JPH11233734A - Semiconductor memory element and its manufacture - Google Patents

Semiconductor memory element and its manufacture

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JPH11233734A
JPH11233734A JP10035639A JP3563998A JPH11233734A JP H11233734 A JPH11233734 A JP H11233734A JP 10035639 A JP10035639 A JP 10035639A JP 3563998 A JP3563998 A JP 3563998A JP H11233734 A JPH11233734 A JP H11233734A
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film
iro
semiconductor memory
memory device
thickness
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JP10035639A
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Japanese (ja)
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Seiichi Yokoyama
誠一 横山
Takashi Mitarai
俊 御手洗
Masaya Osada
昌也 長田
Atsushi Kudo
淳 工藤
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Original Assignee
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a semiconductor memory element having good characteristic by introducing an electrode structure which can be resistive to annealing under a high temperature. SOLUTION: In a method of manufacturing a semiconductor memory element, after an Ir film 4 is formed on a diffused barrier film 5 consisting of Tax Si1-x Ny or Hfx Si1-x Ny (0.2<x<1, 0<y<1), an initial film 5 is formed in the thickness or 300 Å or less under the temperature equal to or higher than 300 deg.C but equal to or lower than 400 deg.C. Next, an IrO2 film 6 and a dielectric film 7 are sequentially formed on the initial film 5.

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、半導体メモリ素子
及びその製造方法に関し、更に詳しくは、選択トランジ
スタと導電性プラグ及び拡散バリア膜を介して電気的に
接続された、下部電極及び誘電体膜及び上部電極からな
るキャパシタを備えた半導体メモリ素子及びその製造方
法に関するものである。
The present invention relates to a semiconductor memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a lower electrode and a dielectric film electrically connected to a select transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. And a semiconductor memory device provided with a capacitor comprising an upper electrode and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】強誘電体は、自発分極、高誘電率、電気
光学効果、圧電効果及び焦電効果等の多くの機能をもつ
ことから、広範なデバイス応用されている。例えば、そ
の焦電性を利用して赤外線リニアアレイセンサに、ま
た、その圧電性を利用して超音波センサに、その電気光
学効果を利用して導波路型光変調器に、その高誘電性を
利用してDRAMやMMIC用キャパシタにと様々な方
面で用いられている。中でも、近年の薄膜形成技術の進
展に伴って、半導体メモリ技術との組み合わせにより高
密度でかつ高速に動作する強誘電体不揮発性メモリ(F
RAM)の開発が盛んである。
2. Description of the Related Art Ferroelectrics have many functions such as spontaneous polarization, high dielectric constant, electro-optic effect, piezoelectric effect, and pyroelectric effect, and are therefore widely applied to devices. For example, the pyroelectricity is used for an infrared linear array sensor, the piezoelectricity is used for an ultrasonic sensor, the electro-optic effect is used for a waveguide type optical modulator, and the high dielectric property is used. It is used in various fields such as DRAM and MMIC capacitors. Above all, with the recent development of thin film forming technology, a ferroelectric nonvolatile memory (F
RAM) has been actively developed.

【0003】強誘電体薄膜を用いた不揮発性メモリは、
その高速書き込み/読みだし、低電圧動作、及び書き込
み/読みだしの操作の繰り返しに対する高い耐性等の特
性から、従来の不揮発性メモリの置き換えだけでなく、
SRAM、DRAM分野の置き換えも可能なメモリとし
て、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
A non-volatile memory using a ferroelectric thin film is:
Due to its characteristics such as high-speed writing / reading, low-voltage operation, and high resistance to repeated writing / reading operations, it not only replaces the conventional nonvolatile memory but also
As a memory that can be replaced in the SRAM and DRAM fields, research and development for practical use have been actively conducted.

【0004】従来、強誘電体キャパシタに用いる強誘電
体材料として、酸化物強誘電体(PZT(チタン酸ジル
コン酸鉛)、SrBi2Ta29、Bi4Ti312)が
検討されており、その下部電極として、Pt、Pt/T
a、Pt/Ti等の貴金属材料或いは貴金属材料と密着
膜との複合電極が強誘電体薄膜の特性検討のため用いら
れてきた。
Conventionally, oxide ferroelectrics (PZT (lead zirconate titanate), SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 ) have been studied as ferroelectric materials used for ferroelectric capacitors. And Pt, Pt / T
a, a noble metal material such as Pt / Ti or a composite electrode of a noble metal material and an adhesion film has been used for studying the characteristics of a ferroelectric thin film.

【0005】強誘電体膜の機能を利用するには結晶化し
た膜が要求される。そのため、結晶化のプロセスとし
て、酸素雰囲気中での、600〜800℃の高温熱処理
が必要とされている。
In order to utilize the function of a ferroelectric film, a crystallized film is required. Therefore, high-temperature heat treatment at 600 to 800 ° C. in an oxygen atmosphere is required as a crystallization process.

【0006】更に、これら強誘電体キャパシタ及びプロ
セスを用いて、4Mbit以上の高集積化を実現するに
は、デバイス構造としてスタックト型構造が不可欠であ
ると言われている。すなわち、選択トランジスタと強誘
電体キャパシタとをポリシリコンなどの導電性プラグを
用いて電気的に接続する構造が必要となるが、Pt/ポ
リシリコン構造では、強誘電体の結晶化プロセスを行っ
た場合、Pt下部電極がシリサイド化反応を起こすた
め、TiNなどの拡散バリア膜が必要とされている。
Further, it is said that a stacked structure is indispensable as a device structure for realizing high integration of 4 Mbit or more using these ferroelectric capacitors and processes. That is, a structure in which the select transistor and the ferroelectric capacitor are electrically connected using a conductive plug such as polysilicon is required. In the case of the Pt / polysilicon structure, a ferroelectric crystallization process is performed. In this case, a diffusion barrier film such as TiN is required because the Pt lower electrode causes a silicidation reaction.

【0007】しかしながら、Pt膜自体は耐酸化性は十
分であるが、Pt/TiN/Ti構造においては、強誘
電体の結晶化プロセスにおいて、Pt膜粒界を透過して
きた酸素ガスによりTiNが酸化されることが、「19
96年春季第43回応用物理学関係連合講演会講演予稿
集28p−V−6,(pp.500)」で報告されてい
る。更に、「1996年春季第43回応用物理学関係連
合講演会講演予稿集28p−V−7,(pp.50
0)」で報告されているように、TiNの酸化に伴う体
積膨張により発生するストレス変化を緩和するために、
Pt/TiN界面で剥離あるいはPtヒロックが上方に
向かって生じるという非常に大きな問題があった。
However, the Pt film itself has sufficient oxidation resistance, but in the Pt / TiN / Ti structure, TiN is oxidized by oxygen gas permeating the Pt film grain boundaries in the ferroelectric crystallization process. It is said that "19
Proceedings of the 43rd Alliance Lecture Meeting on Applied Physics, Spring 1996, 28p-V-6, (pp. 500). Furthermore, "Proceedings of the 43rd Lecture Meeting on Applied Physics in the Spring of 1996, 28p-V-7, (pp.50
0) ”, in order to reduce the stress change caused by the volume expansion accompanying the oxidation of TiN,
There was a very serious problem that peeling or Pt hillocks occurred upward at the Pt / TiN interface.

【0008】また、Pt膜の酸素透過性という上述の理
由により、密着膜を用いた場合には、Pt/Ta/Ti
N/Ti、Pt/Ti/TiN/Tiの両構造で、Pt
直下のTa又はTiが酸化され、その結果絶縁体が形成
され、電気的な接続が断たれてしまうという別の問題が
発生する。尚、最下部のTiはポリシリコンとのコンタ
クトをとるために必要な膜である。
Further, due to the oxygen permeability of the Pt film described above, when an adhesion film is used, Pt / Ta / Ti
With both N / Ti and Pt / Ti / TiN / Ti structures, Pt
Another problem is that Ta or Ti immediately below is oxidized, resulting in formation of an insulator and disconnection of electrical connection. Incidentally, the lowermost Ti is a film necessary for making contact with the polysilicon.

【0009】このように、Pt或いはPtと密着膜のみ
を電極に用いた場合、TiNなどの拡散バリア膜が酸化
され、ヒロックやコンタクト不良の問題が大きくなり、
スタックト型構造の実現は難しい状況であった。
As described above, when Pt or only Pt and an adhesion film are used as electrodes, a diffusion barrier film such as TiN is oxidized, and the problems of hillocks and contact failure increase.
It was difficult to realize a stacked structure.

【0010】一方、上記酸化物強誘電体膜の下部電極と
して、酸化物電極材料、例えばIrO2、RuO2、Rh
2、OsO2、ReO2などがその優れたバリア性や上
部に形成される酸化物誘電体との整合性などの点から検
討され始めている。
On the other hand, as a lower electrode of the oxide ferroelectric film, an oxide electrode material such as IrO 2 , RuO 2 , Rh
O 2 , OsO 2 , ReO 2, and the like have begun to be studied in terms of their excellent barrier properties and compatibility with the oxide dielectric formed thereon.

【0011】中でも、IrO2については、文献「Ap
pl.Phys.Lett.vol.65(1994)
pp.1522−1524」や「Jpn.J.App
l.Phys.vol.33(1994)pp.520
7−5210」において、Ir/IrO2/ポリシリコ
ン或いは、Pt/IrO2/ポリシリコン電極上に形成
したPZTの疲労特性が著しく改善されると報告されて
いる。この理由は、IrO2膜のPbなどの強誘電体膜
構成元素に対するバリヤ性によるものとしている。
Above all, IrO 2 is described in the document “Ap
pl. Phys. Lett. vol. 65 (1994)
pp. 1522-1524 "and" Jpn. J. App.
l. Phys. vol. 33 (1994) pp. 520
7-5210, it is reported that the fatigue characteristics of PZT formed on Ir / IrO 2 / polysilicon or Pt / IrO 2 / polysilicon electrodes are remarkably improved. This is because the IrO 2 film has a barrier property to ferroelectric film constituent elements such as Pb.

【0012】しかしながら、この構造では、IrO2
ポリシリコンとの界面でのポリシリコンの酸化によるコ
ンタクト不良問題、また、ポリシリコン直上に形成した
IrO2のシリサイド化の問題がIrO2膜形成及び強誘
電体膜形成時のプロセスにおいて発生する。
However, in this structure, the problem of contact failure due to oxidation of polysilicon at the interface between IrO 2 and polysilicon, and the problem of silicidation of IrO 2 formed immediately above polysilicon are caused by the formation of the IrO 2 film and the strong It occurs during the process of forming the dielectric film.

