JP2002026001A

JP2002026001A - 誘電体膜および半導体装置

Info

Publication number: JP2002026001A
Application number: JP2000199716A
Authority: JP
Inventors: Narimoto Otani; 成元大谷; Yutaka Ashida; 裕芦田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】ＢＬＴ膜を使うことにより、Ｐｂを含まな
い、また同時に大きな反転電荷量Ｑ_SWを有し、強誘電体
キャパシタ絶縁膜を提供する。【解決手段】ＢＬＴ膜を等粒状組織を有するように形
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に半導体装置に
係り、特に層状Ｂｉ酸化物よりなる誘電体膜を有する半
導体装置およびその製造方法に関する。

【０００２】微細化技術の進歩に伴い、今日ではサブク
ォーターミクロンあるいはディープサブクォーターミク
ロンと呼ばれる、０．２５μｍ以下の設計ルールによる
半導体装置が実現されている。かかる微細化に伴い集積
密度が向上し、特にＤＲＡＭ等の半導体記憶装置では、
記憶容量を増大することができる。

【０００３】一方、かかる微細化に伴い、ＤＲＡＭのよ
うなメモリセルキャパシタに電荷を蓄積することにより
情報の記憶を行う半導体記憶装置では、メモリセルキャ
パシタも微細化されてしまう。このため、微細化された
ＤＲＡＭにおいて情報を安定に保持するためには、メモ
リセルキャパシタの単位面積当りキャパシタンスを出来
るだけ増大させることが必要である。このような理由か
ら、従来のＳｉＯ₂膜やＳｉＮ膜よりもはるかに大きな
比誘電率を有するＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）あ
るいはＳＢＴ（ＳｒＢｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉）高誘電体膜をＤＲ
ＡＭのメモリセルキャパシタにおいてキャパシタ誘電体
膜として使う試みがなされている。

【０００４】また、このような高誘電体膜は材料によっ
て決まる所定のキュリー温度以下の温度で自発分極を示
し強誘電膜となるものが多い。例えばＰＺＴは常温で強
誘電体膜となる。そこで、このような強誘電体膜をメモ
リセルキャパシタのキャパシタ誘電体膜として使うこと
により、情報を自発分極の形で蓄積するいわゆる強誘電
性半導体記憶装置（ＦｅＲＡＭ）を形成することができ
る。かかるＦｅＲＡＭではＤＲＡＭと異なり不揮発性
で、電源を切っても情報が保存される。またＦｅＲＡＭ
では情報の書き込みが電圧の印加のみによりなされるた
め、高速での読み書きが可能である。また消費電力も低
減される。

【０００５】またかかる高誘電体膜はトンネル電流が流
れないような大きな膜厚であっても非常に小さなＳｉＯ
₂換算等価膜厚を有するため、高速半導体装置のゲート
絶縁膜に使うことにより、ゲート絶縁膜を流れるトンネ
ル電流を抑制しつつ、スケーリング則に従って半導体装
置を微細化し、動作速度を向上させることができる。

【０００６】

【従来の技術】ＰＺＴ膜はペロブスカイト構造を有して
おり、従来よりＦｅＲＡＭの強誘電体膜として使われて
いる。特にＰＺＴ膜は３０μＣ／ｃｍ²に達する反転電
荷量Ｑ_S _Wを実現しており、自発分極の形で情報を安定に
保持できることが確認されている。

【０００７】一方、ＰＺＴ膜は揮発性のＰｂを含むた
め、製造工程中においてＰｂの離脱による欠損が生じや
すく、かかるＰｂ欠損はＰＺＴ膜中においてピンホール
を形成する場合すらある。このようなＰｂの欠損はキャ
パシタのリーク電流特性を劣化させ、また分極反転の繰
り返しにより自発分極の値が減少する疲労の問題を生じ
ていた。さらに、Ｐｂの使用は環境保護の観点から規制
される方向にあり、Ｐｂを含まない高誘電体材料が望ま
れていた。

