JPH09213904A - Semiconductor device and manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor device and manufacturing method thereof

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JPH09213904A
JPH09213904A JP8016399A JP1639996A JPH09213904A JP H09213904 A JPH09213904 A JP H09213904A JP 8016399 A JP8016399 A JP 8016399A JP 1639996 A JP1639996 A JP 1639996A JP H09213904 A JPH09213904 A JP H09213904A
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JP
Japan
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layer
film
metal film
ferroelectric
metal
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Application number
JP8016399A
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Japanese (ja)
Inventor
信一郎 ▲高▼谷
Shinichiro Takatani
Keiko Kushida
惠子 櫛田
Kazunari Torii
和功 鳥居
Masahiko Hiratani
正彦 平谷
Hiroshi Miki
浩史 三木
Yuichi Matsui
裕一 松井
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the electric characteristics, without deteriorating electrode parts by forming a second metal film on a first metal film made of a boride selected among transition metal elements and upper electrode formed on a ferroelectric film formed on the second metal film. SOLUTION: On a low-resistance Si substrate 1, a TiB2 layer 2 is deposited by the r-f sputtering method, Pt layer 3 is deposited on this layer 2 by the d-c sputtering method, lead zirconate titanate layer 4 is formed on the Pt layer by the sol-gel method and upper Au electrode 5 is formed with a metal mask to complete a capacitor. TiB2 is used here as a boride but other borate may be used. Instead of the Pt layer, Pd, Ir, Rh, Re or RUO2 may be used. Thus, the increase of the contact resistance and growth of a series parasitic capacitance are suppressed, no deterioration of the electrode parts occurs and fine workability is excellent enough to make good electric characteristics.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、特に強誘電体を使
用したキャパシタ及びそれを用いたメモリ、無線通信用
等の半導体装置及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitor using a ferroelectric material, a memory using the same, a semiconductor device for wireless communication, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電子機器の小型化や高性能化に伴
い、例えばダイナミックランダムアクセスメモリ(DR
AM)のセルキャパシタや通信用ICのバイパスコンデ
ンサ等に、高容量のキャパシタが必要とされている。こ
のため最近キュリー点以下の温度において強誘電性を示
す材料(以下強誘電体材料と呼ぶ)をキャパシタの誘電
体材料として用いる試みがなされている。強誘電体材料
としては、例えばペロブスカイト系材料やタングステン
ブロンズ系誘電体材料が知られている。ペロブスカイト
化合物の具体例としては、チタン酸ストロンチウム(S
rTiO3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ジル
コン酸チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)等が挙げ
られる。これらの強誘電体材料では、比誘電率が100
以上であり、従来のSiO2やSi34に比べ大きいこ
とが特徴である。
2. Description of the Related Art In recent years, along with the miniaturization and high performance of electronic equipment, for example, dynamic random access memory (DR
A high-capacity capacitor is required for a cell capacitor of AM) and a bypass capacitor of a communication IC. For this reason, attempts have recently been made to use a material exhibiting ferroelectricity at a temperature below the Curie point (hereinafter referred to as a ferroelectric material) as a dielectric material of a capacitor. Known ferroelectric materials include, for example, perovskite-based materials and tungsten bronze-based dielectric materials. Specific examples of perovskite compounds include strontium titanate (S
rTiO 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ) and the like. These ferroelectric materials have a relative dielectric constant of 100.
The above is the feature that it is larger than the conventional SiO 2 and Si 3 N 4 .

【0003】特開平4−181766号には、上記強誘
電体を用いるキャパシタについて、強誘電体に接して設
けられる電極にしばしばPtとTiNの2層構造を用い
ることが記載されている。第1層にPtを用いるのはP
tが耐酸化性に優れかつ上記高誘電体や強誘電体と反応
しにくいためであり、第2層のTiNはPtと下地の半
導体もしくは金属との反応を抑える働きを有する。
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 4-181766 describes that a capacitor using the above ferroelectric substance often uses a two-layer structure of Pt and TiN for an electrode provided in contact with the ferroelectric substance. Using Pt for the first layer is P
This is because t is excellent in oxidation resistance and does not easily react with the above-mentioned high dielectric substance or ferroelectric substance, and the TiN of the second layer has a function of suppressing the reaction between Pt and the underlying semiconductor or metal.

【0004】また、特開平7−78727号には、Ti
B等のホウ化物を電極に用いることが記載されている。
In Japanese Patent Laid-Open No. 7-78727, Ti is used.
It is described that a boride such as B is used for the electrode.

