JP5326256B2 - Manufacturing method of semiconductor device - 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.
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リング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.
しかしながら、ゾルゲル法又はスパッタリング法により強誘電体膜を形成する場合、その配向を高めたり、リーク電流を抑制するためには、下部電極の構造を複雑なものとする必要がある。特にゾルゲル法の場合には、十分なスイッチング電荷量を得ることが困難なこともある。また、MOCVD法により強誘電体膜を形成する場合には、その表面に凹凸が生じやすく、十分なスイッチング電荷量を得ることが困難であり、また、工程劣化が生じることもある。 However, when a ferroelectric film is formed by a sol-gel method or a sputtering method, it is necessary to make the structure of the lower electrode complicated in order to increase the orientation or suppress the leakage current. In particular, in the case of the sol-gel method, it may be difficult to obtain a sufficient amount of switching charge. Further, when a ferroelectric film is formed by the MOCVD method, irregularities are likely to be formed on the surface thereof, and it is difficult to obtain a sufficient amount of switching charge, and process deterioration may occur.
本発明の目的は、主としてスパッタリング法を採用する場合でも、下部電極の構造を複雑な構造にすることなく、強誘電体膜を良好に配向させることができる半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of satisfactorily aligning a ferroelectric film without making the structure of a lower electrode complicated even when a sputtering method is mainly employed. is there.
本願発明者は、上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-mentioned problems, the present inventor has come up with the following aspects of the invention.
半導体装置の製造方法の一態様では、基板の上方に下部電極膜を形成し、その後、前記下部電極膜上に、第1の強誘電体膜を、有機金属気相成長法又は有機金属分解法により形成する。次に、前記第1の強誘電体膜上に、スパッタリング法又はゾルゲル法により前記第1の強誘電体膜よりも膜厚が大きいアモルファス状の第2の強誘電体膜を形成する。次に、前記第2の強誘電体膜の一部を結晶化し、前記一部を結晶化した第2の強誘電体膜上に、第3の強誘電体膜をスパッタリング法又はゾルゲル法により形成する。次に、前記第3の強誘電体膜上に、導電膜を形成する。そして、前記導電膜を形成した後に、前記第2の強誘電体膜及び第3の強誘電体膜を結晶化する。 In the method for manufacturing the semiconductor device, a lower electrode film formed above the substrate, then on the lower electrode film, a first ferroelectric film, metal organic chemical vapor deposition or metal organic decomposition method To form. Next, an amorphous second ferroelectric film having a film thickness larger than that of the first ferroelectric film is formed on the first ferroelectric film by a sputtering method or a sol-gel method. Next, a part of the second ferroelectric film is crystallized, and a third ferroelectric film is formed on the second ferroelectric film crystallized by the sputtering method or sol-gel method. To do. Next, a conductive film is formed on the third ferroelectric film. Then, after forming the conductive film, the second ferroelectric film and the third ferroelectric film are crystallized.
本発明によれば、容量絶縁膜を少なくとも2層からなるものとし、それらの形成方法を適切に規定しているため、下部電極膜の構造を複雑なものとせずとも、容量絶縁膜の配向を良好なものとすることができる。 According to the present invention, since the capacitive insulating film is composed of at least two layers and the formation method thereof is appropriately defined, the orientation of the capacitive insulating film can be adjusted without complicating the structure of the lower electrode film. It can be good.
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の参考例)
先ず、第1の参考例について説明する。図1A乃至図1Sは、第1の参考例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 reference example )
First , a first reference example will be described. 1A to 1S are sectional views sequentially showing the steps of producing the ferroelectric memory according to the first reference example (semiconductor device).
