KR100219522B1 - A semiconductor device having single crystal ferroelectric film and fabrication method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법에 관해 개시한다. 본 발명은 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘기판 상에 결정방향이 (100)인 단결정 ZrO2막으로 형성되는 제1 에피텍셜층으로서의 제1 버퍼층과 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층을 (100) 방향으로 성장시켜서 제2 에피텍셜층으로서의 제2 버퍼층(60)을 형성한 다음 이 위에 강유전체막을 형성하여 결정방향이 (100)인 강유전체막을 형성할 수 있다.The present invention relates to a semiconductor device having a single crystal ferroelectric film and a method of manufacturing the same. The present invention provides a first buffer layer, a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and a STO as a first epitaxial layer formed of a single crystal ZrO 2 film having a crystal direction of (100) on a single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100). The second buffer layer 60 as a second epitaxial layer is formed by growing a material layer selected from the group consisting of layers in the (100) direction, and then a ferroelectric film is formed thereon to form a ferroelectric film having a crystal direction of (100). can do.

따라서 강유전체막의 결함에 기인한 특성저하를 방지할 수 있고, 분극특성이 개선되어 분극반전시 강유전체막의 자구(domain)에 피닝(pinning)현상이 나타나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 강유전체막의 성장되는 결정방향을 조절하여 낮은 구동전압에서 고속동작이 가능한 이상적인 강유전체 메모리 장치를 구현할 수 있다.Therefore, it is possible to prevent the deterioration of characteristics due to the defect of the ferroelectric film, and to improve the polarization characteristics, thereby preventing the pinning phenomenon in the domain of the ferroelectric film during polarization inversion. In addition, an ideal ferroelectric memory device capable of high-speed operation at a low driving voltage may be implemented by adjusting a growing crystal direction of the ferroelectric film.

Description

단결정 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법A semiconductor device having a single crystal ferroelectric film and a manufacturing method therefor

본 발명은 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히, 단결정 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device having a ferroelectric film and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a single crystal ferroelectric film and a method of manufacturing the same.

강유전체는 강한 자발분극성을 갖고 있어서 외부 전계의 인가에 의하여 강유전체내부에 자발분극이 발생되고 그 자발분극은 외부전계가 제거된 후에도 존재하고 또한 그 자발분극의 방향은 외부전계의 방향을 변화시켜서 바꿀 수 있는 재료이다. 강유전체의 이와 같은 성질은 현재 널리 사용되고 있는 디지털 메모리 디바이스의 기본원리가 되고 있는 바이너리 메모리의 기본 개념과 일치하기 때문에 PZT(Pb(Zr, Ti)O3)와 같은 강유전체는 일찍부터 메모리 소재로서 연구대상이었다.Ferroelectrics have strong spontaneous polarization so that spontaneous polarization is generated inside the ferroelectric by the application of an external electric field, and the spontaneous polarization exists even after the external electric field is removed. It can be a material. Ferroelectrics such as PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) have been studied as memory materials since ferroelectrics are consistent with the basic concept of binary memory, which is the basic principle of digital memory devices. It was.

강유전체를 이용한 최초의 메모리 소자는 벌크(bulk) 재료를 이용한 것이어서 그 크기와 동작전압등이 기억소자를 집적하기에는 적합하지가 않아서 몇년전까지만 해도 활발한 연구의 대상에서 제외되었다. 그러나 최근에는 솔겔(sol-gel)법, 스퍼터링(sputtering)법, 유기금속산화막(Metal Organic Chemical Vapor Deposi tion)법등과 같은 박막 형성기술이 크게 발전함에 따라 PZT와 같은 강유전체물질을 박막화하는 것이 가능해졌다. 따라서 강유전체를 메모리 디바이스에 적용하기 위한 연구가 매우 활발하게 진행중이고 제한적으로는 상업화되고 있는 실정이다.The first memory devices using ferroelectrics were made of bulk materials, and their size and operating voltage were not suitable for integrating memory devices, so they were excluded from active research until a few years ago. However, with the recent development of thin film formation technologies such as sol-gel, sputtering, and metal organic chemical vapor deposition, it has become possible to thin ferroelectric materials such as PZT. . Therefore, researches for applying ferroelectrics to memory devices are being actively conducted and commercially available on a limited basis.

강유전체막을 구비하는 메모리 디바이스의 대표적인 형태는 도 1에 그 단면을 도시한 바와 같이 실리콘 기판(2) 상에 형성된 게이트 적층물(4, 5)의 한 구성요소로서 강유전체막이 사용된 것인데, 구체적으로는 실리콘기판(2) 상에 강유전체막(4)과 금속층(5)이 순차적으로 적층되어 있고 이들 적층물 둘레에는 도전성 불순물층(6)이 형성되어 한개의 트랜지스터를 구성하고 있다. 이와 같이 강유전체막은 트랜지스터의 게이트 영역에서 금속 및 실리콘 기판과 함께 MFS(Metal- Ferroelectric-Semiconductor)구조를 이루고 있다.A typical form of a memory device having a ferroelectric film is one in which a ferroelectric film is used as one component of the gate stacks 4 and 5 formed on the silicon substrate 2 as shown in cross section in FIG. The ferroelectric film 4 and the metal layer 5 are sequentially stacked on the silicon substrate 2, and a conductive impurity layer 6 is formed around these laminates to form one transistor. As described above, the ferroelectric film forms a metal-ferroelectric-semiconductor (MFS) structure with a metal and a silicon substrate in the gate region of the transistor.

강유전체막을 이용하여 메모리 디바이스를 제조하는 방법은 크게 두가지로 나눌 수 있다. 하나는 강유전체를 이용하여 커패시터를 제조하고 이 커패시터에 저장된 두 방향의 신호를 읽고 또 쓰기 위하여 트랜지스터를 이용하는 방법으로써 소위 한개의 트랜지스터와 한개의 커패시터(1T/1C) 또는 2개의 트랜지스터와 2개의 커패시터(2T/2C)라고 불리는 방법이다. 이와 같은 메모리 디바이스는 통칭하여 페로일렉트릭 렘(Ferroelectric RAM:이하, FRAM이라 한다)이라 불리는데, 기본적으로는 다이내믹 램(Dinamic RAM)의 동작원리에 준하는 기본 개념을 갖고 있다. 물론 DRAM과는 달리 정기적인 리프레쉬(refresh)가 필요치 않고 전원이 공급되지 않더라도 저장된 데이타가 지워지지 않는 불휘발성 메모리이다.There are two main methods for manufacturing a memory device using a ferroelectric film. One is to manufacture a capacitor using ferroelectrics and use transistors to read and write signals in two directions stored in the capacitor, so-called one transistor and one capacitor (1T / 1C) or two transistors and two capacitors ( 2T / 2C). Such a memory device is collectively referred to as a ferroelectric RAM (hereinafter referred to as FRAM), and basically has a basic concept corresponding to the operation principle of the dynamic RAM. Of course, unlike DRAM, it is a nonvolatile memory that does not need regular refresh and does not erase stored data even when power is not supplied.

그러나 이와 같은 디바이스는 커패시터에 저장된 자발분극의 반전과 비반전을 이용하는 것을 원리로 하고 있기 때문에 한번 저장된 정보를 읽어내면 그 정보가 지워지므로 다시 읽을 때와 같은 정보를 써주어야 하는 정보파괴형 메모리 디바이스(Destructive Read Out:이하, DRO라 한다)이다.However, since the device uses the inversion and non-inversion of the spontaneous polarization stored in the capacitor, it is erased when the stored information is read once. Destructive Read Out (hereinafter referred to as DRO).

이와 달리 저장된 정보를 파괴하지 않고 읽어낼 수 있는 방법이 있는데, 소위 비 파괴 판독(Nondestructive Read Out:이하, NDRO라 한다)형 페로일렉트릭 메모리 디바이스이다. 이와 같은 디바이스는 기본적으로 트랜지스터의 게이트 또는 게이트 전극상에 페로일렉트릭 게이트 커패시터를 형성하고 이 페로일렉트릭 게이트 커패시터가 갖는 자발분극 방향에 따라 게이트 산화막아래의 기판 표면에 형성되는 채널의 존재여부가 결정된다. 이와 같은 메모리 디바이스는 기존의 DRAM이나 FRAM에 비해서 별도의 커패시터를 형성할 필요 없이 단일 트랜지스터상에 커패시터를 형성하기 때문에 집적화면에서 유리한 점이 있다. 하지만, DRAM과 같이 랜덤 액세스(random access)동작을 특정 셀을 선택하기 위한 부가적인 트랜지스터 즉, 액세스나 선택 트랜지스터가 필요하다. 이러한 형태의 NDRO형 페로일렉트릭 메모리 디바이스를 통칭하여 페로일렉트릭 플로팅 게이트 램 즉, FFRAM이라 한다.On the other hand, there is a method of reading stored information without destroying it, so-called nondestructive read out (hereinafter referred to as NDRO) type ferroelectric memory device. Such a device basically forms a ferroelectric gate capacitor on the gate or gate electrode of the transistor, and depending on the spontaneous polarization direction of the ferroelectric gate capacitor, the presence of a channel formed on the surface of the substrate under the gate oxide is determined. Such a memory device has an advantage in integrated screens because it forms a capacitor on a single transistor without forming a separate capacitor as compared to a conventional DRAM or FRAM. However, additional transistors, such as access or select transistors, are required to select a particular cell for random access operations, such as DRAM. This type of NDRO type ferroelectric memory device is collectively referred to as a ferroelectric floating gate RAM, that is, FFRAM.

FFRAM은 기존의 터널링 전자들을 이용하는 플레쉬 메모리와 같은 불휘발성 메모리에 비해 여러가지 잇점이 있는데, 먼저, 플레쉬 메모리가 터널링 산화막의 열화에 의하여 그 기록횟수가 105-106정도인데 반해 FFRAM의 경우는 페로일렉트릭의 자발분극을 이용하므로 이보다 훨씬 많다. 현재 사용하고 있는 대표적인 귀금속인 백금을 커패시터의 전극으로 사용하는 경우 피로(fatigue)문제가 있음에도 불구하고 109정도의 기록횟수가 가능하다. 더욱이 커패시터의 전극을 산화물 전도체로 대체할 경우에는 그 기록횟수는 1014-1015정도가 가능한 것으로 보고되고 있다. 또한, FFRAM은 페로일렉트릭 박막의 형성두께를 조절하여 코어시브 전압(coercive voltage), 즉, 페로일렉트릭의 자발분극을 반전시키는데 필요한 전압을 낮출 수 있다. 즉, FFRAM의 동작개시 전압을 3V∼5V정도로 낮게할 수 있다. 따라서 저전압동작이 가능하다. 뿐만 아니라 플레쉬 메모리가 게이트 산화막을 통해서 전자의 터널링이 이루어지는 시간에 비해 FFRAM의 분극반전 시간이 훨씬 빨리 이루어진다(10나노초 정도). 따라서 FFRAM은 저전압 고속동작이 가능한 불휘발성 비파괴형 메모리 디바이스의 구현을 가능하게 한다.FFRAM has several advantages over nonvolatile memory such as flash memory using conventional tunneling electrons. First, the flash memory has a write count of 10 5 -10 6 due to deterioration of the tunneling oxide film, whereas FFRAM is ferro. Much more than this because of electric spontaneous polarization. If platinum is used as the electrode of the capacitor, which is a representative precious metal currently used, the number of writes is about 10 9 despite the fatigue problem. Furthermore, when the electrode of the capacitor is replaced with an oxide conductor, the number of recordings is reported to be 10 14 -10 15 . In addition, the FFRAM can adjust the formation thickness of the ferroelectric thin film to lower the coercive voltage, that is, the voltage required to invert the spontaneous polarization of the ferroelectric. That is, the operation start voltage of the FFRAM can be lowered to about 3V to 5V. Therefore, low voltage operation is possible. In addition, the polarization inversion time of the FFRAM is much faster (about 10 nanoseconds) than the time when the flash memory tunnels electrons through the gate oxide film. Thus, FFRAM enables the implementation of nonvolatile, non-destructive memory devices capable of low voltage high speed operation.