【0005】さらに、特開昭62−207784号に
は、チタン酸系セラミックス上に炭化チタン層を形成す
ることが記載されている。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-207784 describes forming a titanium carbide layer on a titanate-based ceramics.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】上記PtとTiNの2
層構造電極を有するキャパシタを作成する際、強誘電体
薄膜堆積時、あるいは結晶化に必要な酸素雰囲気中での
熱処理時において酸素がPt層を貫通して下層のTiN
層に達し、Pt層とTiN層の界面にTiO2が形成さ
れる。このためPt/TiN間の接触抵抗が増大したり
直列寄生容量が発生する。この問題を回避するために
は、Pt層の厚さを充分厚くする必要があり、200n
m程度要求される。しかし、Pt層の加工には反応性イ
オンエッチング法等の微細加工技術が使えず、イオンミ
リング法等の微細加工に不向きな方法を用いなければな
らないため、Pt層が厚いと素子の微細化が非常に難し
くなる。
[Problems to be Solved by the Invention] Pt and TiN
When forming a capacitor having a layered electrode, oxygen penetrates the Pt layer during deposition of a ferroelectric thin film or during heat treatment in an oxygen atmosphere necessary for crystallization, and TiN of the lower layer is formed.
Reaching the layer and TiO 2 is formed at the interface between the Pt layer and the TiN layer. Therefore, the contact resistance between Pt / TiN increases and series parasitic capacitance is generated. In order to avoid this problem, it is necessary to make the thickness of the Pt layer sufficiently thick.
About m is required. However, the Pt layer cannot be processed by a fine processing technique such as a reactive ion etching method, and a method unsuitable for the fine processing such as an ion milling method must be used. Very difficult.

【0007】またTiB等のホウ化物を電極に用いる場
合、一般的にホウ化物は耐酸化性に優れていると言うも
のの、直接強誘電体層を形成すると、強誘電体層とホウ
化物層との界面が酸化され遷移金属の酸化物が形成され
て直列の寄生容量となるため、キャパシタ全体の容量が
低下してしまう。同様に、TiCを電極に用いても、T
iBほどではないが、強誘電体層と炭化物層との介面が
酸化され、キャパシタ全体の容量が低下してしまう。ま
た、ホウ化物の薄膜の結晶性はPtに比べ劣るため、ホ
ウ化物層の上に強誘電体薄膜を形成した場合、強誘電体
の結晶性も不十分となり、誘電率や抗電界等の膜の特性
が劣化する。
When a boride such as TiB is used for an electrode, it is generally said that the boride is excellent in oxidation resistance. However, when the ferroelectric layer is directly formed, the ferroelectric layer and the boride layer are combined with each other. The interface is oxidized and a transition metal oxide is formed to form a series parasitic capacitance, so that the capacitance of the entire capacitor is reduced. Similarly, even if TiC is used for the electrode, T
Although not as large as iB, the intervening surface between the ferroelectric layer and the carbide layer is oxidized and the capacitance of the entire capacitor is reduced. In addition, since the crystallinity of the boride thin film is inferior to that of Pt, when the ferroelectric thin film is formed on the boride layer, the crystallinity of the ferroelectric is also insufficient, and the film such as the dielectric constant and the coercive electric field is formed. Characteristics deteriorate.

【0008】本発明の目的は強誘電体薄膜を用いるキャ
パシタにおける上記電極部分の劣化がなく、微細加工性
に優れ、かつ強誘電体の電気的特性の良好な半導体装置
を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the electrode portion of a capacitor using a ferroelectric thin film is not deteriorated, fine processability is excellent, and the electric characteristics of the ferroelectric are good.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的は、4a族、5
a族、6a族、7a族、8族の遷移金属元素より選ばれ
た少なくとも1種類のホウ化物からなる第1の金属層
と、前記第1の金属層上にPt、Pd、Ir、Rh、R
e、RuO2のいずれかの第2の金属層と、前記第2の
金属層上に強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に上部電極
とを設けることにより達成される。Pt、Pd、Ir、
Rh、Re、RuO2のいずれかの金属層の厚さとして
は、10nm以上100nm以下に設定されることが好
ましい。
[Means for Solving the Problems] The above objects are 4a group, 5
a first metal layer made of at least one kind of boride selected from the group a, 6a, 7a, and 8 transition metal elements; and Pt, Pd, Ir, Rh on the first metal layer. R
This is achieved by providing a second metal layer of either e or RuO 2, a ferroelectric film on the second metal layer, and an upper electrode on the ferroelectric film. Pt, Pd, Ir,
The thickness of the metal layer of any one of Rh, Re and RuO 2 is preferably set to 10 nm or more and 100 nm or less.

【0010】また上記目的は、4a族、5a族、6a
族、7a族、8族の遷移金属元素より選ばれた少なくと
も1種類の炭化物からなる第1の金属層と、前記第1の
金属層上にPt、Pd、Ir、Rh、Re、RuO2
いずれかからなる第2の金属層と、前記第2の金属層上
に強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に上部電極とを設け
ることにより達成される。Pt、Pd、Ir、Rh、R
e、RuO2のいずれかの金属層の厚さとしては、10
nm以上100nm以下に設定されることが好ましい。
Further, the above-mentioned objects are 4a group, 5a group, 6a
A first metal layer made of at least one kind of carbide selected from group 7a group 7 transition metal elements, and Pt, Pd, Ir, Rh, Re, RuO 2 on the first metal layer. This is achieved by providing a second metal layer made of any one, a ferroelectric film on the second metal layer, and an upper electrode on the ferroelectric film. Pt, Pd, Ir, Rh, R
The thickness of the metal layer of either e or RuO 2 is 10
It is preferable that the thickness is set to be 100 nm or more and 100 nm or less.