第1の参考例では、先ず、図1Aに示すように、n型又はp型の半導体基板31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32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 reference example , 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33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34を形成する。続いて、半導体基板31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35を形成する。このとき、pウェル33上に、2つのゲート電極35を互いに平行に配置する。これらのゲート電極35は、メモリのワード線の一部として機能する。
Next, ap well 33 is formed by introducing a p-type impurity into the active region. Next, the
次いで、ゲート電極35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36をゲート電極35の両脇に形成する。その後、半導体基板31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35の横に絶縁性のサイドウォール38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38及びゲート電極35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37をゲート電極35の両脇に形成する。2組のエクステンション層36及び不純物拡散層37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,
次に、半導体基板31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35上に高融点金属のシリサイド層39が形成され、不純物拡散層37上に高融点金属のシリサイド層40が形成される。そして、素子分離絶縁膜32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41を半導体基板31の上側全面に形成する。次いで、シリコン酸窒化膜41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42を形成する。その後、シリコン酸化膜42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42の厚さを、半導体基板31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42及びシリコン酸窒化膜41をパターニングすることにより、シリサイド層40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)43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42上にタングステン膜(W膜)44を形成する。W膜44の厚さは、シリコン酸化膜42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43及びW膜44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42上のグルー膜43及びW膜44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45を酸化防止膜としてシリコン酸化膜42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45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46を形成する。なお、酸化防止膜として、シリコン酸窒化膜45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46及びシリコン酸窒化膜45をパターニングすることにより、シリサイド層40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)47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46上にタングステン膜(W膜)48を形成する。W膜48の厚さは、シリコン酸化膜46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47及びW膜48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46上のグルー膜47及びW膜48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46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46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、半導体基板31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、半導体基板31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、半導体基板31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46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、半導体基板31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、半導体基板31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。本参考例では、Ti膜の形成前に、シリコン酸化膜46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46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51とする。
Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the
続いて、TiN膜51上に、例えば反応性スパッタ法により厚さが約100nmのTiAlN膜52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、半導体基板31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52上に、例えばスパッタ法により厚さが60nm〜100nmのIr膜53を形成する。このとき、半導体基板31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53はTiN膜51の配向を引き継ぐため、(111)面に配向する。また、Ir膜53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53の結晶性を向上させる。また、このRTAにより、TiN膜51、TiAlN膜52及びIr膜53間の密着性が向上する。
Next, the crystallinity of the
その後、図1Dに示すように、Ir膜53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54を形成する。なお、Ir酸化膜54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54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54はIr膜53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54の形成に当たっては、例えば、半導体基板31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 Ir oxide film 54 having a thickness of 5 to 50 nm (for example, 25 nm) is formed on the
続いて、Ir酸化膜54等が形成された半導体基板31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、半導体基板31を620℃まで昇温する。この昇温の間に、Ir酸化膜54がほぼ均一に更に酸化され、柱状晶化する。
Subsequently, the
半導体基板31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.
本参考例では、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 this reference example , 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54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54が還元され、その全体が柱状晶からなるIr膜54aに変化する。なお、Ir膜54aを構成する結晶はIr膜53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55aがMOCVD法によりIr膜54a上に形成される。Ir膜54aはIr酸化膜54と同様に(111)面に配向しており、初期PZT膜55aも(111)面に配向する。初期PZT膜55a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 Ir oxide film 54. As a result, as shown in FIG. 1E, the Ir oxide film 54 is reduced, and the whole is changed to an
