JPH11220103A - Semiconductor storage device and its manufacture - Google Patents

Semiconductor storage device and its manufacture

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Publication number
JPH11220103A
JPH11220103A JP10019578A JP1957898A JPH11220103A JP H11220103 A JPH11220103 A JP H11220103A JP 10019578 A JP10019578 A JP 10019578A JP 1957898 A JP1957898 A JP 1957898A JP H11220103 A JPH11220103 A JP H11220103A
Authority
JP
Japan
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layer
substrate
bonding
capacitor
film
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Application number
JP10019578A
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Japanese (ja)
Inventor
Takashi Kawakubo
隆 川久保
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to US09/143,400 priority patent/US6242298B1/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a highly reliable superhigh integrated FRAME/DRAM capable of being produced in high volume and a method for manufacturing the FRAME/DRAM. SOLUTION: A semiconductor storage device incorporates at least a first semiconductor substrate 11 on which a transistor is arranged, a second semiconductor substrate 51 having epitaxial capacitors (52, 54, 55, and 56) corresponding to the transistor, and connecting sections (31, 47, and 59) which electrically connects the main electrode area 21 of the transistor to the epitaxial capacitors (52, 53, 54, 55 and 56). After a first laminated layer 47 and a second laminated layer 59 are respectively formed on the entire surfaces of the first semiconductor substrate 11 and second semiconductor substrate 51 and the layers 47 and 59 are bonded to each other in a butted state, and thereafter a capacitor is patterned.

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、1ギガビット以上
の超高集積密度を実現するに好適な半導体記憶装置に係
り、特にペロブスカイト型結晶構造の誘電体薄膜層を有
するエピタキシャル・キャパシタを用いた半導体記憶装
置およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a semiconductor memory device suitable for realizing an ultra-high integration density of 1 gigabit or more, and more particularly to a semiconductor device using an epitaxial capacitor having a dielectric thin film layer of a perovskite type crystal structure. The present invention relates to a storage device and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】最近、FRAM(フェロエレクトリック
・ランダム・アクセス・メモリ: Ferroelec
tric Random Access Memor
y)と称せられる強誘電体薄膜層を用いた記憶装置(強
誘電体メモリ)の開発が行われており、一部にはすでに
実用化されている。強誘電体メモリ(FRAM)は不揮
発性であり、電源を落とした後も記憶内容が失われない
という特徴を持つ。しかも、強誘電体薄膜層の膜厚が充
分薄い場合には、自発分極の反転が速く、この強誘電体
薄膜層による薄膜キャパシタを用いた半導体記憶装置は
MOS・DRAM(以下において「DRAM」と略称す
る。)並みに高速の書き込み、読み出しが可能である。
また、DRAMと同様に1ビットのメモリセルを一つの
トランジスタと一つの強誘電体キャパシタで作成するこ
とができるため、大容量化にも適している。
2. Description of the Related Art Recently, a ferroelectric random access memory (FRAM) has been developed.
trick Random Access Memor
A storage device (ferroelectric memory) using a ferroelectric thin film layer referred to as y) has been developed, and some have already been put to practical use. A ferroelectric memory (FRAM) is non-volatile and has a feature that stored contents are not lost even after power is turned off. In addition, when the thickness of the ferroelectric thin film layer is sufficiently small, the spontaneous polarization is rapidly inverted, and a semiconductor memory device using a thin film capacitor formed of the ferroelectric thin film layer is a MOS DRAM (hereinafter referred to as a "DRAM"). Abbreviated.) Writing and reading can be performed at the same high speed.
In addition, since a 1-bit memory cell can be formed with one transistor and one ferroelectric capacitor as in the case of a DRAM, it is suitable for increasing the capacity.

【0003】強誘電体メモリに適した強誘電体薄膜に
は、残留分極が大きいこと、残留分極の温度依存性が小
さいこと、残留分極の長時間保持が可能であること(リ
テンション)などが必要である。
A ferroelectric thin film suitable for a ferroelectric memory needs to have a large remanent polarization, a small temperature dependence of the remanent polarization, and a capability of retaining the remanent polarization for a long time (retention). It is.

【0004】現在、強誘電体メモリ用の強誘電体材料と
しては、主としてジルコン酸チタン酸鉛(PZT)が用
いられているが、キュリー温度の高さ(300℃以上)
や自発分極の大きさにもかかわらず、主成分であるPb
の拡散および蒸発が比較的低い温度で起こりやすい(5
00℃)などの理由により、微細化には対応しにくいと
いわれている。
At present, lead zirconate titanate (PZT) is mainly used as a ferroelectric material for a ferroelectric memory.
Despite the magnitude of spontaneous polarization,
Diffusion and evaporation are likely to occur at relatively low temperatures (5
For example, it is said that it is difficult to cope with miniaturization.

【0005】これに対して本発明者らは、基板としてチ
タン酸ストロンチウム(SrTiO3 ,以下において
「STO」と略称する。)単結晶などの酸化物基板を、
下部電極層として例えばルテニウム酸ストロンチウム
(SrRuO3 ,以下において「SRO」と略称す
る。)を、さらに誘電体としてSROよりやや大きな格
子定数を持つ例えば、チタン酸バリウムストロンチウム
(Bax Sr1-x TiO3 ,以下において「BSTO」
と略称する。)を選択し、これら各層を全てエピタキシ
ャル成長させることにより、薄膜キャパシタを構成し
た。この薄膜キャパシタの多層エピタキシャル成長に
は、RFマグネトロン・スパッタリング法という成膜過
程でミスフィット転位が比較的入りにくい成膜方法を採
用するのであるが、膜厚200nm以上の比較的厚い膜
厚をもつ薄膜においても、「エピタキシャル効果」によ
りBSTOを歪格子とすることにより、BSTOのc軸
長を人工的に制御できることを見出した。つまり、Ba
リッチ組成の単結晶BSTOをチタン酸ストロンチウム
(STO)などの酸化物基板上に成長することにより、
酸化物基板との格子定数のミスマッチに起因する応力を
利用することによって、強誘電キュリー温度を高温側に
シフトさせることができることを見いだした。その結
果、室温領域で大きな残留分極を示し、かつ85℃程度
まで温度を上げても十分大きな残留分極を保持できるこ
とを見いだした。
On the other hand, the present inventors have proposed an oxide substrate such as strontium titanate (SrTiO 3 , hereinafter abbreviated as “STO”) single crystal as a substrate.
For example, strontium ruthenate (SrRuO 3 , hereinafter abbreviated as “SRO”) is used as the lower electrode layer, and barium strontium titanate (Ba x Sr 1-x TiO 2) is used as a dielectric, which has a lattice constant slightly larger than SRO. 3. In the following, "BSTO"
Abbreviated. ) Was selected, and all of these layers were epitaxially grown to form a thin film capacitor. For the multilayer epitaxial growth of this thin film capacitor, a film formation method called a RF magnetron sputtering method, in which misfit dislocations are relatively unlikely to be formed during the film formation process, is adopted. Also found that the c-axis length of BSTO can be artificially controlled by using BSTO as a strain lattice by the “epitaxial effect”. That is, Ba
By growing a single crystal BSTO having a rich composition on an oxide substrate such as strontium titanate (STO),
It has been found that the ferroelectric Curie temperature can be shifted to a higher temperature side by using the stress caused by the mismatch of the lattice constant with the oxide substrate. As a result, it was found that a large remanent polarization was exhibited in a room temperature region, and that a sufficiently large remanent polarization could be maintained even when the temperature was increased to about 85 ° C.

【0006】また、本発明者らは、Srリッチ組成の単
結晶BSTOを使用することにより、例えば膜厚20n
mで誘電率800以上というDRAM用キャパシタとし
て非常に好ましい高誘電特性を実現できることを実験的
に確認している。これに比し、同じ膜厚の多結晶膜でキ
ャパシタを作成したときの誘電率は、高々200程度で
あるから、Srリッチ組成の単結晶BSTOを使用する
ことにより、多結晶誘電体薄膜の数倍大きな高誘電体薄
膜が得られたことになる。
Further, the present inventors have proposed that a single crystal BSTO having an Sr-rich composition can be used, for example, to have a film thickness of 20 nm.
It has been experimentally confirmed that a very high dielectric property, which is a dielectric constant of 800 or more, which is very preferable for a DRAM capacitor, can be realized. On the other hand, the dielectric constant of a capacitor made of a polycrystalline film having the same film thickness is about 200 at most. This means that a twice as large high dielectric thin film was obtained.

【0007】このように、本発明者らは、Baリッチ組
成の単結晶BSTOを使用することによって、FRAM
として非常に好ましい強誘電体薄膜キャパシタが実現可
能であることを確認している。Baリッチ組成とは、B
aの組成x=0.6−0.9程度を意味する。一方、S
rリッチ組成の単結晶BSTOでは、誘電率の極めて高
い高誘電特性が得られ、DRAMとして非常に好ましい
高誘電体薄膜キャパシタが実現可能であることを確認し
ている。Srリッチ組成とは、Srの組成0.6−0.
9程度(Baの組成x=0.4−0.1程度)を意味す
る。従って、このエピタキシャル成長させた単結晶誘電
体薄膜のBa又はSrの組成を選ぶことにより、超高集
積密度のFRAM又はDRAMが実現できる。すなわ
ち、エピタキシャル成長させた単結晶誘電体薄膜キャパ
シタを用いることにより、ギガビットメモリの実用化が
期待される。
As described above, the present inventors have found that a single crystal BSTO having a Ba-rich composition can
It has been confirmed that a very preferable ferroelectric thin film capacitor can be realized. Ba-rich composition means B
This means that the composition x of a = about 0.6-0.9. On the other hand, S
It has been confirmed that a single crystal BSTO having an r-rich composition can obtain a high dielectric property with an extremely high dielectric constant, and can realize a high dielectric thin film capacitor which is very preferable as a DRAM. The Sr-rich composition refers to an Sr composition of 0.6-0.
It means about 9 (Ba composition x = about 0.4-0.1). Therefore, by selecting the composition of Ba or Sr of the single crystal dielectric thin film grown epitaxially, it is possible to realize an FRAM or DRAM with a very high integration density. In other words, practical use of a gigabit memory is expected by using a single crystal dielectric thin film capacitor grown epitaxially.

【0008】半導体集積回路の開発の歴史は1チップ当
たりの集積密度の向上とその1チップ当たりのコストの
低減への努力にあった。たとえば、DRAMの開発は、
3年で4倍の高集積化を続けてきており、今後も同様な
傾向が続くと予測される。ますます広がるニーズに支え
られて、半導体集積回路のセルサイズはますます縮少さ
れ、強誘電体薄膜層を用いた薄膜キャパシタの採用はセ
ルサイズの縮小化に対する一つの結論とも言える。セル
サイズの縮小化の歴史を振り返ると、4MbDRAMが
一つの転換期であった。4MbDRAMではキャパシタ
面積の関係から、平面構造では十分な容量を確保できな
くなり、穴を掘ってこの中にキャパシタを埋め込むトレ
ンチ型や2層構造のキャパシタをトランジスタの上に積
み上げるスタック型等の3次元キャパシタ構造を採用せ
ざるを得なくなったのである。しかし、さらに集積密度
が向上し、256MbDRAMあるいは1GbDRAM
においてはこれらの構造を用いても、酸化膜(SiO2
膜)をキャパシタ絶縁膜とすることは極めて困難とな
り、高誘電体薄膜層や強誘電体薄膜層のキャパシタ絶縁
膜としての使用が浮上してきたのである。
[0008] The history of the development of semiconductor integrated circuits has focused on improving the integration density per chip and reducing the cost per chip. For example, the development of DRAM
In three years, the integration has been quadrupled, and the same trend is expected to continue in the future. The cell size of semiconductor integrated circuits has been further reduced due to the growing needs, and it can be said that the adoption of a thin film capacitor using a ferroelectric thin film layer is one of the conclusions for the reduction of the cell size. Looking back on the history of cell size reduction, 4Mb DRAM was a turning point. In the 4Mb DRAM, sufficient capacity cannot be ensured in a planar structure due to the relation of the capacitor area, and a three-dimensional capacitor such as a trench type in which a hole is dug and a capacitor is buried therein and a two-layer capacitor is stacked on a transistor, etc. The structure had to be adopted. However, the integration density is further improved, and 256Mb DRAM or 1Gb DRAM
However, even if these structures are used, an oxide film (SiO 2
It has become extremely difficult to use a film as a capacitor insulating film, and the use of a high dielectric thin film layer or a ferroelectric thin film layer as a capacitor insulating film has emerged.

【0009】一方、1チップ当たりの集積密度の向上と
共に、そのチップサイズは増大化の傾向にある。そし
て、このチップサイズの増大と、その1チップ当たりの
コストの低減化という命題は必然的にウェハサイズの大
口径化を要求することとなり、シリコンウェハ(シリコ
ン基板)の直径は200mm(8インチ)以上から30
0mm(12インチ)になりつつあり、さらに大口径化
も検討されている。またガリウム砒素(GaAs)を中
心とする化合物半導体も直径100mm(4インチ)以
上が、市場で入手可能で、さらに大口径化も検討されて
いる。
On the other hand, as the integration density per chip increases, the chip size tends to increase. The proposition of increasing the chip size and reducing the cost per chip inevitably requires a larger wafer size, and the diameter of the silicon wafer (silicon substrate) is 200 mm (8 inches). 30 from above
It is becoming 0 mm (12 inches), and further enlargement of the diameter is being studied. In addition, compound semiconductors mainly made of gallium arsenide (GaAs) having a diameter of 100 mm (4 inches) or more are available on the market, and further enlargement of the diameter is being studied.

【0010】いずれにしても、1ギガビット以上の超高
集積密度の半導体メモリに適用するには、微細なトラン
ジスタと、小面積でも一定の容量値が担保出来るキャパ
シタを3次元的に積層した構造が不可欠である。小面積
でも一定の容量値が担保出来るキャパシタとして、エピ
タキシャルキャパシタが有望であることは前述したとお
りである。トランジスタとこのエピタキシャルキャパシ
タの3次元的な積層方法として知られているのが、シリ
コン基板上に作成したトランジスタと、酸化マグネシウ
ム(MgO)やチタン酸ストロンチウム(STO)など
の酸化物基板上に作成したエピタキシャルキャパシタと
の貼り合わせ構造である。例えば、特開平8−1392
92号公報(同公報の図7参照)や、特開平8−227
980号公報(同公報の図1,2参照)には、およそ図
43に示すような、シリコン基板11とMgOあるいは
STO基板等の酸化物基板110とを貼り合わせたデバ
イス構造が提案されている。
In any case, in order to apply to a semiconductor memory having an ultra-high integration density of 1 gigabit or more, a structure in which a fine transistor and a capacitor capable of ensuring a constant capacitance value even in a small area are three-dimensionally stacked. It is essential. As described above, an epitaxial capacitor is promising as a capacitor that can ensure a constant capacitance value even in a small area. Known as a three-dimensional stacking method of a transistor and this epitaxial capacitor are a transistor formed on a silicon substrate and a transistor formed on an oxide substrate such as magnesium oxide (MgO) or strontium titanate (STO). This is a bonding structure with an epitaxial capacitor. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-1392
No. 92 (see FIG. 7 of the publication),
Japanese Patent Application Publication No. 980 (see FIGS. 1 and 2 of the publication) proposes a device structure in which a silicon substrate 11 and an oxide substrate 110 such as an MgO or STO substrate are bonded together as shown in FIG. .

【0011】図43(a)と図43(b)とは互いに直
交する関係にある断面図である。すなわち、図43
(a)のA−A方向から見た断面図が図43(b)であ
り、図43(b)のB−B方向から見た断面図が図43
(a)である。図43に示すように、複数のMOSトラ
ンジスタが、シリコン基板11の上に形成されたpウェ
ル12の表面上にマトリクス状に配置されている。これ
らの複数のMOSトランジスタは、「STI(シャロー
・トレンチ・アイソレーション:ShallowTre
nch Isolation)領域」と称される埋込み
酸化膜からなる素子分離領域13で互いに分離されてい
る。図43のMOSトランジスタは、pウェル12の表
面のゲート酸化膜29及びゲート電極37、pウェル1
2内のn+領域からなるソース領域21及びドレイン領
域22等から形成されている。なおここでゲート電極3
7は、ワード線の一部を成すものである。
FIGS. 43 (a) and 43 (b) are cross-sectional views which are orthogonal to each other. That is, FIG.
FIG. 43 (b) is a cross-sectional view as viewed from the AA direction of (a), and FIG. 43 is a cross-sectional view as viewed from the BB direction of FIG. 43 (b).
(A). As shown in FIG. 43, a plurality of MOS transistors are arranged in a matrix on the surface of a p-well 12 formed on a silicon substrate 11. These plural MOS transistors are referred to as “STI (Shallow Trench Isolation: ShallowTrue).
An element isolation region 13 made of a buried oxide film called an “nch isolation (region)”. In the MOS transistor of FIG. 43, the gate oxide film 29 and the gate electrode 37 on the surface of the p well 12 and the p well 1
2 are formed from a source region 21 and a drain region 22 made of an n + region. Here, the gate electrode 3
Reference numeral 7 denotes a part of a word line.

【0012】また、ドレイン領域22上には図示を省略
したビット線コンタクトプラグを介してビット線35が
形成されている。n+ ソース領域21は、不純物を添加
した多結晶シリコン(ドープドポリシリコン)や高融点
金属等のキャパシタコンタクトプラグ31を介して、上
方に配置されたエピタキシャルキャパシタ(56,5
5,54,53,52)に接続されている。
A bit line 35 is formed on the drain region 22 via a bit line contact plug (not shown). The n + source region 21 is connected to an epitaxial capacitor (56,5) disposed above via a capacitor contact plug 31 made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) doped with an impurity or a refractory metal.
5, 54, 53, 52).

【0013】エピタキシャルキャパシタは上部バリア金
属層56、SRO等の上部電極層55、BSTO等の誘
電体薄膜層54、SRO等の下部電極層53、下部バリ
ア金属層52とから構成されている。図43で、上部電
極層55が下で、下部電極層53が上に示されているの
は、これら各層を製造工程に依拠して命名しているから
にすぎない。すなわち、MgOやSTOなどの酸化物基
板110の上に下部バリア金属層52、下部電極層5
3、誘電体薄膜層54、上部電極層55、上部バリア金
属層56をこの順に積層して、キャパシタ部を構成し、
この酸化物基板110を上下半転してから、MOSトラ
ンジスタが形成されたシリコン基板11と貼り合わせて
いるから、たまたまこのような順序の呼称になっている
にすぎない。この貼り合わせは、図43に示すように、
シリコン基板11側の第1の貼り合せ層49と、酸化物
基板110側の第2の貼り合せ層57とを互いに接触さ
せて実現している。図43において符号32,33,3
4,36,37,38は酸化膜(SiO2 膜)、PSG
膜、BPSG膜、窒化膜(Si34 膜)、あるいはポ
リイミド膜などの絶縁膜である。
The epitaxial capacitor comprises an upper barrier metal layer 56, an upper electrode layer 55 such as SRO, a dielectric thin film layer 54 such as BSTO, a lower electrode layer 53 such as SRO, and a lower barrier metal layer 52. In FIG. 43, the upper electrode layer 55 is shown below and the lower electrode layer 53 is shown above only because these layers are named based on the manufacturing process. That is, the lower barrier metal layer 52 and the lower electrode layer 5 are formed on an oxide substrate 110 such as MgO or STO.
3, a dielectric thin film layer 54, an upper electrode layer 55, and an upper barrier metal layer 56 are laminated in this order to form a capacitor portion;
Since the oxide substrate 110 is turned upside down and then bonded to the silicon substrate 11 on which the MOS transistor is formed, the order just happens to be called. This bonding is performed as shown in FIG.
This is realized by bringing the first bonding layer 49 on the silicon substrate 11 side and the second bonding layer 57 on the oxide substrate 110 side into contact with each other. In FIG. 43, reference numerals 32, 33, 3
4, 36, 37 and 38 are oxide films (SiO 2 films), PSG
An insulating film such as a film, a BPSG film, a nitride film (Si 3 N 4 film), or a polyimide film.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】このように、図43に
示す酸化物基板110を用いた半導体記憶装置は、酸化
物基板110上に成長することにより、酸化物基板11
0と誘電体薄膜層54との格子定数のミスマッチに起因
する応力を利用して、強誘電キュリー温度を高温側にシ
フトさせ、室温における強誘電体特性を実現したもので
あった。つまり、「エピタキシャル効果」によりBST
Oを歪格子とし、BSTOのc軸長を人工的に制御する
ためには、酸化物基板110が必須であった。
As described above, the semiconductor memory device using the oxide substrate 110 shown in FIG.
The ferroelectric Curie temperature was shifted to a higher temperature side by utilizing the stress caused by the mismatch between the lattice constant of 0 and the dielectric thin film layer 54, and the ferroelectric characteristics at room temperature were realized. In other words, BST is caused by the "epitaxial effect".
In order to artificially control the c-axis length of BSTO by using O as a strain lattice, the oxide substrate 110 was essential.

【0015】しかし、このことは、酸化物基板110を
用いた半導体記憶装置が以下のような不具合を呈するこ
とになる。
However, this means that the semiconductor memory device using the oxide substrate 110 exhibits the following problems.

【0016】(1)口径が8インチ以上のシリコンウェ
ハ(シリコン基板)は、商業的に容易に入手可能である
のに対し、MgO基板やSTO基板等の酸化物基板は口
径3インチ以上のものを入手するのは研究レベルにおい
てさえ困難である。口径3インチ以下の基板(ウェハ)
を基礎としたのでは、半導体記憶装置の量産化は困難で
ある。したがって、酸化物基板110を用いた半導体記
憶装置は、1チップ当たりの生産コストも高くなってし
まう。
(1) Silicon wafers (silicon substrates) having a diameter of 8 inches or more are easily available commercially, whereas oxide substrates such as MgO substrates and STO substrates have a diameter of 3 inches or more. Is difficult even at the research level. Substrate (wafer) with a diameter of 3 inches or less
It is difficult to mass-produce a semiconductor memory device based on the above. Therefore, a semiconductor memory device using the oxide substrate 110 has a high production cost per chip.

【0017】(2)シリコン基板の熱膨脹率が2.5p
pm/℃であるのに対し、MgO基板やSTO基板は9
ppm/℃以上の熱膨脹率を持つため、例えば500℃
で貼り付けを行ったとすると室温に冷却したときに酸化
物基板には数十kg/mm2以上の引っ張り応力が加わ
り割れてしまう。万一割れない場合であっても、非常に
大きな反りが発生する。ギガビット時代の半導体記憶装
置は、ディープサブミクロン乃至ナノメータレベルの超
微細加工が要求されるため、基板に反りが発生すれば、
それ以降のリソグラフィー工程が不可能になる。
(2) Thermal expansion coefficient of silicon substrate is 2.5p
pm / ° C, whereas the MgO and STO substrates are 9
Since it has a thermal expansion coefficient of not less than ppm / ° C, for example, 500 ° C
If the oxide substrate is cooled to room temperature, a tensile stress of several tens of kg / mm 2 or more is applied to the oxide substrate, and the substrate is cracked. Even if it does not break, very large warpage occurs. Since semiconductor storage devices in the gigabit era require ultra-fine processing at the deep sub-micron to nanometer level, if warpage occurs in the substrate,
Subsequent lithography steps become impossible.