FFRAM을 구현하는데 있어서의 마주치는 문제점으로는, 강유전체로 사용되는 PZT는 실리콘성분을 함유하고 있는 물질, 예컨데, 기판이나 실리콘 산화막과 심한 화학반응이나 상호확산을 일으켜서 그 제조공정이 극히 어렵다는 것이다.The problem encountered in implementing FFRAM is that PZT, which is used as a ferroelectric, causes severe chemical reactions or interdiffusion with a material containing silicon, such as a substrate or a silicon oxide film, making the manufacturing process extremely difficult.

최근 일본의 롬(Rohm)사는 산화 이리듐(IrO2)이 PZT를 강유전체로 사용하는 커패시터의 전극재료로서 우수한 특성을 나타낸다는 것을 밝혔다. 이를 바탕으로 FFRAM을 실용화하기 위한 다양한 방법이 제시되고 있다. 그중의 하나가 나카무라등에 의해 출원된 SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE HAVING FERRO ELECTRIC FILM이라는 제하의 미국특허(출원번호 5,345,414)인데, 이 특허는 FFRAM의 회로설계에 관련된 특허이다. 이 특허에서는 한개의 페로일렉트릭 트랜지스터를 메모리 셀의 기본으로 하고 있는데, 부가적으로 이 트랜지스터를 구동하기위하여 쓰기와 삭제용 트랜지스터와 읽기용 트랜지스터가 각 한개씩 구비되어 있다. 결국, 하나의 메모리 셀을 세개의 트랜지스터로 구성한다.Recently, Rohm of Japan has found that iridium oxide (IrO 2 ) exhibits excellent properties as an electrode material for capacitors using PZT as a ferroelectric. Based on this, various methods for practical application of FFRAM have been proposed. One of them is a US patent (Application No. 5,345,414) entitled SEMICONDUCTOR MEMORY DEVICE HAVING FERRO ELECTRIC FILM, filed by Nakamura et al., Which is related to the circuit design of FFRAM. In this patent, one ferroelectric transistor is used as the basis of a memory cell. In addition, one write and erase transistor and one read transistor are provided to drive the transistor. As a result, one memory cell is composed of three transistors.

페로일렉트릭 트랜지스터를 메모리 셀의 기본으로 구성하는 종래 기술의 다른 예는 국내 특허(출원번호:96-29878)에서 찾을 수 있다. 이 특허는 페로일렉트릭 트랜지스터를 메모리 셀의 기본으로 하는데, 부가적으로 이 트랜지스터를 구동하기 위하여 액세스 트랜지스터와 신호의 읽기에 필요한 드라이브 라인를 각 한개씩 구비하고 있다.결국, 이 특허는 두개의 트랜지스터와 한개의 드라이브 라인으로 메모리 셀을 구현함으로써 미국특허 5,345,414에 비해 회로를 단순화하고 칩의 면적을 감소할 수 있다.Another example of the prior art of constructing a ferroelectric transistor as the basis of a memory cell can be found in a domestic patent (application number: 96-29878). The patent uses a ferroelectric transistor as the basis of a memory cell, and additionally includes an access transistor and one drive line for reading a signal to drive the transistor. Implementing memory cells with drive lines can simplify circuitry and reduce chip area compared to US Pat. No. 5,345,414.

도 1에 도시된 바와 같이 게이트 영역에 MFS형태의 게이트 적층물을 갖는 종래 기술에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.A semiconductor device having a conventional ferroelectric film having a gate stack of MFS type in a gate region as shown in FIG. 1 and a manufacturing method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 종래 기술에 의한 MFS형태의 게이트 적층물을 구비하는 반도체장치를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.First, a semiconductor device having a gate stack of the MFS type according to the prior art will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

도 2는 종래 기술에 의한 MFS형태로 게이트 영역상에 강유전체막을 구비하는 반도체장치 구조의 일부의 평면도이고, 도 3은 도 2의 Ⅱ-Ⅱ방향 단면도이다.FIG. 2 is a plan view of a part of a semiconductor device structure having a ferroelectric film on a gate region in a conventional MFS form, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the II-II direction of FIG.

도 2 및 도 3은 종렬로 서로 근접해 있는 두개의 제1 메모리 셀(210A)과 제1 메모리 셀(210C)의 배열을 나타낸다. 제1 메모리 셀(210A)과 관련된 모든 성분들은 영문 대문자 A로 표시한다. 그리고 제2 메모리 셀(210C)과 관련된 모든 성분들은 영문 대문자 C로 표시한다. 이들 성분 가운데 동일한 숫자를 갖는 영문대문자로 표시된 성분들은 같은 기능을 갖는다.2 and 3 illustrate an arrangement of two first memory cells 210A and first memory cells 210C that are adjacent to each other in a row. All components related to the first memory cell 210A are denoted by an uppercase letter A in English. All components related to the second memory cell 210C are indicated by an uppercase letter C in English. Of those components, those marked with the same number in uppercase letters have the same function.

구체적으로, P형 실리콘 기판(220)의 표면근처에 필드산화막(221)에 의해 분리된 활성영역(228)이 형성되어 있다. 활성영역(228)에는 N형 불순물 확산층들(222A, 222C 및 232)이 소정의 간격을 두고 형성되어 있다. 인접한 메모리 셀들(210A, 210C)은 상기 N형 불순물 확산층(232)을 공유한다. 메모리 셀들(210A, 210C)은 배열상 서로 동등하게 배열되어 있다. 따라서 이들중 참조부호 210A로 표시되는 메모리 셀을 선택해서 설명한다.Specifically, an active region 228 separated by the field oxide film 221 is formed near the surface of the P-type silicon substrate 220. N-type impurity diffusion layers 222A, 222C, and 232 are formed in the active region 228 at predetermined intervals. Adjacent memory cells 210A and 210C share the N-type impurity diffusion layer 232. The memory cells 210A and 210C are arranged to be equal to each other in an array. Therefore, among these, the memory cell indicated by reference numeral 210A is selected and described.

반도체 기판(220) 상의 N형 불순물 확산층들(222A, 232)사이에는 게이트 산화막(233A), 게이트 전극(223A), 층 절연막(224A)이 순차적으로 형성되어 있는데 불순물 확산층(222A)에 접해서 형성되어 있다. 층 절연막(224A)로부터 상기 반도체기판(220)의 표면까지 확장되는 패로일렉트릭 게이트막(225A)이 확산층(232)에 접해서 형성되어 있다. 그리고 도전성 박막(236A)이 페로일렉트릭 게이트막(225A) 상에 형성되어 있다. 게이트 전극(223A)은 임의의 방향으로 확장되어 읽기용 워드라인(Reading Word Line:이하, RWL1)처럼 작용한다.A gate oxide film 233A, a gate electrode 223A, and a layer insulating film 224A are sequentially formed between the N-type impurity diffusion layers 222A and 232 on the semiconductor substrate 220, and are formed in contact with the impurity diffusion layer 222A. It is. A ferroelectric gate film 225A extending from the layer insulating film 224A to the surface of the semiconductor substrate 220 is formed in contact with the diffusion layer 232. A conductive thin film 236A is formed on the ferroelectric gate film 225A. The gate electrode 223A extends in an arbitrary direction and acts as a reading word line (hereinafter referred to as RWL1).

게이트전극(223A)위에 있는 상기 도전성박막(226A)의 일단과 한쪽이 접촉되어 있는 반도체 막(227A)이 형성되어 있는데, 반도체 막(227A)은 필드산화막(221)까지 확장되어 있다. 더욱이 반도체 막(227A)은 필드산화막(221) 상에 벨트(belt) 또는 밴드(band)형태로 확장되어 있다. 필드산화막(221) 상에 확장되는 반도체 박막의 밴드형 부분은 소거용 워드라인(Erasing Word Line:이하, WEWL1이라 한다)으로 사용된다.A semiconductor film 227A is formed in contact with one end of the conductive thin film 226A on the gate electrode 223A, and the semiconductor film 227A extends to the field oxide film 221. Further, the semiconductor film 227A extends in the form of a belt or a band on the field oxide film 221. The band-shaped portion of the semiconductor thin film extending on the field oxide film 221 is used as an erasing word line (hereinafter referred to as WEWL1).

절연물질로 형성된 측벽(247)과 절연막(248)은 반도체박막(227A)과 게이트전극(223A)사이 및 반도체 박막(227A)과 N형 불순물 확산층(222A)사이에 형성되어 있다. 반도체박막(227A)은 쓰기와 소거용 트랜지스터로 작용하는 한개의 N채널 금속 산화물 반도체 박막 트랜지스터(Metal Oxide Semicnductor Thin Film Transistor:이하, MOSTFT라 한다)(213A)로 구성된다.A sidewall 247 and an insulating film 248 formed of an insulating material are formed between the semiconductor thin film 227A and the gate electrode 223A and between the semiconductor thin film 227A and the N-type impurity diffusion layer 222A. The semiconductor thin film 227A is composed of one N-channel metal oxide semiconductor thin film transistor (hereinafter referred to as MOSTFT) 213A serving as a writing and erasing transistor.

도전성 박막(226A)에는 선택적으로 불순물이 주입되어 되어 있다. 그리고 N형 확산층(222A)위에는 채널 영역(235A)이 준비되어 있다. 또한 드레인 영역(236A)과 소오스영역(237A)은 채널영역의 양측과 접촉되어 있다. 이러한 배열에서 N형 불순물확산층(222A)의 포텐셜을 조절하여 채널영역(235A)에 채널의 존재여부를 조절할 수 있다.Impurities are selectively injected into the conductive thin film 226A. A channel region 235A is prepared on the N-type diffusion layer 222A. The drain region 236A and the source region 237A are in contact with both sides of the channel region. In this arrangement, the presence of the channel in the channel region 235A may be controlled by adjusting the potential of the N-type impurity diffusion layer 222A.

N형 불순물 확산층(222A)은 상기 MOSTFT(213A)의 게이트로 작용할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 상기 N형 불순물 확산층(222A)은 콘택홀(239A)에서 제1 비트라인(BL1)에 연결되어 있다.The N-type impurity diffusion layer 222A may serve as a gate of the MOSTFT 213A. As illustrated in FIG. 2, the N-type impurity diffusion layer 222A is connected to the first bit line BL1 in the contact hole 239A.

게이트전극(223A)이 형성되어 있는 위치에서 하나의 반전층(inversion layer)이 게이트전극(223A)에 인가된 전압에 따라 기판(220)의 표면에 나타나거나 사라질 수 있다. 즉, 게이트 전극(223A)이 형성된 한 영역에 읽기용 트랜지스터에 해당하는 N채널 금속 산화물 반도체 필드효과 트랜지스터(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:이하, MOSFET라 한다)(212A)가 형성되어 있다. 또한, 페로일렉트릭 게이트 막(225A)이 기판(220)과 접촉되어 있는 위치에서 상기 페로일렉트릭 게이트 막(225A)의 분극에 의존해서 상기 기판(220)에 반전층이 나타나거나 사라지는 두 종류의 안정한 상태가 있을 수 있다.At the position where the gate electrode 223A is formed, one inversion layer may appear or disappear on the surface of the substrate 220 according to the voltage applied to the gate electrode 223A. That is, an N-channel metal oxide semiconductor field effect transistor (hereinafter referred to as a MOSFET) 212A corresponding to a read transistor is formed in one region where the gate electrode 223A is formed. In addition, two kinds of stable states in which an inversion layer appears or disappears on the substrate 220 depending on the polarization of the ferroelectric gate film 225A at the position where the ferroelectric gate film 225A is in contact with the substrate 220. There can be.

