JPH05259389A - 半導体記憶装置 - Google Patents

半導体記憶装置

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JPH05259389A
JPH05259389A JP4053298A JP5329892A JPH05259389A JP H05259389 A JPH05259389 A JP H05259389A JP 4053298 A JP4053298 A JP 4053298A JP 5329892 A JP5329892 A JP 5329892A JP H05259389 A JPH05259389 A JP H05259389A
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JP
Japan
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thin film
solid solution
memory device
semiconductor memory
film
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JP4053298A
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English (en)
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Kazunari Torii
和功 鳥居
Eiji Takeda
英次 武田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】分極反転よる信頼性低下の問題を回避し、half
VDD plate方式を採用することが可能な高誘電率材料を
用いた、信頼性の高いDRAMメモリセルを提供する。 【構成】固溶体(xBaZrO3・(1-x) PbTiO3)で、BaZrO3が4
5%以上含まれる固溶体薄膜16をキャパシタ絶縁膜として
用いる。 【効果】構造の簡単で微細なメモリセルで十分な蓄積電
荷量を確保することが出来、かつ、half VDD plate方式
を採用することが可能な、高信頼性のDRAMメモリセ
ルを実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、特に、高
誘電体を用いた半導体記憶装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】DRAM( Dynamic Random Access Memo
ry )では3年で4倍のペースで高集積化を実現してきて
おり、既に4メガビットメモリの量産が始まっている。
この高集積化は主に素子の微細化によって行われてき
た。しかし、微細化に伴う蓄積容量の減少のために信号
対雑音(SN)比の低下や、α線の入射による信号反転
等の弊害が顕在化し、信頼性の確保が大きな問題となっ
ている。この問題を解決するため、キャパシタ絶縁膜の
薄膜化を進めると共に、3次元化によって小さな平面面
積のなかに大きなキャパシタ面積を持ったメモリセルが
開発されていが、このような方法によっても、メモリセ
ルの微細化と構造の複雑化が進行し製造技術が非常に難
しくなるとともに、開発・製造コストが著しく増大する
という経済性の問題ある。
【0003】チタン酸ジルコン酸鉛を代表とする強誘電
体は、従来のキャパシタ用の誘電体膜SiO2やSi3N4に比
較し100〜1000倍の誘電率を持つため、比較的簡単なキ
ャパシタ構造と組み合わせるだけでギガビット世代の微
小な(0.1〜0.2μm2)メモリセルの中に回路動作上十
分な電荷を蓄える事ができるため、これをDRAMキャ
パシタ絶縁膜に用いる検討が行われている。強誘電体薄
膜をキャパシタ絶縁膜に用いたDRAMとしては特公平
3−165557号や、特公平3−256356号に記
載されているものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】DRAMの信号電圧は
プレート電圧Vcpに依存しない。プレート電極は一定の
電位に保たれてさえいればよい。プレート電圧Vcpによ
って、二つの方式がある。一つはVcp=VDD or VSSとす
る方式(以下VDD/VSS plate方式と呼ぶ)で、もう一つ
はVcp=(VDD-VSS)/2とする方式(以下half VDD plate方
式と呼ぶ。)である。VDD/VSS plate方式では”0”あ
るいは”1”を書き込んだときにキャパシタ絶縁膜に電
圧VDDがかかるのに対して、half VDD plate方式では”
0”,”1”いずれの場合も±(VDD-VSS)/2の電圧がか
かることになる。
【0005】したがって、half VDD plate方式を用いれ
ば、キャパシタ絶縁膜にかかる電圧をVDD/VSS plate方
式の場合の半分にすることが出来る。絶縁膜のリーク電
流や平均故障時間は絶縁膜にかかる電場のexponential
に比例して大きくなるので、half VDD plate方式を用い
ることによって、キャパシタ絶縁膜の信頼性は飛躍的に
向上する。このような理由から今日DRAMではhalf V
DD plate方式を用いるのが普通である。
【0006】ところが、強誘電体は図2に示したよう
に、分極−電場特性にヒステリシスをもち、抗電場Ec以
上の電場がかかると分極が反転する。このため、強誘電
体薄膜をキャパシタ絶縁膜として用いたDRAMではEc
・t>VDD/2の場合、強誘電体の分極が反転してしまい、
強誘電体を用いた不揮発性メモリで問題になるのと同様
に、読み出し、書き込みを繰り返すうちに薄膜が疲労し
て、信頼性が劣化してしまうという問題がある。強誘電
