の組成はIr酸化膜26の組成よりもIrO2の化学量論組成に近い組成とすることが好ましい。これは、このような組成とすることにより、水素に対する触媒作用が抑えられ、PZT膜25が水素ラジカルにより還元されるという問題が抑制され、強誘電体キャパシタの水素耐性が向上するからである。また、Ir酸化膜27を形成する際のシリコン基板1の温度は100℃以下とすることが好ましい。Ir酸化膜27の異常成長を抑制するためである。また、Ir酸化膜27の代わりに、Ru、Rh、Re、Os又はPdの酸化膜を形成してもよい。また、SrRuO3膜等の導電性酸化物膜を形成してもよい。また、これらを積層したものを用いてもよい。
Thereafter, an
次に、図1Hに示すように、Ir酸化膜27上に、例えばスパッタ法により厚さが50nm〜100nmのIr膜28を、水素の拡散の抑制及び工程劣化の抑制を目的として形成する。このとき、チャンバ内雰囲気をAr雰囲気とし、チャンバ内圧力を1Paとし、スパッタパワを1.0kWとする。なお、Ir膜28の代わりに、Pt膜、Ru膜、Rh膜又はPd膜等の貴金属膜を形成してもよい。また、TiNi膜、TiAl膜又はTaAl膜等の合金膜を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 1H, an
その後、シリコン基板1の背面に付着したPZT膜の材料等を除去するために背面洗浄を行う。続いて、図1Iに示すように、Ir膜28上に窒化チタン膜(TiN膜)31及びシリコン酸化膜32を順次形成する。TiN膜31は、例えばスパッタ法により形成する。シリコン酸化膜32は、例えばTEOSガスを用いたCVD法により形成する。TiN膜31に代えて、TiAlN膜を形成してもよい。
Thereafter, in order to remove the material of the PZT film adhering to the back surface of the
次いで、図1Jに示すように、シリコン酸化膜32を島状にパターニングする。
Next, as shown in FIG. 1J, the
次に、図1Kに示すように、シリコン酸化膜32をマスクとして用いて、TiN膜31をエッチングする。この結果、島状のTiN膜31及びシリコン酸化膜32からなるハードマスクが形成される。
Next, as shown in FIG. 1K, the
次に、TiN膜31及びシリコン酸化膜32をマスクとして用いて、HBr、O2、Ar、及びC4F8の混合ガスをエッチングガスとするプラズマエッチングを、Ir膜28、Ir酸化膜27、Ir酸化膜26、PZT膜25、Ir膜24a及びIr膜23に対して行う。この結果、上部電極33が形成される。
Next, using the
続いて、図1Lに示すように、ドライエッチング又はウェットエッチによりシリコン酸化膜32を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 1L, the
次に、図1Mに示すように、Ir膜28等をマスクとして用いて、ドライエッチングを行うことにより、TiAlN膜22及びTiN膜21をパターニングする。本実施形態では、Ir膜24a、Ir膜23、TiAlN膜22及びTiN膜21から下部電極30が構成される。なお、TiAlN膜22及びTiN膜21をバリアメタル膜とみなすことも可能である。
Next, as shown in FIG. 1M, the
次いで、図1Nに示すように、強誘電体キャパシタを覆う保護膜35をシリコン酸化膜16上に形成する。保護膜35としては、例えばスパッタ法により厚さが約20nmのアルミニウム酸化膜を形成する。保護膜35として、MOCVD法により厚さ2nm〜5nmのアルミニウム酸化膜を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 1N, a
その後、図1Oに示すように、強誘電体膜のダメージを回復させるために、酸素含有雰囲気中で回復アニールを行う。この回復アニールの条件は特に限定されないが、例えばシリコン基板1の設定温度を550℃〜700℃とする。特に、本実施形態のように、強誘電体膜としてPZT膜25が形成されている場合には、酸素雰囲気中で600℃、60分間の回復アニールを行う。
Thereafter, as shown in FIG. 1O, recovery annealing is performed in an oxygen-containing atmosphere in order to recover the damage of the ferroelectric film. The conditions for this recovery annealing are not particularly limited. For example, the set temperature of the
その後、図1Pに示すように、保護膜35上に新たな保護膜36を形成する。保護膜36としては、例えばCVD法により厚さが30nm〜40nmのアルミニウム酸化膜を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 1P, a new
次に、図1Qに示すように、保護膜36上に、例えばプラズマTEOSCVD法により厚さが約1500nmのシリコン酸化膜37を層間絶縁膜として形成する。このとき、原料ガスとして、例えば、TEOSガス、酸素ガス及びヘリウムガスからなる混合ガスを用いる。その後、シリコン酸化膜37の表面を、例えばCMP法により平坦化する。なお、層間絶縁膜として、例えば、絶縁性を有する無機膜等を形成してもよい。
Next, as shown in FIG. 1Q, a
続いて、N2Oガス又はN2ガス等を用いて発生させたプラズマ雰囲気中で、熱処理を行う。この結果、シリコン酸化膜37中の水分が除去されると共に、シリコン酸化膜37の膜質が変化し、シリコン酸化膜37中に水分が入りにくくなる。
Subsequently, heat treatment is performed in a plasma atmosphere generated using N 2 O gas or N 2 gas. As a result, moisture in the
その後、シリコン酸化膜37上に、例えばスパッタ法又はCVD法により、保護膜(バリア膜)38を形成する。保護膜38としては、例えば厚さが20nm〜100nmのアルミニウム酸化膜を形成する。平坦化されたシリコン酸化膜37上に保護膜38が形成されるため、保護膜38も平坦となる。
Thereafter, a protective film (barrier film) 38 is formed on the
次に、保護膜38上に、例えばプラズマTEOSCVD法により厚さが300nm〜500nmのシリコン酸化膜39を層間絶縁膜として形成する。その後、シリコン酸化膜39の表面を、例えばCMP法により平坦化する。なお、層間絶縁膜として、シリコン酸窒化膜又はシリコン窒化膜等を形成してもよい。
Next, a
次いで、図1Rに示すように、フォトリソグラフィ技術により、シリコン酸化膜39、保護膜38及びシリコン酸化膜37をパターニングすることにより、上部電極33を露出するコンタクトホールを形成する。その後、550℃の酸素雰囲気中で熱処理を行うことにより、コンタクトホールの形成の際にPZT膜25に生じた酸素欠損を回復させる。続いて、このコンタクトホール内に埋込材を形成し、フォトリソグラフィ技術により、シリコン酸化膜39、保護膜38、シリコン酸化膜37、保護膜36、保護膜35、シリコン酸化膜16及びシリコン酸窒化膜15をパターニングすることにより、グルー膜13及びW膜14からなるコンタクトプラグを露出するコンタクトホールを形成する。
Next, as shown in FIG. 1R, a contact hole exposing the
次いで、埋込材を除去し、各コンタクトホールの底部及び側部に、Ti膜及びTiN膜を順次形成することにより、グルー膜(密着膜)40を形成する。このとき、例えば、Ti膜をスパッタ法により形成し、その上にTiN膜をMOCVD法により形成する。但し、TiN膜をMOCVD法により形成する場合には、TiN膜から炭素を除去するために、窒素及び水素の混合ガスのプラズマ中での処理が必要とされる。本実施形態では、上部電極33の最表面がIr膜28となっているため、このプラズマ処理が行われても、上部電極33は還元されない。また、グルー膜40として、TiN膜のみを形成してもよい。