【０００８】これに対し、従来よりＰｂを含まない高誘
電体材料として、層状Ｂｉ酸化物が知られていた。

【０００９】Ｂｉ層状酸化物は最初Smolenskii等によっ
て発見され（G. A. Smolenski, V.A. Isupov and A. I.
Agaranovskaya, Soviet Phys. Solid. State, 1, pp.1
49,1959）、その後 Subbarao（Sabbarao, E.C., J. Ph
ys. Chem. Solid., 23, pp.665, 1962）により詳細な検
討がなされた。さらに層状Ｂｉ酸化物の一つであるＳｒ
Ｂｉ₂Ｔａ₂Ｏ₉（ＢＳＴ）膜をＦｅＲＡＭの強誘電体膜
として使うことが提案されている（ＰＣＴ／ＵＳ９２／
１０５４２号公報参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記ＢＳＴ膜
の場合、疲労特性こそ良好であるものの、８００°Ｃで
１時間の高温焼成を行っても残留分極２Ｐｒの値が４〜
１６μＣ／ｃｍ²とＰＺＴ膜の値の半分以下にしかなら
ず、さらに膜表面の凹凸が大きく、半導体集積回路を形
成するのが困難である問題を有していた。また焼成を高
温で行う必要があることから、ビアホールを充填する導
電性プラグとキャパシタ電極との間で材料元素の相互拡
散が生じたり、酸化によるコンタクト不良、さらには拡
散領域における不純物元素の基板中への拡散の問題が生
じる恐れがある。

【００１１】これに対し、Ｂｉ_4-xＬａ_xＴｉ₃Ｏ₁₂で表
される組成を有するいわゆるＢＬＴ膜は層状Ｂｉ酸化物
であり、組成Ｂｉ₄Ｔｉ₃Ｏ₁₂を有するＢＴＯ膜において
Ｂｉの一部をＬａで置換している。ＢＬＴ膜ではＬａ量
と共に残留分極値が増大し、バルク焼結体においては、
Ｌａ＝０．７５で最大の２９μＣ／ｃｍ²の残留分極値
が達成されている（Takenaka, T., et al., Ferroelect
rics vol.38, pp.769-772, 1981）。

【００１２】また最近のＰａｒｋ他による報告（Park,
B. H., Nature vol.401, 14 Oct. 1999）では、レーザ
アブレーション法により形成したＢＬＴ薄膜において、
１６〜２０μＣ／ｃｍ²に達する残留分極値が報告され
ている。

【００１３】しかしながら、レーザアブレーション法を
半導体装置の量産ラインに適用するのは困難であり、ま
た形成された膜も残留分極値と疲労特性についてはある
程度良好な値が得られているものの、リーク電流の問題
や表面モフォロジーの問題は未解決である。これらの問
題を解決しない限り、ＢＬＴ膜の半導体装置への適用は
困難である。

【００１４】そこで、本発明は上記の課題を解決した、
新規で有用な強誘電体膜および半導体装置を提供するこ
とを概括的課題とする。

【００１５】本発明のより具体的な課題は、ＢＬＴ膜よ
りなり、大きな残留分極値を有し、リーク電流が小さ
く、さらに優れた表面モフォロジーを有する強誘電体
膜、およびかかる強誘電体膜を含む半導体装置を提供す
ることにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題
を、基板上に形成された、Ｌａを含む層状Ｂｉ酸化物よ
りなる誘電体膜であって、前記誘電体膜は、前記層状Ｂ
ｉ酸化物結晶の集合よりなり、前記層状Ｂｉ酸化物結晶
は、前記誘電体膜中において等粒状組織を形成すること
を特徴とする誘電体膜、あるいはかかる誘電体膜を有す
る半導体装置により、解決する。

【００１７】前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、アスペクト比
が１．４以下の結晶を９０％以上の割合で含むのが好ま
しく、特に前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、１５０ｎｍ以
下、より好ましくは約１２０ｎｍの平均粒径を有するの
が望ましい。前記層状Ｂｉ酸化物結晶は＜１７１＞方向
に優先的に配向しており、Ｂｉ_4-xＬａ_xＴｉ₃Ｏ₁₂で表
される組成を有し、１０％未満の割合で過剰Ｂｉを含
む。特に前記過剰Ｂｉは３〜７％の範囲の割合で含まれ
るのが好ましい。また前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、Ｌａ
組成ｘが０．２〜０．９の範囲に設定されるのが好まし
い。