【0013】上記のIr、IrO2とポリシリコンの反
応の問題を解決するものとして、酸化物電極IrO2
バリヤメタルとしてTiNを適用したIrO2(100
0Å)/Ir(500Å)/TiN/Ti下部電極が
「1996年春季第43回応用物理学関係連合講演会講
演予稿集28p−V−4,(pp.499)」で報告さ
れている。
In order to solve the above-mentioned problem of the reaction between Ir and IrO 2 and polysilicon, IrO 2 (100) in which TiN is applied to oxide electrode IrO 2 as a barrier metal.
0Å) / Ir (500Å) / TiN / Ti lower electrode is reported in “Proceedings of the 43rd Joint Lecture Meeting on Applied Physics Spring 1996, 28p-V-4, (pp.499)”.

【0014】高誘電体であるSrTiO3膜を形成、イ
オン注入を行って低抵抗化したシリコン基板とのコンタ
クトを調べた結果、オーミックコンタクトが取られてい
ることが確認され、リーク電流密度〜10-7A/c
2、比誘電率〜216とPt電極上の特性と遜色無い
程度の値が得られるとしている。このようなIrO2
Ir/TiN/Ti構造は、高誘電体材料であるSrT
iO3膜に用いられる200〜450℃と比較的低温の
プロセスにおいては、ヒロックや平坦性の劣化に伴うキ
ャパシタの電気的特性劣化がないため、高誘電体キャパ
シタを用いたスタックト型構造に有望であることが確認
されている。
As a result of forming a high dielectric SrTiO 3 film and performing ion implantation to check the contact with the silicon substrate whose resistance has been reduced, it was confirmed that an ohmic contact was established, and the leakage current density was 10%. -7 A / c
It is stated that m 2 , a relative dielectric constant of about 216 and a value comparable to the characteristics on the Pt electrode can be obtained. Such IrO 2 /
Ir / TiN / Ti structure is a high dielectric material SrT
In a process at a relatively low temperature of 200 to 450 ° C. used for the iO 3 film, since there is no deterioration in the electrical characteristics of the capacitor due to the deterioration of hillocks and flatness, it is promising for a stacked type structure using a high dielectric capacitor. It has been confirmed that there is.

【0015】しかし、強誘電体結晶化プロセスにおいて
はPZT膜を形成する場合でも600℃以上の酸素雰囲
気が必要であり、また、SrBi2Ta29においては
800℃以上の酸素雰囲気が一般的によく用いられてい
る。この温度ではPt/TiN/Ti構造では密着膜で
あるTiの酸化により導通がとれなくなるという問題が
発生するほか、TiNの酸化に起因する膜応力の為にヒ
ロックが発生する。また、IrO2/Ir/TiN/T
i構造においても高温(>600℃)での結晶化プロセ
スに起因する膜応力のためにヒロックが発生する。
However, in the ferroelectric crystallization process, an oxygen atmosphere of 600 ° C. or more is required even when a PZT film is formed, and an oxygen atmosphere of 800 ° C. or more is generally used for SrBi 2 Ta 2 O 9 . Often used for. At this temperature, in the Pt / TiN / Ti structure, in addition to the problem that conduction cannot be achieved due to oxidation of Ti as an adhesion film, hillocks occur due to film stress caused by oxidation of TiN. Also, IrO 2 / Ir / TiN / T
Hillocks also occur in the i-structure due to film stress due to the crystallization process at high temperatures (> 600 ° C.).

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、耐酸化
性を高めるために高い結晶性を有するIr及びIrO2
が必要となるが、Ir上に高温で直接IrO2を形成し
ようとした場合、膜むらが生じ、高温で均質な膜を形成
することができないという問題があった。また、拡散バ
リア膜の耐熱性が低く、高温雰囲気においてヒロックな
どが発生する等の問題があった。
However, in order to increase oxidation resistance, Ir and IrO 2 having high crystallinity are required.
However, when IrO 2 is directly formed on Ir at a high temperature, there is a problem that a film unevenness occurs and a uniform film cannot be formed at a high temperature. In addition, there is a problem that the heat resistance of the diffusion barrier film is low and hillocks and the like are generated in a high-temperature atmosphere.

【0017】このように、スタックト型構造で強誘電体
膜又は高誘電体膜を用いたメモリの実用化には600℃
以上の酸化雰囲気中熱処理工程でのプロセス耐性及び上
部に積膜する強誘電体との反応がなく、平坦で緻密な形
状をもち、従来のPt電極と同等上の抵抗率をもつこと
が望まれていた。
As described above, the practical use of a memory using a ferroelectric film or a high-dielectric film in a stacked type structure requires 600 ° C.
It is desirable to have a process resistance in the heat treatment step in an oxidizing atmosphere, no reaction with a ferroelectric material deposited on the upper portion, a flat and dense shape, and a resistivity equivalent to that of a conventional Pt electrode. I was

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明
の半導体メモリ素子は、導電性プラグ及び拡散バリア膜
を介して、選択トランジスタと電気的に接続された、下
部電極及び誘電体膜及び上部電極からなるキャパシタを
備えた半導体メモリ素子において、上記拡散バリア膜が
TaxSi1-xy又はHfxSi1-xy(0.2<x<
1、0<y<1)から成り、該拡散バリア膜上に下部電
極としてIr膜とIrO2膜とが順次形成されて成るこ
とを特徴とするものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor memory device according to the present invention, wherein a lower electrode and a dielectric film are electrically connected to a selection transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. and a semiconductor memory device having a capacitor consisting of the upper electrode, the diffusion barrier film Ta x Si 1-x N y or Hf x Si 1-x N y (0.2 <x <
1, 0 <y <1), and an Ir film and an IrO 2 film are sequentially formed as a lower electrode on the diffusion barrier film.

【0019】また、請求項2に記載の本発明の半導体メ
モリ素子は、上記下部電極として、上記Ir膜と上記I
rO2膜とPt、Ir、Ru、Rh、Os及びReから
なる群から選択される金属元素のうち少なくとも一つを
含有する導電膜とが順次形成されて成ることを特徴とす
る、請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法であ
る。
In the semiconductor memory device according to the present invention, the Ir film and the I film may be used as the lower electrode.
The rO 2 film and a conductive film containing at least one metal element selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Os and Re are sequentially formed. 3. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to (1).

【0020】また、請求項3に記載の本発明の半導体メ
モリ素子は、上記拡散バリア膜がTaxSi1-xy又は
HfxSi1-xy(0.75<x<0.95、0.3<
y<0.5)から成ることを特徴とする、請求項1又は
請求項2に記載の半導体メモリ素子である。
Further, the semiconductor memory device of the present invention according to claim 3, the diffusion barrier film Ta x Si 1-x N y or Hf x Si 1-x N y (0.75 <x <0. 95, 0.3 <
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein y <0.5.

【0021】また、請求項4に記載の本発明の半導体メ
モリ素子は、上記IrO2膜の膜厚と上記Ir膜の膜厚
との比が、1≦(IrO2膜の膜厚/Ir膜の膜厚)≦
3となることを特徴とする、請求項1乃至請求項3のい
ずれかに記載の半導体メモリ素子である。
Further, the semiconductor memory device of the present invention according to claim 4, the ratio of the thickness of the IrO 2 film of the film thickness and the Ir film, 1 ≦ (IrO 2 film having a thickness / Ir film Thickness) ≤
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein

【0022】また、請求項5に記載の本発明の半導体メ
モリ素子の製造方法は、導電性プラグ及び拡散バリア膜
を介して選択トランジスタと電気的に接続された、下部
電極、誘電体膜及び上部電極からなるキャパシタを備え
た半導体メモリ素子の製造方法において、上記拡散バリ
ア膜上にIr膜を形成した後、300℃以上、且つ、4
00℃以下で、Ir、Ru、Rh、Os及びReからな
る群から選択される金属元素のうち少なくとも一つを含
有する、膜厚が50Å以上、且つ、300Å以下の初期
膜を形成する工程と、上記初期膜上にIrO2膜、上記
誘電体膜及び上部電極を順次形成する工程とを有するこ
とを特徴とするものである。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising: a lower electrode, a dielectric film, and an upper portion electrically connected to a selection transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. In the method for manufacturing a semiconductor memory device provided with a capacitor composed of an electrode, an Ir film is formed on the diffusion barrier film, and then at 300 ° C.
Forming an initial film having a thickness of 50 ° or more and 300 ° or less containing at least one metal element selected from the group consisting of Ir, Ru, Rh, Os and Re at a temperature of 00 ° C or less; Forming an IrO 2 film, the dielectric film, and the upper electrode on the initial film sequentially.

【0023】また、請求項6に記載の本発明の半導体メ
モリ素子の製造方法は、上記IrO2膜と上記誘電体膜
との間に、Pt、Ir、Ru、Rh、Os及びReから
なる群から選択される金属元素のうち少なくとも一つを
含有する導電膜を形成する工程を有することを特徴とす
る、請求項5に記載の半導体メモリ素子の製造方法であ
る。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, wherein a group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Rh, Os and Re is provided between the IrO 2 film and the dielectric film. 6. The method according to claim 5, further comprising the step of forming a conductive film containing at least one metal element selected from the group consisting of:

【0024】また、請求項7に記載の本発明の半導体メ
モリ素子の製造方法は、上記IrO2膜を450℃以
上、且つ、700℃以下で形成することを特徴とする、
請求項5又は請求項6に記載の半導体メモリ素子の製造
方法である。
According to a seventh aspect of the present invention, in the method of manufacturing a semiconductor memory device, the IrO 2 film is formed at 450 ° C. or more and 700 ° C. or less.
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 5 or 6.

【0025】また、請求項8に記載の本発明の半導体メ
モリ素子の製造方法は、上記IrO2の膜厚とIrの膜
厚との比が、1≦(IrO2の膜厚/Irの膜厚)≦3
となることを特徴とする、請求項5乃至請求項7のいず
れかに記載の半導体メモリ素子の製造方法である。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the ratio of the IrO 2 film thickness to the Ir film thickness is 1 ≦ (IrO 2 film thickness / Ir film). Thickness) ≦ 3
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to any one of claims 5 to 7, characterized in that:

【0026】また、請求項9に記載の本発明の半導体メ
モリ素子の製造方法は、導電性プラグ及び拡散バリア膜
を介して選択トランジスタと電気的に接続された、下部
電極、誘電体膜及び上部電極からなるキャパシタを備え
た半導体メモリ素子の製造方法において、上記拡散バリ
ア膜上にIr膜を形成した後、酸素を含む原料を用いて
上記誘電体膜を形成する工程と、上記誘電体膜上に上部
電極を形成する工程とを有することを特徴とするもので
ある。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, wherein the lower electrode, the dielectric film and the upper portion are electrically connected to the selection transistor via the conductive plug and the diffusion barrier film. A method of manufacturing a semiconductor memory device having a capacitor composed of an electrode, after forming an Ir film on the diffusion barrier film, forming the dielectric film using a material containing oxygen; Forming an upper electrode.

