JPH10242410A - Semiconductor memory cell and its manufacturing method - Google Patents

Semiconductor memory cell and its manufacturing method

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JPH10242410A
JPH10242410A JP9205800A JP20580097A JPH10242410A JP H10242410 A JPH10242410 A JP H10242410A JP 9205800 A JP9205800 A JP 9205800A JP 20580097 A JP20580097 A JP 20580097A JP H10242410 A JPH10242410 A JP H10242410A
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JP
Japan
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insulating layer
capacitor
forming
interlayer insulating
layer
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JP9205800A
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Akihiko Ochiai
昭彦 落合
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Sony Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor memory cell that has a planar stack type capacitor structure, can increase the area of a ferroelectric thin film, and can increase the amount of accumulated electric charge. SOLUTION: A semiconductor memory cell comprises a planar first capacitor, a MOS-type transistor element provided at the upper part of the first capacitor via a first interlayer insulation layer 12, and a planar second capacitor provided at the upper part of the MOS-type transistor element via a second interlayer insulation layer 40. In this case, each of first and second capacitors comprises lower electrodes 21 and 51, capacitor insulating films 22 and 52 consisting of a ferroelectric thin film, and upper electrodes 23 and 53 (a), and each of the lower electrodes 21 and 51 is connected to one source/drain region 34A of the MOS-type transistor element via first and second contact plugs 14 and 42 provided at the first and the second interlayer insulation layers 12 and 40 (b).

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、所謂、張り合わせ
SOI技術に基づく、強誘電体薄膜を用いた半導体メモ
リセル及びその作製方法、更に詳しくは、強誘電体薄膜
を用いた不揮発性メモリ(所謂FERAM)若しくはD
RAMから成る半導体メモリセル及びその作製方法に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor memory cell using a ferroelectric thin film based on a so-called bonding SOI technique and a method of manufacturing the same. FERAM) or D
The present invention relates to a semiconductor memory cell including a RAM and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、成膜技術の進歩に伴い強誘電体薄
膜を用いた不揮発性メモリの応用研究が盛んに進められ
ている。この不揮発性メモリは、強誘電体薄膜の高速分
極反転とその残留分極を利用する、高速書き換えが可能
な不揮発性メモリである。現在研究されている強誘電体
薄膜を備えた不揮発性メモリは、強誘電体キャパシタの
蓄積電荷量の変化を検出する方式と、強誘電体の自発分
極による半導体の抵抗変化を検出する方式の2つに分類
することができる。本発明における半導体メモリセルは
前者に属する。
2. Description of the Related Art In recent years, with the progress of film forming technology, application studies of nonvolatile memories using ferroelectric thin films have been actively pursued. This non-volatile memory is a non-volatile memory capable of high-speed rewriting, utilizing high-speed polarization inversion of a ferroelectric thin film and its remanent polarization. Non-volatile memories provided with ferroelectric thin films that are currently being studied are of two types: a method that detects a change in the amount of charge stored in a ferroelectric capacitor and a method that detects a change in the resistance of a semiconductor due to spontaneous polarization of the ferroelectric. Can be classified into one. The semiconductor memory cell in the present invention belongs to the former.

【0003】強誘電体キャパシタの蓄積電荷量の変化を
検出する方式の不揮発性半導体メモリセルは、基本的に
は、キャパシタ構造と選択トランジスタ素子とから構成
されている。キャパシタ構造は、例えば、下部電極と上
部電極、及びそれらの間に挟まれた強誘電体薄膜から成
るキャパシタ絶縁膜から構成されている。このタイプの
不揮発性メモリセルにおけるデータの書き込みや読み出
しは、図14に示す強誘電体のP−Eヒステリシスルー
プを応用して行われる。強誘電体薄膜に外部電界を加え
た後、外部電界を除いたとき、強誘電体薄膜は自発分極
を示す。そして、強誘電体薄膜の残留分極は、プラス方
向の外部電界が印加されたとき+Pr、マイナス方向の
外部電界が印加されたとき−Prとなる。ここで、残留
分極が+Prの状態(図14の「D」参照)の場合を
「0」とし、残留分極が−Prの状態(図14の「A」
参照)の場合を「1」とする。
A non-volatile semiconductor memory cell of the type that detects a change in the amount of charge stored in a ferroelectric capacitor basically has a capacitor structure and a selection transistor element. The capacitor structure includes, for example, a lower electrode and an upper electrode, and a capacitor insulating film formed of a ferroelectric thin film sandwiched therebetween. Writing and reading of data in this type of non-volatile memory cell is performed by applying a ferroelectric PE hysteresis loop shown in FIG. When an external electric field is applied to the ferroelectric thin film and then the external electric field is removed, the ferroelectric thin film exhibits spontaneous polarization. Then, the residual polarization of the ferroelectric thin film is a -P r when when positive direction of the external electric field is applied + P r, the negative direction of the external electric field is applied. Here, the case where the remanent polarization is + P r (see “D” in FIG. 14) is “0”, and the state where the remanent polarization is −P r (“A” in FIG. 14).
Is set to “1”.

【0004】「1」あるいは「0」の状態を判別するた
めに、強誘電体薄膜に例えばプラス方向の外部電界を印
加する。これによって、強誘電体薄膜の分極は図14の
「C」の状態となる。このとき、データが「0」であれ
ば、強誘電体薄膜の分極状態は、「D」から「C」の状
態に変化する。一方、データが「1」であれば、強誘電
体薄膜の分極状態は、「A」から「B」を経由して
「C」の状態に変化する。データが「0」の場合には、
強誘電体薄膜の分極反転は生じない。一方、データが
「1」の場合には、強誘電体薄膜に分極反転が生じる。
その結果、キャパシタ構造の蓄積電荷量(分極状態)の
差異に対応して、移動電荷量に差が生じる。選択された
メモリセルの選択トランジスタ素子をオンにすること
で、この蓄積電荷をビット線電位として検出する。デー
タの読み出し後、外部電界を0にすると、データが
「0」のときでも「1」のときでも、強誘電体薄膜の分
極状態は図14の「D」の状態となってしまう。それ
故、データが「1」の場合、マイナス方向の外部電界を
印加して、「D」、[E」という経路で「A」の状態と
し、データ「1」を書き込む。
In order to determine the state of “1” or “0”, for example, an external positive electric field is applied to the ferroelectric thin film. Thus, the polarization of the ferroelectric thin film is in the state of “C” in FIG. At this time, if the data is “0”, the polarization state of the ferroelectric thin film changes from “D” to “C”. On the other hand, if the data is “1”, the polarization state of the ferroelectric thin film changes from “A” to “C” via “B”. If the data is "0",
No polarization inversion of the ferroelectric thin film occurs. On the other hand, when the data is “1”, polarization inversion occurs in the ferroelectric thin film.
As a result, there is a difference in the amount of mobile charge corresponding to the difference in the amount of stored charge (polarization state) of the capacitor structure. By turning on the selection transistor element of the selected memory cell, this accumulated charge is detected as a bit line potential. If the external electric field is set to 0 after reading the data, the polarization state of the ferroelectric thin film becomes the state of "D" in FIG. 14 regardless of whether the data is "0" or "1". Therefore, when the data is “1”, an external electric field in the negative direction is applied to change the state to “A” along the paths “D” and “E”, and the data “1” is written.

【0005】不揮発性半導体メモリは、図15の(A)
に模式的な配置図を示し、図15の(B)に模式的な一
部断面図を示すように、所謂プレーナ−スタック型と呼
ばれるキャパシタ構造を有することが、半導体メモリの
製造プロセス面、強誘電体薄膜の有効面積の拡大といっ
た観点からは望ましい。尚、図15の(B)は、図15
の(A)の線B−Bに沿った一部断面図である。かかる
構造の半導体メモリにおいては、最小エッチング加工寸
法(線幅)をFとし、例えば1つの半導体メモリセルの
大きさを4.8F×2.4F(=12F2)としたと
き、平面形状が長方形の強誘電体薄膜の大きさを3.8
F×1.4Fとすればよい。また、隣接する半導体メモ
リセルの間の間隔を1Fとすればよい。
A nonvolatile semiconductor memory is shown in FIG.
As shown in a schematic layout diagram of FIG. 15 and a schematic partial cross-sectional view of FIG. 15B, having a so-called planar-stack type capacitor structure is advantageous in terms of a semiconductor memory manufacturing process. This is desirable from the viewpoint of increasing the effective area of the dielectric thin film. Incidentally, FIG.
FIG. 3A is a partial cross-sectional view along line BB of FIG. In a semiconductor memory having such a structure, when the minimum etching processing dimension (line width) is F and, for example, the size of one semiconductor memory cell is 4.8F × 2.4F (= 12F 2 ), the planar shape is rectangular. The size of the ferroelectric thin film of 3.8
It may be F × 1.4F. In addition, the interval between adjacent semiconductor memory cells may be set to 1F.

【0006】しかしながら、1ギガビットレベルの不揮
発性半導体メモリを作製しようとした場合、強誘電体薄
膜の面積を増加させ、残留分極電荷を大きくするために
は、DRAMで採用されているような、所謂ペデステル
型キャパシタ構造を採用しなければならないと云われて
いる。尚、不揮発性半導体メモリに使用される強誘電体
薄膜に類似した高誘電体薄膜(例えばSrTiO3)を
使用したペデステル型キャパシタ構造を有するDRAM
が、例えば、文献 "A Gbit-scale DRAM stacked capaci
tor technology with ECR MOCVD SrTiO3 and RIE patte
rned RuO2/TiNstorage nodes", P-Y Lesaicherre, et a
l., IEDM 94-841, 34.1.1 から公知である。模式的な一
部断面図を図16に示すこの文献に開示されたDRAM
セルにおいては、RuO2から成る下部電極は、RIE
法にてパターニングされた柱状の形状を有する。下部電
極を柱状とすることによって、下部電極を被覆する高誘
電体薄膜の面積を増加させることが可能となる。
However, in order to manufacture a non-volatile semiconductor memory of 1 gigabit level, in order to increase the area of the ferroelectric thin film and increase the residual polarization charge, a so-called DRAM, which is employed in a DRAM, is required. It is said that a pedestal capacitor structure must be employed. A DRAM having a pedestal-type capacitor structure using a high dielectric thin film (for example, SrTiO 3 ) similar to a ferroelectric thin film used for a nonvolatile semiconductor memory
However, for example, the document "A Gbit-scale DRAM stacked capaci
tor technology with ECR MOCVD SrTiO 3 and RIE patte
rned RuO 2 / TiNstorage nodes ", PY Lesaicherre, et a
l., IEDM 94-841, 34.1.1. FIG. 16 shows a schematic partial cross-sectional view of the DRAM disclosed in this document.
In the cell, the lower electrode made of RuO 2 is RIE
It has a columnar shape patterned by a method. By making the lower electrode into a columnar shape, the area of the high dielectric thin film covering the lower electrode can be increased.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】強誘電体薄膜を用いた
半導体メモリを作製する場合には、強誘電体薄膜の厚さ
を厚くする必要がある。1ギガビットレベルのDRAM
における高誘電体薄膜の膜厚は50nm以下でよいが、
不揮発性半導体メモリセルにおいては強誘電体薄膜の膜
厚は120nm程度若しくはそれ以上の膜厚が必要とさ
れる。ペデステル型キャパシタ構造を有する半導体メモ
リの模式的な配置図を図17に示す。また、模式的な一
部断面図を図18に示す。尚、図18の(A)及び
(B)のそれぞれは、図17の線A−A及びB−Bに沿
った一部断面図である。このペデステル型キャパシタ構
造の半導体メモリにおいては、図18の(B)に示すよ
うに、図17の(A)の線B−Bに沿って隣接する下部
電極の間に強誘電体薄膜及び上部電極を埋め込むことが
困難となり、図17の(A)の線B−Bに沿ったキャパ
シタ構造の大きさ(長さ)を0.4F程度増加させる必
要がある。また、図18の(A)に示すように、図17
の(A)の線A−Aに沿って隣接する上部電極や強誘電
体薄膜の加工に伴うマージンを確保することが困難とな
るため、図17の(A)の線A−Aに沿ったキャパシタ
構造の大きさ(長さ)を0.8F程度増加させる必要が
ある。デザインルールを0.18μm(=F)、1つの
半導体メモリセルの大きさを1.0μm×0.50μm
(=15.7F2)とし、ペデステル型キャパシタ構造
の高さを0.56μm、強誘電体薄膜の膜厚を120n
m、2Pr=16μC/cm2とした場合、キャパシタ構
造の大きさは約0.34μmとなる。そして、プレー
ナ−スタック型キャパシタ構造の半導体メモリセルと比
較して、ペデステル型キャパシタ構造の半導体メモリセ
ルにおいては、メモリセルの面積が、(2.4+0.
4)×(4.8+0.8)=15.7Fとなり、従来
の半導体メモリセルの大きさ12F2(=4.8F×
2.4F)と比較して、面積が約36%も増加する。即
ち、プレーナ−スタック型キャパシタ構造の半導体メモ
リに対するペデステル型キャパシタ構造の半導体メモリ
の優位性が損なわれる。
When a semiconductor memory using a ferroelectric thin film is manufactured, it is necessary to increase the thickness of the ferroelectric thin film. 1 Gigabit DRAM
The thickness of the high dielectric thin film may be 50 nm or less,
In a nonvolatile semiconductor memory cell, the ferroelectric thin film needs to have a thickness of about 120 nm or more. FIG. 17 is a schematic layout diagram of a semiconductor memory having a pedestal capacitor structure. FIG. 18 is a schematic partial cross-sectional view. 18A and 18B are partial cross-sectional views taken along lines AA and BB in FIG. In the semiconductor memory having the pedestal type capacitor structure, as shown in FIG. 18B, a ferroelectric thin film and an upper electrode are disposed between lower electrodes adjacent to each other along a line BB in FIG. Is difficult to embed, and the size (length) of the capacitor structure along the line BB in FIG. 17A needs to be increased by about 0.4F. Also, as shown in FIG.
17A, it becomes difficult to secure a margin associated with processing of the upper electrode and the ferroelectric thin film adjacent to each other along the line AA of FIG. It is necessary to increase the size (length) of the capacitor structure by about 0.8F. The design rule is 0.18 μm (= F), and the size of one semiconductor memory cell is 1.0 μm × 0.50 μm
(= 15.7 F 2 ), the height of the pedestal type capacitor structure is 0.56 μm, and the thickness of the ferroelectric thin film is 120 n.
When m, 2P r = 16 μC / cm 2 , the size of the capacitor structure is about 0.34 μm 2 . In the semiconductor memory cell having the pedestal capacitor structure, the area of the memory cell is (2.4 + 0.
4) × (4.8 + 0.8) = 15.7F 2 , which is the size of the conventional semiconductor memory cell 12F 2 (= 4.8F ×
In comparison with 2.4F), the area is increased by about 36%. That is, the superiority of the semiconductor memory having the pedestal capacitor structure to the semiconductor memory having the planar-stack capacitor structure is lost.