Next, the buried material is removed, and a glue film (adhesion film) 40 is formed by sequentially forming a Ti film and a TiN film on the bottom and sides of each contact hole. At this time, for example, a Ti film is formed by sputtering, and a TiN film is formed thereon by MOCVD. However, when the TiN film is formed by the MOCVD method, a treatment in a plasma of a mixed gas of nitrogen and hydrogen is required to remove carbon from the TiN film. In the present embodiment, since the outermost surface of the
その後、コンタクトホール内及びシリコン酸化膜39上にタングステン膜(W膜)41を形成する。W膜41の厚さは、シリコン酸化膜39の上面から約300nmとする。続いて、CMPを行うことにより、コンタクトホール内のみにグルー膜40及びW膜41を残す。これらからコンタクトプラグが構成される。なお、このCMPでは、オーバー研磨を行うことにより、シリコン酸化膜39上のグルー膜40及びW膜41を完全に除去する。
Thereafter, a tungsten film (W film) 41 is formed in the contact hole and on the
続いて、図1Sに示すように、シリコン酸化膜39及びコンタクトプラグ上に、Ti膜42、TiN膜43、AlCu膜44、TiN膜45及びTi膜46からなる配線を形成する。配線の形成に当たっては、例えばスパッタ法により、厚さが60nmのTi膜、厚さが30nmのTiN膜、厚さが360nmのAlCu膜、厚さが5nmのTi膜、及び厚さが70nmのTiN膜を順次形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、これらをパターニングする。
Subsequently, as shown in FIG. 1S, a wiring composed of a
その後、更に、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。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。 Thereafter, further formation of an interlayer insulating film, formation of contact plugs, formation of wiring from the second layer onward, and the like are performed. 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.
このような第1の実施形態では、Ir酸化膜24を還元によってIr膜24aに変化させながら初期PZT膜25aを形成しているので、異常酸化が生じることがなく、初期PZT膜25aの配向が極めて良好なものとなる。また、配向のばらつきが抑制され、強誘電体キャパシタのスイッチング電荷量に大きな影響を及ぼすコアPZT膜25bの(222)面の配向率は90%を超える。従って、高い歩留まりを得ることができる。
In the first embodiment, since the initial PZT film 25a is formed while the
なお、Ir膜24aを構成する結晶の平均粒径は、Ir膜23を構成する結晶の平均粒径よりも小さくなり、例えば20nm以下となる。
The average grain size of the crystals constituting the
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図2A乃至図2Cは、本発明の第2の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 2A to 2C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the second embodiment of the present invention in the order of steps.
第2の実施形態では、先ず、第1の実施形態と同様に、シリコン酸化膜16の表面に対するNH3プラズマ処理までの処理を行う。但し、グルー膜17及びW膜18からなるコンタクトプラグの形成に当たっては、図2Aに示すように、コンタクトプラグの表面にリセス50が形成されることがある。リセス50の深さは、例えば20nm〜50nm程度である。
In the second embodiment, first, similarly to the first embodiment, the process up to the NH 3 plasma process is performed on the surface of the
このようなリセス50が存在したままで第1の実施形態と同様の処理を行うと、TiN膜21等の表面に、リセス50を反映した凹部が形成され、PZT膜25の配向が低下することがある。そこで、第2の実施形態では、図2Bに示すように、シリコン酸化膜16及びコンタクトプラグ上に厚さが約100nmのTi膜51を形成する。このTi膜51の形成では、例えば、シリコン基板1から約60mm離間した位置にターゲットが設けられたスパッタリング装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を20℃とし、チャンバ内圧力を0.15Paとし、チャンバ内の雰囲気をAr雰囲気とした状態で、2.6kWのスパッタDCパワを35秒間供給する。本実施形態でも、Ti膜51の形成前に、シリコン酸化膜16の表面にNH3プラズマ処理を行っているので、その上に堆積したTi原子は酸素原子に捕獲されることなく、シリコン酸化膜16の表面を自在に移動することができる。この結果、Ti膜51は自己組織化され、その表面が(002)面に強く配向したものとなる。
If the same processing as in the first embodiment is performed with such a
その後、例えばCMP法によりTi膜51の表面を平坦化する。平坦化後のTi膜51の厚さは、例えばシリコン酸化膜16の表面から50nm〜100nmとする。この厚さの制御は、例えば時間制御により行う。
Thereafter, the surface of the
続いて、Ti膜51の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜51の表面の結晶には、平坦化処理によって歪が生じているが、このプラズマ処理により、歪が緩和される。このため、その上に形成される膜の結晶性の低下を未然に回避することができる。
Subsequently, the surface of the
次に、Ti膜51上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1の実施形態と同様に、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTAを行うことにより、図2Cに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。
Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the
その後、第1の実施形態と同様に、TiAlN膜22の形成以降の処理を行う。
Thereafter, similarly to the first embodiment, processing after the formation of the
このような第2の実施形態によれば、リセス50が形成された場合であっても、良好な特性の強誘電体キャパシタを得ることができる。
According to such a second embodiment, a ferroelectric capacitor having good characteristics can be obtained even when the
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図3A及び図3Bは、本発明の第3の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. 3A and 3B are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the third embodiment of the present invention in the order of steps.
