JPH06120423A - Semiconductor device and manufacture thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacture thereof

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Publication number
JPH06120423A
JPH06120423A JP4267183A JP26718392A JPH06120423A JP H06120423 A JPH06120423 A JP H06120423A JP 4267183 A JP4267183 A JP 4267183A JP 26718392 A JP26718392 A JP 26718392A JP H06120423 A JPH06120423 A JP H06120423A
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JP
Japan
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thin film
semiconductor device
capacitor
insulating film
solid solution
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Application number
JP4267183A
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Japanese (ja)
Inventor
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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Publication date
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Priority to JP4267183A priority Critical patent/JPH06120423A/en
Publication of JPH06120423A publication Critical patent/JPH06120423A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a preferred capacitor insulating film by adopting a ferroelectric substance having a Curie point of -20 deg.C or lower and using it in a paraelectric phase thereby to prevent polarization and reversal. CONSTITUTION:A thin film of a solid solution (XBaZrO3.cl-X) containing BaZrO3 by 45% or more is adopted as a capacitor insulating film. After a ground electrode 15 of pt is formed, With a photoresist as a mask it is patterned by dry etching. On its surface a solid solution thin film 16 is formed by a high-frequency magnetron sputtering process. The thin film composition is X=0.47. Since it has a Curie point of -20 deg.C or lower it is paraelectric in the guaranteed working temperature range (-20 deg.C-150 deg.C) of DRAMs, no polarization and reversal occurs. With this, a sufficient amount of accumulated charge can be acquired by a capacitor with a simple structure and a small area.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置、特に、高
誘電体を用いた大規模集積回路に好適な小面積かつ、大
容量のキャパシタを備えた半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device equipped with a large-capacity capacitor having a small area suitable for a large-scale integrated circuit using a high dielectric.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体装置の高集積化にともな
い、個々の素子は微細化の一途をたどっている。たとえ
ば、DRAM( Dynamic Random Access Memory )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、チップ面積の拡大(世代ごと1.4倍)とメモリセル
面積の縮小(世代ごと36%、約1/3倍)によって達成され
てきた。そしてメモリセル面積の縮小は素子の微細化に
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。すなわち、静電容量を一定に
保ったままキャパシタ面積を1/k倍に縮小するためには
絶縁膜の膜厚も1/kに薄くしなければならないが、従来
用いられている誘電体であるSiO2やSi3N4はすでに限界
近くまで薄膜化が進んでおり、これ以上の薄膜化は非常
に困難になってきているのである。この問題を解決する
ため、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。
2. Description of the Related Art In recent years, with the high integration of semiconductor devices, individual elements have been miniaturized. For example, DRAM (Dynamic Random Access Memory) has been highly integrated at a rate of 4 times in 3 years.
Mass production of megabit memory has started. This high integration has been achieved by increasing the chip area (1.4 times for each generation) and the memory cell area (36% for each generation, about 1/3 times). The reduction of the memory cell area has been achieved by the miniaturization of elements. However, due to the decrease in storage capacity due to miniaturization, adverse effects such as a decrease in signal-to-noise (SN) ratio and signal inversion due to incidence of α-rays become apparent, and securing reliability is a major problem. That is, in order to reduce the capacitor area by 1 / k while keeping the capacitance constant, the film thickness of the insulating film must be reduced to 1 / k. Thinning of SiO 2 and Si 3 N 4 has already progressed to the limit, and further thinning has become extremely difficult. In order to solve this problem, a memory cell having a large capacitor area in a small plane area has been developed by three-dimensionalization.
Even with such a method, there is a problem of economical efficiency that the miniaturization of the memory cell and the complexity of the structure progress, the manufacturing technique becomes very difficult, and the development / manufacturing cost remarkably increases.