【0027】また、請求項10に記載の本発明の半導体
メモリ素子の製造方法は、上記拡散バリア膜にTax
1-xy又はHfxSi1-xy(0.2<x<1、0<
y<1)を用いることを特徴とする、請求項5乃至請求
項9のいずれかに記載の半導体メモリ素子の製造方法で
ある。
According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the diffusion barrier film is made of Ta x S
i 1-x N y or Hf x Si 1-x N y (0.2 <x <1,0 <
10. The method of manufacturing a semiconductor memory device according to claim 5, wherein y <1) is used.

【0028】また、請求項11に記載の本発明の半導体
メモリ素子の製造方法は、上記拡散バリア膜にTax
1-xy又はHfxSi1-xy(0.75<x<0.9
5、0.3<y<0.5)を用いることを特徴とする、
請求項10に記載の半導体メモリ素子の製造方法であ
る。
In the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the diffusion barrier film may be formed by using a Ta x S film.
i 1-x N y or Hf x Si 1-x N y (0.75 <x <0.9
5, 0.3 <y <0.5).
A method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 10.

【0029】更に、請求項12に記載の本発明の半導体
メモリ素子の製造方法は、上記初期膜がIrO2膜から
なることを特徴とする、請求項5乃至請求項8、請求項
10及び請求項11のいずれかに記載の半導体メモリ素
子の製造方法である。
Further, in the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the initial film is made of an IrO 2 film. Item 12. A method of manufacturing a semiconductor memory device according to any one of items 11.

【0030】[0030]

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

【0031】図1は本発明の一実施の形態の下部電極上
に強誘電体膜を形成した状態の断面構造を示す図、図2
はTaxSi(1-x)y膜中のTa組成xを変化させたと
きの抵抗率の変化を示す図、図3は成膜温度の変化によ
るXRDチャート特性を示す図、図4は成膜温度を変化
させたときの抵抗率のIrO2膜の抵抗率の変化を示す
図、図5は本発明の一実施の形態の半導体メモリ素子の
構造断面図、図6は図5に示す半導体メモリ素子により
得られたヒステリシスループを示す図である。また、図
1及び図5において、1はシリコン基板、2は熱酸化
膜、3はTaSiN膜、4はIr膜、5は初期膜、6は
IrO2膜、7は強誘電体膜、8は下部電極、9はロコ
ス酸化膜、10はゲート電極、11はソース/ドレイン
領域、12は第1のシリコン酸化膜、13はポリシリコ
ンプラグ、14はTaSiN膜、15はIr膜、16は
IrO2/初期膜、17は強誘電体膜、18は上部電
極、19は第2のシリコン酸化膜、20は第1のアルミ
ニウム引き出し電極、21は第2のアルミニウム引き出
し電極である。
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure in a state where a ferroelectric film is formed on a lower electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a change in resistivity when the Ta composition x in the Ta x Si (1-x) N y film is changed, FIG. 3 is a diagram showing an XRD chart characteristic with a change in film forming temperature, and FIG. FIG. 5 is a diagram showing a change in resistivity of the IrO 2 film when the film formation temperature is changed. FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a semiconductor memory element according to an embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing a hysteresis loop obtained by a semiconductor memory device. 1 and 5, reference numeral 1 denotes a silicon substrate, 2 denotes a thermal oxide film, 3 denotes a TaSiN film, 4 denotes an Ir film, 5 denotes an initial film, 6 denotes an IrO 2 film, 7 denotes a ferroelectric film, and 8 denotes a ferroelectric film. A lower electrode, 9 is a LOCOS oxide film, 10 is a gate electrode, 11 is a source / drain region, 12 is a first silicon oxide film, 13 is a polysilicon plug, 14 is a TaSiN film, 15 is an Ir film, and 16 is IrO 2. / Initial film, 17 is a ferroelectric film, 18 is an upper electrode, 19 is a second silicon oxide film, 20 is a first aluminum lead electrode, and 21 is a second aluminum lead electrode.

【0032】本発明における強誘電体キャパシタを有す
る半導体メモリ素子に用いる基板は通常の半導体装置や
集積回路等の基板として使用することができる基板であ
れば特に限定されるものではなく、シリコン等の半導体
基板、GaAs等の化合物半導体基板、MgO等の酸化
物結晶基板、硝子基板など、形成しようとする素子の種
類、用途等により選択することができるが、シリコン基
板が望ましい。
The substrate used for a semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor in the present invention is not particularly limited as long as it can be used as a substrate for ordinary semiconductor devices and integrated circuits. A semiconductor substrate, a compound semiconductor substrate such as GaAs, an oxide crystal substrate such as MgO, a glass substrate, and the like can be selected according to the type and use of an element to be formed, but a silicon substrate is preferable.

【0033】この基板上には、下部電極が形成されてい
る。この下部電極は、本発明において、形成される半導
体メモリ素子の一部、つまり、キャパシタの容量材料と
して使用する場合に利用される電極を意味する。この下
部電極は、基板上に形成されるものであり、絶縁膜、下
膜配線、所望の素子、層間絶縁膜等又はこれらの複数を
備えた基板上に形成されてもよい。
On this substrate, a lower electrode is formed. This lower electrode means a part of the semiconductor memory element to be formed in the present invention, that is, an electrode used when used as a capacitance material of a capacitor. This lower electrode is formed on a substrate, and may be formed on a substrate provided with an insulating film, a lower film wiring, a desired element, an interlayer insulating film, or the like, or a plurality thereof.

【0034】本実施の形態として、成膜方法はスパッタ
法を用い、IrO2/Ir間にIr、Ru、Rh、O
s、Reのうち少なくとも1つを含む薄膜膜を挿入する
ことで、IrO2の高温成膜時に発生するむらを無く
し、高温成膜が可能となり、電極材料の結晶性が向上
し、その結果、高耐酸化性、高耐熱性を併せ持つ電極構
造を提供するものである。更に、TaSiNの組成を最
適化し、下部電極と組み合わせることにより、耐高温酸
素雰囲気特性が向上した電極構造を実現することができ
る。
In this embodiment, a sputtering method is used as a film forming method, and Ir, Ru, Rh, and O are formed between IrO 2 / Ir.
By inserting a thin film containing at least one of s and Re, unevenness occurring at the time of high-temperature film formation of IrO 2 is eliminated, high-temperature film formation becomes possible, and the crystallinity of the electrode material is improved. An object of the present invention is to provide an electrode structure having both high oxidation resistance and high heat resistance. Further, by optimizing the composition of TaSiN and combining it with the lower electrode, it is possible to realize an electrode structure with improved high-temperature oxygen atmosphere resistance.

【0035】従来の方法では、Ir/IrO2/Ir/
Ti構造の電極において、拡散炉で600℃、60mi
nの熱処理で、Tiの酸化により下部のシリコンとの導
通が取れなくなってしまっている。しかし、本発明の成
膜では拡散炉で700℃、60minの熱処理でも、そ
の下の拡散バリア膜であるTaSiNを酸化することが
無かった。これにより、従来法と比較して、100℃以
上の温度での耐熱・耐酸化性をもつ酸化物電極を作成す
ることができるとしている。
In the conventional method, Ir / IrO 2 / Ir /
At a temperature of 600 ° C., 60
In the heat treatment of n, conduction with the lower silicon cannot be achieved due to oxidation of Ti. However, in the film formation of the present invention, even if the heat treatment was performed in a diffusion furnace at 700 ° C. for 60 minutes, there was no oxidation of the underlying TaSiN diffusion barrier film. According to this, an oxide electrode having heat resistance and oxidation resistance at a temperature of 100 ° C. or higher as compared with the conventional method can be produced.

【0036】また、本発明における電極構造上に強誘電
体膜を成膜し、強誘電体素子を形成するが、強誘電体薄
膜は、酸化物強誘電体(PZT(チタン酸ジルコン酸
鉛)、SrBi2Ta29、Bi4Ti312)等を使用
することが可能となる。この場合、層状ペロブスカイト
構造を有するBi系強誘電体であれば、特に限定される
ものではないが、強誘電体膜が、Bi2m-1m3m+3
(AはNa、K、Pb、Ca、Sr、Ba又はBi;B
はFe、Ti、Nb、Ta、W又はMo)が示される強
誘電体材料が好ましく、また、mが自然数である化合物
がより好ましい。具体的には、Bi4Ti312、SrB
2Ta29、SrBi2Nb29、BaBi2Nb
29、BaBi2Ta29、PbBi2Nb29、PbB
2Ta29、PbBi4Ti415、SrBi4Ti4
15、BaBi4Ti415、Sr2Bi4Ti518、Ba2
Bi4Ti518、Pb2Bi4Ti518、Na0.5Bi
4.5Ti415、K0.5Bi4.5Ti415、Sr2Bi4
418、Ba2Bi4Ti518、Pb2Bi4Ti518
等が挙げられるが、中でもSrBi2Ta29が好まし
い。
In the present invention, a ferroelectric film is formed on the electrode structure to form a ferroelectric element. The ferroelectric thin film is made of an oxide ferroelectric (PZT (lead zirconate titanate)). , SrBi 2 Ta 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 ) or the like can be used. In this case, if the Bi-based ferroelectric having a layered perovskite structure, is not particularly limited, the ferroelectric film, Bi 2 A m-1 B m O 3m + 3
(A is Na, K, Pb, Ca, Sr, Ba or Bi; B
Is preferably a ferroelectric material represented by Fe, Ti, Nb, Ta, W or Mo), and more preferably a compound in which m is a natural number. Specifically, Bi 4 Ti 3 O 12 , SrB
i 2 Ta 2 O 9 , SrBi 2 Nb 2 O 9 , BaBi 2 Nb
2 O 9 , BaBi 2 Ta 2 O 9 , PbBi 2 Nb 2 O 9 , PbB
i 2 Ta 2 O 9 , PbBi 4 Ti 4 O 15 , SrBi 4 Ti 4 O
15 , BaBi 4 Ti 4 O 15 , Sr 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Ba 2
Bi 4 Ti 5 O 18 , Pb 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Na 0.5 Bi
4.5 Ti 4 O 15 , K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , Sr 2 Bi 4 T
i 4 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Pb 2 Bi 4 Ti 5 O 18
And the like, among which SrBi 2 Ta 2 O 9 is preferable.

【0037】これらの強誘電体膜は、公知の方法、例え
ば、スピンオン法、反応性蒸着法、EB蒸着法、スパッ
タ法、レーザーアブレーション法等の方法を選択して行
うことができる。例えば、スピンオン法においては、一
般的には上記薄膜を構成する一部、又はすべての元素を
溶媒に分散させ、それをスピンコートにより基板上に塗
布、乾燥を行い、その後膜中に存在している炭素成分を
焼結により燃焼させ(仮焼結)、その後、ペロブスカイ
ト構造を有する結晶にするための酸素若しくは酸素化合
物を含むガス成分中で焼成を行い、基板上に強誘電体膜
を形成する。
These ferroelectric films can be formed by selecting a known method, for example, a spin-on method, a reactive evaporation method, an EB evaporation method, a sputtering method, a laser ablation method, or the like. For example, in the spin-on method, generally, a part or all of the elements constituting the thin film are dispersed in a solvent, and the resultant is applied on a substrate by spin coating, dried, and then present in the film. The carbon component present is burned by sintering (temporary sintering), and then fired in a gas component containing oxygen or an oxygen compound to form a crystal having a perovskite structure, thereby forming a ferroelectric film on the substrate. .