第3の実施形態では、先ず、第2の実施形態と同様に、Ti膜51の形成までの処理を行う。その後、図3Aに示すように、例えばCMP法により、シリコン酸化膜16の表面が露出するまでTi膜51の表面を平坦化する。つまり、第2の実施形態とは異なり、シリコン酸化膜16上のTi膜51を完全に除去する。
In the third embodiment, first, similarly to the second embodiment, processing up to the formation of the
続いて、第2の実施形態と同様に、Ti膜51の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜51の表面の結晶には、平坦化処理によって歪が生じているが、このプラズマ処理により、歪が緩和される。このため、その上に形成される膜の結晶性の低下を未然に回避することができる。
Subsequently, similarly to the second embodiment, the surface of the
次に、Ti膜51上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1及び第2の実施形態と同様に、窒素雰囲気中で650℃、60秒間のRTAを行うことにより、図3Bに示すように、Ti膜を、その表面が(111)面に強く配向したTiN膜21とする。
Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the
その後、第1及び第2の実施形態と同様に、TiAlN膜22の形成以降の処理を行う。
Thereafter, similarly to the first and second embodiments, the processing after the formation of the
このような第3の実施形態によっても、第2の実施形態と同様の効果が得られる。 According to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
(第4の実施形態)
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。図4A乃至図4Cは、本発明の第4の実施形態に係る強誘電体メモリ(半導体装置)の製造方法を工程順に示す断面図である。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. 4A to 4C are cross-sectional views showing a method of manufacturing a ferroelectric memory (semiconductor device) according to the fourth embodiment of the present invention in the order of steps.
第4の実施形態では、先ず、図4Aに示すように、第1の実施形態と同様に、グルー膜13及びW膜14からなるコンタクトプラグの形成までの処理を行う。但し、グルー膜13及びW膜14からなるコンタクトプラグは、2つのMOSトランジスタに共有されているシリサイド層10上には形成しない。
In the fourth embodiment, first, as shown in FIG. 4A, similarly to the first embodiment, the processes up to the formation of the contact plug composed of the
次に、シリコン酸化膜12の表面に対してNH3プラズマ処理を行うことにより、シリコン酸化膜12の表面の酸素原子にNH基を結合させる。このプラズマ処理では、例えば、シリコン基板1から約9mm(350mils)離間した位置に対向電極が設けられた平行平板型のプラズマ処理装置を使用する。そして、シリコン基板1の設定温度を400℃とし、チャンバ内圧力を266Pa(2Torr)とした状態で、チャンバ内にアンモニアガスを350sccmの流量で供給する。また、シリコン基板1側に13.56MHzの高周波を100Wのパワで供給すると共に、対向電極に350kHzの高周波を55Wのパワで供給し、これらを60秒間継続する。
Next, NH 3 plasma treatment is performed on the surface of the
次いで、図4Bに示すように、TiN膜21をシリコン酸化膜12及びコンタクトプラグ上に形成する。TiN膜21の形成方法は、第1の実施形態と同様である。その後、TiAlN膜22の形成から保護膜36の形成までの処理を行う。
Next, as shown in FIG. 4B, a
その後、図4Cに示すように、第1の実施形態と同様にして、シリコン酸化膜37の形成及び平坦化を行う。次に、2つのMOSトランジスタに共有されているシリサイド層10まで到達するコンタクトホールを、シリコン酸化膜37、保護膜36、保護膜35、シリコン酸化膜12及びシリコン酸窒化膜11に形成する。そして、このコンタクトホール内に、グルー膜40及びW膜41からなるコンタクトプラグを形成する。更に、コンタクトプラグを酸化防止膜(図示せず)等により覆った状態で、上部電極33を露出する孔を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4C, the
続いて、シリコン酸化膜37上、コンタクトプラグ上及び孔内に、Ti膜42、TiN膜43、AlCu膜44、TiN膜45及びTi膜46からなる配線及びパッドを形成する。配線及びパッドの形成に当たっては、例えばスパッタ法により、厚さが60nmのTi膜、厚さが30nmのTiN膜、厚さが360nmのAlCu膜、厚さが5nmのTi膜、及び厚さが70nmのTiN膜を順次形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて、これらをパターニングする。
Subsequently, wirings and pads made of the
その後、更に、層間絶縁膜の形成、コンタクトプラグの形成及び下から第2層目以降の配線の形成等を行う。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。 Thereafter, further formation of an interlayer insulating film, formation of contact plugs, formation of wiring from the second layer onward, and the like are performed. 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.
このような第4の実施形態によれば、第1の実施形態よりも少ない工程で強誘電体キャパシタを完成させることができる。 According to the fourth embodiment, the ferroelectric capacitor can be completed with fewer steps than the first embodiment.
なお、強誘電体キャパシタの構造をスタック構造ではなく、プレーナ構造としてもよい。この場合には、下部電極30としてPt膜等を用いることができる。また、下部電極30とシリコン酸化膜16との間に、チタン膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、TiAlN膜、酸化タンタル膜、酸化チタン膜及び/又は酸化ジルコニウム膜を密着層として設けることが好ましい。
Note that the structure of the ferroelectric capacitor may be a planar structure instead of a stack structure. In this case, a Pt film or the like can be used as the
また、酸化物誘電体膜としては、例えば、結晶構造がBi層状構造又はペロブスカイト構造の膜を形成することができる。このような膜としては、PZT膜の他、La、Ca、Sr及び/又はSi等を微量ドープしたPZT、SBT、BLT並びにBi系層状化合物などの一般式ABO3で表される膜が挙げられる。また、強誘電体膜に代えて誘電体膜を用いてもよい。 Further, as the oxide dielectric film, for example, a film having a Bi layer structure or a perovskite structure can be formed. Examples of such a film include a film represented by the general formula ABO 3 such as PZT, SBT, BLT, and Bi-based layered compound doped with a small amount of La, Ca, Sr, and / or Si, in addition to the PZT film. . A dielectric film may be used in place of the ferroelectric film.
