JPH1056142A - Semiconductor storage element and its forming method - Google Patents

Semiconductor storage element and its forming method

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JPH1056142A
JPH1056142A JP9126117A JP12611797A JPH1056142A JP H1056142 A JPH1056142 A JP H1056142A JP 9126117 A JP9126117 A JP 9126117A JP 12611797 A JP12611797 A JP 12611797A JP H1056142 A JPH1056142 A JP H1056142A
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semiconductor memory
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bismuth
bismuth titanate
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Tomomi Yamanobe
智美 山野辺
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable writing/reading of information even at a law gate voltage by, with smaller dielectric constant of a ferroelectrics film and smaller remaining polarization ratio of a ferroelectrics film, using a film where c-axis of titanic acid bismuth (BIT) is oriented vertical to the surface of an electrode as a ferroelectrics film. SOLUTION: In order to form a semiconductor storage element containing MFMIS FET, an Pt film is formed on a polycrystal Si film 16 far thermal treatoment, further for crystallizing to form a lower layer film 20a, and an organic solvent of BIT where Ti source and Bi source are dissolved is repeatedly applied, and then sintered far forming upper layer films 20b1 -20b4 . In short, FET comprising, in the order from upper side, an upper part electrode film, a ferroelectrics film 20, a lower part electrode film 18, a gate insulation film 14 and a semiconductor substrate provided, a BIT film with the ferroelectrics film 20 c-axis oriented is obtained. With dielectric constant and remaining polarization ratio of the BIT film with c-axis oriented small, a sufficient electric field is applied to the ferroelectrics film at a low gate voltage, so writing/ reading, etc., of information becomes stable.

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】この発明は、半導体記憶素
子、および半導体記憶素子の形成方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method for forming the semiconductor memory device.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体を用いた半導体記憶素子の一例
として、MFMIS型の電界効果トランジスタ(FE
T)が文献:「ISSC95Feb.1995 Single-Transistor Fer
roelectoric Memory Cell T.Nakamura et.al」に開示さ
れている。この素子は、上側から順に、上部電極膜(金
属膜)、強誘電体膜、下部電極膜(金属膜)、ゲート絶
縁膜、および半導体基板(シリコン基板)を具えた構造
の半導体記憶素子である。以下に、FETをNチャネル
型として、この素子の動作を説明する。FETの上部電
極膜(コントロールゲートともいう。)に、強誘電体を
分極反転するのに十分な正のゲート電圧Vを一旦印加し
た後、再びゲート電圧を0にする。このようにゲート電
圧を印加すると、強誘電体の残留分極により下部電極膜
(フローティングゲートともいう。)に電荷が発生し、
そのためチャネル部に反転層が形成され、よってFET
はオン(on)状態となる。逆に、上部電極膜に負のゲ
ート電圧−Vを一旦印加した後、再びゲート電圧を0に
する。このとき、強誘電体は正のゲート電圧を印加した
場合とは逆方向に分極反転するため、強誘電体の残留分
極によりチャネル部に反転層が形成されず、よってFE
Tはオフ(off)状態となる。従って、ゲート電圧が
0のときに、FETを選択的にon状態またはoff状
態にできるため、FETのソース・ドレイン間の電流を
検出することにより、一旦メモリされたデータの読み出
しを行なうことができる。
2. Description of the Related Art As an example of a semiconductor memory device using a ferroelectric, an MFMIS type field effect transistor (FE) is used.
T) references: "ISSC95Feb. 1995 Single-Transistor Fer
roelectoric Memory Cell T. Nakamura et.al ". This element is a semiconductor memory element having a structure including an upper electrode film (metal film), a ferroelectric film, a lower electrode film (metal film), a gate insulating film, and a semiconductor substrate (silicon substrate) in order from the upper side. . Hereinafter, the operation of this element will be described assuming that the FET is an N-channel type. After a positive gate voltage V sufficient to invert the polarization of the ferroelectric is once applied to the upper electrode film (also referred to as a control gate) of the FET, the gate voltage is set to 0 again. When the gate voltage is applied in this manner, charges are generated in the lower electrode film (also referred to as a floating gate) due to residual polarization of the ferroelectric,
Therefore, an inversion layer is formed in the channel portion, and thus the FET
Is turned on. Conversely, after a negative gate voltage -V is once applied to the upper electrode film, the gate voltage is set to 0 again. At this time, since the ferroelectrics undergo polarization reversal in the direction opposite to that in the case where a positive gate voltage is applied, no inversion layer is formed in the channel due to the residual polarization of the ferroelectrics.
T is turned off. Therefore, when the gate voltage is 0, the FET can be selectively turned on or off, so that the data once stored can be read by detecting the current between the source and the drain of the FET. .

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の素子では、強誘電体膜とゲート絶縁膜とで容
量が直列に接続した積層コンデンサーを構成している。
強誘電体膜の比誘電率はゲート絶縁膜の比誘電率よりも
大きいので、強誘電体膜による容量がゲート絶縁膜によ
る容量よりも大きくなり、従って、強誘電体膜に十分な
電界がかからなくなるおそれがある。強誘電体膜に十分
な電界がかからないと、強誘電体の分極や分極反転が十
分ではなくなり、従ってこの半導体記憶素子に対する情
報の書き込みや、情報の読み取りが十分に行えないこと
となる。強誘電体膜に十分な電界を与える目的で、上部
電極膜に印加するゲート電圧を大きくすると、ゲート絶
縁膜に電界がかかりすぎて、ゲート絶縁膜が絶縁破壊を
起こすおそれがある。また、強誘電体膜に対して分極反
転させることを繰り返しおこなっていくうちに、分極量
が減少するという膜疲労が強誘電体膜に生じる。この膜
疲労の発生は強誘電体膜に発生している酸素空孔が原因
であると考えられている。
However, in the element having such a structure, a multilayer capacitor in which the capacitance is connected in series by the ferroelectric film and the gate insulating film is formed.
Since the relative dielectric constant of the ferroelectric film is higher than the relative dielectric constant of the gate insulating film, the capacitance of the ferroelectric film becomes larger than the capacitance of the gate insulating film. May be lost. If a sufficient electric field is not applied to the ferroelectric film, the polarization and polarization reversal of the ferroelectric will not be sufficient, so that information cannot be sufficiently written to or read from the semiconductor memory element. If the gate voltage applied to the upper electrode film is increased in order to apply a sufficient electric field to the ferroelectric film, the electric field may be excessively applied to the gate insulating film, and the gate insulating film may be broken down. Further, as the reversal of the polarization is repeatedly performed on the ferroelectric film, the fatigue of the ferroelectric film such that the polarization amount is reduced occurs. It is considered that the occurrence of the film fatigue is caused by oxygen vacancies generated in the ferroelectric film.

【0004】従って、低いゲート電圧で情報の書き込み
および読み取りを行なえる電界効果トランジスタ(FE
T)から成る半導体記憶素子の出現が望まれていた。ま
た、このような半導体記憶素子を簡易に形成する方法の
出現が望まれていた。さらに、強誘電体膜の疲労を抑制
することのできる半導体記憶素子の出現が望まれてい
た。
Therefore, a field effect transistor (FE) capable of writing and reading information with a low gate voltage is used.
The appearance of a semiconductor memory element composed of T) has been desired. In addition, the appearance of a method for easily forming such a semiconductor storage element has been desired. Further, there has been a demand for a semiconductor memory element capable of suppressing fatigue of a ferroelectric film.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】そこで、この出願に係る
発明者は、上部電極膜へ印加するゲート電圧を大きくし
なくても、情報の書き込みおよび読み取りが十分に行な
えるようなMFMIS型のFETを形成することが出来
るかどうかの検討を始めたところ、次のような3つの知
られた事実関係を上手に組み合わせれば、比誘電率およ
び残留分極値の小さい強誘電体膜を具えたMFMIS型
のFETを形成することができ、よってこのFETを半
導体記憶素子として用いることが出来るという結論に達
した。
Therefore, the inventor of the present application has proposed an MFMIS-type FET capable of sufficiently writing and reading information without increasing the gate voltage applied to the upper electrode film. Of the MFMIS having a ferroelectric film having a small relative dielectric constant and a low remanent polarization value when the following three known facts are well combined. It has been concluded that a FET of the type can be formed and thus this FET can be used as a semiconductor storage element.

【0006】低いゲート電圧で十分な電界を強誘電体
膜にかけるためには、強誘電体膜の比誘電率を小さくす
れば良いこと。
In order to apply a sufficient electric field to the ferroelectric film at a low gate voltage, it is necessary to reduce the relative dielectric constant of the ferroelectric film.

【0007】低いゲート電圧で十分な電界を強誘電体
膜にかけるためには、強誘電体膜の残留分極値を小さく
すれば良いこと。
In order to apply a sufficient electric field to the ferroelectric film at a low gate voltage, it is necessary to reduce the residual polarization value of the ferroelectric film.

【0008】チタン酸ビスマス膜(以下、BIT膜と
称する場合がある。)は、結晶の配向により比誘電率お
よび残留分極値が大きく変化し、特にBIT膜を構成す
るチタン酸ビスマス(以下、BITと称する場合があ
る。)のc軸が電極の表面に対して垂直に配向している
場合、比誘電率および残留分極値が小さくなること。
In a bismuth titanate film (hereinafter sometimes referred to as a BIT film), the relative dielectric constant and the remanent polarization value vary greatly depending on the crystal orientation. In particular, bismuth titanate (hereinafter referred to as BIT film) constituting the BIT film When the c-axis is oriented perpendicular to the surface of the electrode, the relative dielectric constant and the remanent polarization value become small.

【0009】したがって、BITのc軸が電極の表面に
対して垂直に配向した膜(以下、c軸配向のBIT膜と
もいう。)を強誘電体膜として用いることが考えられ
る。
Therefore, it is conceivable to use a film in which the c-axis of BIT is oriented perpendicular to the surface of the electrode (hereinafter also referred to as a c-axis oriented BIT film) as the ferroelectric film.

【0010】また、この出願に係る発明者は、このBI
T膜の構成を工夫することにより、膜表面を平坦にでき
ることも確認した。まず、BITの化学量論組成に対し
てBiの組成比率が多くなっているBITからなる膜
(以下、BiリッチのBIT膜と称することがあ
る。)、すなわちc軸配向のBIT膜を下層膜として下
部電極膜上に設けておく。化学量論組成のBITを含ん
でなる膜を、下部電極膜上にそのまま設けたものはc軸
配向のBIT膜とはならない。しかし、上述の下層膜、
すなわちc軸配向のBiリッチのBIT膜の上に、化学
量論組成のBITを含んでなる上層膜を設けると、膜全
体がc軸配向のBIT膜となる。また、化学量論組成の
BITを含んでなる膜は、BiリッチのBIT膜と比較
して平坦に形成することができる。このため、c軸配向
で、しかも表面が平坦なBIT膜を強誘電体膜として得
ることができる。BIT膜の表面が平坦であると、この
BIT膜を設けた後のFETの形成工程、具体的にはリ
ソグラフィ工程でのパターンニングが容易で正確にな
る。また、BIT膜に凹凸が少なくなると、FETを動
作させるときにBIT膜の薄い部分にのみ電界集中が起
こるのを防ぐこともできる。
[0010] Further, the inventor of the present application discloses the BI
It was also confirmed that the film surface could be made flat by devising the structure of the T film. First, a film made of BIT in which the composition ratio of Bi is larger than the stoichiometric composition of BIT (hereinafter, sometimes referred to as a Bi-rich BIT film), that is, a c-axis oriented BIT film is a lower film. Is provided on the lower electrode film. When a film containing BIT having a stoichiometric composition is provided as it is on the lower electrode film, it does not become a c-axis oriented BIT film. However, the underlayer film described above,
That is, if an upper layer film containing BIT of stoichiometric composition is provided on a c-axis oriented Bi-rich BIT film, the entire film becomes a c-axis oriented BIT film. Further, a film containing BIT with a stoichiometric composition can be formed more flatly than a Bi-rich BIT film. Therefore, a BIT film having c-axis orientation and a flat surface can be obtained as a ferroelectric film. If the surface of the BIT film is flat, the patterning in the FET forming process, specifically, the lithography process after providing the BIT film is easy and accurate. Further, when the BIT film has less irregularities, it is possible to prevent the electric field concentration from occurring only in a thin portion of the BIT film when operating the FET.

【0011】このため、この発明の半導体記憶素子によ
れば、上側から順に、上部電極膜、強誘電体膜、下部電
極膜、ゲート絶縁膜、および半導体基板を具えた構成の
電界効果トランジスタを少なくとも具えた半導体記憶素
子において、前記強誘電体膜を、次の1)〜3)で構成
される膜としたことを特徴とする。 1)BIT膜である。 2)この膜を構成するBITのc軸が、下部電極膜の上
側表面に対して実質的に垂直に配向している(c軸配向
のBIT膜である)。 3)BITの化学量論組成に対してビスマス(Bi)の
組成比率が多くなっているBITを含む下層膜と、化学
量論組成のBITを含む単層または複数の層の上層膜と
の積層膜で構成されるBIT膜である。
Therefore, according to the semiconductor memory element of the present invention, at least a field-effect transistor having a configuration including an upper electrode film, a ferroelectric film, a lower electrode film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate is provided in order from the upper side. In the semiconductor memory device provided, the ferroelectric film is a film composed of the following 1) to 3). 1) It is a BIT film. 2) The c-axis of the BIT constituting this film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film (the c-axis oriented BIT film). 3) Lamination of a lower film containing BIT in which the composition ratio of bismuth (Bi) is larger than the stoichiometric composition of BIT, and an upper film of a single layer or a plurality of layers containing BIT of stoichiometric composition It is a BIT film composed of a film.

【0012】この発明の半導体記憶素子によれば、強誘
電体膜をBIT膜で構成してあって、このBIT膜を構
成するチタン酸ビスマスのc軸が下部電極膜の上側表面
に対して実質的に垂直に配向しているので、強誘電体膜
の比誘電率および残留分極値が小さくなる。従って、低
いゲート電圧で、十分な電界を強誘電体膜にかけること
が可能になり、このため、低いゲート電圧で情報の書き
込みおよび読み取りが可能となる。なお、BITは化学
量論組成のとき、Bi4 Ti312と表される。
According to the semiconductor memory device of the present invention, the ferroelectric film is constituted by a BIT film, and the c-axis of bismuth titanate constituting the BIT film is substantially equal to the upper surface of the lower electrode film. Since the ferroelectric film is oriented vertically vertically, the relative dielectric constant and remanent polarization value of the ferroelectric film are reduced. Therefore, it is possible to apply a sufficient electric field to the ferroelectric film with a low gate voltage, and thus it is possible to write and read information with a low gate voltage. BIT is represented as Bi 4 Ti 3 O 12 when it has a stoichiometric composition.

【0013】また、このBIT膜は、BiリッチのBI
T膜と、化学量論組成のBITを含む単層または複数の
層の上層膜との積層膜で構成されるBIT膜である。こ
のため、表面が平坦なBIT膜とすることができる。し
たがって、これら下層膜と上層膜とで構成されるBIT
膜とすることにより、c軸配向であって、しかも平坦な
膜とすることができる。なお、上層膜は、膜厚等を考慮
して、単層および複数の層のいずれか好適なものとする
ことができる。
Further, this BIT film is made of a Bi-rich BI
This is a BIT film composed of a laminated film of a T film and a single layer or a plurality of upper layers containing BIT having a stoichiometric composition. Therefore, a BIT film having a flat surface can be obtained. Therefore, the BIT composed of the lower film and the upper film
By forming the film, a film having c-axis orientation and being flat can be obtained. Note that the upper layer film can be any one of a single layer and a plurality of layers in consideration of the film thickness and the like.