【0008】また、高誘電体薄膜を用いたDRAMにお
いては、蓄積電荷と印加電圧とは線形の関係にある。一
方、強誘電体薄膜を用いた半導体メモリセルにおいて
は、図14に示すように、蓄積電荷と印加電圧とは非線
形の関係にあり、ヒステリシス特性を有する。そして、
強誘電体薄膜の特性は下部電極の表面状態に敏感であ
る。上記の文献に示された技術を強誘電体薄膜を用いた
半導体メモリに適用した場合、即ち、RIE法にてパタ
ーニングされた柱状の形状を有する下部電極上に強誘電
体薄膜を成膜した場合、かかる下部電極の表面は、通
常、損傷を受け、荒れており、表面モホロジーが悪い。
その結果、強誘電体薄膜の特性に低下が生じる虞があ
る。更には、柱状の下部電極のコーナー部で電界集中が
生じ、下部電極の平面部分における強誘電体薄膜の特性
とコーナー部における強誘電体薄膜の特性に差異が生じ
る虞がある。以上の理由から、1ギガビットレベルの半
導体メモリにおいても、可能ならば、ペデステル型キャ
パシタ構造よりもプレーナ−スタック型キャパシタ構造
を有する半導体メモリを採用することが望ましい。
[0008] In a DRAM using a high dielectric thin film, the accumulated charge and the applied voltage have a linear relationship. On the other hand, in a semiconductor memory cell using a ferroelectric thin film, as shown in FIG. 14, the accumulated charge and the applied voltage have a non-linear relationship, and have a hysteresis characteristic. And
The characteristics of the ferroelectric thin film are sensitive to the surface condition of the lower electrode. When the technique disclosed in the above document is applied to a semiconductor memory using a ferroelectric thin film, that is, when a ferroelectric thin film is formed on a lower electrode having a columnar shape patterned by RIE. The surface of such a lower electrode is usually damaged and rough, and has poor surface morphology.
As a result, the characteristics of the ferroelectric thin film may be deteriorated. Furthermore, electric field concentration occurs at the corners of the columnar lower electrode, which may cause a difference between the characteristics of the ferroelectric thin film at the plane portion of the lower electrode and the characteristics of the ferroelectric thin film at the corners. For the above reasons, it is desirable to adopt a semiconductor memory having a planar-stack capacitor structure rather than a pedestal capacitor structure, if possible, even in a 1 gigabit level semiconductor memory.

【0009】従って、本発明の目的は、プレーナ−スタ
ック型キャパシタ構造を有し、しかも強誘電体薄膜の面
積を増加させることができ、蓄積電荷量の増加を図り得
る半導体メモリセル及びその作製方法を提供することに
ある。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor memory cell having a planar-stack type capacitor structure, capable of increasing the area of a ferroelectric thin film, and capable of increasing the amount of stored charges, and a method of manufacturing the same. Is to provide.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の半導体メモリセルは、所謂、張り合わせS
OI構造を有する。即ち、本発明の半導体メモリセル
は、平板状の第1のキャパシタ部と、該第1のキャパシ
タ部の上方に第1の層間絶縁層を介して設けられたMO
S型トランジスタ素子と、該MOS型トランジスタ素子
の上方に第2の層間絶縁層を介して設けられた平板状の
第2のキャパシタ部から成り、(イ)第1及び第2のキ
ャパシタ部のそれぞれは、下部電極、強誘電体薄膜から
成るキャパシタ絶縁膜、及び上部電極から成り、(ロ)
第1のキャパシタ部を構成する下部電極は、第1の層間
絶縁層に設けられた第1のコンタクトプラグを介してM
OS型トランジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域
と接続されており、(ハ)第2のキャパシタ部を構成す
る下部電極は、第2の層間絶縁層に設けられた第2のコ
ンタクトプラグを介してMOS型トランジスタ素子の該
一方のソース・ドレイン領域と接続されていることを特
徴とする。
In order to achieve the above object, a semiconductor memory cell according to the present invention has a so-called bonding S
It has an OI structure. That is, in the semiconductor memory cell of the present invention, a first capacitor portion having a plate shape and an MO provided above the first capacitor portion with a first interlayer insulating layer interposed therebetween.
An S-type transistor element; and a plate-shaped second capacitor section provided above the MOS transistor element with a second interlayer insulating layer interposed therebetween. (A) Each of the first and second capacitor sections Is composed of a lower electrode, a capacitor insulating film composed of a ferroelectric thin film, and an upper electrode.
The lower electrode constituting the first capacitor section is connected to the lower electrode through a first contact plug provided in the first interlayer insulating layer.
The third electrode is connected to one of the source / drain regions of the OS-type transistor element, and (c) the lower electrode constituting the second capacitor section is via a second contact plug provided in the second interlayer insulating layer. It is characterized in that it is connected to the one source / drain region of the MOS transistor element.

【0011】本発明の半導体メモリセルにおいては、第
1のキャパシタ部を構成する上部電極と接続された第1
のプレート線、及び、第2のキャパシタ部を構成する上
部電極と接続された第2のプレート線を更に備え、第1
のプレート線と第2のプレート線とは電気的に接続され
ていることが好ましい。更には、MOS型トランジスタ
素子は半導体層に形成され、半導体メモリセルは、絶縁
材料層及び多結晶シリコン層を介して第1のプレート線
の下方に位置する支持基板によって支持されていること
が望ましい。尚、第1のプレート線及び第2のプレート
線がデコーダを構成するプレート線選択用トランジスタ
素子の一方のソース・ドレイン領域に接続されている形
態としてもよい。あるいは又、第1のプレート線と第2
のプレート線とを、コンタクトホールを介して接続され
ていてもよい。また、第1のコンタクトホールと第1の
キャパシタ部を構成する下部電極とを一体に作製しても
よく、第2のコンタクトホールと第2のキャパシタ部を
構成する下部電極とを一体に作製してもよい。
In the semiconductor memory cell according to the present invention, the first capacitor connected to the upper electrode forming the first capacitor portion is provided.
And a second plate line connected to an upper electrode constituting the second capacitor section,
Is preferably electrically connected to the second plate line. Further, the MOS transistor element is formed in a semiconductor layer, and the semiconductor memory cell is preferably supported by a support substrate located below the first plate line via an insulating material layer and a polycrystalline silicon layer. . Incidentally, the first plate line and the second plate line may be connected to one of the source / drain regions of the plate line selecting transistor element constituting the decoder. Alternatively, the first plate line and the second plate line
May be connected via a contact hole. Further, the first contact hole and the lower electrode forming the first capacitor portion may be integrally formed, or the second contact hole and the lower electrode forming the second capacitor portion may be integrally formed. You may.

【0012】上記の目的を達成するための本発明の半導
体メモリセルの作製方法は、(イ)半導体基板の表面に
凹部を形成し、次いで、半導体基板の表面の上に第1の
層間絶縁層を形成した後、第1の層間絶縁層に第1のコ
ンタクトプラグを形成する工程と、(ロ)第1の層間絶
縁層上に、第1のコンタクトプラグと接続された下層電
極、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜、及び上部
電極から成る平板状の第1のキャパシタ部を形成する工
程と、(ハ)第1のキャパシタ部の上を含む第1の層間
絶縁層の上に絶縁材料層及び多結晶シリコン層を形成し
た後、該多結晶シリコン層の表面に支持基板を張り合わ
せる工程と、(ニ)半導体基板の裏面側から半導体基板
を研磨し、MOS型トランジスタ素子を形成すべき半導
体基板の部分を半導体層として残し、且つ、第1の層間
絶縁層の一部を露出させる工程と、(ホ)該半導体層
に、一方のソース・ドレイン領域が第1のコンタクトプ
ラグと接続されたMOS型トランジスタ素子を形成する
工程と、(ヘ)MOS型トランジスタ素子上を含む第1
の層間絶縁層上に第2の層間絶縁層を形成した後、該一
方のソース・ドレイン領域と接続された第2のコンタク
トプラグを第2の層間絶縁層に形成する工程と、(ト)
第2の層間絶縁層上に、第2のコンタクトプラグと接続
された下層電極、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁
膜、及び上部電極から成る平板状の第2のキャパシタ部
を形成する工程、から成ることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor memory cell according to the present invention comprises the steps of (a) forming a concave portion on a surface of a semiconductor substrate, and then forming a first interlayer insulating layer on the surface of the semiconductor substrate. Forming a first contact plug on the first interlayer insulating layer, and (b) forming a lower electrode connected to the first contact plug on the first interlayer insulating layer, and a ferroelectric substance. A step of forming a capacitor-like insulating film made of a thin film, and a plate-shaped first capacitor part made of an upper electrode; and (c) an insulating material layer on the first interlayer insulating layer including on the first capacitor part And a step of bonding a support substrate to the surface of the polycrystalline silicon layer after forming the polycrystalline silicon layer, and (d) polishing the semiconductor substrate from the back side of the semiconductor substrate to form a MOS transistor element. Half the board part Leaving a body layer and exposing a part of the first interlayer insulating layer; and (e) a MOS transistor element having one source / drain region connected to the first contact plug in the semiconductor layer. And (f) a first step including on the MOS transistor element.
Forming a second interlayer insulating layer on the second interlayer insulating layer, and then forming a second contact plug connected to the one source / drain region on the second interlayer insulating layer;
Forming a lower electrode connected to the second contact plug, a capacitor insulating film made of a ferroelectric thin film, and a flat second capacitor portion made of an upper electrode on the second interlayer insulating layer; It is characterized by comprising.

【0013】本発明の半導体メモリセルの作製方法にお
いては、前記工程(ロ)の後に、第1のキャパシタ部の
上を含む第1の層間絶縁層の上に第1の絶縁層を形成し
た後、第1のキャパシタ部を構成する上部電極と第1の
絶縁層に設けられたコンタクトプラグを介して接続され
た第1のプレート線を形成する工程[工程(ロ’)]
と、前記工程(ト)の後に、第2のキャパシタ部の上を
含む第2の層間絶縁層の上に第2の絶縁層を形成した
後、第2のキャパシタ部を構成する上部電極と第2の絶
縁層に設けられたコンタクトプラグを介して接続された
第2のプレート線を形成し、且つ、第1のプレート線と
第2のプレート線とを電気的に接続する工程[工程
(チ)]、を更に含み、工程(ハ)において、第1のプ
レート線上を含む第1の絶縁層の上に絶縁材料層及び多
結晶シリコン層を形成する形態とすることが好ましい。
In the method of manufacturing a semiconductor memory cell according to the present invention, after the step (b), after forming the first insulating layer on the first interlayer insulating layer including on the first capacitor portion, Forming a first plate line connected to an upper electrode constituting the first capacitor section via a contact plug provided in the first insulating layer [step (b ′)]
Forming a second insulating layer on the second interlayer insulating layer including on the second capacitor section after the step (g), and forming an upper electrode and a second electrode on the second capacitor section. Forming a second plate line connected via a contact plug provided in the second insulating layer, and electrically connecting the first plate line and the second plate line. )], And in the step (c), it is preferable that the insulating material layer and the polycrystalline silicon layer are formed on the first insulating layer including on the first plate line.