【0011】以下、Pt、Pd、Ir、Rh、Re、R
uO2のいずれかの金属のうちPtを用いた場合を例に
とり説明する。
Hereinafter, Pt, Pd, Ir, Rh, Re, R
An example will be described in which Pt is used as one of the metals of uO 2 .

【0012】上記ホウ化物としては、例えばTiB2
ZrB2、WB2、MoB2、ReB2、RuBx等が挙げ
られる。これらの金属の耐酸化性は窒化物より優れる。
よって強誘電体薄膜堆積時、あるいは結晶化に必要な酸
素雰囲気中での熱処理時等にPt層内部を拡散してくる
酸素との反応が少なく、Pt層との界面に高抵抗層を形
成しにくい。しかも、Ptとも反応しにくく、Ptに対
する良好な拡散バリアとして作用する。このためPt層
を薄くしても接触抵抗や直列寄生容量の小さい良好なキ
ャパシタが得られる。また強誘電体層とホウ化物層は直
接接していないので、界面に酸化物層が形成される心配
もない。またPt層はホウ化物層より結晶性に優れるの
で、この上に形成した強誘電体層の強誘電特性も良好と
なる。Pt層の厚さとしてはホウ化物層表面の酸化を抑
さえ、且つ上に堆積する強誘電体層の特性を確保するう
えで、10nm以上が望ましく、また微細加工性を確保
する点で100nm以下が望ましい。
Examples of the above boride include TiB 2 ,
ZrB 2, WB 2, MoB 2 , ReB 2, RuBx and the like. The oxidation resistance of these metals is superior to nitrides.
Therefore, there is little reaction with oxygen that diffuses inside the Pt layer during deposition of the ferroelectric thin film or during heat treatment in an oxygen atmosphere necessary for crystallization, and a high resistance layer is formed at the interface with the Pt layer. Hateful. Moreover, it hardly reacts with Pt, and acts as a good diffusion barrier against Pt. Therefore, even if the Pt layer is thinned, a good capacitor having a small contact resistance and series parasitic capacitance can be obtained. Further, since the ferroelectric layer and the boride layer are not in direct contact with each other, there is no fear of forming an oxide layer at the interface. Further, since the Pt layer is superior in crystallinity to the boride layer, the ferroelectric characteristic of the ferroelectric layer formed thereon is also good. The thickness of the Pt layer is preferably 10 nm or more in order to suppress the oxidation of the boride layer surface and to secure the characteristics of the ferroelectric layer to be deposited on the Pt layer. Is desirable.

【0013】上記炭化物としては、例えばTiC、Zr
C、WC、MoC、TaC等が挙げられる。これらの金
属の電気抵抗は従来のTiN等の窒化物と同等か小さ
く、かつ耐酸化性は窒化物のみならずホウ化物よりも優
れる。従って、炭化物層と強誘電体層の間にPt等の金
属層を挿入すると、炭化物表面の酸化は更に抑さえられ
る。
Examples of the above-mentioned carbides include TiC and Zr.
C, WC, MoC, TaC, etc. are mentioned. The electric resistance of these metals is equal to or smaller than that of conventional nitrides such as TiN, and the oxidation resistance is superior to that of borides as well as nitrides. Therefore, when a metal layer such as Pt is inserted between the carbide layer and the ferroelectric layer, the oxidation of the carbide surface is further suppressed.

【0014】本発明によるキャパシタにおける強誘電体
層としては、ペロブスカイト化合物やタングステンブロ
ンズ化合物が挙げられる。ペロブスカイト化合物の具体
例としては、チタン酸ストロンチウム(SrTi
3)、チタン酸バリウム(BaTiO3)、ジルコン酸
チタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O3)等が挙げられ
る。
Examples of the ferroelectric layer in the capacitor according to the present invention include perovskite compounds and tungsten bronze compounds. Specific examples of perovskite compounds include strontium titanate (SrTi
O 3 ), barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), and the like.

【0015】また、炭化物層に含まれるCはSi中に拡
散しても電気的に不活性でありドナーやアクセプタにな
らない。従って下地材料がSiである場合、炭化物層が
下地のSiと反応しても電気的特性の劣化が殆ど起こら
ない利点がある。
Further, even if C contained in the carbide layer diffuses in Si, it is electrically inactive and does not serve as a donor or an acceptor. Therefore, when the base material is Si, there is an advantage that the electrical characteristics are hardly deteriorated even when the carbide layer reacts with the base Si.