【0003】また例えば、移動体通信に用いられるアナ
ログ回路には大きな容量を持ったキャパシタが必要であ
るが、これを従来のキャパシタ用の誘電体膜を用いて作
ろうとすると大きな面積を必要とするためLSI化とす
ることが出来ず、外付けのコンデンサーを用いている。
しかし、さらに小型軽量な移動体通信装置を実現するた
めには1チップLSI化が必要である。このように、大
容量のキャパシタを含む回路をLSI化するために、小
さな面積に大きな電荷を蓄積することの出来る誘電率の
大きな材料を用いたキャパシタが必要とされている。
Further, for example, an analog circuit used for mobile communication requires a capacitor having a large capacity, but if it is made using a conventional dielectric film for a capacitor, a large area is required. Therefore, it cannot be integrated into an LSI, and an external capacitor is used.
However, in order to realize a smaller and lighter mobile communication device, one-chip LSI is required. As described above, in order to make a circuit including a large-capacity capacitor into an LSI, a capacitor using a material having a large dielectric constant capable of accumulating large charges in a small area is required.

【0004】チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)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
Si3N4に比較し100〜1000倍の誘電率を持つため、これを
キャパシタ絶縁膜に用いれば小面積で大容量のキャパシ
タが実現できる。例えば、DRAMに用いれば、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。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3−16
5557号や、特公平3−256356号に記載されて
いるものがある。
Ferroelectrics typified by lead zirconate titanate (PZT) are conventional dielectric films for capacitors such as SiO 2 and
Since it has a dielectric constant 100 to 1000 times that of Si 3 N 4 , it can be used as a capacitor insulating film to realize a large-capacity capacitor with a small area. For example, if it is used for a DRAM, it is possible to store a sufficient charge for circuit operation in a minute (0.1 to 0.2 μm 2 ) memory cell of the gigabit generation simply by combining it with a relatively simple capacitor structure. As a DRAM using a ferroelectric thin film as a capacitor insulating film, Japanese Patent Publication No. 3-16
5557 and Japanese Patent Publication No. 3-256356.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】強誘電体は永久双極子
間の相互作用が強く、外部電場を印加しない状態でも自
発分極と呼ばれる電気分極を生じており、この自発分極
を外部電場により反転することができる物質である。こ
のため強誘電体の分極Pと印加電場Eの関係は図2に示
したようなものとなる。この関係を履歴曲線と呼び、分
極がゼロになるときの電場を坑電場ECと呼ぶ。このよ
うな特性を持つ強誘電体をキャパシタ絶縁膜に用いる場
合、外部電場の向きが反転して、それまでと逆方向に坑
電場以上の大きさの電場がかかると、分極反転電流が流
れることになる。このため、アナログLSIに用いる場
合には回路動作に問題を引き起こしてしまう問題があ
る。
A ferroelectric material has a strong interaction between permanent dipoles and causes an electric polarization called a spontaneous polarization even when an external electric field is not applied. The spontaneous polarization is inverted by the external electric field. It is a substance that can. Therefore, the relationship between the polarization P of the ferroelectric substance and the applied electric field E is as shown in FIG. This relationship is called a history curve, and the electric field when the polarization becomes zero is called the anti-electric field E C. When a ferroelectric material with such characteristics is used for the capacitor insulating film, if the direction of the external electric field is reversed and an electric field larger than the mine field is applied in the opposite direction, a polarization reversal current will flow. become. Therefore, when used in an analog LSI, there is a problem that it causes a problem in circuit operation.

【0006】また、分極反転に伴う薄膜の疲労によって
特性が劣化するといった問題がある。特にDRAMではキャ
パシタ絶縁膜にかかる電圧を小さくしてキャパシタ絶縁
膜の信頼性を確保するために、プレ−ト電圧Vcpを電源
電圧の1/2に設定し、”0”,”1”いずれの情報を
記録する場合でも±(VDD-VSS)/2の電圧がかかるように
することで、キャパシタ絶縁膜にかかる電圧を小さくし
てキャパシタ絶縁膜の信頼性を確保するhalf VDD plate
方式が用いられている。ところが、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、情報の読出し、書き込みの度に強誘電体の分極が
反転し、疲労によって特性が劣化してしまうという問題
がある。
Further, there is a problem that characteristics are deteriorated due to fatigue of the thin film due to polarization reversal. Particularly in DRAM, in order to reduce the voltage applied to the capacitor insulating film and ensure the reliability of the capacitor insulating film, the plate voltage Vcp is set to 1/2 of the power supply voltage, and either "0" or "1" is set. by the even ± (V DD -V SS) / 2 voltage is applied as the case of recording information, half V DD plate that by reducing the voltage applied to the capacitor insulating film to ensure the reliability of the capacitor insulation film
The scheme is used. However, in a DRAM using a ferroelectric thin film as a capacitor insulating film, when Ec · t> V DD / 2, the polarization of the ferroelectric material is reversed every time information is read or written, and the characteristics deteriorate due to fatigue. There is a problem that it ends up.

