JPH0513676A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0513676A
JPH0513676A JP3161577A JP16157791A JPH0513676A JP H0513676 A JPH0513676 A JP H0513676A JP 3161577 A JP3161577 A JP 3161577A JP 16157791 A JP16157791 A JP 16157791A JP H0513676 A JPH0513676 A JP H0513676A
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JP
Japan
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film
capacitor
semiconductor device
amorphous
oxide
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Application number
JP3161577A
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English (en)
Inventor
Kazuhiro Eguchi
和弘 江口
Katsuaki Natori
克晃 名取
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Publication of JPH0513676A publication Critical patent/JPH0513676A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10BELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B53/00Ferroelectric RAM [FeRAM] devices comprising ferroelectric memory capacitors

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  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誘電率が高く、リーク電流が少なく、表面平
坦性の優れた酸化物強誘電体膜を形成する事により、高
集積半導体装置を提供する。 【構成】 半導体記憶装置の少なくとも一部にCVD法
で形成した非晶質の酸化物強誘電体を用いる。 【効果】 リーク電流が少なく、絶縁耐圧が高く、比誘
電率が高く、段差被覆性に優れ、表面平坦性の優れた酸
化物強誘電体膜を形成でき、高集積半導体記憶装置を提
供する事ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、絶縁膜に誘電率の高い
強誘電体酸化物薄膜を用いた半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置で、トランジスタとキャパシ
タを組み合わせることによりデータの記憶を行うDRA
M(Dynamic Randam Access M
emory)がある。この装置では、データを記憶する
キャパシタの絶縁膜としてSiO2 膜が主に用いられて
いる。しかし、集積化が進むにつれ、SiO2 膜の膜厚
を薄くしなければならない。更に、SiO2 膜を薄くす
るだけでは不十分で、実行的なキャパシタの面積を稼ぐ
ために、シリコンに溝を掘るトレンチキャパシタや、シ
リコン上にキャパシタ用膜を積み上げたスタックトキャ
パシタが用いられている。しかし、更に集積化が進むと
キャパシタの構造を複雑にしただけでは不十分で、キャ
パシタ用絶縁膜の材料としてSiO2 よりも誘電率の高
い材料が望まれている。SiO2 より誘電率の高い材料
として、Ta2 5 や酸化物強誘電体が検討されてい
る。Ta2 5 は、比誘電率が約22でSiO2 膜の約
5倍程度大きいが、SiO2 膜に比べてリーク電流が大
きく、絶縁耐圧が低くなり、データの保持特性が劣化す
るという問題点がある。また、このような絶縁膜を形成
する手法として、段差被覆性に優れた化学気相成長法
(CVD法:Chemical Vapor Depo
sition.以下CVD法と略記する)が主に用いら
れるが、CVD法でTa2 5 膜を形成した場合、酸素
の欠損が生じ、リーク電流が増大するという問題があ
る。PbTiO3 、PbZrx Ti1-x 3 等の酸化物
強誘電体膜を用いた場合、酸化物強誘電体が多結晶であ
るため、多結晶の境界を通じて電流が流れ、リーク電流
が大きいという問題がある。また、酸化物強誘電体膜の
