JP2001267519A - 強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置 - Google Patents
強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 強誘電体層の電気的特性の劣化の生じにくい
強誘電体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 基板上に、構成元素として第１の金属元
素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層を形成する。
強誘電体層の上に、上側電極を形成する工程。強誘電体
層及び上側電極に、水素雰囲気中で第１回目の熱処理を
行い、強誘電体層中の第１の金属元素を上側電極中に拡
散させる。第１回目の熱処理後、酸素雰囲気中で第２回
目の熱処理を行う。上側電極のうち、前記第１の金属元
素の拡散した領域が、拡散していない領域よりも水素を
吸蔵しやすいか、もしくは水素を透過させにくい。
強誘電体装置の製造方法を提供する。 【解決手段】 基板上に、構成元素として第１の金属元
素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層を形成する。
強誘電体層の上に、上側電極を形成する工程。強誘電体
層及び上側電極に、水素雰囲気中で第１回目の熱処理を
行い、強誘電体層中の第１の金属元素を上側電極中に拡
散させる。第１回目の熱処理後、酸素雰囲気中で第２回
目の熱処理を行う。上側電極のうち、前記第１の金属元
素の拡散した領域が、拡散していない領域よりも水素を
吸蔵しやすいか、もしくは水素を透過させにくい。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、強誘電体装置の製
造方法及び強誘電体装置に関し、特に強誘電体層と電極
とが接し、強誘電体層の残留分極を大きくすることが可
能な強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置に関す
る。強誘電体材料の残留分極を利用した不揮発性半導体
記憶装置の開発が進んでいる。
造方法及び強誘電体装置に関し、特に強誘電体層と電極
とが接し、強誘電体層の残留分極を大きくすることが可
能な強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置に関す
る。強誘電体材料の残留分極を利用した不揮発性半導体
記憶装置の開発が進んでいる。
【０００２】
【従来の技術】従来の不揮発性半導体記憶装置に適用さ
れる強誘電体キャパシタは、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以下、ＰＺＴを記す）等から
なる強誘電体層を白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）等
からなる電極で挟んだ構造を有する。ＰＺＴは、常温で
も比較的大きな残留分極（ＱSW）を示す。
れる強誘電体キャパシタは、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐ
ｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）（以下、ＰＺＴを記す）等から
なる強誘電体層を白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）等
からなる電極で挟んだ構造を有する。ＰＺＴは、常温で
も比較的大きな残留分極（ＱSW）を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】強誘電体キャパシタを
有する不揮発性半導体記憶装置を作製する際には、基板
上に強誘電体キャパシタを形成した後、強誘電体キャパ
シタ上に、化学気相成長（ＣＶＤ）等により酸化シリコ
ンからなる層間絶縁膜を形成する。この工程では、原料
ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）が用いら
れ、反応生成物として水が発生する。この水がシランと
反応すると、水素ガスが生成される。このため、強誘電
体キャパシタが水素還元雰囲気に晒されることになる。
有する不揮発性半導体記憶装置を作製する際には、基板
上に強誘電体キャパシタを形成した後、強誘電体キャパ
シタ上に、化学気相成長（ＣＶＤ）等により酸化シリコ
ンからなる層間絶縁膜を形成する。この工程では、原料
ガスとしてシラン（ＳｉＨ4）と酸素（Ｏ2）が用いら
れ、反応生成物として水が発生する。この水がシランと
反応すると、水素ガスが生成される。このため、強誘電
