JPH09289291A - 誘電体キャパシタ及び誘電体メモリ装置と、これらの製造方法 - Google Patents

誘電体キャパシタ及び誘電体メモリ装置と、これらの製造方法

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JPH09289291A
JPH09289291A JP8122672A JP12267296A JPH09289291A JP H09289291 A JPH09289291 A JP H09289291A JP 8122672 A JP8122672 A JP 8122672A JP 12267296 A JP12267296 A JP 12267296A JP H09289291 A JPH09289291 A JP H09289291A
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Japan
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electrode
film
dielectric
capacitor
manufacturing
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JP8122672A
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English (en)
Inventor
Ken Numata
乾 沼田
Katsuhiro Aoki
克裕 青木
Yukio Fukuda
幸夫 福田
Akitoshi Nishimura
明俊 西村
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Texas Instruments Japan Ltd
Original Assignee
Texas Instruments Japan Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 キャパシタの作製時の工程数を減らすと共
に、電極面積の増大による蓄積容量の向上、リーク電流
の抑制を実現できる誘電体キャパシタ及び誘電体メモリ
装置と、これらの製造方法を提供すること。 【解決手段】 白金電極29の周囲に接して設けられた酸
化チタン膜21を介してこの上に、PZT強誘電体膜20と
白金電極23とがほぼ同一パターンに積層されている強誘
電体キャパシタ。この強誘電体キャパシタを製造する方
法として、電極29の表面及び酸化チタン膜21の表面に強
誘電体膜材料層20と電極材料層23Aとをこの順に積層
し、これらの電極材料層と強誘電体材料層とをほぼ同一
パターンに加工して電極23とPZT強誘電体膜20とを形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体キャパシタ
(特に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)膜を有する強
誘電体キャパシタ)及び誘電体メモリ装置(特にPZT
膜を有する強誘電体キャパシタを用いた不揮発性半導体
メモリ)と、これらの製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】強誘電体物質であるPZTを誘電体膜と
して用いてキャパシタを形成することにより、その残留
分極特性を用いた簡単な構造の不揮発性記憶素子、即
ち、FRAMと称される不揮発性メモリである強誘電体
RAM(Ferroelectric Random Access Memory)を作製
することができる。
【0003】このようなFRAMは、既に一部実用化さ
れており、そのPZTキャパシタ及びこれを組み込んだ
強誘電体メモリセルは図20に示す如くに構成されてい
る。ここでは、CUB(Cell under Bitline)タイプに
ついて示す。
【0004】図20に示す従来のPZTキャパシタCap
においては、スタック型のセルキャパシタとして、一般
には、下部電極9としてTiN/Ti層(図示せず)を
介してPt層を積層したPt/TiN/Ti構造が用い
られており、その上にゾルーゲル法、スパッタリング法
又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法によってP
ZT薄膜10がほぼ同一パターンに形成され、更に、上部
電極13としてPtが用いられている。
【0005】この場合、PZT薄膜10の上のチタン酸化
膜11及びシリコン酸化膜12に形成されたスルーホール18
を介して上部電極13が被着されている。
【0006】なお、キャパシタCapを構成する強誘電
体膜10は、原料溶液を用いてゾルーゲル法で形成したP
ZT、即ちPb(Zr,Ti)O3 膜からなっている。
また、下部電極9は、SiO2 等の絶縁膜7のコンタク
トホール14に埋め込まれたストレージノードとしてのポ
リシリコン層(プラグ)8を介してシリコン基板側に接
続されている。
【0007】このPZTキャパシタCapを有するFR
AMのメモリセルを説明すると、例えばP- 型シリコン
基板1の一主面には、フィールド酸化膜2で区画された
素子領域が形成され、ここに、MOSトランジスタから
なるトランスファゲートTRとキャパシタCapとから
なるメモリセルM−celが設けられている。
【0008】トランスファゲートTRにおいては、例え