厚さが2.5nm未満の初期PZT膜55aを形成しようとすると、Ir酸化膜54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55aの配向が不足することがあり得る。一方、初期PZT膜55a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
所定の厚さの初期PZT膜55a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
次いで、チャンバ内にPb、Zr及びTiの原料を、初期PZT膜55aの形成時と同じ流量で供給する。また、半導体基板31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55a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
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、十分な酸素を含む中間PZT膜55bがMOCVD法により初期PZT膜55a上に形成される。中間PZT膜55bは初期PZT膜55aの配向を引き継ぐため、(111)面に配向する。中間PZT膜55bの厚さは、例えば7.5nm〜10nmとし、初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bの総厚を20nm程度とする。初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bを有機金属分解(MOD:Metal Organic Decomposition)法により形成してもよい。
When Pb, Zr and Ti raw materials are supplied into the chamber under such conditions, an intermediate PZT film 55b containing sufficient oxygen is formed on the
なお、中間PZT膜55bの形成速度は初期PZT膜55aの形成速度よりも速くする。例えば、初期PZT膜55a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、中間PZT膜55bの形成速度は、0.17nm/秒とすることが好ましい。初期PZT膜55aの形成速度が0.1nm/秒を超えると、中間PZT膜55b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55a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55a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 intermediate PZT film 55b is set higher than the formation speed of the
なお、初期PZT膜55a及び中間PZT膜55b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
所定の厚さの中間PZT膜55bを形成した後には、図1Fに示すように、アモルファス状の強誘電体膜55cをスパッタリング法により形成する。この場合、例えば、半導体基板31の温度を50℃、スパッタパワを1kWとし、アルゴン雰囲気のRFスパッタ装置のチャンバ内の圧力を1.0Paとする。この際に、アルゴンガスの流量を制御することにより、強誘電体膜55cの成分(例えばPZTのPb量)を調整することができる。強誘電体膜55cの材料は特に限定されず、例えば、ABO3型ペロブスカイト構造(A=Bi、Pb、Ba、Sr、Ca、Na、K、及び希土類元素から選ばれた少なくとも1種、B=Ti、Zr、Nb、Ta、W、Mn、Fe、Co、Crから選ばれた少なくとも1種)の強誘電体材料が用いられる。特に、例えばCaが5mol%、Laが2mol%、Srが2.5mol%添加されたPZT(CSPLZT)が好ましい。これらの材料の結晶構造は、1単位としてみればABO3型ペロブスカイト構造に該当する。なお、1単位のペロブスカイト構造には複数のA原子が存在しているが、それらは各単位で全て同一である必要はない。これは、B原子についても同様である。また、強誘電体膜55cの厚さは、70nm〜250nm(例えば、100nm)とする。初期PZT膜55a、中間PZT膜55b及び強誘電体膜55cから容量絶縁膜55が構成される。なお、強誘電体材料に代えて、酸化Zr、Pb系材料等の高誘電体材料を用いてもよい。
After the intermediate PZT film 55b having a predetermined thickness is formed, an amorphous ferroelectric film 55c is formed by sputtering as shown in FIG. 1F. In this case, for example, the temperature of the
次いで、酸素の雰囲気中又は不活性ガスを含む酸素雰囲気中で、常圧下の急速熱処理(RTA:Rapid Thermal Annealing)を行うことにより、容量絶縁膜55の全体を柱状晶にする。このRTAでは、半導体基板31を、容量絶縁膜55の結晶化温度よりも15℃〜60℃高い温度(例えば、570℃)まで上昇させることが好ましい。この温度の上限は、例えば620℃である。また、例えば、Arガスの流量を1980sccmとし、O2ガスの流量を25sccmとし、時間を90秒間とする。容量絶縁膜55の結晶化はIr膜53との界面から生じるため、容量絶縁膜55はIr膜53の配向を引き継ぐ。なお、この温度が低すぎると、容量絶縁膜55の結晶化が不十分となり、十分な配向が得られないことがある。一方、この温度が高すぎると、容量絶縁膜55の表面が早期に結晶化し始めることがあり、配向に乱れが生じやすい。また、このRTA時の昇温速度は、40℃/分〜150℃/分(例えば、125℃)とする。
Next, rapid thermal annealing (RTA) under normal pressure is performed in an oxygen atmosphere or an oxygen atmosphere containing an inert gas, thereby forming the entire
なお、RTAを減圧下で行ってもよい。この場合には、半導体基板31を、容量絶縁膜55の結晶化温度よりも5℃低い温度から結晶化温度よりも50℃高い温度までの範囲まで上昇させることが好ましい。
Note that RTA may be performed under reduced pressure. In this case, it is preferable to raise the
次いで、図1Gに示すように、容量絶縁膜55上に、例えばスパッタ法により厚さが50nmのIr酸化膜56を形成する。このとき、半導体基板31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56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、容量絶縁膜55の全体を柱状晶にする。また、このRTAにより、Ir酸化膜56のプラズマダメージが回復され、容量絶縁膜55中の酸素欠損が補われる。
Next, R 2 is performed at 725 ° C. for 60 seconds while supplying O 2 at a flow rate of 20 sccm and Ar at a flow rate of 2000 sccm into the chamber, so that the entire
その後、Ir酸化膜56上に、例えばスパッタ法により厚さが50nm〜100nmのIr酸化膜57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57の厚さは125nm程度となる。なお、Ir酸化膜57の組成はIr酸化膜56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、容量絶縁膜55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57を形成する際の半導体基板31の温度は100℃以下とすることが好ましい。Ir酸化膜57の異常成長を抑制するためである。また、Ir酸化膜57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57上に、例えばスパッタ法により厚さが50nm〜100nmのIr膜58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58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、半導体基板31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58上に窒化チタン膜(TiN膜)61及びシリコン酸化膜62を順次形成する。TiN膜61は、例えばスパッタ法により形成する。シリコン酸化膜62は、例えばTEOSガスを用いたCVD法により形成する。TiN膜61に代えて、TiAlN膜を形成してもよい。