【0016】なお、強誘電体薄膜層とPt層、Pt層と
ホウ化物層、Pt層と炭化物層、強誘電体層と炭化物層
の間に密着性を向上させる等の理由により別の材料が挿
入されていてもよい。
It should be noted that another material may be used for the reason of improving the adhesion between the ferroelectric thin film layer and the Pt layer, the Pt layer and the boride layer, the Pt layer and the carbide layer, and the ferroelectric layer and the carbide layer. It may be inserted.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

<実施例1>ホウ化物層としてTiB2、その上に形成
する金属層にPtを用いたキャパシタの一実施例を示
す。図1は作成したキャパシタの層構造を示す図であ
る。低抵抗シリコン基板1上に厚さ100ナノメータの
TiB2層2を、雰囲気ガスにArを用い、ガス圧を2
Pa、また投入RF電力を300Wとして、燒結体をタ
ーゲット材に用いたRFスパッタ法により堆積した。こ
のTiB2層2上に、厚さ100ナノメータのPt層3
を、DCスパッタ法により、雰囲気ガスにArを用い、
ガス圧を2Pa、投入電力を400W、また基板温度を
500℃として堆積した。このPt層上に厚さ100ナ
ノメータのチタン酸ジルコン酸鉛層4をゾルゲル法で形
成した。使用したゾルは、酢酸鉛、チタンイソプロポキ
シド、ジルコニウムイソプロポキシドをメトキシエタノ
−ル中で反応させたものである。酸素雰囲気中で650
℃、2分間のラピッド・サーマル・アニーリングを行い
結晶化させた。さらにメタルマスクを用いてAu上部電
極5を形成してキャパシタを完成させた。
Example 1 An example of a capacitor using TiB 2 as a boride layer and Pt as a metal layer formed thereon will be described. FIG. 1 is a diagram showing a layered structure of the produced capacitor. A TiB 2 layer 2 having a thickness of 100 nanometers is formed on a low resistance silicon substrate 1, Ar is used as an atmosphere gas, and a gas pressure is set to 2
Pa was used, the applied RF power was 300 W, and the sintered body was deposited by the RF sputtering method using the target material. On this TiB 2 layer 2, a Pt layer 3 having a thickness of 100 nanometers is formed.
By a DC sputtering method using Ar as an atmosphere gas,
The gas pressure was 2 Pa, the input power was 400 W, and the substrate temperature was 500 ° C. for deposition. A lead zirconate titanate layer 4 having a thickness of 100 nanometers was formed on the Pt layer by a sol-gel method. The sol used was a reaction product of lead acetate, titanium isopropoxide, and zirconium isopropoxide in methoxyethanol. 650 in oxygen atmosphere
Crystallization was performed by rapid thermal annealing at 2 ° C for 2 minutes. Further, the Au upper electrode 5 was formed using a metal mask to complete the capacitor.

【0018】以上で得られたキャパシタのAu上部電極
ー基板間に電圧を印加して誘電特性を調べた結果を図2
に示す。図2からわかるように、良好なヒステリシスカ
ーブが得られている。これは基板からの給電が良好であ
ることを示しており、TiB2層とPt層の界面の酸化
やTiB2層と下地のSi層との反応による影響が電気
的特性上無視できることを示している。
The results of examining the dielectric characteristics by applying a voltage between the Au upper electrode and the substrate of the capacitor obtained above are shown in FIG.
Shown in As can be seen from FIG. 2, a good hysteresis curve is obtained. This indicates that the power supply from the substrate is good, and that the influence of the oxidation at the interface between the TiB 2 layer and the Pt layer and the reaction between the TiB 2 layer and the underlying Si layer can be ignored in terms of electrical characteristics. There is.

【0019】また、本実施例ではPt電極をスパッタ法
により形成した場合について述べたが、真空蒸着法によ
り形成したPt電極についても同様の結果が得られた。
Further, although the case where the Pt electrode is formed by the sputtering method has been described in the present embodiment, similar results were obtained also for the Pt electrode formed by the vacuum evaporation method.

【0020】本実施例ではホウ化物としてTiB2を用
いた場合について説明したが、その他のホウ化物を用い
てもよい。またホウ化物層の上に形成するPt層の代わ
りにPd、Ir、Rh、Re、RuO2を用いた場合も
同様である。
In this embodiment, TiB 2 was used as the boride, but other boride may be used. The same applies when Pd, Ir, Rh, Re or RuO 2 is used instead of the Pt layer formed on the boride layer.

【0021】また、本実施例ではTiB2層上にPt層
を形成したが、TiC層上に形成しても良い。TiC膜
の形成方法としては、例えば燒結体をターゲット材に用
いたRFスパッタ法を用いればよい。
Although the Pt layer is formed on the TiB 2 layer in this embodiment, it may be formed on the TiC layer. As a method of forming the TiC film, for example, an RF sputtering method using a sintered body as a target material may be used.

【0022】<実施例2>図3から図7は、本発明を用
いたメモリセルの実施例である。本実施例では、蓄積容
量部をトランジスタの上部に設けた平坦なメモリセル構
造を用いた。
<Embodiment 2> FIGS. 3 to 7 show an embodiment of a memory cell using the present invention. In this embodiment, a flat memory cell structure in which the storage capacitor portion is provided above the transistor is used.