体薄膜の耐圧、リーク電流特性が改善され、薄膜にVDD
の電圧がかかっても十分な信頼性が得られればVDD/VSS
plate方式を採用することが出来るが、より集積度の高
い世代まで同じ材料を使うためにも、できれば、half V
DD plate方式を用いたいところである。
【0007】図3はこれまで報告されているPZT薄膜
の膜厚tと抗電場Ecの関係をまとめたものである。膜厚
が薄くなるに従ってEcが増大している。half VDD plate
方式を用いた場合に、各世代のキャパシタ絶縁膜にかか
る電場を計算して、同図中に示してある。この図から分
かるように、1G,4G bit DRAMではPZT薄
膜を用いてもhalf VDD plate方式を採用できる可能性が
ある。しかし、膜中で坑電場にばらつきがある場合、坑
電場の小さい部分は分極の反転がおこることになり、信
頼性の面からは問題がある。
【0008】
【課題を解決するための手段】固溶体(xBaZrO3・(1-x)
PbTiO3)で、BaZrO3が45%以上含まれる固溶体の薄膜をキ
ャパシタ絶縁膜として採用する。
【0009】
【作用】DRAMの動作保証温度範囲が0℃〜125℃
であることから、0℃以下にキュリー点を持つ強誘電体
材料を採用し、常誘電体相で使用することにより分極反
転による信頼性の問題を回避できる。
【0010】固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3))で、BaZ
rO3が45%以上含まれる固溶体では、キュリー点が0
℃以下で、DRAMの動作保証温度範囲内では常誘電性
であり、half VDD plate方式を採用できる。特に、x=0.
45〜 0.5の組成では比誘電率が1500〜2000と大
きく、また温度による比誘電率の変化が小さいので、D
RAMキャパシタ絶縁膜として好適である。
【0011】
【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。
【0012】図1は、本発明のメモリセルの断面図を示
したものである。キャパシタ絶縁膜に固溶体(x(BaZr
O3)・1-x(PbTiO3))の薄膜を用いている以外は、基本的
には特公平3-256356号に記載されているものと同じ構造
をしている。ここで1はp半導体基板、2は素子間分離
絶縁膜、3はゲート酸化膜、4はゲート電極となるワー
ド線、5,6,7,10,12,13は層間絶縁膜、6はn
型不純物拡散層(リン)、9,14はコンタクトプラ
グ、11はビット線、15は下部電極、16は固溶体
(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3))の薄膜、17はプレート電
極である。
【0013】図4から図8は、本実施例によるメモリセ
ルを製造する工程を示すための断面図である。まず、図
4に示すように、スイッチ用トランジスタを従来のMOSF
ET形成工程により形成する。表面全体に公知のCVD法
を用いて厚さ50nmのSiO27と、厚さ400nmのSi
3N4をそれぞれCVD法により堆積させ、膜厚分のSi3N4
をエッチングすることによりワード線間に絶縁膜8を埋
め込む。
【0014】次に、図5に示すように、ビット線が基板
表面のn型拡散層と接触する部分および、蓄積電極が基
板表面のn型拡散層と接触する部分を公知のホトリソグ
ラフィ法とドライエッチング法を用いて開口する。CV
D法を用いて厚さ400nmのn型の不純物を含む多結
晶シリコンを堆積させた後、膜厚分のエッチングをする
ことにより、前述のエッチングにより形成された穴の内
部に多結晶シリコン51、52を埋め込む。
【0015】厚さ50nmのSiO210をCVD法により
堆積させ、ビット線が多結晶シリコン52と接触する部
分のみを公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング
法を用いて開口する。次に、ビット線11を形成する。ビ
ット線の材料としては、金属のシリサイドと多結晶シリ
コンの積層膜を用いた。この上に、厚さ200nmのSiO2
2を堆積させる。SiO212とビット線11を公知のホト
リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて加工し、
ビット線を所望のパターンとする。次に、膜厚150n
mのSiO2をCVD法により堆積し、ドライエッチング法
によりエッチングして、ビット線の側壁部にSiO2のサイ
ドウォールスペーサを形成し、ビット線を絶縁する(図
6)。
【0016】蓄積電極が多結晶シリコン51と接触する
部分のみを公知のホトリソグラフィ法とドライエッチン
グ法を用いて開口する。この上にCVD法によりSiO2
3を堆積し、エッチバック法により平坦化した。BPS
Gなどのシリコン酸化膜系の絶縁膜を堆積させ、平坦化
してもよい。その場合、絶縁膜は、下の段差を埋めて平
坦化するのに十分な膜厚とする必要がある。公知のホト
リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて蓄積容量
部を多結晶シリコン51と接触させるメモリ部コンタク
ト孔を開口し、このコンタクト孔を多結晶シリコン14
で埋め込む(図7)。
【0017】Ptの下地電極15を形成した後、フォトレジ
ストをマスクにドライエッチング法によりこれをパター
ンニングした。この表面に固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTi
O3))の薄膜16を形成する。本実施例では、高周波マグ
ネトロンスパッタ法により、厚さ100nmの(x(BaZrO3)・1
-x(PbTiO3))固溶体薄膜を形成した。薄膜の組成はx=0.