なお、上記の特許文献等の中には、イリジウム膜上にMOCVD法によりPZT膜を形成することが記載されたものもある。しかしながら、これらの技術では、PZT膜の形成の初期にIr膜の表面の酸化を回避することができず、上記のような効果は得られない。また、イリジウム酸化膜上にMOCVD法によりPZT膜を形成することが記載されたものもある。しかしながら、これらの技術では、イリジウム酸化膜中の酸素濃度が高く設定されているため、十分に還元されることはない。つまり、イリジウム酸化膜をイリジウム膜に変化させることはできず、上記のような効果は得られない。 In addition, some of the above-mentioned patent documents describe that a PZT film is formed on an iridium film by MOCVD. However, these techniques cannot avoid the oxidation of the surface of the Ir film at the initial stage of the formation of the PZT film, and the above effects cannot be obtained. In addition, there is a description that a PZT film is formed on an iridium oxide film by MOCVD. However, these techniques are not sufficiently reduced because the oxygen concentration in the iridium oxide film is set high. That is, the iridium oxide film cannot be changed to an iridium film, and the above effects cannot be obtained.
次に、本願発明者が実際に行った実験の結果について説明する。 Next, the results of experiments actually performed by the present inventors will be described.
(第1の実験)
第1の実験では、Ir酸化膜24の形成温度について調査した。第1の実験では、厚さが30nmのIr酸化膜24を、Arガスの流量:186sccm、O2ガスの流量:14sccm(O2の割合:7%)、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.6nm/秒の条件下で、第1の実施形態と同様にしてIr膜23上に形成した(時間:19秒間)。また、シリコン基板1の温度は、室温(25℃)、50℃、100℃、100℃、200℃、300℃とした。その後、MOCVD法により初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを、いずれも0.17nm/秒の速度で形成した。また、Ir酸化膜24を形成せずにIr膜23上に初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを直接形成した参考試料も作製した。そして、コアPZT膜25bの結晶構造をX線回折法により分析した。この分析は、円盤状のシリコン基板1のオリエンテーションフラットを下端に位置させたときの中央部、上端部及び右端部の3箇所について行った。この結果を図5A〜図5Dに示す。図5Aは、(100)面への配向の積分強度を示し、図5Bは、(101)面への配向の積分強度を示し、図5Cは、(111)面への配向の積分強度を示し、図5Dは、(222)面の配向率を示している。
(First experiment)
In the first experiment, the formation temperature of the
図5A〜図5Dに示すように、室温〜100℃でIr酸化膜24を形成した場合には、特に良好な結果が得られた。つまり、(100)面への配向及び(101)面への配向が低く、(111)面への配向が高かった。従って、(222)の配向率が高かった。更に、配向のばらつきも低かった。これは、室温で形成されたIr酸化膜24はアモルファス膜であり、50℃又は100℃で形成されたIr酸化膜24は微細な結晶からなるため、チャンバ内での酸化及び還元がほぼ均一に行われているからであると考えられる。
As shown in FIGS. 5A to 5D, particularly good results were obtained when the
また、200℃又は300℃でIr酸化膜24を形成した場合には、室温〜100℃で形成した場合と比較して若干劣る結果が得られた。これは、Ir酸化膜24の酸化度が高く、初期PZT膜25aの高速形成との協働作用により、Ir膜24aへの還元が不十分になったためであると考えられる。
Further, when the
一方、Ir酸化膜24を形成していない参考試料では、Ir酸化膜24を形成した試料と比較して劣った結果が得られた。つまり、(100)面及び(101)面への配向が高く、(111)面への配向が低かった。従って、(222)の配向率が低かった。また、特に、右端部における(111)面への配向が弱く、ばらつきが大きかった。
On the other hand, the reference sample in which the
第1の実験の結果から、Ir酸化膜24の形成温度は室温〜100℃であることが特に好ましいと考えられる。
From the result of the first experiment, it is considered that the formation temperature of the
(第2の実験)
第2の実験では、Ir酸化膜24の厚さについて調査した。第2の実験では、種々の厚さのIr酸化膜24を第1の実験と同様の条件下でIr膜23上に形成した。なお、第1の実験の結果を考慮して、形成温度は60℃とした。Ir酸化膜24の厚さは、15nm、25nm、35nm、40nm、50nmとした。その後、MOCVD法により初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを、いずれも0.17nm/秒の速度で形成した。そして、PZT膜25bの結晶構造をX線回折法により分析した。この分析は、円盤状のシリコン基板1のオリエンテーションフラットを下端に位置させたときの中央部、上端部、右端部及び下端部の4箇所について行った。この結果を図6A〜図6Dに示す。図6Aは、(100)面への配向の積分強度を示し、図6Bは、(101)面への配向の積分強度を示し、図6Cは、(111)面への配向の積分強度を示し、図6Dは、(222)面の配向率を示している。
(Second experiment)
In the second experiment, the thickness of the
図6A〜図6Dに示すように、厚さが25nm〜40nmの場合に、特に良好な結果が得られた。つまり、(100)面への配向及び(101)面への配向が低く、(111)面への配向が高かった。従って、(222)の配向率が高かった。更に、配向のばらつきも低かった。これは、チャンバ内での酸化及び還元がほぼ均一に行われているからであると考えられる。 As shown in FIGS. 6A to 6D, particularly good results were obtained when the thickness was 25 nm to 40 nm. That is, the orientation to the (100) plane and the orientation to the (101) plane were low, and the orientation to the (111) plane was high. Therefore, the orientation rate of (222) was high. Furthermore, the variation in orientation was low. This is presumably because the oxidation and reduction in the chamber are performed almost uniformly.