페로일렉트릭 게이트 막(225A)의 분극은 정해진 값 또는 도전성 박막(226A)과 기판(220)사이에서 보다 큰 전압을 인가하여 반전시킬 수도 있다. 따라서 N채널 금속 페로일렉트릭 반도체 필드 효과 트랜지스터(Metal Ferroelectric Semiconductor Field Effect Transistor:이하, MFSEFT라 한다)(211A)가 상기 페로일렉트릭 게이트 막(225A)이 기판(220)과 접촉되는 면적에 형성되어 있다고 말할 수 있다. MFSFET는 저장용 필드 효과 트랜지스터와 같은 기능을 한다.Polarization of the ferroelectric gate film 225A may be inverted by a predetermined value or by applying a larger voltage between the conductive thin film 226A and the substrate 220. Therefore, an N-channel metal ferroelectric semiconductor field effect transistor (hereinafter referred to as MFSEFT) 211A is said to be formed in the area where the ferroelectric gate film 225A is in contact with the substrate 220. Can be. The MFSFET functions like a field effect transistor for storage.

도 3에서 참조번호 230과 231은 각각 층간절연막과 표면보호막이다.In FIG. 3, reference numerals 230 and 231 denote interlayer insulating films and surface protection films, respectively.

계속해서 이러한 구성요소를 갖는 반도체 메모리 디바이스의 제조방법을 설명한다.Subsequently, a method of manufacturing a semiconductor memory device having such a component will be described.

도 4 내지 도 23은 종래 기술에 의한 반도체 메모리 장치의 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들인데, 먼저, 도 4에 도시한 바와 같이 p형 실리콘 기판(220)의 전면에 얇은 산화막(233)을 성장시킨다. 이어서 도 5에 도시한 바와 같이 산화막(233) 상의 활성영역에 해당하는 영역에 실리콘 나이트라이드막(245)을 형성한다. 도 5의 결과물을 산화시켜서 실리콘 나이트라이드막(245)이 형성되지 않은 영역에서 산화막(233)을 더욱 성장시킨다. 이 결과 도 6에 도시한 바와 같이 기판(220)에 필드산화막(221)이 형성된다. 이렇게 해서 활성영역은 로코스(LOCOS:Local Oxidation of Silicon)에 의해 분리된다.4 to 23 are diagrams illustrating a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the prior art, in which stage a thin oxide film 233 is grown on a front surface of a p-type silicon substrate 220 as shown in FIG. 4. Let's do it. Subsequently, as illustrated in FIG. 5, a silicon nitride film 245 is formed in a region corresponding to the active region on the oxide film 233. By oxidizing the resultant product of FIG. 5, the oxide film 233 is further grown in a region where the silicon nitride film 245 is not formed. As a result, as shown in FIG. 6, a field oxide film 221 is formed on the substrate 220. In this way, the active region is separated by LOCOS (Local Oxidation of Silicon).

다음에, 실리콘 나이트라이드막(245)을 제거한다. 그리고 도 7에 도시한 바와 같이 금속막(223), 절연막(224)을 도 6의 결과물 전면에 순차적으로 형성한다. 이어서 도 8에 도시한 바와 같이, 산화막(233), 금속막(223) 및 절연막(224)을 순차적으로 패터닝하여 게이트 산화막(233A), 게이트 전극(223A) 및 층 절연막(224A)을 형성한다. 게이트 산화막(233A), 게이트 전극(223A) 및 층 절연막(224A)으로 구성되는 적층물(249)을 마스크로 하여 결과물 전면에 이온을 주입함으로써 자기정렬적으로 N형 불순물 확산층(222A)을 형성할 수 있다. 이 경우에 어떤 적절한 마스크를 N형 불순물 확산층(222A)의 반대편이고 적층물(249)에 접촉되는 영역에 형성하여 이온이 주입되지 않도록 한다.Next, the silicon nitride film 245 is removed. As shown in FIG. 7, the metal film 223 and the insulating film 224 are sequentially formed on the entire surface of the resultant product of FIG. 6. 8, the oxide film 233, the metal film 223, and the insulating film 224 are sequentially patterned to form the gate oxide film 233A, the gate electrode 223A, and the layer insulating film 224A. The N-type impurity diffusion layer 222A can be formed in a self-aligned manner by implanting ions into the entire surface of the resultant using a stack 249 composed of the gate oxide film 233A, the gate electrode 223A, and the layer insulating film 224A as a mask. Can be. In this case, a suitable mask is formed in the region opposite the N-type impurity diffusion layer 222A and in contact with the stack 249 to prevent ions from being implanted.

층 절연막(224A)이 게이트 전극(223A) 상에 형성되는데, 이것은 후속 단계에서 형성되는 페로일렉트릭 게이트 막(225A)에서 분극이 게이트 전극(223A)에 인가되는 전압에 의해 변화되는 것이 방해되기 때문이다. 따라서 층 절연막(224A)은 실리콘 산화막과 같은 저 유전상수를 갖는 물질을 사용한다.The layer insulating film 224A is formed on the gate electrode 223A because the polarization of the ferroelectric gate film 225A formed in a subsequent step is prevented from being changed by the voltage applied to the gate electrode 223A. . Therefore, the layer insulating film 224A uses a material having a low dielectric constant, such as a silicon oxide film.

이후, 도 9에 도시한 바와 같이, 페로일렉트릭 막(225)과 도전성 박막(226)을 도 8의 결과물 전면에 순차적으로 형성한다. 그리고 도 20에 도시한 바와 같이 페로일렉트릭 막(225)과 도전성 박막(226)을 패터닝한다. 이 결과 페로일렉트릭 게이트 막(225A)와 적층물(249)로부터 N형 불순물 확산층(222A)과 반대되는 방향으로 확장되는 도전성 박막(226A)이 형성된다. 페로일렉트릭 게이트 막(225A)의 일부는 기판(220)과 접촉되어 있는 상태이다.Thereafter, as shown in FIG. 9, the ferroelectric film 225 and the conductive thin film 226 are sequentially formed on the entire surface of the resultant product of FIG. 8. As shown in FIG. 20, the ferroelectric film 225 and the conductive thin film 226 are patterned. As a result, a conductive thin film 226A is formed extending from the ferroelectric gate film 225A and the stack 249 in a direction opposite to the N-type impurity diffusion layer 222A. A portion of the ferroelectric gate film 225A is in contact with the substrate 220.

페로일렉트릭 게이트 막(225A)은 PZT(Pb(Zr,Ti)O3)와 같은 페로일렉트릭 물질을 사용하여 형성할 수 있다. 그러나 PZT는 실리콘층과는 좋은 정렬을 이루기 어렵다. 그러므로 페로일렉트릭 게이트막(225A)과 기판(220)사이에는 통상 층간절연막을 형성한다. 층간절연막으로서는 CaF2, SrF2, 또는 이와 유사한 형성(flourite) 구조를 가지는 불화물이 사용될 수 있다. PZT외에도 페로일렉트릭 막(225)에 적합한 물질들로는 ABO3형 페로브스카이트 구조(여기서, A 및 B는 금속원소) 예컨데, PLZT, PTO, BTO와 같은 물질 그리고 다른 ABO3형 페로일렉트릭 물질을 사용할 수 있다. 다른 방안으로 그와 같은 ABO3형 페로일렉트릭 물질은 아니지만 BaMgF4, NaCaF3, K2ZnCl4등과 같은 할로겐화물과 Zn1-xCdxTe, GeTe, Sn2P2S6등과 같은 칼코게나이드(chalcogenides)를 사용할 수도 있다.The ferroelectric gate film 225A may be formed using a ferroelectric material such as PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ). However, PZT is difficult to achieve a good alignment with the silicon layer. Therefore, an interlayer insulating film is usually formed between the ferroelectric gate film 225A and the substrate 220. As the interlayer insulating film, CaF 2 , SrF 2 , or a fluoride having a similar structure may be used. In addition to PZT, suitable materials for the ferroelectric membrane 225 include ABO 3 type perovskite structures (where A and B are metal elements) such as PLZT, PTO, BTO and other ABO type 3 ferroelectric materials. Can be. Alternatively, it is not such an ABO type 3 ferroelectric material but a halide such as BaMgF 4 , NaCaF 3 , K 2 ZnCl 4 , and a chalcogenide such as Zn 1-x Cd x Te, GeTe, Sn 2 P 2 S 6, etc. (chalcogenides) can also be used.

페로일렉트릭 게이트 막(225A)의 패터닝은 습식식각으로 실행할 수 있다. 그러나 이온 밀링(milling)이나 반응성 이온 빔 식각(RIBE:Reactive Ion Beam Etching), 반응성 이온 식각과 같은 건식식각으로 실행할 수도 있다.The patterning of the ferroelectric gate film 225A can be performed by wet etching. However, it can also be performed by dry etching such as ion milling, reactive ion beam etching (RIBE), or reactive ion etching.

페로일렉트릭 게이트 막(225A)과 도전성 박막(226A)이 형성된 후 이들은 마스크로 하여 자기정렬적으로 N형 불순물 확산 영역(232)이 형성된다. 이 결과는 도 21에 도시되어 있다.After the ferroelectric gate film 225A and the conductive thin film 226A are formed, the N-type impurity diffusion region 232 is formed in a self-alignment manner as a mask. This result is shown in FIG.

이 상태에서 실리콘 산화막(246)이 결과물 전면에 적층한 후 에치 백한다. 그 결과 도 21에 도시한 바와 같이 N형 불순물 확산 영역들(222A, 232)사이에 형성되어 있는 적층물(249)의 양 사이드에는 측벽(247)이 형성된다.In this state, the silicon oxide film 246 is laminated on the entire surface of the resultant and then etched back. As a result, as shown in FIG. 21, sidewalls 247 are formed at both sides of the stack 249 formed between the N-type impurity diffusion regions 222A and 232.

이후, 도 22에 도시한 바와 같이 기판(220)을 열 산화하여 노출된 영역을 커버링하는 절연막(248)을 형성한 다음, 패터닝하여 게이트 전극(223A) 위에 형성되어 있는 도전성 박막(226A)의 한끝과 접촉되고 필드산화막(221)상의 영역까지 확장되는 반도체 박막(213A)을 형성한다. 반도체 박막(213A)은 폴리실리콘, 아몰퍼스 실리콘 또는 그와 유사한 물질을 사용하여 형성한다.Subsequently, as illustrated in FIG. 22, the substrate 220 is thermally oxidized to form an insulating film 248 covering the exposed region, and then patterned to one end of the conductive thin film 226A formed on the gate electrode 223A. And a semiconductor thin film 213A which is in contact with and extends to the area on the field oxide film 221. The semiconductor thin film 213A is formed using polysilicon, amorphous silicon, or the like.

반도체 박막(213A)에서, P형 불순물을 N형 불순물 확산 층(222A) 위의 한 영역에 주입하여 채널영역(235A)을 한정한다. 그리고 남아 있는 영역에 N형 불순물을 주입하여 드레인 및 소오스 영역(236A, 237A)을 형성한다.In the semiconductor thin film 213A, the P-type impurity is implanted into one region on the N-type impurity diffusion layer 222A to define the channel region 235A. N-type impurities are implanted into the remaining regions to form drain and source regions 236A and 237A.

이 상태에서 도 23에 도시한 바와 같이 도 22의 결과물 전면에 층 절연막(230)을 형성한다. 층 절연막(230)은 PSG(Phospo-Silicate Glass), BPSG(Boron- doped Phospho-Silicate Glass)막으로 형성한다. 다음에는 도 23에는 도시하지 않았지만, 도 2에 도시된 바와 같이 콘택홀(239A)과 다른 요소들을 형성한다. 그리고 비트라인(BL1)에 해당하는 알루미늄 배선과 기타 같은 종류의 것을 형성한다. 이어서 이 결과물 전면에 보호막(231)을 형성한다.In this state, as shown in FIG. 23, a layer insulating film 230 is formed on the entire surface of the resultant product of FIG. 22. The layer insulating film 230 is formed of Phospo-Silicate Glass (PSG) or Boron-doped Phospho-Silicate Glass (BPSG) film. Next, although not shown in FIG. 23, other elements may be formed from the contact hole 239A as shown in FIG. 2. The aluminum wiring and the like of the bit line BL1 are formed. Subsequently, a protective film 231 is formed on the entire surface of the resultant product.