【0018】さらに、このような酸化物基板110を用
いたことに固有の不具合に加え、図43に示す半導体記
憶装置は、 (3)シリコン基板11の表面は金属電極部(第1の貼
り合せ層)49と絶縁部34で構成されている。一方酸
化物基板110のシリコン基板11に対向する表面は金
属電極部(第2の貼り合せ層)57と絶縁部38とで構
成されている。金属電極部49,57同士の接続の条件
と絶縁部34,38同士の接続の条件は、一般に異な
る。従って、これらの金属電極部49,57と絶縁部3
4,38を同一の条件として、2つの基板11,110
を互いに均一に接着するのは困難である。
Further, in addition to the disadvantage inherent in using such an oxide substrate 110, the semiconductor memory device shown in FIG. Layer 49) and the insulating part 34. On the other hand, the surface of the oxide substrate 110 facing the silicon substrate 11 is composed of a metal electrode portion (second bonding layer) 57 and an insulating portion 38. The conditions for connecting the metal electrode portions 49 and 57 and the conditions for connecting the insulating portions 34 and 38 are generally different. Therefore, these metal electrode portions 49 and 57 and insulating portion 3
4 and 38 under the same conditions, the two substrates 11 and 110
Are difficult to adhere uniformly to one another.

【0019】(4)シリコン基板11上に作成されたト
ランジスタの電極部(ソース領域)21のパターンと、
酸化物基板110上に作成されたキャパシタの電極部
(上部電極層55、上部バリア金属層56)のパターン
を1対1に対応させて接続する必要があるが、上述した
ように熱膨脹率が異なる基板上に作成したパターン同士
を、高温で、ウェハ全面に渡ってサブミクロンの精度で
整合させることは事実上不可能である。
(4) The pattern of the electrode portion (source region) 21 of the transistor formed on the silicon substrate 11;
It is necessary to connect the patterns of the electrode portions (upper electrode layer 55, upper barrier metal layer 56) of the capacitor formed on the oxide substrate 110 in one-to-one correspondence, but the thermal expansion coefficients are different as described above. It is practically impossible to match patterns formed on a substrate at high temperatures with submicron accuracy over the entire surface of a wafer.

【0020】という、構造に起因した問題点を有してい
た。
There is a problem caused by the structure.

【0021】上記問題点を鑑み、本発明は、ギガビット
以上の大容量で、且つ製品単価の安い半導体記憶装置
(半導体メモリ)を提供することを目的とする。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide a semiconductor memory device (semiconductor memory) having a large capacity of gigabit or more and a low product unit price.

【0022】本発明の他の目的は、大量生産が容易な、
強誘電体薄膜層、あるいは高誘電率薄膜層を使用した半
導体記憶装置を提供することを目的とする。
Another object of the present invention is to facilitate mass production,
It is an object to provide a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film layer or a high dielectric constant thin film layer.

【0023】本発明のさらに他の目的は、単結晶誘電体
薄膜キャパシタをエピタキシャル成長する際に、大口径
化が容易な半導体基板を基礎とすることが可能な半導体
記憶装置の新規な構造を提供することを目的とする。
Still another object of the present invention is to provide a novel structure of a semiconductor memory device which can be based on a semiconductor substrate whose diameter can be easily increased when a single crystal dielectric thin film capacitor is epitaxially grown. The purpose is to:

【0024】本発明のさらに他の目的は、ディープサブ
ミクロン乃至ナノメータレベルの超微細加工が容易な単
結晶誘電体薄膜キャパシタを有する半導体記憶装置を提
供することである。
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having a single crystal dielectric thin film capacitor which can be easily processed in ultra-fine processing at a deep submicron to nanometer level.

【0025】本発明のさらに他の目的は、貼り合せ層相
互間で、良好な接合界面が得られ、オープン不良が生じ
ることのない半導体記憶装置を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which a good bonding interface can be obtained between bonding layers and an open defect does not occur.

【0026】本発明のさらに他の目的は、隣接するメモ
リーセル間におけるリーク電流やショート不良の恐れの
ない半導体記憶装置を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device in which there is no possibility of leak current or short circuit between adjacent memory cells.

【0027】本発明のさらに他の目的は、ギガビット以
上の大容量化が容易で、且つ製造単価の安い半導体記憶
装置の製造方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device which can easily increase the capacity of gigabit or more and has a low manufacturing cost.

【0028】本発明のさらに他の目的は、強誘電体薄膜
層、あるいは高誘電率薄膜層を使用した半導体記憶装置
を大量生産するための製造方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a manufacturing method for mass-producing a semiconductor memory device using a ferroelectric thin film layer or a high dielectric constant thin film layer.

【0029】本発明のさらに他の目的は、大口径基板上
に単結晶誘電体薄膜キャパシタをエピタキシャル成長す
ることが可能な半導体記憶装置の製造方法を提供するこ
とである。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device capable of epitaxially growing a single crystal dielectric thin film capacitor on a large-diameter substrate.

【0030】本発明のさらに他の目的は、サブクォータ
ーミクロン乃至ナノメータレベルの超微細加工が容易な
単結晶誘電体薄膜キャパシタを有する半導体記憶装置の
製造方法を提供することである。
It is still another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device having a single crystal dielectric thin film capacitor which can be easily processed in a sub-quarter micron to nanometer level.

【0031】本発明のさらに他の目的は、貼り合せ層相
互間で、良好な接合界面が得られ、オープン不良が生じ
ることのない半導体記憶装置の製造方法を提供すること
である。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device in which a good bonding interface is obtained between bonding layers and an open defect does not occur.

【0032】本発明のさらに他の目的は、隣接するメモ
リーセル間におけるリーク電流やショート不良の恐れの
ない半導体記憶装置の製造方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device in which there is no possibility of leak current or short circuit between adjacent memory cells.

【0033】[0033]

【課題を解決するための手段】発明者らは、上述した目
的を達成するために、種々の考察、シミュレーションお
よび実験を行って検討を重ねた結果、以下の第1乃至第
3の発明を得た。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above-mentioned object, the present inventors have conducted various studies, simulations and experiments, and as a result of repeated studies, have obtained the following first to third inventions. Was.

【0034】即ち、第1の発明は、複数のトランジスタ
をマトリクス状に配置した第1の半導体基板と、この複
数のトランジスタのそれぞれに対応した複数のペロブス
カイト型構造エピタキシャルキャパシタを有する第2の
半導体基板と、トランジスタのそれぞれの主電極領域と
エピタキシャルキャパシタとを一対一に対応させて電気
的に接続する接続部とを少なくとも含むことを特徴とす
る半導体記憶装置である。ここで、「第1の半導体基
板」および「第2の半導体基板」は、チョコラルスキー
法(CZ法)、フローティングゾーン法(FZ法)、あ
るいは磁場印加チョコラルスキー法(MCZ法)等によ
るバルク単結晶の成長方法によって得られた半導体基板
を意味する。いわゆるシリコンウェハやガリウム砒素ウ
ェハ等の形で商業的に入手可能な半導体基板を意味す
る。大口径化の観点からは、特にシリコンウェハが好ま
しい。すなわち、第1の発明における半導体基板は、半
導体記憶装置の製造工程開始時に8インチΦ乃至12イ
ンチΦ等の所定の形状を有して存在するシリコンウェハ
等の半導体基板であればよい。工程開始時にはアモルフ
ァスもしくは多結晶であって、その後電子ビームアニー
ル、もしくはレーザアニール、その他の熱処理によって
単結晶化された半導体や、工程開始後に何らかの手法で
形成された半導体等を除外する意である。CZ法、FZ
法、MCZ法等によるシリコンウェハ上にエピタキシャ
ル成長したエピタキシャルウェハや、これらのシリコン
ウェハを用いたSOI基板等も本発明の「第1の半導体
基板」および「第2の半導体基板」に該当することは勿
論である。
That is, the first invention provides a first semiconductor substrate having a plurality of transistors arranged in a matrix, and a second semiconductor substrate having a plurality of perovskite-type epitaxial capacitors respectively corresponding to the plurality of transistors. And a connection portion for electrically connecting each main electrode region of the transistor and the epitaxial capacitor in a one-to-one correspondence. Here, the “first semiconductor substrate” and the “second semiconductor substrate” are referred to as a bulk semiconductor by the Czochralski method (CZ method), the floating zone method (FZ method), the magnetic field application Czochralski method (MCZ method), or the like. It means a semiconductor substrate obtained by a crystal growth method. It means a semiconductor substrate which is commercially available in the form of a so-called silicon wafer or gallium arsenide wafer. From the viewpoint of increasing the diameter, a silicon wafer is particularly preferable. That is, the semiconductor substrate according to the first aspect of the present invention may be a semiconductor substrate such as a silicon wafer that has a predetermined shape such as 8 inches Φ to 12 inches Φ at the start of the semiconductor memory device manufacturing process. It is intended to exclude a semiconductor which is amorphous or polycrystalline at the start of the process and which has been made into a single crystal by electron beam annealing, laser annealing, or another heat treatment, or a semiconductor formed by any method after the start of the process. CZ method, FZ
Wafers epitaxially grown on silicon wafers by the CVD method, MCZ method, etc., SOI substrates using these silicon wafers, etc. also fall under the “first semiconductor substrate” and “second semiconductor substrate” of the present invention. Of course.

【0035】「トランジスタの主電極領域」とは、トラ
ンジスタのソース領域もしくはドレイン領域の一方の意
である。通常トランジスタのソース領域およびドレイン
領域は、対称に形成されているので、いずれをトランジ
スタのソース領域と呼ぶか、トランジスタのドレイン領
域と呼ぶかは、単なる呼び方の問題にすぎない。第1の
発明の「トランジスタの主電極領域とエピタキシャルキ
ャパシタとを電気的に接続する接続部」は、トランジス
タの主電極領域に接続されるキャパシタコンタクトプラ
グ部と、このキャパシタコンタクトプラグ部に接続され
る第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層とを少なくとも
有する接続部である。
The "main electrode region of the transistor" means one of a source region and a drain region of the transistor. Since the source region and the drain region of a transistor are usually formed symmetrically, it is only a matter of how to call them the source region or the drain region of the transistor. The "connection part for electrically connecting the main electrode region of the transistor and the epitaxial capacitor" of the first invention is a capacitor contact plug connected to the main electrode region of the transistor, and connected to the capacitor contact plug. This is a connection portion having at least a first bonding layer and a second bonding layer.

【0036】第1の発明で用いるペロブスカイト型構造
エピタキシャルキャパシタの誘電体材料としては、成分
としてPbやBi等の低融点金属を含まない、熱的に安
定なBaTiO3 系の単結晶材料が適している。すなわ
ち、ABO3 で表される組成式において、Aとしては主
としてBaからなり、その一部をSrあるいはCaのう
ち少なくとも1種類の元素で置換しても構わない。Bと
して、Ti,Sn,Zr,Hfなどおよびそれらの固溶
系、さらにはMg1/3 Ta2/3 ,Mg1/3 Nb2/3 ,Z
1/3 Nb2/3 ,Zn1/3 Ta2/3 などの複合化合物お
よびそれらの固溶系を使用することができる。
As the dielectric material of the perovskite structure epitaxial capacitor used in the first invention, a thermally stable BaTiO 3 -based single crystal material which does not contain a low melting point metal such as Pb or Bi as a component is suitable. I have. That is, in the composition formula represented by ABO 3 , A mainly consists of Ba, and a part thereof may be replaced with at least one element of Sr or Ca. As B, Ti, Sn, Zr, Hf and the like and their solid solution systems, furthermore, Mg 1/3 Ta 2/3 , Mg 1/3 Nb 2/3 , Z
Composite compounds such as n 1/3 Nb 2/3 and Zn 1/3 Ta 2/3 and solid solution systems thereof can be used.

【0037】また、第1の発明で用いるペロブスカイト
型構造エピタキシャルキャパシタの下地電極層(下部電
極層または上部電極層)として、やはり熱的に安定な単
結晶ルテニウム酸ストロンチウムや単結晶モリブデン酸
ストロンチウムなどのペロブスカイト型導電性酸化物が
最適であり、さらに白金、金、パラジウム、イリジウ
ム、ロジウム、レニウム、ルテニウムなどの貴金属およ
びそれらの合金やそれらの酸化物などを使用することが
できる。なお、半導体基板上に適宜バリアメタル層等を
形成してから、下部電極層をエピタキシャル成長させて
もよい。下地電極層を単結晶薄膜とし、下地電極層のc
軸が膜面に垂直になるようにし、下地電極層のa軸、b
軸方向の格子定数が、ペロブスカイト型誘電体薄膜層の
それより十分小さくなるようにその組成を選ぶことが好
ましい。このようにすれば、下地電極層と誘電体薄膜層
との格子定数のミスマッチに起因する応力を利用して、
強誘電キュリー温度を高温側にシフトさせ、室温におけ
る強誘電体特性を実現することや、高い誘電率を有した
常誘電体特性を実現することができるからである。
Further, as a base electrode layer (lower electrode layer or upper electrode layer) of the perovskite type epitaxial capacitor used in the first invention, thermally stable single crystal strontium ruthenate or single crystal strontium molybdate is also used. A perovskite-type conductive oxide is most suitable, and further, noble metals such as platinum, gold, palladium, iridium, rhodium, rhenium, ruthenium, alloys thereof, and oxides thereof can be used. The lower electrode layer may be epitaxially grown after a barrier metal layer or the like is appropriately formed on the semiconductor substrate. The base electrode layer is a single crystal thin film, and the base electrode layer c
The axis is set to be perpendicular to the film surface.
It is preferable to select the composition so that the axial lattice constant is sufficiently smaller than that of the perovskite-type dielectric thin film layer. In this way, by utilizing the stress caused by the lattice constant mismatch between the base electrode layer and the dielectric thin film layer,
This is because the ferroelectric Curie temperature can be shifted to a higher temperature side to realize the ferroelectric characteristics at room temperature and the paraelectric characteristics having a high dielectric constant.

【0038】したがって、誘電体薄膜層の組成を選ぶこ
とによって、強誘電体薄膜層も常誘電体薄膜層も任意に
選択できるので、FRAMもDRAMも実現できる。た
とえば、Baの組成0.6−1.0、好ましくは0.6
−0.9程度のBaリッチ組成の単結晶BSTOを使用
することによってFRAMが、Srの組成0.6−0.
9程度のSrリッチ組成の単結晶BSTOを使用するこ
とによりDRAMが実現できる。
Therefore, by selecting the composition of the dielectric thin film layer, the ferroelectric thin film layer and the paraelectric thin film layer can be arbitrarily selected, so that both FRAM and DRAM can be realized. For example, the composition of Ba is 0.6-1.0, preferably 0.6.
By using a single crystal BSTO having a Ba-rich composition of about −0.9, the FRAM has an Sr composition of 0.6-0.
A DRAM can be realized by using a single crystal BSTO having an Sr-rich composition of about 9.

【0039】第1の発明によると、直径が200mm
(8インチ)乃至300mm(12インチ)以上のシリ
コンウェハ(半導体基板)を用いることが可能となるた
め、ギガビット以上の大容量で、且つ製品単価の安い半
導体記憶装置(半導体メモリ)が実現できる。
According to the first invention, the diameter is 200 mm
Since a silicon wafer (semiconductor substrate) of (8 inches) to 300 mm (12 inches) or more can be used, a semiconductor storage device (semiconductor memory) having a large capacity of gigabit or more and a low unit price can be realized.

【0040】第2の発明は、第1の基板上にトランジス
タを形成し、その最上層を平坦化し、基板表面とする工
程と;この基板表面全面に、トランジスタの主電極領域
と接続した平坦な第1の貼り合せ層を形成する工程と;
エピタキシャル成長により、第2の基板上に第1の電極
層と誘電体薄膜層と第2の電極層から少なくともなるキ
ャパシタ用多層構造を形成する工程と;平坦な第2の貼
り合せ層を前記キャパシタ用多層構造上の全面に形成す
る工程と;第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を突き
合わせて、第1の基板と第2の基板とを互いに接着する
工程と;この接着する工程の後でキャパシタ用多層構
造、第1および第2の貼り合せ層を複数のパターンに分
離して、セル毎のキャパシタを形成する工程を少なくと
も含む半導体記憶装置の製造方法であることを特徴とす
る。ここで、「第1の基板」および「第2の基板」は、
第1の発明で定義したようなCZ法、FZ法、MCZ法
等によるバルク単結晶の成長方法によって得られた基板
が好ましい。特に、「第2の基板」は高導電率の基板が
好ましい。そして、大口径化の観点からは、「第1の基
板」および「第2の基板」は、半導体基板、特にシリコ
ン基板が好ましい。また、「トランジスタの主電極領
域」とは、トランジスタのソース領域もしくはドレイン
領域の一方の意である。
According to a second aspect of the present invention, a transistor is formed on a first substrate, and the uppermost layer is planarized to form a substrate surface; Forming a first bonding layer;
Forming a multilayer structure for a capacitor comprising at least a first electrode layer, a dielectric thin film layer, and a second electrode layer on a second substrate by epitaxial growth; and forming a flat second bonding layer for the capacitor on the second substrate. Forming a step on the entire surface of the multilayer structure; abutting the first bonding layer and the second bonding layer to bond the first substrate and the second substrate to each other; A method of manufacturing a semiconductor memory device including at least a step of forming a capacitor for each cell by separating a multilayer structure for a capacitor and first and second bonding layers into a plurality of patterns later. Here, the “first substrate” and the “second substrate”
A substrate obtained by a bulk single crystal growth method by the CZ method, the FZ method, the MCZ method, or the like as defined in the first invention is preferable. In particular, the “second substrate” is preferably a substrate having high conductivity. From the viewpoint of increasing the diameter, the “first substrate” and the “second substrate” are preferably a semiconductor substrate, particularly a silicon substrate. Further, “a main electrode region of a transistor” means one of a source region and a drain region of a transistor.

【0041】第2の発明においては、第1の基板上に作
成した第1の貼り合せ層と、第2の基板上に作成した第
2の貼り合せ層は、ともにウェハ全面に渡って均一な材
料で平坦に形成されているので、ウェハ全面に渡って均
一に貼り合わせることが出来、信頼性の高い接合が可能
となる。トランジスタの主電極領域とセル毎のキャパシ
タとは、一対一に電気的に接続される。この電気的にす
るための接続部は、トランジスタの主電極領域に接続さ
れるキャパシタコンタクトプラグ部と、このキャパシタ
コンタクトプラグ部に接続される第1の貼り合せ層と第
2の貼り合せ層とにより構成すればよい。従って、これ
らの貼り合せ層は金属、又は抵抗率の低い半導体である
必要がある。あるいは第1の貼り合せ層をシリコン、第
2の貼り合せ層を金属(もしくは第1の貼り合せ層を金
属、第2の貼り合せ層をシリコン)として、貼り合わせ
た後でシリサイドを形成してもよい。いずれにしても貼
り合わせ後の第1および第2の貼り合せ層が導電体とな
っていることが最低限要求される。
In the second invention, the first bonding layer formed on the first substrate and the second bonding layer formed on the second substrate are both uniform over the entire surface of the wafer. Since the wafer is formed flat, it can be bonded uniformly over the entire surface of the wafer, and highly reliable bonding can be achieved. The main electrode region of the transistor and the capacitor of each cell are electrically connected one to one. The connection for electrical connection is formed by a capacitor contact plug connected to the main electrode region of the transistor, and a first bonding layer and a second bonding layer connected to the capacitor contact plug. What is necessary is just to comprise. Therefore, these bonding layers need to be made of metal or semiconductor with low resistivity. Alternatively, the first bonding layer is made of silicon, the second bonding layer is made of metal (or the first bonding layer is made of metal, and the second bonding layer is made of silicon), and then silicide is formed. Is also good. In any case, it is required at least that the first and second bonding layers after bonding are conductors.

【0042】露光・現像・リンス等の一連のステップか
らなるフォトリソグラフィー工程に比し、2枚の基板を
それぞれ保持し、互いに合わせ、プレスし、熱処理する
ステップからなる貼り合わせ工程は、はるかに位置合わ
せの精度が出しにくい工程である。予めトランジスタの
主電極領域に接続される第1のフランジ(第1の貼り合
せ層)と各セル毎のキャパシタの電極層に接続される第
2のフランジ(第2の貼り合せ層)をパターニングし
て、これらのフランジパターン同士がウェハ全面に渡っ
てサブミクロン乃至ナノメータレベルの精度で合うよう
に注意しながら、第1の基板と第2の基板とを機械的に
貼り合わせるのは、極めて困難である。第2の発明にお
いては、第1および第2の貼り合せ層をウェハ全面に渡
って均一に形成した後、第1および第2の貼り合せ層を
突き合わせて、第1および第2の基板とを互いに接着
し、その後、キャパシタ用多層構造、第1および第2の
貼り合せ層をエッチングにより分離して、セル毎のキャ
パシタを形成しているので、かかるサブミクロン乃至ナ
ノメータレベルの位置合わせ精度は不要である。つま
り、第1および第2の貼り合わせ層は、貼り合わせ後
に、トランジスタを形成した第1の基板上のパターンに
倣って、フォトリソグラフィー工程によりマスク合わせ
を行い、キャパシタ分離のパターニングをすればよいの
で工程が簡単になる。フォトリソグラフィー工程は、貼
り合わせ工程に比し技術的な完成度も高く、より高精度
が出せるためである。また、第1および第2の基板との
接着後に、セル毎のキャパシタとトランジスタの主電極
領域との相対的位置関係が決定されるので、多少の貼り
合わせずれはその後のフォトリソグラフィー工程でカバ
ーできるからである。
Compared to the photolithography process including a series of steps such as exposure, development, and rinsing, the bonding process including the steps of holding, bonding, pressing, and heat-treating the two substrates is far more difficult. This is a process where alignment accuracy is difficult to obtain. The first flange (first bonding layer) connected to the main electrode region of the transistor and the second flange (second bonding layer) connected to the electrode layer of the capacitor for each cell are patterned in advance. Therefore, it is extremely difficult to mechanically bond the first substrate and the second substrate while paying attention to the fact that these flange patterns fit over the entire surface of the wafer with submicron to nanometer level accuracy. is there. In the second invention, after the first and second bonding layers are formed uniformly over the entire surface of the wafer, the first and second bonding layers are abutted, and the first and second substrates are bonded to each other. Since the multilayer structure for capacitors and the first and second bonding layers are separated by etching after bonding to each other to form capacitors for each cell, such submicron to nanometer level alignment accuracy is unnecessary. It is. In other words, after the first and second bonding layers are bonded, mask alignment may be performed by photolithography according to the pattern on the first substrate on which the transistor is formed, and patterning for capacitor isolation may be performed. The process is simplified. This is because the photolithography process has a higher degree of technical perfection and higher accuracy than the bonding process. In addition, since the relative positional relationship between the capacitor and the main electrode region of the transistor for each cell is determined after bonding to the first and second substrates, a slight misalignment can be covered in a subsequent photolithography process. Because.

【0043】第2の発明で用いるペロブスカイト型構造
エピタキシャルキャパシタの誘電体材料としては、第1
の発明で述べたように、PbやBi等の低融点金属を含
まない、熱的に安定なBaTiO3 系の単結晶材料が適
している。
The dielectric material of the perovskite structure epitaxial capacitor used in the second invention is the first dielectric material.
As described in the invention, a thermally stable BaTiO 3 single crystal material which does not contain a low melting point metal such as Pb or Bi is suitable.