また、厚さが15nmの場合には、厚さが25nm〜40nmの場合と比較して若干劣る結果が得られた。これは、チャンバ内でIr酸化膜24が酸化するだけでなく、Ir膜23に若干の異常酸化が生じ、この部分が還元の際に配向の良好な結晶となりにくいためであると考えられる。なお、初期PZT膜25aの形成条件(例えば、雰囲気)を調整することにより、Ir膜23の異常酸化を抑制することは可能である。
Further, when the thickness was 15 nm, a slightly inferior result was obtained as compared with the case where the thickness was 25 nm to 40 nm. This is presumably because not only the
厚さが50nmの場合にも、厚さが25nm〜40nmの場合と比較して若干劣る結果が得られた。これは、Ir酸化膜24が厚いため、初期PZT膜25aの高速形成との協働作用により、Ir膜24aへの還元が不十分になったためであると考えられる。
Even when the thickness was 50 nm, a slightly inferior result was obtained as compared with the case where the thickness was 25 nm to 40 nm. This is considered to be because the
第2の実験の結果から、Ir酸化膜24の厚さは25nm〜40nmであることが特に好ましいと考えられる。
From the result of the second experiment, it is considered that the thickness of the
(第3の実験)
第3の実験では、Ir酸化膜24を形成する際の雰囲気ガス中のO2ガスの割合について調査した。第3の実験では、種々の雰囲気中で、厚さが30nmのIr酸化膜24を第1の実験と同様の条件下でIr膜23上に形成した。なお、第1の実験の結果を考慮して、形成温度は60℃とした。O2ガスの割合は、5%(Arガスの流量:190sccm、O2ガスの流量:10sccm)、7%(Arガスの流量:186sccm、O2ガスの流量:14sccm)、10%(Arガスの流量:180sccm、O2ガスの流量:20sccm)、20%(Arガスの流量:160sccm、O2ガスの流量:40sccm)、25%(Arガスの流量:150sccm、O2ガスの流量:50sccm)、30%(Arガスの流量:140sccm、O2ガスの流量:60sccm)、35%(Arガスの流量:130sccm、O2ガスの流量:70sccm)とした。その後、MOCVD法により初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを、いずれも0.17nm/秒の速度で形成した。そして、PZT膜25bの結晶構造をX線回折法により分析した。この分析は、円盤状のシリコン基板1のオリエンテーションフラットを下端に位置させたときの中央部、上端部、右端部、下端部及び左端部の5箇所について行った。この結果を図7A〜図7Dに示す。図7Aは、(100)面への配向の積分強度を示し、図7Bは、(101)面への配向の積分強度を示し、図7Cは、(111)面への配向の積分強度を示し、図7Dは、(222)面の配向率を示している。
(Third experiment)
In the third experiment, the proportion of O 2 gas in the atmospheric gas when forming the
図7A〜図7Dに示すように、O2の割合が5%〜10%の場合には、特に良好な結果が得られた。つまり、(100)面への配向及び(101)面への配向が低く、(111)面への配向が高かった。従って、(222)の配向率が高かった。更に、配向のばらつきも低かった。これは、チャンバ内での酸化及び還元がほぼ均一に行われているからであると考えられる。 As shown in FIGS. 7A to 7D, particularly good results were obtained when the proportion of O 2 was 5% to 10%. That is, the orientation to the (100) plane and the orientation to the (101) plane were low, and the orientation to the (111) plane was high. Therefore, the orientation rate of (222) was high. Furthermore, the variation in orientation was low. This is presumably because the oxidation and reduction in the chamber are performed almost uniformly.
また、O2の割合が20%〜35%の場合には、O2の割合が5%〜10%の場合と比較して若干劣る結果が得られた。これは、Ir酸化膜24の酸化度が高く、初期PZT膜25aの高速形成との協働作用により、Ir膜24aへの還元が不十分になったためであると考えられる。
Further, when the ratio of O 2 was 20% to 35%, a slightly inferior result was obtained as compared with the case where the ratio of O 2 was 5% to 10%. This is presumably because the degree of oxidation of the
第3の実験の結果から、スパッタパワが0.5kW、かつ初期PZT膜25aの形成速度が0.17nm/秒の場合には、O2の割合は5%〜10%であることが特に好ましいと考えられる。 From the result of the third experiment, when the sputtering power is 0.5 kW and the formation rate of the initial PZT film 25a is 0.17 nm / second, the ratio of O 2 is particularly preferably 5% to 10%. Conceivable.
なお、スパッタパワ、形成速度及びO2の割合はIr酸化膜24の比抵抗に影響を及ぼす。そして、例えば、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.5nm/秒、O2の割合:5%(Arガスの流量:190sccm、O2ガスの流量:10sccm)の条件下で形成されたIr酸化膜24の比抵抗は、スパッタパワ:1.0kW、形成速度:3.0nm/秒、O2の割合:10%(Arガスの流量:180sccm、O2ガスの流量:20sccm)の条件下で形成されたIr酸化膜24の比抵抗と同等である。いずれのIr酸化膜24においても比抵抗は300Ω・cm程度となる。スパッタパワ:2.0kW、形成速度:6.0nm/秒、O2の割合:18%(Arガスの流量:164sccm、O2ガスの流量:36sccm)の条件下で形成されたIr酸化膜24でも同様である。
Note that the sputter power, the formation speed, and the ratio of O 2 affect the specific resistance of the
従って、スパッタパワ及び/又は形成速度に応じて、O2ガスの好ましい割合も変化する。例えば、Ir酸化膜24の形成速度が1.0nm/秒以上2.5nm/秒未満の場合、O2ガスの割合は2%〜15%であることが好ましい。Ir酸化膜24の形成速度が2.5nm/秒以上4.0nm/秒未満の場合、O2ガスの割合は4%〜20%であることが好ましい。Ir酸化膜24の形成速度が4.0nm/秒以上7.0nm/秒以下の場合、O2ガスの割合は5%〜30%であることが好ましい。特に、スパッタパワを0.5kWとし、O2ガスの割合を5%〜7%とすることが好ましい。
Accordingly, the preferred ratio of O 2 gas also changes depending on the sputter power and / or the formation rate. For example, when the formation rate of the
(第4の実験)
第4の実験では、初期PZT膜25aの形成速度について調査した。第4の実験では、厚さが30nmのIr酸化膜24を、Arガスの流量:186sccm、O2ガスの流量:14sccm(O2の割合:7%)、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.6nm/秒、形成温度:60℃の条件下で、第1の実施形態と同様にしてIr膜23上に形成した。その後、MOCVD法により初期PZT膜25aを形成し、更に、コアPZT膜25bを形成温度:620℃、形成速度:0.17nm/秒の条件下で形成した。初期PZT膜25aの形成に際しては、形成温度を600℃又は620℃とし、形成速度を0.04nm/秒又は0.17nm/秒とした。そして、SEMを用いてコアPZT膜25bの表面を観察した。この結果を図8A〜図8Dに示す。図8Aは、初期PZT膜25aを620℃、0.17nm/秒で形成した試料のSEM写真を示す。図8Bは、初期PZT膜25aを620℃、0.04nm/秒で形成した試料のSEM写真を示す。図8Cは、初期PZT膜25aを600℃、0.17nm/秒で形成した試料のSEM写真を示す。図8Dは、初期PZT膜25aを600℃、0.04nm/秒で形成した試料のSEM写真を示す。
(Fourth experiment)
In the fourth experiment, the formation rate of the initial PZT film 25a was investigated. In the fourth experiment, an
図8A〜図8Dに示すように、0.04nm/秒の速度で初期PZT膜25aを形成した試料において(図8B及び図8D)において、表面の凹凸が抑制された。また、形成速度が同一であれば、形成温度が高い試料において凹凸が抑制された。このような凹凸の存在は、例えばスイッチング電荷量の低下につながることがある。 As shown in FIGS. 8A to 8D, surface irregularities were suppressed in the sample in which the initial PZT film 25a was formed at a rate of 0.04 nm / second (FIGS. 8B and 8D). Moreover, if the formation speed was the same, the unevenness | corrugation was suppressed in the sample with high formation temperature. The presence of such irregularities may lead to a decrease in switching charge amount, for example.