【0014】次に、この発明の第1の半導体記憶素子の
形成方法によれば、上述の半導体記憶素子を形成するに
当たり、次のa)およびb)の工程を含むことを特徴と
する。
Next, according to a first method for forming a semiconductor memory device of the present invention, the following steps a) and b) are included in forming the above-described semiconductor memory device.

【0015】a)チタン(Ti)源およびビスマス(B
i)源を溶解していて、BITの化学量論組成から定ま
るTiに対するBiのモル比率より、Biのモル比率が
多くなっている有機溶剤溶液から成る第1塗布液を用い
て前記下層膜を形成する。
A) Titanium (Ti) source and bismuth (B)
i) dissolving the source, and using a first coating solution of an organic solvent solution in which the molar ratio of Bi is larger than the molar ratio of Bi to Ti determined from the stoichiometric composition of BIT, Form.

【0016】b)Ti源およびBi源を溶解していて、
化学量論組成から定まるモル比率のBITの有機溶剤溶
液から成る第2塗布液を用いて、この第2塗布液を、下
層膜上に、塗布した後に焼成することを1回または複数
回繰り返すことにより、前記上層膜を形成する。
B) dissolving a Ti source and a Bi source,
Using a second coating solution consisting of an organic solvent solution of BIT in a molar ratio determined by a stoichiometric composition, applying the second coating solution on an underlayer film, and then baking it once or more times Thereby, the upper layer film is formed.

【0017】次に、この発明の第2の半導体記憶素子の
形成方法によれば、半導体基板にゲート絶縁膜、および
下部電極膜を順次に形成してなる下地上に、強誘電体膜
および上部電極膜を順次に形成して半導体記憶素子を形
成するに当たり、前記強誘電体膜の形成は、次のイ)お
よびロ)の工程を含むことを特徴とする。
Next, according to the second method of forming a semiconductor memory device of the present invention, a ferroelectric film and an upper layer are formed on a base formed by sequentially forming a gate insulating film and a lower electrode film on a semiconductor substrate. In forming the semiconductor memory element by sequentially forming the electrode films, the formation of the ferroelectric film includes the following steps a) and b).

【0018】イ)チタン源およびビスマス源を溶解して
いて、チタン酸ビスマスの化学量論組成から定まるチタ
ンに対するビスマスのモル比率より、ビスマスのモル比
率が多くなっている有機溶剤溶液から成る第1塗布液を
用いて下層膜を形成する。
A) a first organic solvent solution in which a titanium source and a bismuth source are dissolved and the molar ratio of bismuth is greater than the molar ratio of bismuth to titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth titanate; A lower layer film is formed using a coating solution.

【0019】ロ)チタン源およびビスマス源を溶解して
いて、化学量論組成から定まるモル比率のチタン酸ビス
マスの有機溶剤溶液から成る第2塗布液を用いて、該第
2塗布液を、前記下層膜上に、塗布した後に焼成するこ
とを1回または複数回繰り返すことにより、上層膜を形
成する。
B) Using a second coating solution comprising an organic solvent solution of bismuth titanate in a molar ratio determined by a stoichiometric composition, in which a titanium source and a bismuth source are dissolved, An upper layer film is formed on the lower layer film by repeating application and baking once or more times.

【0020】上述のこの発明の第1および第2の半導体
記憶素子の形成方法において、前記下層膜を形成するこ
とにより、下層膜およびこの上に形成する上層膜を、c
軸配向のBIT膜とすることができる。また、上述の上
層膜は、化学量論組成から定まるモル比率のBITの有
機溶剤溶液から成る第2塗布液を用いて下層膜の上に形
成するため、c軸配向でしかも平坦なBIT膜を形成す
ることができる。
In the first and second methods for forming a semiconductor memory device according to the present invention, the lower film and the upper film formed thereon are formed by forming the lower film.
An axially oriented BIT film can be used. In addition, since the above-mentioned upper layer film is formed on the lower layer film using a second coating solution composed of an organic solvent solution of BIT in a molar ratio determined by the stoichiometric composition, a c-axis oriented and flat BIT film is formed. Can be formed.

【0021】ここで有機溶剤溶液とは、溶媒を有機溶剤
とする溶液のことである。また、Ti源およびBi源と
して、有機溶剤に可溶な任意好適なTi化合物およびB
i化合物を用い得る。
Here, the organic solvent solution is a solution using a solvent as an organic solvent. Further, as a Ti source and a Bi source, any suitable Ti compound soluble in an organic solvent and B
An i compound may be used.

【0022】このようなこの発明の第1および第2の半
導体記憶素子の形成方法によれば、BIT膜であって、
この膜を構成するBITのc軸が下部電極膜の上側表面
に対して実質的に垂直に配向しているものを強誘電体膜
とするFETを含んで成る半導体記憶素子を簡易に形成
することができる。すなわち、低いゲート電圧で、十分
な電界を強誘電体膜にかけることが可能なMFMIS型
のFETを含んで成る半導体記憶素子を簡易に形成する
ことができる。その上、BIT膜の表面を平坦に形成す
ることができるため、その後のFETの形成工程も容易
で正確に行うことができ、強誘電体膜であるBIT膜の
一部に電界集中が生じるのを防ぐことができる。
According to the first and second methods for forming a semiconductor memory device of the present invention, the BIT film
To easily form a semiconductor storage element including an FET having a ferroelectric film in which the BIT of the BIT constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film. Can be. That is, a semiconductor memory element including an MFMIS-type FET that can apply a sufficient electric field to the ferroelectric film with a low gate voltage can be easily formed. In addition, since the surface of the BIT film can be formed flat, the subsequent FET formation process can be performed easily and accurately, and electric field concentration occurs in a part of the BIT film which is a ferroelectric film. Can be prevented.

【0023】また、この発明に係る発明者は、鋭意研究
を重ねた結果、c軸配向のBiリッチのBIT膜を含む
下層膜と、化学量論組成のBITを含む上層膜とで構成
される強誘電体膜より若干平坦性は劣るが、c軸配向
で、半導体素子に十分用いることのできる強誘電体膜を
BiリッチのBIT膜で形成できることを見いだした。
BiリッチのBIT膜で強誘電体膜を形成することがで
きれば、工程数は減少して、より容易な製造が可能とな
る。
The inventor of the present invention has made intensive studies, and as a result, has a lower film including a c-axis oriented Bi-rich BIT film and an upper film including a stoichiometric BIT film. It has been found that a ferroelectric film, which is slightly inferior to the ferroelectric film in c-axis orientation and can be sufficiently used for a semiconductor device, can be formed of a Bi-rich BIT film.
If a ferroelectric film can be formed from a Bi-rich BIT film, the number of steps is reduced, and easier manufacture is possible.

【0024】このため、この発明の半導体記憶素子によ
れば、上側から順に、上部電極膜、強誘電体膜、下部電
極膜、ゲート絶縁膜、および半導体基板を具えた構成の
電界効果トランジスタを少なくとも具えていて、上記強
誘電体膜を、次の1)〜3)で構成される膜としたこと
を特徴とする。 1)BIT膜である。 2)この膜を構成するBITのc軸が前記下部電極膜の
上側表面に対して実質的に垂直に配向している。 3)BITの化学量論組成から定まるTiに対するBi
のモル比率よりBiの組成比率が多くなっているBiT
を含む単層または複数の層で構成される膜である。
Therefore, according to the semiconductor memory device of the present invention, at least a field effect transistor having a configuration including an upper electrode film, a ferroelectric film, a lower electrode film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate is provided in order from the upper side. The ferroelectric film is characterized in that the film is composed of the following 1) to 3). 1) It is a BIT film. 2) The c-axis of the BIT constituting this film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film. 3) Bi for Ti determined from stoichiometric composition of BIT
BiT in which the composition ratio of Bi is larger than the molar ratio of
Is a film composed of a single layer or a plurality of layers containing

【0025】この発明の半導体記憶素子によれば、強誘
電体膜をBIT膜で構成してあって、このBIT膜を構
成するBITのc軸が下部電極膜の上側表面に対して実
質的に垂直に配向しているので、強誘電体膜の比誘電率
および残留分極値が小さくなる。したがって低いゲート
電圧で、十分な電界を強誘電体膜にかけることが可能に
なり、このため、低いゲート電圧で情報の書き込みおよ
び読み取りが可能となる。なお、BITは化学量論組成
のとき、Bi4 Ti312と表される。
According to the semiconductor memory element of the present invention, the ferroelectric film is constituted by the BIT film, and the c-axis of the BIT constituting the BIT film is substantially equal to the upper surface of the lower electrode film. Since the ferroelectric film is oriented vertically, the relative dielectric constant and the remanent polarization value of the ferroelectric film are reduced. Therefore, it is possible to apply a sufficient electric field to the ferroelectric film with a low gate voltage, and thus it is possible to write and read information with a low gate voltage. BIT is represented as Bi 4 Ti 3 O 12 when it has a stoichiometric composition.

【0026】また、このBIT膜は、BiリッチのBI
T膜を含む、単層または複数の層で構成されるBIT膜
である。この膜は、BiリッチのBIT膜を含む下層膜
と化学量論組成のBIT膜を含む上層膜とで構成される
膜よりは、平坦性は若干低いが、半導体記憶素子の強誘
電体膜として用いることのできる程度に表面が平坦な膜
となる。したがって、強誘電体膜をこれら単層あるいは
複数の層で構成されるBIT膜とすることにより、c軸
配向であって、しかも平坦な膜とすることができる。な
お、強誘電体膜として用いるのに膜厚等を考慮して、単
層または複数の層のいずれか好適なものとすることがで
きる。
This BIT film is made of a Bi-rich BI
It is a BIT film composed of a single layer or a plurality of layers including a T film. This film has a slightly lower flatness than a film composed of a lower film including a Bi-rich BIT film and an upper film including a stoichiometric BIT film, but is used as a ferroelectric film of a semiconductor memory device. The film has a flat surface so that it can be used. Therefore, by forming the ferroelectric film as a BIT film composed of a single layer or a plurality of layers, a c-axis oriented and flat film can be obtained. Note that any one of a single layer and a plurality of layers can be used in consideration of the film thickness and the like for use as the ferroelectric film.

【0027】また、好ましくは半導体記憶素子におい
て、下部電極膜をPt(白金)膜とするのがよい。
Preferably, in the semiconductor memory device, the lower electrode film is a Pt (platinum) film.

【0028】下部電極膜にPtを用いることによって、
半導体記憶素子の形成工程における、例えば酸素雰囲気
中の高温処理などに耐え得る、すなわち耐熱性および耐
酸化性に優れた電極にすることができる。
By using Pt for the lower electrode film,
An electrode which can withstand, for example, high-temperature treatment in an oxygen atmosphere in a process of forming a semiconductor memory element, that is, has excellent heat resistance and oxidation resistance can be obtained.

【0029】また、好ましくは、下部電極膜を、上側が
RuO2 (酸化ルテニウム)膜、下側がRu(ルテニウ
ム)膜の2層で構成される膜とするのがよい。
Preferably, the lower electrode film is a film composed of a RuO 2 (ruthenium oxide) film on the upper side and a Ru (ruthenium) film on the lower side.

【0030】このRuO2 膜は導電性酸化膜として強誘
電体膜に接するため、強誘電体膜に欠乏しやすい酸素を
補って、膜疲労を抑制し、強誘電体膜の疲労特性を向上
させることができると考えられる。また、この2層によ
る膜を用いると、半導体記憶素子を形成するときに、下
部電極膜以外の膜と同時に一括してエッチング加工する
ことができる。
Since this RuO 2 film is in contact with the ferroelectric film as a conductive oxide film, it supplements oxygen which is deficient in the ferroelectric film, thereby suppressing film fatigue and improving the fatigue characteristics of the ferroelectric film. It is thought that it is possible. In addition, when the two-layer film is used, when a semiconductor memory element is formed, etching can be performed simultaneously with films other than the lower electrode film.

【0031】また、好ましくは、下部電極膜を、上側が
RuO2 (酸化ルテニウム)膜、下側がRu(ルテニウ
ム)膜の2層で構成される膜としたとき、下部電極膜と
チタン酸ビスマス膜との間に、化学量論組成のチタン酸
ビスマスを含んでなる平坦化用の膜を更に設けるのがよ
い。
Preferably, when the lower electrode film is made of a RuO 2 (ruthenium oxide) film on the upper side and a Ru (ruthenium) film on the lower side, the lower electrode film and the bismuth titanate film are formed. It is preferable to further provide a flattening film containing bismuth titanate having a stoichiometric composition.

【0032】この化学量論組成のBITを含んでなる膜
によって、RuO2 膜とRu膜とで構成される下部電極
膜の表面を平坦にすることができる。したがって下部電
極膜の上側に設ける強誘電体膜をより平坦に形成するこ
とができる。
The surface of the lower electrode film composed of the RuO 2 film and the Ru film can be made flat by the film containing BIT having the stoichiometric composition. Therefore, the ferroelectric film provided above the lower electrode film can be formed more flat.

【0033】また、好ましくは、下部電極膜を、上側が
RuO2 (酸化ルテニウム)膜、下側がRu(ルテニウ
ム)膜の2層で構成される膜としたとき、前記下部電極
膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、チタン酸ビスマ
スの化学量論組成に対してチタンの組成比率が多くなっ
ているチタン酸ビスマスを含んでなる、平坦化用の膜を
更に設けるのがよい。
Preferably, when the lower electrode film is a film composed of a RuO 2 (ruthenium oxide) film on the upper side and a Ru (ruthenium) film on the lower side, the lower electrode film and the titanic acid Between the bismuth film and the bismuth titanate, it is preferable to further provide a planarizing film containing bismuth titanate in which the composition ratio of titanium to the stoichiometric composition of bismuth titanate is increased.

【0034】この膜によって、下部電極膜の表面を平坦
にすることができて、その上に設ける強誘電体膜をより
平坦に形成することができる。また、この平坦化用の膜
をTiの組成比率が多くなっているBITを含んでなる
膜としたために、強誘電体膜のリーク電流を下げる効果
を期待することができる。
With this film, the surface of the lower electrode film can be made flat, and the ferroelectric film provided thereon can be made more flat. Further, since the flattening film is a film containing BIT in which the composition ratio of Ti is increased, an effect of reducing the leak current of the ferroelectric film can be expected.