【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halfV
DD 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。
FIG. 3 summarizes the relationship between the film thickness t of the PZT thin film and the coercive electric field Ec that have been reported so far. Ec increases as the film thickness decreases. When the half V DD plate method is used, the electric field applied to the capacitor insulating film of each generation is calculated and shown in the figure. As can be seen from this figure, even if PZT thin film is used in 1G, 4G bit DRAM, halfV
There is a possibility that the DD plate method can be adopted. However, if there are variations in the anti-electric field in the film, polarization reversal will occur in the portion where the anti-electric field is small, which is a problem from the aspect of reliability.

【0008】また、最も広く研究されている強誘電体で
あるPZTは、キュリー点と呼ばれる相転移温度に近づく
につれてその誘電率が増大し、キュリー点で極大とな
る。通常半導体装置が用いられる温度範囲でもその誘電
率の温度変化にのために静電容量が変化してしまうた
め、アナログLSIに用いる場合に大きな問題となる。
The most widely studied ferroelectric, PZT, has a dielectric constant that increases as it approaches the phase transition temperature called the Curie point, and reaches its maximum at the Curie point. Even in the temperature range in which a semiconductor device is usually used, the capacitance changes due to the temperature change of its dielectric constant, which is a serious problem when used in an analog LSI.

【0009】[0009]

【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。
[Means for Solving the Problems] Solid solution ( x BaZrO 3 · (1-x)
PbTiO 3 ), a solid solution thin film containing 45% or more of BaZrO 3 is adopted as the capacitor insulating film.

【0010】[0010]

【作用】半導体装置の動作保証温度範囲が−20℃〜1
25℃であることから、−20℃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。
The operation guaranteed temperature range of the semiconductor device is −20 ° C. to 1
Since the temperature is 25 ° C., by using a ferroelectric material having a Curie point at −20 ° C. or lower and using it in the paraelectric phase, it is possible to avoid the reliability problem due to polarization reversal.

【0011】固溶体(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)で、BaZrO
3が45%以上含まれる固溶体では、キュリー点が−2
0℃以下で、DRAMの動作保証温度範囲内では常誘電
性であるので分極反転を起こさない。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、キャパシタ絶縁
膜として好適である。したがってこの材料をキャパシタ
絶縁膜として用いれば著しい半導体装置の高集積化を実
現できる。
In solid solution ( x BaZrO 3 · (1-x) PbTiO 3 ), BaZrO
The solid solution containing 45% or more of 3 has a Curie point of -2.
When the temperature is 0 ° C. or less, it does not cause polarization reversal because it is paraelectric within the operation guarantee temperature range of DRAM. Especially, x = 0.45 ~
The composition of 0.5 has a large relative permittivity of 1500 to 2000 and a small change in the relative permittivity with temperature, and is suitable as a capacitor insulating film. Therefore, if this material is used as a capacitor insulating film, a highly integrated semiconductor device can be realized.

【0012】[0012]

【実施例】以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明す
る。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【0013】図1は、本発明のキャパシタを用いたDRAM
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(xBaZrO3(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(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)の薄膜、1
7はプレート電極である。
FIG. 1 shows a DRAM using the capacitor of the present invention.
It is a sectional view of a memory cell. Except that a thin film of solid solution (x BaZrO 3 · (1- x) PbTiO 3) in the capacitor insulating film is basically has the same structure as those described in KOKOKU No. 3-256356 . Here, 1 is a p-semiconductor substrate, 2 is an element isolation insulating film, 3 is a gate oxide film, 4 is a word line serving as a gate electrode, 5, 6, 7, 10, 12, 13 are interlayer insulating films, and 6 is n. -Type impurity diffusion layer (phosphorus), 9,14
Is a contact plug, 11 is a bit line, 15 is a lower electrode, 16 is a solid solution ( x BaZrO 3. (1-x) PbTiO 3 ) thin film, 1
7 is a plate electrode.