【0038】強誘電体膜上には、上部電極膜が形成され
ている。この上部電極膜はPt膜等の一層構造にする
他、下部電極膜と同様の材料で同様の方法により形成す
ることもできる。この上部電極膜の上には、所望の配線
工程、絶縁膜形成工程などを行うことにより、強誘電体
キャパシタを形成することができる。
An upper electrode film is formed on the ferroelectric film. The upper electrode film may be formed of a single layer structure such as a Pt film, or may be formed of the same material as the lower electrode film by the same method. A ferroelectric capacitor can be formed on the upper electrode film by performing a desired wiring step, an insulating film forming step, and the like.

【0039】強誘電体膜を用いた場合の本発明の半導体
メモリ素子は、強誘電体素子自体を強誘電体キャパシタ
として、また、強誘電体素子を強誘電体デバイス又は半
導体装置の構成の一部として、集積回路用のウエハに搭
載して、集積回路を構成することができる。例えば、強
誘電体素子を不揮発性メモリの容量部として、または、
FETのゲート電極に適用し、ゲート絶縁膜、ソース/
ドレイン領域等を組み合わせて形成することにより、M
FMIS−FET、MFS−FET等として利用するこ
ともできる。
In the semiconductor memory element of the present invention using a ferroelectric film, the ferroelectric element itself is used as a ferroelectric capacitor, and the ferroelectric element is used as a ferroelectric device or a semiconductor device. An integrated circuit can be configured by mounting the integrated circuit on a wafer for an integrated circuit. For example, a ferroelectric element is used as a capacitor of a nonvolatile memory, or
Applied to the gate electrode of FET, gate insulating film, source /
By forming the drain region and the like in combination, M
It can also be used as an FMIS-FET, MFS-FET, or the like.

【0040】実施例1 以下、本発明の半導体メモリ素子の特に、キャパシタの
拡散バリア膜、下部電極及び強誘電体膜の製造工程につ
いて説明する。
Embodiment 1 Hereinafter, the steps of manufacturing a semiconductor memory device of the present invention, particularly, a diffusion barrier film of a capacitor, a lower electrode, and a ferroelectric film will be described.

【0041】まず、シリコン基板1の表面に膜厚が約6
000Åの熱酸化膜2を形成する。次にDCマグネトロ
ンスパッタ法で、拡散バリア膜となる膜厚1000Åの
アモルファス状のTaSiN膜3を成膜した後、窒素雰
囲気中で熱処理を行い、TaSiN膜3の安定化を行
う。この熱処理は成膜条件によっては、特に必要がない
場合もある。
First, a film thickness of about 6 is formed on the surface of the silicon substrate 1.
A thermal oxide film 2 of 000 ° is formed. Next, an amorphous TaSiN film 3 serving as a diffusion barrier film having a thickness of 1000 Å is formed by DC magnetron sputtering, and then heat-treated in a nitrogen atmosphere to stabilize the TaSiN film 3. This heat treatment may not be particularly necessary depending on the film forming conditions.

【0042】形成されたTaSiN膜3の組成は、Ta
xSi1-xy(0.2<x<1、0<y<1)であるこ
とが望ましく、さらに、0.75<x<0.95、0.
3<y<0.5であることがより望ましい。
The composition of the formed TaSiN film 3 is Ta
It is preferable that x Si 1-x N y (0.2 <x <1, 0 <y <1), and further, 0.75 <x <0.95, 0.
It is more desirable that 3 <y <0.5.

【0043】図2で示すように、窒素の組成yを0.
5、0.41、0.3及びそれぞれの場合のTaの組成
xを0.75〜0.95にすることで、1000〜20
00μΩcm前後の抵抗率に抑えることができ、下地の
ポリシリコンとTaSiN上部に形成した薄膜の成分と
の反応も十分に抑えられていた。このことは、オージェ
電子分光法により、解析を行い、反応がなかったことで
確認した。しかし、0.5<y、y<0.3のそれぞれ
の場合において、0.75<x<0.95の場合におい
ても、バリア性が弱く、下地のポリシリコンと上部に形
成した薄膜との反応が600℃以下の焼結温度で容易に
起こってしまうため、適切な条件ではない。
As shown in FIG. 2, the composition y of nitrogen is set to 0.1.
By setting the composition x of 5, 0.41, 0.3, and Ta in each case to 0.75 to 0.95, 1000 to 20
The resistivity could be suppressed to about 00 μΩcm, and the reaction between the underlying polysilicon and the components of the thin film formed on the TaSiN was sufficiently suppressed. This was confirmed by Auger electron spectroscopy analysis and no reaction. However, in each case of 0.5 <y and y <0.3, even in the case of 0.75 <x <0.95, the barrier property is weak, and the barrier property between the underlying polysilicon and the thin film formed on the top is low. This is not an appropriate condition since the reaction occurs easily at sintering temperatures below 600 ° C.

【0044】尚、アモルファス状のTaSiN膜3の本
実施例に用いた成膜条件は、Ta/Si=10/3の合
金ターゲットを用い、基板温度を500℃、スパッタパ
ワーを2000W、スパッタガス圧を0.7Pa、Ar
流量/N2流量は3/2とし、また、熱処理条件は純窒
素雰囲気中で昇温速度を5℃/min、保持温度を60
0℃、保持時間を1時間とした。上記条件の下で形成さ
れたタンタルシリコン窒化物3はX線回折分光によりア
モルファス構造であることが確認され、さらに、オージ
ェ分光分析により、組成比がTa0.85Si0.150.41
あることが確認された。
The conditions for forming the amorphous TaSiN film 3 in this embodiment are as follows: an alloy target of Ta / Si = 10/3, a substrate temperature of 500 ° C., a sputtering power of 2000 W, and a sputtering gas pressure of 0.7 Pa, Ar
The flow rate / N 2 flow rate was 3/2, and the heat treatment conditions were as follows: a temperature rising rate of 5 ° C./min and a holding temperature of 60 in a pure nitrogen atmosphere.
At 0 ° C., the holding time was 1 hour. X-ray diffraction spectroscopy confirmed that the tantalum silicon nitride 3 formed under the above conditions had an amorphous structure, and Auger spectroscopy confirmed that the composition ratio was Ta 0.85 Si 0.15 N 0.41. Was.

【0045】続いて、この上にDCマグネトロンスパッ
タ法で下部電極8を形成した。IrO2/Irの積膜構
造はまずIr膜4を成膜し、引き続きIrO2膜6を形
成したものである。
Subsequently, a lower electrode 8 was formed thereon by DC magnetron sputtering. The stacked film structure of IrO 2 / Ir is such that an Ir film 4 is formed first, and then an IrO 2 film 6 is formed.

【0046】まず、Ir膜4をDCパワー0.5kW、
基板温度500℃、ガス圧0.6Paとし、膜厚100
0Å作成した。スパッタガスはArガスのみとした。成
膜段階では500℃の高温成膜にも関わらず、緻密で平
坦な表面性を示していた。これは、スパッタパワーを落
とし、スパッタレートを落とすことで急速な粒成長が抑
制され、膜荒れを防ぐことができたからである。尚、電
極構造の表面性はSEMにより観察している。さらに、
Ir膜4上にIrO2膜6を500℃で成膜するための
初期膜5を形成する。成膜条件はDCパワー1kW、基
板温度350℃、ガス圧0.71Paとし、膜厚200
Å作成した。スパッタガスの流量比はAr/O2=1/
9とした。すなわち、Irターゲットを用いて、反応性
スパッタを行い、基板にIrO2膜5を形成する。
First, the Ir film 4 was set to a DC power of 0.5 kW,
A substrate temperature of 500 ° C., a gas pressure of 0.6 Pa, and a film thickness of 100
0% created. The sputtering gas was only Ar gas. In the film formation stage, despite the high-temperature film formation at 500 ° C., the film showed dense and flat surface properties. This is because, by lowering the sputter power and the sputter rate, rapid grain growth was suppressed, and film roughness was prevented. The surface properties of the electrode structure were observed by SEM. further,
An initial film 5 for forming an IrO 2 film 6 at 500 ° C. is formed on the Ir film 4. The film formation conditions were a DC power of 1 kW, a substrate temperature of 350 ° C., a gas pressure of 0.71 Pa, and a film thickness of 200
Å Created. The flow ratio of the sputtering gas is Ar / O 2 = 1 /
It was set to 9. That is, reactive sputtering is performed using an Ir target to form an IrO 2 film 5 on the substrate.

【0047】ここで、成膜温度を300℃としたのは、
成膜時の温度が400℃より大きい場合であると、Ir
膜4のようなメタル上に成膜むらが生じてしまうためで
あり、また、300℃未満であるとその後の高温での成
膜で、膜の結晶性にばらつきが生じるためである。
Here, the reason why the film formation temperature is set to 300 ° C. is as follows.
If the temperature at the time of film formation is higher than 400 ° C., Ir
This is because unevenness in film formation occurs on a metal such as the film 4, and when the temperature is lower than 300 ° C., variation in crystallinity of the film occurs in a subsequent film formation at a high temperature.

【0048】また、膜厚に関しては、今回200Åとし
たが、300Å以下であれば任意の膜厚で、均質な膜が
得られれば使用可能である。しかしながら、少なくと
も、50Å以上の膜厚は必要である。また、300Åよ
り厚くなってしまうと、高温プロセス中での薄膜の結晶
性のばらつきのために、薄膜の耐酸化性が不均一にな
り、場所によっては、ヒロックが生じる。また、スパッ
タで成膜する場合には、100Å以下では島状になって
しまうが、それ以下の膜厚で形成する場合には、酸素プ
ラズマにさらしたり、オゾンを基板表面に照射すること
で、Ir膜4の表面上を均質にIrO2膜6を任意の厚
さで形成することができ、それを初期膜5として使うこ
とができる。
Although the film thickness was set to 200 ° this time, any film thickness of 300 ° or less can be used if a uniform film can be obtained. However, a film thickness of at least 50 ° is required. On the other hand, if the thickness exceeds 300 °, the oxidation resistance of the thin film becomes non-uniform due to variations in the crystallinity of the thin film during the high-temperature process, and hillocks occur in some places. When the film is formed by sputtering, the film becomes an island shape when the film thickness is less than 100 °. However, when the film is formed with a film thickness less than 100 °, exposure to oxygen plasma or irradiation of the substrate surface with ozone is performed. The IrO 2 film 6 can be uniformly formed on the surface of the Ir film 4 with an arbitrary thickness, and can be used as the initial film 5.