【0023】まず、図3に示すように、スイッチ用トラ
ンジスタを従来のMOSFET形成工程により形成す
る。ここで21はp型半導体基板、22は素子間分離絶
縁膜、23はゲート酸化膜、24はゲート電極となるワ
ード線、25、26はn型不純物拡散層(リン)、27
は層間絶縁膜である。表面全体に公知のCVD法を用い
て厚さ50nmのSiO228と、厚さ600nmのS
3429をそれぞれ堆積させ、膜厚分のSi34をエ
ッチングすることによりワード線間に絶縁膜を埋め込ん
だ。SiO228は、次の工程でビット線を加工する際
の下地となり、基板表面が露出したり素子間分離絶縁膜
が削られるのを防ぐ働きがある。
First, as shown in FIG. 3, a switch transistor is formed by a conventional MOSFET forming process. Here, 21 is a p-type semiconductor substrate, 22 is an element isolation insulating film, 23 is a gate oxide film, 24 is a word line to be a gate electrode, 25 and 26 are n-type impurity diffusion layers (phosphorus), 27.
Is an interlayer insulating film. Using a known CVD method on the entire surface, SiO 2 28 having a thickness of 50 nm and S having a thickness of 600 nm are formed.
i 3 N 4 29 was deposited respectively, and Si 3 N 4 of the film thickness was etched to fill the insulating film between the word lines. The SiO 2 28 serves as a base for processing the bit line in the next step, and has a function of preventing the substrate surface from being exposed and the inter-element isolation insulating film from being scraped.

【0024】次に図4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25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26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し
た。CVD法を用いて厚さ600nm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31、32を埋め込んだ。
Next, as shown in FIG. 4, a portion 25 where the bit line is in contact with the n-type diffusion layer on the substrate surface and a portion 26 where the storage electrode is in contact with the n-type diffusion layer on the substrate surface are known photolithography methods. Then, an opening was formed by using a dry etching method. Polycrystalline silicon containing n-type impurities having a thickness of 600 nm is deposited by using the CVD method, and then etching is performed by the film thickness, so that the polycrystalline silicon 31 inside the hole formed by the above-described etching, I embedded 32.

【0025】次に図5に示すように、表面全体に公知の
CVD法を用いて絶縁膜41を堆積させ、ビット線を基
板の拡散層25と電気的に接続するため多結晶シリコン
31の上部の絶縁膜41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した。次に、ビット線
材料である金属のシリサイドと多結晶シリコンの積層膜
を堆積し、この上に厚さ200nmのSiO243を堆
積し、SiO243とビット線42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て所望の
パターンを有するビット線42を形成した。次に、膜厚
150nmのSi34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Si34のサイドウォールスペーサ44を形成し、ビ
ット線を絶縁した。多結晶シリコン32の上部の絶縁膜
41を公知のホトリソグラフィ法とドライエッチング法
を用いて開口した。
Next, as shown in FIG. 5, an insulating film 41 is deposited on the entire surface by a known CVD method, and an upper portion of the polycrystalline silicon 31 is electrically connected to electrically connect the bit line to the diffusion layer 25 of the substrate. The insulating film 41 was opened by using the known photolithography method and dry etching method. Next, a stacked film of a metal silicide, which is a bit line material, and polycrystalline silicon is deposited, and SiO 2 43 having a thickness of 200 nm is deposited thereon, and the SiO 2 43 and the bit line 42 are formed by a known photolithography method. It was processed by using the dry etching method to form the bit line 42 having a desired pattern. Next, Si 3 N 4 having a film thickness of 150 nm is deposited by a CVD method and etched by a dry etching method to form a sidewall spacer 44 of Si 3 N 4 on the side wall portion of the bit line to insulate the bit line. . The insulating film 41 above the polycrystalline silicon 32 is opened by using the known photolithography method and dry etching method.

【0026】次に、図6に示すように、BPSGなどの
シリコン酸化膜系の絶縁膜51を堆積させ、平坦化し
た。この絶縁膜51は、基板表面を平坦化するのに十分
な膜厚とする必要がある。本実施例では、絶縁膜51の
膜厚を500nmとした。CVD法により基板表面にS
iO2を堆積し、エッチバック法により平坦化する方法
を用いても良い。次いで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コンタクト孔を形成する。次
に、埋め込み用のリンドープ非晶質シリコン膜52をC
VD法により200nm堆積した後、ドライエッチング
法によりエッチバックして、コンタクト孔を埋めた。
Next, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film type insulating film 51 such as BPSG was deposited and flattened. The insulating film 51 needs to have a film thickness sufficient to flatten the substrate surface. In this embodiment, the insulating film 51 has a thickness of 500 nm. S on the substrate surface by the CVD method
A method of depositing iO 2 and flattening it by an etch back method may be used. Then, a contact hole is formed by using a known photolithography method and dry etching method. Next, the phosphorus-doped amorphous silicon film 52 for embedding is C
After depositing 200 nm by the VD method, the contact hole was filled by etching back by the dry etching method.