【0014】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。
4 to 8 are sectional views showing the steps of manufacturing the memory cell according to this embodiment. First, as shown in FIG. 4, the switching transistor is a conventional MOSF.
It is formed by the ET forming process. SiO 2 7 with a thickness of 50 nm and Si with a thickness of 400 nm are formed on the entire surface by a known CVD method.
3 N 4 was deposited by the CVD method, respectively, and the Si 3 N 4
The insulating film 8 is embedded between the word lines by etching.

【0015】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。
Next, as shown in FIG. 5, the portion where the bit line is in contact with the n-type diffusion layer on the substrate surface and the portion where the storage electrode is in contact with the n-type diffusion layer on the substrate surface are formed by a known photolithography method. Open using a dry etching method. CV
After depositing polycrystalline silicon containing an n-type impurity having a thickness of 400 nm by the D method, etching is performed by the film thickness, so that the polycrystalline silicon 51 is formed inside the hole formed by the above-described etching. 52 is embedded.

【0016】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)。
SiO 2 10 having a thickness of 50 nm is deposited by the CVD method, and only the portion where the bit line is in contact with the polycrystalline silicon 52 is opened by using the known photolithography method and dry etching method. Next, the bit line 11 is formed. A laminated film of metal silicide and polycrystalline silicon was used as the material of the bit line. On top of this, 200 nm thick SiO 2 1
2 is deposited. The SiO 2 12 and the bit line 11 are processed by the known photolithography method and dry etching method,
Make the bit line a desired pattern. Next, film thickness 150n
m of SiO 2 is deposited by the CVD method and is etched by the dry etching method to form a sidewall spacer of SiO 2 on the side wall of the bit line to insulate the bit line (FIG. 6).

【0017】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)。
Only the portion where the storage electrode is in contact with the polycrystalline silicon 51 is opened by the known photolithography method and dry etching method. SiO 2 1 is formed on this by CVD method.
3 was deposited and flattened by the etch back method. BPS
A silicon oxide film type insulating film such as G may be deposited and planarized. In that case, the insulating film needs to have a film thickness sufficient to fill the step below and planarize it. A memory section contact hole for contacting the storage capacitor section with the polycrystalline silicon 51 is opened by using the known photolithography method and dry etching method, and the contact hole is formed by the polycrystalline silicon 14
Embed with (Fig. 7).

【0018】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(xBaZrO3(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(xBaZrO3
(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。
After forming the Pt base electrode 15, this was patterned by a dry etching method using a photoresist as a mask. Solid solution (x BaZrO 3 · on this surface (1-x) PbTi
A thin film 16 of O 3 ) is formed. In this example, a 100 nm-thick ( x BaZrO 3
(1-x) PbTiO 3) to form a solid solution thin film. The composition of the thin film is x =
It was set to 0.47. A 9: 1 mixed gas of argon and oxygen was used as the sputtering gas, and the gas pressure was 0.1 Torr. The substrate temperature during sputtering is about 200 ° C,
Heat treatment was performed at 550 ° C for 2 hours in an oxidizing atmosphere.

【0019】今回はスパッタ法を用いたが、(xBaZrO3
(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。
Although the sputtering method was used this time, ( x BaZrO 3
As a method of forming the (1-x) PbTiO 3 ) solid solution thin film, a known sol-gel method, a CVD method, a MOCVD method or the like may be used. Next, the plate electrode 17 is deposited to complete the storage capacitor portion of the memory cell. Finally, an interlayer insulating film is formed, an Al wiring is formed thereon, and the memory cell is completed.