【0014】係る半導体メモリセルの作製方法において
は、上述の工程(ロ’)において、第1のキャパシタ部
の上を含む第1の層間絶縁層の上に第1の絶縁層を形成
した後、後の工程で作製するプレート線選択用トランジ
スタ素子との接続のための第3のコンタクトプラグを第
1の層間絶縁層及び第1の絶縁層に形成し、次いで、第
1のキャパシタ部を構成する上部電極と第1の絶縁層に
設けられたコンタクトプラグを介して接続され、且つ、
該第3のコンタクトプラグと接続された第1のプレート
線を形成し、工程(ニ)において、半導体基板の裏面側
から半導体基板を研磨し、MOS型トランジスタ素子及
びプレート線選択用トランジスタ素子を形成すべき半導
体基板の部分を半導体層として残し、且つ、第1の層間
絶縁層の一部を露出させ、工程(ホ)において、併せ
て、半導体層に、一方のソース・ドレイン領域が第3の
コンタクトプラグと接続されたプレート線選択用トラン
ジスタ素子を形成し、工程(チ)において、第2のキャ
パシタ部の上を含む第2の層間絶縁層上に第2の絶縁層
を形成した後、プレート線選択用トランジスタ素子の該
一方のソース・ドレイン領域と接続された第4のコンタ
クトプラグを第2の層間絶縁層及び第2の絶縁層に形成
し、次いで、第2のキャパシタ部を構成する上部電極と
第2の絶縁層に設けられたコンタクトプラグを介して接
続され、且つ、該第4のコンタクトプラグと接続された
第2のプレート線を形成する形態とすることもできる。
尚、隣接する複数の半導体メモリセルの上部電極が1本
のプレート線に接続されている場合には、上部電極に
は、プレート線を介して、例えば(Vcc−Vss)/2
(V)の一定の電圧を印加すればよい。
In the method for manufacturing a semiconductor memory cell, after the first insulating layer is formed on the first interlayer insulating layer including on the first capacitor portion in the above step (b ′), A third contact plug for connection with a plate line selecting transistor element manufactured in a later step is formed in the first interlayer insulating layer and the first insulating layer, and then a first capacitor portion is formed. Connected to the upper electrode via a contact plug provided in the first insulating layer, and
Forming a first plate line connected to the third contact plug; polishing the semiconductor substrate from the back side of the semiconductor substrate in step (d) to form a MOS transistor element and a plate line selecting transistor element; A part of the semiconductor substrate to be left is left as a semiconductor layer, and a part of the first interlayer insulating layer is exposed. In step (e), one of the source / drain regions is added to the third layer in the semiconductor layer. Forming a plate line selecting transistor element connected to the contact plug, forming a second insulating layer on the second interlayer insulating layer including on the second capacitor portion in the step (h), Forming a fourth contact plug connected to the one source / drain region of the line selecting transistor element in the second interlayer insulating layer and the second insulating layer; A second plate line connected to the upper electrode constituting the capacitor portion via a contact plug provided in the second insulating layer and connected to the fourth contact plug may be formed. it can.
In the case where the upper electrode of the adjacent plurality of semiconductor memory cells are connected to one plate line, the upper electrode, via a plate line, for example (V cc -V ss) / 2
What is necessary is just to apply the fixed voltage of (V).

【0015】第1のキャパシタ部あるいは第2のキャパ
シタ部を形成するための、下部電極層、強誘電体薄膜及
び上部電極層の成膜及びパターニングの順を以下に示す
が、これらの順序の全てが、本発明の半導体メモリセル
の作製方法に包含される。 (A)下部電極層、強誘電体薄膜及び上部電極層の順次
成膜、並びに、上部電極層、強誘電体薄膜及び下部電極
層の一括パターニング (B)下部電極層の成膜及びパターニング、強誘電体薄
膜及び上部電極層の順次成膜、並びに上部電極層及び強
誘電体薄膜の一括パターニング (C)下部電極層の成膜及びパターニング、強誘電体薄
膜の成膜及びパターニング、並びに、上部電極層の成膜
及びパターニング
The order of film formation and patterning of the lower electrode layer, the ferroelectric thin film and the upper electrode layer for forming the first capacitor portion or the second capacitor portion is shown below. Is included in the method for manufacturing a semiconductor memory cell of the present invention. (A) Lower electrode layer, ferroelectric thin film and upper electrode layer are sequentially formed, and collective patterning of upper electrode layer, ferroelectric thin film and lower electrode layer is performed. (B) Lower electrode layer is formed and patterned. Deposition of a dielectric thin film and an upper electrode layer sequentially, and collective patterning of an upper electrode layer and a ferroelectric thin film. (C) Deposition and patterning of a lower electrode layer, deposition and patterning of a ferroelectric thin film, and an upper electrode. Layer formation and patterning

【0016】尚、上述の(B)及び(C)の形態におい
ては、上部電極層と強誘電体薄膜を、1つの上部電極と
キャパシタ絶縁膜が1つの下部電極上に形成されるよう
にパターニングしてもよいし、複数の下部電極を被覆す
るようにパターニングしてもよい。前者のパターニング
の場合、上部電極には、例えばVss(V)若しくはVcc
(V)が印加される。一方、後者のパターニングの場
合、上部電極には、例えば(Vcc−Vss)/2(V)の
一定の電圧が印加される。
In the above embodiments (B) and (C), the upper electrode layer and the ferroelectric thin film are patterned so that one upper electrode and a capacitor insulating film are formed on one lower electrode. Alternatively, patterning may be performed so as to cover a plurality of lower electrodes. In the case of the former patterning, V ss (V) or V cc is applied to the upper electrode, for example.
(V) is applied. On the other hand, in the latter case the patterning, the upper electrode, a constant voltage is applied, for example, (V cc -V ss) / 2 (V).

【0017】あるいは又、第1の層間絶縁層に第1のコ
ンタクトプラグを形成すると同時に、第1の層間絶縁層
上に第1のキャパシタ部を構成する下層電極を形成して
もよいし、第2の層間絶縁層に第2のコンタクトプラグ
を形成すると同時に、第2の層間絶縁層上に第2のキャ
パシタ部を構成する下層電極を形成してもよい。
Alternatively, simultaneously with forming the first contact plug in the first interlayer insulating layer, a lower electrode constituting the first capacitor section may be formed on the first interlayer insulating layer. At the same time as forming the second contact plug in the two interlayer insulating layers, a lower electrode constituting the second capacitor portion may be formed on the second interlayer insulating layer.

【0018】強誘電体薄膜は、例えば、溶液化学成長法
(ゾル−ゲル法やMOD法)、化学的気相成長法(有機
金属化学的気相成長法を含む)、又は物理的気相成長法
(レーザアブレーション法を含む蒸着法やスパッタ法)
にて成膜することができる。強誘電体薄膜のパターニン
グは、例えばRIE法にて行うことができる。
The ferroelectric thin film may be formed by, for example, a solution chemical growth method (sol-gel method or MOD method), a chemical vapor deposition method (including a metal organic chemical vapor deposition method), or a physical vapor deposition method. Method (evaporation method including laser ablation method and sputtering method)
Can be formed. The patterning of the ferroelectric thin film can be performed by, for example, the RIE method.

【0019】強誘電体薄膜として、Bi系層状構造ペロ
ブスカイト型の強誘電体薄膜を挙げることができる。B
i系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体材料は、所謂
不定比化合物に属し、金属元素、アニオン(O等)元素
の両サイトにおける組成ずれに対する寛容性がある。ま
た、化学量論的組成からやや外れたところで最適な電気
的特性を示すことも珍しくない。Bi系層状構造ペロブ
スカイト型の強誘電体材料は、例えば、一般式(Bi2
22+(Am-1m3m+12-で表すことができる。こ
こで、「A」は、Bi、Pb、Ba、Sr、Ca、N
a、K、Cd等の金属から構成された群から選択された
1種類の金属を表し、「B」は、Ti、Nb、Ta、
W、Mo、Fe、Co、Crから成る群から選択された
1種類、若しくは複数種の任意の比率による組み合わせ
を表す。また、mは1以上の整数である。
Examples of the ferroelectric thin film include a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric thin film. B
The i-type layered structure perovskite-type ferroelectric material belongs to a so-called nonstoichiometric compound, and has tolerance to a composition deviation at both sites of a metal element and an anion (O or the like) element. Also, it is not uncommon for the composition to exhibit optimal electrical characteristics at a position slightly deviating from the stoichiometric composition. The Bi-based layered structure perovskite-type ferroelectric material has, for example, the general formula (Bi 2
O 2 ) 2+ (A m-1 B m O 3m + 1 ) 2- . Here, “A” is Bi, Pb, Ba, Sr, Ca, N
represents one kind of metal selected from the group consisting of metals such as a, K, and Cd, and “B” represents Ti, Nb, Ta,
One type selected from the group consisting of W, Mo, Fe, Co, and Cr, or a combination of a plurality of types at an arbitrary ratio. M is an integer of 1 or more.

【0020】あるいは又、Bi系層状構造ペロブスカイ
ト型の強誘電体薄膜は、 BiX(Sr,Ca,Ba)Y(TaZ,Nb1-Z2d (1) (但し、1.7≦X≦2.5、0.6≦Y≦1.2、0
≦Z≦1.0、8.0≦d≦10.0)で表される結晶
相を主たる結晶相として含んでいることが好ましい。
尚、「(Sr,Ca,Ba)」は、Sr、Ca及びBa
から構成された群から選択された1種類の元素を意味す
る。あるいは又、強誘電体薄膜は、 BiXSrYTa2d (2) (但し、1.7≦X≦2.5、0.6≦Y≦1.2、
8.0≦d≦10.0)で表される結晶相を主たる結晶
相として含んでいることが好ましい。これらの場合、式
(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主たる結晶
相として85%以上含んでいることが一層好ましい。
尚、式(1)若しくは式(2)で表される結晶相を主た
る結晶相として含む強誘電体薄膜には、Biの酸化物、
TaやNbの酸化物、Bi、TaやNbの複合酸化物が
若干含まれている場合もあり得る。ここで、式(1)で
表される強誘電体薄膜の組成を化学量論的組成で表せ
ば、例えば、Bi2SrTa29、Bi2SrNb29
Bi2BaTa29、Bi2SrTaNbO9等を挙げる
ことができる。あるいは又、本発明における強誘電体薄
膜として、Bi4SrTi415、Bi4Ti312、Bi
2PbTa29等を例示することもできるが、これらの
場合においても、各金属元素の比率は、結晶構造が変化
しない程度に変化させ得る。
Alternatively, the Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric thin film may be Bi X (Sr, Ca, Ba) Y (Ta Z , Nb 1 -Z ) 2 O d (1) (where 1.7 ≦ X ≦ 2.5, 0.6 ≦ Y ≦ 1.2, 0
≦ Z ≦ 1.0, 8.0 ≦ d ≦ 10.0) as a main crystal phase.
Note that “(Sr, Ca, Ba)” represents Sr, Ca, and Ba.
Means one element selected from the group consisting of Alternatively, the ferroelectric thin film, Bi X Sr Y Ta 2 O d (2) ( where, 1.7 ≦ X ≦ 2.5,0.6 ≦ Y ≦ 1.2,
(8.0 ≦ d ≦ 10.0) as a main crystal phase. In these cases, it is more preferable that the crystal phase represented by the formula (1) or (2) be contained at 85% or more as a main crystal phase.
The ferroelectric thin film containing the crystal phase represented by the formula (1) or (2) as a main crystal phase includes Bi oxide,
Oxides of Ta and Nb, and composite oxides of Bi, Ta and Nb may be slightly contained. Here, if the composition of the ferroelectric thin film represented by the formula (1) is represented by a stoichiometric composition, for example, Bi 2 SrTa 2 O 9 , Bi 2 SrNb 2 O 9 ,
Bi 2 BaTa 2 O 9 and Bi 2 SrTaNbO 9 can be exemplified. Alternatively, Bi 4 SrTi 4 O 15 , Bi 4 Ti 3 O 12 , Bi may be used as the ferroelectric thin film in the present invention.
Although 2 PbTa 2 O 9 and the like can be exemplified, also in these cases, the ratio of each metal element can be changed to such an extent that the crystal structure does not change.

【0021】あるいは又、強誘電体薄膜を構成する材料
として、PbTiO3、ペロブスカイト型構造を有する
PbZrO3とPbTiO3の固溶体であるチタン酸ジル
コン酸鉛[PZT,Pb(Zr1-y,Tiy)O3(但
し、0<y<1)]、PZTにLaを添加した金属酸化
物であるPLZT、あるいはPZTにNbを添加した金
属酸化物であるPNZTといったPZT系化合物を挙げ
ることができる。
Alternatively, as a material constituting the ferroelectric thin film, PbTiO 3 , lead zirconate titanate [PZT, Pb (Zr 1 -y , Ti y) , which is a solid solution of PbZrO 3 and PbTiO 3 having a perovskite structure, PZT compounds such as O 3 (where 0 <y <1)], PLZT which is a metal oxide obtained by adding La to PZT, and PNZT which is a metal oxide obtained by adding Nb to PZT.