【0027】次に、図7に示すように、厚さ100nm
のTiB2膜61を形成した。本実施例では、実施例1
で示した通りTiB2燒結体をターゲットに用いるRF
スパッタ法により堆積した。さらに厚さ100nmのP
t下地電極62をDCスパッタ法により形成した。DC
スパッタ法によりTiN膜を50nm被着し、フォトレ
ジストをマスクにSF6を用いたドライエッチング法に
よりTiNにパターンを転写し、このTiNをマスクに
用いたスパッタエッチング法によりPt下地電極62を
パターニングした。次にウェットエッチング法によりマ
スクに用いたTiNを除去した後、強誘電体薄膜63を
形成した。本実施例では、前述のゾルゲル法により、厚
さ約100nmのチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr
0.5Ti0.5)O3)薄膜を形成した後、酸素雰囲気中で
650℃、120秒の熱処理を行ない結晶化させた。そ
の後、プレート電極を被着し、これをパターンニングし
てメモリセルのキャパシタを完成させる。但し図7にお
いては、図面が複雑になるためプレート電極は示されて
いない。
Next, as shown in FIG. 7, the thickness is 100 nm.
A TiB 2 film 61 was formed. In this embodiment, the first embodiment
RF using TiB 2 sintered body as a target as shown in
It was deposited by the sputtering method. Furthermore, P with a thickness of 100 nm
The t base electrode 62 was formed by the DC sputtering method. DC
A TiN film was deposited to a thickness of 50 nm by a sputtering method, a pattern was transferred to TiN by a dry etching method using SF 6 using a photoresist as a mask, and a Pt base electrode 62 was patterned by a sputter etching method using this TiN as a mask. . Next, after removing TiN used for the mask by a wet etching method, a ferroelectric thin film 63 was formed. In this embodiment, the lead zirconate titanate (Pb (Zr
After forming a 0.5 Ti 0.5 ) O 3 ) thin film, it was crystallized by performing a heat treatment at 650 ° C. for 120 seconds in an oxygen atmosphere. Then, a plate electrode is deposited and patterned to complete the capacitor of the memory cell. However, in FIG. 7, the plate electrode is not shown because the drawing is complicated.

【0028】このキャパシタの誘電特性を、図2に示し
たものと同様に測定した。キャパシタの面積を0.2〜
100μm2まで変化させた試料について調べたとこ
ろ、いずれも基板からの給電が可能であり良好なヒステ
リシスカーブが得られた。
The dielectric characteristics of this capacitor were measured in the same manner as that shown in FIG. The area of the capacitor is 0.2 ~
When the samples that were changed to 100 μm 2 were examined, it was possible to feed power from the substrate, and good hysteresis curves were obtained in all cases.

【0029】チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr0.5
0.5)O3)薄膜の形成方法としては、高周波マグネト
ロンスパッタ法を用いてもよい。高周波パワ−200
W、スパッタガスとしてAr90%、O210%を用
い、高周波パワ−200W、ガス圧10Pa、基板温度
650℃で成膜した場合、ほぼ同様の特性が得られた。
従って本発明で示した方法で下部電極を形成すれば、非
晶質の強誘電体をポストアニールで結晶化する方法で
も、あるいは結晶化した膜を直接形成する方法でも拡散
防止膜とPt膜の界面が酸化される心配がない。従って
反応性蒸着法やCVD法を用いてもよい。
Lead zirconate titanate (Pb (Zr 0.5 T
As a method for forming the i 0.5 ) O 3 ) thin film, a high frequency magnetron sputtering method may be used. High frequency power 200
When W, Ar 90% and O 2 10% were used as the sputtering gas, and a film was formed at a high frequency power of 200 W, a gas pressure of 10 Pa and a substrate temperature of 650 ° C., almost the same characteristics were obtained.
Therefore, if the lower electrode is formed by the method shown in the present invention, the diffusion preventing film and the Pt film can be formed by either the method of crystallizing an amorphous ferroelectric by post annealing or the method of directly forming a crystallized film. There is no risk of oxidation at the interface. Therefore, the reactive vapor deposition method or the CVD method may be used.

【0030】本実施例は、強誘電体としてチタン酸ジル
コン酸鉛(Pb(TixZr1-x)O3,x=0.5の場
合)を例として示したが、組成の異なるチタン酸ジルコ
ン酸鉛やチタン酸バリウム・ストロンチウム((Bax
Sr1-x)TiO3(xは0以上1以下))、チタン酸ジ
ルコン酸バリウム鉛、ビスマス系層状強誘電体を用いて
も同様にメモリセルを形成できる。
In this embodiment, lead zirconate titanate (when Pb (Ti x Zr 1-x ) O 3 , x = 0.5) is shown as an example of the ferroelectric substance. Lead zirconate and barium strontium titanate ((Ba x
A memory cell can be similarly formed by using Sr 1-x ) TiO 3 (x is 0 or more and 1 or less)), lead barium zirconate titanate, or a bismuth-based layered ferroelectric.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体薄膜を用いる
キャパシタにおける接触抵抗の増大や直列寄生容量の発
生を抑さえることができ、電極部分の劣化がなく、微細
加工性に優れ、かつ電気的特性の良好な半導体装置を得
ることができる。
According to the present invention, it is possible to suppress an increase in contact resistance and the occurrence of series parasitic capacitance in a capacitor using a ferroelectric thin film, without deterioration of an electrode portion, excellent in fine workability, and A semiconductor device having favorable electric characteristics can be obtained.

