JPH11186510A - Method for forming ferroelectric capacitor and method for manufacturing nonvolatile semiconductor storage device - Google Patents

Method for forming ferroelectric capacitor and method for manufacturing nonvolatile semiconductor storage device

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JPH11186510A
JPH11186510A JP9354710A JP35471097A JPH11186510A JP H11186510 A JPH11186510 A JP H11186510A JP 9354710 A JP9354710 A JP 9354710A JP 35471097 A JP35471097 A JP 35471097A JP H11186510 A JPH11186510 A JP H11186510A
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ferroelectric
film
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ferroelectric film
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Nobuhito Ogata
信人 緒方
Yasuyuki Ito
康幸 伊藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture, with good yield, a ferroelectric capacitor of superior ferroelectric characteristics and nonvolatile semiconductor storage device of a stack-type structure comprising the ferroelectric capacitor. SOLUTION: On a lower part Pt electrode 4 formed on a silicon substrate 1 through a thermal-oxidation film 2 and a TiO2 adherence layer 3, an SrBi2 Ta2 O9 film 7 which is a ferroelectric film is formed. Then, through thermal process at 650-800 deg.C in a nitrogen atmosphere which is an inert gas, the ferroelectric film is crystallized. Then, an upper part Pt electrode 6 is formed on the ferroelectric film.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体膜を有す
るキャパシタ(以下、「強誘電体キャパシタ」とい
う。)の形成方法及びこの強誘電体キャパシタを備えた
不揮発性半導体記憶素子の製造方法に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for forming a capacitor having a ferroelectric film (hereinafter referred to as "ferroelectric capacitor") and a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device provided with this ferroelectric capacitor. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の不揮発性半導体記憶素子である、
EPROM、EEPROM、フラッシュメモリ等は読み
出し時間こそDRAM並であるが、書き込み時間が長
く、高速動作は期待できない。これに対して、強誘電体
キャパシタを用いた不揮発性半導体記憶素子は読み出
し、書き込み共にDRAM並であり、高速動作の期待で
きる不揮発性メモリである。デバイス構造は、選択トラ
ンジスタ1つと強誘電体キャパシタ1つで1セル又は選
択トランジスタ2つと強誘電体キャパシタ2つで1セル
を構成するのが一般的である。
2. Description of the Related Art A conventional non-volatile semiconductor memory device,
The read time of an EPROM, an EEPROM, a flash memory or the like is comparable to that of a DRAM, but the write time is long and high-speed operation cannot be expected. On the other hand, a non-volatile semiconductor storage element using a ferroelectric capacitor is comparable to a DRAM in both reading and writing, and is a non-volatile memory that can be expected to operate at high speed. In general, the device structure forms one cell with one select transistor and one ferroelectric capacitor, or one cell with two select transistors and two ferroelectric capacitors.

【0003】強誘電体キャパシタに用いる強誘電体材料
として、これまで検討されてきたPZTに比べて疲労特
性が良く低電圧駆動が可能なSrBi2Ta29が注目
され、現在盛んに検討されている。
As a ferroelectric material used for a ferroelectric capacitor, SrBi 2 Ta 2 O 9, which has better fatigue characteristics and can be driven at a lower voltage than PZT which has been studied so far, has attracted attention and is being actively studied. ing.

【0004】この材料は、PZT等の強誘電体材料とは
異なり、MOD法、ゾルゲル法、MOCVD法、スパッ
タリング法等のいずれかの形成方法においても、特開平
8−23073号公報や特開平9−36309号公報に
開示されているように、通常700〜800℃程度の高
温における酸化性雰囲気中の熱処理で強誘電体の結晶化
をさせている。
This material is different from a ferroelectric material such as PZT or the like, and can be formed by any method such as a MOD method, a sol-gel method, a MOCVD method, and a sputtering method. As disclosed in JP-A-36309, the ferroelectric is crystallized by a heat treatment in an oxidizing atmosphere at a high temperature of usually about 700 to 800 ° C.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような高温の酸化性雰囲気での熱処理は、比較的集積度
の低い平面型構造の強誘電体キャパシタではそれほど問
題にならないものの、強電体メモリを高集積化するため
に不可欠なスタック型構造においては、下部電極とのコ
ンタクトに用いるポリシリコンプラグや、プラグと下部
白金電極と間の拡散を防止するTiN又はTaSiN等
のバリアメタルの高温プロセスでの酸化が生じる。
However, the above-mentioned heat treatment in a high-temperature oxidizing atmosphere is not so problematic for a ferroelectric capacitor having a relatively low integration in a planar structure. In a stack type structure that is indispensable for high integration, a polysilicon plug used for contact with the lower electrode and a barrier metal such as TiN or TaSiN for preventing diffusion between the plug and the lower platinum electrode are subjected to a high-temperature process. Oxidation occurs.

【0006】このようなポリシリコンプラグやバリアメ
タルの酸化が起こると、プラグと下部電極間が導通しな
くなったり、バリアメタルが膨張を起こして剥離してし
まうという問題が生じる。
[0006] When such oxidation of the polysilicon plug or the barrier metal occurs, there arises a problem that the conduction between the plug and the lower electrode is stopped or the barrier metal expands and peels off.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
の強誘電体キャパシタの形成方法。下部電極上に強誘電
体膜を形成する工程と、不活性ガス雰囲気中で熱処理す
ることで上記強誘電体膜を結晶化する工程と、上記強誘
電体膜上に上部電極を形成する工程とを有することを特
徴とするものである。
A method for forming a ferroelectric capacitor according to the present invention according to claim 1. Forming a ferroelectric film on the lower electrode, crystallizing the ferroelectric film by heat treatment in an inert gas atmosphere, and forming an upper electrode on the ferroelectric film. It is characterized by having.

【0008】また、請求項2に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記結晶化工程後に、酸素雰
囲気中で、上記下部電極の下地が酸化されない温度で上
記強誘電体膜の酸素欠損補充のための熱処理をする工程
を有することを特徴とする、請求項1に記載の強誘電体
キャパシタの製造方法である。
According to a second aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, after the crystallization step, the ferroelectric film is formed in an oxygen atmosphere at a temperature at which a base of the lower electrode is not oxidized. 2. The method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment for supplementing oxygen deficiency.

【0009】また、請求項3に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記下部電極上に上記強誘電
体膜を形成する工程が、塗布成膜法を用いて、強誘電体
膜材料を所定の膜厚まで塗布した後、乾燥させる工程を
繰り返し、所望の膜厚の強誘電体膜を形成する工程であ
ることを特徴とする、請求項1又は請求項2に記載の強
誘電体キャパシタの形成方法である。
According to a third aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the step of forming the ferroelectric film on the lower electrode includes the step of forming the ferroelectric film using a coating film forming method. 3. The ferroelectric film according to claim 1, wherein a step of applying the film material to a predetermined film thickness and then drying is repeated to form a ferroelectric film having a desired film thickness. This is a method for forming a dielectric capacitor.

【0010】また、請求項4に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、下部電極上に所定の膜厚の強
誘電体膜を形成した後、不活性ガス雰囲気中で熱処理す
ることで上記強誘電体膜を結晶化する工程を繰り返し、
所望の膜厚の強誘電体膜を形成する工程と、該強誘電体
膜上に上部電極を形成する工程とを有することを特徴と
するものである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, wherein a ferroelectric film having a predetermined thickness is formed on a lower electrode and then heat-treated in an inert gas atmosphere. Repeat the step of crystallizing the ferroelectric film,
The method is characterized by including a step of forming a ferroelectric film having a desired film thickness and a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film.

【0011】また、請求項5に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記所望の膜厚の強誘電体膜
を形成した後、酸素雰囲気中で、上記下部電極の下地が
酸化されない温度で上記強誘電体膜の酸素欠損補充のた
めの熱処理をする工程を有することを特徴とする、請求
項4に記載の強誘電体キャパシタの形成方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, after forming the ferroelectric film having the desired thickness, the underlayer of the lower electrode is oxidized in an oxygen atmosphere. 5. The method for forming a ferroelectric capacitor according to claim 4, further comprising a step of performing a heat treatment for replenishing oxygen deficiency of the ferroelectric film at a temperature not performed.

【0012】また、請求項6に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記強誘電体膜を塗布成膜法
を用いることを特徴とする、請求項4又は請求項5に記
載の強誘電体キャパシタの形成方法である。
The method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention described in claim 6 is characterized in that the ferroelectric film is formed by a coating method. This is a method for forming a ferroelectric capacitor.

【0013】また、請求項7に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記酸素欠損補充のための熱
処理を上記上部電極形成後に行うことを特徴とする、請
求項2、請求項3、請求項5又は請求項6のいずれかに
記載の強誘電体キャパシタの形成方法である。
In the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to a seventh aspect of the present invention, the heat treatment for supplementing the oxygen deficiency is performed after the formation of the upper electrode. 3. A method for forming a ferroelectric capacitor according to any one of claims 5 and 6.

【0014】また、請求項8に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記強誘電体膜がビスマス系
層状構造化合物であることを特徴とする請求項1乃至請
求項7のいずれかに記載の強誘電体キャパシタの形成方
法である。
According to a eighth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the ferroelectric film is a bismuth-based layered structure compound. Or a method for forming a ferroelectric capacitor.