【0044】また、第2の発明で用いるペロブスカイト
型構造エピタキシャルキャパシタの下地電極層(下部電
極層)として、やはり熱的に安定な単結晶ルテニウム酸
ストロンチウムや単結晶モリブデン酸ストロンチウムな
どのペロブスカイト型導電性酸化物が最適であり、さら
に白金、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、レニ
ウム、ルテニウムなどの貴金属およびそれらの合金やそ
れらの酸化物などを使用することができる。なお、基板
上に適宜バリアメタル層等を形成してから、下部電極層
をエピタキシャル成長させてもよい。下地電極層を単結
晶薄膜とし、下地電極層のc軸が膜面に垂直になるよう
にし、下地電極層のa軸、b軸方向の格子定数が、ペロ
ブスカイト型誘電体薄膜層のそれより十分小さくなるよ
うにその組成を選ぶことが好ましい。このようにすれ
ば、下地電極層と誘電体薄膜層との格子定数のミスマッ
チに起因する応力を利用して、強誘電キュリー温度を高
温側にシフトさせ、室温における強誘電体特性を実現す
ることや、高い誘電率を有した常誘電体特性を実現する
ことができるからである。したがって、誘電体薄膜層の
組成を選ぶことによって、強誘電体薄膜層も常誘電体薄
膜層も任意に選択できるので、FRAMもDRAMも実
現できる。
As a base electrode layer (lower electrode layer) of the perovskite structure epitaxial capacitor used in the second invention, a perovskite conductive material such as single crystal strontium ruthenate or single crystal strontium molybdate, which is also thermally stable. An oxide is optimal, and noble metals such as platinum, gold, palladium, iridium, rhodium, rhenium, ruthenium, alloys thereof, and oxides thereof can be used. The lower electrode layer may be epitaxially grown after a barrier metal layer or the like is appropriately formed on the substrate. The base electrode layer is a single crystal thin film, and the c-axis of the base electrode layer is perpendicular to the film surface. It is preferable to select the composition so as to be small. In this way, the ferroelectric Curie temperature is shifted to a higher temperature side by utilizing the stress caused by the lattice constant mismatch between the base electrode layer and the dielectric thin film layer, thereby realizing the ferroelectric characteristics at room temperature. Also, it is possible to realize paraelectric characteristics having a high dielectric constant. Therefore, by selecting the composition of the dielectric thin film layer, the ferroelectric thin film layer and the paraelectric thin film layer can be arbitrarily selected, so that both FRAM and DRAM can be realized.

【0045】できるだけ低温で、第1の基板と第2の基
板との貼り合わせを行うためには、第1および第2貼り
合せ層の材料や貼り合わせ方法の工夫が必要である。例
えば、第1の貼り合せ層の材料と第2の貼り合せ層の材
料とが合金化する系を選び、合金化する際の反応エネル
ギを貼り合わせに援用すればよい。第1あるいは第2の
貼り合せ層が異なる金属あるいは半導体からなり、平衡
状態図上で両方の貼り合せ層の間で合金層を形成する系
を選択することにより、貼り合わせ温度を低温化するこ
とができる。合金層を形成する系では、合金を形成した
方が自由エネルギが低くなるため、合金化過程が貼り合
わせ工程を促進するためである。また、合金化すること
によって、元の金属よりも融点を上昇したり、機械的強
度を増加させることも可能である。合金を作る系は金属
同士でもよく、またニッケルとシリコンなどのシリサイ
ドを作る金属と半導体の組合わせでも良い。
In order to bond the first substrate and the second substrate at a temperature as low as possible, it is necessary to devise materials for the first and second bonding layers and a bonding method. For example, a system in which the material of the first bonding layer and the material of the second bonding layer are alloyed may be selected, and the reaction energy at the time of alloying may be used for bonding. Lowering the bonding temperature by selecting a system in which the first or second bonding layer is made of a different metal or semiconductor and forms an alloy layer between both bonding layers on an equilibrium diagram. Can be. In a system for forming an alloy layer, the free energy is lower when an alloy is formed, so that the alloying process promotes the bonding process. Further, by alloying, it is possible to increase the melting point and the mechanical strength as compared with the original metal. The system for forming an alloy may be a metal or a combination of a metal and a semiconductor for forming silicide such as nickel and silicon.

【0046】また、貼り合せ層としてAl−Ta、Al
−Cu,Al−Au,Al−Mg,Ti−Co,Ti−
Ni,Ti−Cu,Si−Mn,Si−Pd,Si−P
t,Si−AgあるいはSi−Au等のアモルファス金
属(非晶質金属)を使用し、貼り合わせる際に結晶化さ
せて結晶化のエネルギを貼り合わせに援用してもよい。
第1あるいは第2の貼り合せ層の少なくても一方を、非
晶質の金属あるいは半導体を選択することにより、貼り
合わせ温度を低温化することができる。非晶質よりも結
晶になった方が自由エネルギが低くなるため、結晶化過
程が貼り合わせ工程を促進するためである。
Further, Al—Ta, Al
-Cu, Al-Au, Al-Mg, Ti-Co, Ti-
Ni, Ti-Cu, Si-Mn, Si-Pd, Si-P
An amorphous metal (amorphous metal) such as t, Si-Ag or Si-Au may be used, and may be crystallized at the time of bonding, and the energy of crystallization may be used for bonding.
By selecting an amorphous metal or semiconductor for at least one of the first and second bonding layers, the bonding temperature can be lowered. This is because the crystallization process promotes the bonding process because the free energy is lower when the film is amorphous than when it is amorphous.

【0047】さらに、貼り合わせ方法の工夫としては、
(イ)貼り合せ層を真空装置内で形成後に大気中に出さ
ずに貼り合わせる、(ロ)不活性ガス中で、貼り合わせ
面をスパッタリングなどで物理的に清浄化する、(ハ)
水素などの還元性雰囲気中でのアニールにより表面の酸
化物を還元して金属面を露出するなどの化学的清浄化す
る、等の方法が望ましい。水素などで還元する場合は酸
化物生成自由エネルギ等の検討により熱力学的に還元可
能な金属層あるいは半導体層を使用する必要がある。
(ロ)または(ハ)の表面を清浄化する工程を経た後
は、大気中に晒すことなく貼り合わせ工程を行うことが
望ましい。第2の発明においては、第1および第2の貼
り合せ層をウェハ全面に渡って均一に形成した後、第1
および第2の基板とを互いに貼り合わせ、その後、フォ
トリソグラフィー工程で、セル毎のキャパシタを分離・
形成しているので、真空装置内で大気中に晒すことなく
第1および第2の基板を互いに貼り合わせることも容易
である。多少の合わせずれはその後のフォトリソグラフ
ィー工程でカバーできるからである。
Further, as a device of the bonding method,
(B) bonding the bonded layer without forming it in the air after forming the bonded layer in a vacuum device; (b) physically cleaning the bonded surface by sputtering or the like in an inert gas;
It is desirable to employ a method of reducing the oxide on the surface by annealing in a reducing atmosphere such as hydrogen to chemically clean the metal surface by exposing the metal surface. When reducing with hydrogen or the like, it is necessary to use a metal layer or a semiconductor layer that can be reduced thermodynamically by examining the free energy of oxide formation.
After the step of cleaning the surface of (b) or (c), it is desirable to carry out the bonding step without exposing it to the atmosphere. In the second invention, after the first and second bonding layers are formed uniformly over the entire surface of the wafer, the first and second bonding layers are formed.
And the second substrate are bonded to each other, and then the capacitors for each cell are separated and
Since it is formed, the first and second substrates can be easily attached to each other without being exposed to the air in a vacuum device. This is because a slight misalignment can be covered in the subsequent photolithography process.

【0048】第2の発明の半導体記憶装置の製造方法に
おいて、第1の基板上にトランジスタを形成する工程が
最初である。シリコン基板の場合を例にとると、トラン
ジスタを形成する工程のプロセス温度は、約1000℃
であり、他の工程に比し一番高い。その後、キャパシタ
用多層構造を形成する工程、および第1の貼り合せ層と
第2の貼り合せ層を突き合わせて、第1の基板と第2の
基板とを互いに接着する工程を行っているので、キャパ
シタ用多層構造に余分な熱エネルギーが与えられず、全
体としてのプロセスの低温化が可能となる。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the second invention, the step of forming a transistor on the first substrate is first. Taking the case of a silicon substrate as an example, the process temperature of the step of forming a transistor is about 1000 ° C.
Which is the highest compared to other processes. Thereafter, a step of forming a multilayer structure for a capacitor and a step of abutting the first bonding layer and the second bonding layer to bond the first substrate and the second substrate to each other are performed. No extra heat energy is given to the multilayer structure for the capacitor, and the temperature of the whole process can be reduced.

【0049】本発明の第2の発明によれば、大口径のシ
リコン基板等の基板を用いることが可能になるので、大
量生産に好適で、チップ当たりの製造単価も安くなる。
According to the second aspect of the present invention, it is possible to use a substrate such as a silicon substrate having a large diameter, so that it is suitable for mass production and the manufacturing cost per chip is reduced.

【0050】第3の発明は、第1の基板上にトランジス
タを形成し、その最上層を平坦化し、基板表面とする工
程と;この基板表面全面に、トランジスタの主電極領域
と接続した平坦な第1の貼り合せ層を形成する工程と;
第2の基板の表面の全面に平坦な第2の貼り合せ層を
形成する工程と;第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層
を突き合わせて、第1の基板と第2の基板とを互いに接
着する工程と;この接着する工程の後に、第2の基板を
所定の厚さに薄膜化する工程と;エピタキシャル成長に
より、第2の基板上に第1の電極層と誘電体薄膜層と第
2の電極層から少なくともなるキャパシタ用多層構造の
少なくとも一部を形成する工程と;キャパシタ用多層構
造の少なくとも一部、第2の基板、第1および第2の貼
り合せ層を複数のパターンに分離して、セル毎のキャパ
シタに分離可能にする工程とを少なくとも含む半導体記
憶装置の製造方法であることを特徴とする。ここで、
「第1の基板」および「第2の基板」は、第1の発明で
定義したようなCZ法、FZ法、MCZ法等によるバル
ク単結晶の成長方法によって得られた基板が好ましい。
特に、「第2の基板」は高導電率の基板が好ましい。そ
して、大口径化の観点からは、「第1の基板」および
「第2の基板」は、半導体基板、特にシリコン基板が好
ましい。また、「トランジスタの主電極領域」とは、ト
ランジスタのソース領域もしくはドレイン領域の一方の
意である。「第1の電極層と誘電体薄膜層と第2の電極
層のからなるキャパシタ用多層構造の少なくとも一部を
形成する工程」とは、例えば、第1の電極層のみを積層
する工程でも良く、第1の電極層と誘電体薄膜層と第2
の電極層のすべてを積層する工程でも良いという意であ
る。いずれにしても、最終的には、このキャパシタ用多
層構造は、第1の電極層と誘電体薄膜層と第2の電極層
から少なくとも構成されることになるが、セル毎のキャ
パシタに分離されるためには、これらの多層構造の各層
すべてが分離される必要はない。少なくとも第1の電極
層又は第2の電極層のいずれかが、セル毎に分離されて
いれば、電気的に独立のキャパシタとして振る舞うこと
が出来る。したがって、「キャパシタ用多層構造の少な
くとも一部、第2の基板、第1および第2の貼り合せ層
を複数のパターンに分離して、セル毎のキャパシタに分
離可能にする工程」は、少なくとも第1の電極層又は第
2の電極層のいずれか、および第2の基板、第1および
第2の貼り合せ層を分離する工程と解すべきである。第
3の発明の半導体記憶装置の製造方法においては、第1
の電極層をエピタキシャル成長し、その後第1の電極層
を分離し、更にその後に誘電体薄膜層と第2の電極層を
エピタキシャル成長するような組合わせ(時系列)で、
最終的にキャパシタ用多層構造を形成してもよい。即
ち、エピタキシャル成長により、第2の基板上に第1の
電極層と誘電体薄膜層と第2の電極層から少なくともな
るキャパシタ用多層構造を形成する場合、必ずしも一連
のステップからなるエピタキシャル成長である必要はな
く、2つのステップから構成し、その間に他の工程を挟
むことも可能である。また、上部電極層は、必ずしもエ
ピタキシャル成長で形成する必要はない。
According to a third aspect of the present invention, a transistor is formed on a first substrate, and the uppermost layer is planarized to form a substrate surface; Forming a first bonding layer;
Forming a flat second bonding layer over the entire surface of the second substrate; abutting the first bonding layer and the second bonding layer to form a first substrate and a second substrate; Bonding the first electrode layer and the dielectric thin film layer on the second substrate by epitaxial growth. Forming at least a part of a multilayer structure for a capacitor comprising at least a second electrode layer; and forming at least a part of the multilayer structure for a capacitor, a second substrate, and first and second bonding layers into a plurality of patterns. A method of manufacturing a semiconductor memory device including at least a step of separating the capacitors into capacitors for each cell. here,
The “first substrate” and the “second substrate” are preferably substrates obtained by a bulk single crystal growth method such as the CZ method, the FZ method, and the MCZ method as defined in the first invention.
In particular, the “second substrate” is preferably a substrate having high conductivity. From the viewpoint of increasing the diameter, the “first substrate” and the “second substrate” are preferably a semiconductor substrate, particularly a silicon substrate. Further, “a main electrode region of a transistor” means one of a source region and a drain region of a transistor. The “step of forming at least a part of the multilayer structure for a capacitor including the first electrode layer, the dielectric thin film layer, and the second electrode layer” may be, for example, a step of laminating only the first electrode layer. , The first electrode layer, the dielectric thin film layer and the second
This means that a process of laminating all of the electrode layers may be used. In any case, ultimately, this multilayer structure for a capacitor is composed of at least a first electrode layer, a dielectric thin film layer and a second electrode layer. Not all layers of these multilayer structures need to be separated in order to do so. If at least either the first electrode layer or the second electrode layer is separated for each cell, it can behave as an electrically independent capacitor. Therefore, the “step of separating at least a part of the multilayer structure for a capacitor, the second substrate, and the first and second bonding layers into a plurality of patterns to enable separation into capacitors for each cell” includes at least a first step. It should be understood as separating either the first electrode layer or the second electrode layer, and the second substrate and the first and second bonding layers. In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the third invention, the first
In a combination (time series) such that the first electrode layer is separated, and then the dielectric thin film layer and the second electrode layer are epitaxially grown.
Finally, a multilayer structure for a capacitor may be formed. That is, when a multilayer structure for a capacitor including at least a first electrode layer, a dielectric thin film layer, and a second electrode layer is formed on a second substrate by epitaxial growth, the epitaxial growth does not necessarily need to be a series of steps. Instead, it is also possible to configure it with two steps, and to interpose other processes between them. The upper electrode layer does not necessarily need to be formed by epitaxial growth.

【0051】トランジスタ形成、キャパシタ用多層構造
形成、および貼り合わせ工程の温度を比較すると、トラ
ンジスタ形成のプロセス温度が一番高い。シリコン基板
の場合を例にとると、トランジスタを形成する工程のプ
ロセス温度は、約1000℃である。従って、工程の順
番として、第2の発明で示した第1の基板にトランジス
タを作成し、第2の基板にキャパシタ用多層構造を作成
し、第1および第2の基板とを貼り合わせる方法か、こ
の第3の発明の第1の基板にトランジスタを作成し、第
1の基板と第2の基板とを貼り合わせて研磨し、その後
キャパシタ用多層構造を作成する方法が望ましいのであ
る。
Comparing the temperatures of the transistor formation, the formation of the capacitor multilayer structure, and the bonding process, the process temperature of the transistor formation is the highest. Taking the case of a silicon substrate as an example, the process temperature in the step of forming a transistor is about 1000 ° C. Therefore, as a sequence of steps, a method in which a transistor is formed on the first substrate shown in the second invention, a multilayer structure for a capacitor is formed on the second substrate, and the first and second substrates are bonded to each other. It is preferable that a transistor is formed on the first substrate of the third invention, the first substrate and the second substrate are bonded and polished, and then a multilayer structure for a capacitor is formed.

【0052】第3の発明においては、第1の基板上に作
成した第1の貼り合せ層と、第2の基板上に作成した第
2の貼り合せ層は、ともにウェハ全面に渡って均一な材
料で平坦に形成されているので、ウェハ全面に渡って均
一に貼り合わせることが出来、信頼性の高い接合が可能
となる。トランジスタの主電極領域とセル毎のキャパシ
タを、一対一に電気的に接続するための接続部は、トラ
ンジスタの主電極領域に接続されるキャパシタコンタク
トプラグ部と、このキャパシタコンタクトプラグ部に接
続される第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層とにより
構成されることとなる。従って、これらの貼り合せ層は
金属、又は抵抗率の低い半導体である必要がある。ある
いは第1の貼り合せ層をシリコン、第2の貼り合せ層を
金属(もしくは第1の貼り合せ層を金属、第2の貼り合
せ層をシリコン)として、貼り合わせた後でシリサイド
を形成してもよい。
In the third invention, the first bonding layer formed on the first substrate and the second bonding layer formed on the second substrate are both uniform over the entire surface of the wafer. Since the wafer is formed flat, it can be bonded uniformly over the entire surface of the wafer, and highly reliable bonding can be achieved. A connection portion for electrically connecting the main electrode region of the transistor and the capacitor of each cell one-to-one is connected to the capacitor contact plug portion connected to the main electrode region of the transistor and the capacitor contact plug portion. It is composed of a first bonding layer and a second bonding layer. Therefore, these bonding layers need to be made of metal or semiconductor with low resistivity. Alternatively, the first bonding layer is made of silicon, the second bonding layer is made of metal (or the first bonding layer is made of metal, and the second bonding layer is made of silicon), and then silicide is formed. Is also good.

【0053】第3の発明においては、第1および第2の
貼り合せ層をウェハ全面に渡って均一に形成した後、第
1および第2の貼り合せ層を突き合わせて、第1および
第2の基板とを互いに接着し、その後、キャパシタ用多
層構造の少なくとも一部を形成し、このキャパシタ用多
層構造の少なくとも一部、第1および第2の貼り合せ層
をエッチングにより分離して、セル毎のキャパシタを形
成しているので、貼り合わせ時には、サブミクロン乃至
ナノメータレベルの位置合わせ精度は不要である。なぜ
ならば、第1および第2の基板との接着後に、セル毎の
キャパシタとトランジスタの主電極領域との相対的位置
関係が決定されるからである。つまり、貼り合わせ後
に、キャパシタ用多層構造を形成し、トランジスタを形
成した第1の基板上のパターンに倣って、フォトリソグ
ラフィー工程によりマスク合わせを行い、キャパシタ分
離のパターニングをすればよいので、貼り合わせ時の位
置合わせ工程が簡単になる。多少の貼り合わせずれはこ
の後のフォトリソグラフィー工程に何ら影響を与えるこ
とはない。
In the third invention, the first and second bonding layers are formed uniformly over the entire surface of the wafer, and then the first and second bonding layers are abutted to form the first and second bonding layers. The substrate and the substrate are adhered to each other, and then at least a part of the multilayer structure for a capacitor is formed. Since the capacitor is formed, positioning accuracy of a submicron to nanometer level is not required at the time of bonding. This is because, after bonding to the first and second substrates, the relative positional relationship between the capacitor and the main electrode region of the transistor for each cell is determined. In other words, after bonding, a multilayer structure for capacitors is formed, and mask matching is performed by a photolithography process according to the pattern on the first substrate on which the transistor is formed, and patterning for capacitor separation is performed. The time alignment process is simplified. A slight misalignment does not affect the subsequent photolithography process at all.

【0054】第3の発明で用いるペロブスカイト型構造
エピタキシャルキャパシタの誘電体材料としては、既に
第1の発明で説明したBaTiO3 系の単結晶材料が適
している。また、第3の発明で用いるペロブスカイト型
構造エピタキシャルキャパシタの下地電極層(下部電極
層)として、熱的に安定な単結晶ルテニウム酸ストロン
チウムや単結晶モリブデン酸ストロンチウムなどのペロ
ブスカイト型導電性酸化物が最適であり、さらに白金、
金、パラジウム、イリジウム、ロジウム、レニウム、ル
テニウムなどの貴金属およびそれらの合金やそれらの酸
化物などを使用することができる。なお、基板上に適宜
バリアメタル層等を形成してから、下部電極層をエピタ
キシャル成長させてもよい。下地電極層を単結晶薄膜と
し、下地電極層のc軸が膜面に垂直になるようにし、下
地電極層のa軸、b軸方向の格子定数が、ペロブスカイ
ト型誘電体薄膜層のそれより十分小さくなるようにその
組成を選ぶことが好ましい。このようにすれば、下地電
極層と誘電体薄膜層との格子定数のミスマッチに起因す
る応力を利用して、強誘電キュリー温度を高温側にシフ
トさせ、室温における強誘電体特性を実現することや、
高い誘電率を有した常誘電体特性を実現することができ
るからである。したがって、誘電体薄膜層の組成を選ぶ
ことによって、強誘電体薄膜層も常誘電体薄膜層も任意
に選択できるので、FRAMもDRAMも実現できる。
上記において、「上部電極層は、必ずしもエピタキシャ
ル成長で形成する必要はない」と述べたが、これは、下
部電極層のa軸、b軸方向の格子定数が、誘電体薄膜層
のそれより十分小さくなり、下部電極層と誘電体薄膜層
との間に格子定数のミスマッチが生じていれば、所望の
強誘電体特性や高誘電体特性が得られるからである。
As the dielectric material of the perovskite structure epitaxial capacitor used in the third invention, the BaTiO 3 single crystal material already described in the first invention is suitable. Further, as the base electrode layer (lower electrode layer) of the perovskite structure epitaxial capacitor used in the third invention, a thermally stable perovskite-type conductive oxide such as single-crystal strontium ruthenate or single-crystal strontium molybdate is optimal. And platinum,
Precious metals such as gold, palladium, iridium, rhodium, rhenium, ruthenium, and alloys and oxides thereof can be used. The lower electrode layer may be epitaxially grown after a barrier metal layer or the like is appropriately formed on the substrate. The base electrode layer is a single crystal thin film, and the c-axis of the base electrode layer is perpendicular to the film surface. It is preferable to select the composition so as to be small. In this way, the ferroelectric Curie temperature is shifted to a higher temperature side by utilizing the stress caused by the lattice constant mismatch between the base electrode layer and the dielectric thin film layer, thereby realizing the ferroelectric characteristics at room temperature. And
This is because paraelectric characteristics having a high dielectric constant can be realized. Therefore, by selecting the composition of the dielectric thin film layer, the ferroelectric thin film layer and the paraelectric thin film layer can be arbitrarily selected, so that both FRAM and DRAM can be realized.
In the above description, "the upper electrode layer does not necessarily need to be formed by epitaxial growth." This is because the lattice constant of the lower electrode layer in the a-axis and b-axis directions is sufficiently smaller than that of the dielectric thin film layer. That is, if a mismatch in lattice constant occurs between the lower electrode layer and the dielectric thin film layer, desired ferroelectric characteristics and high dielectric characteristics can be obtained.

【0055】できるだけ低温で、第1の基板と第2の基
板との貼り合わせを行うためには、第1および第2の貼
り合せ層の材料や貼り合わせ方法の工夫が必要である。
例えば、第1の貼り合せ層の材料と第2の貼り合せ層の
材料とが合金化する系を選び、合金化する際の反応エネ
ルギを貼り合わせに援用すればよい。第1あるいは第2
の貼り合せ層が異なる金属あるいは半導体からなり、平
衡状態図上で両方の貼り合せ層の間で合金層を形成する
系を選択することにより、貼り合わせ温度を低温化する
ことができる。合金層を形成する系では、合金を形成し
た方が自由エネルギが低くなるため、合金化過程が貼り
合わせ工程を促進するためである。また、合金化するこ
とによって、元の金属よりも融点を上昇したり、機械的
強度を増加させることも可能である。合金を作る系は金
属同士でもよく、またニッケルとシリコンなどのシリサ
イドを作る金属と半導体の組合わせでも良い。
In order to bond the first substrate and the second substrate at a temperature as low as possible, it is necessary to devise materials for the first and second bonding layers and methods of bonding.
For example, a system in which the material of the first bonding layer and the material of the second bonding layer are alloyed may be selected, and the reaction energy at the time of alloying may be used for bonding. 1st or 2nd
Is made of a different metal or semiconductor, and by selecting a system for forming an alloy layer between the two bonding layers on the equilibrium diagram, the bonding temperature can be lowered. In a system for forming an alloy layer, the free energy is lower when an alloy is formed, so that the alloying process promotes the bonding process. Further, by alloying, it is possible to increase the melting point and the mechanical strength as compared with the original metal. The system for forming an alloy may be a metal or a combination of a metal and a semiconductor for forming silicide such as nickel and silicon.