【0020】本発明の半導体装置、ダイナミックランダ
ムアクセスメモリに限らず、あらゆる種類の半導体装置
に適用可能である。その例を、図8に示した高速バイポ
ーラメモリの例で説明する。この半導体記憶装置は、た
とえばスーパーコンピュータのキャシュメモリとして使
われている。この半導体記憶装置は、α線入射によるソ
フトエラーを防止するためのキャパシタとしてPtSi-Si
のシュットキーバリアダイオード(SBD)の接合容量が利
用されている。ソフトエラーを防止するためには約500f
Fの静電容量が必要であるが、SBDの静電容量密度は3.4f
F/μm2以上にすることができないため、大面積のSBDを
使用せざろうえなかった。誘電率の大きな材料を用いた
小面積のキャパシタと小面積のSBDと並列に形成して、
全体として面積の小さなダーオードの等価回路を使用す
ればメモリセルの面積を縮小することができる。上記小
面積のキャパシタの誘電体材料としてタンタル、チタン
などの金属酸化物を用いた高速バイポーラメモリとして
は特開昭61-212053号に記載されているものがある。本
実施例ではこの小面積キャパシタとして本発明の半導体
装置を用いた。図9は、本実施例の高速バイポーラメモ
リセルの部分断面図である。図において、90はp型シリ
コン基板、91はn+埋め込み層、92は素子間分離絶縁膜、
93はn型エピタキシャルシリコン層、94は高濃度にドー
プされたn型エピタキシャルシリコン層、95はPtSi、96
はシリコン酸化膜、97は(xBaZrO3(1-x)PbTiO3)固溶体
薄膜、98はTi配線層、99はAl配線層である。93のn型エ
ピタキシャルシリコン層上のPtSiはショットキー接触と
なり、となり、Al/TiN配線とn+埋め込み層の間にショッ
トキーダイオードが形成される。一方94の高濃度にドー
プされたn型エピタキシャルシリコン層上のPtSiはオー
ミック接触となっている。この部分のPtSiはキャパシタ
の下地電極として用いられる。本実施例ではキャパシタ
絶縁膜としてx=0.47の(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)固溶体
薄膜を用いたので、その比誘電率は1100で100nmの膜厚
でも単位面積当たり約100fF/μm2もの静電容量が得られ
た。これはTa2O5を用いた場合の約10倍の静電容量密度
であり、従来50μm2必要であったキャパシタ面積を5μm
2にすることができる。その結果セル面積を大幅に縮小
することができた。
The present invention is not limited to the semiconductor device and the dynamic random access memory, but can be applied to all kinds of semiconductor devices. An example thereof will be described using the example of the high-speed bipolar memory shown in FIG. This semiconductor memory device is used, for example, as a cache memory of a super computer. This semiconductor memory device uses PtSi-Si as a capacitor to prevent soft error due to α-ray incidence.
The Schottky barrier diode (SBD) junction capacitance of is used. About 500f to prevent soft error
Capacitance of F is required, but capacitance density of SBD is 3.4f
Since it is not possible to exceed F / μm2, we could not use a large area SBD. Formed in parallel with a small area capacitor using a material with a large dielectric constant and a small area SBD,
The area of the memory cell can be reduced by using a diode equivalent circuit having a small area as a whole. A high-speed bipolar memory using a metal oxide such as tantalum or titanium as the dielectric material of the above small area capacitor is disclosed in JP-A-61-212053. In this embodiment, the semiconductor device of the present invention is used as this small area capacitor. FIG. 9 is a partial cross-sectional view of the high speed bipolar memory cell of this embodiment. In the figure, 90 is a p-type silicon substrate, 91 is an n + buried layer, 92 is an element isolation insulating film,
93 is an n-type epitaxial silicon layer, 94 is a heavily doped n-type epitaxial silicon layer, 95 is PtSi, 96
Is a silicon oxide film, 97 is a ( x BaZrO 3 · (1-x) PbTiO 3 ) solid solution thin film, 98 is a Ti wiring layer, and 99 is an Al wiring layer. PtSi on the n-type epitaxial silicon layer of 93 forms a Schottky contact, and a Schottky diode is formed between the Al / TiN wiring and the n + buried layer. On the other hand, PtSi on the heavily doped n-type epitaxial silicon layer of 94 is in ohmic contact. The PtSi in this portion is used as the base electrode of the capacitor. In this example, since the x = 0.47 ( x BaZrO 3 · (1-x) PbTiO 3 ) solid solution thin film was used as the capacitor insulating film, its relative dielectric constant was 1100 and a film thickness of 100 nm was about 100 fF / unit area. Capacitances as high as μm2 were obtained. This is about 10 times the capacitance density when Ta 2 O 5 is used, and the capacitor area that was conventionally required to be 50 μm 2 was 5 μm.
Can be 2 . As a result, the cell area could be significantly reduced.