【0015】また、請求項9に記載の本発明の強誘電体
キャパシタの製造方法は、上記ビスマス系層状構造化合
物がSrBi2(Ta1-xNbx29(0≦x≦1)で
あることを特徴とする請求項8に記載の強誘電体キャパ
シタの形成方法である。
According to a ninth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the bismuth-based layer structure compound is SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (0 ≦ x ≦ 1). The method for forming a ferroelectric capacitor according to claim 8, wherein

【0016】また、請求項10に記載の本発明の強誘電
体キャパシタの製造方法は、上記強誘電体膜の結晶化の
ための熱処理を650℃乃至800℃の温度で行うこと
を特徴とする、請求項1乃至請求項9のいずれかに記載
の強誘電体キャパシタの形成方法である。
According to a tenth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present invention, the heat treatment for crystallizing the ferroelectric film is performed at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. A method for forming a ferroelectric capacitor according to any one of claims 1 to 9.

【0017】更に、請求項11に記載の本発明の不揮発
性半導体記憶素子の製造方法は、半導体基板に選択トラ
ンジスタを形成し、該選択トランジスタ上に層間絶縁膜
を形成した後、該層間絶縁膜に形成されたコンタクトホ
ールにおいて上記半導体基板と電気的に接続するように
導電性プラグ或いは該導電性プラグ及び導電性バリア層
を形成し、該導電性プラグ或いは該導電性プラグ及び導
電性バリア層と電気的に接続するように、上記下部電極
を形成した後、上記請求項1乃至請求項10に記載の工
程で強誘電体キャパシタを形成することを特徴とするも
のである。
Further, according to a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to the present invention, a select transistor is formed on a semiconductor substrate, and an interlayer insulating film is formed on the select transistor. Forming a conductive plug or the conductive plug and the conductive barrier layer so as to be electrically connected to the semiconductor substrate in the contact hole formed in the conductive plug or the conductive plug and the conductive plug and the conductive barrier layer; After the lower electrode is formed so as to be electrically connected, a ferroelectric capacitor is formed by the steps described in the first to tenth aspects.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づいて本発
明について詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.

【0019】本発明における強誘電体キャパシタを有す
る不揮発性半導体記憶素子に用いる基板は通常の半導体
装置や集積回路等の基板として使用することができる基
板であれば特に限定されるものではないが、シリコン基
板が望ましい。
The substrate used for the non-volatile semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor in the present invention is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for ordinary semiconductor devices and integrated circuits. A silicon substrate is preferred.

【0020】本発明において、強誘電体膜は、ビスマス
系層状構造化合物、例えば、Bi4Ti312、SrBi
2Ta29、SrBi2Nb29、SrBi2(Ta1-x
x29、BaBi2Nb29、BaBi2Ta29
PbBi2Nb29、PbBi2Ta29、PbBi4
415、SrBi4Ti415、BaBi4Ti415
Sr2Bi4Ti518、Ba2Bi4Ti518、Pb2
4Ti518、Na0.5Bi4.5Ti415、K0.5Bi
4.5Ti415等が挙げられるが、中でもSrBi2Ta2
9、SrBi2(Ta1-xNbx29(0<x≦1)が
好ましい。
In the present invention, the ferroelectric film is made of a bismuth-based layered structure compound, for example, Bi 4 Ti 3 O 12 , SrBi.
2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Nb 2 O 9 , SrBi 2 (Ta 1-x N
b x ) 2 O 9 , BaBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 ,
PbBi 2 Nb 2 O 9 , PbBi 2 Ta 2 O 9 , PbBi 4 T
i 4 O 15 , SrBi 4 Ti 4 O 15 , BaBi 4 Ti 4 O 15 ,
Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Pb 2 B
i 4 Ti 5 O 18 , Na 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , K 0.5 Bi
4.5 Ti 4 O 15 and the like, among which SrBi 2 Ta 2
O 9 and SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (0 <x ≦ 1) are preferred.

【0021】これらの強誘電体膜は上記基板上にゾルゲ
ル法、MOD(Metal Organic Deco
mposition)法等の塗布成膜法及びMOCVD
法、スパッタリング法等によって形成される。
These ferroelectric films are formed on the above substrate by a sol-gel method or MOD (Metal Organic Deco).
coating) method such as deposition method and MOCVD
It is formed by a method, a sputtering method or the like.

【0022】塗布成膜法においては、上記薄膜を構成す
る一部の元素の塩又は金属アルコキシド等を含む有機溶
媒と、他の元素の塩又は金属アルコキシド等を含む有機
溶媒とを混合することによって、原料溶液を調製し、こ
の原料溶液をスピンコート等により、1回の塗布で20
〜100nm程度の膜厚で塗布し、100〜300℃程
度の乾燥工程を行う。
In the coating film forming method, an organic solvent containing a salt or a metal alkoxide of some of the elements constituting the thin film is mixed with an organic solvent containing a salt or a metal alkoxide of another element. , A raw material solution is prepared, and the raw material solution is coated by spin coating or the like in a single application.
It is applied with a thickness of about 100 nm and a drying step of about 100-300 ° C. is performed.

【0023】この塗布成膜法中で、MOD法で用いる原
料溶液の作成方法の一例を以下に説明する。
An example of a method for preparing a raw material solution used in the MOD method in the coating film forming method will be described below.

【0024】まず、溶液合成の出発原料として、タンタ
ルエトキシド(Ta(OC255)、2−エチルヘキ
サン酸ビスマス(Bi(OCOC7152)、及び2−
エチルヘキサン酸ストロンチウム(Sr(OCOC7
152)を使用した。タンタルエトキシドを秤量し、2
−エチルヘキサン酸中に溶解させ反応を促進さえるた
め、100℃から最高温度120℃まで加熱しながら撹
拌し、30分間反応させた。その後、120℃での反応
によって生成したエタノールと水分とを除去した。この
溶液に20〜30mlのキシレンに溶解させた2−エチ
ルヘキサン酸ストロンチウムをSr/Ta=8/20に
なるように適量加えて、125℃から最高温度140℃
で30分間加熱撹拌した。その後、この溶液に10ml
のキシレンに溶解させた2−エチルヘキサン酸ビスマス
をSr/Bi/Ta=8/24/20になるように適量
加え、130℃から最高温度150℃で10時間加熱撹
拌した。
First, tantalum ethoxide (Ta (OC 2 H 5 ) 5 ), bismuth 2-ethylhexanoate (Bi (OCOC 7 H 15 ) 2 ), and 2-
Strontium ethylhexanoate (Sr (OCOC 7 H
15 ) 2 ) was used. Weigh tantalum ethoxide, 2
In order to accelerate the reaction by dissolving in -ethylhexanoic acid, the mixture was stirred while heating from 100 ° C to a maximum temperature of 120 ° C, and reacted for 30 minutes. Thereafter, ethanol and water generated by the reaction at 120 ° C. were removed. An appropriate amount of strontium 2-ethylhexanoate dissolved in 20 to 30 ml of xylene is added to this solution so that Sr / Ta = 8/20, and the maximum temperature is increased from 125 ° C. to 140 ° C.
For 30 minutes. Then add 10 ml to this solution
Bismuth 2-ethylhexanoate dissolved in xylene was added in an appropriate amount so that Sr / Bi / Ta = 8/24/20, and the mixture was heated with stirring at 130 ° C. to a maximum temperature of 150 ° C. for 10 hours.

【0025】次に、この溶液から低分子量のアルコール
と水と溶媒として使用したキシレンとを除去するため
に、130〜150℃の温度で5時間蒸留した。その後
溶液のSrBi2Ta29の濃度が0.1mol/lに
なるように調整し、これを前駆体溶液とした。尚、これ
らの出発原料は上記のものに限定されるものではなく、
原料中に酸素を含む有機金属であればよい。また、溶媒
についても上記出発原料が十分に溶解するものであれば
よい。
Next, in order to remove the low-molecular-weight alcohol, water and xylene used as a solvent from the solution, the solution was distilled at a temperature of 130 to 150 ° C. for 5 hours. Thereafter, the concentration of SrBi 2 Ta 2 O 9 in the solution was adjusted to 0.1 mol / l, and this was used as a precursor solution. Incidentally, these starting materials are not limited to those described above,
Any organic metal containing oxygen in the raw material may be used. The solvent may be any one as long as the starting material can be sufficiently dissolved.

【0026】従来の塗布成膜法では、その後の500〜
600℃程度の仮焼成熱処理、650〜800℃程度の
強誘電体薄膜の結晶化を目的とした熱処理、上部電極形
成、加工後における膜のリーク電流の抑制のための50
0〜700℃の熱処理等をすべて酸化性雰囲気中にて行
っていた。
In the conventional coating film forming method, the following 500 to
Pre-baking heat treatment at about 600 ° C., heat treatment at about 650-800 ° C. for crystallization of the ferroelectric thin film, formation of an upper electrode, and 50 for suppressing leakage current of the film after processing.
All heat treatments at 0 to 700 ° C. have been performed in an oxidizing atmosphere.

【0027】これに対し、本発明では、最も高温の熱処
理を必要とする結晶化熱処理を窒素、アルゴン等の不活
性雰囲気中で行うことを特徴としている。この不活性雰
囲気中の結晶化熱処理は、結晶化熱処理温度とリーク電
流密度との関係を示す図17に示すように650〜80
0℃程度で行うことが望ましい。尚、図17のデータ
は、一括結晶化アニールを行ったものであり、Pt/T
iO2/SiO2/Siの4層基板にMOD溶液を塗布
し、結晶化を窒素雰囲気で60分間、上部電極形成後酸
素雰囲気で550℃、60分間の熱処理を行った試料を
用いたものである。
On the other hand, the present invention is characterized in that the crystallization heat treatment requiring the highest temperature heat treatment is performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon. The crystallization heat treatment in this inert atmosphere is performed at 650 to 80 as shown in FIG.
It is desirable to carry out at about 0 ° C. The data in FIG. 17 is obtained by performing a batch crystallization anneal, and Pt / T
iO 2 / SiO 2 / Si a MOD solution was applied to a four-layer substrate, 60 minutes crystallization in a nitrogen atmosphere, 550 ° C. in an oxygen atmosphere after forming the upper electrode, which was using a sample subjected to heat treatment for 60 minutes is there.