表面平坦性が悪く、以降のプロセスに支障を来すという
問題がある。さらに、酸化物強誘電体は、複数の金属を
成分として含むため、膜の組成を化学両論的組成に制御
する必要があるが、酸化物強誘電体膜をスパッタ法など
の物理気相成長法(PVD法:Physical Va
por Deposition)で形成する場合、組成
を制御するのが困難であるという問題がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事情を
考慮してなされたもので、誘電率が高く、リーク電流が
少なく、表面平坦性の優れた酸化物強誘電体膜を形成す
ることにより、DRAM等の素子特性の向上を可能とし
た半導体装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
は、半導体基板と、この基板上に形成されキャパシタ用
絶縁膜を有するキャパシタとを備え、前記キャパシタ用
絶縁膜の少なくとも一部に、非晶質強誘電体膜が用いら
れていることを特徴とするものである。次に、上記非晶
質強誘電体膜として、チタン、ジルコニウムのうちの少
なくとも一方と鉛と酸素を含む非晶質膜が用いられてい
ることを特徴とするものである。さらに、上記非晶質強
誘電体はいずれも気相成長形成された非晶質膜であるこ
とを特徴とする。叙上を要約すればCVD法で形成した
PbTiO3 、PbZrx Ti1- x 3 等の非晶質の酸
化物強誘電体膜を半導体装置に使用することを骨子とす
る。
【0005】
【作用】本発明によれば、リーク電流が少なく、絶縁耐
圧が高く、比誘電率が高く、段差被覆性に優れ、表面平
坦性の優れた酸化物強誘電体膜を形成でき、高集積半導
体装置を提供することができる。上述のようにTa2
5膜を用いた場合、酸素欠損のため組成が化学量論比か
らずれ、リーク電流が増大するので、酸化物強誘電体膜
を用いた。多結晶の酸化物強誘電体を用いると、結晶境
界を流れる電流により、リーク電流が増大するため、非
晶質の酸化物強誘電体膜を用いた。また、酸化物強誘電
体膜を非晶質とする事により、多結晶に比べて表面平坦
性を著しく向上させることができる。さらに、CVD法
で非晶質酸化物強誘電体膜を形成することにより、段差
被覆性にも優れ、組成の制御も容易にできる。非晶質膜
は、結晶性膜を形成する温度より低い温度で形成できる
ため、プロセス温度を低くできる利点もある。このよう
な膜をDRAM等の半導体装置に用いることにより、優
れた素子特性を有する高集積半導体装置を得ることがで
きる。
【0006】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1は、非晶質の強誘電体膜をデータ蓄積用キ
ャパシタ膜として使用したDRAMの断面図である。ま
ず(100)面p型シリコン基板11上に素子分離を行
うための熱酸化膜12を形成する。その後、ゲート酸化
膜13を形成し、続いて多結晶シリコンのゲート電極1
4をゲート酸化膜13上に形成する。その後、イオン注
入法によりソース及びドレイン領域15を形成する。次
に、CVD酸化膜16を形成し、キャパシタの下部電極
になる多結晶シリコン膜17を形成する。以上の工程で
は、膜の形成、フォトリソグラフィー法によるパターニ
ング、イオン注入法等を組み合わせることにより、図1
に示すような構造を形成する。次にキャパシタ膜である
非晶質酸化物強誘電体膜であるPbZr0・4 Ti0・6
3 膜18を有機金属気相成長法で形成する。PbZr0・
4 Ti0・6 3 膜18の有機金属気相成長の原料には、
例えば四エチル鉛、四イソプロポキシドチタン、四ジピ
バロイルメタナートジルコニウム、及び酸素ガスを用い
た。形成した膜の厚さは約100nmであった。最後
に、蓄積容量の上部電極となる多結晶シリコン膜19を
全面に形成後、通常のフォトリソグラフィー法でパター
ニングすることにより図に示すようなMos型電界効果
トランジスタとキャパシタから成るメモリセルを完成す
る。
【0007】この実施例によれば、非晶質強誘電体であ
るPbZr0・4 Ti0・6 3 を用いる事により、リーク
電流の少ない、絶縁性に優れた蓄積容量が形成できる。
また、蓄積容量膜の表面の平坦性も著しく改善され、多
結晶の場合と異なり、以降の工程に悪影響を及ぼす事も
ない。また、蓄積容量膜の非誘電率もSiO2 やTa2
5 に比べて極めて大きく、高集積、大容量のDRAM
の作製が可能になる。蓄積容量膜の堆積方法として気相
成長法を用いる事により、段差被覆性にも優れ、複雑な
形状の上にも蓄積容量膜を形成する事が可能になる。そ
の場合の実施例を図2及び図3に示す。図2に示すよう
なトレンチ構造を有する半導体装置に本発明を適用し
た。シリコン基板11にトレンチを形成した以外は、上