【0021】図10は(xBaZrO3(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1500〜2000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。また図11はRFマグネトロン
スパッタ法により作成したx=0.47の(xBaZrO3(1-x)PbT
iO3)固溶体薄膜の比誘電率の温度変化を測定し、他の強
誘電体薄膜と比較したものである。(xBaZrO3(1-x) Pb
TiO3)固溶体薄膜の比誘電率の温度変化が非常に小さく
優れた特性を持つことがわかった。
FIG. 10 shows the temperature characteristic of the relative dielectric constant of the capacitor using the ( x BaZrO 3. (1-x) PbTiO 3 ) solid solution. x = 0.
It can be seen that in the composition of 45 to 0.5, the relative permittivity is as large as 1500 to 2000 in the temperature range of 0 ° C to 125 ° C, and the change of the relative permittivity with temperature is small. In addition, FIG. 11 shows ( x BaZrO 3 · (1-x) PbT of x = 0.47 prepared by the RF magnetron sputtering method.
The change in the relative permittivity of the iO 3 ) solid solution thin film with temperature was measured and compared with other ferroelectric thin films. ( x BaZrO 3(1-x) Pb
It was found that the change in relative permittivity of TiO 3 ) solid solution thin film was very small and had excellent characteristics.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明によれば、構造が簡単で小面積の
キャパシタで十分な蓄積電荷量を確保することが出来る
ので、キャパシタを備えた半導体装置の高集積化を容易
に実現できる。
According to the present invention, since a capacitor having a simple structure and a small area can secure a sufficient amount of accumulated charges, high integration of a semiconductor device having a capacitor can be easily realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.

【図2】強誘電体の分極−電場特性である。FIG. 2 is a polarization-electric field characteristic of a ferroelectric substance.

【図3】PZT薄膜の膜厚tと抗電場Ecの関係であ
る。
FIG. 3 is a relationship between a film thickness t of a PZT thin film and a coercive electric field Ec.

【図4】本発明の第1の実施例の工程を示す第1の断面
図である。
FIG. 4 is a first sectional view showing a step of the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第1の実施例の工程を示す第2の断面
図である。
FIG. 5 is a second sectional view showing a step of the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1の実施例の工程を示す第3の断面
図である。
FIG. 6 is a third cross-sectional view showing the process of the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施例の工程を示す第4の断面
図である。
FIG. 7 is a fourth cross-sectional view showing the process of the first embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第2の実施例の半導体記憶装置の回路
図である。
FIG. 8 is a circuit diagram of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第2の実施例の断面図である。FIG. 9 is a sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図10】x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)固溶体の比誘電率の
温度特性である。
FIG. 10 is a temperature characteristic of relative permittivity of x (BaZrO3) · 1-x (PbTiO3) solid solution.

【図11】x(BaZrO3)・1-x(PbTiO3)固溶体薄膜と他の強
誘電体薄膜の比誘電率の温度変化の比較である。
FIG. 11 is a comparison of temperature changes in relative permittivity of x (BaZrO3) · 1-x (PbTiO3) solid solution thin films and other ferroelectric thin films.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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
…(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)固溶体薄膜、17…プレー
ト電極、90…p型シリコン基板、9…n+埋め込み層、
92…素子間分離絶縁膜、93…n型エピタキシャルシ
リコン層、94…高濃度にドープされたn型エピタキシ
ャルシリコン層、95…PtSi、96…シリコン酸化膜、
97…(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)固溶体薄膜、98…Ti
配線層、99…Al配線層。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate, 2 ... Inter-element isolation oxide film, 3 ... Gate oxide film, 4 ... Word line, 5, 7, 8, 10, 12, 13 ... Interlayer insulating film, 6 ... Impurity diffusion layer, 9, 14, 51, 52 ... Contact plug, 11 ... Bit line, 15 ... Lower electrode, 16
... (x BaZrO 3 · (1 -x) PbTiO 3) solid solution thin film, 17 ... plate electrode, 90 ... p-type silicon substrate, 9 ... n + buried layer,
92 ... Element isolation insulating film, 93 ... N type epitaxial silicon layer, 94 ... Highly doped n type epitaxial silicon layer, 95 ... PtSi, 96 ... Silicon oxide film,
97 ... ( x BaZrO 3 · (1-x) PbTiO 3 ) solid solution thin film, 98 ... Ti
Wiring layer, 99 ... Al wiring layer.