Thereafter, backside cleaning is performed in order to remove the material of the PZT film attached to the backside of the
次いで、図1Jに示すように、シリコン酸化膜62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62をマスクとして用いて、TiN膜61をエッチングする。この結果、島状のTiN膜61及びシリコン酸化膜62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61及びシリコン酸化膜62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58、Ir酸化膜57、Ir酸化膜56、容量絶縁膜55、Ir膜54a及びIr膜53に対して行う。この結果、上部電極63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62を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 1L, the
次に、図1Mに示すように、Ir膜58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52及びTiN膜51をパターニングする。本参考例では、Ir膜54a、Ir膜53、TiAlN膜52及びTiN膜51から下部電極60が構成される。なお、TiAlN膜52及びTiN膜51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65をシリコン酸化膜46上に形成する。保護膜65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65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、例えば半導体基板31の設定温度を550℃〜700℃とする。特に、本参考例のような容量絶縁膜55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65上に新たな保護膜66を形成する。保護膜66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66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67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67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67中の水分が除去されると共に、シリコン酸化膜67の膜質が変化し、シリコン酸化膜67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67上に、例えばスパッタ法又はCVD法により、保護膜(バリア膜)68を形成する。保護膜68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67上に保護膜68が形成されるため、保護膜68も平坦となる。
Thereafter, a protective film (barrier film) 68 is formed on the
次に、保護膜68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69を層間絶縁膜として形成する。その後、シリコン酸化膜69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69、保護膜68及びシリコン酸化膜67をパターニングすることにより、上部電極63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容量絶縁膜55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69、保護膜68、シリコン酸化膜67、保護膜66、保護膜65、シリコン酸化膜46及びシリコン酸窒化膜45をパターニングすることにより、グルー膜43及びW膜44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, 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)70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。本参考例では、上部電極63の最表面がIr膜58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63は還元されない。また、グルー膜70として、TiN膜のみを形成してもよい。
Next, the embedding material is removed, and a glue film (adhesion film) 70 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 this reference example , 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69上にタングステン膜(W膜)71を形成する。W膜71の厚さは、シリコン酸化膜69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70及びW膜71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69上のグルー膜70及びW膜71を完全に除去する。
Thereafter, a tungsten film (W film) 71 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69及びコンタクトプラグ上に、Ti膜72、TiN膜73、AlCu膜74、TiN膜75及びTi膜76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.
第1の参考例によれば、簡易な構造で容易に形成することができる下部電極60上に薄い初期PZT膜55aを形成しているので、その上にスパッタリング法により厚い強誘電体膜55cを形成しても容量絶縁膜55の配向が良好なものとなる。つまり、初期PZT膜55aがIr膜53及び54aの配向を引き継いでいるので、良好な配向の容量絶縁膜55が得られる。また、Ir膜54aとスパッタリング法により形成された強誘電体膜55cとが互いに接触すると、Irの拡散に伴ってリーク電流が増大するが、本参考例では、初期PZT膜55aがMOCVD法により形成されているため、リーク電流が抑制される。更に、このリーク電流の抑制の効果は、中間PZT膜55bによって一層強固なものとなっている。更に、容量絶縁膜55の大部分をスパッタリング法により形成された強誘電体膜55cが占めているので、その表面の凹凸が抑制される。
According to the first reference example , since the thin
ここで、第1の参考例における強誘電体キャパシタの形成工程のフローチャートを図6に示す。このような第1の参考例に対し、実施形態では、図7(a)に示すように、アニール後にスパッタリング法又はゾルゲル法により、もう一層の強誘電体膜を形成する。この強誘電体膜の組成は、例えば強誘電体膜55cと同様のものとする。また、その厚さは、10nm〜40nm程度(例えば、20nm〜30nm)とする。この強誘電体膜が厚すぎると、その後の結晶化が不十分となりやすく、低電圧動作が困難になる場合があり、また、スイッチング電荷量が低下する可能性もある。このような強誘電体膜を設けることにより、上部電極との間の界面をより安定したものとすることができる。 Here, FIG. 6 shows a flowchart of the process of forming the ferroelectric capacitor in the first reference example . In contrast to such a first reference example , in the embodiment, as shown in FIG. 7A, after annealing, a further ferroelectric film is formed by sputtering or sol-gel method. The composition of this ferroelectric film is, for example, the same as that of the ferroelectric film 55c. The thickness is about 10 nm to 40 nm (for example, 20 nm to 30 nm). If this ferroelectric film is too thick, subsequent crystallization tends to be insufficient, and low voltage operation may be difficult, and the switching charge may be reduced. By providing such a ferroelectric film, the interface with the upper electrode can be made more stable.