【0049】尚、実施例1において、初期膜5はIrO
2膜となるが、Ir、Ru、Rh、Os及びReからな
る群から選択された金属元素のうち少なくとも1つを含
有すること膜であればよい。しかしながら、後のIrO
2膜6形成の際と同じ原料ターゲットを用いるIrO2
初期膜5に用いることが、膜特性の向上や工程簡略化の
点からも望ましい。
In the first embodiment, the initial film 5 is made of IrO
Two films may be used as long as the film contains at least one metal element selected from the group consisting of Ir, Ru, Rh, Os, and Re. However, later IrO
2 It is desirable to use IrO 2 , which uses the same raw material target as that for forming the film 6, for the initial film 5 from the viewpoint of improving film characteristics and simplifying the process.

【0050】次に、この初期膜5上に500℃で、Ir
2膜6を形成する。成膜条件はDCパワー1kW、ガ
ス圧0.71Paとし、膜厚1300Å作成した。スパ
ッタガス流量比はAr/O2=1/9とした。本実施例
では、成膜温度を500℃とした。図3のXRDの結果
から、400℃と450℃以上で成膜した場合のXRD
チャートを比較すると、明らかにIrO2を450℃以
上で成膜した場合のIrO2(200)のピーク強度が
400℃で成膜した場合と比較して4倍以上大きくなっ
ていることが分かる。また、450℃での成膜と500
℃での成膜とを比較するとほとんど変わらないことが分
かる。そのため、400℃から450℃の間で結晶性が
変化し、IrO2(200)が優先的に配向しそれ以降
は結晶性が変化していないことが分かる。また、図4に
示すように、IrO2膜の抵抗率ρは450℃付近まで
次第に下がり、それ以降は低い値を保っている。よっ
て、IrO2膜6の成膜温度は450℃以上であればよ
い。
Next, on this initial film 5 at 500 ° C., Ir
An O 2 film 6 is formed. The film formation conditions were a DC power of 1 kW, a gas pressure of 0.71 Pa, and a film thickness of 1300 °. The sputtering gas flow ratio was set to Ar / O 2 = 1/9. In this embodiment, the film formation temperature was set to 500 ° C. From the results of the XRD of FIG. 3, the XRD when the film was formed at 400 ° C. and 450 ° C.
Comparing the charts, it is apparent that the peak intensity of IrO 2 (200) when IrO 2 is formed at 450 ° C. or more is at least four times as large as that when the film is formed at 400 ° C. In addition, film formation at 450 ° C. and 500
It can be seen that there is almost no difference when compared with the film formation at a temperature of ° C. Therefore, the crystallinity changes between 400 ° C. and 450 ° C., indicating that IrO 2 (200) is preferentially oriented and the crystallinity has not changed since then. Further, as shown in FIG. 4, the resistivity ρ of the IrO 2 film gradually decreases to around 450 ° C., and thereafter keeps a low value. Therefore, the film forming temperature of the IrO 2 film 6 may be 450 ° C. or higher.

【0051】また、Irは雰囲気温度が700℃以上に
なるとIrO2膜6の成膜時にチャンバー内に導入され
た酸素と基板加熱によりIrが酸化され、細かいIrO
2の凝集体が基板にできてしまうという結果が実験的に
分かっており、そのため、IrO2膜6の成膜温度は7
00℃以下でなければならない。また、耐酸化性を検討
するために、それぞれの温度で酸素中で電極のみをアニ
ールした場合のヒロックの有無の検討したところ、40
0℃以下で成膜した場合には酸素中600℃以上の耐熱
・耐酸化性はないのに対し、450℃以上で成膜した場
合では、酸素中800℃までヒロックが生じなかった。
これらの結果から、450℃以上の成膜温度での優位性
が示された。
When the temperature of the atmosphere reaches 700 ° C. or higher, Ir is oxidized by heating the substrate and the oxygen introduced into the chamber when the IrO 2 film 6 is formed, and the fine IrO is formed.
It has been experimentally found that the two aggregates are formed on the substrate. Therefore, the film formation temperature of the IrO 2 film 6 is 7
It must be below 00 ° C. Further, in order to examine the oxidation resistance, the presence or absence of hillock when only the electrode was annealed in oxygen at each temperature was examined.
When the film was formed at 0 ° C. or lower, there was no heat resistance and oxidation resistance in oxygen at 600 ° C. or higher. On the other hand, when the film was formed at 450 ° C. or higher, no hillock was formed up to 800 ° C. in oxygen.
From these results, superiority at a film formation temperature of 450 ° C. or more was shown.

【0052】次に、基板上にスピンオン法を用いてSB
T膜7の成膜を行った。SBT膜の成膜方法は、まず構
成元素を溶媒に分散させた前駆体溶液を形成し、その前
駆体溶液をスピナーを用いて回転数を3000rpmと
して塗布し、大気中で150℃、10分間の乾燥を行っ
た後、大気中で400℃で30分間の仮焼成を行い、そ
の後、700℃で1時間の結晶化を行い形成する。これ
らの工程を3回繰り返し、SBT膜7を2000Å形成
した(図1)。SBT膜7形成後にヒロック等は認めら
れず、断面SEM及びオージェ分光分析より下部電極8
とSBT膜7との反応も見られなかった。
Next, SB is formed on the substrate by spin-on method.
The T film 7 was formed. In the method of forming the SBT film, first, a precursor solution in which constituent elements are dispersed in a solvent is formed, and the precursor solution is applied at a rotation speed of 3000 rpm using a spinner, and is applied at 150 ° C. for 10 minutes in the atmosphere. After drying, pre-baking is performed at 400 ° C. for 30 minutes in the air, and then crystallization is performed at 700 ° C. for 1 hour to form. These steps were repeated three times to form the SBT film 7 at 2000 ° (FIG. 1). Hillocks and the like were not observed after the SBT film 7 was formed, and the lower electrode 8 was determined by cross-sectional SEM and Auger spectroscopy.
And SBT film 7 did not react.

【0053】また、同様に、TaSiNの代わりにHf
SiNを使用した際も同様の結果が得られた。
Similarly, instead of TaSiN, Hf
Similar results were obtained when SiN was used.

【0054】また、上記下部電極上にPt膜を500Å
積膜した電極上にSBT膜を上記と同様に成膜した場合
にも、ヒロック等は認められず、反応も見られなかっ
た。更に、この構造の場合にはリーク電流値が1桁程度
小さくなった。すなわち、SBT/IrO2(初期膜と
なるIrO2を含む)/Ir/TaSiN構造ではリー
ク電流値は1.2×10-6(A/cm2)であったのに
対して、SBT/Pt/IrO2(初期膜となるIrO2
を含む)/Ir/TaSiN構造ではリーク電流値は
9.8×10-8(A/cm2)であった。今回はPtを
使用したが、Ir、Ru、Rh、Os、Re及びその合
金からなる例えばPt−Rh薄膜でも同様な効果を示し
た。
Further, a Pt film is formed on the lower electrode by 500 °.
When an SBT film was formed on the deposited electrode in the same manner as described above, no hillocks or the like were observed, and no reaction was observed. Further, in the case of this structure, the leakage current value was reduced by about one digit. That is, in the SBT / IrO 2 (including IrO 2 serving as an initial film) / Ir / TaSiN structure, the leakage current value was 1.2 × 10 −6 (A / cm 2 ), whereas SBT / Pt / IrO 2 (IrO 2 to be the initial film
) / Ir / TaSiN structure, the leakage current value was 9.8 × 10 −8 (A / cm 2 ). In this case, Pt was used. However, a similar effect was exhibited by, for example, a Pt-Rh thin film made of Ir, Ru, Rh, Os, Re and an alloy thereof.

【0055】以上の結果より、実施例1に示した酸化物
導電性膜8を用いて形成した下部電極においては、Ir
膜上に初期膜5を用いることで、450℃以上での成膜
を可能にし、そのために、結晶性が向上し、高温酸素雰
囲気中での窒化タンタルシリコン膜3が酸化されること
がなくなった。そのため、高温・酸素雰囲気中での強誘
電体膜を形成することができ、高密度FRAMを実現す
るために必要十分な酸素バリア性をもった電極を形成す
ることが可能となった。
From the above results, in the lower electrode formed by using the oxide conductive film 8 shown in Embodiment 1, Ir
By using the initial film 5 on the film, the film can be formed at 450 ° C. or higher, thereby improving the crystallinity and preventing the tantalum silicon nitride film 3 from being oxidized in a high-temperature oxygen atmosphere. . Therefore, a ferroelectric film can be formed in a high-temperature and oxygen atmosphere, and an electrode having a sufficient and sufficient oxygen barrier property for realizing a high-density FRAM can be formed.

【0056】実施例2 次に、本発明の下部電極8を構成するIr膜及びIrO
2膜の膜厚についての実施例を示す。
Embodiment 2 Next, the Ir film and the IrO constituting the lower electrode 8 of the present invention will be described.
Examples of two film thicknesses will be described.

【0057】実施例1と同様にシリコン基板1上に熱酸
化膜2を6000Å形成し、その上に窒化タンタルシリ
コン膜3を形成する。
As in the first embodiment, a thermal oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1 at 6000 °, and a tantalum silicon nitride film 3 is formed thereon.

【0058】続いて、この上にDCマグネトロンスパッ
タ法で下部電極8を形成した。IrO2/Irの積膜構
造はまずIr膜4を成膜し、引き続きIrO2膜6を形
成したものである。
Subsequently, a lower electrode 8 was formed thereon by DC magnetron sputtering. The stacked film structure of IrO 2 / Ir is such that an Ir film 4 is formed first, and then an IrO 2 film 6 is formed.

【0059】まず、Ir膜4をDCパワー0.5kW、
基板温度500℃、ガス圧0.6Paとし、膜厚100
0Å作成した。スパッタガスはArガスのみとした。
First, the Ir film 4 was set to a DC power of 0.5 kW,
A substrate temperature of 500 ° C., a gas pressure of 0.6 Pa, and a film thickness of 100
0% created. The sputtering gas was only Ar gas.

【0060】さらに、Ir膜4上にIrO2膜6を50
0℃で成膜するためのIrO2からなる初期膜5を形成
する。成膜条件はDCパワー1kW、基板温度350
℃、ガス圧0.71Paとし、膜厚200Å作成した。
スパッタガスの流量比はAr/O2=1/9とした。
Further, an IrO 2 film 6 is deposited on the Ir
An initial film 5 made of IrO 2 for forming a film at 0 ° C. is formed. The film formation conditions are DC power 1 kW, substrate temperature 350
C. and a gas pressure of 0.71 Pa, and a film thickness of 200 ° was formed.
The flow ratio of the sputtering gas was set to Ar / O 2 = 1/9.