【0028】この際、塗布、乾燥等を繰り返して所望の
厚さまで膜を堆積した後の一括の結晶化であっても良い
し、塗布、乾燥工程毎の結晶化であってもよい。また、
熱処理時間は特に限定せず、拡散炉による数分〜数時間
の熱処理、又は、RTAによる数十秒〜数分の熱処理に
よる十分な結晶化が可能な時間とする。
At this time, crystallization may be performed at once after depositing a film to a desired thickness by repeating coating and drying, or crystallization at each coating and drying step. Also,
The heat treatment time is not particularly limited, and is set to a time capable of sufficient crystallization by heat treatment for several minutes to several hours by a diffusion furnace or heat treatment for several tens seconds to several minutes by RTA.

【0029】通常、酸化物の結晶化のための熱処理は酸
素を十分供給する必要があるため、酸化性雰囲気中で行
わなければならない。しかしながら、ゾルゲル法やMO
D法等では金属アルコキシドや塩等の原料中に多くの酸
素が含まれており、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中
においても、結晶化が可能である。しかしながら、より
強誘電特性を向上させるため及びリーク電流抑制のた
め、上部電極形成後、400〜650℃程度の熱処理を
行う。
Normally, the heat treatment for crystallization of the oxide must be performed in an oxidizing atmosphere because oxygen needs to be supplied sufficiently. However, the sol-gel method and MO
In the method D or the like, a large amount of oxygen is contained in a raw material such as a metal alkoxide or a salt, and crystallization is possible even in an inert atmosphere such as nitrogen or argon. However, in order to further improve the ferroelectric characteristics and suppress the leakage current, a heat treatment at about 400 to 650 ° C. is performed after the upper electrode is formed.

【0030】また、MOCVD法による強誘電体薄膜形
成においては、酸素含有雰囲気中において、650℃以
下の比較的低い基板温度で膜を堆積して、アモルファス
又は弱い結晶状態とする。使用するソース原料、キャリ
アガス流量、酸素濃度、圧力等の成膜条件は、膜中に酸
素が十分取り込まれ、ポストアニールで十分に結晶化さ
せることができる条件とする。
In the formation of a ferroelectric thin film by the MOCVD method, a film is deposited at a relatively low substrate temperature of 650 ° C. or less in an oxygen-containing atmosphere to be in an amorphous or weakly crystalline state. The film forming conditions such as the source material used, the flow rate of the carrier gas, the oxygen concentration, and the pressure are such that oxygen is sufficiently taken into the film and sufficient crystallization can be achieved by post-annealing.

【0031】その後、ポストアニールを窒素、アルゴン
等の不活性雰囲気中で650〜800℃程度で行い、強
誘電体膜を結晶化させる。このような膜の堆積、ポスト
アニールの工程は、所望の膜厚まで堆積した後の一括の
ポストアニールでもよいし、膜の堆積、ポストアニール
を数回繰り返して所望の膜厚を得る方法でも良い。上部
電極形成後に、リーク電流抑制及び酸素欠損の補充を目
的とした、400〜650℃程度の熱処理を行う。
Thereafter, post-annealing is performed at about 650 to 800 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen or argon to crystallize the ferroelectric film. The step of depositing and post-annealing such a film may be batch post-annealing after depositing to a desired film thickness, or a method of repeating film deposition and post-annealing several times to obtain a desired film thickness. . After the formation of the upper electrode, a heat treatment at about 400 to 650 ° C. is performed for the purpose of suppressing leak current and replenishing oxygen vacancies.

【0032】また、スパッタリング法による強誘電体薄
膜形成においても、MOCVD法と同様に、酸素含有雰
囲気中において、650℃以下の比較的低い基板温度で
膜を堆積して、アモルファス又は弱い結晶状態とする。
使用するソース原料、キャリアガス流量、酸素濃度、圧
力等の成膜条件は、膜中に酸素が十分取り込まれ、ポス
トアニールで十分に結晶化させることができる条件とす
る。
Also, in the formation of a ferroelectric thin film by a sputtering method, a film is deposited at a relatively low substrate temperature of 650 ° C. or less in an oxygen-containing atmosphere to form an amorphous or weakly crystalline state, as in the MOCVD method. I do.
The film forming conditions such as the source material used, the flow rate of the carrier gas, the oxygen concentration, and the pressure are such that oxygen is sufficiently taken into the film and sufficient crystallization can be achieved by post-annealing.

【0033】その後、ポストアニールを窒素、アルゴン
等の不活性雰囲気中で650〜800℃程度で行い、強
誘電体膜を結晶化させる。このような膜の堆積、ポスト
アニールの工程は、所望の膜厚まで堆積した後の一括の
ポストアニールでもよいし、膜の堆積、ポストアニール
を数回繰り返して所望の膜厚を得る方法でも良い。上部
電極形成後は、リーク電流抑制及び酸素欠損の補充を目
的とした、400〜650℃程度の熱処理を行う。
Thereafter, post annealing is performed at about 650 to 800 ° C. in an inert atmosphere such as nitrogen or argon to crystallize the ferroelectric film. The step of depositing and post-annealing such a film may be batch post-annealing after depositing to a desired film thickness, or a method of repeating film deposition and post-annealing several times to obtain a desired film thickness. . After forming the upper electrode, a heat treatment at about 400 to 650 ° C. is performed for the purpose of suppressing leak current and replenishing oxygen vacancies.

【0034】上述のような方法を用いれば、通常最も高
温を必要とする強誘電体薄膜の結晶化熱処理工程を窒
素、アルゴン等の不活性雰囲気中で行うことにより、高
温プロセスでの酸化が問題となるスタック型強誘電体記
憶素子に対するダメージを十分抑制することが可能であ
る。
If the above-mentioned method is used, the crystallization heat treatment step of the ferroelectric thin film, which usually requires the highest temperature, is performed in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, so that oxidation in the high temperature process is problematic. It is possible to sufficiently suppress damage to the stacked ferroelectric memory element.

【0035】(第1の実施例)以下、図1及び図2を用
いて、本発明の第1の実施例の強誘電体記憶素子の製造
工程を説明する。
(First Embodiment) A manufacturing process of a ferroelectric memory element according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0036】まず、シリコン基板1上に、水蒸気を含有
させた酸素雰囲気中で1050℃、20分の熱処理をす
ることにより、膜厚が200nmの熱酸化膜(SiO2
膜)2を形成する。その後、シリコン基板1上にTiを
DCパワーを2kW、基板温度を400℃の条件でスパ
ッタリングして膜厚が20nmのTi膜を形成し、さら
にこのTi膜を熱酸化して膜厚40nmのTiO2密着
層3を形成した。その後、PtをDCパワーを2kW、
基板温度を500℃の条件でスパッタリングし、膜厚が
200nmの下部Pt電極4を形成し、Pt/TiO2
/SiO2/Si基板を準備した(図2(a))。
First, a thermal oxide film (SiO 2) having a thickness of 200 nm is formed on the silicon substrate 1 by performing a heat treatment at 1050 ° C. for 20 minutes in an oxygen atmosphere containing water vapor.
(Film) 2 is formed. Thereafter, Ti is sputtered on the silicon substrate 1 under the conditions of a DC power of 2 kW and a substrate temperature of 400 ° C. to form a 20 nm thick Ti film, and the Ti film is thermally oxidized to form a 40 nm thick TiO 2 film. 2 An adhesion layer 3 was formed. Then, Pt was changed to DC power of 2 kW,
Sputtering is performed at a substrate temperature of 500 ° C. to form a lower Pt electrode 4 having a thickness of 200 nm, and Pt / TiO 2
A / SiO 2 / Si substrate was prepared (FIG. 2A).

【0037】次に、このPt/TiO2/SiO2/Si
基板上に、上述の原料溶液の作成方法によって作成され
た、強誘電体SrBi2Ta29のMOD溶液(組成比
Sr/Bi/Ta=8/24/20)を1層が50nm
程度となるように塗布した後、250℃、5分の乾燥を
行う工程後、常圧酸素雰囲気中において、基板温度を5
00℃、時間30分の仮焼成を行った。更に、常圧窒素
雰囲気中での700℃、60分の熱処理により、SrB
2Ta29膜7を結晶化させた(図2(b))。
Next, the Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si
One layer of a MOD solution of ferroelectric SrBi 2 Ta 2 O 9 (composition ratio Sr / Bi / Ta = 8/24/20) formed on the substrate by the above-described method for preparing a raw material solution has a thickness of 50 nm.
After drying at 250 ° C. for 5 minutes, the substrate temperature is reduced to 5 in an atmospheric oxygen atmosphere.
Preliminary calcination was performed at 00 ° C. for 30 minutes. Further, heat treatment at 700 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere at normal pressure allows SrB
The i 2 Ta 2 O 9 film 7 was crystallized (FIG. 2B).

【0038】これら塗布から窒素雰囲気中熱処理までの
一連の工程を、塗布毎に繰り返し、4回の塗布で膜厚2
00nm程度とした(図2(c))。
A series of steps from the application to the heat treatment in a nitrogen atmosphere are repeated for each application, and a film thickness of 2
It was about 00 nm (FIG. 2C).