ばN+ 型ドレイン領域3とN+ 型ソース領域4が不純物
拡散でそれぞれ形成され、これら両領域間にはゲート酸
化膜5を介してワードライン6(WL)が設けられ、ド
レイン領域3にはSiO2 等の絶縁層7、11、12、15の
コンタクトホール16を介してビットライン24(BL)が
接続されている。
【0009】他方、図21に示す如きPZTキャパシタC
ap’及びこれを組み込んだ強誘電体メモリセルM−c
el’も従来から知られている。
【0010】このPZTキャパシタCap’では、下部
電極9はその表面のみならず、側面をもPZT薄膜10、
更には上部電極13によって被覆されているので、PZT
薄膜10の側面での電流リークは生じ難い。なお、図20に
示した如きチタン酸化膜11及びシリコン酸化膜12は形成
されていない。
【0011】ここで、図20に示したキャパシタCap及
びメモリセルM−celの作製プロセスを図22〜図31に
ついて説明する。
【0012】まず、図22のように、P- 型シリコン基板
(ウエハ)1上に選択酸化法によりフィールド酸化膜2
を形成し、熱酸化法によるゲート酸化膜5及び化学的気
相成長法によるポリシリコンワードライン6(WL)を
それぞれ形成し、これらをパターニングした後、更にA
s等のN型不純物の熱拡散でN+ 型ドレイン領域3及び
ソース領域4をそれぞれ形成する。
【0013】そして、全面に化学的気相成長法で堆積さ
せたSiO2 絶縁層7に対し、ソース領域4上にフォト
リソグラフィでコンタクトホール14を形成する。
【0014】次いで、図23のように、コンタクトホール
14においてソース領域4に接触するようにポリシリコン
層8を被着する。
【0015】次いで、図24のように、ストレージノード
としてのポリシリコン層8(場合によっては更にSiO
2 層7)を化学機械的研磨加工(CMP)によって研磨
処理し、表面を平坦化する。
【0016】次いで、この平坦化した表面上に、図25の
ように、Ti接着剤層及びTiNバリア層からなるバリ
アメタルとPt層からなる下部電極材料層9Aを形成す
る。
【0017】次いで、図26のように、下部電極材料層9
A上の全面にスピンコート法又はディップコート法によ
って、PZT薄膜形成用のゾルーゲル原料溶液10Aを塗
布する。
【0018】次いで、原料溶液10Aを塗布したウエハを
所定の温度(100〜300 ℃、例えば 170℃)で例えば3分
間加熱し、塗布した溶液の乾燥を行い、乾燥ゲル膜を形
成し、更に 480℃で処理して、原料溶液10Aを非晶質化
する。そして、 600℃以上の温度で例えば10分間焼結
(酸化焼結)し、ペロブスカイト結晶のPZT強誘電体
膜10を全面に形成する。
【0019】次いで、図27のように、PZT薄膜10と下
部電極材料層9Aとを一体に略同一パターンにドライエ
ッチし、下部電極9とPZT薄膜10との積層膜を形成す
る。
【0020】次いで、図28のように、CVDによって全
面にチタン酸化膜11及びシリコン酸化膜12を順次積層す
る。チタン酸化膜11は、PZTの構成元素を成分として
いてSiO2 膜とは反応しないものである。
【0021】次いで、図29のように、PZT薄膜10が露
出するように各膜12及び11を貫通するスルーホール18を
選択的に形成する。
【0022】次いで、図30のように、スパッタリング法
によってスルーホール18を含む全面に上部電極材料層13
Aを被着する。
【0023】次いで、図31のように、上部電極材料層13
Aをエッチングし、上部電極13にパターニングする。
【0024】更に、図20で示した層間絶縁膜15、コンタ
クトホール16、ビットライン24(BL)をそれぞれ形成
し、図20に示した如きメモリセルM−celを作製す
る。
【0025】上記したプロセスとこのプロセスで作製し
たキャパシタcap及びメモリセルM−celによれ
ば、図25〜図27に示したように、下部電極材料9Aをデ
ポジション後、パターニングやエッチングを経ることな
しに強誘電体膜10をゾルーゲル法によって直接形成し、
更に、下部電極材料9Aと強誘電体膜10とを一体でパタ
ーニングしていることが大きな特徴である。
【0026】即ち、ゾルーゲル法では、ゾルーゲル溶液
をスピン塗布して形成したアモルファスの膜10Aをアニ
ーリングによって結晶化する際、例えば強誘電体膜10と
してPZTを用いた場合に、下部電極9として最も頻繁
に使われる白金上では結晶化が十分に進むが、シリコン
酸化膜7上ではPZT中のPbがSiO2 により酸化
(SiO2 化)するため、PZTは十分に結晶化しな
い。
【0027】図32に示すX線回折(XRD)スペクトル
において、シリコン酸化膜上でPZTの結晶化を試みて
も結晶質が全く生成していない事実から明らかである。
また、シリコン酸化膜にPZTが接していると、シリコ
ン酸化膜7と白金9との間でのPZTの膜剥がれも生ず
る。
【0028】そこで、これを防止する目的で、図25〜図
27のように、シリコン酸化膜7とPZT10との接触を避
けるために白金9のデポジション後に白金9を加工する
ことなしにPZT10をゾルーゲル法によって形成し、そ
の後にPZT10と白金9とを一体にパターニング・エッ
チングしている。従って、キャパシタ構造としては、図
21のようにPZT薄膜10がシリコン酸化膜7に接するも
のよりは、図20のようにPZT薄膜10がシリコン酸化膜
7とは接していない方がよい。
【0029】しかしながら、図22〜図31に示したプロセ
スとこのプロセスで得られたキャパシタCap及びメモ