【0061】次に、この初期膜5の上に500℃でIr
2膜6を形成する。成膜条件はDCパワー1kW、ガ
ス圧0.71Paとし、膜厚500〜1800Åの膜厚
で作製した。スパッタガスの流量比はAr/O2=1/
9とした。
Next, on this initial film 5 at 500 ° C., Ir
An O 2 film 6 is formed. Film formation conditions were DC power of 1 kW, gas pressure of 0.71 Pa, and a film thickness of 500 to 1800 °. The flow ratio of the sputtering gas is Ar / O 2 = 1 /
It was set to 9.

【0062】この膜厚と耐熱性との関係を示すために、
実施例1と同様に酸素中でのアニールによるヒロックの
有無により評価を行った。評価結果より、1≦(IrO
2膜の膜厚(IrO2膜からなる初期膜5が存在する場合
は初期膜の膜厚を含む。以下同様。)/(Ir膜の膜
厚)≦3の範囲でヒロックが無かった。1>(IrO2
膜の膜厚)/(Ir膜の膜厚)の場合には、IrO2
酸素バリア性が無く、酸素を透過してしまい、IrO2
膜上にIrが析出し、IrO2の単結晶体を形成し、膜
荒れが生じてしまう。
In order to show the relationship between this film thickness and heat resistance,
As in Example 1, evaluation was made based on the presence or absence of hillocks caused by annealing in oxygen. From the evaluation results, 1 ≦ (IrO
There was no hillock in the range of 2 film thicknesses (including the initial film thickness when the initial film 5 made of an IrO 2 film is present. The same applies hereinafter) / (Ir film thickness) ≦ 3. 1> (IrO 2
If the thickness of the film) / (thickness of the Ir film), there is no oxygen barrier property of IrO 2, it will be permeable to oxygen, IrO 2
Ir precipitates on the film and forms a single crystal of IrO 2 , resulting in film roughness.

【0063】また、3<(IrO2膜の膜厚)/(Ir
膜の膜厚)の場合には、IrO2膜が厚いため、横方向
の高温処理中に強い応力が発生し、細かいクラックが生
じる。そこから酸素が進入し、更に、進入した酸素はI
r膜4上に到達するが、この条件の場合にはIr膜4の
膜厚が透過してきた酸素に対して十分な耐性をもたず、
その結果酸素がTaSiN膜3上に到達し、酸化膨張を
起こし、結果的には剥離が生じる。
Further, 3 <(thickness of IrO 2 film) / (Ir
In the case of (film thickness), since the IrO 2 film is thick, strong stress is generated during high-temperature processing in the lateral direction, and fine cracks are generated. Oxygen enters from there, and the oxygen that has entered is I
However, under this condition, the thickness of the Ir film 4 does not have sufficient resistance to the transmitted oxygen,
As a result, oxygen reaches the TaSiN film 3 to cause oxidative expansion, and as a result, separation occurs.

【0064】尚、1≦(IrO2膜の膜厚)/(Ir膜
の膜厚)の場合には、IrO2膜が酸素に対して十分な
耐性をもち酸素を遮断するため、このような剥離は見ら
れない。また、(IrO2膜の膜厚)/(Ir膜の膜
厚)≦3であれば、応力が緩和され、ヒロックが生じな
くなることがわかった。
In the case of 1 ≦ (IrO 2 film thickness) / (Ir film thickness), the IrO 2 film has sufficient resistance to oxygen and blocks oxygen. No peeling is seen. It was also found that if (IrO 2 film thickness) / (Ir film thickness) ≦ 3, the stress was relaxed and hillocks did not occur.

【0065】実施例1では、Ir膜の膜厚が1000Å
であり、初期膜5とIrO2膜6との合計の膜厚が15
00Åであり、(IrO2膜の膜厚)/(Ir膜の膜
厚)=1.5である。
In the first embodiment, the thickness of the Ir film is 1000
And the total film thickness of the initial film 5 and the IrO 2 film 6 is 15
00Å, and (IrO 2 film thickness) / (Ir film thickness) = 1.5.

【0066】以上の結果より、膜厚の制御によりヒロッ
クの抑制は可能であり、高密度FRAMを実現するため
の高耐熱電極の形成が可能となった。
From the above results, hillocks can be suppressed by controlling the film thickness, and a high heat resistant electrode for realizing a high density FRAM can be formed.

【0067】実施例3 次に拡散バリア膜であるTaSiN膜の組成による耐熱
性、耐酸化性についての実施例を示す。
Example 3 Next, an example of heat resistance and oxidation resistance depending on the composition of a TaSiN film as a diffusion barrier film will be described.

【0068】実施例1と同様にシリコン基板1上に膜厚
が約6000Åの熱酸化膜2を形成し、その上にTaS
iN膜3を成膜する。成膜を行ったTaSiN膜3の組
成は実施例1で示したものを用いた。
As in the first embodiment, a thermal oxide film 2 having a thickness of about 6000 ° is formed on a silicon substrate 1 and a TaS film is formed thereon.
An iN film 3 is formed. The composition of the formed TaSiN film 3 was the same as that shown in Example 1.

【0069】その上に、Ir膜4をDCパワー0.5k
W、基板温度500℃、ガス圧0.6Paとし膜厚10
00Å作製した。スパッタガスはArのみとした。
On top of this, the Ir film 4 was set to a DC power of 0.5 k.
W, substrate temperature 500 ° C., gas pressure 0.6 Pa, film thickness 10
00 mm was produced. The sputtering gas was only Ar.

【0070】次に、この上にスピンオン法を用いて、S
BT膜7の成膜を実施例1と同様に形成した。この際、
結晶化のための焼成を各1時間、合計700℃で3時間
の焼成を行った。
Next, a spin-on method is used to
The BT film 7 was formed in the same manner as in Example 1. On this occasion,
Firing for crystallization was performed for 1 hour each, for a total of 700 ° C. for 3 hours.

【0071】SBT膜形成後はヒロック等は認められ
ず、断面SEM観察より、SBT膜7と他の膜との反応
は見られなかった。また、オージェ分析の結果、SBT
膜とIr電極界面に各構成元素が相互拡散している領域
が100Å程度観察され、また、Ir電極中に酸素が3
00Å程度拡散している様子が観察された。
After the formation of the SBT film, no hillocks or the like were observed, and no reaction between the SBT film 7 and other films was observed from the cross-sectional SEM observation. Also, as a result of Auger analysis, SBT
A region where the constituent elements are interdiffused at the interface between the film and the Ir electrode is observed at about 100 °.
Spreading of about 00 ° was observed.

【0072】実施例3では実施例1のようにIrO2
を用いていないが、酸素を透過させない原理は同様であ
る。つまり、SBT膜成膜時にIr膜表面が例えばスピ
ンオン法では溶液中に含有される酸素によって酸化さ
れ、100〜300Å程度の膜厚のIrO2膜が形成さ
れ、同時にSBT等の酸化物が上部に形成される。それ
らの膜がIrO2膜を直接形成したときと同様の効果を
示し、同様の酸素バリア性を示すようになる。本実施例
を用いることにより、別途IrO2膜を形成する工程を
行わなくても、酸素バリア性を有する下部電極を形成す
ることができる。
In the third embodiment, the IrO 2 film is not used as in the first embodiment, but the principle of not allowing oxygen to permeate is the same. In other words, when the SBT film is formed, the surface of the Ir film is oxidized by, for example, oxygen contained in the solution by a spin-on method, and an IrO 2 film having a thickness of about 100 to 300 ° is formed. It is formed. These films exhibit the same effect as when the IrO 2 film is directly formed, and exhibit the same oxygen barrier properties. By using this embodiment, a lower electrode having an oxygen barrier property can be formed without performing a separate step of forming an IrO 2 film.

【0073】ここで、TaxSi1-xyの組成を、0.
75<x<0.95、0.3<y<0.5とすること
で、600℃以上の高温でのバリア性の高い膜を形成す
ることができる。
Here, the composition of Ta x Si 1-x N y is set to 0.
By setting 75 <x <0.95 and 0.3 <y <0.5, a film having a high barrier property at a high temperature of 600 ° C. or higher can be formed.

【0074】強誘電体膜の形成には、スピンオン法の他
に、スパッタ法、MOCVD法でも同様な効果が得られ
る。また、Ir、TaSiNの膜厚は実施例3で用いた
膜厚に限らず、所望の温度で反応が起こらない膜厚であ
ればよい。また、拡散バリア膜は、TaSiN膜を用い
たが、HfSiNでも同様の効果が得られた。また、バ
リアメタル膜であるTaSiNやHfSiN上に成膜す
る電極はIrの他にPt、Ru又はOsでも同様の結果
が得られた。
For forming a ferroelectric film, a similar effect can be obtained by a sputtering method or an MOCVD method in addition to the spin-on method. Further, the film thicknesses of Ir and TaSiN are not limited to the film thicknesses used in the third embodiment, and may be any film thickness at which no reaction occurs at a desired temperature. Further, although a TaSiN film was used as the diffusion barrier film, the same effect was obtained with HfSiN. Similar results were obtained for electrodes formed on TaSiN or HfSiN, which are barrier metal films, with Pt, Ru or Os in addition to Ir.

【0075】以上の結果より、実施例3に示した電極構
造により、耐熱性、耐酸化性が向上し、高温酸素雰囲気
中でのTaSiN膜3が酸化されることが無くなった。
このため、高温・酸素雰囲気中の強誘電体膜を形成する
ことができ、高密度FRAMを実現するために必要十分
な酸素バリア性をもった電極を形成することが可能とな
った。
From the above results, the heat resistance and the oxidation resistance were improved by the electrode structure shown in Example 3, and the TaSiN film 3 was not oxidized in the high-temperature oxygen atmosphere.
For this reason, a ferroelectric film can be formed in a high-temperature and oxygen atmosphere, and an electrode having an oxygen barrier property necessary and sufficient for realizing a high-density FRAM can be formed.

【0076】実施例4 次に、実施例1〜3に示した酸化物導電体を用いた下部
電極8を用いた強誘電体を用いた半導体メモリ素子の形
成について実施例に示す。
Embodiment 4 Next, the formation of a semiconductor memory device using a ferroelectric using the lower electrode 8 using the oxide conductor shown in Embodiments 1 to 3 will be described.

【0077】まず、シリコン基板1の表面に膜厚が約5
000Åのロコス酸化膜9を形成して、素子分離領域を
形成する。次に、ゲート電極10、ソース/ドレイン領
域11等からなる選択トランジスタを形成した後、層間
絶縁膜としてCVD法で第1のシリコン酸化膜12を、
5000Å程度成膜し、続いて、直径0.5μmのコン
タクトホールを形成する。次にCVD法でポリシリコン
を埋め込んだ後、CMP法で表面を平坦化し、ポリシリ
コンプラグ13を形成する。
First, a film thickness of about 5
The LOCOS oxide film 9 is formed to a thickness of 000 ° to form an element isolation region. Next, after forming a selection transistor including a gate electrode 10, a source / drain region 11, and the like, a first silicon oxide film 12 is formed as an interlayer insulating film by a CVD method.
A film is formed with a thickness of about 5000 °, and then a contact hole having a diameter of 0.5 μm is formed. Next, after the polysilicon is buried by the CVD method, the surface is flattened by the CMP method, and the polysilicon plug 13 is formed.