【0035】次に、上述した、上側から順に、上部電極
膜、強誘電体膜、下部電極膜、ゲート絶縁膜、および半
導体基板を具えた構成の電界効果トランジスタを少なく
とも具えた半導体記憶素子の、強誘電体膜を、チタン酸
ビスマス膜であって、この膜を構成するチタン酸ビスマ
スのc軸が前記下部電極膜の上側表面に対して実質的に
垂直に配向していて、チタン酸ビスマスの化学量論組成
から定まるチタンに対するビスマスのモル比率よりビス
マスの組成比率が多くなっているチタン酸ビスマスを含
む単層または複数の層で構成される当該チタン酸ビスマ
ス膜とする半導体記憶素子を形成する方法は、チタン源
およびビスマス源を溶解していて、前記チタン酸ビスマ
スの化学量論組成から定まるチタンに対するモル比率よ
り、ビスマスのモル比率が多くなっている有機溶剤溶液
からなる塗布液を用いて、該塗布液を、前記下部電極膜
上に塗布した後に焼成することを1回または複数回繰り
返すことにより、前記チタン酸ビスマス膜を形成する工
程を含むのがよい。
Next, in order from the upper side, the semiconductor memory element having at least the field-effect transistor having the structure including the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, the gate insulating film, and the semiconductor substrate, The ferroelectric film is a bismuth titanate film, wherein the c-axis of bismuth titanate constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film, A semiconductor storage element is formed as the bismuth titanate film including a single layer or a plurality of layers containing bismuth titanate in which the composition ratio of bismuth to titanium is larger than the molar ratio of bismuth to titanium determined from the stoichiometric composition. The method comprises dissolving a titanium source and a bismuth source, and calculating the molar ratio of bismuth from the molar ratio of titanium to titanium determined from the stoichiometric composition of the bismuth titanate. The bismuth titanate film is formed by repeating, once or more than once, using a coating solution composed of an organic solvent solution having a higher ratio, and applying the coating solution on the lower electrode film and then firing the coating solution one or more times. Preferably, a forming step is included.

【0036】また、半導体基板にゲート絶縁膜、および
下部電極膜を順次に形成してなる下地上に、強誘電体膜
および上部電極膜を順次に形成して半導体記憶素子を形
成する方法のうち、強誘電体膜を形成する方法は、チタ
ン源およびビスマス源を溶解していて、チタン酸ビスマ
スの化学量論組成から定まるチタンに対するモル比率よ
り、ビスマスのモル比率が多くなっている有機溶剤溶液
からなる塗布液を用いて、該塗布液を、前記下部電極膜
上に塗布した後に焼成することを1回または複数回繰り
返すことにより、前記チタン酸ビスマス膜を形成する工
程を含むのがよい。
In the method of forming a semiconductor memory element by forming a ferroelectric film and an upper electrode film sequentially on a base formed by forming a gate insulating film and a lower electrode film on a semiconductor substrate sequentially. The method of forming a ferroelectric film is a method in which a titanium source and a bismuth source are dissolved, and an organic solvent solution in which the molar ratio of bismuth is larger than the molar ratio of titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth titanate. It is preferable that the method further includes a step of forming the bismuth titanate film by repeating once or plural times applying the coating solution on the lower electrode film after using the coating solution composed of

【0037】このような半導体素子の形成方法によれ
ば、BIT膜であって、この膜を構成するBITのc軸
が下部電極膜の上側表面に対して実質的に垂直に配向し
ている膜を強誘電体膜を工程数をより少なくすることが
できる。このため上記のような強誘電体膜を有するFE
Tを含んでなる半導体記憶素子を容易に形成することが
できる。すなわち、低いゲート電極で、十分な電界を強
誘電体膜にかけることが可能なMFMIS型のFETを
含んでなる半導体記憶素子を簡易に形成することができ
る。その上、BIT膜の表面を平坦に形成することがで
きるため、その後の形成工程も容易で正確に行うことが
でき、BIT膜の一部に電界集中が生じるのを防ぐこと
ができる。
According to such a method for forming a semiconductor element, the BIT film is formed such that the c-axis of the BIT constituting the film is substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film. The number of steps of the ferroelectric film can be reduced. Therefore, the FE having the ferroelectric film as described above
A semiconductor storage element containing T can be easily formed. That is, a semiconductor storage element including an MFMIS-type FET that can apply a sufficient electric field to the ferroelectric film with a low gate electrode can be easily formed. In addition, since the surface of the BIT film can be formed flat, subsequent formation steps can be performed easily and accurately, and electric field concentration can be prevented from being generated in a part of the BIT film.

【0038】また、好ましくは、半導体記憶素子におい
て、下部電極膜を、上側がIrO2(酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
とするのがよい。
Preferably, in the semiconductor memory element, the lower electrode film is formed on the upper side and IrO 2 (iridium oxide) is formed on the upper side.
It is preferable to use a film composed of two layers of a film and an Ir (iridium) film on the lower side.

【0039】このIrO2 膜は導電性酸化膜として強誘
電体膜に接するため、RuO2 膜と同様に強誘電体膜に
欠乏しやすい酸素を膜に補って、膜疲労を抑制して疲労
特性を向上させることができると考えられる。また、こ
の2層による膜を用いると、半導体記憶素子を形成する
ときに、下部電極膜以外の膜と同時に一括してエッチン
グ加工することができる。さらにこの2層の膜で構成さ
れる電極膜を用いることによって、半導体記憶素子の形
成工程における、例えば高温の酸素雰囲気中の処理など
に耐え得る、すなわち耐熱性に優れた電極(膜)が得ら
れる。また、強誘電体膜と電極との間の相互拡散を防
ぐ、すなわちバリア性に優れた電極が得られる。
Since this IrO 2 film is in contact with the ferroelectric film as a conductive oxide film, the film is supplemented with oxygen which is deficient in the ferroelectric film similarly to the RuO 2 film, thereby suppressing the film fatigue and improving the fatigue characteristics. Is considered to be able to be improved. In addition, when the two-layer film is used, when a semiconductor memory element is formed, etching can be performed simultaneously with films other than the lower electrode film. Furthermore, by using an electrode film composed of these two layers, an electrode (film) that can withstand, for example, processing in a high-temperature oxygen atmosphere in the process of forming a semiconductor memory element, that is, has excellent heat resistance is obtained. Can be Further, it is possible to prevent mutual diffusion between the ferroelectric film and the electrode, that is, to obtain an electrode having excellent barrier properties.

【0040】また、好ましくは、半導体記憶素子におい
て、下部電極膜を、上側がIrO2(酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、上部電極膜を、IrO2 (酸化イリジウ
ム)膜とするのがよい。
Preferably, in the semiconductor memory element, the lower electrode film is formed on the upper side, and IrO 2 (iridium oxide) is formed on the upper side.
When the film and the lower side are made of two layers of Ir (iridium) film, the upper electrode film is preferably made of IrO 2 (iridium oxide) film.

【0041】これにより、強誘電体膜を挟む上下の電極
は同じ材料(IrO2 )の電極となるため強誘電体ヒス
テリシスには、両電極間の仕事関数差による影響がなく
なる。
Thus, since the upper and lower electrodes sandwiching the ferroelectric film are made of the same material (IrO 2 ), the ferroelectric hysteresis is not affected by the work function difference between the two electrodes.

【0042】また、半導体記憶素子において、下部電極
膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)膜、下側がI
r(イリジウム)膜の2層で構成される膜としたとき、
下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、化学量
論組成のチタン酸ビスマスを含んでなる平坦化用の膜、
あるいは、チタン酸ビスマスの化学量論組成に対してチ
タンの組成比率が多くなっているチタン酸ビスマスを含
んでなる、平坦化用の膜を更に設けてもよい。
Further, in the semiconductor memory device, the lower electrode film is made of an IrO 2 (iridium oxide) film on the upper side, and the lower electrode film is made on the lower side.
When a film composed of two layers of an r (iridium) film is used,
Between the lower electrode film and the bismuth titanate film, a flattening film containing bismuth titanate having a stoichiometric composition,
Alternatively, a flattening film containing bismuth titanate in which the composition ratio of titanium with respect to the stoichiometric composition of bismuth titanate may be further provided.

【0043】これらの平坦化用の膜を設けることにより
下部電極膜の表面を平坦にすることができる。したがっ
て下部電極膜の上側に設ける強誘電体膜をより平坦に形
成することができる。
By providing these flattening films, the surface of the lower electrode film can be flattened. Therefore, the ferroelectric film provided above the lower electrode film can be formed more flat.

【0044】また、このようなIrO2 膜とIr膜とか
らなる下部電極膜の上に形成する強誘電体膜は、Biリ
ッチの塗布液を用いて得られるBITを含む下層膜と化
学量論組成のBITを含んで得られる上層膜とで構成さ
れる膜としてもよいし、BiリッチのBIT膜の単層ま
たは複数の層で構成される膜としてもよい。
Further, the ferroelectric film formed on the lower electrode film composed of the IrO 2 film and the Ir film is different from the lower film containing BIT obtained by using a Bi-rich coating solution in stoichiometry. It may be a film composed of an upper layer film containing BIT having a composition, or a film composed of a single layer or a plurality of layers of a Bi-rich BIT film.

【0045】[0045]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの出願の
発明の実施の形態について説明する。以下の説明中で挙
げる使用材料およびその量、処理時間、処理温度、膜厚
などの数値的条件は、これら発明の範囲内の好適例にす
ぎない。従って、これらの発明は、これら条件にのみ限
定されるものではない。また、図において、断面を示す
ハッチング等は一部分を除き省略してある。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Numerical conditions such as used materials and their amounts, processing time, processing temperature, and film thickness, which are mentioned in the following description, are merely preferred examples within the scope of the present invention. Therefore, these inventions are not limited only to these conditions. In the drawings, hatching indicating a cross section is omitted except for a part.

【0046】<第1の実施の形態>図1〜図4は、MF
MIS型のFETを含んで成る半導体記憶素子の、第1
の実施の形態における、製造工程を示す概略的な断面図
(ただし、切り口の図)である。なお、ここでは半導体
記憶素子の活性領域に相当する部分のみを示している。
<First Embodiment> FIGS. 1 to 4 show an MF
First of a semiconductor memory device including a MIS type FET,
It is a schematic sectional view (however, a figure of a cut end) which shows a manufacturing process in an embodiment. Here, only a portion corresponding to the active region of the semiconductor memory element is shown.

【0047】MFMIS型のFETを含んで成る半導体
記憶素子を形成する場合、先ず、n型のシリコン基板
(以下、n−Si基板と称する場合がある。)10の所
定領域に、公知の技術を用いてSiO2 から成るフィー
ルド酸化膜を形成する(図示せず)。フィールド酸化膜
が設けられていないn−Si基板10の表面を通して、
p型不純物をイオン注入する。p型不純物には、これに
限らないがボロン(B)を用いることが出来る。その
後、高温熱処理によりp型不純物を拡散し、p型ウェル
層12を形成する。次に、p型ウェル層12上に、Si
2 から成るゲート絶縁膜(ゲート酸化膜)14を、例
えば、熱酸化により、厚さ60Å程度に形成する。熱酸
化には、これに限らないが急速加熱装置(以下、RTA
と称する場合がある。)を用いることが出来る。次に、
フィールド酸化膜およびゲート絶縁膜14上に、多結晶
Si膜16を、SiH4 (モノシラン)ガスおよびPH
3 (ホスフィン)ガスを用いた減圧CVD法により、厚
さ2000Å程度形成した後、850℃の温度でリンを
4×1020イオンcm-3程度拡散させて、多結晶Si膜
16の導電性を得る。次に、この多結晶Si膜16上
に、スパッタ法により、厚さ1000Å程度のPt膜を
形成し、これを下部電極膜18とする(図1の
(A))。
When a semiconductor memory device including an MFMIS-type FET is formed, first, a known technique is applied to a predetermined region of an n-type silicon substrate (hereinafter sometimes referred to as an n-Si substrate) 10. To form a field oxide film made of SiO 2 (not shown). Through the surface of the n-Si substrate 10 where no field oxide film is provided,
P-type impurities are ion-implanted. Although not limited to this, boron (B) can be used as the p-type impurity. Thereafter, the p-type impurity is diffused by a high-temperature heat treatment to form the p-type well layer 12. Next, on the p-type well layer 12, Si
A gate insulating film (gate oxide film) 14 made of O 2 is formed to a thickness of about 60 ° by, for example, thermal oxidation. The thermal oxidation includes, but is not limited to, a rapid heating device (hereinafter, RTA).
In some cases. ) Can be used. next,
A polycrystalline Si film 16 is formed on the field oxide film and the gate insulating film 14 by using SiH 4 (monosilane) gas and PH.
The 3 (phosphine) pressure CVD method using a gas, after forming a thickness of about 2000 Å, phosphorus at a temperature of 850 ℃ 4 × 10 20 by diffusing approximately ions cm -3, the conductivity of the polycrystalline Si film 16 obtain. Next, a Pt film having a thickness of about 1000 ° is formed on the polycrystalline Si film 16 by a sputtering method, and is used as a lower electrode film 18 (FIG. 1A).

【0048】次に、下部電極膜18上に、BIT膜から
成る強誘電体膜20を形成する。この場合、まず、Ti
源およびBi源を溶解していて、BITの化学量論組成
から定まるTiに対するBiのモル比率より、Biのモ
ル比率が多くなっている有機溶剤溶液を用意する。BI
Tの化学量論組成から定まるBiとTiとのモル比率
は、Bi:Ti=4:3である。このため、有機溶剤溶
液中のBiとTiのモル比率が、例えばBi:Ti=
4.4:3のものはここでの有機溶剤溶液として適当で
ある。また、このモル比率の範囲をBi:Ti=4.0
8:3〜4.8:3程度とすると、c軸に配向したBI
T膜が得られる。また、c軸配向の、より好ましいBI
T膜を得るには、モル比率の範囲をBi:Ti=4.2
4:3〜4.6:3とするのが良い。このような溶液
は、(株)高純度化学研究所などから、「有機金属分解
法(MOD法と称する場合がある。)によるチタン酸ビ
スマス(BIT)形成用の溶液」として所望のBiおよ
びTiモル比率で購入することが出来る。
Next, a ferroelectric film 20 made of a BIT film is formed on the lower electrode film 18. In this case, first, Ti
An organic solvent solution is prepared in which the source and the Bi source are dissolved and the molar ratio of Bi is larger than the molar ratio of Bi to Ti determined from the stoichiometric composition of BIT. BI
The molar ratio of Bi and Ti determined from the stoichiometric composition of T is Bi: Ti = 4: 3. Therefore, the molar ratio of Bi and Ti in the organic solvent solution is, for example, Bi: Ti =
The one of 4.4: 3 is suitable as the organic solvent solution here. The range of the molar ratio is set to Bi: Ti = 4.0.
When the ratio is about 8: 3 to 4.8: 3, the BI oriented to the c-axis is
A T film is obtained. Further, more preferable BI of c-axis orientation
To obtain a T film, the molar ratio range should be Bi: Ti = 4.2.
4: 3 to 4.6: 3 is preferable. Such a solution is obtained from Biological Chemistry Laboratory Co., Ltd. or the like as a “solution for forming bismuth titanate (BIT) by an organometallic decomposition method (sometimes referred to as a MOD method).” It can be purchased in molar ratio.

【0049】そして、この溶液を第1塗布液として用い
て、下部電極膜18上にスピンコートする。そのため、
この第1塗布液を、下部電極膜18上に滴下し、その直
後に、n−Si基板10を500rpmで10秒間、さ
らに2500rpmで30秒間回転させて塗布膜を形成
する。その後、塗布膜から溶剤をとばすために、450
℃で15分間仮焼成し、さらにRTAを用いて乾燥酸素
中、850℃で3分間熱処理(本焼成)して結晶化さ
せ、例えば厚さ600ÅのBIT膜、すなわち下層膜2
0aを形成する(図1の(B))。下層膜20aは、こ
の膜を構成するBITのc軸が下部電極膜18の上側表
面に対して実質的に垂直に配向しているもの、すなわち
c軸に配向したBIT膜である。また、この膜は、BI
Tの化学量論組成に対してBiの組成比率が多くなって
いるBITを含んでなる。なお、仮焼成後の膜を、通常
の電気炉を用いて乾燥酸素中、850℃で30分間熱処
理しても同様に、c軸に配向したBIT膜を形成するこ
とができる。
Then, the lower electrode film 18 is spin-coated using this solution as a first coating solution. for that reason,
This first coating liquid is dropped on the lower electrode film 18, and immediately thereafter, the n-Si substrate 10 is rotated at 500 rpm for 10 seconds and further at 2500 rpm for 30 seconds to form a coating film. Then, to remove the solvent from the coating film, 450
Baked at 850 ° C. for 3 minutes in dry oxygen using RTA (final calcination) to crystallize, for example, a BIT film having a thickness of 600 °, that is, lower film 2
0a is formed (FIG. 1B). The lower film 20a is a BIT film in which the c-axis of the BIT constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film 18, that is, the BIT film oriented in the c-axis. Also, this film is made of BI
It comprises BIT in which the composition ratio of Bi is larger than the stoichiometric composition of T. The BIT film oriented in the c-axis can be formed in the same manner by heat-treating the calcined film at 850 ° C. for 30 minutes in dry oxygen using a normal electric furnace.