体キャパシタが水素還元雰囲気に晒されることになる。
【０００４】強誘電体キャパシタが還元性雰囲気に晒さ
れると、その電気的特性が急激に劣化することが知られ
ている。電気的特性の劣化は、ＰＺＴ層を覆うＰｔある
いはＩｒ等の電極が触媒として作用し、ＰＺＴ層が還元
されてしまうためと考えられる。
れると、その電気的特性が急激に劣化することが知られ
ている。電気的特性の劣化は、ＰＺＴ層を覆うＰｔある
いはＩｒ等の電極が触媒として作用し、ＰＺＴ層が還元
されてしまうためと考えられる。
【０００５】本発明の目的は、強誘電体層の電気的特性
の劣化の生じにくい強誘電体装置の製造方法及び強誘電
体装置を提供することである。
の劣化の生じにくい強誘電体装置の製造方法及び強誘電
体装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の一観点による
と、基板上に、構成元素として第１の金属元素を含む強
誘電体材料からなる強誘電体層を形成する工程と、前記
強誘電体層の上に、上側電極を形成する工程と、前記強
誘電体層及び上側電極に、水素雰囲気中で第１回目の熱
処理を行い、該強誘電体層中の第１の金属元素を前記上
側電極中に拡散させる工程と、前記第１回目の熱処理
後、酸素雰囲気中で第２回目の熱処理を行う工程とを有
し、前記上側電極のうち、前記第１の金属元素の拡散し
た領域が、拡散していない領域よりも水素を吸蔵しやす
いか、もしくは水素を透過させにくい強誘電体装置の製
造方法が提供される。
と、基板上に、構成元素として第１の金属元素を含む強
誘電体材料からなる強誘電体層を形成する工程と、前記
強誘電体層の上に、上側電極を形成する工程と、前記強
誘電体層及び上側電極に、水素雰囲気中で第１回目の熱
処理を行い、該強誘電体層中の第１の金属元素を前記上
側電極中に拡散させる工程と、前記第１回目の熱処理
後、酸素雰囲気中で第２回目の熱処理を行う工程とを有
し、前記上側電極のうち、前記第１の金属元素の拡散し
た領域が、拡散していない領域よりも水素を吸蔵しやす
いか、もしくは水素を透過させにくい強誘電体装置の製
造方法が提供される。
【０００７】第１の金属元素の拡散した領域により、強
誘電体層が水素によって還元されることを防止できる。
第１回目の熱処理により低下した強誘電体層の電気的特
性が、第２回目の熱処理によって回復する。
誘電体層が水素によって還元されることを防止できる。
第１回目の熱処理により低下した強誘電体層の電気的特
性が、第２回目の熱処理によって回復する。
【０００８】本発明の他の観点によると、下側電極と、
前記下側電極上に配置され、構成元素として第１の金属
元素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層と、前記強
誘電体層の上に形成された上側電極と、前記上側電極と
前記強誘電体層との界面近傍の該上側電極内に形成され
た第１の金属元素の拡散領域であって、前記強誘電体層
と前記上側電極との界面から前記上側電極内への深さが
５〜１０ｎｍの位置で、前記第１の金属元素のモル分率
が、界面におけるモル分率の１／５になっている前記拡
散領域とを有し、前記飼拡散領域が、前記上側電極のう
ち該拡散領域以外の部分よりも水素を吸蔵しやすいか、
もしくは水素を透過させにくい強誘電体装置が提供され
る。
前記下側電極上に配置され、構成元素として第１の金属
元素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層と、前記強
誘電体層の上に形成された上側電極と、前記上側電極と
前記強誘電体層との界面近傍の該上側電極内に形成され
た第１の金属元素の拡散領域であって、前記強誘電体層
と前記上側電極との界面から前記上側電極内への深さが
５〜１０ｎｍの位置で、前記第１の金属元素のモル分率
が、界面におけるモル分率の１／５になっている前記拡
散領域とを有し、前記飼拡散領域が、前記上側電極のう
ち該拡散領域以外の部分よりも水素を吸蔵しやすいか、
もしくは水素を透過させにくい強誘電体装置が提供され
る。
【０００９】拡散領域により、強誘電体層が水素によっ
て還元されることを防止できる。
て還元されることを防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１に、本発明の実施例による強
誘電体キャパシタの基本構成を示す。シリコン基板１の
表面上に、酸化シリコン膜２、チタン（Ｔｉ）膜３が形
成されている。Ｔｉ膜３の上に、Ｐｔからなる下側電極
４、ＰＺＴからなる強誘電体層６、Ｐｔからなる上側電
極８が、この順番に積層されている。
誘電体キャパシタの基本構成を示す。シリコン基板１の
表面上に、酸化シリコン膜２、チタン（Ｔｉ）膜３が形
成されている。Ｔｉ膜３の上に、Ｐｔからなる下側電極
４、ＰＺＴからなる強誘電体層６、Ｐｔからなる上側電