また、620℃で初期PZT膜25aを形成した2つの試料について、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)を用いて、シリコン基板1内の3点における平均粗さRaを測定した。この結果、0.17nm/秒で形成した試料では、平均粗さRaが8.5nm、突起数が約20個/μm2であった。これに対し、0.04nm/秒で形成した試料では、平均粗さRaが4.5nm、突起数が約5個/μm2であった。つまり、0.04nm/秒で形成した試料において優れた結果が得られた。
Further, the average roughness Ra at three points in the
第4の実験の結果から、初期PZT膜25aの形成速度は0.10nm/秒以下であることが特に好ましいと考えられる。 From the result of the fourth experiment, it is considered that the formation rate of the initial PZT film 25a is particularly preferably 0.10 nm / second or less.
(第5の実験)
第5の実験では、初期PZT膜25aの厚さについて調査した。第5の実験では、種々の厚さの初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを第4の実験と同様の条件下で形成した。なお、第4の実験の結果を考慮して、形成速度は0.04nm/秒とした。また、初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bの総厚を100nmとし、初期PZT膜25aの厚さを、1.0nm、2.5nm、5.0nmとした。そして、SEMを用いてコアPZT膜25bの表面を観察した。この結果を図9A〜図9Cに示す。図9Aは、初期PZT膜25aの厚さを5.0nmとした試料のSEM写真を示す。図9Bは、初期PZT膜25aの厚さを2.5nmとした試料のSEM写真を示す。図9Cは、初期PZT膜25aの厚さを1.0nmとした試料のSEM写真を示す。
(Fifth experiment)
In the fifth experiment, the thickness of the initial PZT film 25a was investigated. In the fifth experiment, the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b having various thicknesses were formed under the same conditions as in the fourth experiment. In consideration of the result of the fourth experiment, the formation rate was set to 0.04 nm / second. The total thickness of the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b was 100 nm, and the thickness of the initial PZT film 25a was 1.0 nm, 2.5 nm, and 5.0 nm. And the surface of the core PZT film | membrane 25b was observed using SEM. The results are shown in FIGS. 9A to 9C. FIG. 9A shows an SEM photograph of a sample in which the initial PZT film 25a has a thickness of 5.0 nm. FIG. 9B shows an SEM photograph of a sample in which the initial PZT film 25a has a thickness of 2.5 nm. FIG. 9C shows an SEM photograph of a sample in which the initial PZT film 25a has a thickness of 1.0 nm.
図9A〜図9Cに示すように、厚さが2.5nm又は5.0nmの場合に、特に良好な結果が得られた。一方、厚さが1.0nmの場合には、厚さが2.5nm又は5.0nmの場合と比較して若干劣る結果が得られた。これは、初期PZT膜25aが薄いため、それ自身の均一性が低くなったためであると考えられる。 As shown in FIGS. 9A to 9C, particularly good results were obtained when the thickness was 2.5 nm or 5.0 nm. On the other hand, when the thickness was 1.0 nm, a slightly inferior result was obtained as compared with the thickness of 2.5 nm or 5.0 nm. This is considered to be because the initial PZT film 25a is thin and the uniformity of itself is lowered.
第5の実験の結果から、初期PZT膜25aの厚さは2.5nm以上であることが特に好ましいと考えられる。なお、上述のように、初期PZT膜25aの厚さが10nmを超えると、酸素欠損等の影響が大きくなり、十分なスイッチング電荷量を確保しにくくなる可能性がある。従って、初期PZT膜25aの厚さは2.5nm〜10nmであることが好ましい。 From the result of the fifth experiment, it is considered that the thickness of the initial PZT film 25a is particularly preferably 2.5 nm or more. As described above, when the thickness of the initial PZT film 25a exceeds 10 nm, the influence of oxygen deficiency or the like increases, and it may be difficult to secure a sufficient switching charge amount. Therefore, the thickness of the initial PZT film 25a is preferably 2.5 nm to 10 nm.
(第6の実験)
第6の実験では、Ir酸化膜24の変化について調査した。第4の実験では、厚さが30nmのIr酸化膜24を、Arガスの流量:186sccm、O2ガスの流量:14sccm(O2の割合:7%)、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.6nm/秒、形成温度:60℃の条件下で、第1の実施形態と同様にしてIr膜23上に形成した。そして、この試料のX線回折分析を行った。その後、第1の実施形態と同様にして、O2が供給されるチャンバ内でこの試料を620℃まで加熱した。なお、その後のPZT膜の原料の供給は行わなかった。そして、再度、この試料のX線回折分析を行った。これらの結果を図10に示す。図10中の下側が加熱前の分析結果を示し、上側が加熱後の分析結果を示している。
(Sixth experiment)
In the sixth experiment, the change of the
図10に示すように、加熱前では、Ir酸化膜24はアモルファス膜又は微細な結晶からなる膜であるため、下部電極を構成する物質のピークが現れただけで、Ir酸化物のピークは現れなかった。これに対し、加熱後には、IrO2の(110)及び(101)のピークが現れた。このことは、Ir酸化膜24中に柱状晶が生成したことを意味する。
As shown in FIG. 10, before heating, the
また、O2が供給されるチャンバ内での加熱後に初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを形成した試料についてもX線回折分析を行った。この結果を図11に示す。 Also, X-ray diffraction analysis was performed on a sample in which the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b were formed after heating in a chamber to which O 2 was supplied. The result is shown in FIG.