【0039】また、このSrBi2Ta29膜5上にP
tをDCパワー2kW、基板温度500℃の条件でスパ
ッタリングにより形成し、さらに公知のドライエッチン
グ法で加工して、上部Pt電極6とした(図2
(d))。ドライエッチングにはECRエッチャーを用
い、使用ガスはC26、CHF3、Cl2の混合ガスとし
た。
On the SrBi 2 Ta 2 O 9 film 5, P
t was formed by sputtering under the conditions of a DC power of 2 kW and a substrate temperature of 500 ° C., and further processed by a known dry etching method to form an upper Pt electrode 6 (FIG. 2).
(D)). An ECR etcher was used for dry etching, and the gas used was a mixed gas of C 2 F 6 , CHF 3 and Cl 2 .

【0040】その後、リーク電流抑制のため、常圧窒素
雰囲気中における基板温度550℃、時間60分の熱処
理を行う。
Thereafter, in order to suppress the leakage current, heat treatment is performed in a normal pressure nitrogen atmosphere at a substrate temperature of 550 ° C. for 60 minutes.

【0041】上記の方法で作製した強誘電体キャパシタ
素子の上部電極面積は、1×10-4cm2とした。
The area of the upper electrode of the ferroelectric capacitor element manufactured by the above method was 1 × 10 −4 cm 2 .

【0042】図3及び図4にそれぞれ、この強誘電体キ
ャパシタ素子のヒステリシス特性(±3V印加時)、リ
ーク電流特性を示す。強誘電特性はPr=4.9μC/
cm2、Vc=0.48V(または、Ec=24kV/
cm)、また、+3V印加時のリーク電流密度は3×1
-8A/cm2、絶縁耐圧は20V以上であった。これ
より、第1の実施例における素子は、上部Pt電極形成
後の熱処理雰囲気のみが違う第3の実施の形態と比較し
て、Prが小さくなっているものの、リーク電流密度、
絶縁耐圧が良好であることがわかる。
FIGS. 3 and 4 show the hysteresis characteristics (when ± 3 V is applied) and the leakage current characteristics of the ferroelectric capacitor element, respectively. The ferroelectric property is Pr = 4.9 μC /
cm 2 , Vc = 0.48 V (or Ec = 24 kV /
cm), and the leak current density when +3 V is applied is 3 × 1
0 -8 A / cm 2 , and the withstand voltage was 20 V or more. Thus, although the device in the first embodiment has a smaller Pr compared to the third embodiment in which only the heat treatment atmosphere after the formation of the upper Pt electrode is different from the third embodiment, the leakage current density,
It can be seen that the dielectric strength is good.

【0043】また、第1の実施例では、強誘電体薄膜の
結晶化のための熱処理における不活性雰囲気は窒素雰囲
気としたが、これをアルゴン雰囲気としても同様な結果
が得られた。
Further, in the first embodiment, the inert atmosphere in the heat treatment for crystallization of the ferroelectric thin film was a nitrogen atmosphere, but the same result was obtained when the inert atmosphere was replaced with an argon atmosphere.

【0044】また、上記強誘電体薄膜はSrBi2Ta2
9を用いているが、Taの一部をNbに置換したSr
Bi2(Ta1-xNbx29(x=0.4)を用いた場
合、Pr=6μC/cm2、Vc=0.72V(または
Ec=35kV/cm)、また+3V印加時のリーク電
流密度は8×10-8A/cm2、絶縁耐圧は20V以上
であった。このように、SrBi2(Ta1-xNbx2
9(x=0.4)についても、本実施例で用いた作製方
法により良好な強誘電特性が得られることがわかる。こ
の他、Nbの添加濃度をさらに増やしても0<x≦1の
範囲で良好な強誘電特性が得られた。
The ferroelectric thin film is made of SrBi 2 Ta 2
Although using O 9, by replacing part of Ta to Nb Sr
When Bi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (x = 0.4) is used, Pr = 6 μC / cm 2 , Vc = 0.72 V (or Ec = 35 kV / cm), and +3 V applied Had a leakage current density of 8 × 10 −8 A / cm 2 and a withstand voltage of 20 V or more. Thus, SrBi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O
9 (x = 0.4), it can be seen that good ferroelectric characteristics can be obtained by the manufacturing method used in this example. In addition, good ferroelectric properties were obtained in the range of 0 <x ≦ 1 even when the concentration of Nb was further increased.

【0045】(第2の実施例)以下、図5及び図6を用
いて、本発明の第2の実施例の強誘電体記憶素子の製造
工程を説明する。
(Second Embodiment) A manufacturing process of a ferroelectric memory element according to a second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0046】まず、シリコン基板1上に、水蒸気を含有
させた酸素雰囲気中で1050℃、20分の熱処理をす
ることにより、膜厚が200nmの熱酸化膜(SiO2
膜)2を形成する。その後、シリコン基板1上にTiを
DCパワーを2kW、基板温度を400℃の条件でスパ
ッタリングして膜厚が20nmのTi膜を形成し、さら
にこのTi膜を熱酸化して膜厚40nmのTiO2密着
層3を形成した。その後、PtをDCパワーを2kW、
基板温度を500℃の条件でスパッタリングし、膜厚が
200nmの下部Pt電極4を形成し、Pt/TiO2
/SiO2/Si基板を準備した(図6(a))。
First, a thermal oxide film (SiO 2) having a thickness of 200 nm is formed on the silicon substrate 1 by performing a heat treatment at 1050 ° C. for 20 minutes in an oxygen atmosphere containing water vapor.
(Film) 2 is formed. Thereafter, Ti is sputtered on the silicon substrate 1 under the conditions of a DC power of 2 kW and a substrate temperature of 400 ° C. to form a 20 nm thick Ti film, and the Ti film is thermally oxidized to form a 40 nm thick TiO 2 film. 2 An adhesion layer 3 was formed. Then, Pt was changed to DC power of 2 kW,
Sputtering is performed at a substrate temperature of 500 ° C. to form a lower Pt electrode 4 having a thickness of 200 nm, and Pt / TiO 2
A / SiO 2 / Si substrate was prepared (FIG. 6A).

【0047】次に、このPt/TiO2/SiO2/Si
基板上に、第1の実施例と同様の方法で作成された強誘
電体SrBi2Ta29のMOD溶液(組成比Sr/B
i/Ta=8/24/20)を1層が50nm程度とな
るように塗布し、250℃、5分の乾燥工程を4回繰り
返して所望の膜厚200nm程度とし、常圧酸素雰囲気
中において、基板温度を500℃、時間30分の熱処理
によって膜中の残留有機物を分解するための仮焼成を行
った(図6(b))。
Next, the Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si
On a substrate, a MOD solution (composition ratio Sr / B) of ferroelectric SrBi 2 Ta 2 O 9 prepared in the same manner as in the first embodiment.
i / Ta = 8/24/20) is applied so that one layer has a thickness of about 50 nm, and a drying process at 250 ° C. for 5 minutes is repeated four times to obtain a desired film thickness of about 200 nm. Then, calcination was performed to decompose residual organic matter in the film by heat treatment at a substrate temperature of 500 ° C. for 30 minutes (FIG. 6B).

【0048】その後、常圧窒素雰囲気中において、基板
温度700℃、時間60分の熱処理により、SrBi2
Ta29膜5を結晶化させた。また、このSrBi2
29膜5上にPtをDCパワー2kW、基板温度50
0℃の条件でスパッタリングにより形成し、さらに公知
のドライエッチング法で加工して、上部Pt電極6とし
た。ドライエッチングにはECRエッチャーを用い、使
用ガスはC26、CHF3、Cl2の混合ガスとした。そ
の後、リーク電流の抑制及び酸素欠損の補充による強誘
電特性の安定化を目的とした、常圧酸素雰囲気中におけ
る基板温度550℃、時間30分の熱処理を行った(図
6(c))。尚、図6(c)において、符号5aは酸素
雰囲気中でのアニール処理が行われたSrBi2Ta2
9膜を示す。
Thereafter, in a nitrogen atmosphere at normal pressure, a heat treatment was performed at a substrate temperature of 700 ° C. for 60 minutes to obtain SrBi 2
The Ta 2 O 9 film 5 was crystallized. In addition, this SrBi 2 T
a 2 O 9 film 5 with Pt DC power 2 kW, substrate temperature 50
The upper Pt electrode 6 was formed by sputtering at 0 ° C. and further processed by a known dry etching method. An ECR etcher was used for dry etching, and the gas used was a mixed gas of C 2 F 6 , CHF 3 and Cl 2 . Thereafter, a heat treatment was performed at a substrate temperature of 550 ° C. for 30 minutes in a normal pressure oxygen atmosphere for the purpose of suppressing leakage current and stabilizing ferroelectric characteristics by supplementing oxygen vacancies (FIG. 6C). In FIG. 6C, reference numeral 5a denotes SrBi 2 Ta 2 O that has been annealed in an oxygen atmosphere.
Shows 9 membranes.

【0049】上記の方法で作製した強誘電体キャパシタ
素子の上部電極面積は、1×10-4cm2とした。この
工程で作製した強誘電体薄膜のXRDパターンを図7に
示す。図7により、SrBi2Ta29の(105)
面、(110)面、(200)面等の反射に対する強い
ピークが見られ、SrBi2Ta29が十分結晶化して
いることがわかる。
The area of the upper electrode of the ferroelectric capacitor element manufactured by the above method was 1 × 10 −4 cm 2 . FIG. 7 shows an XRD pattern of the ferroelectric thin film manufactured in this step. According to FIG. 7, (105) of SrBi 2 Ta 2 O 9
Strong peaks for reflection on the (110) plane, (200) plane, and the like are seen, indicating that SrBi 2 Ta 2 O 9 is sufficiently crystallized.