極８が、この順番に積層されている。
【００１１】下側電極４のうち強誘電体層６との界面近
傍に、強誘電体層６内のＰｂが拡散して形成された拡散
領域５が配置されている。同様に、上側電極８のうち強
誘電体層６との界面近傍に、拡散領域７が配置されてい
る。
傍に、強誘電体層６内のＰｂが拡散して形成された拡散
領域５が配置されている。同様に、上側電極８のうち強
誘電体層６との界面近傍に、拡散領域７が配置されてい
る。
【００１２】次に、図１に示す強誘電体キャパシタの製
造方法を説明する。シリコン基板１の表面上に、ＣＶＤ
等により酸化シリコン膜２を形成し、その上にＴｉ膜３
を形成する。Ｔｉ膜３は、その上に形成される下側電極
４の密着性を高める。
造方法を説明する。シリコン基板１の表面上に、ＣＶＤ
等により酸化シリコン膜２を形成し、その上にＴｉ膜３
を形成する。Ｔｉ膜３は、その上に形成される下側電極
４の密着性を高める。
【００１３】厚さ５０ｎｍのＴｉ膜３の上に、Ｐｔから
なる厚さ１５０ｎｍの下側電極４、ＰＺＴからなる厚さ
２８０ｎｍの強誘電体層６、及びＰｔからなる厚さ１７
５ｎｍの上側電極８を形成する。
なる厚さ１５０ｎｍの下側電極４、ＰＺＴからなる厚さ
２８０ｎｍの強誘電体層６、及びＰｔからなる厚さ１７
５ｎｍの上側電極８を形成する。
【００１４】上側電極８を形成した後、窒素ガス分圧約
１０１０Ｐａ、水素ガス分圧約９８Ｐａの水素雰囲気中
で、２００℃、３０分間の第１回目の熱処理を行う。こ
の熱処理により、強誘電体層６内のＰｂが下側電極４及
び上側電極８内に拡散し、拡散領域５及び７が形成され
る。その後、酸素雰囲気中で、４００℃、３０分間の第
２回目の熱処理を行う。
１０１０Ｐａ、水素ガス分圧約９８Ｐａの水素雰囲気中
で、２００℃、３０分間の第１回目の熱処理を行う。こ
の熱処理により、強誘電体層６内のＰｂが下側電極４及
び上側電極８内に拡散し、拡散領域５及び７が形成され
る。その後、酸素雰囲気中で、４００℃、３０分間の第
２回目の熱処理を行う。
【００１５】次に、図２及び図３を参照して、上述の各
製造工程中に生じている現象について説明する。
製造工程中に生じている現象について説明する。
【００１６】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、厚さ方向に関する
Ｐｔ及びＰｂのモル分率の分布を示す。モル分率の測定
は、透過型電子顕微鏡を用いたエネルギ分散Ｘ線分光法
（ＴＥＭ−ＥＤＸ）により行った。図の横軸は、各層の
厚さ方向の位置を表し、縦軸はモル分率を単位「％」で
表す。横軸に振られた番号は、厚さ方向の位置に対応す
る。番号１から３までの合計の厚さ、番号１４から１６
までの合計の厚さ、番号１７から１９までの合計の厚
さ、及び番号３０から３２までの合計の厚さが１０ｎｍ
である。番号３から１４までの合計の厚さ、及び番号１
９から３０までの合計の厚さが１８ｎｍである。下側電
極４と強誘電体層６との界面ＢＬが、図２の横軸の約
７．５の位置に相当し、強誘電体層６と上側電極８との
界面ＢＵが、約２４．５の位置に相当する。
Ｐｔ及びＰｂのモル分率の分布を示す。モル分率の測定
は、透過型電子顕微鏡を用いたエネルギ分散Ｘ線分光法
（ＴＥＭ−ＥＤＸ）により行った。図の横軸は、各層の
厚さ方向の位置を表し、縦軸はモル分率を単位「％」で
表す。横軸に振られた番号は、厚さ方向の位置に対応す
る。番号１から３までの合計の厚さ、番号１４から１６
までの合計の厚さ、番号１７から１９までの合計の厚
さ、及び番号３０から３２までの合計の厚さが１０ｎｍ
である。番号３から１４までの合計の厚さ、及び番号１
９から３０までの合計の厚さが１８ｎｍである。下側電
極４と強誘電体層６との界面ＢＬが、図２の横軸の約
７．５の位置に相当し、強誘電体層６と上側電極８との
界面ＢＵが、約２４．５の位置に相当する。
【００１７】図２（Ａ）は、上側電極８を形成した後、
第１回目の熱処理を行う前の状態を示し、図２（Ｂ）
は、第１回目の熱処理を行った後の状態を示し、図２
（Ｃ）は、第２回目の熱処理を行った後の状態を示す。
図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを対比すると、水素雰囲気中
での第１回目の熱処理により、強誘電体層６中のＰｂ
が、下側電極４及び上側電極８中に拡散していることが
わかる。これにより、図１に示した拡散領域５及び７が
形成される。図２（Ｂ）と図２（Ｃ）とを対比すると、
酸素雰囲気中での第２回目の熱処理を行っても、一旦形
成された拡散領域５及び７には、ほとんど変化が見られ
ないことがわかる。
第１回目の熱処理を行う前の状態を示し、図２（Ｂ）
は、第１回目の熱処理を行った後の状態を示し、図２
（Ｃ）は、第２回目の熱処理を行った後の状態を示す。