リセルM−celは、次のような問題点を有している。
【0030】まず、第1に、キャパシタの作製について
パターニングの工程が3回(図27、図29、図31)もあ
る。工程にかかる時間と費用を短縮するという観点から
は、パターニングの工程は少ないことが望ましいが、工
程数が多い。
【0031】第2に、キャパシタとして働く強誘電体10
の面積が上部電極13の面積(コンタクト面積)で決まっ
ていて、スルーホール18を介してコンタクトをとってい
るために、下部電極9の面積よりも小さくなっている。
キャパシタに蓄えられる電気量は大きければ大きいほ
ど、メモリの保持、読み出しの特性に優れているので、
キャパシタとして働く強誘電体の面積は大きい方がよい
が、これを充たしていない。
【0032】第3に、強誘電体膜10の側壁を通じての上
下電極13−9間の漏れ電流が懸念される。これは、図27
に示したように強誘電体膜10と下部電極9を同一パター
ンにエッチングしているため、強誘電体膜10の側面を通
じて両電極13−9間で電流がリークし易いからである。
【0033】仮に、下部電極9と強誘電体膜10をそれぞ
れデポジションした後に別々にパターニング・エッチン
グを行えば、下部電極9を強誘電体膜10で十分に覆うこ
とができるから、上記した電流リークの問題は生じ難い
(図21参照)。しかし、上述したように、PZTの結晶
化のためには、下部電極9と強誘電体膜10とは図27のよ
うに一体で同一形状にパターニング(エッチング)する
必要があり、両者別々にパターニング(エッチング)す
ることはできない。
【0034】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、キャ
パシタの作製時の工程数を減らすと共に、電極面積の増
大による蓄積容量の向上、リーク電流の抑制を実現でき
る強誘電体キャパシタ及び誘電体メモリ装置と、これら
の製造方法を提供することにある。
【0035】
【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、第1の
電極(例えば後述の白金電極29:以下、同様)と、この
第1の電極上の誘電体膜(特に後述のPZT薄膜20:以
下、同様)と、この誘電体膜上の第2の電極(例えば後
述の白金電極23:以下、同様)とを有し、前記第1の電
極の周囲に接して設けられた絶縁膜(例えば後述の酸化
チタン膜21:以下、同様)を介してこの上に、前記誘電
体膜と前記第2の電極とがほぼ同一パターンに積層され
ている誘電体キャパシタに係るものである。
【0036】本発明はまた、上記又は下記の誘電体キャ
パシタをメモリセルに有する誘電体メモリ装置に係るも
のである。
【0037】本発明はまた、第1の電極と、この第1の
電極上の誘電体膜と、この誘電体膜上の第2の電極とを
有し、前記第1の電極の周囲に接して設けられた絶縁膜
を介してこの上に、前記誘電体膜と前記第2の電極とが
ほぼ同一パターンに積層されている誘電体キャパシタを
製造するに際し、前記第1の電極を形成する工程と、こ
の第1の電極の周囲に前記絶縁膜を形成する工程と、前
記第1の電極の表面及び前記絶縁膜の表面に誘電体膜材
料層と電極材料層とをこの順に積層する工程と、これら
の電極材料層と誘電体材料層とをほぼ同一パターンに加
工して前記第2の電極と前記誘電体膜とを形成する工程
とを有する、誘電体キャパシタの製造方法を提供するも
のである。
【0038】本発明は更に、上記又は下記の製造方法に
よって、メモリセルに誘電体キャパシタを作製する、誘
電体メモリ装置の製造方法も提供するものである。
【0039】
【発明の実施の形態】本発明による誘電体キャパシタ及
び誘電体メモリ装置と、これらの製造方法においては、
前記第1の電極を、これとほぼ同一面をなす周囲の前記
絶縁膜内に埋設することが望ましい。
【0040】また、前記誘電体膜と前記第2の電極とを
同一パターンにエッチングするのがよい。
【0041】また、前記誘電体膜をゾルーゲル法又はス
パッタ法によって形成してよい。
【0042】そして、前記誘電体膜をジルコン酸チタン
酸鉛によって形成し、前記絶縁膜を酸化チタンによって
形成するのが望ましい。
【0043】本発明による誘電体キャパシタの製造方法
及び誘電体メモリ装置の製造方法においては、前記第1
の電極の形成後にこの第1の電極を覆う如くに前記絶縁
膜を被着し、前記第1の電極の表面が露出するまで前記
絶縁膜を除去し、この絶縁膜の表面及び前記第1の電極
の露出面上に前記誘電体膜材料層及び電極材料層をこの
順に積層するのがよく、この場合、前記第1の電極の表
面が露出するまで前記絶縁膜を研磨若しくはエッチング
することができる。
【0044】
【実施例】以下、本発明を実施例について説明する。
【0045】まず、図1及び図2について、本発明の第
1の実施例によるPZT強誘電体キャパシタCAPと、
これを組み込んだ半導体デバイス(例えば、不揮発性記
憶素子であるFRAM)のメモリセルM−CEL(但
し、CUBタイプ)を説明する。
【0046】本実施例のPZTキャパシタCAPは、ス
タック型のセルキャパシタとして、下部電極としての白
金(Pt)層29と、その上にゾルーゲル法、スパッタリ
ング法又はCVD(Chemical Vapor Deposition)法によ
って形成されたペロブスカイト結晶のPZT薄膜20と、
更にこの上に上部電極として設けられた白金(Pt)層
23とによって構成されている。