【0078】次に、このポリシリコンプラグ13上に、
実施例1及び2で示したように、DCマグネトロンスパ
ッタ法で膜厚1000Åのアモルファス状のTaSiN
膜14の安定化を行う。この熱処理は成膜条件によって
は特に必要がない場合もある。
Next, on the polysilicon plug 13,
As shown in Examples 1 and 2, an amorphous TaSiN film having a thickness of 1000 ° was formed by DC magnetron sputtering.
The film 14 is stabilized. This heat treatment may not be particularly necessary depending on the film forming conditions.

【0079】アモルファス状のTaSiN膜14の成膜
条件は、Ta/Si=10/3の合金ターゲットを用
い、基板温度を500℃、スパッタパワーを2000
W、スパッタガス圧を0.7Pa、スパッタガスの流量
比はAr/N2=3/2とし、また、熱処理条件は純窒
素雰囲気中で昇温速度を5℃/min、保持温度を60
0℃、保持時間を1時間とした。
The conditions for forming the amorphous TaSiN film 14 are as follows: an alloy target of Ta / Si = 10/3, a substrate temperature of 500 ° C., and a sputtering power of 2000
W, the sputtering gas pressure was 0.7 Pa, the flow ratio of the sputtering gas was Ar / N 2 = 3/2, and the heat treatment conditions were a temperature rising rate of 5 ° C./min and a holding temperature of 60 in a pure nitrogen atmosphere.
At 0 ° C., the holding time was 1 hour.

【0080】続いて、この上に、実施例1及び2で示し
たDCマグネトロンスパッタ法で酸化物誘電体を用いた
多膜電極構造を形成した。
Subsequently, a multilayer electrode structure using an oxide dielectric was formed thereon by the DC magnetron sputtering method shown in Examples 1 and 2.

【0081】まず、Ir膜15をDCパワー0.5k
W、基板温度500℃、ガス圧0.6Paとし、膜厚1
000Å作製した。スパッタガスはArガスのみとし
た。
First, the Ir film 15 was set to a DC power of 0.5 k.
W, substrate temperature 500 ° C., gas pressure 0.6 Pa, film thickness 1
2,000 mm. The sputtering gas was only Ar gas.

【0082】さらに、Ir膜15上にIrO2膜16を
500℃で成膜するためのIrO2膜からなる初期膜を
形成する。成膜条件はDCパワー1kW、基板温度35
0℃、ガス圧0.71Paとし、膜厚200Å作製し
た。スパッタガスの流量比はAr/O2=1/9とし
た。
Further, an initial film made of an IrO 2 film for forming an IrO 2 film 16 at 500 ° C. is formed on the Ir film 15. The film formation conditions were a DC power of 1 kW and a substrate temperature of 35.
At 0 ° C. and a gas pressure of 0.71 Pa, a film thickness of 200 ° was formed. The flow ratio of the sputtering gas was set to Ar / O 2 = 1/9.

【0083】次に、この膜の上に500℃でIrO2
16を形成する。成膜条件はDCパワー1kW、ガス圧
0.71Paとし、膜厚1300Å作製した。スパッタ
ガス流量比はAr/O2=1/9とした。尚、IrO2
16上に更にPt膜を500Å形成した下部電極にした
場合、実施例1に示した場合と同様にリーク電流を更に
低減することができる。
Next, an IrO 2 film 16 is formed on this film at 500 ° C. The film formation conditions were a DC power of 1 kW, a gas pressure of 0.71 Pa, and a film thickness of 1300 °. The sputtering gas flow ratio was set to Ar / O 2 = 1/9. In the case where the lower electrode is formed by further forming a Pt film on the IrO 2 film 16 by 500 °, the leak current can be further reduced as in the case of the first embodiment.

【0084】次に、この積膜された電極上に実施例1で
示したように強誘電体膜17を形成した。次に、DCマ
グネトロンスパッタ法で膜厚500Åの電極を形成した
後、強誘電体膜17はアルゴン、C26を用いたドライ
エッチング法で、また、上部電極18はCl2を用いた
ドライエッチング法で例えば2.6μm角の大きさに加
工した。
Next, a ferroelectric film 17 was formed on the deposited electrode as shown in the first embodiment. Next, after an electrode having a thickness of 500 ° is formed by DC magnetron sputtering, the ferroelectric film 17 is dry-etched using argon and C 2 F 6 , and the upper electrode 18 is dry-etched using Cl 2. It was processed to a size of, for example, 2.6 μm square by an etching method.

【0085】続いて、これらの積膜構造の電極を例え
ば、Cl2及びC26を用いたドライエッチング法、及
びTaSiN膜14をC26を用いたドライエッチング
法で加工した。
Subsequently, the electrodes having the stacked film structure were processed by, for example, a dry etching method using Cl 2 and C 2 F 6 , and the TaSiN film 14 was processed by a dry etching method using C 2 F 6 .

【0086】その後、層間絶縁膜として、CVD法を用
いて、第2のシリコン酸化膜19を成膜した後、コンタ
クトホールを形成し、強誘電体キャパシタの上部電極1
8からのアルミニウム引き出し電極20をDCマグネト
ロンスパッタ法にて形成し、図5に示すような半導体メ
モリ素子が形成される。
Thereafter, a second silicon oxide film 19 is formed as an interlayer insulating film by using the CVD method, and then a contact hole is formed, and the upper electrode 1 of the ferroelectric capacitor is formed.
The aluminum extraction electrode 20 from 8 is formed by DC magnetron sputtering, and a semiconductor memory device as shown in FIG. 5 is formed.

【0087】上述の工程により作製された強誘電体膜を
有するキャパシタの上部電極18からのアルミニウム引
き出し電極20とシリコン基板1からのアルミニウム引
き出し電極20との間に三角波の電圧を印加することに
より、図6に示すヒステリシスループが得られた。尚、
この印加した三角波は強度が150kV/cmで周波数
は75Hzとした。図6に示すように、強誘電体キャパ
シタとして用いるのに十分な大きさの強誘電体特性が得
られており、ヒステリシスループの対称性が崩れていな
いことから、シリコン基板1とIr/IrO2下部電極
とのコンタクトは十分に取れていることが示されてい
る。このことは、Irとポリシリコンプラグとの反応が
ないことを示し、更に、拡散バリア膜とIr/IrO2
下部電極との反応もないということを示している。
By applying a triangular wave voltage between the aluminum extraction electrode 20 from the upper electrode 18 and the aluminum extraction electrode 20 from the silicon substrate 1 of the capacitor having the ferroelectric film manufactured by the above process, The hysteresis loop shown in FIG. 6 was obtained. still,
The applied triangular wave had an intensity of 150 kV / cm and a frequency of 75 Hz. As shown in FIG. 6, ferroelectric characteristics large enough to be used as a ferroelectric capacitor are obtained, and the symmetry of the hysteresis loop is not broken, so that the silicon substrate 1 and the Ir / IrO 2 This shows that the contact with the lower electrode is sufficiently obtained. This indicates that there is no reaction between Ir and the polysilicon plug. Further, the diffusion barrier film and the Ir / IrO 2
This indicates that there is no reaction with the lower electrode.

【0088】更に、断面構造を電子顕微鏡で観察した結
果、各膜で反応している様子はなく、オージェ分光分析
によっても反応している様子は観察されなかった。
Further, as a result of observing the cross-sectional structure with an electron microscope, there was no reaction in each film, and no reaction was observed by Auger spectroscopy.

【0089】上記の実施例において、誘電体膜の成膜方
法としてMOD法を用いているが、真空蒸着法、DCマ
グネトロンスパッタ法、MOCVD法などの方法を用い
てもよい。また、本実施例において、強誘電体膜として
SBTを用いているが、ほかの誘電体膜として、SrB
2Nb29、Bi4Ti312、BaBi2Nb29、B
aBi2Ta29、PbBi2Ta29、SrBi4Ti4
15、SrBi4Ti415、PbBi4Ti415、Na
0.5Bi4.5Ti415、K0.5Bi4.5Ti415、Sr2
Bi4Ti418、Ba2Bi4Ti518、Pb2Bi4
518等においても、また、高誘電体膜としても(B
xSr1-x)TaO3、SrBi4Ti415等において
も、同様に十分な耐酸化性が得られる。
In the above embodiment, the MOD method is used as the method for forming the dielectric film. However, a method such as a vacuum evaporation method, a DC magnetron sputtering method, and an MOCVD method may be used. In this embodiment, SBT is used as the ferroelectric film, but SrB is used as another dielectric film.
i 2 Nb 2 O 9 , Bi 4 Ti 3 O 12 , BaBi 2 Nb 2 O 9 , B
aBi 2 Ta 2 O 9 , PbBi 2 Ta 2 O 9 , SrBi 4 Ti 4
O 15 , SrBi 4 Ti 4 O 15 , PbBi 4 Ti 4 O 15 , Na
0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , K 0.5 Bi 4.5 Ti 4 O 15 , Sr 2
Bi 4 Ti 4 O 18 , Ba 2 Bi 4 Ti 5 O 18 , Pb 2 Bi 4 T
i 5 O 18 and the like, and also as a high dielectric film (B
a x Sr 1-x ) TaO 3 , SrBi 4 Ti 4 O 15, and the like also provide sufficient oxidation resistance.

【0090】コンタクトプラグ材料として、ポリシリシ
コン以外にもタングステン等を用いた場合でも同様の効
果が得られた。
The same effect was obtained when tungsten or the like was used in addition to polysilicon as the contact plug material.

【0091】[0091]

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明を
用いることにより、拡散バリア膜はアモルファス構造で
あるために、粒界を有さず、酸素、白金、ビスマス等に
対して顕著なバリア性を有している。更に、初期膜を用
いた高温で処理したIrO2膜を含む下部電極により、
高温酸素雰囲気中での焼結でも酸素を透過せず、この結
果ポリシリコンやタングステン等からなるプラグ上面が
酸化されず、良好なコンタクトを保つことができる。
As described above in detail, by using the present invention, since the diffusion barrier film has an amorphous structure, it has no grain boundaries and is remarkably resistant to oxygen, platinum, bismuth and the like. Has barrier properties. Further, by the lower electrode including the IrO 2 film treated at a high temperature using the initial film,
Oxygen does not permeate even when sintered in a high-temperature oxygen atmosphere, so that the upper surface of the plug made of polysilicon, tungsten, or the like is not oxidized, and good contact can be maintained.

【0092】したがって、高温でのアニールにも耐え得
る電極構造とすることにより、特性の良い半導体メモリ
素子を得ることができる。
Therefore, a semiconductor memory element having good characteristics can be obtained by using an electrode structure that can withstand annealing at a high temperature.