図２（Ａ）と図２（Ｂ）とを対比すると、水素雰囲気中
での第１回目の熱処理により、強誘電体層６中のＰｂ
が、下側電極４及び上側電極８中に拡散していることが
わかる。これにより、図１に示した拡散領域５及び７が
形成される。図２（Ｂ）と図２（Ｃ）とを対比すると、
酸素雰囲気中での第２回目の熱処理を行っても、一旦形
成された拡散領域５及び７には、ほとんど変化が見られ
ないことがわかる。
【００１８】第１回目の熱処理を行う前の強誘電体キャ
パシタのＱSW値は、約２５μＣ／ｃｍ2であった。第１
回目の熱処理を行うと、ＱSW値は、５μＣ／ｃｍ2程度
まで低下した。ＱSW値の低下は、強誘電体層６が水素に
よって還元されたためと考えられる。第２回目の熱処理
を行うと、ＱSW値は、約２５μＣ／ｃｍ2程度まで回復
した。ＱSWの回復は、強誘電体層６内に酸素が供給さ
れ、酸素原子の空孔が埋められたためと考えられる。
パシタのＱSW値は、約２５μＣ／ｃｍ2であった。第１
回目の熱処理を行うと、ＱSW値は、５μＣ／ｃｍ2程度
まで低下した。ＱSW値の低下は、強誘電体層６が水素に
よって還元されたためと考えられる。第２回目の熱処理
を行うと、ＱSW値は、約２５μＣ／ｃｍ2程度まで回復
した。ＱSWの回復は、強誘電体層６内に酸素が供給さ
れ、酸素原子の空孔が埋められたためと考えられる。
【００１９】鉛（Ｐｂ）は、水素を吸蔵する性質を有す
る。このため、拡散領域５及び７内に拡散したＰｂが、
強誘電体層６内にへの水素の侵入を防止する。このた
め、拡散領域５及び７が形成された後の工程で、基板を
水素雰囲気に晒しても、強誘電体層６の電気的特性の劣
化を防止することができる。従って、第２回目の熱処理
によって回復した高いＱSW値を維持することができる。
る。このため、拡散領域５及び７内に拡散したＰｂが、
強誘電体層６内にへの水素の侵入を防止する。このた
め、拡散領域５及び７が形成された後の工程で、基板を
水素雰囲気に晒しても、強誘電体層６の電気的特性の劣
化を防止することができる。従って、第２回目の熱処理
によって回復した高いＱSW値を維持することができる。
【００２０】図３は、図１に示した上側電極８を形成し
た後、水素雰囲気中ではなく酸素雰囲気中で熱処理を行
った場合のＰｂの拡散の様子を示す。図３の横軸及び縦
軸は、図２の場合と同様である。
た後、水素雰囲気中ではなく酸素雰囲気中で熱処理を行
った場合のＰｂの拡散の様子を示す。図３の横軸及び縦
軸は、図２の場合と同様である。
【００２１】図２（Ａ）と図３とを対比すると、酸素雰
囲気中で熱処理を行っても、Ｐｂが下側電極４及び上側
電極８の中にほとんど拡散しないことがわかる。すなわ
ち、酸素雰囲気中での熱処理では、図１に示した拡散領
域５及び７がほとんど形成されない。
囲気中で熱処理を行っても、Ｐｂが下側電極４及び上側
電極８の中にほとんど拡散しないことがわかる。すなわ
ち、酸素雰囲気中での熱処理では、図１に示した拡散領
域５及び７がほとんど形成されない。
【００２２】強誘電体層６の中に水素が侵入することを
防止するために、拡散領域５及び７を厚くすることが好
ましい。また、拡散領域５及び７が厚くなりすぎると、
強誘電体層６の中のＰｂ含有量が少なくなるため、好ま
しくない。具体的には、強誘電体層６と上側電極８との
界面ＢＵから上側電極８中への深さが５〜１０ｎｍの位
置で、Ｐｂのモル分率が、界面におけるモル分率の１／
５になるようにすることが好ましい。
防止するために、拡散領域５及び７を厚くすることが好
ましい。また、拡散領域５及び７が厚くなりすぎると、
強誘電体層６の中のＰｂ含有量が少なくなるため、好ま
しくない。具体的には、強誘電体層６と上側電極８との
界面ＢＵから上側電極８中への深さが５〜１０ｎｍの位
置で、Ｐｂのモル分率が、界面におけるモル分率の１／
５になるようにすることが好ましい。
【００２３】上記実施例では、第１回目の熱処理を２０
０℃で行い、第２回目の熱処理を４００℃で行った。熱
処理温度を高くすると、強誘電体層６の中に不純物相が
形成される場合がある。このため、第１回目及び第２回
目の熱処理の熱処理温度を５００℃以下とすることが好
ましい。
０℃で行い、第２回目の熱処理を４００℃で行った。熱
処理温度を高くすると、強誘電体層６の中に不純物相が
形成される場合がある。このため、第１回目及び第２回
目の熱処理の熱処理温度を５００℃以下とすることが好
ましい。
【００２４】上記実施例では、図１に示したように、下
側電極４の下にＴｉ膜３を配置したが、Ｔｉ膜の代わり
にＩｒＯ2膜を配置してもよい。
側電極４の下にＴｉ膜３を配置したが、Ｔｉ膜の代わり
にＩｒＯ2膜を配置してもよい。
【００２５】また、上記実施例では、図１に示す拡散領
域５及び７にＰｂを拡散させたが、Ｐｂ以外に水素を吸
蔵する金属もしくは水素を透過させない金属を拡散させ