【0022】本発明の半導体メモリセルあるいはその作
製方法においては、下部電極及び/又は上部電極を構成
する材料として、例えば、酸化ルテニウム(Ru
X)、酸化イリジウム(IrOX)、Ru、RuX/R
uの積層構造、Ir、IrOX/Irの積層構造、P
t、Pd、Pt/Tiの積層構造、Pt/Taの積層構
造、Pt/Ti/Taの積層構造、La0.5Sr0.5Co
3(LSCO)、Pt/LSCOの積層構造、YBa2
Cu37から作製することができるが、中でも、酸化ル
テニウム(RuOX)又は酸化イリジウム(IrOX)で
あることが好ましい。尚、積層構造においては、「/」
の前に記載された材料が強誘電体薄膜側を構成し、
「/」の後ろに記載された材料がプレート線側を構成す
る。下部電極及び/又は上部電極の成膜は、スパッタ法
やパルスレーザアブレーション法にて行うことができ
る。尚、下部電極及び上部電極とは、選択トランジスタ
素子であるMOS型トランジスタ素子を基準とした呼称
である。また、本明細書で「上」及び「下」という概念
は、原則として、MOS型トランジスタ素子を基準とし
ている。下部電極及び/又は上部電極のパターニング
は、例えばイオンミーリング法やRIE法にて行うこと
ができる。尚、上部電極はプレート線を兼ねていてもよ
いし、上部電極とは別にプレート線を設けてもよい。
In the semiconductor memory cell or the method of manufacturing the same according to the present invention, the material constituting the lower electrode and / or the upper electrode is, for example, ruthenium oxide (Ru).
O x ), iridium oxide (IrO x ), Ru, Ru x / R
laminated structure of u, Ir, the laminated structure of the IrO X / Ir, P
t, Pd, Pt / Ti laminated structure, Pt / Ta laminated structure, Pt / Ti / Ta laminated structure, La 0.5 Sr 0.5 Co
O 3 (LSCO), Pt / LSCO laminated structure, YBa 2
It can be made of Cu 3 O 7 , and among them, ruthenium oxide (RuO x ) or iridium oxide (IrO x ) is preferable. In the laminated structure, "/"
The material described before constitutes the ferroelectric thin film side,
The material described after "/" constitutes the plate line side. The lower electrode and / or upper electrode can be formed by a sputtering method or a pulse laser ablation method. Note that the lower electrode and the upper electrode are names based on a MOS transistor element as a selection transistor element. In this specification, the terms “up” and “down” are based on a MOS transistor element in principle. Patterning of the lower electrode and / or the upper electrode can be performed by, for example, an ion milling method or an RIE method. Note that the upper electrode may also serve as a plate line, or a plate line may be provided separately from the upper electrode.

【0023】下部電極と層間絶縁層との間に、例えば、
Ti、TiN、TiN/Ti、TaNから成るバリアメ
タル層が形成されていてもよい。バリアメタル層は、例
えばスパッタ法にて形成することができ、下部電極の層
間絶縁層への密着性向上、下部電極の結晶性向上、下部
電極を構成する材料の層間絶縁層への拡散防止、層間絶
縁層を構成する材料の下部電極への拡散防止を目的とし
て成膜する。
Between the lower electrode and the interlayer insulating layer, for example,
A barrier metal layer made of Ti, TiN, TiN / Ti, or TaN may be formed. The barrier metal layer can be formed by, for example, a sputtering method, which improves the adhesion of the lower electrode to the interlayer insulating layer, improves the crystallinity of the lower electrode, prevents the material constituting the lower electrode from diffusing into the interlayer insulating layer, The film is formed for the purpose of preventing the material constituting the interlayer insulating layer from diffusing into the lower electrode.

【0024】層間絶縁層や絶縁層を構成する材料とし
て、SiO2、BPSG、PSG、BSG、AsSG、
PbSG、SbSG、NSG、SOG、LTO(Low Te
mperature Oxide、低温CVD−SiO2)、SiN、S
iON等の公知の材料、あるいはこれらの材料を積層し
たものを例示することができる。
As materials for forming the interlayer insulating layer and the insulating layer, SiO 2 , BPSG, PSG, BSG, AsSG,
PbSG, SbSG, NSG, SOG, LTO (Low Te
mperature Oxide, low temperature CVD-SiO 2 ), SiN, S
A known material such as iON or a material obtained by laminating these materials can be exemplified.

【0025】本発明のキャパシタ構造を有する半導体メ
モリセルの形態として、不揮発性メモリ(所謂FERA
M)若しくはDRAMを挙げることができる。
As a form of the semiconductor memory cell having the capacitor structure of the present invention, a nonvolatile memory (so-called FERA) is used.
M) or DRAM.

【0026】本発明においては、選択トランジスタ素子
として機能するMOS型トランジスタ素子の上下に第1
のキャパシタ部及び第2のキャパシタ部が設けられてい
るので、半導体メモリセルの面積を増加させることな
く、半導体メモリセルのキャパシタ部全体の面積を増加
させることができる結果、キャパシタ部の蓄積電荷量の
増加を図ることができる。しかも、第1のキャパシタ部
及び第2のキャパシタ部は平板状であるが故に、即ち、
プレーナ−スタック型構造を有するが故に、強誘電体薄
膜に電界集中が生じ難い。
In the present invention, first and second MOS type transistor elements functioning as selection transistor elements are provided above and below.
Is provided, it is possible to increase the area of the entire capacitor section of the semiconductor memory cell without increasing the area of the semiconductor memory cell. Can be increased. In addition, since the first capacitor portion and the second capacitor portion are flat,
Due to the planar-stack type structure, electric field concentration hardly occurs in the ferroelectric thin film.

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、発明の実
施の形態(以下、実施の形態と略称する)に基づき本発
明を説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings based on embodiments of the invention (hereinafter abbreviated as embodiments).

【0028】(実施の形態1)実施の形態1の半導体メ
モリセルの模式的な一部断面図を、図1に示す。尚、図
1〜図10において、記号「X」で表した部分から矢印
の示す方向の領域は半導体メモリセルのX方向(図の紙
面左右方向を指す)の模式的な一部断面図を示す。ま
た、記号「Y」で表した部分から矢印の示す方向の領域
は半導体メモリセルのY方向(X方向と直角の方向であ
り、図の紙面垂直方向を指す)の模式的な一部断面図を
示す。図においては、2つの半導体メモリセルを図示し
たが、実際には、多数の半導体メモリセルがX方向に配
列されている。また、デコーダは複数のプレート線選択
用トランジスタ素子から構成されているが、図において
は、1つのプレート線選択用トランジスタ素子のみを模
式的に図示した。
(Embodiment 1) FIG. 1 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor memory cell according to Embodiment 1. In FIGS. 1 to 10, a region in a direction indicated by an arrow from a portion represented by a symbol “X” is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor memory cell in the X direction (indicating the horizontal direction in the drawing). . In addition, a region in a direction indicated by an arrow from a portion represented by the symbol “Y” is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor memory cell in the Y direction (a direction perpendicular to the X direction and indicating a direction perpendicular to the plane of the drawing). Is shown. Although two semiconductor memory cells are shown in the figure, a large number of semiconductor memory cells are actually arranged in the X direction. Although the decoder is composed of a plurality of plate line selecting transistor elements, only one plate line selecting transistor element is schematically illustrated in the figure.

【0029】この半導体メモリセルは、平板状の第1の
キャパシタ部と、この第1のキャパシタ部の上方に第1
の層間絶縁層12を介して設けられたMOS型トランジ
スタ素子と、MOS型トランジスタ素子の上方に第2の
層間絶縁層40を介して設けられた平板状の第2のキャ
パシタ部から成る。第1のキャパシタ部は、下部電極2
1、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜22、及び
上部電極23から成る。また、第2のキャパシタ部は、
下部電極51、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜
52、及び上部電極53から成る。第1のキャパシタ部
を構成する下部電極21は、第1の層間絶縁層12に設
けられた第1のコンタクトプラグ14を介して、MOS
型トランジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域34
Aと接続されている。また、第2のキャパシタ部を構成
する下部電極51も、第2の層間絶縁層40に設けられ
た第2のコンタクトプラグ42を介して、MOS型トラ
ンジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域34Aと接
続されている。
This semiconductor memory cell has a first capacitor portion in the form of a flat plate and a first capacitor portion above the first capacitor portion.
MOS transistor element provided via an interlayer insulating layer 12 of the first embodiment, and a plate-shaped second capacitor portion provided above the MOS transistor element via a second interlayer insulating layer 40. The first capacitor section includes a lower electrode 2
1. A capacitor insulating film 22 made of a ferroelectric thin film and an upper electrode 23. In addition, the second capacitor unit includes:
It comprises a lower electrode 51, a capacitor insulating film 52 made of a ferroelectric thin film, and an upper electrode 53. The lower electrode 21 constituting the first capacitor unit is connected to the MOS via a first contact plug 14 provided in the first interlayer insulating layer 12.
Source / drain region 34 of type transistor element
A is connected. Further, the lower electrode 51 constituting the second capacitor unit is also connected to one of the source / drain regions 34A of the MOS transistor element via the second contact plug 42 provided in the second interlayer insulating layer 40. Have been.

【0030】実施の形態1の半導体メモリセルは、第1
のキャパシタ部を構成する上部電極23と接続された第
1のプレート線27、及び、第2のキャパシタ部を構成
する上部電極53と接続された第2のプレート線57を
更に備え、第1のプレート線27と第2のプレート線5
7とは電気的に接続されている。第1のプレート線27
は第1の絶縁層24上に形成されており、第2のプレー
ト線57は第2の絶縁層54上に形成されている。更
に、実施の形態1の半導体メモリセルにおいては、第1
のプレート線27は、プレート線選択用トランジスタ素
子の一方のソース・ドレイン領域37Aに、第3のコン
タクトプラグ26を介して接続されている。また、第2
のプレート線57も、プレート線選択用トランジスタ素
子の一方のソース・ドレイン領域37Aに、第4のコン
タクトプラグ56を介して接続されている。尚、MOS
型トランジスタ素子は半導体層10Aに形成され、半導
体メモリセルは、絶縁材料層28及び多結晶シリコン層
29を介して第1のプレート線27の下方に位置する支
持基板30によって支持されている。
The semiconductor memory cell according to the first embodiment has a first
And a second plate line 57 connected to the upper electrode 53 forming the second capacitor portion, and a first plate line 27 connected to the upper electrode 23 forming the capacitor portion. Plate line 27 and second plate line 5
7 is electrically connected. First plate line 27
Are formed on the first insulating layer 24, and the second plate lines 57 are formed on the second insulating layer 54. Further, in the semiconductor memory cell of the first embodiment, the first
The plate line 27 is connected to one source / drain region 37A of the plate line selecting transistor element via a third contact plug 26. Also, the second
The plate line 57 is also connected via a fourth contact plug 56 to one of the source / drain regions 37A of the plate line selecting transistor element. In addition, MOS
The type transistor element is formed in the semiconductor layer 10A, and the semiconductor memory cell is supported by the support substrate 30 located below the first plate line 27 via the insulating material layer 28 and the polycrystalline silicon layer 29.

【0031】ゲート部32及びソース・ドレイン領域3
4A,34Bから成るMOS型トランジスタ素子は、選
択トランジスタ素子に相当する。また、プレート線選択
用トランジスタ素子は、ゲート部36及びソース・ドレ
イン領域37A,37Bから構成されている。
Gate section 32 and source / drain region 3
The MOS transistor element composed of 4A and 34B corresponds to a selection transistor element. The plate line selecting transistor element includes a gate section 36 and source / drain regions 37A and 37B.

【0032】MOS型トランジスタの他方のソース・ド
レイン領域34Bはビット線41に接続されている。実
施の形態1においては、1つのキャパシタ絶縁膜22,
52及び上部電極23,53は、1つの下部電極21,
51上に形成された構造である。また、Y方向に配列さ
れた複数の半導体メモリセルの上部電極23,53は、
第1及び第2のプレート線27,57を共用している。
上部電極23,53には、プレート線27,57を介し
て、例えば(Vcc−Vss)/2(V)の一定の電圧が印
加される。一方、ビット線41には、例えばVss若しく
はVccが印加される。これによって、強誘電体薄膜から
成るキャパシタ絶縁膜22,52に「0」又は「1」の
情報を書き込むことができる。尚、ビット線41は、図
1の左右方向(X方向)に、コンタクトプラグ42と接
触することなく延びているが、この状態のビット線の図
示は省略した。Y方向に延びるゲート部32はワード線
を兼ねている。
The other source / drain region 34 B of the MOS transistor is connected to the bit line 41. In the first embodiment, one capacitor insulating film 22,
52 and the upper electrodes 23 and 53
This is a structure formed on 51. The upper electrodes 23 and 53 of the plurality of semiconductor memory cells arranged in the Y direction are
The first and second plate lines 27 and 57 are shared.
The upper electrode 23, 53, via the plate line 27,57, for instance a constant voltage (V cc -V ss) / 2 (V) is applied. On the other hand, for example, V ss or V cc is applied to the bit line 41. As a result, information “0” or “1” can be written in the capacitor insulating films 22 and 52 made of the ferroelectric thin film. Although the bit line 41 extends in the left-right direction (X direction) of FIG. 1 without contacting the contact plug 42, the illustration of the bit line in this state is omitted. The gate section 32 extending in the Y direction also serves as a word line.

【0033】実施の形態1においては、下部電極21,
51及び上部電極23,53を酸化ルテニウム(RuO
2)から構成した。また、強誘電体薄膜として、式
(2)で表されるBi系層状構造ペロブスカイト型の強
誘電体材料を用いた。第1のキャパシタ部を構成する下
部電極21と第1の層間絶縁層12の間にはバリアメタ
ル層20が形成されている。また、第2のキャパシタ部
を構成する下部電極51と第2の層間絶縁層40の間に
もバリアメタル層50が形成されている。実施の形態1
においては、バリアメタル層20,50を、TiN層
(上層)/Ti層(下層)から構成した。尚、図では、
これらのバリアメタル層20,50を1層で表した。
In the first embodiment, the lower electrodes 21 and
51 and the upper electrodes 23 and 53 are made of ruthenium oxide (RuO).
2 ). Further, as the ferroelectric thin film, a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric material represented by the formula (2) was used. A barrier metal layer 20 is formed between the lower electrode 21 constituting the first capacitor section and the first interlayer insulating layer 12. Further, a barrier metal layer 50 is also formed between the lower electrode 51 constituting the second capacitor section and the second interlayer insulating layer 40. Embodiment 1
In, the barrier metal layers 20 and 50 were composed of a TiN layer (upper layer) / Ti layer (lower layer). In the figure,
These barrier metal layers 20 and 50 are represented by one layer.