【0047】ここで、PZT薄膜20と上部電極23とは一
体にほぼ同一パターンにエッチング加工されているこ
と、及びPZT薄膜20はSiO2 絶縁層7とは接しない
ように、下部電極8が周囲のチタン酸化膜21内に埋め込
まれ、このチタン酸化膜21上にPZT薄膜20が形成され
ていることが重要である。
【0048】なお、下部電極29の下層にはTiN/T
i、RuO2 等の層からなるバリアメタル(図示せず)
が設けられ、SiO2 絶縁層7のコンタクトホール14に
被着されたポリシリコン層(プラグ)8を介してシリコ
ン基板側と接続されている。
【0049】また、上下の両電極23及び29はそれぞれ、
電子線加熱方式の真空蒸着法によって50〜300nm(例えば
100nm)の膜厚に形成されてよい。
【0050】また、PZT薄膜20は、下部電極29上にゾ
ルーゲル法で厚さ 300nm程度に形成されている。例え
ば、PZT薄膜20は、Pb:Zr:Ti=1.1 :0.5 :
0.5 の組成で 300nmの膜厚に形成されてよい。
【0051】こうしたPZTキャパシタCAPを有する
FRAMのメモリセルにおいては、例えばP- 型シリコ
ン基板1の一主面には、フィールド酸化膜2で区画され
た素子領域が形成され、ここに、MOSトランジスタか
らなるトランスファゲートTRとキャパシタCAPとか
らなるメモリセルM−CELが設けられている。
【0052】トランスファゲートTRにおいては、例え
ばN+ 型ドレイン領域3とN+ 型ソース領域4が不純物
拡散でそれぞれ形成され、これら両領域間にはゲート酸
化膜5を介してワードライン6(WL)が設けられ、ド
レイン領域3にはSiO2 等の絶縁層7、21、15のコン
タクトホール16を介してビットライン24(BL)が接続
されている。
【0053】次に、キャパシタCAP及びメモリセルM
−CELの作製プロセスを図3〜図14について説明す
る。
【0054】まず、図3のように、P- 型シリコン基板
(ウエハ)1上に選択酸化法によりフィールド酸化膜2
を形成し、熱酸化法によるゲート酸化膜5及び化学的気
相成長法によるポリシリコンワードライン6(WL)を
夫々形成し、更にAs等のN型不純物の熱拡散でN+
ドレイン領域3とソース領域4をそれぞれ形成する。
【0055】次いで、図4のように、全面に化学的気相
成長法で堆積させたSiO2 絶縁層7に対し、ソース領
域4上にフォトリソグラフィでコンタクトホール14を形
成する。
【0056】次いで、図5のように、コンタクトホール
14においてソース領域4に接触するようにポリシリコン
層8を被着する。
【0057】次いで、図6のように、ポリシリコン層8
をエッチバックし、コンタクトホール14にストレージノ
ードとして埋め込んで残す。
【0058】次いで、図7のように、Ti接着剤層及び
TiN層からなるバリアメタル(図示せず)とPt層と
からなるPt/TiN/Ti構造の下部電極材料層29A
を形成する。
【0059】次いで、図8のように、下部電極材料層29
Aをエッチングでパターニングし、下部電極29を形成す
る。この下部電極29は、スパッタリング又は電子線加熱
方式の蒸着法で厚さ 100nmに形成している。
【0060】次いで、図9のように、CVDによって全
面に酸化チタン膜(チタン酸化膜)21を堆積させる。こ
の酸化チタン膜21は、PZTの構成元素を成分としてい
てSiO2 膜(特に下地のSiO2 膜7)とは反応しな
いものである。
【0061】次いで、図10のように、酸化チタン膜21を
化学機械的研磨加工(CMP)によって研磨処理し、表
面を平坦化すると共に、下部電極29の表面を露出させ
る。この結果、下部電極29は周囲のほぼ同一面をなす酸
化チタン膜21内に埋め込まれた状態となる。
【0062】次いで、図11のように、下部電極29及び酸
化チタン膜21を含む全面にスピンコート法又はディップ
コート法によって、PZT薄膜形成用のゾルーゲル原料
溶液20Aを塗布する。
【0063】次いで、原料溶液20Aを塗布したウエハを
所定の温度(100〜300 ℃、例えば 170℃)で例えば3分
間加熱し、塗布した溶液の乾燥を行い、乾燥ゲル膜を形
成し、更に 480℃で処理して、原料溶液10Aを非晶質化
する。
【0064】ゾルーゲル法の原料(PZT前駆体)溶液
20Aは、Pb(CH3 COO)2・3H2 O、Ti{(C
3)2 CHO}4 、Zr{CH3(CH2)2 CH2 O}4
及びNH(CH2 CH2 OH)2のCH3 OC2 4 OH
溶液であってよく、これを塗布、乾燥する。この原料溶
液(又は非晶質薄膜)の組成は、Pb過剰であって原子
数比でPb:Zr:Ti=1.1 :0.5 :0.5 であってよ
い。
【0065】次いで、上記の非晶質PZT薄膜を含酸素
雰囲気中又は大気中で 600℃以上で10分間、アニール
(焼結)する。この焼結処理によってPZTは結晶化
し、厚さ300nmのペロブスカイト構造のPZT強誘電体
薄膜20になる。
【0066】こうしてPZT強誘電体薄膜20を全面に形
成する際、非晶質PZTは下地の酸化チタン膜21と接し
ているので、十分に結晶化されることになり、また下部
電極29との密着も良好である。
【0067】次いで、図12のように、スパッタリング法
によって全面に上部電極材料層23Aを被着する。
【0068】次いで、図13のように、上部電極材料層23
A及びPZT薄膜20を一体にほぼ同一パターンに重ねて
エッチングし、上部電極23とこれと同一パターンのPZ
T薄膜20とを形成する。