【0056】また、貼り合せ層としてAl−Ta等のア
モルファス金属(非晶質金属)を使用し、貼り合わせる
際に結晶化させて結晶化のエネルギを貼り合わせに援用
してもよい。第1あるいは第2の貼り合せ層の少なくて
も一方に、非晶質の金属あるいは半導体を選択すること
により、貼り合わせ温度を低温化することができる。非
晶質よりも結晶になった方が自由エネルギが低くなるた
め、結晶化過程が貼り合わせ工程を促進するためであ
る。
Further, an amorphous metal (amorphous metal) such as Al-Ta may be used as the bonding layer, and may be crystallized at the time of bonding to use the energy of crystallization for bonding. By selecting an amorphous metal or semiconductor for at least one of the first and second bonding layers, the bonding temperature can be reduced. This is because the crystallization process promotes the bonding process because the free energy is lower when the film is amorphous than when it is amorphous.

【0057】さらに、貼り合わせ方法の工夫としては、 ・貼り合せ層を形成後に大気中に出さずに清浄面を保っ
たまま貼り合わせを行うか、 ・貼り合わせる前に、第1あるいは第2の貼り合せ層を
構成する金属(あるいは半導体)の表面を清浄化 すれば貼り合わせ温度を低温化することができる。清浄
化の方法としては、不活性ガス中でスパッタリングを行
うなどの物理的な方法、水素などの還元性雰囲気中でア
ニールを行い表面酸化層を還元するなどの化学的な方法
を用いることができる。水素などで還元する場合は酸化
物生成自由エネルギ等の検討により熱力学的に還元可能
な金属層あるいは半導体層を使用する必要がある。表面
を清浄化する工程を経た後は、大気中に晒すことなく貼
り合わせるのが好ましい。第3の発明においては、第1
および第2の基板とを互いに貼り合わせる時に、サブミ
クロン乃至ナノメータレベルの位置合わせ精度は不要で
あるため、真空装置内で第1および第2の基板を互いに
貼り合わせることは容易である。
Further, the bonding method may be devised as follows: (1) After forming the bonding layer, the bonding is performed while keeping the clean surface without being exposed to the air; (2) Before bonding, the first or the second If the surface of the metal (or semiconductor) constituting the bonding layer is cleaned, the bonding temperature can be lowered. As a cleaning method, a physical method such as sputtering in an inert gas or a chemical method such as annealing in a reducing atmosphere such as hydrogen to reduce a surface oxide layer can be used. . When reducing with hydrogen or the like, it is necessary to use a metal layer or a semiconductor layer that can be reduced thermodynamically by examining the free energy of oxide formation. After the step of cleaning the surface, it is preferable to bond together without exposing it to the air. In the third invention, the first
When the substrate and the second substrate are bonded to each other, positioning accuracy at a submicron to nanometer level is not required, and therefore, it is easy to bond the first and second substrates together in a vacuum apparatus.

【0058】本発明の第3の発明によれば、大口径のシ
リコンウェハ等の基板を用いることが可能になるので、
大量生産に好適で、チップ当たりの製造単価も安くな
る。また、本発明の第3の発明は、第2の発明とほぼ共
通した多くの長所があるが、これらに加え、U型もしく
はV字型等の溝部を用いて立体キャパシタセルを作成す
ることも可能であるため、よりキャパシタの専有面積を
小さくできる。この場合、例えば、第1及び第2の基板
を貼り合わせた後に、U字型もしくはV字型等の溝部を
形成し、この溝部に第1の電極層をエピタキシャル成長
し、その後第1の電極層を分離し、その後に誘電体薄膜
層と第2の電極層をエピタキシャル成長するようなステ
ップで行ってもよい。
According to the third aspect of the present invention, it is possible to use a substrate such as a large-diameter silicon wafer.
It is suitable for mass production and the manufacturing cost per chip is reduced. The third invention of the present invention has many advantages almost in common with the second invention. In addition to these, it is also possible to form a three-dimensional capacitor cell using a U-shaped or V-shaped groove or the like. Since it is possible, the occupied area of the capacitor can be further reduced. In this case, for example, after bonding the first and second substrates, a U-shaped or V-shaped groove is formed, a first electrode layer is epitaxially grown in the groove, and then the first electrode layer is formed. And then performing a step of epitaxially growing the dielectric thin film layer and the second electrode layer.

【0059】[0059]

【発明の実施の形態】以下図面を参照して、本発明の実
施の形態を説明する。図面の記載において同一又は類似
の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、
図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、
各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意
すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下
の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互
間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含
まれていることはもちろんである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However,
The drawings are schematic, the relationship between thickness and plane dimensions,
It should be noted that the ratio of the thickness of each layer is different from the actual one. Therefore, specific thicknesses and dimensions should be determined in consideration of the following description. In addition, it goes without saying that parts having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.

【0060】上述したように半導体記憶装置の量産の観
点からは、互いに貼り合わせる第1および第2の基板は
半導体基板であることが要請される。本発明の実施の形
態に係る半導体記憶装置の説明をする前に、まず、本発
明者らが予備的に検討した第1および第2の半導体基板
を用いた構造について図38乃至図40を用いて述べ
る。
As described above, from the viewpoint of mass production of semiconductor memory devices, the first and second substrates to be bonded to each other are required to be semiconductor substrates. Before describing the semiconductor memory device according to the embodiment of the present invention, first, a structure using the first and second semiconductor substrates, which was preliminarily studied by the present inventors, will be described with reference to FIGS. State.

【0061】図40(a)と図40(b)とは互いに直
交する関係にある断面図である。すなわち、図40
(a)のA−A方向から見た断面図が図40(b)であ
り、図40(b)のB−B方向から見た断面図が図40
(a)である。図40に示すようにSTI領域と称され
る埋込み酸化膜からなる素子分離領域13で互いに分離
された複数のMOSトランジスタが、シリコン基板11
の上に形成されたpウェル12の表面上にマトリクス状
に配置されている。図40のMOSトランジスタは、p
ウェル12の表面のゲート酸化膜29及びゲート電極3
7、pウェル12内のn+ 領域からなるソース領域21
及びドレイン領域22等から形成されている。なおここ
でゲート電極37は、ワード線の一部を成すものであ
る。
FIGS. 40 (a) and 40 (b) are cross-sectional views which are orthogonal to each other. That is, FIG.
FIG. 40 (b) is a cross-sectional view as viewed from the AA direction of (a), and FIG. 40 is a cross-sectional view as viewed from the BB direction of FIG. 40 (b).
(A). As shown in FIG. 40, a plurality of MOS transistors separated from each other by an element isolation region 13 made of a buried oxide film called an STI region are formed on a silicon substrate 11.
Are arranged in a matrix on the surface of a p-well 12 formed thereon. The MOS transistor in FIG.
Gate oxide film 29 and gate electrode 3 on the surface of well 12
7. Source region 21 composed of n + region in p well 12
And the drain region 22 and the like. Here, the gate electrode 37 forms a part of the word line.

【0062】また、ドレイン領域22上には図示を省略
したビット線コンタクトプラグを介してビット線35が
形成されている。n+ ソース領域21には、不純物を添
加した多結晶シリコン(ドープドポリシリコン)や高融
点金属等からなるキャパシタコンタクトプラグ31が接
続されている。キャパシタコンタクトプラグ31には、
矩形のフランジ状にパターニングされた第1の貼り合せ
層49が接続されている。
A bit line 35 is formed on the drain region 22 via a bit line contact plug (not shown). A capacitor contact plug 31 made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) doped with an impurity, a high melting point metal, or the like is connected to the n + source region 21. The capacitor contact plug 31 includes:
A first bonding layer 49 patterned in a rectangular flange shape is connected.

【0063】一方、エピタキシャルキャパシタ(56,
55,54,53,52)は上部バリア金属層56、S
RO等の上部電極層55、BSTO等の誘電体薄膜層5
4、SRO等の下部電極層53、下部バリア金属層52
とから構成されている。上部バリア金属層56には、第
1の貼り合せ層49に対応したフランジ形状の第2の貼
り合せ層57が接続されている。この結果、キャパシタ
コンタクトプラグ31、第1の貼り合せ層49及び第2
の貼り合せ層57により、n+ ソース領域21とエピタ
キシャルキャパシタ(56,55,54,53,52)
とは、電気的に接続されている。
On the other hand, the epitaxial capacitors (56,
55, 54, 53, 52) are upper barrier metal layers 56, S
Upper electrode layer 55 such as RO, dielectric thin film layer 5 such as BSTO
4. Lower electrode layer 53 such as SRO, lower barrier metal layer 52
It is composed of A second bonding layer 57 having a flange shape corresponding to the first bonding layer 49 is connected to the upper barrier metal layer 56. As a result, the capacitor contact plug 31, the first bonding layer 49, and the second
N + source region 21 and epitaxial capacitors (56, 55, 54, 53, 52)
And are electrically connected.

【0064】図40に示す半導体記憶装置は、シリコン
基板11側のフランジ(第1の貼り合せ層)49と、シ
リコン基板51側のフランジ(第2の貼り合せ層)57
とを互いに接触させて、シリコン基板11とシリコン基
板51との直接接合(SDB)基板を実現している。図
40において符号32,33,34,36,37は絶縁
膜である。第1の貼り合せ層49は各メモリセルに1個
ずつ配置され、絶縁膜48により分離された矩形にパタ
ーニングされている。第2の貼り合せ層57、上部バリ
ア金属層56および上部電極層55も、同様に各メモリ
セルに1個ずつ配置され、キャパシタ分離絶縁膜58に
より分離された矩形パターンである。即ち、第2の貼り
合せ層57は第1の貼り合せ層49に対応したフランジ
として形成され、2枚のフランジ49,57が突き合わ
されて電気的接続を実現している。
The semiconductor memory device shown in FIG. 40 has a flange (first bonding layer) 49 on the silicon substrate 11 side and a flange (second bonding layer) 57 on the silicon substrate 51 side.
Are brought into contact with each other to realize a direct bonding (SDB) substrate between the silicon substrate 11 and the silicon substrate 51. In FIG. 40, reference numerals 32, 33, 34, 36, and 37 indicate insulating films. The first bonding layer 49 is arranged one for each memory cell, and is patterned into a rectangle separated by an insulating film 48. Similarly, the second bonding layer 57, the upper barrier metal layer 56, and the upper electrode layer 55 are also arranged one by one in each memory cell, and have a rectangular pattern separated by the capacitor isolation insulating film 58. That is, the second bonding layer 57 is formed as a flange corresponding to the first bonding layer 49, and the two flanges 49 and 57 are abutted to realize electrical connection.

【0065】図40に示す半導体記憶装置は、図38お
よび図39に示すような工程を経て製造した。
The semiconductor memory device shown in FIG. 40 was manufactured through the steps shown in FIGS. 38 and 39.

【0066】まず図38に示すように、第1のシリコン
(100)基板11に、公知のプロセスを使用して、n
+ ソース領域21、n+ドレイン領域22、ゲート酸化
膜29、ワード線37からなるトランジスタや、素子間
分離絶縁膜13、ビット線35、およびキャパシタコン
タクトプラグ31を形成し、化学的機械的研磨(CM
P)等の方法により平坦化した。次に、表面に第1の貼
り合せ層49としてAl膜を全面に形成後、各コンタク
トプラグ毎にパターニングし、TEOSガスを原料とし
たプラズマCVD法等により絶縁膜48を埋め込んだ
後、再びCMP法等により平坦化した。
First, as shown in FIG. 38, a first silicon (100) substrate 11
A transistor including a + source region 21, an n + drain region 22, a gate oxide film 29, and a word line 37, an element isolation insulating film 13, a bit line 35, and a capacitor contact plug 31 are formed, and then chemically and mechanically polished ( CM
P) and the like. Next, after an Al film is formed on the entire surface as a first bonding layer 49 on the entire surface, patterning is performed for each contact plug, and an insulating film 48 is buried by a plasma CVD method or the like using TEOS gas as a raw material. It was flattened by a method or the like.

【0067】次に図39に示すように、第2のシリコン
(100)基板51に、下部バリア金属層52として膜
厚10nmの(Ti,Al)N、下部電極層53として
膜厚20nmのSrRuO3 、誘電体薄膜層54として
Baのモル分率70%で厚さ20nmのBSTO薄膜、
上部電極層55として厚さ20nmのSrRuO3 膜、
さらに上部バリア金属層56として膜厚10nmの(T
i,Al)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDC
スパッタリング法により大気中に出さずに連続してエピ
タキシャル成長した。次に、表面に第2の貼り合せ層5
7としてAl膜を全面に形成後、各メモリセルに対応し
たそれぞれのキャパシタの電極層に分離するように溝部
を形成した。そして、キャパシタ分離用の溝部にTEO
Sガスを原料としたプラズマCVD法等によりキャパシ
タ分離絶縁膜58を埋め込んだ後、再びCMP法等によ
り平坦化した。
Next, as shown in FIG. 39, a 10 nm-thick (Ti, Al) N film as a lower barrier metal layer 52 and a 20 nm-thick SrRuO film as a lower electrode layer 53 are formed on a second silicon (100) substrate 51. 3. a 20 nm thick BSTO thin film having a Ba mole fraction of 70% as the dielectric thin film layer 54;
A 20 nm thick SrRuO 3 film as the upper electrode layer 55,
Further, a 10 nm-thick (T
i, Al) N at RF or DC at a substrate temperature of 600 ° C.
Epitaxial growth was carried out continuously without being exposed to the atmosphere by sputtering. Next, the second bonding layer 5 is formed on the surface.
After forming an Al film on the entire surface as No. 7, a groove was formed so as to be separated into electrode layers of respective capacitors corresponding to the respective memory cells. Then, TEO is inserted into the trench for separating the capacitor.
After the capacitor isolation insulating film 58 was buried by a plasma CVD method or the like using S gas as a raw material, it was planarized again by a CMP method or the like.

【0068】次に図40に示すように、第1のシリコン
基板11上に作成した電極層(第1の貼り合せ層)49
と、第2のシリコン基板51上に作成した電極層(第2
の貼り合せ層)57を位置合わせし、400℃30分間
加圧して接合した。
Next, as shown in FIG. 40, the electrode layer (first bonding layer) 49 formed on the first silicon substrate 11 is formed.
And an electrode layer formed on the second silicon substrate 51 (second electrode layer).
The bonding layer 57 was aligned, and pressed and joined at 400 ° C. for 30 minutes.

【0069】図38乃至図40に示す製造工程によれば
2つの半導体基板11,51を用いているので大口径化
が容易で量産化には適している。しかし、このような工
程により作成したメモリセルを検査した結果、 ・上下の電極層49,57間の合わせずれが多数生じ
る、 ・電極層49,57相互間の接着不良でのオープン不良
が多数生じる、 ・電極層49,57周囲の絶縁層48,58の接着不良
により絶縁層48と絶縁層58の界面にリーク電流の通
路が発生し、隣接するメモリーセルの電極層とのショー
ト不良が多数生じる、などの多くの問題点が生じた。
According to the manufacturing process shown in FIGS. 38 to 40, since the two semiconductor substrates 11 and 51 are used, it is easy to increase the diameter and is suitable for mass production. However, as a result of inspecting the memory cell created by such a process, a large number of misalignments between the upper and lower electrode layers 49 and 57 occur. A leak current path is generated at the interface between the insulating layers 48 and 58 due to poor adhesion between the insulating layers 48 and 58 around the electrode layers 49 and 57, and a number of short-circuits with the electrode layers of adjacent memory cells occur. And many other problems arose.

【0070】このため、図40に示す半導体記憶装置の
問題点を検討し、種々の考察、シミュレーションおよび
実験を行った。そして、種々の試行錯誤と検討を重ねた
結果、以下に示すような実施の形態に係る半導体記憶装
置に至った。
Therefore, the problems of the semiconductor memory device shown in FIG. 40 were examined, and various considerations, simulations, and experiments were performed. Then, as a result of repeated trial and error and examination, the semiconductor memory device according to the embodiment as described below has been attained.

【0071】(第1の実施の形態)図1は、本発明の第
1の実施の形態に係る半導体記憶装置の断面図である。
ここで、図1(a)と図1(b)とは互いに直交する関
係にある断面図である。すなわち、図1(a)のA−A
方向から見た断面図が図1(b)であり、図1(b)の
B−B方向から見た断面図が図1(a)である。また、
図2は対応する平面図である。
(First Embodiment) FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor memory device according to a first embodiment of the present invention.
Here, FIG. 1A and FIG. 1B are cross-sectional views that are orthogonal to each other. That is, AA in FIG.
1B is a cross-sectional view as viewed from the direction, and FIG. 1A is a cross-sectional view as viewed from the BB direction in FIG. 1B. Also,
FIG. 2 is a corresponding plan view.

【0072】本発明の第1の実施の形態に係る半導体記
憶装置は、Baのモル分率70%のBSTO薄膜を強誘
電体薄膜層として使用したエピタキシャルキャパシタを
有するFRAMである。この半導体記憶装置(FRA
M)は、図1に示すように、複数のトランジスタをマト
リクス状に配置した第1の半導体基板11と、この複数
のトランジスタのそれぞれに対応した複数のペロブスカ
イト型構造エピタキシャルキャパシタ9を有する第2の
半導体基板51と、トランジスタのそれぞれの主電極領
域21とエピタキシャルキャパシタ9とを一対一に対応
させて電気的に接続する接続部(31,47,59)と
を少なくとも含む。
The semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention is an FRAM having an epitaxial capacitor using a BSTO thin film having a Ba mole fraction of 70% as a ferroelectric thin film layer. This semiconductor storage device (FRA
M) includes a first semiconductor substrate 11 in which a plurality of transistors are arranged in a matrix as shown in FIG. It includes at least a semiconductor substrate 51 and a connection part (31, 47, 59) for electrically connecting the main electrode region 21 of each transistor and the epitaxial capacitor 9 in one-to-one correspondence.

【0073】そして、図1に示すように、本発明の第1
の実施の形態に係る半導体記憶装置はSTI領域と称さ
れる埋込み酸化膜からなる素子分離領域13で互いに分
離された複数のMOSトランジスタが、シリコン基板1
1の上にマトリクス状に配置されている。この複数のM
OSトランジスタは、シリコン基板11の上に形成され
たpウェル12の表面上に形成されたnMOSFETで
ある。このnMOSFETは、pウェル12内に、主電
極領域として、n+ 領域からなるソース領域21及びド
レイン領域22を有している。さらに、このnMOSF
ETは制御電極として、pウェル12の表面のゲート酸
化膜29の上にゲート電極37を有している。なおここ
でゲート電極37は、ワード線の一部を成すものであ
る。ワード線37は、図2に示すように複数本あり、縦
方向に伸延されている。
Then, as shown in FIG.
In the semiconductor memory device according to the embodiment, a plurality of MOS transistors separated from each other by an element isolation region 13 made of a buried oxide film called an STI region are formed on a silicon substrate 1.
1 are arranged in a matrix. This multiple M
The OS transistor is an nMOSFET formed on a surface of a p-well 12 formed on a silicon substrate 11. This nMOSFET has a source region 21 and a drain region 22 composed of an n + region in a p-well 12 as main electrode regions. Furthermore, this nMOSF
The ET has a gate electrode 37 on the gate oxide film 29 on the surface of the p-well 12 as a control electrode. Here, the gate electrode 37 forms a part of the word line. As shown in FIG. 2, there are a plurality of word lines 37, which extend in the vertical direction.

【0074】また、図2に示すようにドレイン領域22
上には不純物を添加した多結晶シリコン(ドープドポリ
シリコン)、高融点金属や高融点金属のシリサイド等か
らなるビット線コンタクトプラグ39が配置され、ビッ
ト線35に接続されている。ビット線35は、ワード線
37と直交する横方向に伸延されている。図2では、簡
単化のためビット線35が1本のみ示されているが、複
数本のビット線と複数本のワード線でX−Yマトリクス
を構成していることは勿論である。
Also, as shown in FIG.
A bit line contact plug 39 made of polycrystalline silicon (doped polysilicon) doped with an impurity, a refractory metal or a silicide of a refractory metal is disposed thereon, and is connected to the bit line 35. The bit line 35 extends in a horizontal direction orthogonal to the word line 37. Although only one bit line 35 is shown in FIG. 2 for simplification, it goes without saying that an XY matrix is composed of a plurality of bit lines and a plurality of word lines.

【0075】図1に示すように、n+ ソース領域21に
は、ドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金属の
シリサイド等からなるキャパシタコンタクトプラグ31
が接続されている。キャパシタコンタクトプラグ31に
は、図2に示した矩形のキャパシタ部9と同一平面パタ
ーンの第1の貼り合せ層47が接続されている。
As shown in FIG. 1, a capacitor contact plug 31 made of doped polysilicon, a refractory metal, a silicide of a refractory metal, or the like is provided in the n + source region 21.
Is connected. A first bonding layer 47 having the same plane pattern as that of the rectangular capacitor section 9 shown in FIG. 2 is connected to the capacitor contact plug 31.

【0076】一方、エピタキシャルキャパシタ(キャパ
シタ部)9は上部バリア金属層56、SRO等の上部電
極層55、Baのモル分率70%のBSTO等の誘電体
薄膜層54、SRO等の下部電極層53、下部バリア金
属層52とから構成されている。第2のシリコン基板5
1は、不純物密度2×1018乃至1×1020cm-3程度
の高不純物密度のシリコン基板である。高不純物密度の
第2のシリコン基板51を介して、下部バリア金属層5
2は、Ti/TiN/Al層などのプレート電極62に
接続されている。さらに、プレート電極62の上には酸
化膜(SiO2膜)、PSG膜、BPSG膜、窒化膜
(Si34 膜)、あるいはポリイミド膜などのパッシ
ベーション絶縁膜65が形成されている。そして、上部
バリア金属層56には、図2に示した矩形のキャパシタ
部9と同一平面パターンの第2の貼り合せ層59が接続
されている。この結果、キャパシタコンタクトプラグ3
1、第1の貼り合せ層47及び第2の貼り合せ層59に
より、n+ ソース領域21とエピタキシャルキャパシタ
(キャパシタ部)9とは、電気的に接続されている。図
1において符号32,33,34,36,37は酸化膜
(SiO2 膜)、PSG膜、BPSG膜、あるいは窒化
膜(Si34 膜)などの絶縁膜である。
On the other hand, the epitaxial capacitor (capacitor portion) 9 includes an upper barrier metal layer 56, an upper electrode layer 55 such as SRO, a dielectric thin film layer 54 such as BSTO having a mole fraction of Ba of 70%, and a lower electrode layer such as SRO. 53 and a lower barrier metal layer 52. Second silicon substrate 5
Reference numeral 1 denotes a silicon substrate having a high impurity density of about 2 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . The lower barrier metal layer 5 is formed via the second silicon substrate 51 having a high impurity density.
2 is connected to a plate electrode 62 such as a Ti / TiN / Al layer. Further, a passivation insulating film 65 such as an oxide film (SiO 2 film), a PSG film, a BPSG film, a nitride film (Si 3 N 4 film), or a polyimide film is formed on the plate electrode 62. Then, a second bonding layer 59 having the same plane pattern as that of the rectangular capacitor section 9 shown in FIG. 2 is connected to the upper barrier metal layer 56. As a result, the capacitor contact plug 3
1. The first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 electrically connect the n + source region 21 and the epitaxial capacitor (capacitor portion) 9. In FIG. 1, reference numerals 32, 33, 34, 36, and 37 denote insulating films such as an oxide film (SiO 2 film), a PSG film, a BPSG film, or a nitride film (Si 3 N 4 film).