【0050】次に、Ti源およびBi源を溶解してい
て、化学量論組成から定まるモル比率のBITの有機溶
剤溶液から成る第2塗布液を用意する。そして、この第
2塗布液を下層膜20a上にスピンコートする。そのた
めこの第2塗布液を下層膜20a上に滴下してn−Si
基板10を500rpmで10秒間、さらに2500r
pmで30秒間回転させて塗布膜を形成し、450℃で
15分間仮焼成した後、RTAを用いて850℃で3分
間本焼成を行い、1層目の上層膜20b1 を形成する
(図1の(C))。この、第2塗布液による塗布膜の形
成から、仮焼成、本焼成に至る処理を更に3回、トータ
ル4回行い、2層目、3層目、および4層目の上層膜2
0b2 、20b3 、および20b4 を形成する。これに
より、膜厚3000Å程度のBIT膜、すなわち上層膜
20bを形成する(図1の(D))。この下層膜20a
と上層膜20bとを合わせて、強誘電体膜20と称す
る。以下の図で、膜20b1 、20b2 、20b3 、お
よび20b4 を、上層膜20bのみで省略して示す(図
2の(A))。
Next, a second coating solution is prepared which comprises a solution of BIT in an organic solvent in which the Ti source and the Bi source are dissolved and whose molar ratio is determined by the stoichiometric composition. Then, the second coating solution is spin-coated on the lower layer film 20a. Therefore, the second coating solution is dropped on the lower layer film 20a to form n-Si
The substrate 10 is kept at 500 rpm for 10 seconds and further 2500 rpm.
After spinning at pm for 30 seconds to form a coating film and pre-baking at 450 ° C. for 15 minutes, main baking is performed at 850 ° C. for 3 minutes using RTA to form a first upper layer film 20b1 (FIG. 1 (C)). The process from the formation of the coating film using the second coating solution to the preliminary baking and the main baking is further performed three times, for a total of four times, and the second, third, and fourth upper films 2 are formed.
Ob 2 , 20b 3 , and 20b 4 are formed. Thus, a BIT film having a thickness of about 3000 °, that is, an upper film 20b is formed (FIG. 1D). This lower layer film 20a
And the upper film 20b are collectively referred to as a ferroelectric film 20. In the following figures, the films 20b 1 , 20b 2 , 20b 3 , and 20b 4 are omitted from the illustration of the upper film 20b only (FIG. 2A).

【0051】次に、強誘電体膜20上に、Ru膜から成
る上部電極膜22を形成する(図2の(B))。この場
合、強誘電体膜20上に、スパッタ法により、例えば厚
さ2000Åの上部電極膜22を形成する。
Next, an upper electrode film 22 made of a Ru film is formed on the ferroelectric film 20 (FIG. 2B). In this case, an upper electrode film 22 having a thickness of, for example, 2000 Å is formed on the ferroelectric film 20 by a sputtering method.

【0052】次に、上部電極膜22上に、これらの膜2
0a、20bおよび22のパターンニング用のマスクと
するために、SiO2 膜24を形成(図2の(C))し
た後、レジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術を用
いて、所望のFETサイズのレジストパターンを形成す
る(図示せず)。そして、このレジストパターンをマス
クとして、SiO2 膜24に対してエッチング処理を行
い、不要部分を除去することにより、パターンニング用
のマスク24xを得る。その後このパターンニング用の
マスク24xに合わせて、下層膜20a、上層膜20
b、および上部電極膜22の不要部分を、エッチング処
理により除去する(図3の(A))。この場合、これら
の膜20a、20b、および22の不要部分を、エッチ
ングガスとして塩素系またはフッ素系のガスを用いたド
ライエッチングにより、除去する。エッチングには、こ
れに限らないが反応性イオンエッチング装置(以下、R
IE装置と称する場合がある。)を用いることが出来
る。特に、マグネトロン型のRIE装置を用いた場合、
エッチング速度が向上する。なお、図中、20axはエ
ッチング済の、残存した下層膜、20bxはエッチング
済の、残存した上層膜、20xはエッチング済の、残存
した強誘電体膜、22xはエッチング済の、残存した上
部電極膜をそれぞれ示している。
Next, these films 2 are formed on the upper electrode film 22.
After forming an SiO 2 film 24 (FIG. 2C) to form a mask for patterning 0a, 20b and 22, a resist is applied, and a photolithography technique is used to form a desired FET size. A resist pattern is formed (not shown). Then, using the resist pattern as a mask, the SiO 2 film 24 is etched to remove unnecessary portions, thereby obtaining a patterning mask 24x. Thereafter, the lower film 20a and the upper film 20 are adjusted in accordance with the patterning mask 24x.
b, and unnecessary portions of the upper electrode film 22 are removed by etching (FIG. 3A). In this case, unnecessary portions of these films 20a, 20b and 22 are removed by dry etching using a chlorine-based or fluorine-based gas as an etching gas. For the etching, a reactive ion etching apparatus (hereinafter referred to as R
It may be referred to as an IE device. ) Can be used. In particular, when a magnetron type RIE device is used,
The etching rate is improved. In the drawing, 20ax is the etched lower layer film, 20bx is the etched upper layer film, 20x is the etched ferroelectric film, and 22x is the etched upper electrode layer. Each of the films is shown.

【0053】次に、エッチング済の膜である20ax、
20bx、22xをマスクとして、、イオンミリングに
よりPt膜からなる下部電極膜18の不要部分を除去
し、所望の形状にパターンニングする(図3の
(B))。図中、18xはパターンニング済の、残存し
た下部電極膜を示す。また、このとき、パターンニング
用のマスク24xはエッチングにより削られて薄くなっ
ている。
Next, the etched film 20ax,
Using 20bx and 22x as masks, an unnecessary portion of the lower electrode film 18 made of a Pt film is removed by ion milling and patterned into a desired shape (FIG. 3B). In the figure, reference numeral 18x denotes a patterned lower electrode film that remains. At this time, the patterning mask 24x has been thinned by etching.

【0054】次に、これらの膜18x、20ax、20
bx、22xをマスクとして、ゲート絶縁膜14および
多結晶Si膜16の不要部分を、RIE装置を用いて、
塩素系またはフッ素系のガスによるドライエッチングを
行い、除去する。このとき、パターンニング用のマスク
24xは、完全に除去される(図3の(C))。図中、
14xはエッチング済の、残存したゲート絶縁膜、16
xはエッチング済の、残存した多結晶Si膜である。
Next, these films 18x, 20ax, 20x
Using the bx and 22x as masks, unnecessary portions of the gate insulating film 14 and the polycrystalline Si film 16 are removed using an RIE apparatus.
Dry etching with a chlorine-based or fluorine-based gas is performed to remove. At this time, the patterning mask 24x is completely removed (FIG. 3C). In the figure,
14x is a gate insulating film remaining after etching, 16
x is the remaining etched polycrystalline Si film.

【0055】次に、この素子全体を低温CVD酸化膜
(以下、LTOと称する場合がある。)で覆う(図示せ
ず)。そして、このLTOを異方性エッチングして、S
iO2から成るサイドウォール26を形成する(図4の
(A))。異方性エッチングには、これに限らないがR
IE装置を用いることが出来る。
Next, the entire device is covered with a low-temperature CVD oxide film (hereinafter sometimes referred to as LTO) (not shown). Then, this LTO is anisotropically etched to obtain S
A sidewall 26 made of iO 2 is formed (FIG. 4A). Anisotropic etching includes, but is not limited to, R
An IE device can be used.

【0056】次に、n型不純物をイオン注入してソース
28aおよびドレイン28bを形成する(図4の
(B))。n型不純物には、これに限らないがヒ素(A
s)またはアンチモン(Sb)を用いることが出来る。
Next, the source 28a and the drain 28b are formed by ion-implanting an n-type impurity (FIG. 4B). The n-type impurities include, but are not limited to, arsenic (A
s) or antimony (Sb) can be used.

【0057】次に、この素子全体を層間絶縁膜で覆う
(図示せず)。そして、公知の技術を用いて、ソース2
6およびドレイン28を露出させるコンタクトホール3
0を形成する。図中、32はコンタクトホール30の形
成後に残留した層間絶縁膜である。その後、コンタクト
ホール30には選択タングステン(W)CVD法によ
り、W埋め込み層34を形成する。最後に、必要に応じ
て、金属配線を形成する。ここでは、アルミニウム(A
l)を全面にスパッタ法により形成(図示せず)した
後、フォトリソグラフィ、RIE装置を用いたエッチン
グを行い、Al配線36を形成する(図4の(C))。
以上のようにして、MFMIS型のFETから成る半導
体記憶素子を形成する。
Next, the entire device is covered with an interlayer insulating film (not shown). Then, using a known technique, the source 2
6 and contact hole 3 exposing drain 28
0 is formed. In the figure, reference numeral 32 denotes an interlayer insulating film remaining after the formation of the contact hole 30. Thereafter, a W buried layer 34 is formed in the contact hole 30 by a selective tungsten (W) CVD method. Finally, if necessary, metal wiring is formed. Here, aluminum (A
After l) is formed on the entire surface by a sputtering method (not shown), photolithography and etching using an RIE apparatus are performed to form an Al wiring 36 (FIG. 4C).
As described above, a semiconductor memory element including an MFMIS-type FET is formed.

【0058】このようにして形成した半導体記憶素子
は、上側から順に、上部電極膜、強誘電体膜、下部電極
膜、ゲート絶縁膜、および半導体基板を具えた構成のF
ET(ここではMFMIS型のFET)から成るもので
あり、その強誘電体膜を、c軸に配向したBIT膜とし
たものである。c軸に配向したBIT膜の比誘電率およ
び残留分極値が小さいため、この素子を動作させた場
合、低いゲート電圧で十分な電界が、BIT膜から成る
強誘電体膜にかかる。その結果、低いゲート電圧で情報
の書き込みおよび読み取り等の安定した動作が可能とな
る。
The semiconductor memory device thus formed has, in order from the upper side, an F having a configuration including an upper electrode film, a ferroelectric film, a lower electrode film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate.
The ferroelectric film is made of ET (here, an MFMIS type FET), and the ferroelectric film is a BIT film oriented in the c-axis. Since the relative dielectric constant and the remanent polarization value of the BIT film oriented in the c-axis are small, when this element is operated, a sufficient electric field is applied to the ferroelectric film composed of the BIT film at a low gate voltage. As a result, stable operations such as writing and reading of information can be performed with a low gate voltage.

【0059】ここで、有機溶剤溶液中のBiとTiの比
率が、Bi:Ti=4.4:3のものを塗布液として用
いて、上述のスピンコート法で形成したBIT膜のヒス
テリシス特性を調べた。ただし、ヒステリシス特性測定
用の試料として、p型のSi基板に、熱酸化により厚さ
2000ÅのSiO2 膜を形成し、さらにこのSiO2
膜上に、スパッタ法により厚さ600ÅのPt膜を形成
したものを下地とし、この下地上にBIT膜を形成し、
さらにこのBIT膜上に厚さ2000Åのルテニウム
(Ru)膜を形成したものを用いた。ヒステリシス特性
は、Pt膜およびRu膜を電極とし、ソーヤタワー回路
を用いる周知の技術を用いて測定した。PtとRuとの
間の仕事関数の差を考慮し、実質的な残留分極値を求め
ると、約1.8(μC/cm2 )であった。また、比誘
電率は67、抗電界は約12(kV/cm)であった。
強誘電体膜として、一般的に用いられているチタン酸鉛
(PZT)の誘電率は875であり、残留分極値は2
5.4(μC/cm2 )であり、抗電界は57.5(k
V/cm)である(1995年春季応用物理学会講演予
稿集第2分冊30p-D-16,p492参照)ことから、有機
溶剤溶液中のBiとTiのモル比率が、Bi:Ti=
4.4:3のものを塗布液として用いて形成したBIT
膜、すなわちc軸に配向したBIT膜の比誘電率、残留
分極値、および抗電界はいずれも十分低いことが理解で
きる。従って、このBIT膜を用いたFETから成る半
導体記憶素子の強誘電体膜として用いた場合には、低い
ゲート電圧で、十分な電界を強誘電体膜にかけることが
可能になる。さらに、抗電界が小さいことから、ヒステ
リシス特性を飽和させるために要するゲート電圧が低く
なり、ゲート酸化膜破壊が起こりにくなる。
Here, when the ratio of Bi to Ti in the organic solvent solution is Bi: Ti = 4.4: 3 as a coating liquid, the hysteresis characteristic of the BIT film formed by the above-mentioned spin coating method is shown. Examined. However, as a sample for hysteresis characteristic measurement, the p-type Si substrate, an SiO 2 film having a thickness of 2000Å was formed by thermal oxidation, further the SiO 2
A Pt film having a thickness of 600 ° is formed on the film by a sputtering method as a base, and a BIT film is formed on the base,
Further, a 2,000-mm-thick ruthenium (Ru) film was formed on the BIT film. The hysteresis characteristics were measured using a Pt film and a Ru film as electrodes and using a well-known technique using a Sawyer tower circuit. Considering the difference in work function between Pt and Ru, a substantial remanent polarization value was found to be about 1.8 (μC / cm 2 ). The relative dielectric constant was 67 and the coercive electric field was about 12 (kV / cm).
The dielectric constant of lead titanate (PZT) generally used as a ferroelectric film is 875, and the remanent polarization value is 2
5.4 (μC / cm 2 ), and the coercive electric field was 57.5 (k
V / cm) (see the 1995 Spring Applied Physics Conference proceedings, second volume 30p-D-16, p492), the molar ratio of Bi and Ti in the organic solvent solution is Bi: Ti =
BIT formed using 4.4: 3 as coating solution
It can be understood that the relative permittivity, the remanent polarization value, and the coercive electric field of the film, that is, the BIT film oriented in the c-axis, are all sufficiently low. Therefore, when the BIT film is used as a ferroelectric film of a semiconductor memory element composed of an FET, a sufficient electric field can be applied to the ferroelectric film with a low gate voltage. Furthermore, since the coercive electric field is small, the gate voltage required to saturate the hysteresis characteristics is reduced, and the gate oxide film is less likely to be destroyed.

【0060】また、この第1の実施の形態の方法で形成
した強誘電体膜20の表面の平坦さを確認するため、下
地上に強誘電体膜20を形成したものを第1試料とし、
また、下地上にBiリッチのBIT膜のみからなる強誘
電体膜を形成したものを第2試料として、これら第1お
よび第2試料の表面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を
用いて、2万倍の倍率で写真を撮り、これらを比較し
た。この結果、この発明に係る第1試料が、第2試料に
比べて明らかに平坦であることが確認できた。
In order to confirm the flatness of the surface of the ferroelectric film 20 formed by the method of the first embodiment, a ferroelectric film 20 formed on an underlayer was used as a first sample.
Further, a ferroelectric film consisting of only a Bi-rich BIT film formed on an underlayer was used as a second sample, and the surfaces of the first and second samples were measured using a scanning electron microscope (SEM). Photos were taken at 10,000 times magnification and compared. As a result, it was confirmed that the first sample according to the present invention was clearly flatter than the second sample.