てもよい。なお、拡散領域５及び７に拡散させる金属元
素として、拡散領域５及び７が、下側電極４及び上側電
極８のうち拡散領域５及び７以外の部分よりも水素を吸
蔵しやすいか、もしくは水素を透過させにくくなるよう
な金属元素を用いることが好ましい。
域５及び７にＰｂを拡散させたが、Ｐｂ以外に水素を吸
蔵する金属もしくは水素を透過させない金属を拡散させ
てもよい。なお、拡散領域５及び７に拡散させる金属元
素として、拡散領域５及び７が、下側電極４及び上側電
極８のうち拡散領域５及び７以外の部分よりも水素を吸
蔵しやすいか、もしくは水素を透過させにくくなるよう
な金属元素を用いることが好ましい。
【００２６】水素を透過させない金属として、例えばア
ルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。Ａｌを拡散させた拡
散領域５及び７は、例えば、下側電極４と強誘電体層６
との界面、及び強誘電体層６と上側電極８との界面に薄
いＡｌ層を配置しておき、ＡｌをＰｔ電極中に熱拡散さ
せることにより形成される。
ルミニウム（Ａｌ）が挙げられる。Ａｌを拡散させた拡
散領域５及び７は、例えば、下側電極４と強誘電体層６
との界面、及び強誘電体層６と上側電極８との界面に薄
いＡｌ層を配置しておき、ＡｌをＰｔ電極中に熱拡散さ
せることにより形成される。
【００２７】上記実施例では、強誘電体材料としてＰＺ
Ｔを用いた場合を示したが、他の酸素含有強誘電体材料
を用いる場合にも、同様の効果が期待される。他の強誘
電体材料として、例えば、ペロブスカイト型結晶構造を
有するＰＬＺＴ（Ｐｂ（Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3やＳＢ
Ｔ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）等が挙げられる。
Ｔを用いた場合を示したが、他の酸素含有強誘電体材料
を用いる場合にも、同様の効果が期待される。他の強誘
電体材料として、例えば、ペロブスカイト型結晶構造を
有するＰＬＺＴ（Ｐｂ（Ｌａ，Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3やＳＢ
Ｔ（ＳｒＢｉ2Ｔａ2Ｏ9）等が挙げられる。
【００２８】次に、図４を参照して、上記実施例を適用
した強誘電体記憶装置の構造及び製造方法について説明
する。
した強誘電体記憶装置の構造及び製造方法について説明
する。
【００２９】図４（Ａ）に示すように、ｎ型シリコン基
板１１の表面層にｐ型ウェル１２が形成されている。シ
リコン基板１１の表面上にフィールド酸化膜１３が形成
されており、ｐ型ウェル１２の表面内に、フィールド酸
化膜１３で囲まれた活性領域が画定されている。この活
性領域内にＭＯＳＦＥＴ１５が形成されている。ＭＯＳ
ＦＥＴ１５は、ゲート酸化膜１４ａ、ゲート電極１４
ｂ、サイドウォール絶縁膜１４ｃ、及びｎ型拡散領域１
４ｄを含んで構成される。
板１１の表面層にｐ型ウェル１２が形成されている。シ
リコン基板１１の表面上にフィールド酸化膜１３が形成
されており、ｐ型ウェル１２の表面内に、フィールド酸
化膜１３で囲まれた活性領域が画定されている。この活
性領域内にＭＯＳＦＥＴ１５が形成されている。ＭＯＳ
ＦＥＴ１５は、ゲート酸化膜１４ａ、ゲート電極１４
ｂ、サイドウォール絶縁膜１４ｃ、及びｎ型拡散領域１
４ｄを含んで構成される。
【００３０】ＭＯＳＦＥＴ１５を覆うように、基板上に
酸化シリコンからなる層間絶縁膜１６が形成されてい
る。層間絶縁膜１６は、ＣＶＤにより形成される。層間
絶縁膜１６の上に、強誘電体キャパシタ２０が形成され
ている。強誘電体キャパシタ２０は、下側電極１７、強
誘電体層１８、及び上側電極１９を含んで構成される。
下側電極１７は、厚さ５０ｎｍのＴｉ層と厚さ１５０ｎ
ｍのＰｔ層との２層構造を有する。強誘電体層１８は、
ＰＺＴで形成され、その厚さは２８０ｎｍである。上側
電極１９は、Ｐｔで形成され、その厚さは１７５ｎｍで
ある。
酸化シリコンからなる層間絶縁膜１６が形成されてい
る。層間絶縁膜１６は、ＣＶＤにより形成される。層間
絶縁膜１６の上に、強誘電体キャパシタ２０が形成され
ている。強誘電体キャパシタ２０は、下側電極１７、強
誘電体層１８、及び上側電極１９を含んで構成される。
下側電極１７は、厚さ５０ｎｍのＴｉ層と厚さ１５０ｎ
ｍのＰｔ層との２層構造を有する。強誘電体層１８は、
ＰＺＴで形成され、その厚さは２８０ｎｍである。上側
電極１９は、Ｐｔで形成され、その厚さは１７５ｎｍで
ある。
【００３１】以下、強誘電体キャパシタ２０の形成方法
について説明する。層間絶縁膜１６の上に、厚さ５０ｎ
ｍのＴｉ層をスパッタリングにより堆積する。その上
に、厚さ１５０ｎｍのＰｔ層をスパッタリングにより堆