【0093】また、請求項2及び請求項6に記載の本発
明を用いることにより、リーク電流の低減を図ることが
できる。
Further, by using the present invention described in claim 2 and claim 6, it is possible to reduce the leak current.

【0094】また、請求項3及び請求項11に記載の本
発明を用いることにより、更に酸素バリア性を向上させ
ることができる。
Further, by using the present invention described in claims 3 and 11, the oxygen barrier properties can be further improved.

【0095】また、請求項4及び請求項8に記載の本発
明を用いることにより、ヒロックの発生を抑制すること
ができる。
Further, by using the present invention described in claims 4 and 8, the occurrence of hillocks can be suppressed.

【0096】また、請求項7に記載の本発明を用いるこ
とにより、IrO2膜の抵抗率を下げ、且つ、IrO2
の成膜時に下地のIr膜が酸化され細かいIrO2の凝
集体が生じるのを抑制することができる。
Further, by using the present invention as defined in claim 7, the resistivity of the IrO 2 film is lowered, and when the IrO 2 film is formed, the underlying Ir film is oxidized and fine IrO 2 aggregates are formed. This can be suppressed.

【0097】また、請求項9に記載の本発明を用いるこ
とにより、別途IrO2膜を形成する工程を行わずに、
酸素バリア性を有する下部電極を得ることができるの
で、工程数を低減することができる。
Further, by using the present invention as set forth in claim 9, it is possible to eliminate the step of separately forming an IrO 2 film,
Since a lower electrode having oxygen barrier properties can be obtained, the number of steps can be reduced.

【0098】更に、請求項12に記載の本発明を用い、
IrO2膜形成の際と同じ原料ターゲットを用いるIr
2を初期膜に用いることで、膜特性の向上や工程簡略
化することができる。
Further, using the present invention according to claim 12,
Ir using the same raw material target as used in the formation of the IrO 2 film
By using O 2 for the initial film, the film characteristics can be improved and the process can be simplified.

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

【図1】本発明の一実施の形態の断面構造を示す図であ
る。
FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional structure of an embodiment of the present invention.

【図2】TaxSi1-xy膜中のTa組成xを変化させ
たときの抵抗率の変化を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a change in resistivity when a Ta composition x in a Ta x Si 1-x N y film is changed.

【図3】成膜温度の変化によるXRDチャート特性を示
す図である。
FIG. 3 is a diagram showing XRD chart characteristics depending on a change in film forming temperature.

【図4】成膜温度を変化させたときの抵抗率のIrO2
膜の抵抗率の変化を示す図である。
FIG. 4 shows IrO 2 of resistivity when film forming temperature is changed.
FIG. 4 is a diagram illustrating a change in the resistivity of a film.

【図5】本発明の一実施の形態の半導体メモリ素子の構
造断面図である。
FIG. 5 is a structural sectional view of a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention;

【図6】図5に示す半導体メモリ素子により得られたヒ
ステリシスループを示す図である。
6 is a diagram showing a hysteresis loop obtained by the semiconductor memory device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 熱酸化膜 3 TiSiN膜 4 Ir膜 5 初期膜 6 IrO2膜 7 強誘電体膜 8 下部電極 9 ロコス酸化膜 10 ゲート電極 11 ソース/ドレイン領域 12 第1のシリコン酸化膜 13 ポリシリコンプラグ 14 TaSiN膜 15 Ir膜 16 IrO2/初期膜 17 強誘電体膜 18 上部電極 19 第2のシリコン酸化膜 20 第1のアルミニウム引き出し電極 21 第2のアルミニウム引き出し電極DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon substrate 2 Thermal oxide film 3 TiSiN film 4 Ir film 5 Initial film 6 IrO 2 film 7 Ferroelectric film 8 Lower electrode 9 Locos oxide film 10 Gate electrode 11 Source / drain region 12 First silicon oxide film 13 Polysilicon Plug 14 TaSiN film 15 Ir film 16 IrO 2 / initial film 17 Ferroelectric film 18 Upper electrode 19 Second silicon oxide film 20 First aluminum extraction electrode 21 Second aluminum extraction electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 29/792 (72)発明者 工藤 淳 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 29/792 (72) Inventor Jun Kudo 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電性プラグ及び拡散バリア膜を介し
て、選択トランジスタと電気的に接続された、下部電極
及び誘電体膜及び上部電極からなるキャパシタを備えた
半導体メモリ素子において、 上記拡散バリア膜がTaxSi1-xy又はHfxSi1-x
y(0.2<x<1、0<y<1)から成り、該拡散
バリア膜上に下部電極としてIr膜とIrO2膜とが順
次形成されて成ることを特徴とする半導体メモリ素子。
1. A semiconductor memory device comprising a capacitor composed of a lower electrode, a dielectric film, and an upper electrode, which is electrically connected to a selection transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. There Ta x Si 1-x N y or Hf x Si 1-x
N y (0.2 <x <1, 0 <y <1), wherein an Ir film and an IrO 2 film are sequentially formed as a lower electrode on the diffusion barrier film. .
【請求項2】 上記下部電極として、上記Ir膜と上記
IrO2膜とPt、Ir、Ru、Rh、Os及びReか
らなる群から選択される金属元素のうち少なくとも一つ
を含有する導電膜とが順次形成されて成ることを特徴と
する、請求項1に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
2. The lower electrode, wherein the Ir film, the IrO 2 film, and a conductive film containing at least one of metal elements selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Os and Re. 2. The method according to claim 1, wherein the semiconductor memory devices are sequentially formed.
【請求項3】 上記拡散バリア膜がTaxSi1-xy
はHfxSi1-xy(0.75<x<0.95、0.3
<y<0.5)から成ることを特徴とする、請求項1又
は請求項2に記載の半導体メモリ素子。
Wherein said diffusion barrier layer is Ta x Si 1-x N y or Hf x Si 1-x N y (0.75 <x <0.95,0.3
3. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein <y <0.5).
【請求項4】 上記IrO2膜の膜厚と上記Ir膜の膜
厚との比が、1≦(IrO2膜の膜厚/Ir膜の膜厚)
≦3となることを特徴とする、請求項1乃至請求項3の
いずれかに記載の半導体メモリ素子。
Ratio of 4. The thickness of the IrO 2 film of the film thickness and the Ir film, 1 ≦ (IrO 2 film thickness of thickness / Ir film)
4. The semiconductor memory device according to claim 1, wherein ≦ 3. 5.
【請求項5】 導電性プラグ及び拡散バリア膜を介して
選択トランジスタと電気的に接続された、下部電極、誘
電体膜及び上部電極からなるキャパシタを備えた半導体
メモリ素子の製造方法において、 上記拡散バリア膜上にIr膜を形成した後、300℃以
上、且つ、400℃以下で、Ir、Ru、Rh、Os及
びReからなる群から選択される金属元素のうち少なく
とも一つを含有する、膜厚が50Å以上、且つ、300
Å以下の初期膜を形成する工程と、 上記初期膜上にIrO2膜、上記誘電体膜及び上部電極
を順次形成する工程とを有することを特徴とする、半導
体メモリ素子の製造方法。
5. A method of manufacturing a semiconductor memory device including a capacitor comprising a lower electrode, a dielectric film and an upper electrode, which is electrically connected to a selection transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. After forming an Ir film on the barrier film, a film containing at least one of metal elements selected from the group consisting of Ir, Ru, Rh, Os and Re at 300 ° C. or higher and 400 ° C. or lower. The thickness is more than 50mm and 300
(4) A method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising: a step of forming an initial film described below; and a step of sequentially forming an IrO 2 film, the dielectric film, and an upper electrode on the initial film.
【請求項6】 上記IrO2膜と上記誘電体膜との間
に、Pt、Ir、Ru、Rh、Os及びReからなる群
から選択される金属元素のうち少なくとも一つを含有す
る導電膜を形成する工程を有することを特徴とする、請
求項5に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
6. A conductive film containing at least one metal element selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Os, and Re between the IrO 2 film and the dielectric film. 6. The method according to claim 5, further comprising the step of forming.
【請求項7】 上記IrO2膜を450℃以上、且つ、
700℃以下で形成することを特徴とする、請求項5又
は請求項6に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
7. The method according to claim 1, wherein the IrO 2 film is formed at a temperature of 450 ° C. or higher.
The method according to claim 5, wherein the semiconductor memory device is formed at a temperature of 700 ° C. or less.
【請求項8】 上記IrO2の膜厚とIrの膜厚との比
が、 1≦(IrO2の膜厚/Irの膜厚)≦3 となることを特徴とする、請求項5乃至請求項7のいず
れかに記載の半導体メモリ素子の製造方法。
8. The method according to claim 5, wherein a ratio of the film thickness of IrO 2 to the film thickness of Ir is 1 ≦ (film thickness of IrO 2 / film thickness of Ir) ≦ 3. Item 8. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to any one of Items 7.
【請求項9】 導電性プラグ及び拡散バリア膜を介して
選択トランジスタと電気的に接続された、下部電極、誘
電体膜及び上部電極からなるキャパシタを備えた半導体
メモリ素子の製造方法において、 上記拡散バリア膜上にIr膜を形成した後、酸素を含む
原料を用いて上記誘電体膜を形成する工程と、 上記誘電体膜上に上部電極を形成する工程とを有するこ
とを特徴とする、半導体メモリ素子の製造方法。
9. A method of manufacturing a semiconductor memory device including a capacitor comprising a lower electrode, a dielectric film and an upper electrode, which is electrically connected to a selection transistor via a conductive plug and a diffusion barrier film. Forming an Ir film on a barrier film, forming the dielectric film using a raw material containing oxygen, and forming an upper electrode on the dielectric film; A method for manufacturing a memory element.
【請求項10】 上記拡散バリア膜にTaxSi1-xy
又はHfxSi1-xy(0.2<x<1、0<y<1)
を用いることを特徴とする、請求項5乃至請求項9のい
ずれかに記載の半導体メモリ素子の製造方法。
10. A the diffusion barrier film Ta x Si 1-x N y
Or Hf x Si 1-x N y (0.2 <x <1,0 <y <1)
10. The method for manufacturing a semiconductor memory device according to claim 5, wherein:
【請求項11】 上記拡散バリア膜にTaxSi1-xy
又はHfxSi1-xy(0.75<x<0.95、0.
3<y<0.5)を用いることを特徴とする、請求項1
0に記載の半導体メモリ素子の製造方法。
To 11. The diffusion barrier film Ta x Si 1-x N y
Or Hf x Si 1-x N y (0.75 <x <0.95,0.
3 <y <0.5) is used.
0. A method for manufacturing a semiconductor memory device according to item 0.
【請求項12】 上記初期膜がIrO2膜からなること
を特徴とする、請求項5乃至請求項8、請求項10及び
請求項11のいずれかに記載の半導体メモリ素子の製造
方法。
12. The method according to claim 5, wherein the initial film is made of an IrO 2 film.
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