【0061】図5は、第1試料(図5の(A))および
第2試料(図5の(B))の断面のモデル図である。第
1試料は、第2試料と比較して表面が平坦である。この
ため、この発明の半導体記憶素子の形成方法によって形
成された強誘電体膜20を用いた半導体記憶素子は、そ
の動作時に強誘電体膜の一部に電界集中が起こりにくい
ことが理解できる。
FIG. 5 is a model diagram of a cross section of a first sample (FIG. 5A) and a second sample (FIG. 5B). The first sample has a flatter surface than the second sample. For this reason, it can be understood that in a semiconductor memory device using the ferroelectric film 20 formed by the method for forming a semiconductor memory device of the present invention, electric field concentration hardly occurs in a part of the ferroelectric film during operation.

【0062】<第2の実施の形態>第2の実施の形態
は、基本的には第1の実施の形態と同様であるが、下部
電極膜18を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)膜、
下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜とし
てある。
<Second Embodiment> A second embodiment is basically the same as the first embodiment except that the lower electrode film 18 is formed on the upper side and a RuO 2 (ruthenium oxide) film is formed on the upper side. ,
The lower side is a film composed of two layers of Ru (ruthenium) film.

【0063】図6の(A)および(B)は、第2の実施
の形態の半導体記憶素子の構成および形成方法を説明す
るための概略的な断面図(ただし、切り口の図)であ
り、半導体記憶素子の形成工程の一部を示してある。
FIGS. 6A and 6B are schematic cross-sectional views (however, cutaway views) for describing the configuration and the method of forming the semiconductor memory element according to the second embodiment. 2 shows a part of a process of forming a semiconductor storage element.

【0064】多結晶Si膜16を形成する工程までは第
1の実施の形態と同様である。その後、多結晶Si膜1
6上に、スパッタ法により、例えば厚さ500ÅのRu
膜18aを形成し、さらにこのRu膜上に、スパッタ法
により、例えば厚さ1000ÅのRuO2 膜18bを形
成する。次に、RuO2 膜18b上に強誘電体膜20お
よび上部電極膜22を、第1の実施の形態と同様の方法
で順次に形成する(図6の(A))。このように、強誘
電体膜20に酸化膜(RuO2 膜18b)が接している
ため、強誘電体膜に酸素を供給して、膜の酸素空孔を補
うことができる。この結果、膜疲労を抑制して疲労特性
を向上させることができる。また、多結晶Si膜16上
にRuO2 膜を直接形成せずにRu膜18aを間に設け
るのは、多結晶Si膜の酸化を防ぐと共に、多結晶Si
膜16とRuO2 膜との密着性を向上させるためであ
る。
The steps up to the step of forming the polycrystalline Si film 16 are the same as in the first embodiment. Then, the polycrystalline Si film 1
6 by sputtering, for example, a Ru film having a thickness of 500 °
A film 18a is formed, and a RuO 2 film 18b having a thickness of, for example, 1000 ° is formed on the Ru film by a sputtering method. Next, a ferroelectric film 20 and an upper electrode film 22 are sequentially formed on the RuO 2 film 18b by the same method as in the first embodiment (FIG. 6A). As described above, since the oxide film (RuO 2 film 18b) is in contact with the ferroelectric film 20, oxygen can be supplied to the ferroelectric film to supplement oxygen vacancies in the film. As a result, it is possible to suppress the film fatigue and improve the fatigue characteristics. Further, providing the Ru film 18a between the polycrystalline Si film 16 without directly forming the RuO 2 film prevents oxidation of the polycrystalline Si film,
This is for improving the adhesion between the film 16 and the RuO 2 film.

【0065】ここで、Ru膜18aおよびRuO2 膜1
8bは、第1の実施の形態におけるPt膜のようにイオ
ンミリングで加工する必要がなく、上部電極膜22、強
誘電体膜20、多結晶Si膜16、およびゲート絶縁膜
14と同様に、塩素系またはフッ素系のエッチングガス
を用いてドライエッチングを行うことができる。よっ
て、これらすべての膜14、16、18a、18b、2
0(20a、20b)、22の膜をすべて同時に、一括
してドライエッチングを行う(図6の(B))。このた
め、工程が簡易になる。また、イオンミリングでパター
ンニングする工程を含む方法に比べて微細なパターンを
形成することが可能になるため、素子の微細化も期待で
きる。図中、18axは残存したRu膜、18bxは残
存したRuO2 膜を示す。
Here, the Ru film 18a and the RuO 2 film 1
8b does not need to be processed by ion milling like the Pt film in the first embodiment, and like the upper electrode film 22, the ferroelectric film 20, the polycrystalline Si film 16, and the gate insulating film 14, Dry etching can be performed using a chlorine-based or fluorine-based etching gas. Therefore, all of these films 14, 16, 18a, 18b, 2
Dry etching is simultaneously and collectively performed on all of the films 0 (20a, 20b) and 22 (FIG. 6B). For this reason, the process is simplified. Further, since a finer pattern can be formed as compared with a method including a patterning step by ion milling, miniaturization of an element can be expected. In the figure, 18ax indicates the remaining Ru film, and 18bx indicates the remaining RuO 2 film.

【0066】その他の製造工程や効果等においては、第
1の実施の形態と同様であるため、詳細な説明を省略す
る。
The other manufacturing steps, effects, and the like are the same as those in the first embodiment, and a detailed description thereof will be omitted.

【0067】<第3の実施の形態>第3の実施の形態
は、第2の実施の形態と同様に、下部電極膜18を、上
側がRuO2 膜18b、下側がRu膜18aの2層で構
成される膜としてあり、この下部電極膜18と、強誘電
体膜20との間に、化学量論組成のチタン酸ビスマスを
含んでなる平坦化用の膜を更に設けてある。これは、R
u膜およびRuO2 膜とで構成される下部電極膜は、P
tで構成する下部電極膜と比較すると、実質的に問題が
ない程度であるが、表面が粗いため、これを緩和する目
的で設けるものである。
<Third Embodiment> In the third embodiment, as in the second embodiment, the lower electrode film 18 is formed of a RuO 2 film 18b on the upper side and a Ru film 18a on the lower side. And a flattening film containing stoichiometric bismuth titanate is further provided between the lower electrode film 18 and the ferroelectric film 20. This is R
The lower electrode film composed of the u film and the RuO 2 film
Compared with the lower electrode film composed of t, there is substantially no problem, but since the surface is rough, it is provided for the purpose of alleviating this.

【0068】図7の(A)および(B)は、第3、およ
び後述する第4の実施の形態の半導体記憶素子の構成お
よび形成方法を説明するための概略的な断面図(ただ
し、切り口の図)であり、半導体記憶素子の形成工程の
一部を示してある。
FIGS. 7A and 7B are schematic cross-sectional views (excluding cutaways) for explaining the configuration and the method of forming the semiconductor memory element according to the third and fourth embodiments described later. FIG. 2) shows a part of the process of forming the semiconductor memory element.

【0069】ここでは、第2の実施の形態に示したよう
にRu膜18aとRuO2 膜18bとで構成される下部
電極膜18を形成した後、化学量論組成から定まるモル
比率のBITの有機溶剤溶液から成る塗布液を、下部電
極膜18上に塗布し、焼成する。このことにより、c軸
には配向していないが、平坦なBIT膜が形成される。
これを平坦化用の膜19とする。その後、Bi組成比率
の多いBITを焼成してc軸配向のBIT膜を形成した
後、化学量論組成のBIT膜を1層あるいは数層形成す
る。ここでは、第1の実施の形態と同様に化学量論組成
のBIT膜を4層形成し、強誘電体膜20を得た。その
後、強誘電体膜20上に上部電極膜22を形成する(図
7の(A))。次に、第2の実施の形態と同様に、フォ
トリソグラフィ、ドライエッチングにより、上部電極膜
22、強誘電体膜20(20a、20b)、平坦化用の
膜19、下部電極膜18(18a、18b)、多結晶S
i膜16、およびゲート絶縁膜14を、すべて同時にパ
ターンニングする(図7の(B))。図中、19xは、
パターンニング済の平坦化用の膜を示す。
Here, as shown in the second embodiment, after the lower electrode film 18 composed of the Ru film 18a and the RuO 2 film 18b is formed, the BIT having a molar ratio determined by the stoichiometric composition is obtained. A coating solution composed of an organic solvent solution is applied on the lower electrode film 18 and baked. This forms a flat BIT film that is not oriented along the c-axis.
This is used as a flattening film 19. After that, BIT having a large Bi composition ratio is fired to form a BIT film having a c-axis orientation, and then one or several BIT films having a stoichiometric composition are formed. Here, as in the first embodiment, four BIT films having a stoichiometric composition were formed, and the ferroelectric film 20 was obtained. Thereafter, an upper electrode film 22 is formed on the ferroelectric film 20 (FIG. 7A). Next, as in the second embodiment, the upper electrode film 22, the ferroelectric film 20 (20a, 20b), the flattening film 19, and the lower electrode film 18 (18a, 18a) are formed by photolithography and dry etching. 18b), polycrystalline S
The i film 16 and the gate insulating film 14 are all patterned simultaneously (FIG. 7B). In the figure, 19x is
2 shows a patterned planarizing film.

【0070】このため、下部電極膜18をRu膜とRu
2 膜とで構成した場合の、強誘電体膜20を更に平坦
に形成することができる。
For this reason, the lower electrode film 18 is made of a Ru film and a Ru film.
In the case where the ferroelectric film 20 is composed of the O 2 film, the ferroelectric film 20 can be formed more flat.

【0071】その他の製造工程や効果等においては、第
1および第2の実施の形態と同様であるため、詳細な説
明を省略する。
The other manufacturing steps, effects, and the like are the same as those of the first and second embodiments, so that detailed description will be omitted.

【0072】<第4の実施の形態>第4の実施の形態
は、第3の実施の形態の平坦化用の膜19(19x)
を、BITの化学量論組成に対してTiの組成比率が多
くなっているBITを含む膜としたものである(以下、
この膜をTiリッチのBIT膜ともいう。)。
<Fourth Embodiment> A fourth embodiment is directed to a flattening film 19 (19x) according to the third embodiment.
Is a film containing BIT in which the composition ratio of Ti with respect to the stoichiometric composition of BIT is increased (hereinafter, referred to as a film containing BIT).
This film is also called a Ti-rich BIT film. ).

【0073】ここでは、第2および第3の実施の形態に
示したようにRu膜18aとRuO2 膜18bとからな
る下部電極膜18を形成した後、Ti源およびBi源を
溶解していて、BITの化学量論組成から定まるBiに
対するTiのモル比率より、Tiのモル比率が多くなっ
ている有機溶剤溶液から成る塗布液を、下部電極膜18
上に塗布し、焼成する。このことにより、c軸には配向
していないが、平坦なBIT膜である、平坦化用の膜1
9が形成される。その後、Bi組成比率の多いBITを
焼成してc軸配向のBIT膜を形成した後、化学量論組
成のBIT膜を1層あるいは数層形成する。ここでは、
第1の実施の形態と同様に化学量論組成のBIT膜を4
層形成し、強誘電体膜20を得た。そして、強誘電体膜
20上に上部電極膜22を形成し(図7の(A))、第
2の実施の形態と同様に、フォトリソグラフィ、ドライ
エッチングにより、上部電極膜22、強誘電体膜20
(20a、20b)、平坦化用の膜19、下部電極膜1
8(18a、18b)、多結晶Si膜16、およびゲー
ト絶縁膜14を、すべて同時にパターンニングする。
Here, as shown in the second and third embodiments, after the lower electrode film 18 composed of the Ru film 18a and the RuO 2 film 18b is formed, the Ti source and the Bi source are dissolved. , A coating solution composed of an organic solvent solution in which the molar ratio of Ti is larger than the molar ratio of Ti to Bi determined from the stoichiometric composition of BIT is applied to the lower electrode film 18.
Apply on top and bake. As a result, the planarizing film 1 which is not oriented in the c-axis but is a flat BIT film is formed.
9 is formed. After that, BIT having a large Bi composition ratio is fired to form a BIT film having a c-axis orientation, and then one or several BIT films having a stoichiometric composition are formed. here,
As in the first embodiment, a BIT film having a stoichiometric composition
A layer was formed, and a ferroelectric film 20 was obtained. Then, an upper electrode film 22 is formed on the ferroelectric film 20 (FIG. 7A), and the upper electrode film 22 and the ferroelectric film are formed by photolithography and dry etching as in the second embodiment. Membrane 20
(20a, 20b), flattening film 19, lower electrode film 1
8 (18a, 18b), the polycrystalline Si film 16, and the gate insulating film 14 are all simultaneously patterned.

【0074】このため、第3の実施の形態と同様に、下
部電極膜18をRu膜とRuO2 膜とで構成した場合
の、強誘電体膜20を更に平坦に形成することができ
る。また、この平坦化用の膜をTiリッチのBIT膜と
したことにより、強誘電体膜のリーク電流を下げる効果
を期待することができる。
For this reason, as in the third embodiment, when the lower electrode film 18 is composed of the Ru film and the RuO 2 film, the ferroelectric film 20 can be formed more flat. Further, by using the Ti-rich BIT film as the flattening film, an effect of reducing the leak current of the ferroelectric film can be expected.

【0075】その他の製造工程や効果等においては、第
1、第2および第3の実施の形態と同様であるため、詳
細な説明を省略する。
The other manufacturing steps, effects, and the like are the same as those of the first, second, and third embodiments, and therefore, detailed description is omitted.

【0076】<第5の実施の形態>第5の実施の形態
は、第1の実施の形態のBIT膜から成る強誘電体膜
を、BITの化学量論組成に対してBiの組成比率が多
くなっているBITを含む複数の層で構成されるBIT
膜とする例につき、図を参照して説明する。図8は、第
5の実施の形態の説明における、主要な半導体記憶素子
の形成工程の一部の工程を示す概略的な図であり、各工
程段階での断面の切り口で示してある。
<Fifth Embodiment> In a fifth embodiment, the ferroelectric film composed of the BIT film of the first embodiment is formed by changing the composition ratio of Bi to the stoichiometric composition of BIT. BIT composed of multiple layers including increasing BIT
An example of a film will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a schematic diagram showing a part of a main semiconductor memory element forming process in the description of the fifth embodiment, which is shown by a cross-sectional cut at each process stage.

【0077】まず、第1の実施の形態と同様にして、n
−Si基板10上に順に、p型ウェル層12、ゲート絶
縁膜14、多結晶Si膜16、下部電極膜18まで形成
する(図8の(A))。
First, as in the first embodiment, n
-A p-type well layer 12, a gate insulating film 14, a polycrystalline Si film 16, and a lower electrode film 18 are sequentially formed on the Si substrate 10 (FIG. 8A).