【００１８】本発明によれば、基板上に形成されたＢＬ
Ｔ誘電体膜において、表面モフォロジーを良好に維持し
つつＰＺＴ膜に匹敵する大きな反転電荷量を実現し、ま
たリーク電流を抑制することができる。このため、かか
るＢＬＴ誘電体膜を使って情報を自発分極の形で保持で
きるＦｅＲＡＭを実現することができる。かかるＢＬＴ
誘電体膜はＰｂを含んでおらず、環境への悪影響もな
い。

【００１９】

【発明の実施の形態】［第１実施例］図１は、本発明の
第１実施例による強誘電体キャパシタ１０の構成を示
す。

【００２０】図１を参照するに、Ｓｉ基板１１上にはＳ
ｉＯ₂膜１２が形成されており、前記ＳｉＯ₂膜１２上に
は厚さが約２５ｎｍのＴｉ膜１３Ａと厚さが約１７５ｎ
ｍのＰｔ膜１３Ｂとを積層した下側電極層１３がスパッ
タリングにより形成される。さらに前記下側電極層１３
上には、組成がＢｉ_4-xＬａ_xＴｉ₃Ｏ₁₂で表される厚さ
が約２００ｎｍのＢＬＴ膜１４が形成され、前記ＢＬＴ
膜１４上にはＰｔよりなる上側電極層１５が約１００ｎ
ｍの厚さにスパッタリングにより形成される。

【００２１】図２は、図１の構造中、前記ＢＬＴ膜１４
の形成工程を示す。

【００２２】図２を参照するに、前記ＢＬＴ膜１４はＭ
ＯＤ（metal organic decomposition）法とも呼ばれる
ＣＳＤ（chemical solution deposition）法により形成
され、最初に工程１において、ビスマス２エチルヘキサ
ネートＢｉ（Ｃ₇Ｈ₁₅ＣＯＯ）₂と、ランタン３エチルヘ
キサネートＬａ（Ｃ₇Ｈ₁₅ＣＯＯ）₂と、チタニウムテト
ライソプロポキシドＴｉ（（ＣＨ₃）₂ＣＨＯ）₄とをそ
れぞれＢｉ，ＬａおよびＴｉの有機金属原料として使
い、これらを溶媒中において所定の比率で混合すること
により有機金属塗布液が形成される。本発明の基礎とな
る研究において本発明者が行った実験では、前記有機金
属原料Ｂｉ（Ｃ₇Ｈ₁₅ＣＯＯ）₂、Ｌａ（Ｃ₇Ｈ₁₅ＣＯ
Ｏ）₃およびＴｉ（（ＣＨ₃）₂ＣＨＯ）₄の比率は、Ｂ
ｉ：Ｌａ：Ｔｉの比が３．２５：０．７５：４になるよ
うに設定された。また以下に説明する実験では、前記有
機金属塗布液として、５％の過剰Ｂｉおよび１０％の過
剰Ｂｉを含むものを調製した。このような過剰ＢｉはＢ
ＬＴ膜の結晶化の初期において結晶核として作用すると
考えられる。

【００２３】次にステップ２の工程において、前記塗布
液が、下地層、図１の構成では電極層１３上に、回転速
度を５００ｒｍｐに設定して５秒間行うスピンコーティ
ングにより、あるいは回転速度を３０００ｒｐｍに設定
して３０秒間行うスピンコーティングにより塗布され、
さらにステップ３の工程においてこのようにして形成さ
れた塗布膜に対して２００°Ｃ、５分間の乾燥と４５０
°Ｃ、３０分間の仮焼成とが、酸素雰囲気中において実
行される。本発明の基礎となる実験では、かかる塗布工
程２および乾燥・仮焼成工程３を４回繰り返すことによ
り、所望の厚さのＢＬＴ膜１４を形成した。

【００２４】このようにして形成されたＢＬＴ膜１４は
仮焼成を行った時点では非晶質であり、そこで図２のス
テップ４において前記ＢＬＴ膜１４は昇温速度を１００
°Ｃ／秒とした酸素雰囲気中における急速熱処理（ＲＴ
Ａ）工程により、８００°Ｃで１分間熱処理され、結晶
化される。かかる結晶化の結果、前記ＢＬＴ膜は高誘電
体材料あるいは強誘電体材料に特有の、大きな比誘電率
と残留分極特性を示すようになる。