【0069】こうしてPZTキャパシタCAPを作製し
た後、図14のように、層間絶縁膜15をCVDで形成し、
これにコンタクトホール16を形成し、更に図1に示した
ように、ビットライン24(BL)を形成し、図1に示し
た如きメモリセルM−CELを作製する。
【0070】上記したプロセスとこのプロセスで作製さ
れたキャパシタCAP及びメモリセルM−CELによれ
ば、下部電極29を酸化チタン(下地)膜21内に埋め込
み、この酸化チタン膜21上にSiO2 膜7とは接しない
状態でPZT薄膜20を形成しているので、酸化チタン膜
21が下部電極29の側面を接して覆うことになり、PZT
薄膜20を下部電極29とは別個に上部電極23と同一パター
ンにエッチングしても両電極23−29間の分離が可能とな
る。
【0071】従って、第1の効果として、キャパシタC
APの作製において、必要なパターニング工程は2回
(図8、図13)で済むことになり、従来の工程に比べて
パターニングの回数を減らすことができる。
【0072】下地の酸化チタン膜21上に形成したPZT
薄膜20について、図15にそのX線回折(XRD)スペク
トルを示すが、PZT特有のスペクトルが見られるた
め、PZTがペロブスカイト構造の結晶として成長して
いることが明らかである。また、アニーリング後でもP
ZT薄膜20の膜剥がれは生じていないことも確認されて
いる。
【0073】従来は、PZTをゾルーゲル法で形成した
場合に、白金上ではペロブスカイト相の結晶化が十分に
進行するが、シリコン酸化膜上では結晶化しないという
問題があった。しかし、シリコン酸化膜は層間の絶縁膜
として汎用されているので、PZTのゾルーゲル法によ
る形成では使用できる工程が制限され、従って、既述し
たように、まず下部電極となる白金を全面に堆積し、そ
の上にPZTをゾルーゲル法で形成して、白金とPZT
を一体でエッチングし、パターニングする。
【0074】これに対し、本実施例では、PZTの結晶
化が白金上だけでなく、酸化チタン上でも十分に進行す
ることを見出し、酸化チタン21をPZT20のゾルーゲル
法による形成の下地膜に用いたことが著しい特徴点であ
る。
【0075】図25〜図31に示したように、酸化チタン11
をキャパシタの絶縁膜でなく、層間の絶縁膜に用いる方
法は既に発表されているが、それは、下部電極9及び強
誘電体10のデポジション、パターニングの後に酸化チタ
ン11をデポジションするものである。これに対し、本実
施例では、強誘電体20のデポジションの前に酸化チタン
21をデポジションすることが大きく異なっている。
【0076】また、第2の効果として、PZT薄膜20は
下部電極29上において下部電極29よりも広い面積に設け
られ、かつ上部電極23とはほぼ同一面積となっているか
ら、キャパシタとして働く強誘電体20の面積が下部電極
29の面積で決まっていて、従来のものよりも電極面積
(従って、蓄積容量)を大きく取れる。
【0077】更に、第3の効果として、強誘電体20の側
壁を通じての上下電極23−29間の漏れ電流は、上記の酸
化チタン膜21の存在によって生じることはない。即ち、
下部電極29はその周囲が絶縁性の酸化チタン膜21で、ま
たその上面は強誘電体20によって完全に覆われているか
らである。
【0078】図16〜図19は、本発明の第2の実施例によ
る高誘電体キャパシタを有するDRAM(Dynamic Rand
om Access Memory)のメモリセルの作製プロセスを示す
ものである。
【0079】本実施例によれば、上述した第1の実施例
における図9までの工程は同様に行うが、それ以降の工
程として、まず図16に示すように、酸化チタン膜21を例
えば異方性のプラズマ・ドライエッチングによってエッ
チバックし、ほぼ同一面をなすように下部電極29を露出
させる。
【0080】この時点では、酸化チタン膜21の表面は、
下地のSiO2 膜7の表面形状に対応してその凹凸がそ
のまま追随した形状をなしている。つまり、酸化チタン
膜21の表面は、図10に示したものとは異なって平坦では
ない。
【0081】次いで、図17のように、PZTと同様のペ
ロブスカイト型酸化物であるBST((Sr,Ba)T
iO3 )高誘電体薄膜30Aをスパッタリング法によって
厚さ300nm程度で全面に堆積させる。これによって、上
述した第1の実施例のようにPZT薄膜をゾルーゲル法
で形成する方法とは異なり、スパッタで堆積したBST
高誘電体薄膜30Aは、その下地である酸化チタン膜21に
上記した表面凹凸(又は段差)があっても、一様な膜厚
で堆積する。
【0082】これに対し、ゾルーゲル法による場合は、
下地の酸化チタン膜21の表面を平坦化(図10参照)して
おくことが望ましい。即ち、ゾルーゲル溶液を段差のあ
る構造の上にスピン塗布すると、膜厚にむらが生じるか
らである。しかし、本実施例によるスパッタリングデポ
ジションでは、段差のある構造の上にデポジションを行
っても、膜厚を一様にすることが比較的容易であり、下
地の平坦化は必要なく、図10で述べた如きCMPは不要
である。
【0083】但し、図9に示した酸化チタン21のデポジ
ションによって下部電極29が覆い隠されてしまうので、
下部電極29を露出させるための処理が必要である。その
ためには、上述したエッチバックの如き酸化チタン21の
エッチング(パターニング)を行えば十分である。な
お、酸化チタン21を上述したCMPで平坦化処理するこ
とは何ら差し支えない。
【0084】次いで、図18のように、スパッタリング法