【0050】図8及び図9にそれぞれ、この強誘電体キ
ャパシタ素子のヒステリシス特性(±3V印加時)、リ
ーク電流特性を示す。強誘電特性はPr=10.2μC
/cm2、Vc=0.68V(または、Ec=34.2
kV/cm)、また、+3V印加時のリーク電流密度は
5×10-8A/cm2、絶縁耐圧は約16Vであった。
これより、第2の実施例における素子は、ヒステリシス
特性、リーク電流密度、絶縁耐圧が良好であることがわ
かる。
FIGS. 8 and 9 show a hysteresis characteristic (when ± 3 V is applied) and a leakage current characteristic of the ferroelectric capacitor element, respectively. Ferroelectric property: Pr = 10.2μC
/ Cm 2 , Vc = 0.68 V (or Ec = 34.2)
kV / cm), the leak current density when +3 V was applied was 5 × 10 −8 A / cm 2 , and the withstand voltage was about 16 V.
This indicates that the device according to the second embodiment has good hysteresis characteristics, leak current density, and dielectric strength.

【0051】また、第2の実施例では、強誘電体薄膜の
結晶化のための熱処理における不活性雰囲気は窒素雰囲
気としたが、これをアルゴン雰囲気としても同様な結果
が得られた。
In the second embodiment, the inert atmosphere in the heat treatment for crystallization of the ferroelectric thin film was a nitrogen atmosphere, but the same result was obtained when the atmosphere was changed to an argon atmosphere.

【0052】また、上記強誘電体薄膜はSrBi2Ta2
9を用いているが、Taの一部をNbに置換したSr
Bi2(Ta1-xNbx29(x=0.4)を用いた場
合、Pr=13.5μC/cm2、Vc=0.83V
(またはEc=41.7kV/cm)、また+3V印加
時のリーク電流密度は8×10-8A/cm2、絶縁耐圧
は約15Vであった。このように、SrBi2(Ta1-x
Nbx29(x=0.4)についても、本実施例で用
いた作製方法により良好な強誘電特性が得られることが
わかる。この他、Nbの添加濃度をさらに増やしても0
<x≦1の範囲で良好な強誘電特性が得られた。
The ferroelectric thin film is made of SrBi 2 Ta 2
Although using O 9, by replacing part of Ta to Nb Sr
When Bi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (x = 0.4) is used, Pr = 13.5 μC / cm 2 and Vc = 0.83 V
(Or Ec = 41.7 kV / cm), the leak current density when +3 V was applied was 8 × 10 −8 A / cm 2 , and the withstand voltage was about 15 V. Thus, SrBi 2 (Ta 1-x
As for Nb x ) 2 O 9 (x = 0.4), it can be seen that good ferroelectric properties can be obtained by the manufacturing method used in this example. In addition, even if the concentration of Nb is further increased,
Good ferroelectric properties were obtained in the range of <x ≦ 1.

【0053】(第3の実施例)以下、図10及び図11
を用いて本発明の第3の実施例の強誘電体記憶素子の製
造工程を説明する。
Third Embodiment Hereinafter, FIGS. 10 and 11 will be described.
The manufacturing process of the ferroelectric memory element according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

【0054】まず、第1の実施例と同様の方法で、Pt
/TiO2/SiO2/Si基板を準備した(図11
(a))。
First, in the same manner as in the first embodiment, Pt
/ TiO 2 / SiO 2 / Si substrate was prepared (FIG. 11).
(A)).

【0055】次に、このPt/TiO2/SiO2/Si
基板上に、第1の実施例と同様の方法で作成された強誘
電体SrBi2Ta29のMOD溶液(組成比Sr/B
i/Ta=8/24/20)を1層が50nm程度とな
るように塗布し、250℃、5分の乾燥工程の後、常圧
酸素雰囲気中において、基板温度を500℃、時間30
分の熱処理によって膜中の残留有機物を分解するための
仮焼成を行った。その後、常圧窒素雰囲気中において、
基板温度700℃、時間60分の熱処理により、SrB
2Ta29膜7を結晶化させた(図11(b))。こ
れら塗布から窒素雰囲気中熱処理までの一連の工程を塗
布毎に繰り返し、4回の塗布で200nmの膜厚とした
(図11(c))。
Next, the Pt / TiO 2 / SiO 2 / Si
On a substrate, a MOD solution (composition ratio Sr / B) of ferroelectric SrBi 2 Ta 2 O 9 prepared in the same manner as in the first embodiment.
i / Ta = 8/24/20) so that one layer has a thickness of about 50 nm. After a drying step at 250 ° C. for 5 minutes, the substrate temperature is set to 500 ° C. for 30 hours in an atmospheric oxygen atmosphere.
Preliminary baking was performed to decompose residual organic matter in the film by heat treatment for one minute. Then, in a normal pressure nitrogen atmosphere,
SrB by heat treatment at a substrate temperature of 700 ° C. for 60 minutes
The i 2 Ta 2 O 9 film 7 was crystallized (FIG. 11B). A series of steps from the application to the heat treatment in a nitrogen atmosphere was repeated for each application, and the film thickness was 200 nm by four applications (FIG. 11C).

【0056】また、このSrBi2Ta29膜7上にP
tをDCパワー2kW、基板温度500℃の条件でスパ
ッタリングにより形成し、さらに公知のドライエッチン
グ法で加工して、上部Pt電極6とした。ドライエッチ
ングにはECRエッチャーを用い、使用ガスはC26
CHF3、Cl2の混合ガスとした。その後、リーク電流
の抑制及び酸素欠損の補充による強誘電特性の安定化を
目的とした、常圧酸素雰囲気中における基板温度550
℃、時間30分の熱処理を行った(図11(d))。
尚、図11(d)において、符号7aは酸素雰囲気中で
のアニール処理が行われたSrBi2Ta29膜を示
す。
The Pr on the SrBi 2 Ta 2 O 9 film 7
t was formed by sputtering under the conditions of a DC power of 2 kW and a substrate temperature of 500 ° C., and further processed by a known dry etching method to form an upper Pt electrode 6. ECR etcher is used for dry etching, gas used is C 2 F 6 ,
A mixed gas of CHF 3 and Cl 2 was used. Thereafter, a substrate temperature of 550 in a normal pressure oxygen atmosphere for the purpose of suppressing leakage current and stabilizing ferroelectric characteristics by supplementing oxygen vacancies.
Heat treatment was performed at 30 ° C. for 30 minutes (FIG. 11D).
In FIG. 11D, reference numeral 7a denotes an SrBi 2 Ta 2 O 9 film that has been annealed in an oxygen atmosphere.

【0057】上記の方法で作製した強誘電体キャパシタ
素子の上部電極面積は、1×10-4cm2とした。この
工程で作製した強誘電体薄膜のXRDパターンを図12
に示す。図12により、SrBi2Ta29の(10
5)面、(110)面、(200)面等の反射に対する
強いピークが見られ、第2の実施例と同様、SrBi2
Ta29が十分結晶化していることがわかる。
The upper electrode area of the ferroelectric capacitor element manufactured by the above method was set to 1 × 10 −4 cm 2 . The XRD pattern of the ferroelectric thin film manufactured in this step is shown in FIG.
Shown in FIG. 12 shows that (10) of SrBi 2 Ta 2 O 9
Strong peaks for reflection on the 5) plane, the (110) plane, the (200) plane, and the like are observed, and SrBi 2 as in the second embodiment.
It can be seen that Ta 2 O 9 is sufficiently crystallized.

【0058】図13及び図14にそれぞれ、この強誘電
体キャパシタ素子のヒステリシス特性(±3V印加
時)、リーク電流特性を示す。強誘電特性はPr=8.
6μC/cm2、Vc=0.69V(または、Ec=3
4.6kV/cm)、また、+3V印加時のリーク電流
密度は5×10-8A/cm2、絶縁耐圧は20V以上で
あった。これより、第3の実施例における素子は、ヒス
テリシス特性、リーク電流密度、絶縁耐圧が良好である
ことがわかる。特に、第2の実施例では16V程度であ
った耐圧が、第3の実施例では20V以上を示してお
り、絶縁耐圧に優れた膜が得られることがわかる。ま
た、第3の実施例では、強誘電体薄膜の結晶化のための
熱処理における不活性雰囲気は窒素雰囲気としたが、こ
れをアルゴン雰囲気としても同様な結果が得られた。
FIGS. 13 and 14 show the hysteresis characteristics (when ± 3 V is applied) and the leakage current characteristics of the ferroelectric capacitor element, respectively. The ferroelectric property is Pr = 8.
6 μC / cm 2 , Vc = 0.69 V (or Ec = 3
(4.6 kV / cm), the leak current density when +3 V was applied was 5 × 10 −8 A / cm 2 , and the withstand voltage was 20 V or more. This indicates that the device of the third embodiment has good hysteresis characteristics, leak current density, and dielectric strength. In particular, the withstand voltage of about 16 V in the second embodiment is 20 V or more in the third embodiment, and it can be seen that a film having excellent withstand voltage can be obtained. Further, in the third embodiment, the inert atmosphere in the heat treatment for crystallization of the ferroelectric thin film was a nitrogen atmosphere, but the same result was obtained when the atmosphere was changed to an argon atmosphere.

【0059】また、上記強誘電体薄膜はSrBi2Ta2
9を用いているが、Taの一部をNbに置換したSr
Bi2(Ta1-xNbx29(x=0.4)を用いた場
合、Pr=10.2μC/cm2、Vc=0.85V
(またはEc=42.8kV/cm)、また+3V印加
時のリーク電流密度は8×10-8A/cm2、絶縁耐圧
は20V以上であった。このように、SrBi2(Ta
1-xNbx29(x=0.4)についても、本実施例で
用いた作製方法により良好な強誘電特性が得られること
がわかる。この他、Nbの添加濃度をさらに増やしても
0<x≦1の範囲で良好な強誘電特性が得られた。
The above ferroelectric thin film is made of SrBi 2 Ta 2
Although using O 9, by replacing part of Ta to Nb Sr
When Bi 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (x = 0.4) is used, Pr = 10.2 μC / cm 2 and Vc = 0.85 V
(Or Ec = 42.8 kV / cm), the leak current density when applying +3 V was 8 × 10 −8 A / cm 2 , and the dielectric strength was 20 V or more. Thus, SrBi 2 (Ta
As for 1-x Nb x ) 2 O 9 (x = 0.4), it can be seen that good ferroelectric characteristics can be obtained by the manufacturing method used in this example. In addition, good ferroelectric properties were obtained in the range of 0 <x ≦ 1 even when the concentration of Nb was further increased.