상술한 바와 같은 종래 기술에 의한 MFS형태로 강유전체막을 구비하는 반도체장치에서는 단위 메모리 셀당 적어도 두개의 트랜지스터를 구성요소로 하고 있고 서로 인접하여 기판상에 배열되어 있다. 이러한 종래 기술은, 메모리 셀이 한개의 트랜지스터와 한개의 커패시터로 구성되는 기존의 DRAM에 비해 집적도면에서는 다소 유리한 점이 없지는 않으나 이러한 MFS구조에서는 실리콘기판과 강유전체막간의 확산반응과 강유전체막을 적층하는 과정에서 실리콘 기판에 형성되는 산화막이나 강유전체막의 실리콘기판 계면쪽의 조성변화로 인해 때때로 강유전체막의 특성이 열화되는 수가 있고 이로 인해 강유전체막의 반전분극에 필요한 전압이 높아지고 누설전류가 많아지는 단점이 있다.In the conventional semiconductor device having a ferroelectric film in the MFS form as described above, at least two transistors per unit memory cell are constituted and arranged adjacent to each other on a substrate. This conventional technology is not advantageous in terms of integration compared to conventional DRAMs in which a memory cell is composed of one transistor and one capacitor, but in this MFS structure, a diffusion reaction between a silicon substrate and a ferroelectric film and a process of stacking a ferroelectric film Due to the compositional change of the oxide film or the ferroelectric film formed on the silicon substrate at the interface side of the silicon substrate, the characteristics of the ferroelectric film may sometimes deteriorate, resulting in a high voltage and a leakage current required for the reverse polarization of the ferroelectric film.

MFS형태로 강유전체막을 적용하는 경우에 있어서 발생되는 상기의 단점을 극복하기 위해서 강유전체막을 MFS형태로 사용하지 않고 MFS형태에서 강유전체막(F)과 실리콘 기판(S)사이에 절연물질층으로 형성되는 버퍼층(buffer layer)이 첨가된 MFIS(Metal-Ferroelectric-Insulator- Semiconductor)형태로 널리 사용되고 있다.In order to overcome the above-mentioned disadvantages when the ferroelectric film is applied in the MFS form, the buffer layer is formed of an insulating material layer between the ferroelectric film F and the silicon substrate S in the MFS form without using the ferroelectric film in the MFS form. It is widely used in the form of MFIS (Metal-Ferroelectric-Insulator-Semiconductor) in which (buffer layer) is added.

그런데, MFIS형태에서 절연물질층(I)으로는 널리 사용되는 물질로는 실리콘 산화막(SiO2)이나 질화막(Si3N4)을 들 수 있는데, 실리콘 산화막이나 질화막은 유전율이 낮기 때문에 잔류분극(remnant polarization)과 분극반전(polarization inversion)에 필요한 FRAM의 구동전압이 높아져서 저 전압구동이 불가능하게 된다. 또한, MFIS형태에서 양질의 강유전체막(F)을 적층하기 위해서는 하층의 절연막(I)의 결정성이 우수해야 한다. 즉, 절연막이 단결정성장을 이루어야 한다.By the way, in the MFIS form, a material widely used as the insulating material layer (I) may be a silicon oxide film (SiO 2 ) or a nitride film (Si 3 N 4 ). Since the silicon oxide film or the nitride film has a low dielectric constant, the residual polarization ( The driving voltage of the FRAM required for remnant polarization and polarization inversion increases, making low voltage driving impossible. In addition, in order to deposit a good ferroelectric film F in the MFIS form, the crystallinity of the lower insulating film I must be excellent. That is, the insulating film must achieve single crystal growth.

실리콘 기판상에 다결정질의 절연물질층이나 다결정질의 금속/절연물질층을 적층한 다음 그 위에 다결정의 강유전막을 적층하는 경우는 단결정 실리콘기판(예컨대, 단결정 SrTiO3기판) 상에 직접 에피텍셜(epitaxial)법으로 단결정 강유전체막을 적층하는 경우보다 잔류분극이나 항자력(coercive force), 리텐션(retention), 피로(fatigue) 또는 임프린트(imprint) 특성이 나타나게 된다.In the case of stacking a polycrystalline insulating material layer or a polycrystalline metal / insulating material layer on a silicon substrate and then laminating a polycrystalline ferroelectric film thereon, the epitaxial layer is directly deposited on a single crystal silicon substrate (eg, a single crystal SrTiO 3 substrate). Residual polarization, coercive force, retention, fatigue, or imprint characteristics are exhibited compared to the case of stacking a single crystal ferroelectric film by the method.

따라서 강유전체막을 단결정으로 성장시키기 위해 실리콘 기판상에 형성되는 버퍼층에 대한 관심이 높아지고 있고 이에 대한 최근의 연구는 몇몇 특정물질층을 대상으로 이루어지고 있는데, 이중 대표적인 물질이 Y2O3와 세슘산화물(CeO2)과 STO(SrTiO3)이다. 이들 물질들을 결정학적으로 살펴보면 모두가 실리콘과 격자상수(lattice constant) 비슷하거나 정배수이다. 따라서 두 물질사이에는 격자의 미스매치(mismatch)가 작아서 실리콘 기판상에 양질의 헤테로 에피텍시가 기대되었으나 이들 물질들은 실리콘의 (100) 결정면에서 (100)방향이 아닌 (110)방향의 수직(normal)방향으로 결정이 성장되었다. 이러한 사실은 이들 물질중의 하나인 Y2O3를 실리콘 기판상에 성장시킨 결과물의 엑스선 회절결과를 나타낸 도 14를 참조하면 쉽게 알 수 있다. 도 14에서 가로 축은 엑스 선의 입사각을 나타내고 세로 축은 회절된 엑스 선의 세기를 나타낸다. 도 14를 참조하면, 참조번호 10은 Y2O3의 (110) 결정면에 의해 회절된 엑스선의 세기인데, 실리콘의 (100) 결정면에 의한 것(8)보다 그 세기가 훨씬 강함을 알 수 있다. 이들 물질들은 도 14에 도시된 바와 같이 한 방향((110) 방향)으로 성장될 수 있지만 다수의 인 플레인 오리엔테이션(in-plane orientation)을 가지게 되어 결과적으로는 단결정이 아닌 다결정 성장을 하게 된다. 이러한 사실은 도 15에서 알 수 있는데 도 15는 (110)방향으로 성장된 Y2O3의 (211)결정면에 엑스선을 쪼였을 때 나타나는 회절세기를 나타낸 도면인데, 입방(cubic)구조에서 나타나는 4중 축대칭(4 fold symmetry)이 한개가 아닌 3개가 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 이들 물질들은 인 플레인 오리엔테이션을 가지고 있음을 확실히 알 수 있다.Therefore, there is a growing interest in the buffer layer formed on the silicon substrate to grow the ferroelectric film into a single crystal, and a recent study on this has been conducted on several specific material layers. Among the representative materials, Y 2 O 3 and cesium oxide ( CeO 2 ) and STO (SrTiO 3 ). Crystallographically, these materials are all similar to or regular multiples of lattice constants with silicon. Thus, the mismatch of the lattice is small between the two materials, so a good hetero epitaxy is expected on the silicon substrate, but these materials are perpendicular to the (110) direction instead of the (100) direction in the (100) crystal plane of silicon. Crystals grew in the normal direction. This fact can be easily seen with reference to FIG. 14 showing the X-ray diffraction results of the growth of one of these materials, Y 2 O 3 on a silicon substrate. In FIG. 14, the horizontal axis represents the incident angle of X-rays, and the vertical axis represents the intensity of diffracted X-rays. Referring to FIG. 14, reference numeral 10 denotes the intensity of X-ray diffracted by the (110) crystal plane of Y 2 O 3 , which is much stronger than that of the (100) crystal plane of silicon (8). . These materials can be grown in one direction (110) as shown in FIG. 14 but have multiple in-plane orientations, resulting in polycrystalline growth rather than single crystals. This fact can be seen in FIG. 15, which shows the diffraction intensity when X-rays are scattered on the (211) crystal plane of Y 2 O 3 grown in the (110) direction. It can be seen that there are three axis symmetry, not one. Thus it is clear that these materials have in-plane orientations.

이와 같이 종래 기술에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법에서는 강유전체막이 MFIS형태로 사용되고 있는데, 단결정 강유전체막을 형성하기 위해 버퍼층으로 사용되는 물질층들이 바람직한 방향인 (100)방향으로 성장되지 못하고 (110)방향으로 성장된다. 따라서 이들 버퍼층의 결정상태에 따라 그 결정상태의 질이 정해지는 강유전체막도 (100)방향으로 성장되지 못하는 결과를 가져온다. 이러한 결과에 의해 강유전체막을 구비하는 반도체장치 및 그 제조방법에서는 강유전체막의 결함에 기인한 반도체장치의 특성이 저하되고 강유전체막의 자구영역(domain)의 분극반전시 피닝(pinning)이 발생된다.As described above, in a semiconductor device having a ferroelectric film according to the related art and a method of manufacturing the same, the ferroelectric film is used in the MFIS form, and the material layers used as the buffer layer to form the single crystal ferroelectric film do not grow in the preferred direction (100) ( Direction 110). Therefore, the ferroelectric film whose quality of the crystal state is determined according to the crystal state of these buffer layers does not grow in the (100) direction. As a result, in a semiconductor device having a ferroelectric film and a method of manufacturing the same, the characteristics of the semiconductor device due to defects in the ferroelectric film are deteriorated, and pinning occurs during polarization inversion of the domain of the ferroelectric film.

따라서 본 발명의 목적을 상술한 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해 (100)방향의 결정방향을 갖는 2중 버퍼층을 구비하는 반도체장치를 제공함에 있다.Accordingly, in order to solve the problems of the prior art, the object of the present invention is to provide a semiconductor device having a double buffer layer having a crystal direction in the (100) direction.

본 발명의 다른 목적은 상기 반도체장치를 제조하는 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the semiconductor device.

도 1은 종래 기술에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a ferroelectric film according to the prior art.

도 2 내지 도 13은 종래 기술에 의한 MFS(Metal Ferroelectric Semicon ductor)의 게이트 적층물을 구비하는 반도체 장치의 제조방법을 단계별로 나타낸 도면들이다.2 to 13 are steps illustrating a method of manufacturing a semiconductor device having a gate stack of a metal ferroelectric semiconductor (MFS) according to the prior art.

도 14는 회절된 엑스선의 입사각에 따른 세기를 나타낸 도면이다.14 is a view showing the intensity according to the incident angle of the diffracted X-rays.

도 15는 (211)의 결정방향을 갖는 Y203막의 엑스선 회절세기를 나타낸 도면이다.15 is a graph showing X-ray diffraction intensity of a Y 2 0 3 film having a crystal direction of (211).

도 16은 본 발명의 제1 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 단면도이다.16 is a cross-sectional view of a semiconductor device including a ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention.

도 17은 본 발명의 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 단면도이다.17 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention.

도면의 주요부분에 대한 부호설명Explanation of Signs of Major Parts of Drawings

40, 56:단결정 실리콘 기판. 42, 58:제1 버퍼층(buffer layer).40, 56: single crystal silicon substrate. 42, 58: first buffer layer.

44, 60:제2 버퍼층(buffer layer)44, 60: second buffer layer

46, 64:강유전체막. 48:전극.46, 64: ferroelectric film. 48: electrode.

62, 66:제1 및 제2 전극.62, 66: first and second electrodes.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치는 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판 상에 결정방향이 (100)인 단결정 제1 버퍼층; 상기 단결정 제1 버퍼층에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 제2 버퍼층; 상기 단결정 제2 버퍼층 상에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 강유전체막; 및 상기 강유전체막 상에 있는 전극으로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a semiconductor device having a ferroelectric film according to a first embodiment of the present invention comprises a single crystal first buffer layer having a crystal direction of (100) on a single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100); A single crystal second buffer layer having a crystal direction (100) in the single crystal first buffer layer; A single crystal ferroelectric film having a crystal direction of (100) on the single crystal second buffer layer; And an electrode on the ferroelectric film.