また、図7(b)に示すように、第1の参考例中の中間PZT膜55bの形成を省略してもよい。 Further, as shown in FIG. 7B, the formation of the intermediate PZT film 55b in the first reference example may be omitted.
また、図8(a)に示すように、図7(a)に示す例に対し、強誘電体膜55cのアニール後に、620℃程度の温度でMOCVD法により、もう一層の強誘電体膜を形成してもよい。この強誘電体膜の厚さは、例えば70nm〜120nm程度とする。このような強誘電体膜を設けることにより、表面の凹凸がより一層抑制される。この後には、最後のスパッタリング法による強誘電体膜の形成の前に、酸素を含む雰囲気中で620℃〜640℃での熱処理を行うことが好ましい。この熱処理により、MOCVD法により形成された強誘電体膜の表面に大気中から付着した水分及び不純物が離脱し、電気的特性が向上する。 Further, as shown in FIG. 8A, with respect to the example shown in FIG. 7A, after the ferroelectric film 55c is annealed, another ferroelectric film is formed by MOCVD at a temperature of about 620 ° C. It may be formed. The thickness of the ferroelectric film is, for example, about 70 nm to 120 nm. By providing such a ferroelectric film, surface irregularities are further suppressed. After this, it is preferable to perform a heat treatment at 620 ° C. to 640 ° C. in an oxygen-containing atmosphere before forming the ferroelectric film by the final sputtering method. By this heat treatment, moisture and impurities attached to the surface of the ferroelectric film formed by the MOCVD method are released from the atmosphere, and the electrical characteristics are improved.
また、図8(b)に示すように、図8(a)に示す例中の中間PZT膜55bの形成を省略してもよい。但し、中間PZT膜55bは、上述のように省略されていてもよいが、Irの拡散をより確実に抑制するためには、厚さが5nm〜15nmの中間PZT膜55bを設けることが好ましい。そして、中間PZT膜55bの有無に拘わらず、初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bの総厚は、2nm〜20nmとすることが好ましい。
Further, as shown in FIG. 8B, the formation of the intermediate PZT film 55b in the example shown in FIG. 8A may be omitted. However, although the intermediate PZT film 55b may be omitted as described above, it is preferable to provide the intermediate PZT film 55b having a thickness of 5 nm to 15 nm in order to more reliably suppress the diffusion of Ir. Regardless of the presence or absence of the intermediate PZT film 55b, the total thickness of the
(第2の参考例)
次に、第2の参考例について説明する。図2A乃至図2Cは、第2の参考例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 reference example )
Next , a second reference example will be described. 2A to 2C are sectional views sequentially showing the steps of producing the ferroelectric memory according to a second reference example (semiconductor device).
第2の参考例では、先ず、第1の参考例と同様に、シリコン酸化膜46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47及びW膜48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80が形成されることがある。リセス80の深さは、例えば20nm〜50nm程度である。
In the second reference example , first, similarly to the first reference example , the surface of the
このようなリセス80が存在したままで第1の参考例と同様の処理を行うと、TiN膜51等の表面に、リセス80を反映した凹部が形成され、容量絶縁膜55の配向が低下することがある。そこで、第2の参考例では、図2Bに示すように、シリコン酸化膜46及びコンタクトプラグ上に厚さが約100nmのTi膜81を形成する。このTi膜81の形成では、例えば、半導体基板31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、半導体基板31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。本参考例でも、Ti膜81の形成前に、シリコン酸化膜46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46の表面を自在に移動することができる。この結果、Ti膜81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。
When the same processing as in the first reference example is performed with such a
その後、例えばCMP法によりTi膜81の表面を平坦化する。平坦化後のTi膜81の厚さは、例えばシリコン酸化膜46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81の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜81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81上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1の参考例と同様に、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51とする。
Next, a Ti film having a thickness of about 20 nm is formed on the
その後、第1の参考例と同様に、TiAlN膜52の形成以降の処理を行う。
Thereafter, similarly to the first reference example , the processing after the formation of the
このような第2の参考例によれば、リセス80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 reference example , a ferroelectric capacitor having good characteristics can be obtained even when the
(第3の参考例)
次に、第3の参考例について説明する。図3A及び図3Bは、第3の参考例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 reference example )
Next , a third reference example will be described. Figures 3A and 3B are sectional views sequentially showing the steps of producing the ferroelectric memory according to the third reference example (semiconductor device).