47とした。スパッタリングガスはアルゴンと酸素の9:
1混合ガスを使用し、ガス圧は0.1Torrとした。スパッ
タ時の基板温度は約200℃とし、スパッタ終了後、酸化
雰囲気中で550℃2時間の熱処理をおこなった。
【0018】今回はスパッタ法を用いたが、x(BaZrO3)・
1-x(PbTiO3)固溶体薄膜の形成方法としては、公知のゾ
ル・ゲル法やCVD法、MOCVD法等を用いてもよ
い。次に、プレート電極17を被着し、メモリセルの蓄積
容量部を完成させる。最後に、層間絶縁膜を形成し、そ
の上にAl配線を作り、メモリセルを完成する。
【0019】図8はx(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)固溶体を用
いたキャパシタの比誘電率の温度特性である。x=0.45〜
0.5の組成では、0℃〜125℃の温度範囲で比誘電率が150
0〜2000と大きく、また温度による比誘電率の変化が小
さいことがわかる。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、構造の簡単で微細なメ
モリセルで十分な蓄積電荷量を確保することが出来、ha
lf VDD plate方式を採用することが可能となるので、信
頼性の高いギガビットレベルのメモリが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のメモリセルの断面図である。
【図2】強誘電体の分極−電圧特性である。
【図3】PZT薄膜の膜厚tと抗電場Ecの関係であ
る。
【図4】本発明の一実施例の工程を示す第1の断面図で
ある。
【図5】本発明の一実施例の工程を示す第2の断面図で
ある。
【図6】本発明の一実施例の工程を示す第3の断面図で
ある。
【図7】本発明の一実施例の工程を示す第4の断面図で
ある。
【図8】x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)固溶体の比誘電率の温
度特性である。
【符号の説明】
1…半導体基板、2…素子間分離酸化膜、3…ゲート酸
化膜、4…ワード線、5,7,8,10,12,13…層間
絶縁膜、6…不純物拡散層、9,14,51,52…コン
タクトプラグ、11…ビット線、15…下部電極、16
…x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)固溶体薄膜、17…プレート
電極。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一つのスイッチ用トランジスタと、一つの
    電荷蓄積容量を有するメモリセルを含む半導体記憶装置
    であって、該電荷蓄積容量の絶縁膜にジルコン酸バリウ
    ムとチタン酸鉛の固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3))の
    薄膜を用いたことを特徴とする半導体記憶装置。
  2. 【請求項2】上記固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3))の
    組成がx>0.45であることを特徴とする特許請求の範囲第
    1項記載の半導体記憶装置。
  3. 【請求項3】一般的化学式ABO3で表わされるペロブ
    スカイト型化合物において、A原子としてバリウムと鉛
    を、B原子としてチタンとジルコニウムを含む固溶体の
    薄膜で、−20℃から150℃の温度範囲で常誘電体である
    薄膜を電荷蓄積容量の絶縁膜に用いたことを特徴とす
    る、一つのスイッチ用トランジスタと、一つの電荷蓄積
    容量を有するメモリセルを含む半導体記憶装置。
  4. 【請求項4】一つのスイッチ用トランジスタと、一つの
    電荷蓄積容量を有するメモリセルを含む半導体記憶装置
    であって、該電荷蓄積容量の絶縁膜にジルコン酸バリウ
    ムとチタン酸鉛の固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3))の
    薄膜を用いた半導体記憶装置の製造方法において、該薄
    膜を高周波マグネトロンスパッタ法を用いることを特徴
    とする半導体記憶装置の製造方法。
  5. 【請求項5】上記固溶体(x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)薄膜
    を形成する際、一旦目的の薄膜と同じ組成の非晶質薄膜
    を形成した後、500℃以上で熱処理することを特徴と
    する特許請求の範囲第4項記載の半導体記憶装置の製造
    方法。
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