【0034】実施の形態1の半導体メモリセルから構成
された半導体メモリの等価回路図を図13に示す。図
中、WL1,WL2はワード線を意味し、BL1,BL2
ビット線を意味し、PL1,PL2はプレート線を意味す
る。
FIG. 13 shows an equivalent circuit diagram of a semiconductor memory constituted by the semiconductor memory cells of the first embodiment. In the figure, WL 1 and WL 2 represent word lines, BL 1 and BL 2 represent bit lines, and PL 1 and PL 2 represent plate lines.

【0035】以下、図2〜図11の半導体基板等の模式
的な一部断面図を参照して、本発明の半導体メモリセル
の作製方法を説明する。
Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor memory cell according to the present invention will be described with reference to schematic partial cross-sectional views of a semiconductor substrate and the like in FIGS.

【0036】[工程−100]先ず、半導体基板10の
表面に凹部11を形成し、次いで、半導体基板10の表
面の上に第1の層間絶縁層12を形成した後、第1の層
間絶縁層12に第1のコンタクトプラグ14を形成す
る。具体的には、先ず、選択トランジスタ素子として機
能するMOS型トランジスタ、及びプレート線選択用ト
ランジスタ素子を形成すべき部分以外の半導体基板10
の部分(素子分離領域を形成すべき領域に相当する)に
エッチングによって凹部11を形成する(図2の(A)
参照)。
[Step-100] First, a concave portion 11 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10, and then a first interlayer insulating layer 12 is formed on the surface of the semiconductor substrate 10, and then the first interlayer insulating layer 12 is formed. A first contact plug 14 is formed on 12. Specifically, first, the MOS type transistor functioning as a selection transistor element and the semiconductor substrate 10 other than the portion where the plate line selection transistor element is to be formed
(Corresponding to a region where an element isolation region is to be formed) by etching to form a concave portion 11 (FIG. 2A).
reference).

【0037】[工程−110]その後、例えばBPSG
から成る第1の層間絶縁層12を、以下の表1に例示す
る条件に基づきCVD法にて全面に成膜する。尚、第1
の層間絶縁層12の成膜後、窒素ガス雰囲気中で例えば
900゜C×20分間、第1の層間絶縁層12をリフロ
ーさせることが好ましい。更には、必要に応じて、例え
ば化学的機械的研磨法(CMP法)にて第1の層間絶縁
層12の頂面を化学的及び機械的に研磨し、第1の層間
絶縁層12を平坦化することが望ましい。その後、MO
S型トランジスタの一方のソース・ドレイン領域34A
を形成すべき部分の上方に相当する第1の層間絶縁層1
2の部分にRIE法にて開口部13を形成する。そし
て、かかる開口部13内を、不純物がドーピングされた
多結晶シリコンで埋め込み、第1のコンタクトプラグ1
4を完成させる。具体的には、開口部13内を含む第1
の層間絶縁層12上に不純物がドーピングされた多結晶
シリコン層をCVD法にて成膜した後、かかる多結晶シ
リコン層をエッチバックすることによって、開口部13
内を多結晶シリコンで埋め込み、第1のコンタクトプラ
グ14を形成する。こうして、図2の(B)に模式的な
一部断面図を示す構造を得ることができる。
[Step-110] Thereafter, for example, BPSG
Is formed on the entire surface by the CVD method under the conditions exemplified in Table 1 below. The first
After the formation of the first interlayer insulating layer 12, it is preferable to reflow the first interlayer insulating layer 12 in a nitrogen gas atmosphere, for example, at 900 ° C. for 20 minutes. Further, if necessary, the top surface of the first interlayer insulating layer 12 is polished chemically and mechanically by, for example, a chemical mechanical polishing method (CMP method) to flatten the first interlayer insulating layer 12. Is desirable. Then MO
One source / drain region 34A of the S-type transistor
First interlayer insulating layer 1 corresponding to the portion above
An opening 13 is formed in the portion 2 by RIE. Then, the inside of the opening 13 is filled with polycrystalline silicon doped with impurities, and the first contact plug 1 is formed.
Complete 4 Specifically, the first portion including the inside of the opening 13
A polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the interlayer insulating layer 12 by CVD, and the polycrystalline silicon layer is etched back to form the opening 13.
The inside is filled with polycrystalline silicon to form a first contact plug 14. Thus, the structure shown in the schematic partial cross-sectional view of FIG. 2B can be obtained.

【0038】[0038]

【表1】 使用ガス:SiH4/PH3/B26 成膜温度:400゜C 反応圧力:常圧[Table 1] Gas used: SiH 4 / PH 3 / B 2 H 6 Film formation temperature: 400 ° C Reaction pressure: normal pressure

【0039】[工程−120A]次に、第1の層間絶縁
層12上に、第1のコンタクトプラグ14と接続された
下層電極21、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜
22、及び上部電極23から成る平板状の第1のキャパ
シタ部を形成する。そのために、先ず、以下の表2に示
した条件にてTiN層/Ti層から成るバリアメタル層
20を成膜する。Ti層が下層であり、TiN層が上層
である。次いで、ターゲットとしてRu(ルテニウム)
を用い、プロセスガスとしてO2/Arを用いたDCス
パッタ法にて、バリアメタル層20上にRuO2から成
る下部電極層を成膜する。
[Step-120A] Next, on the first interlayer insulating layer 12, a lower electrode 21 connected to the first contact plug 14, a capacitor insulating film 22 made of a ferroelectric thin film, and an upper electrode 23 To form a first capacitor portion having a flat plate shape. For this purpose, first, a barrier metal layer 20 composed of a TiN layer / Ti layer is formed under the conditions shown in Table 2 below. The Ti layer is the lower layer and the TiN layer is the upper layer. Next, Ru (ruthenium) as a target
And a lower electrode layer made of RuO 2 is formed on the barrier metal layer 20 by a DC sputtering method using O 2 / Ar as a process gas.

【0040】[0040]

【表2】Ti層(厚さ:20nm)のスパッタ条件 プロセスガス:Ar=35sccm 圧力 :0.52Pa RFパワー :2kW 基板の加熱 :無し TiN層(厚さ:100nm)のスパッタ条件 プロセスガス:N2/Ar=100/35sccm 圧力 :1.0Pa RFパワー :6kW 基板の加熱 :無しTable 2 Sputtering conditions for Ti layer (thickness: 20 nm) Process gas: Ar = 35 sccm Pressure: 0.52 Pa RF power: 2 kW Heating of substrate: None Sputtering condition for TiN layer (thickness: 100 nm) Process gas: N 2 / Ar = 100/35 sccm Pressure: 1.0 Pa RF power: 6 kW Heating of substrate: None

【0041】[工程−120B]その後、MOCVD法
によって、Bi系層状構造ペロブスカイト型の強誘電体
材料から成る強誘電体薄膜を全面に成膜する。例えば、
式(2)のBiXSrYTa2dで表される強誘電体薄膜
の成膜条件を以下の表3に例示する。
[Step-120B] Then, a ferroelectric thin film made of a Bi-based layered structure perovskite ferroelectric material is formed on the entire surface by MOCVD. For example,
Table 3 below shows examples of film formation conditions for the ferroelectric thin film represented by Bi X Sr Y Ta 2 O d in the formula (2).

【0042】[0042]

【表3】 [Table 3]

【0043】あるいは又、式(2)のBiXSrYTa2
dで表される強誘電体薄膜をパルスレーザアブレーシ
ョン法、ゾル−ゲル法、あるいはRFスパッタ法にて全
面に形成することもできる。この場合の成膜条件を以下
に例示する。尚、式(2)のBiXSrYTa2dで表さ
れる強誘電体薄膜の成膜後、800゜C×1時間、酸素
雰囲気中でポストベーキングを行うことが好ましい。
Alternatively, Bi X Sr Y Ta 2 of the formula (2)
A ferroelectric thin film represented by Od can be formed on the entire surface by a pulse laser ablation method, a sol-gel method, or an RF sputtering method. The film forming conditions in this case are exemplified below. Incidentally, after forming the ferroelectric thin film represented by Bi X Sr Y Ta 2 O d of formula (2), 800 ° C × 1 hour, it is preferable to perform the post-baking in an oxygen atmosphere.

【0044】[0044]

【表4】パルスレーザアブレーション法による成膜 ターゲット:BiXSrYTa2d 使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、
パルス幅25n秒、5Hz) 成膜温度 :500゜C 酸素濃度 :3Pa
TABLE 4 deposited by pulsed laser ablation target: Bi X Sr Y Ta 2 O d using laser: KrF excimer laser (wavelength of 248 nm,
(Pulse width: 25 ns, 5 Hz) Film forming temperature: 500 ° C. Oxygen concentration: 3 Pa

【0045】[0045]

【表5】ゾル−ゲル法による成膜 原料:Bi(CH3(CH23CH(C25)COO)3 [ビスマス・2エチルヘキサン酸,Bi(OOc)3] Sr(CH3(CH23CH(C25)COO)2 [ビスマス・2エチルヘキサン酸,Sr(OOc)2] Ta(OEt)5 [タンタル・エトキシド] スピンコート条件:3000rpm×20秒 乾燥:250゜C×7分 焼成:400〜800゜C×1時間(必要に応じてRT
A処理を加える)
Table 5: Film formation by sol-gel method Raw material: Bi (CH 3 (CH 2 ) 3 CH (C 2 H 5 ) COO) 3 [bismuth / 2-ethylhexanoic acid, Bi (OOc) 3 ] Sr (CH 3 (CH 2 ) 3 CH (C 2 H 5 ) COO) 2 [bismuth / 2-ethylhexanoic acid, Sr (OOc) 2 ] Ta (OEt) 5 [tantalum ethoxide] Spin coating conditions: 3000 rpm × 20 seconds Drying: 250゜ C × 7 minutes Firing: 400-800 ゜ C × 1 hour (RT if necessary
A processing is added)

【0046】[0046]

【表6】RFスパッタ法による成膜 ターゲット:Bi2SrTa29セラミックターゲット RFパワー:1.2W〜2.0W/ターゲット1cm2 雰囲気圧力:0.2〜1.3Pa 成膜温度 :室温〜600゜C プロセスガス:Ar/O2の流量比=2/1〜9/1[Table 6] Film formation by RF sputtering Target: Bi 2 SrTa 2 O 9 ceramic target RF power: 1.2 W to 2.0 W / target 1 cm 2 Atmospheric pressure: 0.2 to 1.3 Pa Film formation temperature: room temperature to 600 ° C. Process gas: Ar / O 2 flow ratio = 2/1 to 9/1

【0047】[工程−120C]次いで、強誘電体薄膜
上に、[工程−120A]と同様に、RuO2から成る
上部電極層を成膜した後、上部電極層、強誘電体薄膜、
下部電極層及びバリアメタル層20を、例えばRIE法
にてパターニングする。これによって、RuO2から成
る下部電極21、この下部電極21上に形成された強誘
電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜22、及びRuO2
から成る上部電極23から構成された平板状の第1のキ
ャパシタ部を第1の層間絶縁層12上に形成することが
できる。こうして、図3に模式的な一部断面図を示す構
造を得ることができる。尚、成膜したままの表面状態の
下部電極上に強誘電体薄膜を成膜することができる結
果、強誘電体薄膜のP−Eヒステリシスループ特性の劣
化を防止することができる。
[Step-120C] Next, as in [Step-120A], an upper electrode layer made of RuO 2 is formed on the ferroelectric thin film, and then the upper electrode layer, the ferroelectric thin film,
The lower electrode layer and the barrier metal layer 20 are patterned by, for example, the RIE method. Thus, a lower electrode 21 made of RuO 2, the capacitor insulating film 22 made of a ferroelectric thin film formed on the lower electrode 21, and RuO 2
Can be formed on the first interlayer insulating layer 12. Thus, a structure whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 3 can be obtained. In addition, since the ferroelectric thin film can be formed on the lower electrode in the surface state as it is formed, deterioration of the PE hysteresis loop characteristic of the ferroelectric thin film can be prevented.