【００２５】このようにしてＢＬＴ膜１４を結晶化した
後、前記上側電極層１５が、Ｐｔ層のスパッタリングに
より形成され、さらに６５０°Ｃで６０分間あるいは７
００°Ｃで３０分間回復熱処理工程を行った。

【００２６】図３（Ａ），（Ｂ）は、それぞれ図２の工
程により形成された５％および１０％の過剰Ｂｉを含む
ＢＬＴ膜１４の表面組織を示すＳＥＭ写真である。

【００２７】図３（Ａ）を参照するに、前記ＢＬＴ膜１
４が５％の過剰Ｂｉを含む場合、各々のＢＬＴ結晶の粒
径がほぼ等しい等粒状組織が出現する。前記ＢＬＴ膜１
４中に過剰Ｂｉが含まれないような場合にも、同様な等
粒状組織が得られる。これに対し、図３（Ｂ）に示すＢ
ＬＴ膜１４が１０％の過剰Ｂｉを含んでいる場合には、
細長い板状結晶よりなる組織が出現するのがわかる。

【００２８】図４（Ａ），（Ｂ）は、このようにして得
られたＢＬＴ膜１４のヒステリシスを、それぞれ過剰Ｂ
ｉを含まない場合（１００Ｂｉと記す）、および５％の
過剰Ｂｉを含む場合（１０５Ｂｉと記す）について示
す。先の図３（Ｂ）に示すＢＬＴ膜１４が１０％の過剰
Ｂｉを含む場合には、リーク電流が多すぎてヒステリシ
ス特性を測定することは出来なかった。ただし、図４
（Ａ），（Ｂ）では、ヒステリシス特性を、回復熱処理
を６００°Ｃおよび７００°Ｃで行った場合について示
している。

【００２９】図５は、図４（Ａ），（Ｂ）のヒステリシ
ス特性から求められた前記ＢＬＴ膜１４の反転電荷量Ｑ
_SWの値を、印加電圧を３Ｖとした場合について示す。

【００３０】図５を参照するに、前記ＢＬＴ膜１４の反
転電荷量Ｑ_SWの値はＢＬＴ膜１４が５％の過剰Ｂｉを含
む場合（１０５Ｂｉと記す）の方が、過剰Ｂｉを含まな
い場合（１００Ｂｉと記す）よりも大きく、特に回復熱
処理を７００°Ｃで行った場合２５μＣ／ｃｍ²の反転
電荷量が得られる。このＢＬＴ膜１４については、また
印加電圧を５Ｖとした場合、反転電荷量Ｑ_SWの値は２
８．２μＣ／ｃｍ²に達するが、この値はＰＺＴ膜の反
転電荷量の値に匹敵する。

【００３１】図６は、図１のキャパシタのリーク電流特
性を示す。ただし図６においてＢＬＴ膜１４は７００°
Ｃの回復熱処理を施されている。

【００３２】図６を参照するに、前記ＢＬＴ膜１４が過
剰Ｂｉを含まない場合（Ｂｉ１００と記す）、あるいは
５％の過剰Ｂｉ含む場合（Ｂｉ１０５と記す）には、前
記キャパシタに±３Ｖの印加電圧を加えてもリーク電流
は１×１０^-6Ａ／ｃｍ²以下であるのに対し、前記ＢＬ
Ｔ膜１４が１０％の過剰Ｂｉを含む場合（Ｂｉ１１０と
記す）にはリーク電流は±１Ｖ以下の印加電圧において
も１×１０^-1Ａ／ｃｍ ^-2近くに達するのがわかる。

【００３３】図７（Ａ）〜（Ｃ）は、このようにして得
られたＢＬＴ膜１４のＸ線回折パターンを示す。ただし
図７（Ａ）はＢＬＴ膜１４が過剰Ｂｉを含まない場合、
図７（Ｂ）はＢＬＴ膜１４が５％の過剰Ｂｉを含む場
合、さらに図７（Ｃ）は前記ＢＬＴ膜１４が１０％の過
剰Ｂｉを含む場合を示している。

【００３４】図７（Ａ）〜（Ｃ）に共通しているのは、
このように有機金属溶液を塗布した後、急速熱処理によ
り結晶化させたＢＬＴ膜１４では、（１１７）面を示す
結晶粒が多く見られることで、これは前記ＢＬＴ膜１４
中においてＢＬＴ結晶が全体として＜１１７＞方向に優
先的に配向しているのを示していると考えられる。