【0077】次に、本発明の第1の実施の形態に係る半
導体記憶装置の製造方法を以下の工程順模式断面図(図
3乃至図11)を使用して説明する。図3乃至図11に
おいて各図の(a)と(b)とは互いに直交する関係に
ある断面図である。すなわち、図(a)のA−A方向か
ら見た断面図が図(b)であり、図(b)のB−B方向
から見た断面図が図(a)である。
Next, a method of manufacturing the semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the following schematic cross-sectional views in the order of steps (FIGS. 3 to 11). FIGS. 3A to 11B are cross-sectional views orthogonal to each other in FIGS. That is, the cross-sectional view as viewed from the AA direction in FIG. (A) is FIG. (B), and the cross-sectional view as viewed from the BB direction in FIG. (B) is (a).

【0078】(イ)まず、図3に示すように、第1のシ
リコン(100)基板11に、公知のプロセスを使用し
て、n+ ソース領域21、n+ドレイン領域22、ゲー
ト酸化膜29、ワード線37からなるトランジスタや、
素子間分離絶縁膜13、ビット線37、およびキャパシ
タコンタクトプラグ31を形成し、その最上層を化学的
機械的研磨(CMP)等の方法により平坦化し基板表面
とする。
(A) First, as shown in FIG. 3, an n + source region 21, an n + drain region 22, and a gate oxide film 29 are formed on a first silicon (100) substrate 11 by using a known process. , A transistor including the word line 37,
The inter-element isolation insulating film 13, the bit line 37, and the capacitor contact plug 31 are formed, and the uppermost layer is flattened by a method such as chemical mechanical polishing (CMP) to form a substrate surface.

【0079】(ロ)次に、この基板表面に第1の貼り合
せ層47として平坦なAl膜を全面に形成する。この
時、平坦な第1の貼り合せ層47は、キャパシタコンタ
クトプラグ31により本発明のトランジスタの主電極領
域となるn+ ソース領域21に接続されている。
(B) Next, a flat Al film is formed as a first bonding layer 47 on the entire surface of the substrate. At this time, the flat first bonding layer 47 is connected to the n + source region 21 serving as the main electrode region of the transistor of the present invention by the capacitor contact plug 31.

【0080】(ハ)次に、図4に示すように、第2のシ
リコン(100)基板51に、下部バリア金属層52と
して膜厚10nmの(Ti,Al)N、下部電極層(第
1の電極層)53として膜厚20nmのSrRuO3
誘電体薄膜層54としてBaのモル分率70%で厚さ2
0nmのBSTO薄膜、上部電極層(第2の電極層)5
5として厚さ20nmのSrRuO3 膜、さらに上部バ
リア金属層56として膜厚10nmの(Ti,Al)N
を含むキャパシタ用多層構造を形成する。このキャパシ
タ用多層構造は、基板温度600℃でRFあるいはDC
スパッタリング法により大気中に出さずに連続してエピ
タキシャル成長すればよい。
(C) Next, as shown in FIG. 4, on the second silicon (100) substrate 51, a (Ti, Al) N film having a thickness of 10 nm is formed as a lower barrier metal layer 52, and a lower electrode layer (first layer) is formed. 20 nm thick SrRuO 3 ,
The dielectric thin film layer 54 has a thickness of 2 with a mole fraction of Ba of 70%.
0 nm BSTO thin film, upper electrode layer (second electrode layer) 5
5, a 20 nm thick SrRuO 3 film, and a 10 nm thick (Ti, Al) N film as the upper barrier metal layer 56.
Is formed. This multilayer structure for capacitors can be used at RF
It suffices that the epitaxial growth be carried out continuously without being exposed to the atmosphere by a sputtering method.

【0081】(ニ)次に、図4に示すように、第2の貼
り合せ層59として、平坦なAl膜をキャパシタ用多層
構造の表面の全面に形成する。
(D) Next, as shown in FIG. 4, as the second bonding layer 59, a flat Al film is formed on the entire surface of the multilayer structure for capacitors.

【0082】(ホ)次に、図5に示すように、第1の貼
り合せ層47と第2の貼り合せ層59の表面に生成され
た酸化層を、圧力4×10-6Pa以下の超高真空中でA
rガスのスパッタリングにより除去してAlの新生面を
出す。Alの新生面を出したら、そのまま大気中に晒さ
ずに第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層59を突
き合わせ、400℃30分間加圧して、第1のシリコン
基板11と第2のシリコン基板51とを接合する。
(E) Next, as shown in FIG. 5, the oxide layers formed on the surfaces of the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 are separated by a pressure of 4 × 10 −6 Pa or less. A in ultra high vacuum
A new surface of Al is obtained by removing by sputtering of r gas. When the new surface of Al is exposed, the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 are butted to each other without being exposed to the air, and are pressed at 400 ° C. for 30 minutes. The silicon substrate 51 is bonded.

【0083】(へ)次に図6に示すように、貼り合わせ
た第2のシリコン基板51を裏面からCMP等により研
磨してキャパシタ層およびシリコン基板を0.2μm程
度残す。
(F) Next, as shown in FIG. 6, the bonded second silicon substrate 51 is polished from the back surface by CMP or the like to leave the capacitor layer and the silicon substrate at about 0.2 μm.

【0084】(ト)その後、第1のシリコン基板に形成
されたトランジスタのパターンを基準として、位置合わ
せを行う。つまり、フォトリソグラフィー技術を用いフ
ォトレジストの分離用マスクパターンを形成する。この
分離用マスクパターンをエッチング用マスクとして用
い、図7に示すような分離溝91により、各メモリセル
毎のキャパシタがパターニングされる。エッチング用マ
スクは、フォトレジストと酸化膜等の多層膜でも良く、
他のマスク材を用いても良い。図8は、対応する平面図
である。キャパシタ部のパターンとなる矩形のパターン
が、各メモリセルに対応して島状に形成されている。位
置合わせは、第1のシリコン基板にトランジスタを形成
する際に用いた合わせマークを用いても良く、現実のト
ランジスタのパターンに注目して合わせても良い。貼り
合わせ後に新たな合わせマークを形成しても良い。分離
溝91の形成のためには、リアクティブイオンエッチン
グ(RIE)等を用いればよい。この際のエッチング条
件として、酸化物層33をエッチング停止層として使用
すると良い。
(G) Thereafter, alignment is performed with reference to the transistor pattern formed on the first silicon substrate. That is, a photolithography technique is used to form a photoresist separation mask pattern. Using this separation mask pattern as an etching mask, a capacitor for each memory cell is patterned by a separation groove 91 as shown in FIG. The etching mask may be a multilayer film such as a photoresist and an oxide film,
Other mask materials may be used. FIG. 8 is a corresponding plan view. A rectangular pattern serving as a pattern of the capacitor portion is formed in an island shape corresponding to each memory cell. The alignment may be performed using the alignment mark used when forming the transistor on the first silicon substrate, or may be adjusted by focusing on the actual transistor pattern. A new alignment mark may be formed after bonding. In order to form the separation groove 91, reactive ion etching (RIE) or the like may be used. As an etching condition at this time, it is preferable to use the oxide layer 33 as an etching stop layer.

【0085】(チ)さらに図9に示すようにTEOSガ
スを原料としたプラズマCVD法等により絶縁膜(キャ
パシタ分離絶縁膜)61を埋め込んだ後、図10に示す
ように再びCMP法等により平坦化する。
(H) Further, as shown in FIG. 9, after an insulating film (capacitor isolation insulating film) 61 is buried by a plasma CVD method or the like using TEOS gas as a raw material, as shown in FIG. Become

【0086】(リ)次に図11に示すように、プレート
電極層62としてTi/TiN/Al層を作成し、図1
に示すように酸化膜(SiO2 膜)、PSG膜、BPS
G膜、窒化膜(Si34 膜)、あるいはポリイミド膜
などのパッシベーション絶縁膜65をかぶせる。
(I) Next, as shown in FIG. 11, a Ti / TiN / Al layer was formed as the plate electrode layer 62, and FIG.
Oxide film (SiO 2 film), PSG film, BPS
A passivation insulating film 65 such as a G film, a nitride film (Si 3 N 4 film), or a polyimide film is covered.

【0087】このような工程により、ペロブスカイト型
構造の強誘電体薄膜層を使用したエピタキシャルキャパ
シタとトランジスタからなるメモリセルを歩留り良く作
成することができ、FRAMとしての良好かつ信頼性の
高い動作が確認された。
By such a process, a memory cell comprising an epitaxial capacitor and a transistor using a ferroelectric thin film layer having a perovskite structure can be manufactured with high yield, and a favorable and highly reliable operation as an FRAM has been confirmed. Was done.

【0088】本発明の第1の実施の形態に係る半導体記
憶装置の製造方法においては、第1および第2のシリコ
ン基板11,51とを互いに貼り合わせ、その後、フォ
トリソグラフィー工程で、セル毎のキャパシタを分離・
形成しているので上下の第1の貼り合せ層47と第2の
貼り合せ層59間の合わせずれの問題は本来的にない。
また、全面に形成された平坦な面で第1の貼り合せ層4
7と第2の貼り合せ層59とを接合しているので、良好
な接合界面が得られ、オープン不良が生じることもな
い。さらに、第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層
59の接合部の周囲の分離溝91に、プラズマCVD法
等により新たな絶縁膜(キャパシタ分離絶縁膜)61を
埋め込んでいるので、リーク電流の通路が発生するおそ
れもない。したがって、隣接するメモリーセルのそれぞ
れの第1及び第2の貼り合せ層47,59間におけるリ
ーク電流やショート不良の恐れもない。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, the first and second silicon substrates 11 and 51 are bonded to each other, and then, in a photolithography step, each cell is manufactured. Separate capacitor
Since it is formed, there is essentially no problem of misalignment between the upper and lower first bonding layers 47 and the second bonding layer 59.
Further, the first bonding layer 4 is formed on a flat surface formed on the entire surface.
7 and the second bonding layer 59 are bonded, so that a good bonding interface is obtained, and no open failure occurs. Furthermore, since a new insulating film (capacitor separating insulating film) 61 is buried in the separation groove 91 around the junction between the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 by a plasma CVD method or the like, There is no possibility that a leakage current path is generated. Therefore, there is no possibility of a leak current or a short circuit between the first and second bonding layers 47 and 59 of the adjacent memory cells.

【0089】なお、(ホ)の工程における超高真空中
で、Alの新生面を出し、そのまま大気中に晒さずに第
1のシリコン基板11と第2のシリコン基板51とを接
合するためには、図41に示すような装置を用いればよ
い。図41で、成膜室1と圧着室3とは図示を省略した
ゲートバルブを介して互いに接続されている。また、成
膜室1と圧着室3とは図示を省略したクライオポンプや
ターボポンプ等の超高真空用真空ポンプに接続され、圧
力4×10-6Pa以下の超高真空に排気出来るようにな
っている。圧着室3内には、複数枚のシリコン基板を保
持できるカセット、第1のシリコン基板11と第2のシ
リコン基板51を搭載し所定の温度に加熱できるヒータ
を備えたステージ5、及び第1のシリコン基板11と第
2のシリコン基板51を互いに所定の圧力で圧着するた
めのプレス4等が備えられている。成膜室1には図示を
省略した他のゲートバルブを介して真空準備室が接続さ
れ、エアーロックで真空準備室から第1のシリコン基板
11と第2のシリコン基板51を搬送できるようになっ
ている。成膜室1中には、第1の貼り合せ層47と第2
の貼り合せ層59としてのAlをスパッタリングで堆積
きるように、Alのターゲットが用意されている。さら
に第1のシリコン基板11と第2のシリコン基板51を
搭載するウェハホールダは、接地(グランド)レベルと
高電圧レベルに切り替えられるようになっている。従っ
て、第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層59とを
スパッタリングで堆積後、直ちに極性を切り替えて、第
1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層59の表面に生
成された酸化層を、圧力4×10-6Pa以下の超高真空
中でArガスのスパッタリングにより除去してAlの新
生面を出すことができる。勿論、第1の貼り合せ層47
と第2の貼り合せ層59を堆積する部屋(チャンバー)
と、第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層59の表
面に生成された酸化層をスパッタリングにより除去する
部屋(チャンバー)とをそれぞれ別に用意して、真空中
で搬送できるようにしてもよい。いずれにしても、スパ
ッタリングによりAlの新生面を出したら、ゲートバル
ブを開けて、第1のシリコン基板11と第2のシリコン
基板51を圧着室3に真空搬送する。具体的には、まず
複数枚の第1のシリコン基板11を圧着室3に真空搬送
し、圧着室3内のカセットに一旦保持し、次に第2のシ
リコン基板51を圧着室3に真空搬送するような手順で
よい。圧着室3内では、ステージ5上に第1のシリコン
基板11と第2のシリコン基板51が搭載され、プレス
4で所定の圧力で400℃30分間圧着し、貼り合わせ
(直接接合)を行う。本発明の第1の実施の形態に係る
半導体記憶装置の製造方法においては、第1および第2
のシリコン基板とを互いに貼り合わせ、その後、フォト
リソグラフィー工程で、セル毎のキャパシタを分離・形
成しているので、第1および第2のシリコン基板の接着
後に、セル毎のキャパシタとトランジスタの主電極領域
との相対的位置関係が決定される。従って、第1および
第2のシリコン基板との間の多少の貼り合わせずれは許
容される。つまり、第1および第2のシリコン基板の外
周の位置を合わせる程度の位置あわせ精度で良く、ギガ
ビットクラスの微細パターンを有した半導体記憶装置で
あっても、トランジスタのパターンに対してサブミクロ
ン乃至ナノメータレベルの精度で合うように注意しなが
ら、第1のシリコン基板と第2のシリコン基板とを機械
的に貼り合わせる必要はない。このため、図41に示す
ような簡単な装置構成で位置合わせ及び貼り合わせが可
能であり、真空チャンバー中に複雑な装置が入らないの
で、真空に対する脱ガス成分も少なくなり、圧力4×1
-6Pa以下の超高真空中が、容易に達成される。従っ
てより信頼性の高い第1の貼り合せ層47と第2の貼り
合せ層59との接合が実現でき、その結果、半導体記憶
装置の高性能化と高信頼性化が達成される。
In order to expose the nascent surface of Al in the ultra-high vacuum in the step (e) and to join the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 without exposing them to the air as they are, An apparatus as shown in FIG. 41 may be used. In FIG. 41, the film forming chamber 1 and the pressure bonding chamber 3 are connected to each other via a gate valve not shown. Further, the film forming chamber 1 and the pressure bonding chamber 3 are connected to an ultra-high vacuum vacuum pump such as a cryopump or a turbo pump (not shown) so that the chamber can be evacuated to an ultra-high vacuum having a pressure of 4 × 10 −6 Pa or less. Has become. A cassette 5 capable of holding a plurality of silicon substrates, a stage 5 having a heater on which a first silicon substrate 11 and a second silicon substrate 51 are mounted and which can be heated to a predetermined temperature, and a first A press 4 and the like for pressing the silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 together with a predetermined pressure are provided. A vacuum preparation chamber is connected to the film formation chamber 1 via another gate valve not shown, so that the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 can be transferred from the vacuum preparation chamber by an air lock. ing. In the film forming chamber 1, the first bonded layer 47 and the second
An Al target is prepared so that Al as the bonding layer 59 can be deposited by sputtering. Further, the wafer holder on which the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are mounted can be switched between a ground (ground) level and a high voltage level. Therefore, the polarity is switched immediately after the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 are deposited by sputtering, and the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 are generated on the surfaces of the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59. The oxidized layer can be removed by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum at a pressure of 4 × 10 −6 Pa or less, and a new Al surface can be obtained. Of course, the first bonding layer 47
(Chamber) for depositing the second bonding layer 59 and the second bonding layer 59
And a room (chamber) for removing an oxide layer generated on the surface of the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 by sputtering, respectively, so that they can be transported in a vacuum. Is also good. In any case, when a new surface of Al is exposed by sputtering, the gate valve is opened, and the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are vacuum-transferred to the crimping chamber 3. Specifically, first, a plurality of first silicon substrates 11 are vacuum-transferred to the crimping chamber 3, temporarily held in a cassette in the crimping chamber 3, and then the second silicon substrate 51 is vacuum-transferred to the crimping chamber 3. The procedure to do is good. In the crimping chamber 3, the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are mounted on the stage 5, and press-bonded with a press 4 at a predetermined pressure at 400 ° C. for 30 minutes to perform bonding (direct bonding). In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the first embodiment of the present invention, the first and second
Are bonded to each other, and then the capacitors for each cell are separated and formed in a photolithography process. Therefore, after the first and second silicon substrates are bonded, the capacitor for each cell and the main electrode of the transistor are formed. The relative positional relationship with the area is determined. Therefore, a slight misalignment between the first and second silicon substrates is allowed. In other words, a semiconductor memory device having a positioning accuracy that is high enough to match the outer peripheral positions of the first and second silicon substrates, and having a gigabit-class fine pattern, has a submicron to nanometer size relative to the transistor pattern. It is not necessary to mechanically bond the first silicon substrate and the second silicon substrate while paying attention to the level of accuracy. For this reason, positioning and bonding can be performed with a simple apparatus configuration as shown in FIG. 41, and since a complicated apparatus does not enter the vacuum chamber, the degassing component with respect to vacuum is reduced, and the pressure is 4 × 1.
An ultra-high vacuum of 0 −6 Pa or less can be easily achieved. Therefore, more reliable bonding between the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59 can be realized, and as a result, the performance and reliability of the semiconductor memory device can be improved.

【0090】図12は、本発明の第1の実施の形態の変
形例に係るSOI・FRAMメモリセルの模式的な断面
図である。本発明の第1の実施の形態の変形例に係るS
OI・FRAMは、BaリッチのBSTO薄膜層(強誘
電体薄膜層)を使用したエピタキシャルキャパシタを有
するSOI・FRAMである。この半導体記憶装置(F
RAM)は、図12に示すように、複数のトランジスタ
をSOI基板(10,14,15)上にマトリクス状に
配置している。SOI基板(10,14,15)は、支
持基板となる第1のシリコン基板10と、この第1のシ
リコン基板10の上の埋め込み絶縁膜14と、埋め込み
絶縁膜14の上のSOI膜15から構成されている。S
OI基板(10,14,15)は、直接接合法(SDB
法)、SIMOX法、エピタキシャル成長法等により形
成すればよい。図12に示す本発明の第1の実施の形態
の変形例に係るSOI・FRAMメモリセルは、複数の
トランジスタをマトリクス状に配置した第1のシリコン
基板10と、この複数のトランジスタのそれぞれに対応
した複数のペロブスカイト型構造エピタキシャルキャパ
シタ9を有する第2のシリコン基板51と、トランジス
タのそれぞれの主電極領域21とエピタキシャルキャパ
シタ9とを一対一に対応させて電気的に接続する接続部
(31,47,59)とを少なくとも含んで構成されて
いる。上述したように、本発明の「第1のシリコン基
板」および「第2のシリコン基板」は、CZ法、FZ
法、MCZ法等のシリコン基板のみに限定されるのでは
なく、これらCZ法、FZ法、MCZ法等によるシリコ
ンウェハ上にエピタキシャル成長したエピタキシャルウ
ェハや、これらのシリコンウェハを用いたSOI基板等
も本発明の「第1のシリコン基板」および「第2のシリ
コン基板」に該当することを示すための構造例である。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an SOI / FRAM memory cell according to a modification of the first embodiment of the present invention. S according to a modification of the first embodiment of the present invention.
The OI-FRAM is an SOI-FRAM having an epitaxial capacitor using a Ba-rich BSTO thin film layer (ferroelectric thin film layer). This semiconductor memory device (F
As shown in FIG. 12, a plurality of transistors are arranged in a matrix on an SOI substrate (10, 14, 15). The SOI substrates (10, 14, 15) include a first silicon substrate 10 serving as a support substrate, a buried insulating film 14 on the first silicon substrate 10, and an SOI film 15 on the buried insulating film 14. It is configured. S
The OI substrates (10, 14, 15) are formed by direct bonding (SDB).
Method, a SIMOX method, an epitaxial growth method, or the like. The SOI-FRAM memory cell according to the modification of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 12 has a first silicon substrate 10 on which a plurality of transistors are arranged in a matrix and a plurality of A second silicon substrate 51 having a plurality of perovskite-type epitaxial capacitors 9 described above, and connection portions (31, 47) electrically connecting the respective main electrode regions 21 of the transistors and the epitaxial capacitors 9 in one-to-one correspondence. , 59). As described above, the “first silicon substrate” and the “second silicon substrate” of the present invention are obtained by the CZ method, the FZ method,
The method is not limited to only silicon substrates such as the CZ method, the MCZ method, etc., but also includes epitaxial wafers epitaxially grown on silicon wafers by the CZ method, the FZ method, the MCZ method, etc., and SOI substrates using these silicon wafers. It is a structural example for showing that it corresponds to the "first silicon substrate" and the "second silicon substrate" of the invention.

【0091】そして、図12に示すように、本発明の第
1の実施の形態の変形例に係るSOI・FRAMメモリ
セルにおいては、複数のMOSトランジスタが、埋め込
み絶縁膜14まで達するSTI領域13により互いに分
離されている。この複数のMOSトランジスタは、埋め
込み絶縁膜14の上のp型SOI膜15の表面上に形成
されたnMOSFETである。このnMOSFETは、
p型SOI膜15内に、主電極領域として、n+ 領域か
らなるソース領域21及びドレイン領域22を有してい
る。さらに、このnMOSFETは制御電極として、p
型SOI膜15の表面のゲート酸化膜29の上にゲート
電極37を有している。なおここでゲート電極37は、
ワード線の一部を成すものである。 また、ドレイン領
域22上には、図示を省略したビット線コンタクトプラ
グが配置され(図2参照)、ビット線35に接続されて
いる。ビット線35は、ワード線37と直交する方向に
伸延されている。
As shown in FIG. 12, in the SOI / FRAM memory cell according to the modification of the first embodiment of the present invention, a plurality of MOS transistors are formed by the STI region 13 reaching the buried insulating film 14. Are separated from each other. The plurality of MOS transistors are nMOSFETs formed on the surface of the p-type SOI film 15 on the buried insulating film 14. This nMOSFET is
The p-type SOI film 15 has, as main electrode regions, a source region 21 and a drain region 22 composed of an n + region. Further, this nMOSFET serves as a control electrode with p
A gate electrode 37 is provided on the gate oxide film 29 on the surface of the type SOI film 15. Here, the gate electrode 37 is
It forms part of a word line. A bit line contact plug (not shown) is disposed on the drain region 22 (see FIG. 2), and is connected to the bit line 35. The bit line 35 extends in a direction orthogonal to the word line 37.

【0092】図12に示すように、n+ ソース領域21
には、キャパシタコンタクトプラグ31が接続されてい
る。一方、エピタキシャルキャパシタ(キャパシタ部)
9は上部バリア金属層56、SRO等の上部電極層5
5、Baのモル分率70%のBSTO等の誘電体薄膜層
54、SRO等の下部電極層53、下部バリア金属層5
2とから構成されている。第2のシリコン基板51は、
不純物密度2×1018乃至1×1020cm-3程度の高不
純物密度のシリコン基板である。高不純物密度の第2の
シリコン基板51を介して、下部バリア金属層52は、
Ti/TiN/Al層などのプレート電極62に接続さ
れている。さらに、プレート電極62の上にはパッシベ
ーション絶縁膜65が形成されている。そして、部バリ
ア金属層56には、第2の貼り合せ層59が接続されて
いる。この結果、キャパシタコンタクトプラグ31、第
1の貼り合せ層47及び第2の貼り合せ層59により、
+ソース領域21とエピタキシャルキャパシタ(キャ
パシタ部)9とは、電気的に接続されている。図12に
おいて符号32,33,34,36,37は酸化膜(S
iO2 膜)、PSG膜、BPSG膜、あるいは窒化膜
(Si34 膜)などの絶縁膜である。
As shown in FIG. 12, n + source region 21
Is connected to a capacitor contact plug 31. On the other hand, epitaxial capacitors (capacitor part)
9 is an upper barrier metal layer 56, an upper electrode layer 5 such as SRO
5, a dielectric thin film layer 54 of BSTO or the like having a mole fraction of Ba of 70%, a lower electrode layer 53 of SRO or the like, and a lower barrier metal layer 5
And 2. The second silicon substrate 51
The silicon substrate has a high impurity density of about 2 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . The lower barrier metal layer 52 is formed via the second silicon substrate 51 having a high impurity density.
It is connected to a plate electrode 62 such as a Ti / TiN / Al layer. Further, a passivation insulating film 65 is formed on the plate electrode 62. The second bonding layer 59 is connected to the partial barrier metal layer 56. As a result, the capacitor contact plug 31, the first bonding layer 47 and the second bonding layer 59
N + source region 21 and epitaxial capacitor (capacitor portion) 9 are electrically connected. In FIG. 12, reference numerals 32, 33, 34, 36, and 37 denote oxide films (S
An insulating film such as an iO 2 film), a PSG film, a BPSG film, or a nitride film (Si 3 N 4 film).