【0048】[工程−130]次に、第1のキャパシタ
部の上を含む第1の層間絶縁層12の上に第1の絶縁層
24を形成した後、後の工程で作製するプレート線選択
用トランジスタ素子との接続のための第3のコンタクト
プラグ26を第1の層間絶縁層12及び第1の絶縁層2
4に形成する。具体的には、例えばSiO2から成る第
1の絶縁層24をCVD法にて全面に成膜する。次に、
プレート線選択用トランジスタ素子の一方のソース・ド
レイン領域37Aを形成すべき部分の上方に相当する第
1の絶縁層24及び第1の層間絶縁層12の部分にRI
E法にて開口部25を形成する。また、上部電極23の
上方の第1の絶縁層24に開口部を形成する。そして、
かかる開口部内を、不純物がドーピングされた多結晶シ
リコンで埋め込む。これによって、プレート線選択用ト
ランジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域37Aを
形成すべき部分の上方に相当する第1の絶縁層24及び
第1の層間絶縁層12に第3のコンタクトプラグ26が
形成される(図4参照)。具体的には、CVD法にて開
口部内を含む第1の絶縁層24上に不純物がドーピング
された多結晶シリコン層を成膜した後、かかる多結晶シ
リコン層をエッチバックすればよい。
[Step-130] Next, after forming the first insulating layer 24 on the first interlayer insulating layer 12 including the upper part of the first capacitor portion, select a plate line to be formed in a later step. Contact plug 26 for connection with the transistor element for the first interlayer insulating layer 12 and the first insulating layer 2
4 is formed. Specifically, a first insulating layer 24 made of, for example, SiO 2 is formed on the entire surface by a CVD method. next,
The RI of the first insulating layer 24 and the first interlayer insulating layer 12 above the portion where one of the source / drain regions 37A of the plate line selecting transistor element is to be formed.
The opening 25 is formed by the E method. Further, an opening is formed in the first insulating layer 24 above the upper electrode 23. And
The opening is filled with polycrystalline silicon doped with impurities. As a result, the third contact plug 26 is formed in the first insulating layer 24 and the first interlayer insulating layer 12 above the portion where the one source / drain region 37A of the plate line selecting transistor element is to be formed. (See FIG. 4). Specifically, after a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the first insulating layer 24 including the inside of the opening by the CVD method, the polycrystalline silicon layer may be etched back.

【0049】[工程−140]次いで、第1のキャパシ
タ部を構成する上部電極23と第1の絶縁層24に設け
られたコンタクトプラグを介して接続され、且つ、第3
のコンタクトプラグ26と接続された第1のプレート線
27を形成する。即ち、コンタクトプラグ上を含む第1
の絶縁層24上に、例えば金属配線材料層をスパッタ法
にて形成し、金属配線材料層をパターニングすることに
よって第1のプレート線27を形成する。
[Step-140] Then, the upper electrode 23 constituting the first capacitor portion is connected via a contact plug provided in the first insulating layer 24, and
A first plate line 27 connected to the contact plug 26 is formed. That is, the first including the contact plug
On the insulating layer 24, for example, a metal wiring material layer is formed by a sputtering method, and the metal wiring material layer is patterned to form a first plate line 27.

【0050】[工程−150]次いで、第1のキャパシ
タ部の上を含む第1の層間絶縁層の上(より具体的に
は、実施の形態1においては、第1のプレート線27を
含む第1の絶縁層24上)に絶縁材料層28及び多結晶
シリコン層29を形成した後、多結晶シリコン層29の
表面に支持基板30を張り合わせる。即ち、全面に、例
えばSiO2から成る絶縁材料層28をCVD法にて成
膜した後、平坦化処理を行う。そして、この絶縁材料層
28上にCVD法にて多結晶シリコン層29を成膜した
後、多結晶シリコン層29の平坦化処理を行う(図5参
照)。そして、シリコン半導体基板から成る支持基板3
0の表面と多結晶シリコン層29とを重ね合わせ(図6
参照)、700゜C以上のO2雰囲気中で熱圧着させ
て、半導体基板10と支持基板30とを張り合わせる。
その後、半導体基板10の裏面側から半導体基板10を
研磨し、MOS型トランジスタ素子を形成すべき半導体
基板の部分を半導体層10Aとして残し、第1の層間絶
縁層12の一部を露出させる。こうして、図7に模式的
な一部断面図を示す構造を得ることができる。尚、同時
に、プレート線選択用トランジスタ素子を形成すべき半
導体基板の部分を、半導体層10Bとして残す。
[Step-150] Next, on the first interlayer insulating layer including on the first capacitor portion (more specifically, in the first embodiment, the first After forming the insulating material layer 28 and the polycrystalline silicon layer 29 on the first insulating layer 24), the support substrate 30 is bonded to the surface of the polycrystalline silicon layer 29. That is, after an insulating material layer 28 made of, for example, SiO 2 is formed on the entire surface by a CVD method, a flattening process is performed. Then, after a polycrystalline silicon layer 29 is formed on the insulating material layer 28 by a CVD method, the polycrystalline silicon layer 29 is flattened (see FIG. 5). And a support substrate 3 made of a silicon semiconductor substrate.
0 and the polycrystalline silicon layer 29 (FIG. 6)
The semiconductor substrate 10 and the support substrate 30 are bonded together by thermocompression bonding in an O 2 atmosphere of 700 ° C. or more.
Thereafter, the semiconductor substrate 10 is polished from the back surface side of the semiconductor substrate 10 to leave a portion of the semiconductor substrate on which the MOS transistor element is to be formed as the semiconductor layer 10A and expose a part of the first interlayer insulating layer 12. Thus, the structure shown in FIG. 7 with a schematic partial cross-sectional view can be obtained. At the same time, the portion of the semiconductor substrate where the plate line selecting transistor element is to be formed is left as the semiconductor layer 10B.

【0051】[工程−160]その後、半導体層10A
に、一方のソース・ドレイン領域34Aが第1のコンタ
クトプラグ14と接続されたMOS型トランジスタ素子
を形成する。併せて、半導体層10Bに、一方のソース
・ドレイン領域37Aが第3のコンタクトプラグ26と
接続されたプレート線選択用トランジスタ素子を形成す
る。具体的には、半導体層10A,10Bの表面を例え
ばパイロジェニック法により酸化し、ゲート酸化膜3
1,35を形成する。次いで、不純物がドーピングされ
た多結晶シリコン層をCVD法にて全面に成膜し、更に
オフセット酸化膜であるSiO2層を成膜した後、Si
2層及び多結晶シリコン層をパターニングし、ゲート
部32,36を形成する。このゲート部32はワード線
を兼ねている。次に、半導体層10A,10Bにイオン
注入を行い、LDD構造を形成する。その後、全面にC
VD法にてSiO2層を成膜した後、このSiO2層をエ
ッチバックすることによって、ゲート部32,36の側
面にゲートサイドウオール33を形成する。次いで、半
導体層10A,10Bにイオン注入を施した後、イオン
注入された不純物の活性化アニール処理を行うことによ
って、ソース・ドレイン領域34A,34B,37A,
37Bを形成する。こうして、図8に模式的な一部断面
図を示す構造を得ることができる。
[Step-160] Then, the semiconductor layer 10A
Then, a MOS transistor element in which one of the source / drain regions 34A is connected to the first contact plug 14 is formed. At the same time, a transistor element for plate line selection in which one source / drain region 37A is connected to the third contact plug 26 is formed in the semiconductor layer 10B. Specifically, the surfaces of the semiconductor layers 10A and 10B are oxidized by, for example, a pyrogenic method to form the gate oxide film 3A.
1, 35 are formed. Next, a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the entire surface by a CVD method, and a SiO 2 layer serving as an offset oxide film is further formed.
The O 2 layer and the polysilicon layer are patterned to form gate portions 32 and 36. The gate section 32 also serves as a word line. Next, ions are implanted into the semiconductor layers 10A and 10B to form an LDD structure. After that, C
After forming the SiO 2 layer by the VD method, the SiO 2 layer is etched back to form the gate sidewalls 33 on the side surfaces of the gate portions 32 and 36. Next, after ion implantation is performed on the semiconductor layers 10A and 10B, activation annealing treatment of the ion-implanted impurities is performed, so that the source / drain regions 34A, 34B, 37A,
37B is formed. Thus, the structure shown in the schematic partial sectional view of FIG. 8 can be obtained.

【0052】その後、SiO2から成る下層絶縁層をC
VD法にて形成した後、他方のソース・ドレイン領域3
4Bの上方の下層絶縁層に開口部をRIE法にて形成す
る。そして、かかる開口部内を含む下層絶縁層上に不純
物がドーピングされた多結晶シリコン層をCVD法にて
成膜した後、下層絶縁層上の多結晶シリコン層をパター
ニングすることによって、ビット線41を形成する。そ
の後、BPSGから成る上層絶縁層をCVD法にて全面
に形成する。尚、BPSGから成る上層絶縁層の成膜
後、窒素ガス雰囲気中で例えば900゜C×20分間、
上層絶縁層をリフローさせることが好ましい。更には、
必要に応じて、例えば化学的機械的研磨法(CMP法)
にて上層絶縁層の頂面を化学的及び機械的に研磨し、上
層絶縁層を平坦化することが望ましい。尚、下層絶縁層
と上層絶縁層を纏めて、以下、単に第2の層間絶縁層4
0と呼ぶ。
Thereafter, the lower insulating layer made of SiO 2 is
After being formed by the VD method, the other source / drain region 3 is formed.
An opening is formed in the lower insulating layer above 4B by RIE. Then, after a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the lower insulating layer including the inside of the opening by a CVD method, the bit line 41 is formed by patterning the polycrystalline silicon layer on the lower insulating layer. Form. Thereafter, an upper insulating layer made of BPSG is formed on the entire surface by a CVD method. After the formation of the upper insulating layer made of BPSG, for example, at 900 ° C. for 20 minutes in a nitrogen gas atmosphere,
It is preferable to reflow the upper insulating layer. Furthermore,
If necessary, for example, chemical mechanical polishing (CMP)
It is desirable to polish the top surface of the upper insulating layer chemically and mechanically to flatten the upper insulating layer. The lower insulating layer and the upper insulating layer are collectively referred to as a second interlayer insulating layer 4 hereinafter.
Call it 0.

【0053】[工程−170]こうして、MOS型トラ
ンジスタ素子上を含む第1の層間絶縁層12上に第2の
層間絶縁層40を形成した後、第2の層間絶縁層40に
第2のコンタクトプラグ42を形成する。即ち、MOS
型トランジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域34
Aの上方の第2の層間絶縁層40に開口部をRIE法に
て形成する。そして、かかる開口部内を含む第2の層間
絶縁層40上に不純物がドーピングされた多結晶シリコ
ン層をCVD法にて成膜する。次に、第2の層間絶縁層
40上の多結晶シリコン層をエッチバックすることによ
って、第2のコンタクトプラグ42を形成する。こうし
て、図9に模式的な一部断面図を示す構造を得ることが
できる。
[Step-170] Thus, after the second interlayer insulating layer 40 is formed on the first interlayer insulating layer 12 including on the MOS transistor element, the second contact is formed on the second interlayer insulating layer 40. The plug 42 is formed. That is, MOS
Source / drain region 34 of type transistor element
An opening is formed in the second interlayer insulating layer 40 above A by RIE. Then, a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the second interlayer insulating layer 40 including the inside of the opening by a CVD method. Next, the second contact plug 42 is formed by etching back the polycrystalline silicon layer on the second interlayer insulating layer 40. Thus, the structure shown in FIG. 9 with a schematic partial sectional view can be obtained.

【0054】[工程−180]その後、第2の層間絶縁
層40上に、第2のコンタクトプラグ42と接続された
下層電極51、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜
52、及び上部電極53から成る平板状の第2のキャパ
シタ部を形成する。具体的には、[工程−120A]〜
[工程−120C]と同様の工程を実行すればよい。こ
うして、図10に模式的な一部断面図を示す構造を得る
ことができる。
[Step-180] After that, the lower electrode 51 connected to the second contact plug 42, the capacitor insulating film 52 made of a ferroelectric thin film, and the upper electrode 53 are formed on the second interlayer insulating layer 40. A second flat plate-shaped capacitor portion is formed. Specifically, [Step-120A]-
The same step as [Step-120C] may be performed. In this way, a structure whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 10 can be obtained.

【0055】[工程−190]次に、第2のキャパシタ
部の上を含む第2の層間絶縁層40の上に第2の絶縁層
54を形成した後、第2のキャパシタ部の上部電極53
を第2のプレート線57を介してプレート線選択用トラ
ンジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域37Aと接
続するため第4のコンタクトプラグ56を第2の層間絶
縁層40及び第2の絶縁層54に形成する。具体的に
は、例えばSiO2から成る第2の絶縁層54をCVD
法にて全面に形成する。次に、プレート線選択用トラン
ジスタ素子のソース・ドレイン領域37Aの上方の第2
の絶縁層54及び第2の層間絶縁層40の部分にRIE
法にて開口部55を形成する。また、上部電極53の上
方の第2の絶縁層54に開口部を形成する。そして、か
かる開口部内を、不純物がドーピングされた多結晶シリ
コンで埋め込む。これによって、プレート線選択用トラ
ンジスタ素子の一方のソース・ドレイン領域37Aの上
方の第2の絶縁層54及び第2の層間絶縁層40に第4
のコンタクトプラグ56が形成される(図11参照)。
具体的には、CVD法にて開口部55等の内部を含む第
2の絶縁層54上に不純物がドーピングされた多結晶シ
リコン層を成膜した後、かかる多結晶シリコン層をエッ
チバックすればよい。
[Step-190] Next, after the second insulating layer 54 is formed on the second interlayer insulating layer 40 including the upper part of the second capacitor part, the upper electrode 53 of the second capacitor part is formed.
Is connected to one of the source / drain regions 37A of the plate line selecting transistor element via the second plate line 57 by connecting a fourth contact plug 56 to the second interlayer insulating layer 40 and the second insulating layer 54. Form. Specifically, the second insulating layer 54 made of, for example, SiO 2 is formed by CVD.
It is formed on the entire surface by a method. Next, the second region above the source / drain region 37A of the plate line selecting transistor element
RIE is applied to the portions of the insulating layer 54 and the second interlayer insulating layer 40.
The opening 55 is formed by the method. Further, an opening is formed in the second insulating layer 54 above the upper electrode 53. Then, the inside of the opening is filled with polycrystalline silicon doped with impurities. As a result, the fourth insulating layer 54 and the second interlayer insulating layer 40 above the one source / drain region 37A of the plate line selecting transistor element are placed in the fourth
Is formed (see FIG. 11).
Specifically, after a polycrystalline silicon layer doped with impurities is formed on the second insulating layer 54 including the inside of the opening 55 and the like by the CVD method, the polycrystalline silicon layer is etched back. Good.