상기 제1 버퍼층은 지르코늄 산화물층이다. 상기 지르코늄 산화물층은 지르코늄 이 산화막(Zr02)이다.The first buffer layer is a zirconium oxide layer. The zirconium oxide layer is a zirconium dioxide film Zr0 2 .

상기 제2 버퍼층은 Y2O3와 세슘산화물(CeO2)과 STO(SrTiO3)로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층이다.The second buffer layer is any one material layer selected from the group consisting of Y 2 O 3 , cesium oxide (CeO 2 ), and STO (SrTiO 3 ).

상기 강유전체막은 PZT막이다.The ferroelectric film is a PZT film.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치는 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판 상에 (100)방향의 결정방향을 갖는 단결정 제1 버퍼층; 상기 단결정 제1 버퍼층에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 제2 버퍼층; 상기 단결정 제2 버퍼층 상에 있는 제1 전극; 상기 단결정 제1 전극상에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 강유전체막; 및 상기 단결정 강유전체막 상에 있는 제2 전극으로 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a semiconductor device having a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention includes a single crystal first buffer layer having a crystal direction in the (100) direction on a single crystal silicon substrate having the crystal direction (100); A single crystal second buffer layer having a crystal direction (100) in the single crystal first buffer layer; A first electrode on the single crystal second buffer layer; A single crystal ferroelectric film having a crystal direction of (100) on the single crystal first electrode; And a second electrode on the single crystal ferroelectric film.

상기 제1 버퍼층은 각각 지르코늄 산화물층이다. 상기 지르코늄 산화물층은 ZrO2막이다.The first buffer layer is a zirconium oxide layer, respectively. The zirconium oxide layer is a ZrO 2 film.

상기 제2 버퍼층은 Y2O3와 세슘산화물(CeO2)과 STO(SrTiO3)로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층이다.The second buffer layer is any one material layer selected from the group consisting of Y 2 O 3 , cesium oxide (CeO 2 ), and STO (SrTiO 3 ).

상기 강유전체막은 PZT막이다.The ferroelectric film is a PZT film.

상기 강유전체막은 복수개의 강유전체막으로 구성된 복층일 수 있다.The ferroelectric film may be a multilayer formed of a plurality of ferroelectric films.

상기 제1 전극은 게이트 커패시터의 하부전극이며 Pt, SrCal-x,RuXO3,또는 LaSrCoO3중 어느 한 물질막이다.The first electrode is a lower electrode of the gate capacitor and is a material film of Pt, SrCa lx , Ru X O 3 , or LaSrCoO 3 .

상기 제2 전극은 게이트 커패시터의 상부전극이다.The second electrode is an upper electrode of the gate capacitor.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 제조방법은In order to achieve the above another object, the manufacturing method of a semiconductor device having a ferroelectric film according to the first embodiment of the present invention

(a) 반도체기판의 상에 결정방향이 (100)이 되도록 제1 에피텍셜층을 적층하는 단계; (b) 상기 제1 에픽텍셜층 상에 결정방향이 (100)이 되도록 제2 에피텍셜층을 적층하는 단계; (c) 상기 제2 에피텍셜층 상에 결정방향이 (100)이 되도록 강유전체막을 적층하는 단계; 및 (d) 상기 강유전체막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함한다.(a) depositing a first epitaxial layer on the semiconductor substrate such that the crystal direction is (100); (b) depositing a second epitaxial layer on the first epitaxial layer such that the crystal direction is (100); (c) depositing a ferroelectric film on the second epitaxial layer such that the crystal direction is (100); And (d) forming an electrode on the ferroelectric film.

상기 제1 에피텍셜층은 상기 강유전체막에 대한 제1 버퍼층으로서 지르코늄 산화물층으로 적층한다.The first epitaxial layer is laminated with a zirconium oxide layer as a first buffer layer for the ferroelectric film.

상기 지르코늄 산화물막을 형성하는 단계는 (a1) 결정방향이 (100)인 실리콘기판의 전면에서 자연산화막을 제거하는 단계; (a2) 상기 자연산화막이 제거된 실리콘기판을 적층챔버에서 인-시츄클리닝하는 단계; (a3) 상기 기판 상에 지르코늄(Zr)막을 형성하는 단계; 및 (a4) 상기 기판상에 소정의 두께이하로 지르코늄 산화물막을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the zirconium oxide film may include: (a1) removing the native oxide film from the entire surface of the silicon substrate having a crystal direction of (100); (a2) in-situ cleaning the silicon substrate from which the natural oxide film is removed in a lamination chamber; (a3) forming a zirconium (Zr) film on the substrate; And (a4) forming a zirconium oxide film on the substrate with a predetermined thickness or less.

상기 제2 에피텍셜층의 형성에는 CVD(Chemical Vapor Deposition)방식이나 PVD(Physical Vapor Deposition)방식을 이용한다.Chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) is used to form the second epitaxial layer.

상기 제2 에피텍셜층은 상기 강유전체막에 대한 제2 버퍼층으로서 CVD나 PCVD방식중 어느 한 방식으로 Y2O3층과 세슘 산화물층(CeO2)과 STO(SrTiO3)층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층을 적층하여 형성한다.The second epitaxial layer is selected from the group consisting of a Y 2 O 3 layer, a cesium oxide layer (CeO 2 ), and a STO (SrTiO 3 ) layer as either the CVD or PCVD method as the second buffer layer for the ferroelectric film. It is formed by stacking any one material layer.

상기 강유전체막은 단층으로 형성할 수도 있고 복층으로 형성할 수도 있다. 상기 강유전체막을 단층으로 형성할 경우 PZT막으로 적층할 수 있다.The ferroelectric film may be formed in a single layer or in multiple layers. When the ferroelectric film is formed as a single layer, the ferroelectric film may be laminated with a PZT film.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 제조방법은 반도체기판의 상에 결정방향이 (100)이 되도록 제1 에피텍셜층을 적층하는 단계; 상기 제1 에픽텍셜층 상에 결정방향이 (100)이 되도록 제2 에피텍셜층을 적층하는 단계; 상기 제2 에피텍셜층 상에 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 전극상에 결정방향이 (100)이 되도록 강유전체막을 적층하는 단계; 및 상기 강유전체막 상에 제2 전극을 형성하는 단계를 포함한다.In order to achieve the above object, a method of manufacturing a semiconductor device having a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention comprises the steps of stacking a first epitaxial layer on the semiconductor substrate so that the crystal direction is (100); Stacking a second epitaxial layer on the first epitaxial layer such that a crystal direction is (100); Forming a first electrode on the second epitaxial layer; Stacking a ferroelectric film on the first electrode such that the crystal direction is (100); And forming a second electrode on the ferroelectric film.

상기 제1 에피텍셜층은 상기 강유전체막에 대한 제1 버퍼층으로서 지르코늄 산화물층으로 적층한다.The first epitaxial layer is laminated with a zirconium oxide layer as a first buffer layer for the ferroelectric film.

상기 지르코늄 산화물막을 형성하는 단계는 (a1) 결정방향이 (100)인 실리콘기판의 전면에서 자연산화막을 제거하는 단계; (a2) 상기 자연산화막이 제거된 실리콘기판을 적층챔버에서 인-시츄클리닝하는 단계; (a3) 상기 기판 상에 지르코늄(Zr)막을 형성하는 단계; 및 (a4) 상기 기판상에 소정의 두께이하로 지르코늄 산화물막을 형성하는 단계를 포함한다.The forming of the zirconium oxide film may include: (a1) removing the native oxide film from the entire surface of the silicon substrate having a crystal direction of (100); (a2) in-situ cleaning the silicon substrate from which the natural oxide film is removed in a lamination chamber; (a3) forming a zirconium (Zr) film on the substrate; And (a4) forming a zirconium oxide film on the substrate with a predetermined thickness or less.

상기 제2 에피텍셜층의 형성에는 CVD(Chemical Vapor Deposition)방식이나 PVD(Physical Vapor Deposition)방식을 이용한다.Chemical vapor deposition (CVD) or physical vapor deposition (PVD) is used to form the second epitaxial layer.

상기 제2 에피텍셜층은 상기 강유전체막에 대한 제2 버퍼층으로서 Y2O3와 세슘산화물(CeO2)과 STO(SrTiO3)로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층으로 적층한다.The second epitaxial layer is formed of one material layer selected from the group consisting of Y 2 O 3 , cesium oxide (CeO 2 ), and STO (SrTiO 3 ) as a second buffer layer for the ferroelectric film.

상기 제1 전극은 게이트 커패시터의 하부전극으로 사용되는데, Pt, SrCal-x,RuXO3,또는 LaSrCoO3중 어느 한 물질막으로 형성한다.The first electrode is used as a lower electrode of the gate capacitor, and is formed of any one material layer of Pt, SrCa lx , Ru X O 3 , or LaSrCoO 3 .

상기 강유전체막은 단층으로 형성할 수도 있고 복층으로 형성할 수도 있다. 상기 강유전체막을 단층으로 형성할 경우 PZT막으로 적층할 수 있다.The ferroelectric film may be formed in a single layer or in multiple layers. When the ferroelectric film is formed as a single layer, the ferroelectric film may be laminated with a PZT film.

상기 제2 전극은 커패시터의 하부전극으로 사용된다.The second electrode is used as a lower electrode of the capacitor.

본 발명은 강유전체막이 하부막질의 결정방향과 동일하게 성장되게 하여 양질의 강유전체막을 형성할 수 있다. 따라서 강유전체의 결함에 기인한 특성저하와 분극방향전환시의 피닝현상이 나타나는 것을 방지할 수 있다.According to the present invention, the ferroelectric film can be grown in the same direction as the crystallographic direction of the lower film to form a high-quality ferroelectric film. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of characteristics due to the defect of the ferroelectric and the pinning phenomenon at the time of polarization changeover.

이하, 본 발명의 실시예에 의한 반도체장치 및 그 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a semiconductor device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 16은 본 발명의 제1 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 단면도이고, 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 단면도이다.16 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a ferroelectric film according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 17 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention.

도 16는 MFIS형태를 갖는 반도체장치의 단면도인데, 이를 참조하면, 활성영역과 필드영역으로 구분된 p형 반도체 기판(40)이 있고 상기 반도체기판(40)의 활성영역의 일부에는 소정의 간격을 두고 기판과 다른 형태의 도전성불순물로 이루어진 불순물층(50)이 있다. 상기 기판(40)의 상기 불순물층(50)과 접해 있는 활성영역상에는 상기 불순물층(50)과 양쪽이 접촉되어 있는 제1 버퍼층(42)이 있고 상기 제1 버퍼층(42)의 상부전면에는 제2 버퍼층(44)이 접촉되어 있다. 상기 반도체기판(40)은 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘기판이다. 그리고 상기 제1 버퍼층(42)도 상기 반도체기판(40)의 실리콘(Si) 결정방향과 동일한 (100)방향을 갖는 단결정 물질층으로서 단결정 지르코늄 산화물층이다. 구체적으로는 격자형태가 정방정계(tetragonal)인 (100)방향의 단결정 지르코늄 산화막(ZrO2)이다. 또한, 상기 제2 버퍼층(44)도 결정방향이 (100)인 단결정 물질층으로서 Y2O3층이다. 상기 제2 버퍼층(44)은 상기 Y2O3층외에도 동일한 결정방향을 갖는 단결정 CeO2층 또는 단결정STO층중 선택된 어느 한 물질층일 수 있다.FIG. 16 is a cross-sectional view of a semiconductor device having a MFIS shape. Referring to this, there is a p-type semiconductor substrate 40 divided into an active region and a field region, and a predetermined interval is provided in a part of the active region of the semiconductor substrate 40. There is an impurity layer 50 composed of a conductive impurity of a different form from the substrate. On the active region of the substrate 40, which is in contact with the impurity layer 50, there is a first buffer layer 42 in contact with both of the impurity layer 50, and an upper surface of the first buffer layer 42. 2 buffer layer 44 is in contact. The semiconductor substrate 40 is a single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100). The first buffer layer 42 is also a single crystal zirconium oxide layer as a single crystal material layer having the same (100) direction as the silicon (Si) crystal direction of the semiconductor substrate 40. Specifically, a single crystal zirconium oxide film (ZrO 2 ) in the (100) direction whose lattice shape is tetragonal. In addition, the second buffer layer 44 is a Y 2 O 3 layer as a single crystal material layer having a crystal direction of (100). The second buffer layer 44 may be any one material layer selected from among the single crystal CeO 2 layer or the single crystal STO layer having the same crystal direction in addition to the Y 2 O 3 layer.