積する。
について説明する。層間絶縁膜１６の上に、厚さ５０ｎ
ｍのＴｉ層をスパッタリングにより堆積する。その上
に、厚さ１５０ｎｍのＰｔ層をスパッタリングにより堆
積する。
【００３２】このＰｔ層の上に、ゾルゲル法により厚さ
２８０ｎｍのＰＺＴ層を形成する。まず、ＰｂとＺｒと
Ｔｉとのモル組成比が１１０：５２：４８となるように
調整された有機金属化合物を、Ｐｔ層の表面上にスピン
塗布する。例えば、最初の３秒間の回転数を５００ｒｐ
ｍとし、その後の１５秒間の回転数を２０００ｒｐｍと
する。基板温度４７０℃で５分間の熱処理を行い、有機
金属を熱分解する。このスピン塗布と熱分解とを６回繰
り返すことにより、結晶化後の厚さが約２８０ｎｍ程度
となるＰＺＴ層が得られる。
２８０ｎｍのＰＺＴ層を形成する。まず、ＰｂとＺｒと
Ｔｉとのモル組成比が１１０：５２：４８となるように
調整された有機金属化合物を、Ｐｔ層の表面上にスピン
塗布する。例えば、最初の３秒間の回転数を５００ｒｐ
ｍとし、その後の１５秒間の回転数を２０００ｒｐｍと
する。基板温度４７０℃で５分間の熱処理を行い、有機
金属を熱分解する。このスピン塗布と熱分解とを６回繰
り返すことにより、結晶化後の厚さが約２８０ｎｍ程度
となるＰＺＴ層が得られる。
【００３３】スピン塗布と熱分解との繰り返しによって
得られたＰＺＴ層を、例えばランプアニール等により熱
処理して結晶化させる。この熱処理は、例えば、昇温速
度１℃／秒で６５０℃まで昇温し、６５０℃の温度を３
０分間維持し、３０分かけて２００℃まで降温させ、そ
の後自然冷却することにより行う。この熱処理により、
多結晶ＰＺＴ層を得ることができる。
得られたＰＺＴ層を、例えばランプアニール等により熱
処理して結晶化させる。この熱処理は、例えば、昇温速
度１℃／秒で６５０℃まで昇温し、６５０℃の温度を３
０分間維持し、３０分かけて２００℃まで降温させ、そ
の後自然冷却することにより行う。この熱処理により、
多結晶ＰＺＴ層を得ることができる。
【００３４】多結晶化したＰＺＴ層の上に、Ｐｔ層をス
パッタリングにより形成する。Ｐｔ層の形成後、図１の
実施例による強誘電体キャパシタの製造の場合と同様
に、水素雰囲気中で第１回目の熱処理を行い、引き続い
て酸素雰囲気中で第２回目の熱処理を行う。第１回目の
熱処理により、上側電極１９及び下側電極１７内に、図
１に示した拡散領域５及び７が形成される。第２回目の
熱処理により、強誘電体キャパシタ２０のＱSW値が回復
する。
パッタリングにより形成する。Ｐｔ層の形成後、図１の
実施例による強誘電体キャパシタの製造の場合と同様
に、水素雰囲気中で第１回目の熱処理を行い、引き続い
て酸素雰囲気中で第２回目の熱処理を行う。第１回目の
熱処理により、上側電極１９及び下側電極１７内に、図
１に示した拡散領域５及び７が形成される。第２回目の
熱処理により、強誘電体キャパシタ２０のＱSW値が回復
する。
【００３５】層間絶縁膜１６に接するＴｉ層から、最も
上のＰｔ層までの積層構造をパターニングすることによ
り、強誘電体キャパシタ２０が形成される。なお、基板
法線方向に沿って見たとき、上側電極１９が強誘電体層
１８に内包され、強誘電体層１８が下側電極１７に内包
されるようにパターニングされる。
上のＰｔ層までの積層構造をパターニングすることによ
り、強誘電体キャパシタ２０が形成される。なお、基板
法線方向に沿って見たとき、上側電極１９が強誘電体層
１８に内包され、強誘電体層１８が下側電極１７に内包
されるようにパターニングされる。
【００３６】図４（Ｂ）に示すように、酸化シリコンか
らなる層間絶縁膜３１を形成し、強誘電体キャパシタ２
０を層間絶縁膜３１で覆う。層間絶縁膜酸３１は、ＣＶ
Ｄにより形成される。層間絶縁膜３１の形成時に強誘電
体キャパシタ２０が還元性雰囲気に晒されるが、上側電
極１９及び下側電極１７内に、図１に示した拡散領域５
及び７が形成されているため、強誘電体キャパシタ２０
の電気的特性の劣化が防止される。層間絶縁膜３１に、
コンタクトホール３２ｂ及び３２ｃを形成する。コンタ
クトホール３２ｂの底面に上側電極１９の一部が露出
し、コンタクトホール３２ｃの底面に下側電極１７の一
部が露出する。
らなる層間絶縁膜３１を形成し、強誘電体キャパシタ２
０を層間絶縁膜３１で覆う。層間絶縁膜酸３１は、ＣＶ
Ｄにより形成される。層間絶縁膜３１の形成時に強誘電
体キャパシタ２０が還元性雰囲気に晒されるが、上側電
極１９及び下側電極１７内に、図１に示した拡散領域５
及び７が形成されているため、強誘電体キャパシタ２０
の電気的特性の劣化が防止される。層間絶縁膜３１に、
コンタクトホール３２ｂ及び３２ｃを形成する。コンタ
クトホール３２ｂの底面に上側電極１９の一部が露出
し、コンタクトホール３２ｃの底面に下側電極１７の一
部が露出する。