によって全面に上部電極材料層23Aを被着する。
【0085】次いで、図19のように、上部電極材料層23
A及びBST薄膜30Aを一体にほぼ同一パターンに重ね
てエッチングし、上部電極23とこれと同一パターンのB
ST高誘電体薄膜30とを形成する。
【0086】こうしてBSTキャパシタCAP’を作製
した後、図14と同様に、層間絶縁膜15をCVDで形成
し、これにコンタクトホール16を形成し、更に図1に示
したと同様に、ビットライン24(BL)を形成し、図1
に示したと同様のメモリセルを作製する。
【0087】上記したプロセスとこのプロセスで作製さ
れたキャパシタCAP’及びメモリセルによれば、上述
した第1の実施例で述べたと同様の優れた効果が得られ
ることは明らかである。
【0088】そして、これに加えて、上記した酸化チタ
ン膜21の平坦化処理を省略できると共に、次に述べるよ
うに酸化チタン膜21のバリヤ作用も発揮させることがで
きる。
【0089】上述した第1の実施例では、強誘電体のゾ
ルーゲル法による形成において、結晶化の度合いが下地
の膜の材質によることに起因する問題を解決した。これ
に対し、本実施例のように、例えば、PZTと同じペロ
ブスカイト型の酸化物であるBSTのスパッタリング成
膜においては、BSTは下部電極の白金上だけでなくて
シリコン酸化膜上でも結晶化する。従って、上述した第
1の実施例で問題となった下地による結晶化への影響は
存在しない。
【0090】しかし、これらペロブスカイト型の強誘電
体や高誘電体では、鉛、バリウム或いはストロンチウム
などの金属元素のトランジスタゲートへの拡散を防がな
ければならないという共通の問題が存在する。酸化チタ
ンは鉛、バリウム或いはストロンチウムと反応し、PZ
TのみならずBSTを形成した場合も、鉛、バリウム或
いはストロンチウムの拡散を防ぐことができる。このた
め、本実施例では、酸化チタンからなる下地膜21は、B
ST30を構成するバリウムやストロンチウムを拡散防止
し、トランジスタゲートへの拡散を十二分に防ぐという
効果を有している。
【0091】以上、本発明の実施例を説明したが、上述
の実施例は本発明の技術的思想に基いて更に変形が可能
である。
【0092】例えば、上述した酸化チタン膜21に代え
て、同等の機能をなす他の絶縁膜を設けてもよい。こう
した絶縁膜としては、強誘電体がPZTの場合は酸化ジ
ルコニウム膜でもよく、強誘電体がBSTの場合は酸化
バリウム膜や酸化ストロンチウム膜であってもよい。こ
のような絶縁膜は(酸化チタン膜も含めて)、その上に
形成する強誘電体膜の構成元素を含有し、強誘電体の結
晶化の妨げとはならず、かつ酸化シリコンと反応しない
ことが必要である。
【0093】また、使用可能な強誘電体膜又は高誘電体
膜の材質は、上記のPZT、BST以外にも、PZTに
Nb、Zr、Fe等を添加したPZT、PLT((P
b,La)X (Ti,Zr)1-X 3 )、PTO((P
b)X (Ti)1-X 3 )、BTO((Ba)X (T
i)1-X 3 )、STO((Sr)X (Ti)
1-X 3 )等であってよい。
【0094】PZT、BST等の強誘電体又は高誘電体
薄膜の形成方法として、ゾルーゲル法、スパッタ法以外
にも、CVD法、レーザアブレーション法等が挙げられ
る。
【0095】電極材料としては、下部電極及び上部電極
はPt以外にも、Ir、Pd、Ru、W、Ti、Cr、
Niの如き材料が代替可能である。これらの金属は、単
独又は複数種使用してよいし、或いは他の金属と混合し
てもよい。
【0096】本発明は、例えば図1に示したPt/PZ
T/Pt/バリヤ層/ポリ−Si構造のキャパシタ(ス
タック型キャパシタ)を有するデバイスに適用可能であ
るが、これに限らず、SiO2 膜上に上述のスタック型
キャパシタを設けてこのキャパシタの下部電極を延設し
てトランスファゲートのソース領域と接続する構造とし
てよいし、或いはスタック型ではなく、いわゆるトレン
チ(溝)内にキャパシタを組み込んだ構造のキャパシタ
にも適用可能である。また、FRAM以外の用途にも適
用できる。また、COB(Cell over Bitline)タイプの
メモリセルにも適用できる。
【0097】
【発明の作用効果】本発明の誘電体キャパシタによれ
ば、上述した如く、第1の電極と、この第1の電極上の
誘電体膜とこの誘電体膜上の第2の電極とを有し、前記
第1の電極の周囲に接して設けられた絶縁膜を介してこ
の上に、前記誘電体膜と前記第2の電極とがほぼ同一パ
ターンに積層されており、また、この誘電体キャパシタ
を製造する方法として、前記第1の電極の表面及び前記
絶縁膜の表面に誘電体膜材料層と電極材料層とをこの順
に積層し、これらの電極材料層と誘電体膜材料層とをほ
ぼ同一パターンに加工して前記第2の電極と前記誘電体
膜とを形成しているので、前記第1の電極の周囲に接し
て前記絶縁膜を形成し、この絶縁膜によって前記第1の
電極の側面を覆うことになり、前記誘電体膜を前記第1
の電極とは別個に前記第2の電極と同一パターンに加工
しても、前記第1及び第2の電極間の分離が可能とな
る。従って、主として次の3つの顕著な効果を奏するこ
とができる。
【0098】即ち、第1の効果として、キャパシタの作
製において、必要なパターニング工程は2回(前記第1
の電極のパターニングと前記誘電体膜及び前記第2の電
極のパターニング)で済むことになり、従来の工程に比
べてパターニングの回数を減らすことができる。