図11に示すように、図10の上側では現われていたIrO2の(110)及び(101)のピークが消失した。また、Irの(111)のピークが顕著になった。このことは、Ir酸化膜24が還元によってIr膜23に変化したことを意味している。
As shown in FIG. 11, the peaks (110) and (101) of IrO 2 that appeared on the upper side of FIG. 10 disappeared. The Ir (111) peak became prominent. This means that the
更に、初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを形成した試料について、BF−STEM(Bright-field Scanning Transmission Electron Microscopy)観察及びエネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)分析を行った。これらの結果を図12及び図13に示す。なお、図13中の3つの分析結果は、夫々図12中の点1、点2、点3における分析結果である。
Furthermore, BF-STEM (Bright-field Scanning Transmission Electron Microscopy) observation and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis are performed on the sample on which the initial PZT film 25a and the core PZT film 25b are formed. went. These results are shown in FIGS. Note that the three analysis results in FIG. 13 are the analysis results at
図12に示すように、下部電極には、2つのIr膜が存在した。そして、下側のIr膜において結晶粒が大きかった。上側のIr膜中の結晶の平均粒径は11nmであった。下側のIr膜はIr膜23に相当し、上側のIr膜はIr膜24aに相当する。
As shown in FIG. 12, two Ir films were present on the lower electrode. The crystal grains were large in the lower Ir film. The average grain size of the crystals in the upper Ir film was 11 nm. The lower Ir film corresponds to the
また、図13に示すように、点1(コアPZT膜25b中)では、Pb、Zr、Ti及びOが検出され、点2(初期PZT膜25a中)では、Pb、Zr、Ti、Ir及びOが検出され、点3(Ir膜24a中)では、Irが検出された。つまり、コアPZT膜25b中ではIrが検出されなかったが、初期PZT膜25a中ではIrが検出された。これは、Irが初期PZT膜25aまでは拡散したものの、コアPZT膜25bまでは拡散しなかったことを意味する。また、点3においてOが検出されていないことから、Ir酸化膜24がIr膜24aに変化したことも明らかである。
As shown in FIG. 13, Pb, Zr, Ti and O are detected at point 1 (in the core PZT film 25b), and Pb, Zr, Ti, Ir and at point 2 (in the initial PZT film 25a). O was detected, and at point 3 (in the
更に、EDXのマッピングで試料のPb及びIrを測定した結果、Ir膜24aとコアPZT膜25bとの間に、これらとは異なる膜が存在することが確認された。また、この膜では、Pbの量がコアPZT膜25bより少なかった。従って、この膜は初期PZT膜25aに相当するといえる。また、この膜からはIrが検出されたが、コアPZT膜25bからはIrが検出されなかった。このことからも、Irが初期PZT膜25aまでは拡散したものの、コアPZT膜25bまでは拡散しなかったことが明らかである。
Furthermore, as a result of measuring Pb and Ir of the sample by EDX mapping, it was confirmed that a different film exists between the
また、二次イオン質量分析(SIMS:secondary ion mass spectrometry)を行った。この結果を図14に示す。なお、図14には、O及びIrの結果のみを示す。 In addition, secondary ion mass spectrometry (SIMS) was performed. The result is shown in FIG. FIG. 14 shows only the results of O and Ir.
図14に示すように、Oの原子密度は、Ir膜のPZT膜側でも増加していなかった。このことは、Ir酸化膜24がIr膜24aに還元されていることを意味している。また、Irの原子密度は、PZT膜のIr膜側で増加していた。このことは、ここにIrが拡散してきていることを意味している。従って、上述の結果と一致している。
As shown in FIG. 14, the atomic density of O did not increase even on the PZT film side of the Ir film. This means that the
これらの結果から、初期PZT膜25aの形成条件に応じて、還元によってIr酸化膜24がIr膜24aに変化していることが確認された。
From these results, it was confirmed that the
(第7の実験)
第7の実験では、コアPZT膜25bの配向について調査した。第7の実験では、厚さが30nmのIr酸化膜24を、Arガスの流量:186sccm、O2ガスの流量:14sccm(O2の割合:7%)、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.6nm/秒、形成温度:60℃の条件下で、第1の実施形態と同様にしてIr膜23上に形成した。その後、MOCVD法により、初期PZT膜25aを形成温度:620℃、形成速度:0.04nm/秒の条件下で形成し、更に、コアPZT膜25bを形成温度:620℃、形成速度:0.17nm/秒の条件下で形成した。このような試料を25個作製した。そして、コアPZT膜25bの結晶構造をX線回折法により分析した。この分析は、円盤状のシリコン基板1のオリエンテーションフラットを下端に位置させたときの上端部及び右端部の2箇所について行った。この結果を図15A及び図15Bに示す。図15Aは、(111)面への配向の積分強度を示し、図15Bは、(222)面の配向率を示している。
(Seventh experiment)
In the seventh experiment, the orientation of the core PZT film 25b was investigated. In the seventh experiment, an
図15A及び図15Bに示すように、中央部及び右端部のいずれにおいても、(111)面への配向が高く、また、(222)面の配向率が高かった。更に、配向のばらつきが極めて小さかった。 As shown in FIG. 15A and FIG. 15B, the orientation to the (111) plane was high and the orientation ratio of the (222) plane was high in both the central portion and the right end portion. Furthermore, the variation in orientation was extremely small.
第7の実験の結果から、コアPZT膜25bの配向が非常に良好であるといえる。 From the result of the seventh experiment, it can be said that the orientation of the core PZT film 25b is very good.