【００３７】図４（Ｃ）に示すように、層間絶縁膜３１
と１６とを貫通するコンタクトホール３２ａを形成す
る。コンタクトホール３２ａの底面に、ｎ型拡散領域１
４ｄの一部が露出する。コンタクトホール３２ａ〜３２
ｃ内を埋めるように、配線パターン３３ａ〜３３ｃを形
成する。図４（Ｃ）には示さないが、層間絶縁膜３１の
上に多層配線を形成することにより、強誘電体キャパシ
タを用いた不揮発性半導体記憶装置が得られる。
と１６とを貫通するコンタクトホール３２ａを形成す
る。コンタクトホール３２ａの底面に、ｎ型拡散領域１
４ｄの一部が露出する。コンタクトホール３２ａ〜３２
ｃ内を埋めるように、配線パターン３３ａ〜３３ｃを形
成する。図４（Ｃ）には示さないが、層間絶縁膜３１の
上に多層配線を形成することにより、強誘電体キャパシ
タを用いた不揮発性半導体記憶装置が得られる。
【００３８】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種
々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に
自明であろう。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
強誘電体層と電極とｎ間に、水素を吸蔵するか、もしく
は透過させにくい拡散領域が形成される。この拡散領域
により、強誘電体層が還元されることを防止できる。強
誘電体層の還元が防止されるため、この強誘電体層を用
いた強誘電体キャパシタの電気的特性の劣化が防止され
る。
強誘電体層と電極とｎ間に、水素を吸蔵するか、もしく
は透過させにくい拡散領域が形成される。この拡散領域
により、強誘電体層が還元されることを防止できる。強
誘電体層の還元が防止されるため、この強誘電体層を用
いた強誘電体キャパシタの電気的特性の劣化が防止され
る。
【図１】本発明の実施例による強誘電体キャパシタの基
本構成を示す断面図である。
本構成を示す断面図である。
【図２】上側電極、強誘電体層、及び下側電極の３層構
造の厚さ方向に関するＰｔとＰｂの分布を示すグラフで
あり、図２（Ａ）は第１回目の熱処理前、図２（Ｂ）は
第１回目の熱処理後、図２（Ｃ）は第２回目の熱処理後
の分布を示す。
造の厚さ方向に関するＰｔとＰｂの分布を示すグラフで
あり、図２（Ａ）は第１回目の熱処理前、図２（Ｂ）は
第１回目の熱処理後、図２（Ｃ）は第２回目の熱処理後
の分布を示す。
【図３】酸素雰囲気中で熱処理した後の、Ｐｔ及びＰｂ
の分布を示すグラフである。
の分布を示すグラフである。
【図４】実施例による強誘電体キャパシタを有する不揮
発性半導体記憶装置の製造工程を説明するための断面図
である。
発性半導体記憶装置の製造工程を説明するための断面図
である。
１ 基板 ２ 酸化シリコン膜 ３ Ｔｉ膜 ４ 下側電極 ５、７ 拡散領域 ６ 強誘電体層 ８ 上側電極 １１ シリコン基板 １２ ｐ型ウェル １３ フィールド酸化膜 １５ ＭＯＳＦＥＴ １６、３１ 層間絶縁膜 １７ 下側電極 １８ 強誘電体層 １９ 上側電極 ２０ 強誘電体キャパシタ ３２ａ〜３２ｃ コンタクトホール ３３ａ〜３３ｃ 配線パターン
フロントページの続き (72)発明者 大谷 成元 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 (72)発明者 芦田 裕 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 5F083 FR02 GA21 GA25 JA15 JA17 JA38 JA39 PR33
Claims (4)
- 【請求項１】 基板上に、構成元素として第１の金属元
素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層を形成する工
程と、 前記強誘電体層の上に、上側電極を形成する工程と、 前記強誘電体層及び上側電極に、水素雰囲気中で第１回
目の熱処理を行い、該強誘電体層中の第１の金属元素を
前記上側電極中に拡散させる工程と、 前記第１回目の熱処理後、酸素雰囲気中で第２回目の熱
処理を行う工程とを有し、 前記上側電極のうち、前記第１の金属元素の拡散した領
域が、拡散していない領域よりも水素を吸蔵しやすい
か、もしくは水素を透過させにくい強誘電体装置の製造
方法。 - 【請求項２】 前記第１回目の熱処理工程において、前
記強誘電体層と前記上側電極との界面から前記上側電極
中への深さが５〜１０ｎｍの位置で、前記第１の金属元
素のモル分率が、界面におけるモル分率の１／５になる
ように熱処理を行う請求項１に記載の強誘電体装置の製
造方法。 - 【請求項３】 前記強誘電体層を形成する工程の前に、
さらに、前記基板上に下側電極を形成する工程を含み、
前記強誘電体層を前記下側電極上に形成する請求項１ま