【0099】また、第2の効果として、前記誘電体膜は
前記第1の電極上において、この第1の電極よりも広い
面積に設けられ、かつ前記第2の電極とはほぼ同一面積
となっているから、キャパシタとして働く誘電体の面積
が前記第1の電極の面積で決まっていて、従来のものよ
りも電極面積(従って、蓄積容量)を大きく取れる。
【0100】更に、第3の効果として、誘電体の側壁を
通じての前記第1及び第2の電極間の漏れ電流は前記絶
縁膜の存在によって生じることはない。即ち、前記第1
の電極はその周囲が前記絶縁膜で、またその上面は前記
誘電体膜によって完全に覆われているからである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるPZTキャパシタ
を組み込んだ半導体デバイス(FRAM)のメモリセル
の断面図(図2のI−I線断面図)である。
【図2】同メモリセルの平面図である。
【図3】同メモリセルの製造方法の一工程段階を示す断
面図である。
【図4】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図5】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図6】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図7】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図8】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図9】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図10】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図11】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図12】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図13】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図14】同メモリセルの製造方法の更に他の一工程段階
を示す断面図である。
【図15】同PZTキャパシタのPZT薄膜のX線回折ス
ペクトル図である。
【図16】本発明の第2の実施例によるBSTキャパシタ
を組み込んだ半導体デバイス(DRAM)のメモリセル
の製造方法の一工程段階を示す断面図である。
【図17】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図18】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図19】同メモリセルの製造方法の更に他の一工程段階
を示す断面図である。
【図20】従来例によるPZTキャパシタを組み込んだ半
導体デバイス(FRAM)のメモリセルの断面図であ
る。
【図21】他の従来例によるPZTキャパシタを組み込ん
だ半導体デバイス(FRAM)の断面図である。
【図22】図20のメモリセルの製造方法の一工程段階を示
す断面図である。
【図23】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図24】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図25】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図26】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図27】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図28】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図29】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図30】同メモリセルの製造方法の他の一工程段階を示
す断面図である。
【図31】同メモリセルの製造方法の更に他の一工程段階
を示す断面図である。
【図32】同PZTキャパシタのPZT薄膜のX線回折ス
ペクトル図である。
【符号の説明】
1・・・シリコン基板 3・・・N+ 型ドレイン領域 4・・・N+ 型ソース領域 6(WL)・・・ワードライン 7、12、15・・・シリコン酸化膜 8・・・ポリシリコン層 9、29・・・下部電極 10、20、30・・・誘電体膜(PZT薄膜又はBST薄
膜) 11、21・・・酸化チタン膜 13、23・・・上部電極 24(BL)・・・ビットライン CAP、CAP’、cap、cap’・・・誘電体キャ
パシタ M−CEL、M−cel、M−cel’・・・メモリセ
ル TR・・・トランスファゲート
───────────────────────────────────────────────────── 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 29/788 29/792 (72)発明者 福田 幸夫 茨城県稲敷郡美浦村木原2355番地 日本テ キサス・インスツルメンツ株式会社内 (72)発明者 西村 明俊 茨城県稲敷郡美浦村木原2355番地 日本テ キサス・インスツルメンツ株式会社内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の電極と、この第1の電極上の誘電