【0060】(第4の実施例)以下、図15及び図16
を用いて、本発明の第4の実施例の強誘電体記憶素子の
製造工程を説明する。
(Fourth Embodiment) Hereinafter, FIGS. 15 and 16 will be described.
The manufacturing process of the ferroelectric memory element according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0061】まず、図15(a)に示すように、スイッ
チング用トランジスタを公知のMOSFET形成工程に
より形成し、層間絶縁膜で覆った後、ビット線が基板の
不純物拡散領域11と接触する部分のみ公知のフォトリ
ソグラフィ法とドライエッチング法を用いてコンタクト
ホール27を形成し、不純物を拡散したポリシリコンを
埋め込んだ後、公知のCMP(Chemical Me
chanical Polishing)法により、図
15(b)に示したように層間絶縁膜14とポリシリコ
ンプラグ15表面を平坦化した。次に、図15(c)に
示すようにTaSiNバリアメタル層16を公知のスパ
ッタ法により膜厚2000Å堆積した後、Ir膜17、
IrO2膜18、Pt膜19を公知のスパッタ法により
それぞれ500Å、1000Å、500Å堆積して、P
t/IrO2/Ir/TaSiNという多層下部電極と
した。ここで、Ir、IrO2は高温酸素雰囲気中での
熱処理によるバリアメタルの酸化を防止するために設け
られている。この下部電極上に強誘電体膜として、Sr
Bi2Ta29膜20を形成する。形成方法は、第3の
実施例と同様に、各MOD溶液塗布毎に強誘電体膜を結
晶化させる方法とした。すなわち、第1の実施例と同様
の方法で作成されたMOD溶液(組成比Sr/Bi/T
a=8/24/20)を1層が50nm程度となるよう
に塗布し、250℃、5分の乾燥工程の後、常圧酸素雰
囲気中において、基板温度を500℃、時間30分の熱
処理によって膜中の残留有機物を分解するための仮焼成
を行った。その後、常圧窒素雰囲気中において、基板温
度700℃、時間60分の熱処理により、SrBi2
29膜7を結晶化させた。これら塗布から窒素雰囲気
中熱処理までの一連の工程を塗布毎に繰り返し、4回の
塗布で200nmの膜厚とした。
First, as shown in FIG. 15A, a switching transistor is formed by a well-known MOSFET forming process, and is covered with an interlayer insulating film. Then, only the portion where the bit line contacts the impurity diffusion region 11 of the substrate is formed. A contact hole 27 is formed by using a known photolithography method and a dry etching method, and polysilicon, in which impurities are diffused, is embedded. Then, a known CMP (Chemical Me
As shown in FIG. 15B, the surfaces of the interlayer insulating film 14 and the polysilicon plug 15 were flattened by a mechanical polishing method. Next, as shown in FIG. 15C, a TaSiN barrier metal layer 16 is deposited by a known sputtering method to a thickness of 2000.degree.
An IrO 2 film 18 and a Pt film 19 are deposited at 500 °, 1000 °, and 500 ° by a known sputtering method, respectively.
A multilayer lower electrode of t / IrO 2 / Ir / TaSiN was formed. Here, Ir and IrO 2 are provided in order to prevent oxidation of the barrier metal due to heat treatment in a high-temperature oxygen atmosphere. Sr on the lower electrode as a ferroelectric film.
The Bi 2 Ta 2 O 9 film 20 is formed. As in the third embodiment, the ferroelectric film was crystallized each time the MOD solution was applied, as in the third embodiment. That is, a MOD solution (composition ratio Sr / Bi / T) prepared in the same manner as in the first embodiment.
a = 8/24/20) is applied so that one layer has a thickness of about 50 nm, and after a drying step at 250 ° C. for 5 minutes, a heat treatment is performed in a normal pressure oxygen atmosphere at a substrate temperature of 500 ° C. for 30 minutes. Calcination for decomposing the residual organic matter in the film. Thereafter, in a nitrogen atmosphere at normal pressure, a heat treatment is performed for 60 minutes at a substrate temperature of 700 ° C. for SrBi 2 T.
The a 2 O 9 film 7 was crystallized. A series of steps from the application to the heat treatment in a nitrogen atmosphere was repeated for each application, and the film thickness was 200 nm in four applications.

【0062】次に、膜厚1000Åの上部Pt電極21
を形成した後、公知のフォトリソグラフィ法とドライエ
ッチング法を用いて1.7μm角の大きさに加工した。
その後、リーク電流の抑制及び酸素欠損の補充による強
誘電特性の安定化を目的とした、常圧酸素雰囲気中にお
ける基板温度550℃、時間30分の熱処理を行った。
Next, an upper Pt electrode 21 having a thickness of 1000 °
Was formed and processed into a size of 1.7 μm square using known photolithography and dry etching.
Thereafter, a heat treatment was performed at a substrate temperature of 550 ° C. for 30 minutes in a normal pressure oxygen atmosphere for the purpose of suppressing leakage current and stabilizing ferroelectric characteristics by supplementing oxygen vacancies.

【0063】次に、SrBi2Ta29膜20、Pt膜
19、IrO2膜18、Ir膜17及びTaSiNバリ
アメタル層16を公知のフォトリソグラフィ法とドライ
エッチング法を用いて2.0μm角の大きさに加工し
て、図15(c)に示すような形状とした。ドライエッ
チングにはECRエッチャーを用い、使用ガスはSrB
2Ta29膜20に対してはArとCl2とCF4との
混合ガス、Pt膜19、IrO2膜18及びIr膜17
に対してはC26とCHF3とCl2との混合ガス、Ta
SiNバリアメタル層16に対してはCl2とした。
Next, the SrBi 2 Ta 2 O 9 film 20, the Pt film 19, the IrO 2 film 18, the Ir film 17, and the TaSiN barrier metal layer 16 were formed into a 2.0 μm square by a known photolithography method and a dry etching method. 15 (c) to obtain a shape as shown in FIG. ECR etcher is used for dry etching, and gas used is SrB
For the i 2 Ta 2 O 9 film 20, a mixed gas of Ar, Cl 2 and CF 4 , a Pt film 19, an IrO 2 film 18 and an Ir film 17
For mixed gas of C 2 F 6 , CHF 3 and Cl 2 , Ta
Cl 2 was used for the SiN barrier metal layer 16.

【0064】次に、図15(d)に示すように、膜厚3
00ÅのTiO2バリア絶縁膜22を公知のスパッタ法
を用いて堆積し、続いて、層間絶縁膜として膜厚150
0Åのシリコン酸化膜23を公知のCVD法にて堆積
し、その後、SrBi2Ta29膜上部に公知のフォト
リソグラフィ法とドライエッチング法を用いて、1.2
μm角のコンタクトホール28を形成した。
Next, as shown in FIG.
A TiO 2 barrier insulating film 22 having a thickness of 100 ° is deposited by using a known sputtering method.
A silicon oxide film 23 of 0 ° is deposited by a known CVD method, and then is formed on the SrBi 2 Ta 2 O 9 film by a known photolithography method and a dry etching method.
A μm square contact hole 28 was formed.

【0065】次に、図16(a)に示すように、膜厚4
000ÅのAl電極24を形成し、公知のフォトリソグ
ラフィ法とドライエッチング法とを用いて加工してプレ
ート線とした後、常圧窒素雰囲気中で、400℃で30
分間の熱処理を行い電極界面を安定化させた。その後、
図16(b)に示すように、公知の平坦化技術により、
CVD法を用いて層間絶縁膜25を堆積し、平坦化を行
い、公知のフォトリソグラフィ法とドライエッチング法
とを用いてスイッチング用トランジスタのもう一方の不
純物拡散層へのコンタクトホール29を形成し、図16
(c)に示すように、公知のAl配線技術を用いてビッ
ト線26を形成して、強誘電体記憶素子を完成した。
Next, as shown in FIG.
After forming an Al electrode 24 having a thickness of 2,000 ° and processing it using a known photolithography method and a dry etching method to form a plate line, the plate electrode is formed at a temperature of 400 ° C. in a normal pressure nitrogen atmosphere at 400 ° C.
The heat treatment was performed for 2 minutes to stabilize the electrode interface. afterwards,
As shown in FIG. 16B, by a known flattening technique,
An interlayer insulating film 25 is deposited using a CVD method, planarized, and a contact hole 29 to the other impurity diffusion layer of the switching transistor is formed using a known photolithography method and a dry etching method. FIG.
As shown in (c), the bit line 26 was formed by using a known Al wiring technique to complete a ferroelectric memory element.