【0093】(第2の実施の形態)図13および図14
に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体記憶装置の
断面図および平面図を示す。本発明の第2の実施の形態
に係る半導体記憶装置は、Baのモル分率70%のBS
TO薄膜を強誘電体薄膜層として使用したエピタキシャ
ルキャパシタを有するFRAMである。図13(a)と
図13(b)とは互いに直交する関係にある断面図であ
る。すなわち、図13(a)のA−A方向から見た断面
図が図13(b)であり、図13(b)のB−B方向か
ら見た断面図が図13(a)である。また、図14は対
応する平面図である。
(Second Embodiment) FIGS. 13 and 14
2A and 2B are a cross-sectional view and a plan view of a semiconductor memory device according to a second embodiment of the present invention. The semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention is characterized in that BS having a mole fraction of Ba of 70% is used.
This is an FRAM having an epitaxial capacitor using a TO thin film as a ferroelectric thin film layer. FIG. 13A and FIG. 13B are cross-sectional views that are orthogonal to each other. That is, FIG. 13B is a cross-sectional view as viewed from the AA direction in FIG. 13A, and FIG. 13A is a cross-sectional view as viewed from the BB direction in FIG. 13B. FIG. 14 is a corresponding plan view.

【0094】この半導体記憶装置(FRAM)は、図1
3に示すように、複数のトランジスタをマトリクス状に
配置した第1の半導体基板11と、この複数のトランジ
スタのそれぞれに対応した複数のペロブスカイト型構造
エピタキシャルキャパシタ9を有する第2の半導体基板
64と、トランジスタのそれぞれの主電極領域21とエ
ピタキシャルキャパシタ9とを一対一に対応させて電気
的に接続する接続部(31,47,63、64)とを少
なくとも含む。
This semiconductor memory device (FRAM) has the structure shown in FIG.
As shown in FIG. 3, a first semiconductor substrate 11 having a plurality of transistors arranged in a matrix, a second semiconductor substrate 64 having a plurality of perovskite-type epitaxial capacitors 9 corresponding to each of the plurality of transistors, At least connection portions (31, 47, 63, 64) for electrically connecting the respective main electrode regions 21 of the transistors and the epitaxial capacitors 9 in one-to-one correspondence are included.

【0095】そして、図13に示すように、本発明の第
2の実施の形態に係る半導体記憶装置はSTI領域(素
子分離領域)13で互いに分離された複数のMOSトラ
ンジスタが、シリコン基板11の上にマトリクス状に配
置されている。この複数のMOSトランジスタは、シリ
コン基板11の上に形成されたpウェル12の表面上に
形成されたnMOSFETである。このnMOSFET
は、pウェル12内に、主電極領域として、n+ 領域か
らなるソース領域21及びドレイン領域22を有してい
る。さらに、このnMOSFETは制御電極として、p
ウェル12の表面のゲート酸化膜29の上にゲート電極
37を有している。なおここでゲート電極37は、ワー
ド線の一部を成すものである。ワード線37は、図14
に示すように複数本あり、縦方向に伸延されている。
As shown in FIG. 13, in the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, a plurality of MOS transistors separated from each other by an STI region (element isolation region) 13 They are arranged in a matrix above. The plurality of MOS transistors are nMOSFETs formed on the surface of a p-well 12 formed on a silicon substrate 11. This nMOSFET
Has a source region 21 and a drain region 22 composed of an n + region as a main electrode region in a p-well 12. Further, this nMOSFET serves as a control electrode with p
A gate electrode 37 is provided on the gate oxide film 29 on the surface of the well 12. Here, the gate electrode 37 forms a part of the word line. The word line 37 is
As shown in the figure, there are a plurality of them, which extend in the vertical direction.

【0096】また、図14に示すようにドレイン領域2
2上にはドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金
属のシリサイド等からなるビット線コンタクトプラグ3
9が配置され、ビット線35に接続されている。ビット
線35は、ワード線37と直交する横方向に伸延されて
いる。図14では、簡単化のためビット線35が1本の
み示されているが、複数本のビット線と複数本のワード
線でX−Yマトリクスを構成していることは勿論であ
る。
Further, as shown in FIG.
A bit line contact plug 3 made of doped polysilicon, refractory metal or silicide of refractory metal is formed on
9 are arranged and connected to the bit line 35. The bit line 35 extends in a horizontal direction orthogonal to the word line 37. Although only one bit line 35 is shown in FIG. 14 for simplicity, it goes without saying that an XY matrix is composed of a plurality of bit lines and a plurality of word lines.

【0097】さらに、図13に示すように、n+ ソース
領域21には、ドープドポリシリコン、高融点金属や高
融点金属のシリサイド等からなるキャパシタコンタクト
プラグ31が接続されている。キャパシタコンタクトプ
ラグ31には、図14に示した矩形のキャパシタ部9と
同一平面パターンの第1の貼り合せ層47が接続されて
いる。
Further, as shown in FIG. 13, a capacitor contact plug 31 made of doped polysilicon, high melting point metal, silicide of high melting point metal or the like is connected to n + source region 21. A first bonding layer 47 having the same plane pattern as the rectangular capacitor section 9 shown in FIG. 14 is connected to the capacitor contact plug 31.

【0098】一方、エピタキシャルキャパシタ(キャパ
シタ部)9は下部バリア金属層52、SRO等の下部電
極層53、Baのモル分率70%のBSTO等の誘電体
薄膜層54、SRO等の上部電極層55、および上部バ
リア金属層56とから構成されている。上部バリア金属
層56には、Ti/TiN/Al層などのプレート電極
62が接続され、プレート電極62の上には酸化膜(S
iO2 膜)、PSG膜、BPSG膜、窒化膜(Si3
4 膜)、あるいはポリイミド膜などのパッシベーション
絶縁膜65が形成されている。第2のシリコン基板64
は、不純物密度2×1018乃至1×1020cm-3程度の
高不純物密度のシリコン基板である。高不純物密度の第
2のシリコン基板64を介して、下部バリア金属層52
は、第2の貼り合せ層63に接続されている。つまり、
下部バリア金属層52、下部電極層53、BSTO等の
誘電体薄膜層54、上部電極層55、および上部バリア
金属層56からなる多層構造、第2のシリコン基板6
4、第1および第2の貼り合せ層47,63は、図14
に示した矩形のキャパシタ部9と同一平面パターンに分
離形成されている。そして、キャパシタコンタクトプラ
グ31、第1の貼り合せ層47、第2の貼り合せ層63
及び第2のシリコン基板64により、n+ ソース領域2
1とエピタキシャルキャパシタ(キャパシタ部)9と
は、電気的に接続されている。図13において符号3
2,33,34,36,37は酸化膜(SiO2 膜)、
PSG膜、BPSG膜、あるいは窒化膜(Si3
4 膜)などの絶縁膜である。
On the other hand, the epitaxial capacitor (capacitor portion) 9 includes a lower barrier metal layer 52, a lower electrode layer 53 such as SRO, a dielectric thin film layer 54 such as BSTO having a mole fraction of Ba of 70%, and an upper electrode layer such as SRO. 55 and an upper barrier metal layer 56. A plate electrode 62 such as a Ti / TiN / Al layer is connected to the upper barrier metal layer 56, and an oxide film (S
iO 2 film), PSG film, BPSG film, nitride film (Si 3 N)
4 ) or a passivation insulating film 65 such as a polyimide film. Second silicon substrate 64
Is a silicon substrate having a high impurity density of about 2 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . The lower barrier metal layer 52 is provided via the second silicon substrate 64 having a high impurity density.
Are connected to the second bonding layer 63. That is,
A multilayer structure including a lower barrier metal layer 52, a lower electrode layer 53, a dielectric thin film layer such as BSTO, an upper electrode layer 55, and an upper barrier metal layer 56;
4. The first and second bonding layers 47 and 63 are formed as shown in FIG.
Are formed separately in the same plane pattern as the rectangular capacitor section 9 shown in FIG. Then, the capacitor contact plug 31, the first bonding layer 47, the second bonding layer 63
And the second silicon substrate 64, the n + source region 2
1 and the epitaxial capacitor (capacitor section) 9 are electrically connected. In FIG.
2, 33, 34, 36, and 37 are oxide films (SiO 2 films);
PSG film, BPSG film, or nitride film (Si 3 N
4 ).

【0099】次に、本発明の第2の実施の形態に係る半
導体記憶装置の製造方法を以下の工程順模式断面図(図
3及び図15乃至図22)を使用して説明する。以下の
工程(イ)、(ロ)は、第1の貼り合せ層47としてA
l膜の代わりにCu膜を用いている点を除けば、前述の
第1の実施の形態に係る半導体記憶装置の製造方法と基
本的に同一であるため、工程(イ)、(ロ)の説明にお
いては、前述の図3を参照して説明する。なお、図15
乃至図22において各図の(a)と(b)とは互いに直
交する関係にある断面図である。すなわち、図(a)の
A−A方向から見た断面図が図(b)であり、図(b)
のB−B方向から見た断面図が図(a)である。
Next, a method of manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to the following schematic sectional views (FIGS. 3 and 15 to 22). In the following steps (a) and (b), the first bonding layer 47 is formed as A
Except that the Cu film is used instead of the 1 film, the method is basically the same as the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the above-described first embodiment. The description will be made with reference to FIG. Note that FIG.
22A to 22B are cross-sectional views orthogonal to each other. That is, the cross-sectional view as viewed from the AA direction in FIG.
(A) is a cross-sectional view as viewed from the BB direction.

【0100】(イ)まず、前述の図3に示すように、第
1のシリコン(100)基板11に、公知のプロセスを
使用して、n+ ソース領域21、n+ドレイン領域2
2、ゲート酸化膜29、ワード線37からなるトランジ
スタや、素子間分離絶縁膜13、ビット線37、および
キャパシタコンタクトプラグ31を形成し、その最上層
を化学的機械的研磨(CMP)等の方法により平坦化し
基板表面とする。
(A) First, as shown in FIG. 3, the n + source region 21 and the n + drain region 2 are formed on the first silicon (100) substrate 11 by using a known process.
2. A transistor including a gate oxide film 29 and a word line 37, an element isolation insulating film 13, a bit line 37, and a capacitor contact plug 31 are formed, and the uppermost layer is formed by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). To obtain a substrate surface.

【0101】(ロ)次に、この基板表面に第1の貼り合
せ層47として平坦なCu膜を全面に形成する。この
時、平坦な第1の貼り合せ層47は、キャパシタコンタ
クトプラグ31により本発明のトランジスタの主電極領
域となるn+ ソース領域21に接続されている。
(B) Next, a flat Cu film is formed as a first bonding layer 47 on the entire surface of the substrate. At this time, the flat first bonding layer 47 is connected to the n + source region 21 serving as the main electrode region of the transistor of the present invention by the capacitor contact plug 31.

【0102】(ハ)次に図15に示すように、第2のシ
リコン(100)基板64の表面の全面に、第2の貼り
合せ層63として平坦なCu膜を形成する。
(C) Next, as shown in FIG. 15, a flat Cu film is formed as the second bonding layer 63 on the entire surface of the second silicon (100) substrate 64.

【0103】(ニ)次に図16に示すように、第1の貼
り合せ層47と第2の貼り合せ層63であるCu膜を、
400℃の水素中の還元処理を行って表面のCuの酸化
層を還元し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ
層47と第2の貼り合せ層63を突き合わせ、500℃
30分間加圧して接合する。Cu膜の表面の還元処理を
行って、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層4
7と第2の貼り合せ層63を接合するためには、図42
に示すような装置を用いればよい。
(D) Next, as shown in FIG. 16, the Cu film as the first bonding layer 47 and the second bonding layer 63 is
A reduction treatment in hydrogen at 400 ° C. is performed to reduce the Cu oxide layer on the surface.
Press for 30 minutes to join. By performing a reduction treatment on the surface of the Cu film, the first bonding layer 4 is not exposed to the air as it is.
In order to join the second bonding layer 63 to the second bonding layer 63, FIG.
An apparatus as shown in FIG.

【0104】(ホ)次に図17に示すように、貼り合わ
せた第2のシリコン基板64を所定の厚さに薄膜化す
る。例えば、第2のシリコン基板64の裏面からCMP
等により研磨して、第2のシリコン基板64を0.2μ
m程度の厚さまで薄膜化する。
(E) Next, as shown in FIG. 17, the bonded second silicon substrate 64 is thinned to a predetermined thickness. For example, the CMP from the back surface of the second silicon substrate 64
The second silicon substrate 64 is polished by 0.2 μm.
The thickness is reduced to about m.

【0105】(へ)次に図18に示すように下部バリア
金属層52として膜厚10nmの(Ti,Al)N、下
部電極層(第1の電極層)53として膜厚20nmのS
rRuO3 、誘電体薄膜層54としてBaのモル分率7
0%で厚さ20nmのBSTO薄膜、上部電極層(第2
の電極層)55として厚さ20nmのSrRuO3 膜、
さらに上部バリア金属層56として膜厚10nmの(T
i,Al)Nを、基板温度600℃でRFあるいはDC
スパッタリング法により大気中に出さずに連続エピタキ
シャル成長し、キャパシタ用多層構造を形成する。
(F) Next, as shown in FIG. 18, 10 nm thick (Ti, Al) N as the lower barrier metal layer 52 and 20 nm thick S as the lower electrode layer (first electrode layer) 53.
rRuO 3 , the molar fraction of Ba being 7 as the dielectric thin film layer 54
0% and 20 nm thick BSTO thin film, upper electrode layer (second
A SrRuO 3 film having a thickness of 20 nm as an electrode layer 55;
Further, a 10 nm-thick (T
i, Al) N at RF or DC at a substrate temperature of 600 ° C.
Continuous epitaxial growth is performed by sputtering without exposing to the atmosphere to form a multilayer structure for a capacitor.

【0106】(ト)次に図19に示すように、第1のシ
リコン基板11上のトランジスタのパターンを基礎とし
て、位置合わせ行い、フォトリソグラフィー技術を用い
フォトレジストの分離用マスクパターンを形成する。分
離用マスクパターンをエッチング用マスクとして用い、
分離溝93を形成する。エッチング用マスクは、フォト
レジストと酸化膜等の多層膜でも良く、他のマスク材を
用いても良い。分離溝93により、キャパシタ用多層構
造52,53,54,55,56、第2のシリコン基板
64、第1および第2の貼り合せ層47,63、は複数
のパターンに分離され、各メモリセルごとのキャパシタ
が形成される。フォトリソグラフィー技術における位置
合わせは、第1のシリコン基板にトランジスタを形成す
る際に用いた合わせマークを用いても良く、現実のトラ
ンジスタのパターンに注目して合わせても良い。貼り合
わせ後に新たな合わせマークを形成しても良い。分離溝
93の形成のためには、リアクティブイオンエッチング
(RIE)等を用いればよい。この際のエッチング条件
として、酸化物層33をエッチング停止層として使用す
ると良い。
(G) Next, as shown in FIG. 19, alignment is performed on the basis of the transistor pattern on the first silicon substrate 11, and a photoresist separation mask pattern is formed by photolithography. Using the separation mask pattern as an etching mask,
A separation groove 93 is formed. The etching mask may be a multilayer film such as a photoresist and an oxide film, or another mask material may be used. The isolation trench 93 separates the capacitor multilayer structures 52, 53, 54, 55, 56, the second silicon substrate 64, and the first and second bonding layers 47, 63 into a plurality of patterns. Each capacitor is formed. The alignment in the photolithography technique may be performed using an alignment mark used for forming a transistor on the first silicon substrate, or may be adjusted by focusing on an actual transistor pattern. A new alignment mark may be formed after bonding. In order to form the separation groove 93, reactive ion etching (RIE) or the like may be used. As an etching condition at this time, it is preferable to use the oxide layer 33 as an etching stop layer.

【0107】(チ)さらに図20に示すようにTEOS
ガスを原料としたプラズマCVD法等により分離溝93
にキャパシタ分離絶縁膜61を埋め込んだ後、図21に
示すように再びCMP法等により平坦化する。その後、
図22に示すようにプレート電極層62としてTi/T
iN/Al層を作成し、図13に示すように、酸化膜
(SiO2 膜)、PSG膜、BPSG膜、窒化膜(Si
34 膜)、あるいはポリイミド膜などのパッシベーシ
ョン絶縁膜65をかぶせる。
(H) Further, as shown in FIG.
The separation groove 93 is formed by a plasma CVD method using a gas as a raw material.
After the capacitor isolation insulating film 61 is buried, the surface is planarized again by the CMP method or the like as shown in FIG. afterwards,
As shown in FIG. 22, Ti / T
An iN / Al layer was formed, and as shown in FIG. 13, an oxide film (SiO 2 film), a PSG film, a BPSG film, and a nitride film (Si
3 N 4 film) or a passivation insulating film 65 such as a polyimide film.

【0108】このような工程により、強誘電体薄膜層を
使用したキャパシタとトランジスタからなるメモリセル
を歩留まり良く作成することができ、FRAMとしての
良好かつ信頼性の高い動作が確認された。
According to such a process, a memory cell including a capacitor and a transistor using a ferroelectric thin film layer can be manufactured with high yield, and a favorable and highly reliable operation as an FRAM has been confirmed.

【0109】本発明の第2の実施の形態に係る半導体記
憶装置の製造方法においては、第1および第2のシリコ
ン基板11,64とを互いに貼り合わせ、その後、フォ
トリソグラフィー工程で、セル毎のキャパシタを分離・
形成しているので上下の第1の貼り合せ層47と第2の
貼り合せ層63の合わせずれの問題は本来的にない。ま
た、全面に形成された平坦な面で第1の貼り合せ層47
と第2の貼り合せ層63とを接合しているので、良好な
接合界面が得られ、オープン不良が生じることもない。
さらに、第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層63
の接合部の周囲に形成した分離溝93に、新たに絶縁膜
(キャパシタ分離絶縁膜)61を埋め込んでいるので、
リーク電流の通路が発生するおそれもない。したがっ
て、隣接するメモリーセルのそれぞれの第1及び第2の
貼り合せ層47,63間におけるリーク電流やショート
不良の恐れもない。
In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, the first and second silicon substrates 11 and 64 are bonded to each other, and then, in a photolithography step, each cell is formed. Separate capacitor
Since it is formed, there is essentially no problem of misalignment between the upper and lower first bonding layers 47 and the second bonding layer 63. Further, the first bonding layer 47 is formed on the flat surface formed on the entire surface.
Since the second bonding layer 63 is bonded to the second bonding layer 63, a good bonding interface is obtained, and no open failure occurs.
Further, the first bonding layer 47 and the second bonding layer 63
Since the insulating film (capacitor separating insulating film) 61 is newly buried in the separating groove 93 formed around the junction of
There is no possibility that a leakage current path is generated. Therefore, there is no possibility of a leak current or short circuit between the first and second bonding layers 47 and 63 of the adjacent memory cells.

【0110】なお、図42は、(ニ)の工程における水
素中の還元処理を行って表面のCuの酸化層を還元し、
そのまま大気中に晒さずに、第1のシリコン基板11と
第2のシリコン基板64とを接合するための装置を示
す。図42で、成膜室1と還元室2,及び還元室2と圧
着室3とは、それぞれ図示を省略したゲートバルブを介
して互いに接続されている。また、成膜室1、還元室2
および圧着室3は図示を省略したクライオポンプやター
ボポンプ等の超高真空用真空ポンプに接続され、圧力4
×10-6Pa以下の超高真空に排気出来るようになって
いる。還元室2には、還元処理用の水素ガス導入口7が
設けられ、ますフローコントローラ等により、所定の流
量に制御できるようになっている。更に、還元室2には
ヒータ6が設けられ、400℃等の所定の温度に、第1
のシリコン基板11と第2のシリコン基板64とを加熱
できるようになっている。加熱は、赤外線ランプ加熱で
も抵抗加熱でもかまわないが、赤外線ランプ加熱の方が
クリーンな加熱が出来る。圧着室3内には、複数枚のシ
リコン基板を保持できるカセット、第1のシリコン基板
11と第2のシリコン基板64を搭載し所定の温度に加
熱できるヒータを備えたステージ5、及び第1のシリコ
ン基板11と第2のシリコン基板64を互いに所定の圧
力で圧着するためのプレス4が備えられている。成膜室
1には図示を省略した他のゲートバルブを介して真空準
備室が接続され、エアーロックで真空準備室から第1の
シリコン基板11と第2のシリコン基板64を搬送でき
るようになっている。成膜室1は、第1の貼り合せ層4
7と第2の貼り合せ層64としてのCu膜を、CVD、
真空蒸着、あるいはスパッタリングで堆積できるように
構成されている。真空中で搬送できるようにしてもよ
い。Cu膜を堆積後、ゲートバルブを開けて、第1のシ
リコン基板11と第2のシリコン基板51を還元室2に
真空搬送する。還元室2では、第1の貼り合せ層47又
は第2の貼り合せ層63であるCu膜を、400℃の水
素中で、所定の時間(例えば、10乃至30分)還元処
理を行う。還元処理が終了すれば、ゲートバルブを開け
て、第1のシリコン基板11と第2のシリコン基板51
を圧着室3に真空搬送する。具体的には、まず複数枚の
第1のシリコン基板11を成膜室1、還元室2、圧着室
3と順次処理しながら真空搬送し、圧着室3内のカセッ
トに一旦保持し、次に第2のシリコン基板64を同様に
成膜室1、還元室2、圧着室3と順次処理しながら真空
搬送するような手順でよい。先に、第2のシリコン基板
64を成膜室1、還元室2、圧着室3と順次処理しなが
ら真空搬送し、圧着室3内のカセットに一旦保持し、次
に第1のシリコン基板11を真空搬送する手順でも良
い。圧着室3内では、ステージ5上に第1のシリコン基
板11と第2のシリコン基板64が搭載され、プレス4
で所定の圧力で400℃30分間圧着し、貼り合わせ
(直接接合)を行う。本発明の第2の実施の形態に係る
半導体記憶装置の製造方法においては、第1および第2
のシリコン基板とを互いに貼り合わせ、その後、フォト
リソグラフィー工程で、セル毎のキャパシタを分離・形
成しているので、第1および第2のシリコン基板の接着
後に、セル毎のキャパシタとトランジスタの主電極領域
との相対的位置関係が決定される。従って、第1および
第2のシリコン基板との間の多少の貼り合わせずれは許
容される。つまり、第1および第2のシリコン基板の外
周の位置を合わせる程度の位置あわせ精度で良い。この
ため、図42に示すように真空チャンバー中に複雑な装
置が入らないので、真空に対する脱ガス成分も少なくな
り、圧力4×10-6Pa以下の超高真空中が、容易に達
成される。従ってより信頼性の高い第1の貼り合せ層4
7と第2の貼り合せ層63との接合が実現でき、その結
果、半導体記憶装置の高性能化と高信頼性化が達成され
る。
FIG. 42 shows that the reduction process in hydrogen in the step (d) is performed to reduce the Cu oxide layer on the surface,
This shows an apparatus for joining the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 64 without exposing them to the air. In FIG. 42, the film formation chamber 1, the reduction chamber 2, and the reduction chamber 2 and the pressure bonding chamber 3 are connected to each other via a gate valve (not shown). Further, a film forming chamber 1 and a reduction chamber 2
The crimping chamber 3 is connected to an ultra-high vacuum vacuum pump such as a cryopump or a turbo pump (not shown).
It can be evacuated to an ultra-high vacuum of × 10 -6 Pa or less. The reduction chamber 2 is provided with a hydrogen gas inlet 7 for reduction processing, and can be controlled to a predetermined flow rate by a flow controller or the like. Further, a heater 6 is provided in the reduction chamber 2, and the first temperature is set to a predetermined temperature such as 400 ° C.
And the second silicon substrate 64 can be heated. Heating may be performed by infrared lamp heating or resistance heating, but infrared lamp heating can provide cleaner heating. A cassette 5 capable of holding a plurality of silicon substrates, a stage 5 having a heater on which the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 64 are mounted and which can be heated to a predetermined temperature, and a first A press 4 is provided for pressing the silicon substrate 11 and the second silicon substrate 64 together at a predetermined pressure. A vacuum preparation chamber is connected to the film formation chamber 1 via another gate valve not shown, and the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 64 can be transferred from the vacuum preparation chamber by an air lock. ing. The film forming chamber 1 includes a first bonding layer 4
7 and a Cu film as the second bonding layer 64 are formed by CVD,
It is configured so that it can be deposited by vacuum evaporation or sputtering. You may make it conveyable in a vacuum. After depositing the Cu film, the gate valve is opened, and the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are transferred to the reduction chamber 2 by vacuum. In the reduction chamber 2, the Cu film serving as the first bonding layer 47 or the second bonding layer 63 is subjected to a reduction treatment in hydrogen at 400 ° C. for a predetermined time (for example, 10 to 30 minutes). When the reduction process is completed, the gate valve is opened, and the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are opened.
Is transferred to the crimping chamber 3 by vacuum. Specifically, first, a plurality of first silicon substrates 11 are vacuum-transferred while sequentially processing the film formation chamber 1, the reduction chamber 2, and the compression chamber 3, and once held in a cassette in the compression chamber 3, A procedure may be employed in which the second silicon substrate 64 is vacuum-transferred while sequentially processing the film formation chamber 1, the reduction chamber 2, and the compression chamber 3 in the same manner. First, the second silicon substrate 64 is vacuum-transferred while sequentially processing the film formation chamber 1, the reduction chamber 2, and the compression chamber 3, and once held in a cassette in the compression chamber 3, and then the first silicon substrate 11 May be transferred by vacuum. In the crimping chamber 3, the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 64 are mounted on the stage 5,
Then, pressure bonding is performed at a predetermined pressure at 400 ° C. for 30 minutes to perform bonding (direct bonding). In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the second embodiment of the present invention, the first and second
Are bonded to each other, and then the capacitors for each cell are separated and formed in a photolithography process. Therefore, after the first and second silicon substrates are bonded, the capacitor for each cell and the main electrode of the transistor are formed. The relative positional relationship with the area is determined. Therefore, a slight misalignment between the first and second silicon substrates is allowed. That is, it is sufficient that the positioning accuracy is such that the outer peripheral positions of the first and second silicon substrates are aligned. For this reason, as shown in FIG. 42, since a complicated apparatus does not enter the vacuum chamber, the degassing component with respect to the vacuum is reduced, and an ultra-high vacuum with a pressure of 4 × 10 −6 Pa or less can be easily achieved. . Therefore, the more reliable first bonding layer 4
7 and the second bonding layer 63 can be joined, and as a result, high performance and high reliability of the semiconductor memory device are achieved.