記実施例と同様の方法で半導体装置を製作した。図2に
示されるように、シリコン基板11中に凹入して多結晶
シリコンキャパシタ下部電極27、例えばPbZr0・4
Ti0・6 3 の非晶質酸化物強誘電体キャパシタ膜2
8、多結晶シリコンキャパシタ上部電極29が積層形成
されている。この場合も上記説明と同様な効果が見ら
れ、トレンチ構造にした事により、図1の平面構造の半
導体装置よりもさらに高い蓄積容量が得られた。図3
は、本発明をスタック構造を有する半導体装置に適用し
た場合の素子構造の断面図である。図3に示されるよう
に、多結晶シリコンキャパシタ下部電極37、例えばP
bZr0・4 Ti0・6 3 の非晶質酸化物強誘電体キャパ
シタ膜38、多結晶シリコンキャパシタ上部電極39で
スタック構造部が形成されている。この場合も、図1の
平面構造よりも高い蓄積容量が得られ、本発明がトレン
チ構造を有する半導体装置に対しても有効である事が示
された。また、図2及び図3に示す構造ともに、非晶質
強誘電体層28、38の代わりに従来通りのSiO2
Si3 4 を用いた半導体装置に比べ約50倍というは
るかに高い蓄積容量が得られた。
【0008】また、本発明で非晶質強誘電体というの
は、完全に非晶質の強誘電体に限るものでなく、40%
程度まで多結晶が含まれる非晶質のことも含んでおり、
非晶質部分が全体の100%〜60%であれば良く、好
ましくは80%〜100%で良い。40%多結晶を含ん
でいる場合、ほとんどの母体部分が非晶質であるため、
表面平坦性は非常に良好で、グレインの境界も存在しな
い状態で、完全に非晶質の場合に比べ蓄積容量を大きく
する事ができる。これは、40%の多結晶の部分に起因
して比誘電率が大きくなった事による。また、多結晶部
分が50%を超えると全体が多結晶の場合と同様に、グ
レインが現れ、前述したようなグレイン境界による悪影
響が生じ、半導体装置の特性が劣化する事を確認した。
【0009】上記実施例では、DRAMにおける蓄積容
量に非晶質PbZr0・4 Ti0・6 3 を用いたが、非晶
質の強誘電体であれば、PbZr0・4 Ti0・6 3 に限
るものではない。また、蓄積容量の上部電極19、2
9、39、下部電極17、27、37として多結晶シリ
コンを用いたが、シリサイドや金属でもよい。また、下
部電極17、27、37を用いず直接シリコン基板の上
に蓄積容量を形成してもよい。さらに、非晶質強誘電体
膜を複数重ねても良く、例えば、多結晶の膜と非晶質の
膜を交互に重ねてキャパシタ絶縁膜としても良い。その
他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形して使用
する事が可能である。
【0010】
【発明の効果】本発明により、CVD法で形成したPb
TiO3 やPbZrx Ti1-x 3 等の非晶質の酸化物
強誘電体膜を半導体装置に使用することにより、リーク
電流が少なく、絶縁耐圧が高く、比誘電率が高く、段差
被覆性に優れ、表面平坦性の優れた酸化物強誘電体膜を
形成でき、高集積半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体装置の一実施例を示す断面
図。
【図2】本発明に係る半導体装置の別の一実施例を示す
断面図。
【図3】本発明に係る半導体装置のさらに別の一実施例
を示す断面図。
【符号の説明】
11 シリコン基板 12 素子分離酸化膜 13 ゲート酸化膜 14 多結晶シリコンゲート電極 15 ソース、ドレイン 16 酸化膜 17、27、37 多結晶シリコンキャパシタ下部電極 18、28、38 非晶質酸化物強誘電体キャパシタ膜 19、29、39 多結晶シリコンキャパシタ上部電極

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板と、この基板上に形成されキ
    ャパシタ用絶縁膜を有するキャパシタとを備え、前記キ
    ャパシタ用絶縁膜の少なくとも一部に、非晶質強誘電体
    膜が用いられていることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項2】 前記非晶質強誘電体膜として、チタン、
    ジルコニウムのうちの少なくとも一方と、鉛と、酸素と
    を含む非晶質膜が用いられていることを特徴とする請求
    項1記載の半導体装置。
  3. 【請求項3】 気相成長法で作製された非晶質強誘電体
    膜が用いられていることを特徴とする請求項1或いは2
    に記載の半導体装置。
JP3161577A 1991-07-02 1991-07-02 半導体装置 Pending JPH0513676A (ja)

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