【0066】このようにして作製した不揮発性半導体記
憶素子の強誘電特性(図17及び図18に示す)を測定
したところ、印加電圧±3Vで、Pr=7.5μC/c
2、Ec=35.8kV/cmという値が得られてお
り、強誘電体キャパシタとして十分な動作が確認され
た。次に、強誘電体記憶素子のリーク電流密度を測定し
た。印加電流+3Vでのリーク電流密度は、5×10-8
A/cm2であり、また、印加電圧10Vでも絶縁破壊
が起こっていないため、強誘電体キャパシタとして十分
な特性が確認された。
When the ferroelectric characteristics (shown in FIGS. 17 and 18) of the nonvolatile semiconductor memory device thus manufactured were measured, Pr = 7.5 μC / c at an applied voltage of ± 3 V.
The values of m 2 and Ec = 35.8 kV / cm were obtained, and sufficient operation as a ferroelectric capacitor was confirmed. Next, the leak current density of the ferroelectric memory element was measured. The leak current density at an applied current of +3 V is 5 × 10 −8
A / cm 2 , and dielectric breakdown did not occur even at an applied voltage of 10 V, confirming sufficient characteristics as a ferroelectric capacitor.

【0067】上記作製した強誘電体キャパシタの多層下
部電極は、Pt/IrO2/Ir/TaSiNとした
が、これに限らず、Ir/IrO2/Ir/TaSi
N、IrO2/Ir/TaSiN、またはPt/RuO2
/Ru/TaSiN、Ru/RuO2/Ru/TaSi
N、RuO2/Ru/TaSiN、Pt/IrO2/Ir
/tiN、Ir/IrO2/Ir/TiN、IrO2/I
r/TiN、Pt/RuO2/Ru/TiN、Ru/R
uO2/Ru/TiN、RuO2/Ru/TiN、さら
に、Ir/TaSiN、Ir/TiN、Ru/TaSi
N、Ru/TiN等、耐熱性に優れた多層電極であれば
何でもよい。
[0067] multilayer lower electrode of a ferroelectric capacitor prepared above has been a Pt / IrO 2 / Ir / TaSiN , not limited thereto, Ir / IrO 2 / Ir / TaSi
N, IrO 2 / Ir / TaSiN, or Pt / RuO 2
/ Ru / TaSiN, Ru / RuO 2 / Ru / TaSi
N, RuO 2 / Ru / TaSiN, Pt / IrO 2 / Ir
/ TiN, Ir / IrO 2 / Ir / TiN, IrO 2 / I
r / TiN, Pt / RuO 2 / Ru / TiN, Ru / R
uO 2 / Ru / TiN, RuO 2 / Ru / TiN, and Ir / TaSiN, Ir / TiN, Ru / TaSi
Any kind of multilayer electrode having excellent heat resistance, such as N or Ru / TiN, may be used.

【0068】また、本実施の形態では、強誘電体膜の結
晶化のための熱処理における不活性雰囲気は窒素雰囲気
としたが、これをアルゴン雰囲気としても同様な結果が
得られた。また、上記強誘電体はSrBiTaOを用い
ているが、Taの一部をNbに置換したSrBi2(T
1-xNbx29(0<x≦1)でも同様の効果が得ら
れた。
In the present embodiment, the inert atmosphere in the heat treatment for crystallization of the ferroelectric film was a nitrogen atmosphere, but the same result was obtained when the atmosphere was changed to an argon atmosphere. Although the above ferroelectric uses SrBiTaO, SrBi 2 (T
The same effect was obtained with a 1-x Nb x ) 2 O 9 (0 <x ≦ 1).

【0069】上記第4の実施の形態の比較例として、上
記強誘電体記憶素子製造工程において、SrBi2Ta2
9膜形成時の結晶化熱処理工程を常圧窒素雰囲気中熱
処理から、常圧酸素雰囲気中熱処理に変更した。まず、
SrBi2Ta29の結晶化熱処理工程を酸素雰囲気中
での650℃、60分とした場合は、ウエハ面内各部に
TaSiNの酸化による膜膨張が原因と見られる剥離が
生じた。
As a comparative example of the fourth embodiment, SrBi 2 Ta 2 was used in the ferroelectric memory element manufacturing process.
The crystallization heat treatment step for forming the O 9 film was changed from a heat treatment in a normal pressure nitrogen atmosphere to a heat treatment in a normal pressure oxygen atmosphere. First,
When the crystallization heat treatment step of SrBi 2 Ta 2 O 9 was performed at 650 ° C. for 60 minutes in an oxygen atmosphere, peeling occurred at each portion in the wafer surface due to film expansion due to oxidation of TaSiN.

【0070】また、SrBi2Ta29の結晶化熱処理
工程を窒素雰囲気中での650℃、60分とした場合
は、剥離は生じなかったものの、SrBi2Ta29
結晶化が不十分で、作製した強誘電体記憶素子の強誘電
体特性を測定しても、ヒステリシス特性は得られなかっ
た。SrBi2Ta29の結晶化工程を酸素雰囲気中で
行う場合、ヒステリシス特性が得られるようになる熱処
理温度のあたりで剥離が生じるようになり、良好な強誘
電体特性をもつ強誘電体記憶素子を作製することはでき
なかった。
When the crystallization heat treatment step of SrBi 2 Ta 2 O 9 was performed at 650 ° C. for 60 minutes in a nitrogen atmosphere, no delamination occurred, but crystallization of SrBi 2 Ta 2 O 9 did not occur. Even when the ferroelectric characteristics of the manufactured ferroelectric memory element were measured, no hysteresis characteristics were obtained. When the crystallization step of SrBi 2 Ta 2 O 9 is performed in an oxygen atmosphere, peeling occurs around a heat treatment temperature at which hysteresis characteristics can be obtained, and ferroelectric memory having good ferroelectric characteristics. The device could not be manufactured.

【0071】[0071]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用いることにより、下部電極の下地を酸化させることな
く強誘電体膜を結晶化させることができるので、強誘電
体特性の優れた強誘電体キャパシタ及び強誘電体キャパ
シタを備えたスタック型構造を有する不揮発性半導体記
憶素子を歩留まり良く製造することができる。
As described in detail above, by using the present invention, the ferroelectric film can be crystallized without oxidizing the underlayer of the lower electrode, so that the ferroelectric characteristics are excellent. A ferroelectric capacitor and a nonvolatile semiconductor memory element having a stacked structure including the ferroelectric capacitor can be manufactured with high yield.

【0072】また、請求項2及び請求項5に記載の本発
明を用いることにより、強誘電体膜の酸素欠損を補充す
ることができるので、更に強誘電特性を向上させること
ができる。
Further, by using the present invention according to claims 2 and 5, oxygen vacancies in the ferroelectric film can be supplemented, so that the ferroelectric characteristics can be further improved.

【0073】また、請求項3に記載の本発明を用いるこ
とにより、所望の厚さが厚い場合にも強誘電体膜を制御
良く形成することができる。
Further, by using the present invention described in claim 3, a ferroelectric film can be formed with good control even when the desired thickness is large.

【0074】また、請求項4及び請求項6に記載の本発
明を用いることにより、モホロジーが良くなり、より絶
縁耐圧を向上させることができる。
Further, by using the present invention described in claim 4 and claim 6, the morphology is improved, and the withstand voltage can be further improved.

【0075】また、請求項7に記載の本発明を用いるこ
とにより、強誘電体膜の酸素欠損補充のためのアニール
を強誘電体膜と上部電極との界面におけるリーク電流抑
制のためのアニールで兼用することができるので、工程
数を増やすことなく、強誘電特性を向上させることがで
きる。
Further, according to the present invention, annealing for supplementing oxygen deficiency of the ferroelectric film is performed by annealing for suppressing leakage current at the interface between the ferroelectric film and the upper electrode. The ferroelectric properties can be improved without increasing the number of steps because they can be used for both purposes.

【0076】また、請求項8に記載の本発明を用いるこ
とにより、疲労特性がよく、低電圧駆動可能な強誘電体
キャパシタを得ることができる。
Further, by using the present invention described in claim 8, it is possible to obtain a ferroelectric capacitor which has good fatigue characteristics and can be driven at a low voltage.

【0077】また、請求項9に記載の本発明を用いるこ
とにより、さらに疲労特性がよく、低電圧駆動可能な強
誘電体キャパシタを得ることができる。
Further, by using the present invention described in claim 9, a ferroelectric capacitor which has better fatigue characteristics and can be driven at a low voltage can be obtained.

【0078】また、請求項10に記載の本発明を用いる
ことにより、TaSiNをバリアメタル層に用いた場
合、特にバリアメタル層を酸化させることなく、強誘電
体特性を向上させることができる。
Further, by using the present invention according to claim 10, when TaSiN is used for the barrier metal layer, the ferroelectric characteristics can be improved without particularly oxidizing the barrier metal layer.

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

【図1】本発明における第1の実施例による強誘電体キ
ャパシタの製造プロセスフローを示すである。
FIG. 1 is a flowchart showing a manufacturing process flow of a ferroelectric capacitor according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明における第1の実施例による強誘電体キ
ャパシタの製造工程断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明における第1の実施例の強誘電体キャパ
シタのヒステリシス特性を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing hysteresis characteristics of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明における第1の実施例の強誘電体キャパ
シタのリーク電流特性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a leakage current characteristic of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment of the present invention.

【図5】本発明における第2の実施例による強誘電体キ
ャパシタの製造プロセスフローを示すである。
FIG. 5 is a flowchart showing a manufacturing process flow of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention.

【図6】本発明における第2の実施例による強誘電体キ
ャパシタの製造工程断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention.

【図7】本発明における第2の実施例の強誘電体膜のX
RDパターンを示す図である。
FIG. 7 shows the X of the ferroelectric film according to the second embodiment of the present invention.
It is a figure showing an RD pattern.

【図8】本発明における第2の実施例の強誘電体キャパ
シタのヒステリシス特性を示す図である。
FIG. 8 is a diagram showing a hysteresis characteristic of the ferroelectric capacitor according to the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明における第2の実施例の強誘電体キャパ
シタのリーク電流特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing a leakage current characteristic of a ferroelectric capacitor according to a second embodiment of the present invention.