【0111】(第3の実施の形態)本発明の第3の実施
の形態に係る半導体記憶装置は、ほぼ第2の実施の形態
と同様であるが、平面構造のペロブスカイト型構造エピ
タキシャルキャパシタの代りに、立体構造のペロブスカ
イト型構造エピタキシャルキャパシタを作成した点が、
第2の実施の形態に係る半導体記憶装置とは相違する。
更に、第3の実施の形態は、Baのモル分率70%のB
STO薄膜(強誘電体薄膜)の代わりに、Baのモル分
率30%のBSTO薄膜(常誘電体薄膜)を用いたDR
AMであり、第2の実施の形態に係るFRAMとは相違
する。
(Third Embodiment) A semiconductor memory device according to a third embodiment of the present invention is substantially the same as that of the second embodiment, except that a planar structure perovskite type epitaxial capacitor is used. In addition, the point that a three-dimensional structure perovskite type epitaxial capacitor was created
This is different from the semiconductor memory device according to the second embodiment.
Further, in the third embodiment, the B mole fraction of 70%
DR using a BSTO thin film (paraelectric thin film) having a mole fraction of Ba of 30% instead of the STO thin film (ferroelectric thin film)
AM, which is different from the FRAM according to the second embodiment.

【0112】図23および図24に、本発明の第3の実
施の形態に係る半導体記憶装置の断面図および平面図を
示す。図23(a)と図23(b)とは互いに直交する
関係にある断面図である。すなわち、図23(a)のA
−A方向から見た断面図が図23(b)であり、図23
(b)のB−B方向から見た断面図が図23(a)であ
る。また、図24は対応する平面図である。
FIGS. 23 and 24 are a sectional view and a plan view of a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 23A and FIG. 23B are cross-sectional views that are orthogonal to each other. That is, A in FIG.
FIG. 23B is a cross-sectional view taken from the −A direction, and FIG.
FIG. 23A is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG. 24 is a corresponding plan view.

【0113】この半導体記憶装置(DRAM)は、図2
3に示すように、複数のトランジスタをマトリクス状に
配置した第1のシリコン基板11と、この複数のトラン
ジスタのそれぞれに対応した複数のペロブスカイト型構
造エピタキシャルキャパシタ9を有する第2のシリコン
基板64と、トランジスタのそれぞれの主電極領域21
とエピタキシャルキャパシタ9とを一対一に対応させて
電気的に接続する接続部(31,47,63、64)と
を少なくとも含む。
This semiconductor memory device (DRAM) has the structure shown in FIG.
As shown in FIG. 3, a first silicon substrate 11 on which a plurality of transistors are arranged in a matrix, a second silicon substrate 64 having a plurality of perovskite-type epitaxial capacitors 9 corresponding to the plurality of transistors, Each main electrode region 21 of the transistor
And at least connection portions (31, 47, 63, 64) for electrically connecting the epitaxial capacitors 9 in one-to-one correspondence.

【0114】そして、図23に示すように、本発明の第
3の実施の形態に係る半導体記憶装置はSTI領域(素
子分離領域)13で互いに分離された複数のMOSトラ
ンジスタが、シリコン基板11の上にマトリクス状に配
置されている。この複数のMOSトランジスタは、シリ
コン基板11の上に形成されたpウェル12の表面上に
形成されたnMOSFETである。このnMOSFET
は、pウェル12内に、主電極領域として、n+ 領域か
らなるソース領域21及びドレイン領域22を有してい
る。さらに、このnMOSFETは制御電極として、p
ウェル12の表面のゲート酸化膜29の上にゲート電極
37を有している。なおここでゲート電極37は、ワー
ド線の一部を成すものである。ワード線37は、図24
に示すように複数本あり、縦方向に伸延されている。
As shown in FIG. 23, in the semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, a plurality of MOS transistors separated from each other by an STI region (element isolation region) 13 They are arranged in a matrix above. The plurality of MOS transistors are nMOSFETs formed on the surface of a p-well 12 formed on a silicon substrate 11. This nMOSFET
Has a source region 21 and a drain region 22 composed of an n + region as a main electrode region in a p-well 12. Further, this nMOSFET serves as a control electrode with p
A gate electrode 37 is provided on the gate oxide film 29 on the surface of the well 12. Here, the gate electrode 37 forms a part of the word line. The word line 37 is
As shown in the figure, there are a plurality of them, which extend in the vertical direction.

【0115】また、図24に示すようにドレイン領域2
2上にはドープドポリシリコン、高融点金属や高融点金
属のシリサイド等からなるビット線コンタクトプラグ3
9が配置され、ビット線35に接続されている。ビット
線35は、ワード線37と直交する横方向に伸延されて
いる。図24では、簡単化のためビット線35が1本の
み示されているが、複数本のビット線と複数本のワード
線でX−Yマトリクスを構成していることは勿論であ
る。
Further, as shown in FIG.
A bit line contact plug 3 made of doped polysilicon, refractory metal or silicide of refractory metal is formed on
9 are arranged and connected to the bit line 35. The bit line 35 extends in a horizontal direction orthogonal to the word line 37. Although only one bit line 35 is shown in FIG. 24 for simplification, it goes without saying that an XY matrix is composed of a plurality of bit lines and a plurality of word lines.

【0116】さらに、図23に示すように、n+ ソース
領域21には、ドープドポリシリコン、高融点金属や高
融点金属のシリサイド等からなるキャパシタコンタクト
プラグ31が接続されている。キャパシタコンタクトプ
ラグ31には、図24に示した矩形のキャパシタ部9と
同一平面パターンの第1の貼り合せ層47が接続されて
いる。
Further, as shown in FIG. 23, a capacitor contact plug 31 made of doped polysilicon, a refractory metal or a silicide of a refractory metal is connected to the n + source region 21. The first bonding layer 47 having the same plane pattern as the rectangular capacitor section 9 shown in FIG. 24 is connected to the capacitor contact plug 31.

【0117】一方、エピタキシャルキャパシタ(キャパ
シタ部)9は、U溝に形成された立体構造をしている。
即ち、U溝の底面及び側壁に沿って形成された下部バリ
ア金属層52、SRO等の下部電極層53、Baのモル
分率70%のBSTO等の誘電体薄膜層54とこのU溝
を埋め込むように形成されたSRO等の上部電極層5
5、および平坦な上部バリア金属層56とから構成され
ている。上部バリア金属層56には、Ti/TiN/A
l層などのプレート電極62が接続され、プレート電極
62の上には酸化膜(SiO2 膜)、PSG膜、BPS
G膜、窒化膜(Si34 膜)、あるいはポリイミド膜
などのパッシベーション絶縁膜65が形成されている。
第2のシリコン基板64は、不純物密度2×1018乃至
1×1020cm-3程度の高不純物密度のシリコン基板で
ある。高不純物密度の第2のシリコン基板64を介し
て、下部バリア金属層52は、第2の貼り合せ層63に
接続されている。下部バリア金属層52、下部電極層5
3、BSTO等の誘電体薄膜層54、上部電極層55、
および上部バリア金属層56からなる多層構造、第2の
シリコン基板64、第1および第2の貼り合せ層47,
63は、図24に示した矩形のキャパシタ部9のしめす
島状の平面パターンの領域内にほぼ収まるように形成さ
れている。そして、キャパシタコンタクトプラグ31、
第1の貼り合せ層47、第2の貼り合せ層63及び第2
のシリコン基板64により、n+ ソース領域21とエピ
タキシャルキャパシタ(キャパシタ部)9とは、電気的
に接続されている。図23において符号32,33,3
4,36,37は酸化膜(SiO2膜)、PSG膜、B
PSG膜、あるいは窒化膜(Si34 膜)などの絶縁
膜である。
On the other hand, the epitaxial capacitor (capacitor portion) 9 has a three-dimensional structure formed in the U groove.
That is, the lower barrier metal layer 52 formed along the bottom and side walls of the U groove, the lower electrode layer 53 such as SRO, the dielectric thin film layer 54 such as BSTO having a Ba mole fraction of 70% and the U groove are buried. Electrode layer 5 such as SRO formed as described above
5 and a flat upper barrier metal layer 56. The upper barrier metal layer 56 includes Ti / TiN / A
A plate electrode 62 such as an L layer is connected, and an oxide film (SiO 2 film), a PSG film, a BPS
A passivation insulating film 65 such as a G film, a nitride film (Si 3 N 4 film), or a polyimide film is formed.
The second silicon substrate 64 is a silicon substrate having a high impurity density of about 2 × 10 18 to 1 × 10 20 cm −3 . The lower barrier metal layer 52 is connected to a second bonding layer 63 via a second silicon substrate 64 having a high impurity density. Lower barrier metal layer 52, lower electrode layer 5
3, a dielectric thin film layer 54 such as BSTO, an upper electrode layer 55,
, A second silicon substrate 64, a first and second bonding layer 47,
Reference numeral 63 is formed so as to substantially fit in the region of the island-shaped planar pattern of the rectangular capacitor portion 9 shown in FIG. Then, the capacitor contact plug 31,
The first bonding layer 47, the second bonding layer 63, and the second
The n + source region 21 and the epitaxial capacitor (capacitor part) 9 are electrically connected by the silicon substrate 64 of FIG. In FIG. 23, reference numerals 32, 33, 3
4, 36, 37 are oxide films (SiO 2 films), PSG films, B
It is an insulating film such as a PSG film or a nitride film (Si 3 N 4 film).

【0118】Srリッチ組成の単結晶BSTOは、例え
ば膜厚20nmで誘電率800以上という非常に高い誘
電率を示す。このようにSrリッチ組成の単結晶BST
Oを使用することにより、極めて高い高誘電率を有する
のに加え、立体形状のキャパシタであるので、セル面積
を極めて小さくしても所定の容量値が担保される。従っ
て、4Gb乃至256GbのDRAM、さらにはテラビ
ットDRAMが実現できる。
The single crystal BSTO having the Sr-rich composition has a very high dielectric constant of, for example, a dielectric constant of 800 or more at a film thickness of 20 nm. Thus, the single crystal BST having the Sr-rich composition
By using O, in addition to having a very high dielectric constant, since the capacitor has a three-dimensional shape, a predetermined capacitance value is ensured even if the cell area is extremely small. Therefore, a DRAM of 4 Gb to 256 Gb and a terabit DRAM can be realized.

【0119】なお、上部電極層55、上部バリア金属層
56は、必ずしもエピタキシャル成長で形成する必要は
ない。なぜなら、下部電極層53のa軸、b軸方向の格
子定数が、誘電体薄膜層54のそれより十分小さくな
り、下部電極層53と誘電体薄膜層54との間に格子定
数のミスマッチが生じていれば、誘電率800以上とい
う非常に高い誘電率を得ることは可能であるからであ
る。
Note that the upper electrode layer 55 and the upper barrier metal layer 56 need not always be formed by epitaxial growth. This is because the lattice constants of the lower electrode layer 53 in the a-axis and b-axis directions are sufficiently smaller than those of the dielectric thin film layer 54, and a mismatch in lattice constant occurs between the lower electrode layer 53 and the dielectric thin film layer 54. This is because it is possible to obtain a very high dielectric constant of 800 or more.

【0120】次に、本発明の第3の実施の形態に係る半
導体記憶装置の製造方法を工程順模式断面図(図3、図
15、図16及び図25乃至37)を使用して説明す
る。本発明の第3の実施の形態に係る半導体記憶装置の
製造方法における第1のシリコン基板11にトランジス
タおよび第1の貼り合せ層47を作成し、第2のシリコ
ン基板64に第2の貼り合せ層63を作成し、第1の貼
り合せ層47と第2の貼り合せ層63を突き合わせて接
合するまでの工程は、第2の実施の形態に係る半導体記
憶装置の製造方法同じであるので図3、図15及び、図
16を参照して説明する。なお、図25乃至図37にお
いて各図の(a)と(b)とは互いに直交する関係にあ
る断面図である。すなわち、図(a)のA−A方向から
見た断面図が図(b)であり、図(b)のB−B方向か
ら見た断面図が図(a)である。以下、これらの工程順
模式断面を使用して説明する。
Next, a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to schematic cross-sectional views (FIGS. 3, 15, 16 and 25 to 37). . In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, a transistor and a first bonding layer 47 are formed on a first silicon substrate 11 and a second bonding layer 47 is formed on a second silicon substrate 64. The steps from forming the layer 63 to joining the first bonding layer 47 and the second bonding layer 63 by abutting each other are the same as those in the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the second embodiment. This will be described with reference to FIG. 3, FIG. 15 and FIG. In FIGS. 25 to 37, (a) and (b) of each drawing are cross-sectional views which are orthogonal to each other. That is, the cross-sectional view as viewed from the AA direction in FIG. (A) is FIG. (B), and the cross-sectional view as viewed from the BB direction in FIG. (B) is (a). Hereinafter, a description will be given using a schematic cross section of these steps.

【0121】(イ)まず、前述の図3に示すように、第
1のシリコン(100)基板11に、公知のプロセスを
使用して、n+ ソース領域21、n+ドレイン領域2
2、ゲート酸化膜29、ワード線37からなるトランジ
スタや、素子間分離絶縁膜13、ビット線37、および
キャパシタコンタクトプラグ31を形成し、その最上層
を化学的機械的研磨(CMP)等の方法により平坦化し
基板表面とする。
(A) First, as shown in FIG. 3, the n + source region 21 and the n + drain region 2 are formed on the first silicon (100) substrate 11 by using a known process.
2. A transistor including a gate oxide film 29 and a word line 37, an element isolation insulating film 13, a bit line 37, and a capacitor contact plug 31 are formed, and the uppermost layer is formed by a method such as chemical mechanical polishing (CMP). To obtain a substrate surface.

【0122】(ロ)次に、この基板表面に第1の貼り合
せ層47として平坦なCu膜を全面に形成する。この
時、平坦な第1の貼り合せ層47は、キャパシタコンタ
クトプラグ31により本発明のトランジスタの主電極領
域となるn+ ソース領域21に接続されている。
(B) Next, a flat Cu film is formed as a first bonding layer 47 on the entire surface of the substrate. At this time, the flat first bonding layer 47 is connected to the n + source region 21 serving as the main electrode region of the transistor of the present invention by the capacitor contact plug 31.

【0123】(ハ)次に図15に示すように、第2のシ
リコン(100)基板64の表面の全面に、第2の貼り
合せ層63として平坦なCu膜を形成する。
(C) Next, as shown in FIG. 15, a flat Cu film is formed as the second bonding layer 63 on the entire surface of the second silicon (100) substrate 64.

【0124】(ニ)次に図16に示すように、第1の貼
り合せ層47と第2の貼り合せ層63であるCu膜を、
400℃の水素中の還元処理を行って表面のCuの酸化
層を還元し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ
層47と第2の貼り合せ層63を突き合わせ、500℃
30分間加圧して接合する。
(D) Next, as shown in FIG. 16, the Cu film as the first bonding layer 47 and the second bonding layer 63 is
A reduction treatment in hydrogen at 400 ° C. is performed to reduce the Cu oxide layer on the surface.
Press for 30 minutes to join.

【0125】(ホ)次に図25に示すように、貼り合わ
せた第2のシリコン基板64を所定の厚さに薄膜化す
る。例えば、第2のシリコン基板64の裏面からCMP
等により研磨して、第2のシリコン基板64を0.5μ
m程度の厚さまで薄膜化する。
(E) Next, as shown in FIG. 25, the bonded second silicon substrate 64 is thinned to a predetermined thickness. For example, the CMP from the back surface of the second silicon substrate 64
The second silicon substrate 64 is polished by 0.5 μm or the like.
The thickness is reduced to about m.

【0126】(ヘ)次に、図26に示すように、フォト
リソグラフィー技術を用いフォトレジストのマスクパタ
ーンを形成する。即ち、第1のシリコン基板11上のト
ランジスタのパターンを基礎として、位置合わせ行い、
エッチング用マスクを作成する。このエッチング用マス
クを用い、立体キャパシタを作成するためのキャパシタ
トレンチ92を形成する。エッチング用マスクは、フォ
トレジストと酸化膜等の多層膜でも良い。しかし、シリ
コン基板のエッチングには、酸化膜単独マスクパターン
でシリコン基板をエッチングすることが好ましい。この
ためには、低温CVDやTEOSを用いたCVDにより
酸化膜を形成し、フォトレジストのマスクパターンでま
ず酸化膜を所定の形状にパターニングし、その後、フォ
トレジストのマスクパターンを除去し、酸化膜単独マス
クパターンとすればよい。酸化膜以外の窒化膜(Si3
4 膜)等の他のマスク材を用いても良い。第1のシリ
コン基板11により位置合わせを行いパターニングによ
り、 (ト)次に、図27に示すように下部バリア金属層52
として膜厚10nmの(Ti,Al)N、下部電極層5
3として膜厚20nmのSrRuO3 を、基板温度60
0℃でDCスパッタリング法によりエピタキシャル成長
する。次に図28に示すようにプラズマCVD法等によ
り、酸化膜66等をキャパシタトレンチ92内に埋め込
んだ後に、図29に示すようにシリコン基板64を研磨
停止層として、CMP法などによりエッチバックして平
坦化を行う。
(F) Next, as shown in FIG. 26, a mask pattern of a photoresist is formed using a photolithography technique. That is, the alignment is performed based on the pattern of the transistor on the first silicon substrate 11,
Create an etching mask. Using this etching mask, a capacitor trench 92 for forming a three-dimensional capacitor is formed. The etching mask may be a multilayer film such as a photoresist and an oxide film. However, for etching the silicon substrate, it is preferable to etch the silicon substrate using the oxide film only mask pattern. To this end, an oxide film is formed by low-temperature CVD or CVD using TEOS, the oxide film is first patterned into a predetermined shape by a photoresist mask pattern, and then the photoresist mask pattern is removed. A single mask pattern may be used. Nitride film other than oxide film (Si 3
Another mask material such as an N 4 film may be used. The alignment is performed by the first silicon substrate 11 and patterning is performed. (G) Next, as shown in FIG.
10 nm thick (Ti, Al) N, lower electrode layer 5
SrRuO 3 having a film thickness of 20 nm as substrate 3 and a substrate temperature of 60
Epitaxial growth is performed at 0 ° C. by a DC sputtering method. Next, as shown in FIG. 28, the oxide film 66 and the like are buried in the capacitor trench 92 by a plasma CVD method or the like, and then, as shown in FIG. To perform flattening.

【0127】(チ)次に図30に示すように、フォトリ
ソグラフィー技術とRIEを用い分離溝93を形成す
る。エッチング用マスクは、フォトレジスト、酸化膜、
又はフォトレジストと酸化膜等の多層膜を用いれば良
い。分離溝93は、キャパシタトレンチ92で挟まれた
凸部の内部に形成される。分離溝93の形成のRIEの
際に、酸化物層33をエッチング停止層として使用する
と良い。さらに図31に示すようにTEOSガスを原料
としたプラズマCVD法等により分離溝93にキャパシ
タ分離絶縁膜61を埋め込んだ後、図32に示すように
再びCMP法等により平坦化する。
(H) Next, as shown in FIG. 30, a separation groove 93 is formed using photolithography and RIE. Etching masks are photoresist, oxide film,
Alternatively, a multilayer film such as a photoresist and an oxide film may be used. Separation groove 93 is formed inside the protrusion sandwiched between capacitor trenches 92. It is preferable to use the oxide layer 33 as an etching stop layer during the RIE for forming the separation groove 93. Further, as shown in FIG. 31, the capacitor isolation insulating film 61 is buried in the isolation groove 93 by a plasma CVD method or the like using TEOS gas as a raw material, and then flattened again by a CMP method or the like as shown in FIG.