【0078】その後、下部電極膜18上にBITを含ん
でなる強誘電体膜を形成する。この場合、まず、Ti源
およびBi源を溶解していて、BITの化学量論組成か
ら定まるTiに対するBiのモル比率より、Biのモル
比率が多くなっている有機溶剤を用意する。BITの化
学量論組成から定まるBiとTiのモル比率はBi:T
i=4:3である。この例では、有機溶剤溶液中のBi
とTiのモル比率が、例えばBi:Ti=4.4:3で
ある溶液を用いる。また、このモル比率の範囲をBi:
Ti=4.08:3〜4.8:3程度とするとc軸配向
の膜が得られる。この範囲のなかでもBi:Ti=4.
24:3〜4.6:3であるのが好ましい。さらに最適
であるのはBi:Ti=4.4:3である場合である。
このような有機溶剤溶液を用いるとc軸に配向した強誘
電体膜として用いて好適な膜が得られる。また、このよ
うな溶液は、(株)高純度化学研究所などから「有機金
属分解法(MOD法)によるチタン酸ビスマス(BI
T)形成用の溶液」として所望のBiおよびTiモル比
率で購入することができる。
After that, a ferroelectric film containing BIT is formed on the lower electrode film 18. In this case, first, an organic solvent in which the Ti source and the Bi source are dissolved and the molar ratio of Bi is larger than the molar ratio of Bi to Ti determined from the stoichiometric composition of BIT is prepared. The molar ratio of Bi and Ti determined from the stoichiometric composition of BIT is Bi: T
i = 4: 3. In this example, Bi in the organic solvent solution
A solution in which the molar ratio between Ti and Ti is, for example, Bi: Ti = 4.4: 3 is used. Further, the range of this molar ratio is defined as Bi:
When Ti = approximately 4.08: 3 to 4.8: 3, a c-axis oriented film can be obtained. Within this range, Bi: Ti = 4.
The ratio is preferably from 24: 3 to 4.6: 3. More optimal is the case where Bi: Ti = 4.4: 3.
When such an organic solvent solution is used, a film suitable for use as a ferroelectric film oriented in the c-axis can be obtained. Further, such a solution can be obtained from Bismuth titanate (BI) by an organic metal decomposition method (MOD method) by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.
T) A solution for formation "can be purchased in the desired molar ratio of Bi and Ti.

【0079】そして、この溶液を塗布液として用いて、
下部電極膜18上にスピンコートする。塗布液を、下部
電極膜18上に滴下し、その直後にn−Si基板10を
500rpmで10秒間、さらに2500rpmで30
秒間回転させて、塗布膜を形成する。その後、塗布膜か
ら溶剤をとばすために450℃で15分間仮焼成し、さ
らにRTAを用いて乾燥酸素中、850℃で3分間熱処
理(本焼成)して結晶化させて、例えば厚さ600Åの
BIT膜を形成する。この膜を1層目の膜30aとする
(図8(B))。この膜30aは、この膜30aを構成
するBITのc軸が下部電極膜18の上側表面に対して
実質的に垂直に配向しているもの、すなわちc軸に配向
したBIT膜である。また、この膜30aはBITの化
学量論組成に対してBiの組成比率が多くなっているB
ITを含んでなる。なお、仮焼成後の膜を、通常の電気
炉を用いて乾燥酸素中、850℃で30分間熱処理を行
っても同様に、c軸に配向したBIT膜を形成すること
ができる。
Then, using this solution as a coating solution,
The lower electrode film 18 is spin-coated. The coating liquid is dropped on the lower electrode film 18, and immediately thereafter, the n-Si substrate 10 is kept at 500 rpm for 10 seconds, and further at 2500 rpm for 30 seconds.
Rotate for 2 seconds to form a coating film. After that, the coating film is preliminarily baked at 450 ° C. for 15 minutes in order to remove the solvent, and further heat-treated at 850 ° C. for 3 minutes (main firing) in dry oxygen using RTA to crystallize, for example, to a thickness of 600 ° A BIT film is formed. This film is referred to as a first film 30a (FIG. 8B). The film 30a is a BIT film in which the c-axis of the BIT constituting the film 30a is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film 18, that is, the BIT film oriented in the c-axis. Further, this film 30a has a composition ratio of Bi which is larger than the stoichiometric composition of BIT.
IT. Note that a c-axis-oriented BIT film can be similarly formed by performing a heat treatment on the pre-baked film at 850 ° C. for 30 minutes in dry oxygen using a normal electric furnace.

【0080】次に上記の塗布液をさらに1層目の膜30
a上に滴下してn−Si基板10を500rpmで10
秒間、さらに2500rpmで30秒間回転させて塗布
膜を形成し、450℃で15分間仮焼成した後、RTA
を用いて850℃で3分間本焼成を行い、1層目の膜3
0a上に2層目の膜30bを形成する。同様に、塗布液
による塗布膜の形成から仮焼成、本焼成に至る一連の処
理をさらに3回行って、3層目、4層目および5層目の
膜(30c、30dおよび30e)を形成する。これに
より、膜厚3000Å程度のBIT膜30を含んでな
る、強誘電体膜が得られる(図8(C))。
Next, the above coating solution is further applied to the first film 30.
a and dropped on the n-Si substrate 10 at 500 rpm.
After rotating at 2500 rpm for 30 seconds to form a coating film, and calcining at 450 ° C. for 15 minutes, RTA
Baked at 850 ° C. for 3 minutes using
A second layer film 30b is formed on Oa. Similarly, a series of processes from the formation of the coating film using the coating solution to the preliminary baking and the main baking is further performed three times to form the third, fourth, and fifth layers (30c, 30d, and 30e). I do. As a result, a ferroelectric film including the BIT film 30 having a thickness of about 3000 ° is obtained (FIG. 8C).

【0081】その後の工程(強誘電体膜30上に上部電
極膜を形成してから、Al配線を形成するまで)は第1
の実施の形態と同様であるので、ここでは説明を省略す
る。
The subsequent steps (from forming the upper electrode film on the ferroelectric film 30 to forming the Al wiring) are the first steps.
Since the third embodiment is the same as the first embodiment, the description is omitted here.

【0082】この結果、上述したようにしてもMFMI
S型のFETを含んでなる半導体記憶素子を形成するこ
とができる。
As a result, the MFMI
A semiconductor storage element including an S-type FET can be formed.

【0083】このような半導体記憶素子は上から順に、
上部電極膜、強誘電体膜、下部電極膜、ゲート絶縁膜、
および半導体基板を具えた構成のFET(ここではMF
MIS型のFET)を含んでなるものであり、その強誘
電体膜をc軸に配向したBIT膜としたものである。c
軸に配向したBIT膜の比誘電率および残留分極値が小
さいため、この素子を動作させた場合、低いゲート電圧
で十分な電界が、BIT膜からなる強誘電体膜にかか
る。その結果、低いゲート電圧で情報の書き込みおよび
読み取り等の安定した動作が可能となる。
Such semiconductor memory elements are arranged in order from the top.
Upper electrode film, ferroelectric film, lower electrode film, gate insulating film,
And a FET having a semiconductor substrate (here, MF
MIS FET), and the ferroelectric film is a BIT film oriented along the c-axis. c
Since the BIT film oriented in the axis has a small relative dielectric constant and a small residual polarization value, when this element is operated, a sufficient electric field is applied to the ferroelectric film composed of the BIT film at a low gate voltage. As a result, stable operations such as writing and reading of information can be performed with a low gate voltage.

【0084】また、有機溶剤溶液中のBiとTiの比率
がBi:Ti=4.4:3のものを塗布液として用いた
が、この比率がBi:Ti=4.08:3〜4.8:3
の範囲であるとき、c軸に配向した膜が得られる。ま
た、この比率がBi:Ti=4.24:3〜4.6:3
の範囲にあるとき、実質的にc軸に配向した膜で、強誘
電体膜として用いて好適である膜が得られる。Bi:T
i=4.6:3〜4.8:3では、強誘電体膜として用
いることはできるが、c軸の強度は飽和しているという
ことがXRD(X-Ray Diffraction method) による分析
の結果から確認されている。また、この結果からBi:
Ti=4.4:3である塗布液を用いて形成される膜
が、この素子の強誘電体膜として用いて最適である。
Further, a coating solution having a ratio of Bi: Ti = 4.4: 3 in the organic solvent solution was used as the coating solution, and this ratio was Bi: Ti = 4.08: 3-4. 8: 3
When the above range is satisfied, a film oriented in the c-axis is obtained. This ratio is Bi: Ti = 4.24: 3 to 4.6: 3.
In this case, a film substantially oriented along the c-axis and suitable for use as a ferroelectric film can be obtained. Bi: T
When i = 4.6: 3 to 4.8: 3, it can be used as a ferroelectric film, but the intensity of the c-axis is saturated, indicating that the result of analysis by XRD (X-Ray Diffraction method). Has been confirmed from. In addition, Bi:
A film formed using a coating solution in which Ti = 4.4: 3 is most suitable for use as a ferroelectric film of this device.

【0085】また、この第5の実施の形態の方法で形成
した強誘電体膜の表面は、第1の実施の形態の方法で形
成した膜と比べると、その平坦性は若干低いが、強誘電
体膜として用いるのに何の支障も来さない程度である。
また、この実施の形態のように、Biリッチの塗布液を
用いて形成する一種類の膜で強誘電体膜を構成すること
ができるために、製造工程がより簡易となって、素子の
形成が容易となる。
The surface of the ferroelectric film formed by the method of the fifth embodiment has a slightly lower flatness than that of the film formed by the method of the first embodiment. There is no problem in using it as a dielectric film.
Further, as in this embodiment, since the ferroelectric film can be constituted by one type of film formed using a Bi-rich coating solution, the manufacturing process is simplified, and the formation of the element is simplified. Becomes easier.

【0086】また、基本的には第5の実施の形態と同様
であるが、下部電極膜18を、上側がRuO2 (酸化ル
テニウム)膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構
成される膜としてあってもよい。強誘電体膜を形成する
工程およびこの強誘電体膜による効果は第5の実施の形
態と同様で、その他の工程および効果は第2の実施の形
態と同様であるため、ここでは説明を省略する。
Also, it is basically the same as the fifth embodiment, except that the lower electrode film 18 is composed of a RuO 2 (ruthenium oxide) film on the upper side and a Ru (ruthenium) film on the lower side. It may be provided as a film. The steps of forming the ferroelectric film and the effects of the ferroelectric film are the same as those of the fifth embodiment, and the other steps and effects are the same as those of the second embodiment. I do.

【0087】また、下部電極膜18を、上側がRuO2
膜、下側がRu膜の2層で構成される膜としてあり、こ
の下部電極膜18と、強誘電体膜20との間に、化学量
論組成のチタン酸ビスマスを含んでなる平坦化用の膜を
更に設けてあってもよい。
The lower electrode film 18 is made of RuO 2
The lower side is a film composed of two layers of a Ru film. Between the lower electrode film 18 and the ferroelectric film 20, a flattening film containing bismuth titanate having a stoichiometric composition is provided. A film may be further provided.

【0088】また、上記平坦化用の膜を、BITの化学
量論組成に対してTiの組成比率が多くなっているBI
Tを含んでなる膜としてもよい(以下、この膜をTiリ
ッチのBIT膜ともいう。)。
Further, the flattening film is made of a BI having a high composition ratio of Ti to the stoichiometric composition of BIT.
It may be a film containing T (hereinafter, this film is also referred to as a Ti-rich BIT film).

【0089】<第6の実施の形態>第6の実施の形態
は、基本的には第1の実施の形態と同様であるが、下部
電極膜18を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)膜、
下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜とし
てある。
<Sixth Embodiment> The sixth embodiment is basically the same as the first embodiment, except that the lower electrode film 18 is formed on the upper side and an IrO 2 (iridium oxide) film is formed on the upper side. ,
The lower side is a film composed of two layers of Ir (iridium) film.

【0090】図9の(A)および(B)は、第6の実施
の形態の半導体記憶素子の構成および形成方法を説明す
るための概略的な断面図(ただし、切り口の図)であ
り、半導体記憶素子の形成工程の一部を示してある。
FIGS. 9A and 9B are schematic cross-sectional views (although cutaway views) for describing the configuration and the method of forming the semiconductor memory element according to the sixth embodiment. 2 shows a part of a process of forming a semiconductor storage element.

【0091】多結晶Si膜16を形成する工程までは第
1の実施の形態と同様である。その後、多結晶Si膜1
6上に、スパッタ法により、例えば厚さ1000ÅのI
r膜18cを形成し、さらにこのIr膜18c上に、酸
素およびアルゴンを含有する雰囲気中で反応性スパッタ
法により、例えば厚さ1000ÅのIrO2 膜18dを
形成する。次に、IrO2 膜18d上に強誘電体膜20
を第1の実施の形態と同様の方法で形成する。続いて強
誘電体膜20上に上部電極膜22としてここではIrO
2 膜22aをスパッタ法を用いて2000Åの厚さに形
成する(図9の(A))。このように、強誘電体膜20
に酸化膜(IrO2 膜18d)が接しているため、強誘
電体膜に欠乏しやすい酸素を膜に供給して、膜疲労を抑
制することができる。この結果強誘電体膜の疲労特性を
向上させることができる。また、多結晶Si膜16上に
IrO2 膜を直接形成せずにIr膜18cを間に設ける
のは、多結晶Si膜の酸化を防ぐと共に、多結晶Si膜
16とIrO2 膜18dとの密着性を向上させるためで
ある。また、これらのIrO2 膜18dとIr膜18c
とからなる下部電極膜18は、優れた耐熱性を有してい
る。すなわちこの下部電極膜18は、例えば強誘電体膜
を形成するときのような高温の酸素雰囲気中において安
定である。また、下部電極膜18は強誘電体膜と電極と
の間の相互拡散を防ぐ特性、すなわち優れたバリア性も
有している。また、上部電極膜22としてIrO2 膜を
用いると、強誘電体を挟む上下の電極は、同じ材料の電
極となるため強誘電体ヒステリシスには、両電極間の仕
事関数差による影響がなくなる。
The steps up to the step of forming the polycrystalline Si film 16 are the same as in the first embodiment. Then, the polycrystalline Si film 1
6 by sputtering, for example, an I
An r film 18c is formed, and an IrO 2 film 18d having a thickness of, for example, 1000 ° is formed on the Ir film 18c by a reactive sputtering method in an atmosphere containing oxygen and argon. Next, the ferroelectric film 20 is formed on the IrO 2 film 18d.
Is formed in the same manner as in the first embodiment. Subsequently, on the ferroelectric film 20, an IrO film is used as an upper electrode film 22 here.
The two films 22a are formed to a thickness of 2000 ° by sputtering (FIG. 9A). Thus, the ferroelectric film 20
Since the oxide film (IrO 2 film 18d) is in contact with the oxide film, oxygen, which is easily deficient in the ferroelectric film, is supplied to the film, thereby suppressing film fatigue. As a result, the fatigue characteristics of the ferroelectric film can be improved. Further, providing the Ir film 18c between the polycrystalline Si film 16 without directly forming the IrO 2 film prevents oxidation of the polycrystalline Si film, and prevents the polycrystalline Si film 16 and the IrO 2 film 18d from being oxidized. This is for improving the adhesion. The IrO 2 film 18d and the Ir film 18c
The lower electrode film 18 having excellent heat resistance. That is, the lower electrode film 18 is stable in a high-temperature oxygen atmosphere such as when a ferroelectric film is formed. Further, the lower electrode film 18 has a property of preventing mutual diffusion between the ferroelectric film and the electrode, that is, also has an excellent barrier property. When an IrO 2 film is used as the upper electrode film 22, the upper and lower electrodes sandwiching the ferroelectric are electrodes of the same material, so that the ferroelectric hysteresis is not affected by the work function difference between the two electrodes.