【図10】本発明における第3の実施例による強誘電体
キャパシタの製造プロセスフローを示すである。
FIG. 10 is a flowchart illustrating a manufacturing process flow of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention.

【図11】本発明における第3の実施例による強誘電体
キャパシタの製造工程断面図である。
FIG. 11 is a sectional view showing a manufacturing process of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention.

【図12】本発明における第3の実施例の強誘電体膜の
XRDパターンを示す図である。
FIG. 12 is a view showing an XRD pattern of a ferroelectric film according to a third embodiment of the present invention.

【図13】本発明における第3の実施例の強誘電体キャ
パシタのヒステリシス特性を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a hysteresis characteristic of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention.

【図14】本発明における第3の実施例の強誘電体キャ
パシタのリーク電流特性を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a leakage current characteristic of a ferroelectric capacitor according to a third embodiment of the present invention.

【図15】本発明における第4の実施例の不揮発性半導
体記憶素子の前半の製造工程を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing the first half of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory element according to the fourth embodiment of the present invention.

【図16】本発明における第4の実施例の不揮発性半導
体記憶素子の後半の製造工程を示す図である。
FIG. 16 is a diagram illustrating a second half of the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory element according to the fourth embodiment of the present invention;

【図17】本発明における第4の実施例の強誘電体キャ
パシタのヒステリシス特性を示す図である。
FIG. 17 is a diagram illustrating a hysteresis characteristic of a ferroelectric capacitor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図18】本発明における第4の実施例の強誘電体キャ
パシタのリーク電流特性を示す図である。
FIG. 18 is a diagram showing a leakage current characteristic of a ferroelectric capacitor according to a fourth embodiment of the present invention.

【図19】結晶化熱処理温度とリーク電流密度との関係
を示す図である。
FIG. 19 is a diagram showing a relationship between a crystallization heat treatment temperature and a leak current density.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 熱酸化膜 3 TiO2密着層 4 下部Pt電極 5 複数回塗布乾燥を繰り返した後、結晶化させた状態
のSrBi2Ta29膜 6、8、21 上部Pt電極 7 一回塗布乾燥行った後、結晶化させた状態のSrB
2Ta29膜 9 スイッチング用トランジスタのチャネル部 10 素子分離領域 11、12 スイッチング用トランジスタの不純物拡散
領域 13 スイッチング用トランジスタのゲート部 14、23、25 層間絶縁膜 15 ポリシリコンプラグ 16 TaSiNバリアメタル層 17 Ir層 18 IrO2層 19 Pt層 20 SrBi2Ta29膜 22 TiO2バリア絶縁層 24 プレート線(Al配線) 26 ビット線(Al配線) 27 ポリシリコンプラグ用コンタクトホール 28 プレート線用コンタクトホール 29 ビット線用コンタクトホール
REFERENCE SIGNS LIST 1 silicon substrate 2 thermal oxide film 3 TiO 2 adhesion layer 4 lower Pt electrode 5 SrBi 2 Ta 2 O 9 film in crystallized state after repeated coating and drying a plurality of times 6, 8, 21 upper Pt electrode 7 once SrB in a crystallized state after coating and drying
i 2 Ta 2 O 9 film 9 channel portion of switching transistor 10 element isolation region 11, 12 impurity diffusion region of switching transistor 13 gate portion of switching transistor 14, 23, 25 interlayer insulating film 15 polysilicon plug 16 TaSiN barrier Metal layer 17 Ir layer 18 IrO 2 layer 19 Pt layer 20 SrBi 2 Ta 2 O 9 film 22 TiO 2 barrier insulating layer 24 Plate line (Al wiring) 26 Bit line (Al wiring) 27 Contact hole for polysilicon plug 28 Plate line Contact hole for bit 29 Contact hole for bit line

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/8247 29/788 29/792 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/8247 29/788 29/792

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 下部電極上に強誘電体膜を形成する工程
と、 不活性ガス雰囲気中で熱処理することで上記強誘電体膜
を結晶化する工程と、 上記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有する
ことを特徴とする、強誘電体キャパシタの形成方法。
A step of forming a ferroelectric film on a lower electrode, a step of crystallizing the ferroelectric film by heat treatment in an inert gas atmosphere, and a step of forming an upper electrode on the ferroelectric film. Forming a ferroelectric capacitor.
【請求項2】 上記結晶化工程後に、酸素雰囲気中で、
上記下部電極の下地が酸化されない温度で上記強誘電体
膜の酸素欠損補充のための熱処理をする工程を有するこ
とを特徴とする、請求項1に記載の強誘電体キャパシタ
の製造方法。
2. After the crystallization step, in an oxygen atmosphere,
2. The method according to claim 1, further comprising a step of performing a heat treatment for replenishing oxygen deficiency in the ferroelectric film at a temperature at which a base of the lower electrode is not oxidized.
【請求項3】 上記下部電極上に上記強誘電体膜を形成
する工程が、塗布成膜法を用いて、強誘電体膜材料を所
定の膜厚まで塗布した後、乾燥させる工程を繰り返し、
所望の膜厚の強誘電体膜を形成する工程であることを特
徴とする、請求項1又は請求項2に記載の強誘電体キャ
パシタの形成方法。
3. The step of forming the ferroelectric film on the lower electrode includes repeating a step of applying a ferroelectric film material to a predetermined film thickness using a coating film forming method and then drying the material.
The method for forming a ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the method is a step of forming a ferroelectric film having a desired film thickness.
【請求項4】 下部電極上に所定の膜厚の強誘電体膜を
形成した後、不活性ガス雰囲気中で熱処理することで上
記強誘電体膜を結晶化する工程を繰り返し、所望の膜厚
の強誘電体膜を形成する工程と、 該強誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする、強誘電体キャパシタの形成方法。
4. A step of forming a ferroelectric film having a predetermined thickness on the lower electrode and then performing a heat treatment in an inert gas atmosphere to crystallize the ferroelectric film, thereby obtaining a desired film thickness. Forming a ferroelectric film, and forming an upper electrode on the ferroelectric film.
【請求項5】 上記所望の膜厚の強誘電体膜を形成した
後、酸素雰囲気中で、上記下部電極の下地が酸化されな
い温度で上記強誘電体膜の酸素欠損補充のための熱処理
をする工程を有することを特徴とする、請求項4に記載
の強誘電体キャパシタの形成方法。
5. After forming the ferroelectric film having the desired thickness, a heat treatment for replenishing oxygen deficiency of the ferroelectric film is performed in an oxygen atmosphere at a temperature at which a base of the lower electrode is not oxidized. The method for forming a ferroelectric capacitor according to claim 4, comprising a step.
【請求項6】 上記強誘電体膜を塗布成膜法を用いるこ
とを特徴とする、請求項4又は請求項5に記載の強誘電
体キャパシタの形成方法。
6. The method for forming a ferroelectric capacitor according to claim 4, wherein the ferroelectric film is formed by a coating method.
【請求項7】 上記酸素欠損補充のための熱処理を上記
上部電極形成後に行うことを特徴とする、請求項2、請
求項3、請求項5又は請求項6のいずれかに記載の強誘
電体キャパシタの形成方法。
7. The ferroelectric according to claim 2, wherein the heat treatment for supplementing the oxygen deficiency is performed after the formation of the upper electrode. A method for forming a capacitor.
【請求項8】 上記強誘電体膜がビスマス系層状構造化
合物であることを特徴とする請求項1乃至請求項7のい
ずれかに記載の強誘電体キャパシタの形成方法。
8. The method according to claim 1, wherein the ferroelectric film is a bismuth-based layered compound.
【請求項9】 上記ビスマス系層状構造化合物がSrB
2(Ta1-xNbx29(0≦x≦1)であることを
特徴とする請求項8に記載の強誘電体キャパシタの形成
方法。
9. The bismuth-based layered structure compound is SrB
9. The method according to claim 8, wherein i 2 (Ta 1-x Nb x ) 2 O 9 (0 ≦ x ≦ 1).
【請求項10】 上記強誘電体膜の結晶化のための熱処
理を650℃乃至800℃の温度で行うことを特徴とす
る、請求項1乃至請求項9のいずれかに記載の強誘電体
キャパシタの形成方法。
10. The ferroelectric capacitor according to claim 1, wherein the heat treatment for crystallization of the ferroelectric film is performed at a temperature of 650 ° C. to 800 ° C. Formation method.
【請求項11】 半導体基板に選択トランジスタを形成
し、該選択トランジスタ上に層間絶縁膜を形成した後、
該層間絶縁膜に形成されたコンタクトホールにおいて上
記半導体基板と電気的に接続するように導電性プラグ或
いは該導電性プラグ及び導電性バリア層を形成し、該導
電性プラグ或いは該導電性プラグ及び導電性バリア層と
電気的に接続するように、上記下部電極を形成した後、
上記請求項1乃至請求項10に記載の工程で強誘電体キ
ャパシタを形成することを特徴とする、不揮発性半導体
記憶素子の製造方法。
11. After forming a select transistor on a semiconductor substrate and forming an interlayer insulating film on the select transistor,
A conductive plug or the conductive plug and a conductive barrier layer are formed so as to be electrically connected to the semiconductor substrate in a contact hole formed in the interlayer insulating film, and the conductive plug or the conductive plug and the conductive plug are formed. After forming the lower electrode so as to be electrically connected to the conductive barrier layer,
11. A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, comprising forming a ferroelectric capacitor by the steps according to claim 1.
JP35471097A 1997-12-24 1997-12-24 Method of forming ferroelectric capacitor and method of manufacturing nonvolatile semiconductor memory device Expired - Fee Related JP3543916B2 (en)

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