계속해서 상기 제2 버퍼층(44) 상에는 결정방향이 (100)인 단결정 강유전체막(46)이 접촉되어 있고, 상기 단결정 강유전체막(46) 상에는 전극(48)이 접촉되어 있다. 상기 단결정 강유전체막(46)은 PZT막이다.Subsequently, a single crystal ferroelectric film 46 having a crystal direction of (100) is in contact with the second buffer layer 44, and an electrode 48 is in contact with the single crystal ferroelectric film 46. The single crystal ferroelectric film 46 is a PZT film.

상기 본 발명의 제1 실시예에 의한 반도체장치에서는 반도체기판이 P형 불순물이 주입된 단결정 실리콘 반도체기판(40)이지만, 이는 한 예에 지나지 않으며 다른 형의 불순물이 주입된 단결정 실리콘 기판이 될 수도 있다.In the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, the semiconductor substrate is a single crystal silicon semiconductor substrate 40 into which P-type impurities are injected. However, this is only one example and may be a single crystal silicon substrate into which other types of impurities are injected. have.

계속해서 도 17을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치를 설명한다. 본 발명의 제2 실시예에 의한 반도체장치는 MFMIS형태의 반도체장치에 관한 것인데, 구체적으로 설명하면, P형이고 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 반도체 기판(56)의 활성영역의 일부에는 소정의 간격을 두고 상기 기판(56)과 다른 형태의 도전성불순물로 이루어진 불순물층(68)이 있다. 상기 기판(56)의 상기 불순물층(68)과 접해 있는 활성영역상에는 상기 불순물층(68)과 양쪽이 접촉되어 있는 제1 버퍼층(58)이 접촉되어 있고 상기 제1 버퍼층(58)의 상부전면에는 제2 버퍼층(60)이 접촉되어 있다.17, a semiconductor device including a ferroelectric film according to a second embodiment of the present invention will be described. The semiconductor device according to the second embodiment of the present invention relates to a semiconductor device of the MFMIS type. Specifically, the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is provided in a part of the active region of the single crystal silicon semiconductor substrate 56 having the P-type and the crystal direction (100). There is an impurity layer 68 composed of a conductive impurity of a different form from the substrate 56 at intervals of. On the active region of the substrate 56 that is in contact with the impurity layer 68, the first buffer layer 58, which is in contact with both of the impurity layer 68, is in contact with the upper surface of the first buffer layer 58. The second buffer layer 60 is in contact with each other.

상기 제1 버퍼층(58)은 상기 반도체기판(56)의 실리콘(Si) 결정방향과 동일한 (100)방향을 갖는 단결정 물질층으로서 단결정 지르코늄 산화물층이다. 정확히 말하자면 상기 제1 버퍼층(58)은 격자형태가 정방정계(tetragonal)인 단결정 지르코늄 산화막(ZrO2)이다.The first buffer layer 58 is a single crystal zirconium oxide layer as a single crystal material layer having the same (100) direction as the silicon (Si) crystal direction of the semiconductor substrate 56. In other words, the first buffer layer 58 is a single crystal zirconium oxide film (ZrO 2 ) having a tetragonal lattice shape.

상기 제2 버퍼층(60)은 결정방향이 상기 제1 버퍼층(42)의 결정방향과 동일한 (100)방향을 갖는 단결정 물질층으로서 단결정 Y2O3층이다. 상기 제2 버퍼층(44)은 상기 단결정 Y2O3층외에도 단결정 CeO2층 또는 단결정 STO층중 선택된 어느 한 물질층일 수 있다.The second buffer layer 60 is a single crystal Y 2 O 3 layer having a (100) direction in which the crystal direction is the same as the crystal direction of the first buffer layer 42. The second buffer layer 44 may be any material layer selected from a single crystal CeO 2 layer or a single crystal STO layer in addition to the single crystal Y 2 O 3 layer.

상기 제2 버퍼층(60) 상에는 제1 전극(62)이 전면에 접촉되어 있다. 상기 제1 전극(62) 상에는 강유전체막(64)이 전면에 접촉되어 있고, 상기 강유전체막(64) 상에는 제2 전극(66)이 접촉되어 있다.The first electrode 62 is in contact with the entire surface on the second buffer layer 60. The ferroelectric film 64 is in contact with the entire surface on the first electrode 62, and the second electrode 66 is in contact with the ferroelectric film 64.

상기 제1 및 제2 전극(62, 66)은 커패시터의 하부 및 상부전극이다. 여기서 상기 제1 전극(62)은 Pt막, SrCal-x막, RuXO3막 및 LaSrCoO3막으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질막이다.The first and second electrodes 62 and 66 are lower and upper electrodes of the capacitor. The first electrode 62 is any one material film selected from the group consisting of a Pt film, an SrCa lx film, a Ru X O 3 film, and a LaSrCoO 3 film.

다음에는 상기 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 의한 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 제조방법을 설명한다. 이를 위해 도 16 및 도 17를 다시 참조한다. 먼저, 도 16을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 강유전체 반도체장치의 제조방법은 제1 단계로서 결정방향이 (100)인 P형 단결정 실리콘 기판(40)을 준비한다. 이어서 상기 단결정 실리콘 기판(40)을 활성영역과 필드영역으로 구분한 다음 상기 필드영역에는 소자분리를 위해 필드산화막(도시하지 않음)을 형성한다.Next, a method of manufacturing a semiconductor device having the ferroelectric films according to the first and second embodiments of the present invention will be described. For this purpose, reference is again made to FIGS. 16 and 17. First, referring to FIG. 16, in the method of manufacturing the ferroelectric semiconductor device according to the first embodiment of the present invention, a P-type single crystal silicon substrate 40 having a crystal direction of 100 is prepared as a first step. Subsequently, the single crystal silicon substrate 40 is divided into an active region and a field region, and then a field oxide film (not shown) is formed in the field region for device isolation.

상기 실리콘기판(40)의 활성영역상에는 에피텍셜 층으로서 결정방향이 (100)인 단결정 제1 버퍼층(42)을 형성한다. 상기 제1 버퍼층(42)은 (100)방향의 단결정 지르코늄 산화물층, 예컨대 지르코늄 이 산화막(ZrO2)으로 형성한다.A single crystal first buffer layer 42 having a crystal direction of 100 is formed as an epitaxial layer on the active region of the silicon substrate 40. The first buffer layer 42 is formed of a single crystal zirconium oxide layer in the (100) direction, for example, zirconium dioxide oxide (ZrO 2 ).

지르코늄 이 산화막(ZrO2)은 상대적으로 큰 유전상수(약 18)를 갖고 약 5전자볼트(eV)의 상대적으로 넓은 에너지 갭을 갖는 절연물질이다. 따라서 ZrO2는 DRAM에서 스토리지 커패시터로 사용될 수 있고 또한 SOI(Silicon-On-Insulator)장치에서 절연층으로 사용될 수도 있는 잠재성이 있다.Zirconium dioxide (ZrO 2 ) is an insulating material having a relatively large dielectric constant (about 18) and a relatively wide energy gap of about 5 electron volts (eV). Therefore, ZrO 2 has the potential to be used as a storage capacitor in DRAM and also as an insulating layer in silicon-on-insulator (SOI) devices.

상기 지르코늄 이 산화물층을 형성하는 공정은 다음과 같이 진행한다.The process of forming the zirconium oxide layer proceeds as follows.

먼저, (100)방향의 단결정 실리콘 기판을 준비하여 묽은 불산(HF)을 사용하여 습식으로 식각하여 상기 실리콘 기판의 표면에 형성되는 자연산화막을 제거한다. 이어서 적층챔버내에서 상기 습식식각된 단결정 실리콘 기판(40)을 인 시츄(in situ) 클리닝한다. 상기 클리닝은 850℃ 이상 상기 기판(40)에 무리가 가지 않는 온도범위, 10-8토르(torr)이하의 압력하에서 실시하는 열적 클리닝(thermal cleaning)방법이나 수소 래디클(radical)을 사용하는 방법을 이용한다.First, a single crystal silicon substrate in the (100) direction is prepared and wet-etched using dilute hydrofluoric acid (HF) to remove the native oxide film formed on the surface of the silicon substrate. The wet etched single crystal silicon substrate 40 is then in situ cleaned in a deposition chamber. The cleaning may be performed at a temperature range of 850 ° C. or higher, or under a pressure of 10 −8 torr or less, or by using a thermal cleaning method or hydrogen radical. Use

계속해서 이베퍼레이션(evaporation)이나 스퍼터링(sputtering), 레이저 절제술(laser ablation), MBE(Molecular Beam Epitaxy) 또는 ICBD와 같은 진공증착기술을 사용하고 10-6토르(torr)이하의 압력하에서 5Å∼10Å정도의 두께로 상기 세정된 단결정 실리콘 기판(40) 상에 지르코늄(Zr)막을 형성한다. 계속해서 상기 적층챔버에 산소가스를 플로우시키면서 상기 지르코늄막을 형성하면 형성되어 있는 상기 지르코늄막상에는 ZrO2막이 형성된다. 상기 ZrO2막을 형성하는 공정조건을 보면, 상기 적층챔버내의 압력을 10-3토르(torr)∼10-6토르(torr)사이값으로 유지한다. 상기 ZrO2의 두께는 100Å이하의 두께로 형성한다.Subsequently, vacuum deposition techniques such as evaporation, sputtering, laser ablation, molecular beam epitaxy, or ICBD are used, and the pressure is reduced from 5 kPa to 10 -6 torr or less. A zirconium (Zr) film is formed on the cleaned single crystal silicon substrate 40 to a thickness of about 10 GPa. Subsequently, a ZrO 2 film is formed on the zirconium film formed by forming the zirconium film while flowing oxygen gas in the stacking chamber. In view of the process conditions for forming the ZrO 2 film, the pressure in the deposition chamber is maintained at a value between 10 −3 torr and 10 −6 torr. The thickness of the ZrO 2 is formed to a thickness of 100 kPa or less.

상기 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판(40)에 결정방향이 (100)인 단결정 지르코늄 산화물층을 형성할 수 있는 것은 참고문헌 1(Evaluation of crystalline quality of zirconium dioxide films on silicon by means of ion-beam channeling: J. Appl. Phys., 63, No. 2,15 January 1988)을 통해서 확인할 수 있다.It is possible to form a single crystal zirconium oxide layer having a crystal direction of (100) on the single crystal silicon substrate 40 having the crystal direction of (100) .Refer to Evaluation of crystalline quality of zirconium dioxide films on silicon by means of ion. beam channeling: J. Appl. Phys., 63, No. 2,15 January 1988).

상기 ZrO2의 격자구조는 입방계가 아닌 단사정계(monclinic)이나 700℃이상의 온도에서 (100)방향의 단결정 실리콘 기판상에 증착되는 경우 정방정계이 격자구조를 가지며 (100)방향의 인 플레인 방향을 갖는 단결정층으로 증착된다.The ZrO 2 lattice structure has a lattice structure and an in-plane direction in the (100) direction when deposited on a monocrystalline silicon substrate in the (100) direction at a temperature of 700 ° C. It is deposited into a single crystal layer.