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

【図1】本発明の実施例1に示すキャパシタの層構造を
示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a layer structure of a capacitor shown in Example 1 of the present invention.

【図2】図1に示したキャパシタの誘電特性を示す図で
ある。
FIG. 2 is a diagram showing dielectric characteristics of the capacitor shown in FIG.

【図3】本発明を用いたメモリセルの製造工程を示す断
面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a memory cell using the present invention.

【図4】本発明を用いたメモリセルの製造工程を示す断
面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a memory cell using the present invention.

【図5】本発明を用いたメモリセルの製造工程を示す断
面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a memory cell using the present invention.

【図6】本発明を用いたメモリセルの製造工程を示す断
面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a memory cell using the present invention.

【図7】本発明を用いたメモリセルの製造工程を示す断
面図である。
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a memory cell using the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…低抵抗Si基板、2…TiB2層、3…Pt層、4
…チタン酸ジルコン酸鉛層、5…Au上部電極、21…
半導体基板、22…素子間分離酸化膜、23…ゲート酸
化膜、24…ワード線、25…不純物拡散層(ビット線
が基板表面のn型拡散層と接触する部分)、26…不純
物拡散層(蓄積電極が基板表面のn型拡散層と接触する
部分)、27、28…層間絶縁膜、29…Si3N4
膜、31、32…多結晶シリコン(コンタクト用パッ
ド)、41…層間絶縁膜、42…ビット線、43…層間
絶縁膜、44……Si3N4膜、51…層間絶縁膜、5
2…多結晶シリコン(コンタクト用パッド)、61…T
iB2層、62…Pt下地電極層、63…強誘電体薄
膜、64…プレート電極。
1 ... Low resistance Si substrate, 2 ... TiB2 layer, 3 ... Pt layer, 4
... Lead zirconate titanate layer, 5 ... Au upper electrode, 21 ...
Semiconductor substrate, 22 ... Element isolation oxide film, 23 ... Gate oxide film, 24 ... Word line, 25 ... Impurity diffusion layer (portion where bit line contacts n-type diffusion layer on substrate surface), 26 ... Impurity diffusion layer ( Portion where the storage electrode contacts the n-type diffusion layer on the substrate surface), 27, 28 ... Interlayer insulating film, 29 ... Si3N4
Films, 31, 32 ... Polycrystalline silicon (contact pads), 41 ... Interlayer insulating film, 42 ... Bit line, 43 ... Interlayer insulating film, 44 ... Si3N4 film, 51 ... Interlayer insulating film, 5
2 ... Polycrystalline silicon (contact pad), 61 ... T
iB2 layer, 62 ... Pt base electrode layer, 63 ... Ferroelectric thin film, 64 ... Plate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者 平谷 正彦 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 三木 浩史 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 松井 裕一 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication location H01L 21/8247 29/788 29/792 (72) Inventor Masahiko Hiraya 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Address: Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (72) Hiroshi Miki, 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Metropolitan Research Institute, Hitachi, Ltd. (72): Yuichi Matsui, 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi, Ltd. Central Research Laboratory