第3の参考例では、先ず、第2の参考例と同様に、Ti膜81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46の表面が露出するまでTi膜81の表面を平坦化する。つまり、第2の参考例とは異なり、シリコン酸化膜46上のTi膜81を完全に除去する。
In the third reference example , first, similarly to the second reference example , processing up to the formation of the
続いて、第2の参考例と同様に、Ti膜81の表面をNH3プラズマにさらす。Ti膜81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 reference example , the surface of the
次に、Ti膜81上に、厚さが約20nmのTi膜を形成する。次いで、第1及び第2の参考例と同様に、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51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の参考例と同様に、TiAlN膜52の形成以降の処理を行う。
Thereafter, similarly to the first and second reference examples , the processing after the formation of the
このような第3の参考例によっても、第2の参考例と同様の効果が得られる。 With such a third reference example, the same effect as the second reference example is obtained.
(第4の参考例)
次に、第4の参考例について説明する。図4A乃至図4Cは、第4の参考例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 reference example )
Next , a fourth reference example will be described. 4A to 4C are sectional views sequentially showing the steps of producing the ferroelectric memory according to the fourth reference example (semiconductor device).
第4の参考例では、先ず、図4Aに示すように、第1の参考例と同様に、グルー膜43及びW膜44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43及びW膜44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40上には形成しない。
In the fourth reference example , first, as shown in FIG. 4A, similarly to the first reference example , the processes up to the formation of the contact plug composed of the
次に、シリコン酸化膜42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42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、半導体基板31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、半導体基板31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、半導体基板31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51をシリコン酸化膜42及びコンタクトプラグ上に形成する。TiN膜51の形成方法は、第1の参考例と同様である。その後、TiAlN膜52の形成から保護膜66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の参考例と同様にして、シリコン酸化膜67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40まで到達するコンタクトホールを、シリコン酸化膜67、保護膜66、保護膜65、シリコン酸化膜42及びシリコン酸窒化膜41に形成する。そして、このコンタクトホール内に、グルー膜70及びW膜71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63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67上、コンタクトプラグ上及び孔内に、Ti膜72、TiN膜73、AlCu膜74、TiN膜75及びTi膜76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 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4の参考例によれば、第1の参考例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 such a fourth reference example , the ferroelectric capacitor can be completed with fewer steps than the first reference example .
なお、いずれの実施形態及び参考例においても、強誘電体膜55cをゾルゲル法により形成してもよい。また、初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bの材料としては、例えば、ABO3型ペロブスカイト構造(A=Bi、Pb、Ba、Sr及び希土類元素から選ばれた少なくとも1種、B=Ti、Zr、Nb、Taから選ばれた少なくとも1種)の強誘電体材料が用いられる。また、各強誘電体膜中の不純物の含有量は、元素毎に5mol%以下であることが好ましく、全体として12mol%以下であることが好ましい。
In any embodiment and reference example , the ferroelectric film 55c may be formed by a sol-gel method. The material of the
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。この実験では、初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bの厚さを異ならせた試料を第1の参考例に倣って作製した。各試料の初期PZT膜55a及び中間PZT膜55bの厚さを表1に示す。
Next, the results of experiments actually performed by the present inventors will be described. In this experiment, samples with different thicknesses of the
そして、中間PZT膜55bの上に、スパッタリング法により厚さが90nmの強誘電体膜55cを形成した。次いで、チャンバ内にArガスを1980sccmの流量で供給し、O2ガスを25sccmの流量で供給し、570℃で90秒間のRTAを行った。その後、図7(a)に示す例のように、スパッタリング法により厚さが20nmの強誘電体膜をもう一層形成した。続いて、上部電極を構成するIr酸化膜を形成し、熱処理を行った。そして、容量絶縁膜全体の結晶構造をX線回折法により分析した。この分析は、半導体基板31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。