그러나 상기 정방정계의 격자구조를 갖는 ZrO2의 격자의 한 평면(a plane)은 정사각형이 아니기 때문에 강유전체막을 직접 그 위에 형성하는 경우 원하는 양질의 단결정 강유전체막이 형성되지 않는다. 따라서 상기 정방정계의 격자구조를 갖는 ZrO2층으로 형성되는 상기 제1 버퍼층(42) 상에 강유전체막을 형성하기 전에 상기 강유전체막의 단결정성을 보장할 수 있는 제2 버퍼층(44)을 형성한다. 상기 제2 버퍼층(44)으로는 입방계 격자구조의 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층을 사용하면, 상기 제1 버퍼층(42)인 ZrO2층 상에 상기 제2 버퍼층(44)을 (100)방향을 갖는 단결정층으로 형성할 수 있다. 상기 제2 버퍼층(44)은 CVD방식 또는 PVD방식으로 형성할 수 있다.However, since a plane of the ZrO 2 lattice having the tetragonal lattice structure is not square, a desired single-crystal ferroelectric film of desired quality is not formed when the ferroelectric film is directly formed thereon. Therefore, before forming the ferroelectric layer on the first buffer layer 42 formed of the ZrO 2 layer having the tetragonal lattice structure, the second buffer layer 44 capable of ensuring the single crystallinity of the ferroelectric layer is formed. As the second buffer layer 44, when any one material layer selected from the group consisting of a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and an STO layer having a cubic lattice structure is used, the ZrO 2 layer, which is the first buffer layer 42, is used. The second buffer layer 44 may be formed as a single crystal layer having a (100) direction thereon. The second buffer layer 44 may be formed by a CVD method or a PVD method.

상기 제2 버퍼층(44)을 상기 (100)방향의 단결정 실리콘 기판(40)에 직접 형성하지 않고 상기 제1 버퍼층(42) 상에 형성하는 것은 종래 기술의 설명에서 상술한 바와 같이 상기 (100)방향의 단결정 실리콘 기판(40)상에 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층으로 제2 버퍼층(44)을 형성하는 경우 제2 버퍼층(44)이 (100)방향으로 성장되지 않고 (110)방향으로 성장되어 이 위에 강유전체막이 형성되는 경우 (100)방향을 가질 수 없기 때문이다.The formation of the second buffer layer 44 on the first buffer layer 42 without directly forming the single crystal silicon substrate 40 in the (100) direction is the same as described above in the description of the related art. When the second buffer layer 44 is formed of a material layer selected from a group consisting of a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and an STO layer on the single crystal silicon substrate 40 in the direction of the second buffer layer 44 ( This is because when the ferroelectric film is formed thereon without being grown in the 100) direction and growing in the (110) direction, it cannot have the (100) direction.

상기 ZrO2층인 제1 버퍼층(42) 상에 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층(특히, Y2O3층)으로 상기 제2 버퍼층(44)을 형성하는 경우 상기 제1 버퍼층(42) 상에는 (100)방향의 단결정 물질층으로 상기 제2 버퍼층(44)이 형성되는데, 이는 참고 문헌 2(Growth of Buffer Layers on Si Substrate for High-TcSuperconducting Thin Filmsby Keiizo et.al.: Japanese Journal of Applied Physics Vol.30, No. 5. May, 1991. pp 934-938.)에서 알 수 있다.The second buffer layer 44 is a material layer selected from the group consisting of a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and an STO layer (particularly, a Y 2 O 3 layer) on the first buffer layer 42 that is the ZrO 2 layer. When forming a second buffer layer 44 is formed on the first buffer layer 42 as a single crystal material layer in the (100) direction, which is referred to as reference 2 (Growth of Buffer Layers on Si Substrate for High- Tc Superconducting) Thin Filmsby Keiizo et.al .: Japanese Journal of Applied Physics Vol. 30, No. 5. May, 1991. pp 934-938.

상기와 같이 제1 및 제2 버퍼층(42, 44)으로 구성되는 2중 버퍼층을 형성한 다음에는 상기 제2 버퍼층(44) 상에 강유전막(46)을 형성하면, 상기 제2 버퍼층(44)이 (100)방향의 노말 방향을 가지므로 분극특성이 우수한 결정방향이 (100)방향인 단결정 강유전체막이 형성될 수 있다. 상기 강유전체막(46)은 단결정 PZT막으로 형성한다. 상기 강유전체막(46)을 단층으로 형성하지 않고 복층으로 형성할 수도 있다.After forming the double buffer layer composed of the first and second buffer layers 42 and 44 as described above, if the ferroelectric film 46 is formed on the second buffer layer 44, the second buffer layer 44 is formed. Since it has a normal direction in this (100) direction, a single crystal ferroelectric film having a crystal direction excellent in polarization characteristics in the (100) direction can be formed. The ferroelectric film 46 is formed of a single crystal PZT film. The ferroelectric film 46 may be formed in multiple layers without forming a single layer.

계속해서 상기 단결정 강유전체막(46) 상에는 도전성 물질층으로 전극(48)을 형성한다. 상기 전극(48)은 게이트 전극으로 작용한다. 이어서 상기 기판의 노출된 활성영역에 상기 기판(40)에 주입된 불순물과는 반대되는 도전성불순물을 주입하여 상기 기판(40)의 활성영역에 상기 제1 버퍼층(42)과 접촉되는 도전성 불순물층(68)을 형성한다. 상기 도전성 불순물층(68)은 소오스나 드레인으로 사용되며 상기 활성영역상에 순차적으로 형성된 제1 내지 제2 버퍼층과 강유전체막 및 전극으로 구성되는 게이트 적층물과 함께 상기 기판(40)에 강유전체 게이트 트랜지스터를 형성한다.Subsequently, an electrode 48 is formed of a conductive material layer on the single crystal ferroelectric film 46. The electrode 48 acts as a gate electrode. Subsequently, a conductive impurity layer opposite to the impurity implanted into the substrate 40 is injected into the exposed active region of the substrate to contact the first buffer layer 42 in the active region of the substrate 40. 68). The conductive impurity layer 68 is used as a source or a drain, and a ferroelectric gate transistor on the substrate 40 together with a gate stack composed of first to second buffer layers, ferroelectric films, and electrodes sequentially formed on the active region. To form.

다음에는 도 17을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 의한 단결정 강유전체막을 구비하는 반도체장치의 제조방법을 상세하게 설명한다.Next, with reference to FIG. 17, the manufacturing method of the semiconductor device provided with the single-crystal ferroelectric film by 2nd Example of this invention is demonstrated in detail.

먼저, 본 발명의 제1 실시예와 동일하게 습식식각과 적층챔버에서의 인 시츄 클리닝으로 세정된 (100)방향의 단결정 실리콘기판(56)을 준비한다. 이어서 상기 단결정 실리콘 기판(56)을 활성영역과 필드영역으로 구분한 다음 상기 필드영역에는 필드산화막(도시하지 않음)을 형성한다. 그리고 상기 필드산화막과 소정의 거리를 두고 상기 활성영역상에는 강유전체 게이트 커패시터 적층물을 형성하는데, 구체적으로 설명하면, 상기 활성영역상에 제1 에피텍셜 층으로서 제1 버퍼층(58)을 형성한다. 상기 제1 버퍼층(58)은 결정방향이 (100)방향인 지르코늄 산화물층 특히, 정방정계(tetragonal)의 격자구조를 갖는 ZrO2막으로 형성한다. 상기 기판(56) 상에 상기 제1 버퍼층(58)을 형성하는 이유와 상기 기판(56) 상에 (100)방향의 지르코늄 산화물층이 형성될 수 있음은 본 발명의 제1 실시예에서 언급한 바 있다.First, as in the first embodiment of the present invention, a single crystal silicon substrate 56 in the (100) direction is prepared by wet etching and in-situ cleaning in the stacking chamber. Subsequently, the single crystal silicon substrate 56 is divided into an active region and a field region, and then a field oxide film (not shown) is formed in the field region. A ferroelectric gate capacitor stack is formed on the active region at a predetermined distance from the field oxide film. Specifically, a first buffer layer 58 is formed as the first epitaxial layer on the active region. The first buffer layer 58 is formed of a zirconium oxide layer having a crystal direction of (100), particularly a ZrO 2 film having a tetragonal lattice structure. The reason why the first buffer layer 58 is formed on the substrate 56 and the zirconium oxide layer in the (100) direction may be formed on the substrate 56 are described in the first embodiment of the present invention. There is a bar.

또한, 상기 ZrO2막을 형성하는 공정도 상기 제1 실시예에서 기술한 바와 같다.The process of forming the ZrO 2 film is also the same as described in the first embodiment.

상기 제1 버퍼층(58) 상에는 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층을 (100) 방향으로 성장시켜서 제2 에피텍셜층으로서 단결정 제2 버퍼층(60)을 형성한다. 상기 단결정 제2 버퍼층(60)은 CVD방식 또는 PVD방식으로 형성할 수 있다.On the first buffer layer 58, a single crystal second buffer layer 60 is grown as a second epitaxial layer by growing a material layer selected from a group consisting of a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and an STO layer in the (100) direction. To form. The single crystal second buffer layer 60 may be formed by a CVD method or a PVD method.

계속해서 상기 제2 버퍼층(60) 상에는 커패시터의 하부전극으로 작용하는 제1 전극(62)을 형성한다. 상기 제1 전극(62)은 Pt막, SrCal-x막, RuXO3막 또는 LaSrCoO3막중 선택된 어느 한 물질막으로 형성한다. 이어서 상기 제1 전극(62) 상에는 (100) 방향의 단결정 강유전체막(64)을 형성한다. 상기 강유전체막(64)은 단결정 PZT막으로 형성한다. 상기 강유전체막(64)은 단층 또는 복층으로 형성할 수 있다. 상기 강유전체막(64) 상에는 커패시터의 상부전극으로서 제2 전극(66)을 형성한다.Subsequently, a first electrode 62 serving as a lower electrode of the capacitor is formed on the second buffer layer 60. The first electrode 62 is formed of a material film selected from a Pt film, an SrCa lx film, a Ru X O 3 film, or a LaSrCoO 3 film. Subsequently, a single crystal ferroelectric film 64 in the (100) direction is formed on the first electrode 62. The ferroelectric film 64 is formed of a single crystal PZT film. The ferroelectric film 64 may be formed in a single layer or a plurality of layers. The second electrode 66 is formed on the ferroelectric film 64 as an upper electrode of the capacitor.

이렇게 하여 상기 (100)방향의 단결정 실리콘기판(56)의 활성영역 상에는 에피텍셜층으로서의 상기 제1 및 제2 버퍼층과 제1 전극과 강유전체막과 제2 전극으로 구성되는 강유전체 게이트 커패시터 즉, MFMIS구조의 게이트 적층물이 형성된다.Thus, on the active region of the single crystal silicon substrate 56 in the (100) direction, a ferroelectric gate capacitor composed of the first and second buffer layers as the epitaxial layer, the first electrode, the ferroelectric film, and the second electrode, that is, an MFMIS structure A gate stack of is formed.

다음에는 상기 MFMIS구조의 게이트 적층물이 형성되지 않은 상기 활성영역에 상기 단결정 실리콘기판(56)에 주입된 도전성 불순물과 반대되는 도전성 불순물을 이온주입하여 상기 MFMIS구조의 게이트 전층물과 접촉되는 도전성 불순물층(68)을 형성한다. 상기 도전성 불순물층(68)은 소오스나 드레인으로서 상기 MFMIS 구조의 게이트 적층물과 함께 상기 단결정 실리콘 기판(56)에 트랜지스터를 형성한다. 곧, 강유전체 게이트 커패시터를 갖는 트랜지스터가 형성된다.Next, conductive impurity opposite to the conductive impurity injected into the single crystal silicon substrate 56 is implanted into the active region where the gate stack of the MFMIS structure is not formed, thereby contacting the gate entire layer of the MFMIS structure. Form layer 68. The conductive impurity layer 68 forms a transistor on the single crystal silicon substrate 56 together with the gate stack of the MFMIS structure as a source or a drain. In other words, a transistor having a ferroelectric gate capacitor is formed.