【0092】さらに、Ir膜18cおよびIrO2 膜1
8dは、第2の実施の形態と同様にして、上部電極膜2
2としてのIrO2 膜22a、強誘電体膜20、多結晶
Si膜16、およびゲート絶縁膜14とともに、塩素系
またはフッ素系のエッチングガスを用いてドライエッチ
ングを行うことができる。よって、これらすべての膜1
4、16、18c、18d、20(20a、20b)、
22aの膜をすべて同時に、一括してドライエッチング
を行う(図9の(B))。このため、工程が簡易にな
る。また、イオンミリングでパターンニングする工程を
含む方法に比べて微細なパターンを形成することが可能
になるため、素子の微細化も期待できる。図中、18c
xは残存したIr膜、18dxは残存したIrO2 膜、
および22axは残存したIrO2 膜を示す。
Further, the Ir film 18c and the IrO 2 film 1
8d is the upper electrode film 2 in the same manner as in the second embodiment.
Dry etching can be performed by using a chlorine-based or fluorine-based etching gas together with the IrO 2 film 22a, the ferroelectric film 20, the polycrystalline Si film 16, and the gate insulating film 14 serving as 2. Therefore, all these films 1
4, 16, 18c, 18d, 20 (20a, 20b),
Dry etching is performed simultaneously and collectively on all the films 22a (FIG. 9B). For this reason, the process is simplified. Further, since a finer pattern can be formed as compared with a method including a patterning step by ion milling, miniaturization of an element can be expected. In the figure, 18c
x is the remaining Ir film, 18dx is the remaining IrO 2 film,
And 22ax indicate the remaining IrO 2 film.

【0093】その他の製造工程や効果等においては、第
1の実施の形態と同様であるため、詳細な説明を省略す
る。
The other manufacturing steps, effects, and the like are the same as those in the first embodiment, and thus detailed description will be omitted.

【0094】また、この下部電極膜18と、強誘電体膜
20との間に、化学量論組成のチタン酸ビスマスを含ん
でなる平坦化用の膜を更に設けてあってもよいし、この
平坦化用の膜を、TiリッチのBIT膜としてもよい。
A flattening film containing stoichiometric bismuth titanate may be further provided between the lower electrode film 18 and the ferroelectric film 20. The flattening film may be a Ti-rich BIT film.

【0095】また、強誘電体膜20は、この例ではBi
リッチの塗布液を用いて得られる下層膜と化学量論組成
のBITから得られる上層膜との合成膜としているが、
Biリッチの塗布液によって得られる膜の単層膜または
積層膜としてもよい。
The ferroelectric film 20 is made of Bi in this example.
Although it is a composite film of a lower film obtained using a rich coating solution and an upper film obtained from a stoichiometric BIT,
It may be a single-layer film or a laminated film of a film obtained with a Bi-rich coating solution.

【0096】この発明は、例示の形態にのみ限定される
ものではないことは明らかである。例えば、上述の第
1、第2、第3、第4、第5および第6の実施の形態で
はいずれもMFMIS型のFETで半導体記憶素子を構
成しているが、強誘電体膜としてBIT膜を用いるのが
好適な半導体記憶素子であれば、MFMIS型のものに
限らない。
It is clear that the invention is not limited only to the exemplary embodiments. For example, in the above-described first, second, third, fourth, fifth, and sixth embodiments, the semiconductor memory element is constituted by an MFMIS-type FET, but the BIT film is used as the ferroelectric film. Is not limited to the MFMIS type as long as the semiconductor memory element is suitable for use.

【0097】例えば変形例として、この発明をMFIS
(Metal Ferroelectric InsulatorSemiconductor)型の
FETに適用することができる。第1の実施の形態と同
様にしてn−Si基板10の上側にゲート絶縁膜14ま
で(n−Si基板10、p型ウェル層12およびゲート
絶縁膜14)形成した後、このゲート絶縁膜14上にB
IT膜40を強誘電体膜として形成する。BIT膜40
は第1の実施の形態のように、Biリッチの塗布液を用
いて得られる下層膜と、化学量論組成のBITから得ら
れる上層膜との合成膜としてもよいし、第5の実施の形
態のようにBiリッチの塗布液から得られる膜としても
よい。この後、電極膜42を形成する(図10)。この
電極膜42には、第1〜第5の実施の形態の上部電極膜
に用いたRu系や、Ir、IrO2 、ReおよびReO
2 を用いることができる。これによって、上から順に、
電極膜、強誘電体膜、ゲート絶縁膜および半導体基板を
具えたMFIS型のFETを形成することができる。な
お、ゲート絶縁膜14には、誘電率の高いTa25
ZrO2 やCeO2 などを用いることができる。
For example, as a modification, the present invention
(Metal Ferroelectric Insulator Semiconductor) type FET can be applied. After forming up to the gate insulating film 14 (the n-Si substrate 10, the p-type well layer 12 and the gate insulating film 14) on the upper side of the n-Si substrate 10 as in the first embodiment, the gate insulating film 14 B on
The IT film 40 is formed as a ferroelectric film. BIT film 40
May be a composite film of a lower film obtained by using a Bi-rich coating solution and an upper film obtained from a BIT of stoichiometric composition as in the first embodiment, or the fifth embodiment As in the embodiment, a film obtained from a Bi-rich coating solution may be used. Thereafter, an electrode film 42 is formed (FIG. 10). The electrode film 42 may be made of a Ru-based material used for the upper electrode film of the first to fifth embodiments, Ir, IrO 2 , Re, and ReO.
2 can be used. Thus, from top to bottom
An MFIS-type FET including an electrode film, a ferroelectric film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate can be formed. Note that, for the gate insulating film 14, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , CeO 2, or the like having a high dielectric constant can be used.

【0098】また上述の各実施の形態では、有機溶剤溶
液中のBiとTiの比率が、Bi:Ti=4.4:3の
ものを塗布液として用いてBIT膜を形成した場合につ
いて示したが、BiとTiの比率が、Bi:Ti=4.
08:3〜4.6:3の範囲のものを塗布液として用い
た場合にも、同様に、c軸に配向したBIT膜が得られ
ることを確認した。また、ここでは、Pt膜またはRu
2 膜(Ru膜とRuO2 膜)との積層膜上にBIT膜
を形成した場合について示したが、その他、IrO2
膜、Si膜、およびSiO2 膜上にBIT膜を形成した
場合にも、同様に、c軸に配向したBIT膜が得られる
ことを確認した。また、有機溶剤溶液中のBiとTiの
比率が、Bi:Ti=4.24:3〜4.6:3の範囲
のものを塗布液として用いて形成したBIT膜の比誘電
率、残留分極値、および抗電界も十分低いことを確認し
た。
In each of the above-described embodiments, the case where the BIT film is formed by using an organic solvent solution in which the ratio of Bi to Ti is Bi: Ti = 4.4: 3 as a coating solution is shown. But the ratio of Bi and Ti is Bi: Ti = 4.
It was also confirmed that a c-axis oriented BIT film could be obtained similarly when a coating solution in the range of 08: 3 to 4.6: 3 was used as the coating solution. Also, here, a Pt film or Ru
O 2 film has been described the case of forming a BIT film on the laminated film of the (Ru film and RuO 2 film), other, IrO 2
It was also confirmed that when a BIT film was formed on the film, the Si film, and the SiO 2 film, a BIT film oriented in the c-axis was similarly obtained. The relative dielectric constant and remanent polarization of a BIT film formed using a coating solution in which the ratio of Bi to Ti in the organic solvent solution is in the range of Bi: Ti = 4.24: 3 to 4.6: 3. It was confirmed that the value and the coercive electric field were also sufficiently low.

【0099】[0099]

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の半導体記憶素子によれば、上側から順に、上部
電極膜、強誘電体膜、下部電極膜、ゲート絶縁膜、およ
び半導体基板を具えた構成の電界効果トランジスタを少
なくとも具えた半導体記憶素子において、強誘電体膜
を、c軸配向のBIT膜であって、Biリッチの下層膜
と、化学量論組成のBITからなる単層または複数の層
の上層膜との積層膜で構成されるBIT膜とした。この
ため、強誘電体膜の比誘電率および残留分極値が小さく
なる。従って、低いゲート電圧で、十分な電界を強誘電
体膜にかけることが可能になる。その結果、低いゲート
電圧で情報の書き込みおよび読み取り等の安定した動作
が可能となる。また、表面が平坦なBIT膜とすること
ができるため、その後の形成工程を容易で正確に行うこ
とができる。また、強誘電体膜は平坦であるので電界が
均等にかかって、電界集中を防ぐことができる。また、
強誘電体膜に接してRuO2 膜やIrO2 膜等の酸化膜
を設けることによって強誘電体膜の疲労特性の改善を図
ることができる。
As is clear from the above description, according to the semiconductor memory device of the present invention, the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, the gate insulating film, and the semiconductor substrate are sequentially arranged from the upper side. In a semiconductor memory device including at least a field-effect transistor having a configuration, the ferroelectric film is a c-axis oriented BIT film, a Bi-rich lower film and a stoichiometric BIT single layer or The BIT film was composed of a laminated film including a plurality of upper films. Therefore, the relative permittivity and the remanent polarization value of the ferroelectric film are reduced. Therefore, a sufficient electric field can be applied to the ferroelectric film at a low gate voltage. As a result, stable operations such as writing and reading of information can be performed with a low gate voltage. Further, since the BIT film can have a flat surface, the subsequent formation process can be performed easily and accurately. In addition, since the ferroelectric film is flat, an electric field is uniformly applied, and electric field concentration can be prevented. Also,
By providing an oxide film such as a RuO 2 film or an IrO 2 film in contact with the ferroelectric film, the fatigue characteristics of the ferroelectric film can be improved.

【0100】また、この発明の半導体記憶素子の形成方
法によれば、上述の半導体記憶素子を形成するに当た
り、または、半導体基板にゲート絶縁膜、および下部電
極膜を順次に形成してなる下地上に、強誘電体膜および
上部電極膜を順次に形成して半導体記憶素子を形成する
に当たり、強誘電体膜を次のような工程を含んで形成す
る。まず、Ti源およびBi源を溶解していて、BIT
の化学量論組成から定まるTiに対するBiのモル比率
より、Biのモル比率が多くなっている有機溶剤溶液か
ら成る第1塗布液を用いて下層膜を形成する。次に、T
i源およびBi源を溶解していて、化学量論組成から定
まるモル比率のBITの有機溶剤溶液から成る第2塗布
液を用いて、この第2塗布液を、下層膜上に、塗布した
後に焼成することを1回または複数回繰り返すことによ
り、上層膜を形成する。このため、BIT膜であって、
この膜を構成するBITのc軸が下部電極膜の上側表面
に対して実質的に垂直に配向しているものを強誘電体膜
とするFETを含んで成る半導体記憶素子を簡易に形成
することができる。すなわち、低いゲート電圧で、十分
な電界を強誘電体膜にかけることが可能なMFMIS型
のFETを含んで成る半導体記憶素子を簡易に形成する
ことができる。その上、BIT膜の表面を平坦に形成す
ることができるため、その後のFETの形成工程も容易
で正確に行うことができる。また、BIT膜は平坦であ
るために、膜の一部に電界集中が生じるのを防ぐことが
できる。
Further, according to the method for forming a semiconductor memory device of the present invention, when forming the above-described semiconductor memory device, or on a base formed by sequentially forming a gate insulating film and a lower electrode film on a semiconductor substrate. Next, in forming a semiconductor memory element by forming a ferroelectric film and an upper electrode film sequentially, a ferroelectric film is formed including the following steps. First, a Ti source and a Bi source are dissolved,
The lower layer film is formed by using a first coating solution composed of an organic solvent solution in which the molar ratio of Bi is larger than the molar ratio of Bi to Ti determined from the stoichiometric composition of the above. Next, T
Using a second coating solution comprising an organic solvent solution of BIT in a molar ratio determined from the stoichiometric composition in which the i source and the Bi source are dissolved, the second coating solution is coated on the lower layer film, and By repeating firing one or more times, an upper layer film is formed. Therefore, it is a BIT film,
To easily form a semiconductor storage element including an FET having a ferroelectric film in which the BIT of the BIT constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film. Can be. That is, a semiconductor memory element including an MFMIS-type FET that can apply a sufficient electric field to the ferroelectric film with a low gate voltage can be easily formed. In addition, since the surface of the BIT film can be formed flat, the subsequent FET forming process can be performed easily and accurately. Further, since the BIT film is flat, it is possible to prevent electric field concentration from being generated in a part of the film.

【0101】また、強誘電体膜を、次のような工程を含
んで形成する。まずTi源およびBi源を溶解してい
て、BITの化学量論組成から定まるTiに対するBi
のモル比率より、Biのモル比率が多くなっている有機
溶剤溶液からなる塗布液を用いて、この塗布液を、下部
電極膜上に塗布した後に焼成することを1回または複数
回繰り返すことによりc軸配向のBIT膜を形成する。
このため、より容易に強誘電体膜を形成することができ
る。したがって、このような強誘電体膜を有するFET
を含んでなる半導体記憶素子を、より簡易に形成するこ
とができる。
Further, a ferroelectric film is formed including the following steps. First, a Ti source and a Bi source are dissolved, and Bi to Ti determined from the stoichiometric composition of BIT is used.
By using a coating solution composed of an organic solvent solution in which the molar ratio of Bi is larger than that of the above, the coating solution is applied on the lower electrode film and then baked one or more times. A BIT film with c-axis orientation is formed.
Therefore, a ferroelectric film can be formed more easily. Therefore, an FET having such a ferroelectric film
Can be more easily formed.

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

【図1】(A)〜(D)は、第1の実施の形態の説明に
供する半導体記憶素子の製造工程を示す概略的な断面図
である。
FIGS. 1A to 1D are schematic cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor memory element for explaining a first embodiment;

【図2】(A)〜(C)は、図1に続く、第1の実施の
形態の説明に供する半導体記憶素子の製造工程を示す概
略的な断面図である。
FIGS. 2A to 2C are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of the semiconductor memory element for explaining the first embodiment, following FIG. 1;

【図3】(A)〜(C)は、図2に続く、第1の実施の
形態の説明に供する半導体記憶素子の製造工程を示す概
略的な断面図である。
FIGS. 3A to 3C are schematic cross-sectional views subsequent to FIG. 2, illustrating a manufacturing process of a semiconductor memory element used for describing the first embodiment;

【図4】(A)〜(C)は、図3に続く、第1の実施の
形態の説明に供する半導体記憶素子の製造工程を示す概
略的な断面図である。
FIGS. 4A to 4C are schematic cross-sectional views showing a manufacturing process of the semiconductor memory element used for describing the first embodiment following FIG. 3;

【図5】(A)および(B)は、第1の実施の形態の強
誘電体膜の表面の平坦さを説明するためのモデル図であ
る。
FIGS. 5A and 5B are model diagrams for explaining the flatness of the surface of the ferroelectric film according to the first embodiment; FIGS.

【図6】(A)および(B)は、第2の実施の形態の説
明に供する概略的な断面図である。
FIGS. 6A and 6B are schematic cross-sectional views for explaining a second embodiment.

【図7】(A)および(B)は、第3および第4の実施
の形態の説明に供する概略的な断面図である。
FIGS. 7A and 7B are schematic cross-sectional views for explaining a third and a fourth embodiment.