たは２に記載の強誘電体装置の製造方法。 - 【請求項４】 下側電極と、 前記下側電極上に配置され、構成元素として第１の金属
元素を含む強誘電体材料からなる強誘電体層と、 前記強誘電体層の上に形成された上側電極と、 前記上側電極と前記強誘電体層との界面近傍の該上側電
極内に形成された第１の金属元素の拡散領域であって、
前記強誘電体層と前記上側電極との界面から前記上側電
極内への深さが５〜１０ｎｍの位置で、前記第１の金属
元素のモル分率が、界面におけるモル分率の１／５にな
っている前記拡散領域とを有し、 前記飼拡散領域が、前記上側電極のうち該拡散領域以外
の部分よりも水素を吸蔵しやすいか、もしくは水素を透
過させにくい強誘電体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000076907A JP2001267519A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000076907A JP2001267519A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001267519A true JP2001267519A (ja) | 2001-09-28 |
Family
ID=18594570
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000076907A Pending JP2001267519A (ja) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 強誘電体装置の製造方法及び強誘電体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001267519A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004207304A (ja) * | 2002-12-24 | 2004-07-22 | Seiko Epson Corp | セラミックス膜の製造方法および強誘電体キャパシタの製造方法、ならびにセラミックス膜、強誘電体キャパシタおよび半導体装置 |
| US6891715B2 (en) | 2002-07-08 | 2005-05-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Capacitor and method for fabricating the same |
| CN113421881A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-09-21 | 复旦大学 | 通过金属扩散调节铁电存储器表面层有效厚度的方法 |
-
2000
- 2000-03-17 JP JP2000076907A patent/JP2001267519A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6891715B2 (en) | 2002-07-08 | 2005-05-10 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Capacitor and method for fabricating the same |
| US7413949B2 (en) | 2002-07-08 | 2008-08-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Capacitor and method for fabricating the same |
| JP2004207304A (ja) * | 2002-12-24 | 2004-07-22 | Seiko Epson Corp | セラミックス膜の製造方法および強誘電体キャパシタの製造方法、ならびにセラミックス膜、強誘電体キャパシタおよび半導体装置 |
| JP4609621B2 (ja) * | 2002-12-24 | 2011-01-12 | セイコーエプソン株式会社 | 強誘電体キャパシタの製造方法 |
| CN113421881A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-09-21 | 复旦大学 | 通过金属扩散调节铁电存储器表面层有效厚度的方法 |
| CN113421881B (zh) * | 2021-05-26 | 2022-08-19 | 复旦大学 | 通过金属扩散调节铁电存储器表面层有效厚度的方法 |
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