【0128】(リ)次に図33に示すように、酸化膜6
6のみをRIE法等による選択エッチングにより除去し
て、SRO下部電極層53を露出する。次に図34に示
すように誘電体薄膜層14としてBaのモル分率30%
で厚さ20nmのBSTO薄膜54を形成する。さらに
図35に示すように上部電極層55として厚さ20nm
のSrRuO3 膜を、基板温度600℃でRFあるいは
DCスパッタリング法により大気中に出さずに連続し
て、SRO電極層上にエピタキシャル成長する。ただし
トレンチ外のキャパシタ分離絶縁膜61の上へはBST
O,SROとも多結晶として成長する。このとき、キャ
パシタトレンチ92の幅が小さい場合は、上部電極層の
SROでトレンチを埋め込むことができる。次に図36
に示すようにCMP法等により平坦化を行い、図37に
示すように上部バリア金属層56として膜厚10nmの
(Ti,Al)Nを室温で成膜する。
(I) Next, as shown in FIG.
Only 6 is removed by selective etching such as RIE to expose the SRO lower electrode layer 53. Next, as shown in FIG. 34, the dielectric thin film layer 14 has a molar fraction of Ba of 30%.
To form a BSTO thin film 54 having a thickness of 20 nm. Further, as shown in FIG. 35, the upper electrode layer 55 has a thickness of 20 nm.
The SrRuO 3 film is continuously grown epitaxially on the SRO electrode layer at a substrate temperature of 600 ° C. without being exposed to the air by RF or DC sputtering. However, BST is applied on the capacitor isolation insulating film 61 outside the trench.
Both O and SRO grow as polycrystals. At this time, when the width of the capacitor trench 92 is small, the trench can be filled with the SRO of the upper electrode layer. Next, FIG.
Is flattened by a CMP method or the like, and (Ti, Al) N having a thickness of 10 nm is formed as an upper barrier metal layer 56 at room temperature as shown in FIG.

【0129】(ヌ)最後に、図23に示すように、上部
バリア金属層56の上に、酸化膜(SiO2 膜)、PS
G膜、BPSG膜、窒化膜(Si34 膜)、あるいは
ポリイミド膜などのパッシベーション絶縁膜65をかぶ
せる。
(N) Finally, as shown in FIG. 23, an oxide film (SiO 2 film) and a PS
A passivation insulating film 65 such as a G film, a BPSG film, a nitride film (Si 3 N 4 film), or a polyimide film is covered.

【0130】このような工程により、誘電率の大きな常
誘電体薄膜層を使用したキャパシタとトランジスタから
なるメモリセルを歩留まり良く作成することができ、D
RAMとしての動作が確認された。本発明の第3の実施
の形態に係る半導体記憶装置の製造方法においては、第
1および第2のシリコン基板11,64とを互いに貼り
合わせ、その後、フォトリソグラフィー工程で、キャパ
シタトレンチ92を形成し、このキャパシタトレンチ9
2を用いて、セル毎のキャパシタを分離・形成している
ので上下の第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層6
3の合わせずれの問題は本来的にない。また、全面に形
成された平坦な面で第1の貼り合せ層47と第2の貼り
合せ層63とを接合しているので、良好な接合界面が得
られ、オープン不良が生じることもない。さらに、第1
の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層63の接合部の周
囲に形成した分離溝93に、新たに絶縁膜(キャパシタ
分離絶縁膜)61を埋め込んでいるので、リーク電流の
通路が発生するおそれもない。したがって、隣接するメ
モリーセルのそれぞれの第1及び第2の貼り合せ層4
7,63間におけるリーク電流やショート不良の恐れも
ない。
Through these steps, a memory cell including a capacitor and a transistor using a paraelectric thin film layer having a large dielectric constant can be manufactured with a high yield.
The operation as a RAM was confirmed. In the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the third embodiment of the present invention, the first and second silicon substrates 11 and 64 are bonded to each other, and then a capacitor trench 92 is formed by a photolithography process. , This capacitor trench 9
2 is used to separate and form a capacitor for each cell, so that upper and lower first bonding layers 47 and second bonding layers 6
There is essentially no problem of misalignment of 3. Further, since the first bonding layer 47 and the second bonding layer 63 are bonded on the flat surface formed on the entire surface, a good bonding interface is obtained, and no open failure occurs. Furthermore, the first
Since the insulating film (capacitor separating insulating film) 61 is newly buried in the separation groove 93 formed around the joint between the bonding layer 47 and the second bonding layer 63, a leakage current path is generated. There is no fear. Therefore, each of the first and second bonding layers 4 of the adjacent memory cells
There is no danger of leakage current or short circuit between 7, 63.

【0131】(第4の実施の形態)本発明の第4の実施
の形態に係る半導体記憶装置の製造工程はほぼ第1の実
施の形態と同様であるが、第1と第2の貼り合せ層4
7,59に共にAlを使用する代りに、第2の貼り合せ
層にTiを使用して、AlとTiの間の合金化反応によ
り貼り合わせを促進した例である。
(Fourth Embodiment) The manufacturing process of a semiconductor memory device according to a fourth embodiment of the present invention is almost the same as that of the first embodiment, but the first and second bonding steps are performed. Layer 4
This is an example in which Ti is used for the second bonding layer instead of using Al for both Nos. 7 and 59, and bonding is promoted by an alloying reaction between Al and Ti.

【0132】貼り合わせ工程として、第1の貼り合せ層
であるAlをスパッタリングにより成膜し、第2の貼り
合せ層であるTiをスパッタリングで成膜し、両方とも
そのまま大気中に晒さずに清浄面を保ったまま第1の貼
り合せ層と第2の貼り合せ層を突き合わせ、400℃3
0分間加圧して接合する。この場合、図41に示すよう
な装置を用いればよい。即ち、図41に示すように、成
膜室1で第1の貼り合せ層であるAlをスパッタリング
により成膜し、第2の貼り合せ層であるTiをスパッタ
リングで成膜し、成膜室1と圧着室3との間のゲートバ
ルブを開けて、第1のシリコン基板11と第2のシリコ
ン基板51を成膜室1から圧着室3に真空搬送すれば、
第1のシリコン基板11と第2のシリコン基板51とを
大気中に晒さずに接合することができる。
In the bonding step, a first bonding layer, Al, was formed by sputtering, and a second bonding layer, Ti, was formed by sputtering, and both were cleaned without being exposed to the air. The first bonded layer and the second bonded layer are abutted while maintaining the surface,
Press for 0 minutes to join. In this case, an apparatus as shown in FIG. 41 may be used. That is, as shown in FIG. 41, in the film forming chamber 1, Al as the first bonding layer is formed by sputtering, and Ti as the second bonding layer is formed by sputtering. By opening the gate valve between the pressure chamber 3 and the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 from the film forming chamber 1 to the pressure chamber 3 by vacuum,
The first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 can be joined without being exposed to the air.

【0133】その結果、主としてTiAl相からなる合
金が貼り合せ層として生成する。TiAl相は融点が1
460℃とAlの660℃と比較して高く、強度的にも
はるかに強く、熱的・機械的に安定な貼り合せ層を作成
することができる。
As a result, an alloy mainly composed of a TiAl phase is formed as a bonding layer. The melting point of TiAl phase is 1
A temperature of 460 ° C. is higher than 660 ° C. of Al, the strength is much higher, and a thermally and mechanically stable bonded layer can be formed.

【0134】(第5の実施の形態)本発明の第5の実施
の形態に係る半導体記憶装置の製造方法はほぼ第1の実
施の形態と同様であるが、第1と第2の貼り合せ層Al
を使用する代りに、非晶質のAl−Ta合金を使用し
て、非晶質の結晶化反応により貼り合わせを促進した例
である。
(Fifth Embodiment) A method of manufacturing a semiconductor memory device according to a fifth embodiment of the present invention is substantially the same as that of the first embodiment, but includes a first and a second bonding. Layer Al
This is an example in which the bonding is promoted by an amorphous crystallization reaction using an amorphous Al-Ta alloy instead of using.

【0135】貼り合わせ工程として、第1の貼り合せ層
と第2の貼り合せ層を、圧力4×10-6Pa以下の超高
真空中でArガスのスパッタリングにより表面に生成さ
れた酸化層を除去してAl−Ti合金の清浄化表面を出
し、そのまま大気中に晒さずに第1の貼り合せ層と第2
の貼り合せ層を突き合わせ、300℃30分間加圧して
接合する。この場合、図41に示すような装置を用いれ
ばよい。即ち、図41に示すように、成膜室1で第1の
貼り合せ層と第2の貼り合せ層を、圧力4×10-6Pa
以下の超高真空中でArガスのスパッタリングにより表
面に生成された酸化層を除去してAl−Ti合金の清浄
化表面を出し、成膜室1と圧着室3との間のゲートバル
ブを開けて、第1のシリコン基板11と第2のシリコン
基板51を成膜室1から圧着室3に真空搬送すれば、第
1のシリコン基板11と第2のシリコン基板51とを大
気中に晒さずに接合することができる。
In the bonding step, the first bonded layer and the second bonded layer were formed by oxidizing an oxide layer formed on the surface by sputtering of Ar gas in an ultra-high vacuum at a pressure of 4 × 10 −6 Pa or less. It is removed to expose the cleaned surface of the Al—Ti alloy, and the first bonded layer and the second
Are bonded to each other by pressing at 300 ° C. for 30 minutes. In this case, an apparatus as shown in FIG. 41 may be used. That is, as shown in FIG. 41, the first bonding layer and the second bonding layer are formed in the film forming chamber 1 at a pressure of 4 × 10 −6 Pa.
The oxide layer formed on the surface by the sputtering of Ar gas in the following ultra-high vacuum is removed to obtain a cleaned surface of the Al-Ti alloy, and the gate valve between the film forming chamber 1 and the pressure bonding chamber 3 is opened. Then, if the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are vacuum-transferred from the film forming chamber 1 to the pressure bonding chamber 3, the first silicon substrate 11 and the second silicon substrate 51 are not exposed to the atmosphere. Can be joined.

【0136】その結果、主としてAlとTi3 Al相か
らなる結晶化した合金層が貼り合せ層として生成する。
結晶反応を利用したために、貼り合わせ温度を100℃
低温化でき、また単相のAlよりも強度的にもはるかに
強い貼り合せ層を作成することができた。
As a result, a crystallized alloy layer mainly composed of Al and Ti 3 Al phase is formed as a bonding layer.
The bonding temperature is set to 100 ℃
It was possible to lower the temperature and to form a bonded layer that was much stronger in strength than single-phase Al.

【0137】非晶質としてはAl−Ta合金の他にAl
−Cu,Al−Au,Al−Mg,Ti−Co,Ti−
Ni,Ti−Cu,Si−Mn,Si−Pd,Si−P
t,Si−AgあるいはSi−Au等を用いることがで
きる。
As the amorphous material, in addition to the Al—Ta alloy, Al
-Cu, Al-Au, Al-Mg, Ti-Co, Ti-
Ni, Ti-Cu, Si-Mn, Si-Pd, Si-P
t, Si-Ag, Si-Au, or the like can be used.

【0138】[0138]

【発明の効果】以上上述したように本発明によれば、ペ
ロブスカイト型構造エピタキシャルキャパシタとトラン
ジスタを高密度に集積したメモリセルが作成可能であ
り、ギガビット以上の超高集積化したFRAMやDRA
Mの実現が可能になる。
As described above, according to the present invention, it is possible to manufacture a memory cell in which a perovskite type epitaxial capacitor and a transistor are integrated at a high density, and an ultra-highly integrated FRAM or DRA of gigabit or more is manufactured.
M can be realized.

【0139】特に、直径が200mm(8インチ)乃至
300mm(12インチ)以上のシリコンウェハ(半導
体基板)を用いることが可能となるため、ギガビット以
上の大容量で、且つ製品単価の安い半導体記憶装置(半
導体メモリ)が提供できる。
In particular, since a silicon wafer (semiconductor substrate) having a diameter of 200 mm (8 inches) to 300 mm (12 inches) or more can be used, a semiconductor memory device having a large capacity of gigabit or more and a low product unit price (Semiconductor memory) can be provided.

【0140】更に、本発明の半導体記憶装置の製造方法
によれば、第1および第2の基板の間の合わせずれの問
題は本来的にないので、貼り合わせ工程が簡単になり、
短時間で貼り合わせ作業が終了し、また、本発明の半導
体記憶装置の製造方法による製造歩留まりは高い。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, since the problem of misalignment between the first and second substrates is not inherent, the bonding step is simplified.
The bonding operation is completed in a short time, and the production yield of the semiconductor memory device manufacturing method of the present invention is high.

【0141】更に、本発明の半導体記憶装置の製造方法
によれば、貼り合わせ工程における合わせずれの問題が
ないので、真空中での貼り合わせ作業が容易となる。こ
の結果、極めて低い圧力の真空中で、大気中に晒さずに
接合出来るので、良好な接合界面が得られる。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, since there is no problem of misalignment in the bonding step, the bonding operation in a vacuum is facilitated. As a result, bonding can be performed in a vacuum at an extremely low pressure without being exposed to the air, so that a good bonding interface can be obtained.

【0142】また、本発明の半導体記憶装置の製造方法
によれば、第1の貼り合せ層47と第2の貼り合せ層5
9との間に良好な接合界面が得られ、オープン不良が生
じることもない。さらに、キャパシタ分離絶縁膜中にリ
ーク電流の通路が発生するおそれもないのでメモリーセ
ル間のリーク電流やショート不良の恐れもなく、高性能
かつ高信頼性のFRAMやDRAMの実現できる従っ
て、本発明の工業的価値は極めて大きい。
According to the method for manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, the first bonding layer 47 and the second bonding layer 5
9, a good bonding interface is obtained, and no open failure occurs. Further, since there is no possibility that a leak current path is generated in the capacitor isolation insulating film, there is no risk of leak current between memory cells or short circuit, and a high-performance and high-reliability FRAM or DRAM can be realized. Has an extremely high industrial value.

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

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの模式的な断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an FRAM memory cell according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの平面図である。
FIG. 2 is a plan view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程順断面図である。
FIG. 3 is a sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention in the order of steps;

【図4】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程順断面図である。
FIG. 4 is a sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention in the order of steps;

【図5】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程順断面図である。
FIG. 5 is a sectional view in order of the process of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程順断面図である。
FIG. 6 is a sectional view in order of the process of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程順断面図である。
FIG. 7 is a sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention in the order of steps;

【図8】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの図7に対応した上面図である。
FIG. 8 is a top view corresponding to FIG. 7 of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメモ
リセルの工程断面図である。
FIG. 9 is a process sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程断面図である。
FIG. 10 is a process sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図11】本発明の第1の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程断面図である。
FIG. 11 is a process sectional view of the FRAM memory cell according to the first embodiment of the present invention.

【図12】本発明の第1の実施の形態の変形例に係るS
OI・FRAMメモリセルの模式的な断面図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a modified example of the S according to the modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of an OI / FRAM memory cell.

【図13】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの模式的な断面図である。
FIG. 13 is a schematic sectional view of an FRAM memory cell according to a second embodiment of the present invention.

【図14】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの平面図である。
FIG. 14 is a plan view of an FRAM memory cell according to a second embodiment of the present invention.

【図15】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 15 is a sectional view of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention in the order of steps;

【図16】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 16 is a sectional view in order of the steps of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention.

【図17】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 17 is a sectional view in order of the process of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention.

【図18】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 18 is a sectional view of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention in the order of steps;

【図19】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 19 is a sectional view in order of process of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention.

【図20】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 20 is a sectional view in order of the process of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention.

【図21】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 21 is a sectional view in order of a process of an FRAM memory cell according to a second embodiment of the present invention.

【図22】本発明の第2の実施の形態に係るFRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 22 is a sectional view in order of the process of the FRAM memory cell according to the second embodiment of the present invention.

【図23】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの模式的な断面図である。
FIG. 23 is a schematic sectional view of a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention.

【図24】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの平面図である。
FIG. 24 is a plan view of a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention.

【図25】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 25 is a step-by-step cross-sectional view of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図26】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 26 is a sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図27】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 27 is a step-by-step cross-sectional view of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図28】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 28 is a cross-sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図29】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 29 is a sectional view in order of process of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図30】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 30 is a sectional view in order of process of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図31】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 31 is a cross-sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図32】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 32 is a cross-sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図33】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 33 is a step-by-step cross-sectional view of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図34】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 34 is a cross-sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図35】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 35 is a cross-sectional view in the order of steps of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention.

【図36】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 36 is a cross-sectional view illustrating a DRAM memory cell according to a third embodiment of the present invention in the order of steps;

【図37】本発明の第3の実施の形態に係るDRAMメ
モリセルの工程順断面図である。
FIG. 37 is a step-by-step cross-sectional view of the DRAM memory cell according to the third embodiment of the present invention;

【図38】本発明者らが、まず予備的に検討したFRA
Mセルの工程順断面図である。
FIG. 38: FRA studied by the present inventors first
FIG. 7 is a sectional view in order of the process of the M cell.

【図39】本発明者らが、まず予備的に検討したFRA
Mセルの工程順断面図である。
FIG. 39. FRA examined by the present inventors first in a preliminary manner.
FIG. 7 is a sectional view in order of the process of the M cell.

【図40】本発明者らが、まず予備的に検討したFRA
Mセルの工程順断面図である。
FIG. 40: FRA studied by the present inventors first
FIG. 7 is a sectional view in order of the process of the M cell.

【図41】成膜後あるいは表面処理後、大気に触れない
ようにして、2つのシリコン基板を接合するための装置
を示す図である。
FIG. 41 is a diagram showing an apparatus for joining two silicon substrates without being exposed to the air after film formation or surface treatment.

【図42】シリコン基板の表面を水素還元して、大気に
触れないようにして、2つのシリコン基板を接合するた
めの装置を示す図である。
FIG. 42 is a view showing an apparatus for bonding two silicon substrates by reducing the surface of the silicon substrate with hydrogen so as not to be exposed to the air.

【図43】従来のFRAMセルを示す断面図である。FIG. 43 is a sectional view showing a conventional FRAM cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 成膜室 2 還元室 3 圧着室 4 プレス 5 ステージ 6 ヒータ 7 ガス導入口 9 キャパシタ部 10,11,51,64 シリコン基板 12 pウェル 13 STI領域 14 埋め込み絶縁膜 15 p型SOI膜 21 ソース領域 22 ドレイン領域 29 ゲート酸化膜 31 キャパシタコンタクトプラグ 32,33,34,36,37,38,48 絶縁膜 35 ビット線 39 ビット線コンタクトプラグ 47,49 第1の貼り合せ層 52 下部バリア金属層 53 下部電極層 54 誘電体薄膜層 55 上部電極層 56 上部バリア金属層 57,59,63 第2の貼り合せ層 58,61 キャパシタ分離絶縁膜 62 プレート電極層 65 パッシベーション絶縁膜 66 平坦化用埋め込み物 91,93 分離溝 92 キャパシタトレンチ 110 酸化物基板(MgO,STOなど) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming chamber 2 Reduction chamber 3 Compression chamber 4 Press 5 Stage 6 Heater 7 Gas inlet 9 Capacitor part 10, 11, 51, 64 Silicon substrate 12 P well 13 STI area 14 Embedded insulating film 15 P-type SOI film 21 Source area Reference Signs List 22 drain region 29 gate oxide film 31 capacitor contact plug 32, 33, 34, 36, 37, 38, 48 insulating film 35 bit line 39 bit line contact plug 47, 49 first bonding layer 52 lower barrier metal layer 53 lower Electrode layer 54 Dielectric thin film layer 55 Upper electrode layer 56 Upper barrier metal layer 57, 59, 63 Second bonding layer 58, 61 Capacitor isolation insulating film 62 Plate electrode layer 65 Passivation insulating film 66 Flattening embedded material 91, 93 Separation groove 92 Capacitor trench 110 Oxide base Plate (MgO, STO, etc.)

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

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のトランジスタをマトリクス状に配
置した第1の半導体基板と、 前記複数のトランジスタのそれぞれに対応した複数のペ
ロブスカイト型構造エピタキシャルキャパシタを有する
第2の半導体基板と、 前記トランジスタのそれぞれの主電極領域と前記エピタ
キシャルキャパシタとを一対一に対応させて電気的に接
続する接続部を少なくとも含むことを特徴とする半導体
記憶装置。
A first semiconductor substrate having a plurality of transistors arranged in a matrix; a second semiconductor substrate having a plurality of perovskite-type epitaxial capacitors corresponding to each of the plurality of transistors; A semiconductor memory device characterized by including at least a connecting portion for electrically connecting the main electrode region and the epitaxial capacitor in a one-to-one correspondence.
【請求項2】 第1の基板上にトランジスタを形成し、
その最上層を平坦化し、基板表面とする工程と、 該基板表面全面に、前記トランジスタの主電極領域と接
続した平坦な第1の貼り合せ層を形成する工程と、 エピタキシャル成長により、第2の基板上に第1の電極
層と誘電体薄膜層と第2の電極層から少なくともなるキ
ャパシタ用多層構造を形成する工程と、 平坦な第2の貼り合せ層を前記キャパシタ用多層構造上
の全面に形成する工程と、 前記第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を突き合わせ
て、前記第1の基板と前記第2の基板とを互いに接着す
る工程と、 前記キャパシタ用多層構造、第1および第2の貼り合せ
層を複数のパターンに分離して、セル毎のキャパシタを
形成する工程を少なくとも含むことを特徴とする半導体
記憶装置の製造方法。
2. A transistor is formed on a first substrate,
Flattening the uppermost layer to form a substrate surface, forming a flat first bonding layer connected to the main electrode region of the transistor over the entire surface of the substrate, and epitaxially growing the second substrate. Forming a multilayer structure for a capacitor comprising at least a first electrode layer, a dielectric thin film layer, and a second electrode layer thereon; and forming a flat second bonding layer over the entire surface of the multilayer structure for a capacitor. Performing the steps of: abutting the first bonding layer and the second bonding layer, and bonding the first substrate and the second substrate to each other; A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: at least a step of forming a capacitor for each cell by separating a second bonding layer into a plurality of patterns.
【請求項3】 第1の基板上にトランジスタを形成し、
その最上層を平坦化し、基板表面とする工程と、 該基板表面全面に、前記トランジスタの主電極領域と接
続した平坦な第1の貼り合せ層を形成する工程と、 第2の基板の表面の全面に平坦な第2の貼り合せ層を形
成する工程と、 前記第1の貼り合せ層と第2の貼り合せ層を突き合わせ
て、前記第1の基板と前記第2の基板とを互いに接着す
る工程と、 前記接着する工程後に、前記第2の基板を所定の厚さに
薄膜化する工程と、 エピタキシャル成長により、第2の基板上に第1の電極
層と誘電体薄膜層と第2の電極層のからなるキャパシタ
用多層構造の少なくとも一部を形成する工程と、 前記キャパシタ用多層構造の少なくとも一部、第2の基
板、第1および第2の貼り合せ層を複数のパターンに分
離して、セル毎のキャパシタに分離可能にする工程を少
なくとも含むことを特徴とする半導体記憶装置の製造方
法。
3. A transistor is formed on a first substrate,
Flattening the uppermost layer to form a substrate surface; forming a flat first bonding layer connected to the main electrode region of the transistor over the entire surface of the substrate; A step of forming a flat second bonding layer on the entire surface; and bonding the first substrate and the second substrate to each other by abutting the first bonding layer and the second bonding layer. A step of thinning the second substrate to a predetermined thickness after the bonding step; a first electrode layer, a dielectric thin film layer, and a second electrode on the second substrate by epitaxial growth. Forming at least a part of a multilayer structure for a capacitor comprising a plurality of layers; separating at least a part of the multilayer structure for a capacitor, a second substrate, and first and second bonding layers into a plurality of patterns. Can be separated into capacitors for each cell Method of manufacturing a semiconductor memory device characterized by comprising at least a step of.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006128643A (en) * 2004-09-30 2006-05-18 Tdk Corp Dielectric thin film, thin film dielectric element and its manufacturing method
CN113451354A (en) * 2020-03-24 2021-09-28 铠侠股份有限公司 Memory device and method for manufacturing memory device
JP2022513855A (en) * 2018-12-18 2022-02-09 長江存儲科技有限責任公司 Three-dimensional memory devices with transcribed interconnect layers and methods for forming them
US11903218B2 (en) 2020-06-26 2024-02-13 Sandisk Technologies Llc Bonded memory devices and methods of making the same

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