【0056】[工程−1000]次いで、第2のキャパ
シタ部を構成する上部電極53と第2の絶縁層54に設
けられたコンタクトプラグを介して接続され、且つ、第
4のコンタクトプラグ56と接続された第2のプレート
線57を形成する。即ち、コンタクトプラグ上を含む第
2の絶縁層54上に、例えば金属配線材料層をスパッタ
法にて形成し、金属配線材料層をパターニングすること
によって第2のプレート線57を形成する。こうして、
図1に模式的な一部断面図を示す実施の形態1の半導体
メモリセルを作製することができる。
[Step-1000] Next, the upper electrode 53 constituting the second capacitor section is connected via a contact plug provided on the second insulating layer 54 and is connected to the fourth contact plug 56. The formed second plate line 57 is formed. That is, for example, a metal wiring material layer is formed on the second insulating layer 54 including on the contact plug by a sputtering method, and the metal wiring material layer is patterned to form the second plate line 57. Thus,
A semiconductor memory cell of Embodiment 1 whose schematic partial cross-sectional view is shown in FIG. 1 can be manufactured.

【0057】以上、本発明を、発明の実施の形態に基づ
き説明したが、本発明はこれに限定されるものではな
い。ゲート部32,36やビット線41は、ポリシリコ
ン層から構成する代わりに、ポリサイドや金属シリサイ
ドから構成することもできる。各層間絶縁層として、B
PSGやSiO2の代わりに、PSG、BSG、AsS
G、PbSG、SbSG、SOG、SiONあるいはS
iN等の公知の絶縁材料、あるいはこれらの絶縁材料を
積層したものを挙げることができる。ビット線41の形
成手順は任意であり、例えばプレート線57を形成した
後にビット線を形成することも可能である。
Although the present invention has been described based on the embodiments of the present invention, the present invention is not limited to these embodiments. The gate portions 32 and 36 and the bit line 41 can be made of polycide or metal silicide instead of being made of a polysilicon layer. As each interlayer insulating layer, B
PSG, BSG, AsS instead of PSG or SiO 2
G, PbSG, SbSG, SOG, SiON or S
A known insulating material such as iN, or a laminate of these insulating materials can be used. The procedure for forming the bit lines 41 is arbitrary. For example, the bit lines can be formed after the plate lines 57 are formed.

【0058】強誘電体薄膜を、Bi系層状構造ペロブス
カイト型の強誘電体材料から構成する代わりに、PZT
あるいはPZLTから構成することもできる。マグネト
ロンスパッタ法によるPZTあるいはPZLTの成膜条
件を以下の表7に例示する。
Instead of forming the ferroelectric thin film from a Bi-based layered structure perovskite type ferroelectric material, PZT
Alternatively, it can be composed of PZLT. Table 7 below shows conditions for forming PZT or PZLT by magnetron sputtering.

【0059】[0059]

【表7】 ターゲット :PZTあるいはPZLT プロセスガス :Ar/O2=90体積%/10体積% 圧力 :4Pa パワー :50W 成膜温度 :500゜C[Table 7] Target: PZT or PZLT Process gas: Ar / O 2 = 90% by volume / 10% by volume Pressure: 4 Pa Power: 50 W Film formation temperature: 500 ° C

【0060】あるいは又、PZTやPLZTをパルスレ
ーザアブレーション法にて形成することもできる。この
場合の成膜条件を以下の表8に例示する。
Alternatively, PZT or PLZT can be formed by a pulse laser ablation method. Table 8 below shows examples of film forming conditions in this case.

【0061】[0061]

【表8】 ターゲット:PZT又はPLZT 使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、
パルス幅25n秒、3Hz) 出力エネルギー:400mJ(1.1J/cm2) 成膜温度 :550〜600゜C 酸素濃度 :40〜120Pa
Table 8 Target: PZT or PLZT Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
Pulse width 25 ns, 3 Hz) Output energy: 400 mJ (1.1 J / cm 2 ) Film forming temperature: 550 to 600 ° C. Oxygen concentration: 40 to 120 Pa

【0062】下部電極層や上部電極層を白金から構成す
ることもできる。RFマグネトロンスパッタ法によるP
t膜の成膜条件を以下の表9に例示する。
The lower electrode layer and the upper electrode layer may be made of platinum. P by RF magnetron sputtering
Table 9 below shows examples of the film forming conditions for the t film.

【0063】[0063]

【表9】 アノード電圧:2.6kV 入力電力 :1.1〜1.6W/cm2 プロセスガス:Ar/O2=90/10sccm 圧力 :0.7Pa 成膜温度 :600〜750゜C 堆積速度 :5〜10nm/分Anode voltage: 2.6 kV Input power: 1.1 to 1.6 W / cm 2 Process gas: Ar / O 2 = 90/10 sccm Pressure: 0.7 Pa Film forming temperature: 600 to 750 ° C. Deposition rate : 5 to 10 nm / min

【0064】あるいは又、下部電極層や上部電極層を、
例えばLSCOから構成することもできる。この場合の
パルスレーザアブレーション法による成膜条件を以下の
表10に例示する。
Alternatively, the lower electrode layer and the upper electrode layer
For example, it can be composed of LSCO. Table 10 below shows examples of the film forming conditions by the pulse laser ablation method in this case.

【0065】[0065]

【表10】 ターゲット:LSCO 使用レーザ:KrFエキシマレーザ(波長248nm、
パルス幅25n秒、3Hz) 出力エネルギー:400mJ(1.1J/cm2) 成膜温度 :550〜600゜C 酸素濃度 :40〜120Pa
[Table 10] Target: LSCO Laser used: KrF excimer laser (wavelength 248 nm,
Pulse width 25 ns, 3 Hz) Output energy: 400 mJ (1.1 J / cm 2 ) Film forming temperature: 550 to 600 ° C. Oxygen concentration: 40 to 120 Pa

【0066】コンタクトプラグ(接続孔)14,26,
42,56等は、第1の層間絶縁層12や第2の層間絶
縁層40、第1の絶縁層24、第2の絶縁層54等に形
成された開口部内に、例えば、W、Ti、Pt、Pd、
Cu、TiW、TiNW、WSi2、MoSi2等の高融
点金属や金属シリサイドから成る金属配線材料を埋め込
むことによって形成することもできる。コンタクトプラ
グの頂面は層間絶縁層あるいは絶縁層の表面と略同じ平
面に存在していてもよいし、コンタクトプラグの頂部が
層間絶縁層や絶縁層の表面に延在していてもよい。タン
グステンにて開口部を埋め込むためには、具体的には、
開口部内を含む全面にタングステン層を成膜し、その
後、層間絶縁層や絶縁層上のタングステン層をエッチバ
ックする。タングステン層成膜のCVD条件及びエッチ
ング条件を以下の表11及び表12に例示する。尚、タ
ングステン層を成膜する前に、Ti層及びTiN層を順
に例えばマグネトロンスパッタ法にて開口部内を含む層
間絶縁層の上に成膜することが好ましい。Ti層及びT
iN層を形成する理由は、オーミックな低コンタクト抵
抗を得ること、ブランケットタングステンCVD法にお
ける半導体基板や半導体層の損傷発生の防止、タングス
テンの密着性向上のためである。Ti層及びTiN層
は、例えば表2に示した条件で成膜すればよい。
Contact plugs (connection holes) 14, 26,
42, 56, etc. are formed in openings formed in the first interlayer insulating layer 12, the second interlayer insulating layer 40, the first insulating layer 24, the second insulating layer 54, etc., for example, W, Ti, Pt, Pd,
It can also be formed by embedding a metal wiring material made of a high melting point metal such as Cu, TiW, TiNW, WSi 2 , MoSi 2 or a metal silicide. The top surface of the contact plug may exist on substantially the same plane as the surface of the interlayer insulating layer or the insulating layer, or the top of the contact plug may extend on the surface of the interlayer insulating layer or the insulating layer. In order to fill the opening with tungsten, specifically,
A tungsten layer is formed on the entire surface including the inside of the opening, and thereafter, the interlayer insulating layer and the tungsten layer on the insulating layer are etched back. The following Table 11 and Table 12 show the CVD conditions and etching conditions for forming the tungsten layer. It is preferable that a Ti layer and a TiN layer are sequentially formed on the interlayer insulating layer including the inside of the opening by, for example, magnetron sputtering before forming the tungsten layer. Ti layer and T
The reason for forming the iN layer is to obtain an ohmic low contact resistance, to prevent the occurrence of damage to the semiconductor substrate and the semiconductor layer in the blanket tungsten CVD method, and to improve the adhesion of tungsten. The Ti layer and the TiN layer may be formed, for example, under the conditions shown in Table 2.

【0067】[0067]

【表11】 タングステン層のCVD成膜条件 使用ガス:WF6/H2/Ar=40/400/2250sccm 圧力 :10.7kPa 成膜温度:450゜CTable 11 Conditions for CVD film formation of tungsten layer Gas used: WF 6 / H 2 / Ar = 40/400/2250 sccm Pressure: 10.7 kPa Film formation temperature: 450 ° C.

【0068】[0068]

【表12】 タングステン層及びTiN層、Ti層のエッチング条件 第1段階のエッチング:タングステン層のエッチング 使用ガス :SF6/Ar/He=110:90:5sccm 圧力 :46Pa RFパワー:275W 第2段階のエッチング:TiN層/Ti層のエッチング 使用ガス :Ar/Cl2=75/5sccm 圧力 :6.5Pa RFパワー:250WTable 12 Etching conditions for tungsten layer, TiN layer and Ti layer First stage etching: Tungsten layer etching Gas used: SF 6 / Ar / He = 110: 90: 5 sccm Pressure: 46 Pa RF power: 275 W Second stage Etching: TiN layer / Ti layer etching Gas used: Ar / Cl 2 = 75/5 sccm Pressure: 6.5 Pa RF power: 250 W

【0069】キャパシタ絶縁膜の面積を更に増加させる
必要がある場合には、隣接する半導体メモリセルの第1
のキャパシタ部同士を、それらの周辺部の一部が垂直方
向に絶縁層を介して重なり合うような構造とし、及び/
又は、隣接する半導体メモリセルの第2キャパシタ部同
士を、それらの周辺部の一部が垂直方向に絶縁層を介し
て重なり合う構造とすることもできる。図12に、隣接
する半導体メモリセルの第2キャパシタ部同士が、それ
らの周辺部の一部で垂直方向に第3の層間絶縁層を介し
て重なり合った構造の模式的な一部断面図を示す。尚、
図12においては、MOS型トランジスタ素子や、第1
のキャパシタ部、プレート線選択用トランジスタ素子等
の図示を省略した。また、一方の第2キャパシタ部の構
成要素及びそれに関連した構成要素には、参照番号の末
尾に「A」を付し、他方の第2キャパシタ部の構成要素
及びそれに関連した構成要素には、参照番号の末尾に
「B」を付した。
If it is necessary to further increase the area of the capacitor insulating film, the first
Have a structure such that a part of their peripheral portions vertically overlap each other via an insulating layer, and / or
Alternatively, the second capacitor portions of adjacent semiconductor memory cells may have a structure in which a part of their peripheral portions overlaps vertically via an insulating layer. FIG. 12 is a schematic partial cross-sectional view of a structure in which second capacitor portions of adjacent semiconductor memory cells are vertically overlapped with each other at a part of their peripheral portions via a third interlayer insulating layer. . still,
In FIG. 12, the MOS transistor element and the first
The illustration of the capacitor section, the plate line selecting transistor element and the like is omitted. In addition, a component of one second capacitor unit and components related thereto are denoted by “A” at the end of the reference number, and a component of the other second capacitor unit and components related thereto are denoted by “A”. "B" was added to the end of the reference number.

【0070】本発明の半導体メモリセル及びその作製方
法を、強誘電体薄膜を用いた不揮発性メモリ(所謂FE
RAM)のみならず、DRAMに適用することもでき
る。この場合には、強誘電体薄膜の分極を、分極反転の
起きない付加電圧の範囲で利用する。即ち、外部電界に
よる最大(飽和)分極Pmaxと外部電界が0の場合の残
留分極Prとの差(Pmax−Pr)が、電源電圧に対して
一定の関係(ほぼ比例関係)を有する特性を利用する。
強誘電体薄膜の分極状態は、常に飽和分極(Pmax)と
残留分極(Pr)の間にあり、反転しない。データはリ
フレッシュによって保持される。
A semiconductor memory cell of the present invention and a method of fabricating the same are described by using a nonvolatile memory (a so-called FE) using a ferroelectric thin film.
Not only RAM) but also DRAM. In this case, the polarization of the ferroelectric thin film is used within a range of an additional voltage that does not cause polarization inversion. That is, the difference between the residual polarization P r when maximum by an external electric field (saturation) polarization P max and the external electric field is 0 (P max -P r) is a constant relationship between the power supply voltage (approximately proportional relationship) Take advantage of the properties you have.
Polarization of the ferroelectric thin film is always located between the saturation polarization (P max) and the residual polarization (P r), not inverted. Data is held by refresh.