【００３５】図８は、図３（Ａ）の組織における各結晶
粒のアスペクト比（長軸／短軸比）の分布を示す。

【００３６】図８を参照するに、９０％以上の結晶粒に
おいてアスペクト比が１．４以下であり、図３（Ａ）の
組織が実際に等粒状組織であることが確認される。特に
アスペクト比が１の結晶粒の割合が最も大きいことに注
意すべきである。図３（Ａ）の等粒状組織についてＡＦ
Ｍ（原子間力顕微鏡）により粒径分布を求めたところ、
平均粒径として、約１２０ｎｍの値が得られた。

【００３７】これに対し図９は、図３（Ｂ）の組織にお
ける各結晶粒のアスペクト比分布を示す。

【００３８】図８を参照するに、図３（Ｂ）の組織にお
いてはアスペクト比は主に１から３の間に分布し、１．
５以上のものの割合が１．５未満のものの割合よりもは
るかに大きくなっているのがわかる。図３（Ｂ）の組織
においてＡＦＭにより粒径分布を求めたところ、約１６
０ｎｍの値が得られたが、このように各々の結晶粒が板
状の細長い結晶よりなるため、結晶粒の長軸方向に測っ
た長さの平均値は、前記約１６０ｎｍの値よりもはるか
に大きくなるものと考えられる。

【００３９】以上をまとめると、本発明によるＢＬＴ膜
１４は、膜中の過剰Ｂｉを１０％以下、好ましくは３〜
７％の範囲に設定することにより、図３（Ａ）に示すよ
うに（１７１）配向を主とする等粒状の組織を実現で
き、その結果、従来のＰＺＴ膜に匹敵する反転電荷量Ｑ
_SWが実現できる。その際、ＢＬＴ膜１４が平均粒径１５
０ｎｍ以下の等粒状組織を有するため、細長い板状結晶
よりなる場合に比べて表面モフォロジーが改善され、前
記ＢＬＴ膜１４を使って図１に示す強誘電体キャパシタ
を形成した場合にリーク電流が低減され、また疲労特性
も向上する。［第２実施例］図１０は本発明の第２実施例によるＦｅ
ＲＡＭ２０の構成を示す。

【００４０】図１０を参照するに、ＦｅＲＡＭ２０はフ
ィールド酸化膜２２により画成された素子領域表面に、
チャネル領域ＣＨを挟んで両側に拡散領域２１Ａ，２１
Ｂを形成されたｐ型Ｓｉ基板２１上に形成されており、
前記チャネル領域上にはゲート酸化膜２２Ａを介してポ
リシリコン層とＷＳｉ層とを積層したゲート電極２３が
形成されている。

【００４１】前記ゲート電極２３は両側壁面を側壁酸化
膜により覆われ、さらに前記Ｓｉ基板２１上に前記フィ
ールド酸化膜２２および拡散領域２１Ａ，２１Ｂを覆う
ように形成された層間絶縁膜２４により覆われる。また
前記層間絶縁膜２４中には前記拡散領域２１Ａを露出す
るコンタクトホール２４Ａが形成され、前記コンタクト
ホール２４Ａ中には前記拡散領域２１Ａとコンタクトす
るＷＳｉなどの導電性プラグ２４Ｂが形成される。

【００４２】前記層間絶縁膜２４はさらにＳｉＮ膜３５
により一様に覆われ、前記ＳｉＮ膜３５上には、前記フ
ィールド酸化膜２２に対応して厚さが約２５ｎｍのＴｉ
膜よりなる密着層２６Ａと厚さが約１７５ｎｍのＰｔ膜
よりなる電極層２６Ｂとを積層した下側電極パターン２
６が形成される。

【００４３】前記下側電極パターン２６上には、１０％
未満、好ましくは３〜７％程度の過剰Ｂｉを含むＢＬＴ
パターン２７が約２００ｎｍの厚さに形成され、さらに
前記ＢＬＴパターン２７上には厚さが約１００ｎｍのＰ
ｔ膜よりなる上側電極パターン２８が形成される。前記
下側電極パターン２６，ＢＬＴパターン２７および上側
電極パターン２８は、ＢＬＴパターン２７をキャパシタ
絶縁膜とする強誘電体キャパシタを形成する。