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】4a族、5a族、6a族、7a族、8族の
遷移金属元素より選ばれた少なくとも1種類のホウ化物
からなる第1の金属膜と、前記第1の金属膜上に設けら
れたPt、Pd、Ir、Rh、Re、RuO2のいずれ
かからなる第2の金属膜と、前記第2の金属膜上に設け
られた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた上
部電極と有することを特徴とするキャパシタ。
1. A first metal film comprising at least one boride selected from the group 4a, 5a, 6a, 7a, and 8 transition metal elements, and the first metal film on the first metal film. A second metal film formed of any one of Pt, Pd, Ir, Rh, Re, and RuO 2 , a ferroelectric film provided on the second metal film, and a ferroelectric film on the ferroelectric film. A capacitor having an upper electrode provided on the capacitor.
【請求項2】前記第2の金属膜の厚さが10nm以上か
つ100nm以下であることを特徴とする請求項1に記
載のキャパシタ。
2. The capacitor according to claim 1, wherein the thickness of the second metal film is 10 nm or more and 100 nm or less.
【請求項3】4a族、5a族、6a族、7a族、8族の
遷移金属元素より選ばれた少なくとも1種類の炭化物か
らなる第1の金属膜と、前記第1の金属膜上に設けられ
たPt、Pd、Ir、Rh、Re、RuO2のいずれか
からなる第2の金属膜と、前記第2の金属膜上に設けら
れた強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられた上部
電極と有することを特徴とするキャパシタ。
3. A first metal film made of at least one kind of carbide selected from the group 4a, 5a, 6a, 7a, and 8 transition metal elements, and provided on the first metal film. A second metal film made of any one of Pt, Pd, Ir, Rh, Re, and RuO 2 , the ferroelectric film provided on the second metal film, and the ferroelectric film on the ferroelectric film. A capacitor having an upper electrode provided.
【請求項4】前記第2の金属膜の厚さが10nm以上か
つ100nm以下であることを特徴とする請求項3に記
載のキャパシタ。
4. The capacitor according to claim 3, wherein the thickness of the second metal film is 10 nm or more and 100 nm or less.
【請求項5】多結晶シリコン膜上に設けられた4a族、
5a族、6a族、7a族、8族の遷移金属元素より選ば
れた少なくとも1種類の炭化物からなる第1の金属膜
と、前記第1の金属膜上に設けられたPt、Pd、I
r、Rh、Re、RuO2のいずれかからなる第2の金
属膜と、前記第2の金属膜上に設けられた強誘電体膜
と、前記強誘電体膜上に設けられた上部電極とを有する
ことを特徴とする半導体装置。
5. A group 4a provided on the polycrystalline silicon film,
A first metal film made of at least one kind of carbide selected from the group 5a, 6a, 7a, and 8 transition metal elements, and Pt, Pd, and I provided on the first metal film.
A second metal film made of any one of r, Rh, Re, and RuO 2 , a ferroelectric film provided on the second metal film, and an upper electrode provided on the ferroelectric film. A semiconductor device comprising:
【請求項6】ソース及びドレインを有するMIS型トラ
ンジスタと、前記ドレインに接続された4a族、5a
族、6a族、7a族、8族の遷移金属元素より選ばれた
少なくとも1種類のホウ化物からなる第1の金属膜と、
前記第1の金属層上に設けられたPt、Pd、Ir、R
h、Re、RuO2のいずれかの第2の金属膜と、前記
第2の金属膜上に形成された強誘電体膜と、前記強誘電
体膜上に形成された上部電極とを有することを特徴とす
る半導体装置。
6. A MIS transistor having a source and a drain, and a group 4a and 5a connected to the drain.
A first metal film made of at least one kind of boride selected from the group 6a group 7a group 8a transition metal elements,
Pt, Pd, Ir, R provided on the first metal layer
a second metal film of any one of h, Re and RuO 2 , a ferroelectric film formed on the second metal film, and an upper electrode formed on the ferroelectric film. A semiconductor device characterized by:
【請求項7】基体上に、4a族、5a族、6a族、7a
族、8族の遷移金属元素より選ばれた少なくとも1種類
のホウ化物からなる第1の金属膜を形成する工程と、前
記第1の金属膜上にPt、Pd、Ir、Rh、Re、R
uO2のいずれかの第2の金属膜を形成する工程と、前
記第2の金属膜上に強誘電体膜を形成する工程と、前記
強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と有することを
特徴とする半導体装置の製造方法。
7. A group of 4a, 5a, 6a and 7a on a substrate.
Forming a first metal film made of at least one kind of boride selected from Group 1 and Group 8 transition metal elements; and Pt, Pd, Ir, Rh, Re, R on the first metal film.
a step of forming a second metal film of any one of uO 2 , a step of forming a ferroelectric film on the second metal film, and a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項8】基体上に、4a族、5a族、6a族、7a
族、8族の遷移金属元素より選ばれた少なくとも1種類
の炭化物からなる第1の金属膜を形成する工程と、前記
第1の金属膜上にPt、Pd、Ir、Rh、Re、Ru
2のいずれかからなる第2の金属膜を形成する工程
と、前記第2の金属膜上に強誘電体膜を形成する工程
と、前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有
することを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. A group of 4a, 5a, 6a and 7a on a substrate.
A step of forming a first metal film made of at least one kind of carbide selected from group 8 transition metal elements, and Pt, Pd, Ir, Rh, Re, Ru on the first metal film.
A step of forming a second metal film made of any one of O 2 , a step of forming a ferroelectric film on the second metal film, and a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項9】ソース及びドレインを有するMIS型トラ
ンジスタを形成する工程と、前記ドレインに接続された
4a族、5a族、6a族、7a族、8族の遷移金属元素
より選ばれた少なくとも1種類のホウ化物からなる第1
の金属膜を形成する工程と、前記第1の金属層上にP
t、Pd、Ir、Rh、Re、RuO2のいずれかの第
2の金属膜を形成する工程と、前記第2の金属膜上に強
誘電体膜を形成する工程と、前記強誘電体膜上に上部電
極を形成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。
9. A step of forming a MIS type transistor having a source and a drain, and at least one kind selected from the group 4a, 5a, 6a, 7a and 8 transition metal elements connected to the drain. No. 1 consisting of boride
The step of forming a metal film of P, and P on the first metal layer.
a step of forming a second metal film of any one of t, Pd, Ir, Rh, Re and RuO 2 , a step of forming a ferroelectric film on the second metal film, and the ferroelectric film And a step of forming an upper electrode thereon.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001313376A (en) * 2000-04-24 2001-11-09 Ramtron Corp Method of manufacturing platinum lower electrode and ferroelectric capacitor, and ferroelectric capacitor
US6525427B2 (en) 1999-01-04 2003-02-25 International Business Machines Corporation BEOL decoupling capacitor

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