【図8】(A)〜(C)は、第5の実施の形態の説明に
供する概略的な断面図である。
FIGS. 8A to 8C are schematic sectional views for explaining a fifth embodiment;

【図9】(A)および(B)は、第6の実施の形態の説
明に供する概略的な断面図である。
FIGS. 9A and 9B are schematic cross-sectional views for explaining a sixth embodiment.

【図10】この発明の変形例の説明に供する概略的な断
面図である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view for describing a modification of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:n−Si基板 12:p型ウェル層 14:ゲート絶縁膜 14x:(残存した)ゲート絶縁膜 16:多結晶Si膜 16x:(残存した)多結晶Si膜 18:下部電極膜 18x:(残存した)下部電極膜 18a:Ru膜 18b:RuO2 膜 18c:Ir膜 18d:IrO2 膜 19:平坦化用の膜 19x:(残存した)平坦化用の膜 20:強誘電体膜 20x:(残存した)強誘電体膜 20a:下層膜 20ax:(残存した)下層膜 20b:上層膜 20bx:(残存した)上層膜 22:上部電極膜 22a:IrO2 膜 22x:(残存した)上部電極膜 24:SiO2 膜 24x:パターンニング用のマスク 30,40:BIT膜、強誘電体膜 42:電極膜10: n-Si substrate 12: p-type well layer 14: gate insulating film 14x: (residual) gate insulating film 16: polycrystalline Si film 16x: (residual) polycrystalline Si film 18: lower electrode film 18x: ( Lower electrode film 18a: Ru film 18b: RuO 2 film 18c: Ir film 18d: IrO 2 film 19: Flattening film 19x: (Remaining) flattening film 20: Ferroelectric film 20x: (Remaining) ferroelectric film 20a: Lower film 20ax: (Remaining) lower film 20b: Upper film 20bx: (Remaining) upper film 22: Upper electrode film 22a: IrO 2 film 22x: (Remaining) upper electrode Film 24: SiO 2 film 24x: Mask for patterning 30, 40: BIT film, ferroelectric film 42: Electrode film

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/792 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H01L 29/792

Claims (22)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 上側から順に、上部電極膜、強誘電体
膜、下部電極膜、ゲート絶縁膜、および半導体基板を具
えた構成の電界効果トランジスタを少なくとも具えた半
導体記憶素子において、 前記強誘電体膜を、 1)チタン酸ビスマス膜であって、 2)該膜を構成するチタン酸ビスマスのc軸が前記下部
電極膜の上側表面に対して実質的に垂直に配向してい
て、 3)チタン酸ビスマスの化学量論組成に対してビスマス
の組成比率が多くなっているチタン酸ビスマスを含む下
層膜と、化学量論組成のチタン酸ビスマスを含む単層ま
たは複数の層の上層膜との積層膜で構成される当該チタ
ン酸ビスマス膜としたことを特徴とする半導体記憶素
子。
1. A semiconductor memory device having at least a field-effect transistor having a configuration including an upper electrode film, a ferroelectric film, a lower electrode film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate, in order from the top, The film is: 1) a bismuth titanate film; 2) the c-axis of bismuth titanate constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film; 3) titanium Stacking of a lower layer containing bismuth titanate in which the composition ratio of bismuth to the stoichiometric composition of bismuthate is higher, and an upper layer containing a single layer or a plurality of layers containing bismuth titanate having a stoichiometric composition A bismuth titanate film comprising a film.
【請求項2】 請求項1に記載の半導体記憶素子におい
て、 前記下部電極膜をPt(白金)膜としたことを特徴とす
る半導体記憶素子。
2. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said lower electrode film is a Pt (platinum) film.
【請求項3】 請求項1に記載の半導体記憶素子におい
て、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたことを特徴とする半導体記憶素子。
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
A semiconductor memory element comprising a film and a lower layer formed of two layers of a Ru (ruthenium) film.
【請求項4】 請求項1に記載の半導体記憶素子におい
て、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、 前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、化
学量論組成のチタン酸ビスマスを含有してなる平坦化用
の膜を更に設けたことを特徴とする半導体記憶素子。
4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein said lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
When the film and the lower side are made of two layers of Ru (ruthenium) films, a flat film containing bismuth titanate having a stoichiometric composition is provided between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element further comprising a film for conversion.
【請求項5】 請求項1に記載の半導体記憶素子におい
て、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、 前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、チ
タン酸ビスマスの化学量論組成に対してチタンの組成比
率が多くなっているチタン酸ビスマスを含有してなる、
平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とする半導体記憶
素子。
5. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
When the film and the lower side are composed of two layers of Ru (ruthenium) films, the composition of titanium with respect to the stoichiometric composition of bismuth titanate is between the lower electrode film and the bismuth titanate film. It contains bismuth titanate whose ratio is increasing,
A semiconductor memory element further comprising a planarizing film.
【請求項6】 請求項1に記載の半導体記憶素子を形成
するに当たり、 a)チタン源およびビスマス源を溶解していて、チタン
酸ビスマスの化学量論組成から定まるチタンに対するビ
スマスのモル比率より、ビスマスのモル比率が多くなっ
ている有機溶剤溶液から成る第1塗布液を用いて前記下
層膜を形成する工程と、 b)チタン源およびビスマス源を溶解していて、化学量
論組成から定まるモル比率のチタン酸ビスマスの有機溶
剤溶液から成る第2塗布液を用いて、該第2塗布液を、
前記下層膜上に、塗布した後に焼成することを1回また
は複数回繰り返すことにより、前記上層膜を形成する工
程とを含むことを特徴とする半導体記憶素子の形成方
法。
6. A semiconductor memory device according to claim 1, wherein: a) a titanium source and a bismuth source are dissolved, and the molar ratio of bismuth to titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth titanate is: Forming the underlayer film using a first coating solution comprising an organic solvent solution having an increased molar ratio of bismuth; and b) dissolving a titanium source and a bismuth source and determining a molar amount determined from a stoichiometric composition. Using a second coating solution consisting of an organic solvent solution of bismuth titanate in a ratio, the second coating solution is
Forming the upper layer film by repeating, once or more than once, applying and baking on the lower layer film, thereby forming the upper layer film.
【請求項7】 半導体基板にゲート絶縁膜、および下部
電極膜を順次に形成してなる下地上に、強誘電体膜およ
び上部電極膜を順次に形成して半導体記憶素子を形成す
るに当たり、 前記強誘電体膜の形成は、 イ)チタン源およびビスマス源を溶解していて、チタン
酸ビスマスの化学量論組成から定まるチタンに対するビ
スマスのモル比率より、ビスマスのモル比率が多くなっ
ている有機溶剤溶液から成る第1塗布液を用いて下層膜
を形成する工程と、 ロ)チタン源およびビスマス源を溶解していて、化学量
論組成から定まるモル比率のチタン酸ビスマスの有機溶
剤溶液から成る第2塗布液を用いて、該第2塗布液を、
前記下層膜上に、塗布した後に焼成することを1回また
は複数回繰り返すことにより、上層膜を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体記憶素子の形成方法。
7. A method for forming a semiconductor memory device by sequentially forming a ferroelectric film and an upper electrode film on a base in which a gate insulating film and a lower electrode film are sequentially formed on a semiconductor substrate. The ferroelectric film is formed by: a) an organic solvent in which the titanium source and the bismuth source are dissolved and the molar ratio of bismuth is greater than the molar ratio of bismuth to titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth titanate Forming a lower layer film using a first coating solution comprising a solution; and b) dissolving a titanium source and a bismuth source and comprising a bismuth titanate organic solvent solution in a molar ratio determined by a stoichiometric composition. 2 using the second coating solution,
Forming an upper layer film by repeating application and baking on the lower layer film once or a plurality of times to form an upper layer film.
【請求項8】 上側から順に、上部電極膜、強誘電体
膜、下部電極膜、ゲート絶縁膜、および半導体基板を具
えた構成の電界効果トランジスタを少なくとも具えた半
導体記憶素子において、 前記強誘電体膜を、 1)チタン酸ビスマス膜であって、 2)該膜を構成するチタン酸ビスマスのc軸が前記下部
電極膜の上側表面に対して実質的に垂直に配向してい
て、 3)チタン酸ビスマスの化学量論組成から定まるチタン
に対するビスマスのモル比率よりビスマスの組成比率が
多くなっているチタン酸ビスマスを含む単層または複数
の層で構成される当該チタン酸ビスマス膜としたことを
特徴とする半導体記憶素子。
8. A semiconductor memory device including at least a field effect transistor having a configuration including an upper electrode film, a ferroelectric film, a lower electrode film, a gate insulating film, and a semiconductor substrate, in order from the top, wherein: The film is: 1) a bismuth titanate film; 2) the c-axis of bismuth titanate constituting the film is oriented substantially perpendicular to the upper surface of the lower electrode film; 3) titanium The bismuth titanate film is composed of a single layer or a plurality of layers containing bismuth titanate in which the composition ratio of bismuth is greater than the molar ratio of bismuth to titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth acid. Semiconductor memory element.
【請求項9】 請求項8に記載の半導体記憶素子におい
て、 前記下部電極膜をPt(白金)膜としたことを特徴とす
る半導体記憶素子。
9. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein said lower electrode film is a Pt (platinum) film.
【請求項10】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたことを特徴とする半導体記憶素子。
10. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein said lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
A semiconductor memory element comprising a film and a lower layer formed of two layers of a Ru (ruthenium) film.
【請求項11】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、 前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、化
学量論組成のチタン酸ビスマスを含有してなる平坦化用
の膜を更に設けたことを特徴とする半導体記憶素子。
11. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein said lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
When the film and the lower side are made of two layers of Ru (ruthenium) films, a flat film containing bismuth titanate having a stoichiometric composition is provided between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element further comprising a film for conversion.
【請求項12】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がRuO2 (酸化ルテニウム)
膜、下側がRu(ルテニウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、 前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜との間に、チ
タン酸ビスマスの化学量論組成に対してチタンの組成比
率が多くなっているチタン酸ビスマスを含有してなる、
平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とする半導体記憶
素子。
12. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein said lower electrode film is made of RuO 2 (ruthenium oxide).
When the film and the lower side are composed of two layers of Ru (ruthenium) films, the composition of titanium with respect to the stoichiometric composition of bismuth titanate is between the lower electrode film and the bismuth titanate film. It contains bismuth titanate whose ratio is increasing,
A semiconductor memory element further comprising a planarizing film.
【請求項13】 請求項8に記載の半導体記憶素子を形
成するに当たり、 チタン源およびビスマス源を溶解していて、前記チタン
酸ビスマスの化学量論組成から定まるチタンに対するモ
ル比率より、ビスマスのモル比率が多くなっている有機
溶剤溶液からなる塗布液を用いて、該塗布液を、前記下
部電極膜上に塗布した後に焼成することを1回または複
数回繰り返すことにより、前記チタン酸ビスマス膜を形
成する工程を含むことを特徴とする半導体記憶素子の形
成方法。
13. A method for forming a semiconductor memory device according to claim 8, wherein a titanium source and a bismuth source are dissolved, and a molar ratio of bismuth is determined based on a molar ratio of titanium to titanium determined from a stoichiometric composition of the bismuth titanate. The bismuth titanate film is formed by repeating, once or more than once, using a coating solution composed of an organic solvent solution having a higher ratio, and applying the coating solution on the lower electrode film and then firing the coating solution one or more times. A method for forming a semiconductor memory element, comprising a step of forming.
【請求項14】 半導体基板にゲート絶縁膜、および下
部電極膜を順次に形成してなる下地上に、強誘電体膜お
よび上部電極膜を順次に形成して半導体記憶素子を形成
するに当たり、 前記強誘電体膜の形成は、 チタン源およびビスマス源を溶解していて、チタン酸ビ
スマスの化学量論組成から定まるチタンに対するモル比
率より、ビスマスのモル比率が多くなっている有機溶剤
溶液からなる塗布液を用いて、該塗布液を、前記下部電
極膜上に塗布した後に焼成することを1回または複数回
繰り返すことにより、前記チタン酸ビスマス膜を形成す
る工程を含むことを特徴とする半導体記憶素子の形成方
法。
14. A method for forming a semiconductor memory element by sequentially forming a ferroelectric film and an upper electrode film on a base on which a gate insulating film and a lower electrode film are sequentially formed on a semiconductor substrate. The ferroelectric film is formed by coating an organic solvent solution in which a titanium source and a bismuth source are dissolved and the molar ratio of bismuth is larger than that of titanium determined from the stoichiometric composition of bismuth titanate. A step of forming the bismuth titanate film by repeating, once or more than once, applying the coating solution on the lower electrode film using a liquid and then baking the coating solution. Element formation method.
【請求項15】 請求項1に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたことを特徴とする半導体記憶素子。
15. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
A semiconductor memory element comprising a film and a lower layer formed of two layers of an Ir (iridium) film.
【請求項16】 請求項1に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記上部電極膜を、IrO2 (酸化イリジ
ウム)膜としたことを特徴とする半導体記憶素子。
16. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
A semiconductor memory device, wherein the upper electrode film is an IrO 2 (iridium oxide) film when the film is a film composed of two layers of Ir (iridium) film on the lower side.
【請求項17】 請求項1に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜
との間に、化学量論組成のチタン酸ビスマスを含有して
なる平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とする半導体
記憶素子。
17. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
When the film and the lower side are formed of two layers of an Ir (iridium) film, a flat surface containing bismuth titanate having a stoichiometric composition is provided between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element further comprising a film for conversion.
【請求項18】 請求項1に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜
との間に、チタン酸ビスマスの化学量論組成に対してチ
タンの組成比率が多くなっているチタン酸ビスマスを含
有してなる、平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とす
る半導体記憶素子。
18. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
Assuming that the film and the lower side are composed of two layers of Ir (iridium) film, the composition of titanium with respect to the stoichiometric composition of bismuth titanate is between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element, further comprising a planarizing film containing bismuth titanate having an increased ratio.
【請求項19】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたことを特徴とする半導体記憶素子。
19. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein said lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
A semiconductor memory element comprising a film and a lower layer formed of two layers of an Ir (iridium) film.
【請求項20】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記上部電極膜を、IrO2 (酸化イリジ
ウム)膜としたことを特徴とする半導体記憶素子。
20. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
A semiconductor memory device, wherein the upper electrode film is an IrO 2 (iridium oxide) film when the film is a film composed of two layers of Ir (iridium) film on the lower side.
【請求項21】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜
との間に、化学量論組成のチタン酸ビスマスを含有して
なる平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とする半導体
記憶素子。
21. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
When the film and the lower side are formed of two layers of an Ir (iridium) film, a flat surface containing bismuth titanate having a stoichiometric composition is provided between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element further comprising a film for conversion.
【請求項22】 請求項8に記載の半導体記憶素子にお
いて、 前記下部電極膜を、上側がIrO2 (酸化イリジウム)
膜、下側がIr(イリジウム)膜の2層で構成される膜
としたとき、前記下部電極膜と前記チタン酸ビスマス膜
との間に、チタン酸ビスマスの化学量論組成に対してチ
タンの組成比率が多くなっているチタン酸ビスマスを含
有してなる、平坦化用の膜を更に設けたことを特徴とす
る半導体記憶素子。
22. The semiconductor memory device according to claim 8, wherein the lower electrode film has an upper side made of IrO 2 (iridium oxide).
Assuming that the film and the lower side are composed of two layers of Ir (iridium) film, the composition of titanium with respect to the stoichiometric composition of bismuth titanate is between the lower electrode film and the bismuth titanate film. A semiconductor memory element, further comprising a planarizing film containing bismuth titanate having an increased ratio.
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