【００４４】先の実施例でも説明したように、前記ＢＬ
Ｔパターン２７を構成するＢＬＴ膜は、前記ＳｉＮ膜２
５上に前記Ｔｉ膜２６ＡとＰｔ膜２６Ｂとをスパッタリ
ングにより形成した後、ビスマス２エチルヘキサネー
ト、ランタン３エチルヘキサネートおよびチタニウムテ
トライソプロポキシドとを含む有機金属原料を塗布し、
これを乾燥および仮焼成した後、酸素雰囲気中、７００
〜８００°Ｃ程度の温度で急速熱処理することで結晶化
させることにより、得られる。

【００４５】さらに前記Ｔｉ膜２６Ａ，Ｐｔ膜２６Ｂ、
ＢＬＴ膜および上側電極パターン２８を構成するＰｔ膜
をパターニングして前記強誘電体キャパシタを形成した
後、前記ＳｉＮ膜２５上に前記強誘電体キャパシタを覆
うように層間絶縁膜２９を形成し、前記層間絶縁膜２９
中に前記上側電極２８を露出する第１のコンタクトホー
ル２９Ａおよび前記導電性プラグ２４Ｂを露出する第２
のコンタクトホール２９Ｂを形成する。さらに、前記層
間絶縁膜２９上に、Ｔｉよりなるローカル配線パターン
３０を形成し、前記拡散領域２１Ａと前記上側電極２８
とを電気的に接続する。

【００４６】かかる構成のＦｅＲＡＭにおいて、前記Ｂ
ＬＴパターン２７は先に図３（Ａ）で説明したような等
粒状組織を有し、ＰＺＴ膜に匹敵する反転電荷量Ｑ_SWを
有する。このため、本実施例によるＦｅＲＡＭ２０は情
報を自発分極の形で、安定に保持することができる。ま
た前記ＢＬＴパターン２７中においては各々のＢＬＴ結
晶がほぼ一様な、１５０ｎｍ以下、典型的には１２０ｎ
ｍ以下の粒径を有するため表面モフォロジーの良い、平
滑な膜表面が得られ、これに伴い先に図６で説明したよ
うにキャパシタリーク電流が抑制される。また、前記Ｂ
ＬＴ膜２７の表面モフォロジーが向上するため、前記強
誘電体キャパシタを層間絶縁膜２９により覆ったり、こ
れにコンタクトホール２９Ａを形成する工程が容易にな
り、半導体装置製造の歩留りが向上する。

【００４７】なお、以上の説明ではＢＬＴ膜をＭＯＤ法
あるいはＣＳＤ法により形成する場合について説明した
が、本発明は前記ＢＬＴ膜をＣＶＤ法で形成する場合に
おいても有効である。

【００４８】以上、本発明を好ましい実施例について説
明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内におい
て、様々な変形・変更が可能である。（付記）（付記１）基板上に形成された、Ｌａを含む層状Ｂｉ
酸化物よりなる誘電体膜であって、前記誘電体膜は、前
記層状Ｂｉ酸化物結晶の集合よりなり、前記層状Ｂｉ酸
化物結晶は、前記誘電体膜中において等粒状組織を形成
することを特徴とする誘電体膜。（付記２）前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、アスペクト比
が１．４以下の結晶を９０％以上の割合で含むことを特
徴とする付記１記載の誘電体膜。（付記３）前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、１５０ｎｍ以
下の平均粒径を有することを特徴とする付記１または２
記載の誘電体膜。（付記４）前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、約１２０ｎｍ
の平均粒径を有することを特徴とする付記１〜３のう
ち、いずれか一項記載の誘電体膜。（付記５）前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、＜１７１＞方
向に優先的に配向していることを特徴とする付記１〜４
のうち、いずれか一項記載の誘電体膜。（付記６）前記層状Ｂｉ酸化物結晶はＢｉ_4-xＬａ_xＴ
ｉ₃Ｏ₁₂で表される組成を有し、１０％未満の割合で過
剰Ｂｉを含むことを特徴とする付記１〜５のうち、いず
れか一項記載の誘電体膜。（付記７）前記過剰Ｂｉは３〜７％の範囲の割合で含
まれることを特徴とする付記６記載の誘電体膜。（付記８）前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、Ｌａ組成ｘが
０．２〜０．９の範囲に設定されることを特徴とする請
求項６または７記載の誘電体膜。（付記９）基板と、前記基板上に形成された能動素子
と、前記基板上に形成された誘電体膜とを含む半導体装
置であって、前記誘電体膜は、前記層状Ｂｉ酸化物結晶
の集合よりなり、前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、前記誘電
体膜中において等粒状組織を形成することを特徴とする
半導体装置。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、基板上に形成されるＢ
ＬＴ膜の組成を、結晶化工程したＢＬＴ膜が等粒状組織
を示すように設定することにより、ＰＺＴ膜に匹敵する
反転電荷量Ｑ_SWが実現され、同時にリーク電流が抑制さ
れる。さらにかかる等粒状組織を有するＢＬＴ膜をキャ
パシタに使うことにより、半導体装置の製造が容易にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による強誘電体キャパシタ
の構成を示す図である。