(第8の実験)
第8の実験では、第2の実施形態に関し、Ir酸化膜24を形成する際の雰囲気ガス中のO2ガスの割合について調査した。第8の実験では、種々の雰囲気中で、厚さが30nmのIr酸化膜24を、スパッタパワ:0.5kW、形成速度:1.6nm/秒、形成温度:60℃の条件下で、第2の実施形態と同様にしてIr膜23上に形成した(時間:19秒間)。O2ガスの割合は、5%、6%、7%とした。その後、MOCVD法により、厚さが5nmの初期PZT膜25aを0.04nm/秒の速度で形成し、厚さが95nmのコアPZT膜25bを0.17nm/秒の速度で形成した。また、Ir酸化膜24を形成せずにIr膜23上に初期PZT膜25a及びコアPZT膜25bを直接形成した参考試料も作製した。また、上記の4種類の条件毎に、強誘電体キャパシタのサイズ及び配列が相違する2種類の試料を作製した。一方の試料(ディスクリート)では、平面形状を一辺の長さが50μmの正方形とし、50個の強誘電体キャパシタ同士を互いから孤立させた。他方の試料(セルアレイ)では、平面形状を一辺の長さが0.7μmの正方形とし、5152個の強誘電体キャパシタが密集した領域を50箇所に作製した。そして、これらのスイッチング電荷量(印加電圧:1.8V)を測定した。この結果を図16に示す。
(Eighth experiment)
In the eighth experiment, regarding the second embodiment, the ratio of O 2 gas in the atmospheric gas when forming the
図16に示すように、Ir酸化膜24を形成した試料では、高いスイッチング電荷量が得られた。これは、コアPZT膜25bのほぼ全体が(111)面に配向しているからである。O2の割合が6%及び7%の場合に、特に高いスイッチング電荷量が得られた。
As shown in FIG. 16, in the sample in which the
一方、Ir酸化膜24を形成していない試料では、スイッチング電荷量が著しく低かった。これは、(111)面への配向が不足したためである。
On the other hand, in the sample in which the
(第9の実験)
第9の実験では、第8の実験で作製したセルアレイの試料を用いて印加電圧とスイッチング電荷量との関係について調査した。この結果を図17A及び図17Bに示す。なお、図17Aはディスクリートの結果を示し、図17Bはセルアレイの結果を示している。
(Ninth experiment)
In the ninth experiment, the relationship between the applied voltage and the switching charge amount was investigated using the sample of the cell array fabricated in the eighth experiment. The results are shown in FIGS. 17A and 17B. FIG. 17A shows the result of discrete, and FIG. 17B shows the result of cell array.
図17A及び図17Bに示すように、Ir酸化膜24を形成した試料において、Ir酸化膜24を形成していない試料と比較して非常に大きなスイッチング電荷量が得られた。また、図17Bに示すように、セルアレイでは、O2の割合が6%及び7%の場合に、特に高いスイッチング電荷量が得られた。
As shown in FIG. 17A and FIG. 17B, in the sample in which the
また、Ir酸化膜24を形成した試料、特にO2の割合が6%及び7%の試料では、曲線の最大勾配が大きかった。従って、低電圧動作も可能である。
Further, the maximum slope of the curve was large in the sample in which the
これらの結果から、強誘電体メモリへの適用を考慮すると、O2の割合は6%〜7%とすることが好ましいと考えられる。 From these results, it is considered that the ratio of O 2 is preferably 6% to 7% in consideration of application to a ferroelectric memory.
(第10の実験)
第10の実験では、第8の実験で作製したセルアレイの試料を用いてリーク電流密度について調査した。この結果を図18に示す。
(Tenth experiment)
In the tenth experiment, the leakage current density was investigated using the sample of the cell array fabricated in the eighth experiment. The result is shown in FIG.
図18に示すように、Ir酸化膜24を形成した試料のリーク電流は、いずれにおいても、Ir酸化膜24を形成していない試料と同程度となった。つまり、従来のものと比較してリーク電流が増大するという不具合は生じなかった。
As shown in FIG. 18, the leakage current of the sample in which the
23:Ir膜
24:Ir酸化膜
24a:Ir膜
25:PZT膜
25a:初期PZT膜
25b:コアPZT膜
25c:キャップPZT膜
23: Ir film 24:
Claims (6)
前記下部電極上に酸化物誘電体膜を形成する工程と、
前記酸化物誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
を有し、
前記下部電極を形成する工程は、
第1の貴金属膜を形成する工程と、
前記第1の貴金属膜上に貴金属酸化膜を形成する工程と、
を有し、
前記酸化物誘電体膜を形成する工程は、
有機金属化学気相成長法により前記貴金属酸化膜上に下層膜を形成すると共に、前記貴金属酸化膜を還元して第2の貴金属膜に変化させる工程と、
前記下層膜上に、前記下層膜の成膜速度よりも高い成膜速度で、前記下層膜よりも厚く、前記下層膜よりも酸化度が高いコア膜を形成する工程と、
を有し、
前記第2の貴金属膜を構成する結晶粒は前記第1の貴金属膜を構成する結晶粒より小さいことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a lower electrode above the substrate;
Forming an oxide dielectric film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the oxide dielectric film;
Have
The step of forming the lower electrode includes:
Forming a first noble metal film;
Forming a noble metal oxide film on the first noble metal film;
Have
The step of forming the oxide dielectric film includes
Forming a lower layer film on the noble metal oxide film by metal organic chemical vapor deposition and reducing the noble metal oxide film into a second noble metal film;
Forming a core film on the lower layer film at a deposition rate higher than the deposition rate of the lower layer film, thicker than the lower layer film and having a higher degree of oxidation than the lower layer film;
Have
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein crystal grains constituting the second noble metal film are smaller than crystal grains constituting the first noble metal film .
前記下部電極上に形成された酸化物誘電体膜と、
前記酸化物誘電体膜上に形成された上部電極と、
を有し、
前記下部電極は、
第1の貴金属膜と、
前記第1の貴金属膜の上面及び前記酸化物誘電体膜の下面に接し、前記第1の貴金属膜よりも結晶粒径が小さい第2の貴金属膜と、
を有し、
前記酸化物誘電体膜は、
前記第2の貴金属膜の上面に接する下層膜と、
前記下層膜の上面に接し、前記下層膜よりも厚く、前記下層膜よりも酸化度が高いコア膜と、
を有することを特徴とする半導体装置。 A lower electrode formed above the substrate;
An oxide dielectric film formed on the lower electrode;
An upper electrode formed on the oxide dielectric film;
Have
The lower electrode is
A first noble metal film;
A second noble metal film in contact with the upper surface of the first noble metal film and the lower surface of the oxide dielectric film and having a crystal grain size smaller than that of the first noble metal film;
Have
The oxide dielectric film is
A lower layer film in contact with the upper surface of the second noble metal film;
A core film in contact with the upper surface of the lower layer film, thicker than the lower layer film and having a higher degree of oxidation than the lower layer film;
A semiconductor device comprising:
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