    体膜と、この誘電体膜上の第2の電極とを有し、前記第
    1の電極の周囲に接して設けられた絶縁膜を介してこの
    上に、前記誘電体膜と前記第2の電極とがほぼ同一パタ
    ーンに積層されている誘電体キャパシタ。
  2. 【請求項2】 第1の電極が、これとほぼ同一面をなす
    周囲の絶縁膜内に埋設されている、請求項1に記載した
    誘電体キャパシタ。
  3. 【請求項3】 誘電体膜と第2の電極とが同一パターン
    にエッチングされている、請求項1に記載した誘電体キ
    ャパシタ。
  4. 【請求項4】 誘電体膜がゾルーゲル法又はスパッタ法
    によって形成されている、請求項1〜3のいずれか1項
    に記載した誘電体キャパシタ。
  5. 【請求項5】 誘電体膜がジルコン酸チタン酸鉛からな
    り、絶縁膜が酸化チタンからなる、請求項1又は2に記
    載した誘電体キャパシタ。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載した
    誘電体キャパシタをメモリセルに有する誘電体メモリ装
    置。
  7. 【請求項7】 第1の電極と、この第1の電極上の誘電
    体膜と、この誘電体膜上の第2の電極とを有し、前記第
    1の電極の周囲に接して設けられた絶縁膜を介してこの
    上に、前記誘電体膜と前記第2の電極とがほぼ同一パタ
    ーンに積層されている誘電体キャパシタを製造するに際
    し、 前記第1の電極を形成する工程と、 この第1の電極の周囲に前記絶縁膜を形成する工程と、 前記第1の電極の表面及び前記絶縁膜の表面に誘電体膜
    材料層と電極材料層とをこの順に積層する工程と、 これらの電極材料層と誘電体材料層とをほぼ同一パター
    ンに加工して前記第2の電極と前記誘電体膜とを形成す
    る工程とを有する、誘電体キャパシタの製造方法。
  8. 【請求項8】 第1の電極を、これとほぼ同一面をなす
    周囲の絶縁膜内に埋設する、請求項7に記載した製造方
    法。
  9. 【請求項9】 誘電体膜と第2の電極とを同一パターン
    にエッチングする、請求項7に記載した製造方法。
  10. 【請求項10】 誘電体膜をゾルーゲル法又はスパッタ法
    によって形成する、請求項7〜9のいずれか1項に記載
    した製造方法。
  11. 【請求項11】 誘電体膜をジルコン酸チタン酸鉛によっ
    て形成し、絶縁膜を酸化チタンによって形成する、請求
    項7又は8に記載した製造方法。
  12. 【請求項12】 第1の電極の形成後にこの第1の電極を
    覆う如くに絶縁膜を被着し、前記第1の電極の表面が露
    出するまで前記絶縁膜を除去し、この絶縁膜の表面及び
    前記第1の電極の露出面上に誘電体膜材料層及び電極材
    料層をこの順に積層する、請求項7に記載した製造方
    法。
  13. 【請求項13】 第1の電極の表面が露出するまで絶縁膜
    を研磨若しくはエッチングする、請求項12に記載した製
    造方法。
  14. 【請求項14】 請求項7〜13のいずれか1項に記載した
    製造方法によって、メモリセルに誘電体キャパシタを作
    製する、誘電体メモリ装置の製造方法。
JP8122672A 1996-04-19 1996-04-19 誘電体キャパシタ及び誘電体メモリ装置と、これらの製造方法 Withdrawn JPH09289291A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6579753B2 (en) 2000-09-21 2003-06-17 Oki Electric Industry Co., Ltd. Method of fabricating a semiconductor storage device having a transistor unit and a ferroelectric capacitor
US6720096B1 (en) 1999-11-17 2004-04-13 Sanyo Electric Co., Ltd. Dielectric element
KR100433465B1 (ko) * 1998-08-03 2004-05-31 닛본 덴끼 가부시끼가이샤 금속산화물유전체막의 기상성장방법 및 금속산화물유전체재료의 기상성장을 위한 장치
US6762476B2 (en) 2001-02-06 2004-07-13 Sanyo Electric Co., Ltd Dielectric element including oxide dielectric film and method of manufacturing the same
US6888189B2 (en) 2000-11-08 2005-05-03 Sanyo Electric Co., Ltd. Dielectric element including oxide-based dielectric film and method of fabricating the same

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