【図２】図１の強誘電体キャパシタの製造工程を示す図
である。

【図３】（Ａ），（Ｂ）は、図１の強誘電体キャパシタ
で使われるＢＬＴ膜の組織を示す図である。

【図４】（Ａ），（Ｂ）は、図１の強誘電体キャパシタ
で使われるＢＬＴ膜のヒステリシス特性を示す図であ
る。

【図５】図１の強誘電体キャパシタで使われるＢＬＴ膜
の反転電荷量Ｑ_SWを示す図である。

【図６】図１の強誘電体キャパシタのリーク電流特性を
示す図である。

【図７】図１の強誘電体キャパシタで使われるＢＬＴ膜
のＸ線回折図形を示す図である。

【図８】図１の強誘電体キャパシタで使われる等粒状組
織を有するＢＬＴ膜における結晶粒のアスペクト比の分
布を示す図である。

【図９】板状組織を有するＢＬＴ膜における結晶粒のア
スペクト比の分布を示す図である。

【図１０】本発明の第２実施例によるＦｅＲＡＭの構成
を示す図である。

【符号の説明】

１０強誘電体キャパシタ１１，２１基板１２ＳｉＯ₂膜１３下側電極層１３ＡＴｉ膜１３ＢＰｔ膜１４ＢＬＴ膜１５上側電極層２１Ａ，２１Ｂ拡散領域２２フィールド酸化膜２２Ａゲート酸化膜２３ゲート電極２４層間絶縁膜２４Ａコンタクトホール２４Ｂ導電性プラグ２５ＳｉＮ膜２６ＡＴｉ膜２６ＢＰｔ膜２６下側電極パターン２７ＢＬＴパターン２８上側電極パターン２９層間絶縁膜２９Ａ，２９Ｂコンタクトホール３０ローカル配線パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4K029 AA06 BA13 BA17 BA50 BB02 BB07 BC00 CA05 5F058 AA07 AD10 AF04 AG01 AH01 5F083 JA15 JA17 JA35 JA38 JA39 MA06 MA17 PR23 PR33 PR34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に形成された、Ｌａを含む層状Ｂ
ｉ酸化物よりなる誘電体膜であって、前記誘電体膜は、前記層状Ｂｉ酸化物結晶の集合よりな
り、前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、前記誘電体膜中において等
粒状組織を形成することを特徴とする誘電体膜。
【請求項２】前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、アスペクト
比が１．４以下の結晶を９０％以上の割合で含むことを
特徴とする請求項１記載の誘電体膜。
【請求項３】前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、１５０ｎｍ
以下の平均粒径を有することを特徴とする請求項１また
は２記載の誘電体膜。
【請求項４】前記層状Ｂｉ酸化物結晶はＢｉ_4-xＬａ_x
Ｔｉ₃Ｏ₁₂で表される組成を有し、１０％未満の割合で
過剰Ｂｉを含むことを特徴とする請求項１〜３のうち、
いずれか一項記載の誘電体膜。
【請求項５】基板と、前記基板上に形成された能動素子と、前記基板上に形成された誘電体膜とを含む半導体装置で
あって、前記誘電体膜は、前記層状Ｂｉ酸化物結晶の集合よりな
り、前記層状Ｂｉ酸化物結晶は、前記誘電体膜中において等
粒状組織を形成することを特徴とする半導体装置。