【0071】[0071]

【発明の効果】本発明においては、MOS型トランジス
タ素子の上下に第1のキャパシタ部及び第2のキャパシ
タ部が設けられているので、半導体メモリセルの面積を
増加させることなく、半導体メモリセルのキャパシタ部
全体の面積を2倍に増加させることができる。その結
果、キャパシタ部の蓄積電荷量の増加を図ることができ
る。しかも、第1のキャパシタ部及び第2のキャパシタ
部は平板状であるが故に、即ち、プレーナ−スタック型
構造を有するが故に、強誘電体薄膜に電界集中が生じ難
い。
According to the present invention, the first and second capacitor sections are provided above and below the MOS transistor element, so that the area of the semiconductor memory cell can be reduced without increasing the area of the semiconductor memory cell. The area of the entire capacitor section can be doubled. As a result, it is possible to increase the amount of charge stored in the capacitor portion. In addition, since the first capacitor portion and the second capacitor portion are plate-shaped, that is, because they have a planar stack type structure, electric field concentration hardly occurs in the ferroelectric thin film.

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

【図1】発明の実施の形態1の半導体メモリセルの模式
的な一部断面図である。
FIG. 1 is a schematic partial sectional view of a semiconductor memory cell according to a first embodiment of the present invention;

【図2】発明の実施の形態1の半導体メモリセルの作製
方法を説明するための半導体基板等の模式的な一部断面
図である。
FIG. 2 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor substrate and the like for describing a method for manufacturing a semiconductor memory cell of Embodiment 1 of the present invention.

【図3】図2に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 3 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for describing the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 2;

【図4】図3に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 4 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for describing the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 3;

【図5】図4に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 5 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for illustrating the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 4;

【図6】図5に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 6 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for explaining the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 5;

【図7】図6に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 7 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for explaining the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 6;

【図8】図7に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 8 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for describing the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 7;

【図9】図8に引き続き、発明の実施の形態1の半導体
メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等の
模式的な一部断面図である。
FIG. 9 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for explaining the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 8;

【図10】図9に引き続き、発明の実施の形態1の半導
体メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板等
の模式的な一部断面図である。
FIG. 10 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for illustrating the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 9;

【図11】図10に引き続き、発明の実施の形態1の半
導体メモリセルの作製方法を説明するための半導体基板
等の模式的な一部断面図である。
FIG. 11 is a schematic partial cross-sectional view of the semiconductor substrate and the like for illustrating the method for manufacturing the semiconductor memory cell of the first embodiment of the invention, following FIG. 10;

【図12】発明の実施の形態1の半導体メモリセルの変
形の模式的な一部断面図である。
FIG. 12 is a schematic partial cross-sectional view of a modification of the semiconductor memory cell according to the first embodiment of the present invention;

【図13】発明の実施の形態1における半導体メモリの
等価回路図である。
FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of the semiconductor memory according to the first embodiment of the present invention;

【図14】強誘電体のP−Eヒステリシスループ図であ
る。
FIG. 14 is a PE hysteresis loop diagram of a ferroelectric substance.

【図15】従来のプレーナ−スタック型キャパシタ構造
を有する半導体メモリの模式的な配置図及び模式的な一
部断面図である。
FIG. 15 is a schematic layout diagram and a schematic partial cross-sectional view of a conventional semiconductor memory having a planar-stack type capacitor structure.

【図16】従来のDRAMの模式的な一部断面図であ
る。
FIG. 16 is a schematic partial cross-sectional view of a conventional DRAM.

【図17】従来のペデステル型キャパシタ構造を有する
半導体メモリの模式的な配置図である。
FIG. 17 is a schematic layout view of a semiconductor memory having a conventional pedestal type capacitor structure.

【図18】従来のペデステル型キャパシタ構造を有する
半導体メモリの模式的な一部断面図である。
FIG. 18 is a schematic partial cross-sectional view of a semiconductor memory having a conventional pedestal type capacitor structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10・・・半導体基板、10A・・・半導体層、11・
・・凹部、12・・・第1の層間絶縁層、13,25,
55・・・開口部、14・・・第1のコンタクトプラ
グ、20,50・・・バリアメタル層、21,51・・
・下部電極、22,52・・・キャパシタ絶縁膜、2
3,53・・・上部電極、24・・・第1の絶縁層、2
6・・・第3のコンタクトプラグ、27・・・第1のプ
レート線、28・・・絶縁材料層、29・・・多結晶シ
リコン層、30・・・支持基板、31,35・・・ゲー
ト酸化膜、32,36・・・ゲート部、33・・・ゲー
トサイドウオール、34A,34B,37A,37B・
・・ソース・ドレイン領域、40・・・第2の層間絶縁
層、41・・・ビット線、42・・・第2のコンタクト
プラグ、54・・・第2の絶縁層、56・・・第4のコ
ンタクトプラグ、57・・・第2のプレート線
Reference numeral 10: semiconductor substrate, 10A: semiconductor layer, 11.
..Recessed part, 12, first interlayer insulating layer, 13, 25,
55 ... opening, 14 ... first contact plug, 20, 50 ... barrier metal layer, 21, 51 ...
.Lower electrodes, 22, 52: capacitor insulating film, 2
3, 53: upper electrode, 24: first insulating layer, 2
6 ... third contact plug, 27 ... first plate line, 28 ... insulating material layer, 29 ... polycrystalline silicon layer, 30 ... support substrate, 31, 35 ... Gate oxide film, 32, 36 ... Gate part, 33 ... Gate sidewall, 34A, 34B, 37A, 37B
..Source / drain region, 40 ... second interlayer insulating layer, 41 ... bit line, 42 ... second contact plug, 54 ... second insulating layer, 56 ... 4 contact plugs, 57 ... second plate line

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】平板状の第1のキャパシタ部と、該第1の
キャパシタ部の上方に第1の層間絶縁層を介して設けら
れたMOS型トランジスタ素子と、該MOS型トランジ
スタ素子の上方に第2の層間絶縁層を介して設けられた
平板状の第2のキャパシタ部から成る半導体メモリセル
であって、 (イ)第1及び第2のキャパシタ部のそれぞれは、下部
電極、強誘電体薄膜から成るキャパシタ絶縁膜、及び上
部電極から成り、 (ロ)第1のキャパシタ部を構成する下部電極は、第1
の層間絶縁層に設けられた第1のコンタクトプラグを介
してMOS型トランジスタ素子の一方のソース・ドレイ
ン領域と接続されており、 (ハ)第2のキャパシタ部を構成する下部電極は、第2
の層間絶縁層に設けられた第2のコンタクトプラグを介
してMOS型トランジスタ素子の該一方のソース・ドレ
イン領域と接続されていることを特徴とする半導体メモ
リセル。
A first capacitor portion having a plate shape, a MOS transistor element provided above the first capacitor portion via a first interlayer insulating layer, and a first transistor portion provided above the first capacitor portion. A semiconductor memory cell comprising a plate-shaped second capacitor portion provided with a second interlayer insulating layer interposed therebetween, wherein (a) each of the first and second capacitor portions is a lower electrode, a ferroelectric material. (B) a lower electrode forming a first capacitor portion, the lower electrode comprising a first capacitor portion;
Are connected to one of the source / drain regions of the MOS transistor element through a first contact plug provided in the interlayer insulating layer, and
A semiconductor memory cell connected to said one source / drain region of a MOS transistor element via a second contact plug provided in said interlayer insulating layer.
【請求項2】第1のキャパシタ部を構成する上部電極と
接続された第1のプレート線、及び、第2のキャパシタ
部を構成する上部電極と接続された第2のプレート線を
更に備え、第1のプレート線と第2のプレート線とは電
気的に接続されていることを特徴とする請求項1に記載
の半導体メモリセル。
A first plate line connected to an upper electrode forming the first capacitor portion; and a second plate line connected to an upper electrode forming the second capacitor portion. 2. The semiconductor memory cell according to claim 1, wherein the first plate line and the second plate line are electrically connected.
【請求項3】MOS型トランジスタ素子は半導体層に形
成され、半導体メモリセルは、絶縁材料層及び多結晶シ
リコン層を介して第1のプレート線の下方に位置する支
持基板によって支持されていることを特徴とする請求項
2に記載の半導体メモリセル。
3. The MOS transistor element is formed in a semiconductor layer, and the semiconductor memory cell is supported by a support substrate located below the first plate line via an insulating material layer and a polycrystalline silicon layer. 3. The semiconductor memory cell according to claim 2, wherein:
【請求項4】(イ)半導体基板の表面に凹部を形成し、
次いで、半導体基板の表面の上に第1の層間絶縁層を形
成した後、第1の層間絶縁層に第1のコンタクトプラグ
を形成する工程と、 (ロ)第1の層間絶縁層上に、第1のコンタクトプラグ
と接続された下層電極、強誘電体薄膜から成るキャパシ
タ絶縁膜、及び上部電極から成る平板状の第1のキャパ
シタ部を形成する工程と、 (ハ)第1のキャパシタ部の上を含む第1の層間絶縁層
の上に絶縁材料層及び多結晶シリコン層を形成した後、
該多結晶シリコン層の表面に支持基板を張り合わせる工
程と、 (ニ)半導体基板の裏面側から半導体基板を研磨し、M
OS型トランジスタ素子を形成すべき半導体基板の部分
を半導体層として残し、且つ、第1の層間絶縁層の一部
を露出させる工程と、 (ホ)該半導体層に、一方のソース・ドレイン領域が第
1のコンタクトプラグと接続されたMOS型トランジス
タ素子を形成する工程と、 (ヘ)MOS型トランジスタ素子上を含む第1の層間絶
縁層上に第2の層間絶縁層を形成した後、該一方のソー
ス・ドレイン領域と接続された第2のコンタクトプラグ
を第2の層間絶縁層に形成する工程と、 (ト)第2の層間絶縁層上に、第2のコンタクトプラグ
と接続された下層電極、強誘電体薄膜から成るキャパシ
タ絶縁膜、及び上部電極から成る平板状の第2のキャパ
シタ部を形成する工程、から成ることを特徴とする半導
体メモリセルの作製方法。
4. A method according to claim 1, wherein a concave portion is formed on a surface of the semiconductor substrate.
Next, after forming a first interlayer insulating layer on the surface of the semiconductor substrate, forming a first contact plug in the first interlayer insulating layer; (b) forming a first contact plug on the first interlayer insulating layer; (C) forming a first flat plate-shaped capacitor portion including a lower electrode connected to the first contact plug, a capacitor insulating film including a ferroelectric thin film, and an upper electrode; After forming an insulating material layer and a polycrystalline silicon layer on the first interlayer insulating layer including the above,
Bonding a support substrate to the surface of the polycrystalline silicon layer; and (d) polishing the semiconductor substrate from the back side of the semiconductor substrate.
Leaving a part of the semiconductor substrate on which the OS-type transistor element is to be formed as a semiconductor layer and exposing a part of the first interlayer insulating layer; and (e) forming one source / drain region in the semiconductor layer. Forming a MOS transistor element connected to the first contact plug; and (f) forming a second interlayer insulating layer on the first interlayer insulating layer including on the MOS transistor element; Forming a second contact plug connected to the source / drain region in the second interlayer insulating layer; and (g) forming a lower electrode connected to the second contact plug on the second interlayer insulating layer. Forming a capacitor insulating film made of a ferroelectric thin film and a plate-shaped second capacitor part made of an upper electrode.
【請求項5】前記工程(ロ)の後に、第1のキャパシタ
部の上を含む第1の層間絶縁層の上に第1の絶縁層を形
成した後、第1のキャパシタ部を構成する上部電極と第
1の絶縁層に設けられたコンタクトプラグを介して接続
された第1のプレート線を形成する工程と、 前記工程(ト)の後に、第2のキャパシタ部の上を含む
第2の層間絶縁層の上に第2の絶縁層を形成した後、第
2のキャパシタ部を構成する上部電極と第2の絶縁層に
設けられたコンタクトプラグを介して接続された第2の
プレート線を形成し、且つ、第1のプレート線と第2の
プレート線とを電気的に接続する工程、を更に含み、 前記工程(ハ)において、第1のプレート線上を含む第
1の絶縁層の上に絶縁材料層及び多結晶シリコン層を形
成することを特徴とする請求項4に記載の半導体メモリ
セルの作製方法。
5. After the step (b), after forming a first insulating layer on the first interlayer insulating layer including on the first capacitor section, an upper portion constituting the first capacitor section is formed. Forming a first plate line connected to the electrode via a contact plug provided on the first insulating layer; and after the step (g), a second plate including a portion above the second capacitor portion. After forming a second insulating layer on the interlayer insulating layer, a second plate line connected to an upper electrode constituting the second capacitor unit via a contact plug provided in the second insulating layer is formed. Forming and electrically connecting the first plate line and the second plate line. In the step (c), on the first insulating layer including on the first plate line Forming an insulating material layer and a polycrystalline silicon layer on the substrate The method for manufacturing a semiconductor memory cell according to 4.
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