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】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
膜を絶縁膜に用いたキャパシタを持つことを特長とする
半導体装置。
1. A perovskite type compound represented by the general chemical formula ABO 3 which is a thin film of a solid solution containing barium and lead as A atoms and titanium and zirconium as B atoms, and is usually used in the temperature range of -20 ° C. to 150 ° C. A semiconductor device characterized by having a capacitor that uses a dielectric thin film as an insulating film.
【請求項2】化学式(xBaZrO3(1-x) PbTiO3)で表わさ
れるペロブスカイト型化合物において、組成範囲0.45≦
x≦0.55のうちから選択された一つの組成を持つ薄膜を
絶縁膜に用いたキャパシタを持つことを特長とする半導
体装置。
2. A perovskite type compound represented by the chemical formula ( x BaZrO 3. (1-x) PbTiO 3 ), wherein the composition range is 0.45 ≦
A semiconductor device having a capacitor using a thin film having one composition selected from x ≦ 0.55 as an insulating film.
【請求項3】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特許請求の範囲第
1項または第2項記載の薄膜を用いたことを特徴とする
半導体装置。
3. A semiconductor memory device including one switching transistor and a memory cell having one charge storage capacity, wherein the insulating film of the charge storage capacity is an insulating film. A semiconductor device using the thin film of.
【請求項4】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
膜を絶縁膜に用いたコンデンサーを持つことを特長とす
る半導体装置の製造方法において、上記薄膜を高周波マ
グネトロンスパッタ法を用いて作成することを特長とす
る半導体装置の製造方法。
4. A perovskite type compound represented by the general chemical formula ABO 3, which is a thin film of a solid solution containing barium and lead as A atoms and titanium and zirconium as B atoms and is usually used in the temperature range of -20 ° C. to 150 ° C. What is claimed is: 1. A method of manufacturing a semiconductor device, which has a capacitor using a thin film that is a dielectric as an insulating film. A method of manufacturing a semiconductor device, which is characterized in that the thin film is formed by a high frequency magnetron sputtering method.
【請求項5】特許請求の範囲第4項記載の半導体装置の
製造方法においてターゲットとして所望の薄膜と同じ組
成を持つ燒結体をターゲットに用いることを特長とする
半導体装置の製造方法。
5. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein a sintered body having the same composition as a desired thin film is used as the target.
【請求項6】特許請求の範囲第4項記載の半導体装置の
製造方法において、所望の薄膜と同じ組成を持つ非晶質
の薄膜を形成した後、酸化雰囲気中で熱処理することに
よりペロブスカイト型構造に結晶化した薄膜を得ること
を特長とする半導体装置の製造方法。
6. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein an amorphous thin film having the same composition as a desired thin film is formed and then heat-treated in an oxidizing atmosphere to form a perovskite structure. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that a crystallized thin film is obtained.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997033316A1 (en) * 1996-03-08 1997-09-12 Hitachi, Ltd. Semiconductor device and its manufacture
KR100263720B1 (en) * 1995-07-21 2000-08-01 니시무로 타이죠 A semiconductor memory and it,s manufacturing method
JP2003512721A (en) * 1999-10-20 2003-04-02 インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト Method for manufacturing capacitor electrode having barrier structure
US8143723B2 (en) 1996-07-18 2012-03-27 Fujitsu Semiconductor Limited Highly integrated and reliable DRAM and its manufacture

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100263720B1 (en) * 1995-07-21 2000-08-01 니시무로 타이죠 A semiconductor memory and it,s manufacturing method
US6333538B1 (en) 1995-07-21 2001-12-25 Kabushiki Kaisha Toshiba COB DRAM having contact extending over element-isolating film
US6593202B2 (en) 1995-07-21 2003-07-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor memory device and fabrication method thereof
WO1997033316A1 (en) * 1996-03-08 1997-09-12 Hitachi, Ltd. Semiconductor device and its manufacture
US6144052A (en) * 1996-03-08 2000-11-07 Hitachi, Ltd. Semiconductor device and its manufacture
US8143723B2 (en) 1996-07-18 2012-03-27 Fujitsu Semiconductor Limited Highly integrated and reliable DRAM and its manufacture
JP2003512721A (en) * 1999-10-20 2003-04-02 インフィネオン テクノロジーズ アクチエンゲゼルシャフト Method for manufacturing capacitor electrode having barrier structure

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