이상, 본 발명은 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘기판 상에 결정방향이 (100)인 단결정 ZrO2막으로 형성되는 제1 에피텍셜층으로서의 제1 버퍼층과 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층을 (100) 방향으로 성장시켜서 제2 에피텍셜층으로서의 제2 버퍼층(60)을 형성한 다음 이 위에 강유전체막을 형성하여 결정방향이 (100)인 강유전체막을 형성할 수 있다.As described above, the present invention provides a first buffer layer, a Y 2 O 3 layer, and a CeO 2 layer as a first epitaxial layer formed of a single crystal ZrO 2 film having a crystal direction of (100) on a single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100). And a material layer selected from the group consisting of STO layers is grown in the (100) direction to form a second buffer layer 60 as the second epitaxial layer, and then a ferroelectric film is formed thereon to form a ferroelectric having a crystal direction of (100). A film can be formed.

따라서 강유전체막의 결함에 기인한 특성저하를 방지할 수 있고, 분극특성이 개선되어 분극반전시 강유전체막의 자구(domain)에 피닝(pinning)현상이 나타나는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 강유전체막의 성장되는 결정방향을 조절하여 낮은 구동전압에서 고속동작이 가능한 이상적인 강유전체 메모리 장치를 구현할 수 있다.Therefore, it is possible to prevent the deterioration of characteristics due to the defect of the ferroelectric film, and to improve the polarization characteristics, thereby preventing the pinning phenomenon in the domain of the ferroelectric film during polarization inversion. In addition, an ideal ferroelectric memory device capable of high-speed operation at a low driving voltage may be implemented by adjusting a growing crystal direction of the ferroelectric film.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 기술적 상내에서 당분야에서의 통상의 지식을 가진자에 의하여 실시가능함은 명백하다.The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent that many modifications can be made by those skilled in the art within the technical scope of the present invention.

Claims (31)

결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판 상에 결정방향이 (100)인 단결정 제1 버퍼층;A single crystal first buffer layer having a crystal direction of (100) on a single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100); 상기 단결정 제1 버퍼층에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 제2 버퍼층;A single crystal second buffer layer having a crystal direction (100) in the single crystal first buffer layer; 상기 단결정 제2 버퍼층 상에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 강유전체막; 및A single crystal ferroelectric film having a crystal direction of (100) on the single crystal second buffer layer; And 상기 강유전체막 상에는 전극이 있는 것을 특징으로 하는 반도체장치A semiconductor device comprising an electrode on the ferroelectric film 제1항에 있어서, 상기 단결정 제1 버퍼층이 지르코늄 산화물층인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 1, wherein said single crystal first buffer layer is a zirconium oxide layer. 제2항에 있어서, 상기 지르코늄 산화물층은 결정방향이 (100)방향인 ZrO2인 것을 특징으로하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 2, wherein the zirconium oxide layer is ZrO 2 whose crystal direction is in the (100) direction. 제1항에 있어서, 상기 단결정 제2 버퍼층은 결정방향이 (100)인 Y2O3층, CeO2층 및 STO층으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질층인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device of claim 1, wherein the single crystal second buffer layer is any one material layer selected from the group consisting of a Y 2 O 3 layer, a CeO 2 layer, and an STO layer having a crystal direction of (100). 제1항에 있어서, 상기 단결정 강유전체막은 결정방향이 (100)인 PZT막인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 1, wherein the single crystal ferroelectric film is a PZT film whose crystal direction is (100). 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판 상에 (100)방향의 결정방향을 갖는 단결정 제1 버퍼층;A single crystal first buffer layer having a crystal direction in the (100) direction on the single crystal silicon substrate having the crystal direction (100); 상기 단결정 제1 버퍼층에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 제2 버퍼층;A single crystal second buffer layer having a crystal direction (100) in the single crystal first buffer layer; 상기 단결정 제2 버퍼층 상에 있는 제1 전극;A first electrode on the single crystal second buffer layer; 상기 단결정 제1 전극상에 있는 결정방향이 (100)인 단결정 강유전체막; 및A single crystal ferroelectric film having a crystal direction of (100) on the single crystal first electrode; And 상기 단결정 강유전체막 상에 있는 제2 전극으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체장치And a second electrode on the single crystal ferroelectric film. 제6항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 결정방향이 (100)인 단결정 지르코늄 산화물층인 것을 특징으로 하는 반도체장치.7. The semiconductor device according to claim 6, wherein the first buffer layer is a single crystal zirconium oxide layer having a crystal direction of (100). 제7항에 있어서, 상기 지르코늄 산화물층은 단결정 ZrO2인 것을 특징으로하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 7, wherein the zirconium oxide layer is single crystal ZrO 2 . 제6항에 있어서, 상기 단결정 제2 버퍼층은 결정방향이 (100)인 단결정 Y2O3, 단결정 CeO2및 단결정 STO로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 단결정 물질층인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal second buffer layer is any single crystal material layer selected from the group consisting of single crystal Y 2 O 3 , single crystal CeO 2, and single crystal STO having a crystal direction of (100). 제6항에 있어서, 상기 단결정 강유전체막은 결정방향이 (100)인 단결정 PZT막인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal ferroelectric film is a single crystal PZT film having a crystal direction of (100). 제6항에 있어서, 상기 단결정 강유전체막은 복층인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 6, wherein the single crystal ferroelectric film is a multilayer. 제6항에 있어서, 상기 제1 전극은 게이트 커패시터의 하부전극이며 Pt막, SrCal-x막, RuXO3막 또는 LaSrCoO3막중 선택된 어느 한 물질막인 것을 특징으로 하는 반도체장치.The semiconductor device according to claim 6, wherein the first electrode is a lower electrode of the gate capacitor and is a material film selected from a Pt film, an SrCa lx film, a Ru X O 3 film, or a LaSrCoO 3 film. (a) 결정방향이 (100)인 단결정 실리콘 기판 상에 결정방향이 (100)이 되도록 단결정 제1 에피텍셜층을 적층하는 단계;(a) depositing a single crystal first epitaxial layer on the single crystal silicon substrate having a crystal direction of (100) so that the crystal direction is (100); (b) 상기 제1 에픽텍셜층 상에 결정방향이 (100)이 되도록 단결정 제2 에피 텍셜층을 적층하는 단계;(b) depositing a single crystal second epitaxial layer on the first epitaxial layer such that the crystal direction is (100); (c) 상기 제2 에피텍셜층 상에 결정방향이 (100)이 되도록 단결정 강유전체막을 적층하는 단계; 및(c) depositing a single crystal ferroelectric film on the second epitaxial layer such that the crystal direction is (100); And (d) 상기 단결정 강유전체막 상에 전극을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.(d) forming an electrode on the single crystal ferroelectric film. 제13항에 있어서, 상기 단결정 제1 에피텍셜층이 상기 단결정 강유전체막에 대한 제1 버퍼층으로서 지르코늄 산화물층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein said single crystal first epitaxial layer is formed of a zirconium oxide layer as a first buffer layer for said single crystal ferroelectric film. 제14항에 있어서, 상기 지르코늄 산화물층이The method of claim 14, wherein the zirconium oxide layer (a1) 결정방향이 (100)인 실리콘기판의 전면에서 자연산화막을 제거하는 단계;(a1) removing the native oxide film from the entire surface of the silicon substrate having a crystal orientation of (100); (a2) 상기 자연산화막이 제거된 실리콘기판을 적층챔버에서 인-시츄클리닝하는 단계;(a2) in-situ cleaning the silicon substrate from which the natural oxide film is removed in a lamination chamber; (a3) 상기 기판 상에 지르코늄(Zr)막을 형성하는 단계; 및(a3) forming a zirconium (Zr) film on the substrate; And (a4) 상기 지르코늄막 상에 소정의 두께로 지르코늄 산화물막을 형성하는 단계로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.(a4) A method of manufacturing a semiconductor device, comprising the step of forming a zirconium oxide film with a predetermined thickness on the zirconium film. 제15항에 있어서, 상기 (a1)단계에서 상기 실리콘기판의 자연산화막을 제거하기 위해 상기 기판이 습식식각되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of claim 15, wherein the substrate is wet etched to remove the native oxide film of the silicon substrate in the step (a1). 제15항에 있어서, 상기(a2) 단계의 상기 인-시츄클리닝이 열적 클리닝이나 수소 래디클을 사용하는 방법중 어느 한 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein the in-situ cleaning in the step (a2) is performed by any one of thermal cleaning or a method using hydrogen radicals. 제17항에 있어서, 상기 어느 한 방법이 850℃이상, 10-3토르(torr)∼10-6토르(torr)의 조건하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.18. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein any one of the above methods is performed at a temperature of 850 DEG C or higher and 10 -3 torr to 10 -6 torr. 제15항에 있어서, 상기 (a3)단계의 상기 지르코늄막이 진공증착방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein the zirconium film of step (a3) is formed by vacuum deposition. 제19항에 있어서, 상기 지르코늄막이 이베프레이션(evaporation), 스퍼터링(sputtering), 레이저 절제술(ablation), MBE(Molecular Beam Epitaxy),ICBD중 어느 한 방법의 진공증착방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of claim 19, wherein the zirconium film is formed by a vacuum deposition method of any one of evaporation, sputtering, laser ablation, MBE (Molecular Beam Epitaxy), ICBD method Method of manufacturing a semiconductor device. 제20항에 있어서, 상기 어느 한 방법의 진공증착방식이 10-6토르(torr)이하의 압력하에서 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein the vacuum deposition method of any one method is performed under a pressure of 10 -6 Torr or less. 제19항에 있어서, 상기 지르코늄이 5Å∼10Å의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.20. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 19, wherein the zirconium is formed to a thickness of 5 kPa to 10 kPa. 제15항에 있어서, 상기 (a4) 단계의 상기 지르코늄 산화물막이 상기 적층챔버내에 산소를 플로우시키는 가운데 상기 지르코늄막 상에 지르코늄을 적층함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 15, wherein the zirconium oxide film of step (a4) is formed by laminating zirconium on the zirconium film while oxygen is flowing in the stacking chamber. 제23항에 있어서, 상기 지르코늄 산화물막이 10-3토르(torr)∼10-6토르(torr)사이의 압력하에서 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.24. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 23, wherein said zirconium oxide film is formed under a pressure between 10 -3 torr and 10 -6 torr. 제15항 또는 제23항에 있어서, 상기 지르코늄 산화물막이 100Å이하의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The semiconductor device manufacturing method according to claim 15 or 23, wherein the zirconium oxide film is formed to a thickness of 100 kPa or less. 제13항에 있어서, 상기 제2 에피텍셜층이 CVD 또는 PVD방식중 어느 한 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein said second epitaxial layer is formed by either CVD or PVD. 제26항에 있어서, 상기 제2 에피텍셜층이 상기 (100)방향의 단결정 강유전체막에 대한 제2 버퍼층으로서 결정방향이 (100)인 단결정Y2O3, 단결정 CeO2및 단결정 STO로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 단결정 물질층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.27. The group of claim 26, wherein the second epitaxial layer is composed of single crystal Y 2 O 3 , single crystal CeO 2, and single crystal STO having a crystal direction of (100) as a second buffer layer for the single crystal ferroelectric film in the (100) direction. A semiconductor device manufacturing method, characterized in that formed of any one of the selected single crystal material layer. 제13항에 있어서, 상기 단결정 강유전체막이 복층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13, wherein said single crystal ferroelectric film is formed in multiple layers. 제13항 또는 제28항에 있어서, 상기 단결정 강유전체막이 PZT막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.29. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 13 or 28, wherein said single crystal ferroelectric film is formed of a PZT film. 제13항에 있어서, 상기 (c)단계의 상기 단결정 강유전체막이 상기 제2 에피텍셜층 상에 제1 전극을 형성한 다음 상기 제1 전극 상에 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The method of claim 13, wherein the single crystal ferroelectric film of step (c) is formed on the first electrode after forming a first electrode on the second epitaxial layer. 제30항에 있어서, 상기 제1 전극이 커패시터의 하부전극으로서 Pt막, SrCal-x막, RuXO3막 및 LaSrCoO3막으로 이루어진 일군중 선택된 어느 한 물질막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 반도체장치의 제조방법.The semiconductor device according to claim 30, wherein the first electrode is formed of any one material film selected from the group consisting of a Pt film, an SrCa lx film, a Ru X O 3 film, and a LaSrCoO 3 film as a lower electrode of the capacitor. Manufacturing method.
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