A ferroelectric film 55c having a thickness of 90 nm was formed on the intermediate PZT film 55b by sputtering. Next, Ar gas was supplied into the chamber at a flow rate of 1980 sccm, O 2 gas was supplied at a flow rate of 25 sccm, and RTA was performed at 570 ° C. for 90 seconds. Thereafter, another ferroelectric film having a thickness of 20 nm was formed by sputtering as in the example shown in FIG. Subsequently, an Ir oxide film constituting the upper electrode was formed and heat treatment was performed. Then, the entire crystal structure of the capacitive insulating film was analyzed by an X-ray diffraction method. This analysis was performed at three locations, the center portion and the right end portion when the orientation flat of the
図5A〜図5Dに示すように、いずれの試料においても、(100)及び(101)への配向が低く、(111)への配向が強かった。このため、(222)への配向率が97%以上と良好であった。この結果から、初期PZT膜55aの厚さが5nm〜10nmであれば良好な結果が得られ、特に2nm〜12nmがより好ましいといえる。なお、初期PZT膜55aが厚すぎる場合、初期PZT膜55a中には比較的酸素欠損が多いので、高いスイッチング電荷量を得にくくなる。一方、初期PZT膜55aが薄すぎると、強誘電体膜55cの配向を安定させにくくなる。
As shown in FIGS. 5A to 5D, in any sample, the orientation to (100) and (101) was low, and the orientation to (111) was strong. For this reason, the orientation ratio to (222) was as good as 97% or more. From this result, good results can be obtained if the thickness of the
なお、特許文献11には、MOCVD法によるPZT膜の形成の後に、スパッタリング法によりペロブスカイト型の結晶化したPZT膜を形成することが記載されている。しかしながら、本願発明者が、この方法で試料を作製し、SEMを用いてこれらの試料の表面を観察したところ、図9A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、TEMを用いて凸部近傍の断面を観察したところ、図9B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。この主な原因は、結晶化したPZT膜をスパッタリング法により形成しているためであると考えられる。 Patent Document 11 describes that after the formation of the PZT film by the MOCVD method, a perovskite crystallized PZT film is formed by the sputtering method. However, when the inventors of the present invention prepared samples by this method and observed the surfaces of these samples using an SEM, as shown in FIG. 9A, many irregularities were generated on the surface of the PZT film. Furthermore, when the cross section near the convex portion was observed using TEM, the crystals constituting the PZT film were not oriented to the (111) plane, as shown in FIG. 9B. Such a phenomenon was particularly remarkable at the peripheral portion of the wafer. The main cause is considered to be that a crystallized PZT film is formed by a sputtering method.
55:容量絶縁膜
55a:初期PZT膜
55b:中間PZT膜
55c:強誘電体膜
55:
Claims (3)
前記下部電極膜上に、第1の強誘電体膜を、有機金属気相成長法又は有機金属分解法により形成する工程と、
前記第1の強誘電体膜上に、スパッタリング法又はゾルゲル法により前記第1の強誘電体膜よりも膜厚が大きいアモルファス状の第2の強誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の強誘電体膜の一部を結晶化する工程と、
前記一部を結晶化した第2の強誘電体膜上に、第3の強誘電体膜をスパッタリング法又はゾルゲル法により形成する工程と、
前記第3の強誘電体膜上に、導電膜を形成する工程と、
前記導電膜を形成した後に、前記第2の強誘電体膜及び第3の強誘電体膜を結晶化する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a lower electrode film above the substrate;
On the lower electrode film, a first ferroelectric film, forming by metal organic chemical vapor deposition or metal organic decomposition method,
Forming an amorphous second ferroelectric film having a thickness larger than that of the first ferroelectric film on the first ferroelectric film by a sputtering method or a sol-gel method;
Crystallization of a part of the second ferroelectric film;
Forming a third ferroelectric film on the second ferroelectric film obtained by crystallizing the part by a sputtering method or a sol-gel method;
Forming a conductive film on the third ferroelectric film;
Crystallizing the second ferroelectric film and the third ferroelectric film after forming the conductive film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
第1の酸化物強誘電体膜を形成する工程と、
前記第1の酸化物強誘電体膜上に、前記第1の酸化物強誘電体膜よりも酸素濃度が高い第2の酸化物強誘電体膜を形成する工程と、
を有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。 The step of forming the first ferroelectric film includes:
Forming a first oxide ferroelectric film;
Forming a second oxide ferroelectric film having an oxygen concentration higher than that of the first oxide ferroelectric film on the first oxide ferroelectric film;
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2, characterized in that it has a.
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