JPH11220106A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
半導体装置及びその製造方法Info
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Abstract
を有する半導体装置及びその製造方法に関し、強誘電体
材料をキャパシタ絶縁膜として用いたキャパシタのリー
ク電流を抑制しつつ、ヒステリシスを大きくする。 【解決手段】半導体基板11と、半導体基板11上に形
成された絶縁膜12と、絶縁膜12上に形成された上面
に(111)面方位が表れた高融点金属からなる下部電
極13、及び少なくとも面方位(111)の鉛を含む強
誘電体膜141と面方位(100)の鉛を含む強誘電体
膜142とが下部電極13上に積層されたキャパシタ絶
縁膜14、及びキャパシタ絶縁膜14上の上部電極15
を有するキャパシタとを備えた。
Description
の製造方法に関し、より詳しくは、強誘電体をキャパシ
タ絶縁膜とするキャパシタを有する半導体装置及びその
製造方法に関する。近年、半導体集積回路装置において
は、高集積度化に伴い、キャパシタの微細化が要望され
ている。
などの高い誘電率を有する材料(強誘電体等)は半導体
記憶装置のキャパシタ絶縁膜としての応用が期待されて
いる。例えば、DRAM等で集積度を上げるためにはキ
ャパシタの面積を縮小することが有効である。この場
合、従来のシリコン酸化膜やシリコン窒化膜よりも高い
誘電率を有する強誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として用
いればキャパシタの面積を小さくできる。なお、一般に
強誘電体は、図12に示すように、ペロブスカイト型の
結晶構造を有し、その配位される場所によってA位置、
B位置と区別されている。前記(Sr,Ba)TiO3 やPb(Zr,T
i)O3 では、それぞれA位置にSr,BaやPbが、B
位置にTi,ZrやTiが配位することを示している。
体をキャパシタ絶縁膜とするキャパシタの作成方法につ
いて説明する断面図である。図13(a)に示すよう
に、半導体基板1上に絶縁膜2を形成した後、Ti膜3
01とその上のPt膜302との2層の金属膜3を形成
する。次いで、 (Pb,La)(Zr,Ti)O3 (以下、PLZTと称す
る。)の強誘電体膜4を形成した後、Pt膜5を形成す
る。
を上の層5,4,3から順に別々にパターニングして、
Pt膜からなる上部電極5aと、PLZT膜からなるキ
ャパシタ絶縁膜4aと、Ti膜301とPt膜302と
の2層の金属膜3からなる下部電極3aとを形成する。
これにより、キャパシタが完成する。このようにして作
成されたキャパシタは、キャパシタ絶縁膜4aとして強
誘電体膜を用いているので、キャパシタの面積を小さく
でき、素子の微細化にとって望ましい。
シタ絶縁膜4aとして上記の高誘電体材料を用いたキャ
パシタにおいては、組成が変わるとキャパシタの特性が
大きく変わってしまう。即ち、特定の組成で、リーク電
流は小さいけれど、ヒステリシスループが小さくなると
いう問題があり、逆に、組成を変えてヒステリシスルー
プを大きくしようとすると、リーク電流が大きくなって
しまうという問題がある。
創作されたものであり、強誘電体材料をキャパシタ絶縁
膜として用いたキャパシタのリーク電流を抑制しつつ、
ヒステリシスを大きくすることができる半導体装置及び
その製造方法を提供するものである。
である、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された
絶縁膜と、前記絶縁膜上に形成された上面に(111)
面方位が表れた高融点金属からなる下部電極、及び少な
くとも面方位(111)の鉛を含む強誘電体膜と面方位
(100)の鉛を含む強誘電体膜とが前記下部電極上に
積層されたキャパシタ絶縁膜、及び前記キャパシタ絶縁
膜上の上部電極を有するキャパシタとを備えたことを特
徴とする半導体装置によって解決され、第2の発明であ
る、前記強誘電体膜の材料は、Pb(Zr,Ti)O3 又は (Pb,L
a)(Zr,Ti)O3 であることを特徴とする第1の発明に記載
の半導体装置によって解決され、第3の発明である、前
記強誘電体膜と接する側の下部電極及び上部電極の材料
は、白金膜であることを特徴とする第1又は第2の発明
に記載の半導体装置によって解決され、第4の発明であ
る、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁
膜上に(111)面方位を有する高融点金属からなる下
部電極を形成する工程と、前記下部電極上に(111)
面方位を有する鉛を含む第1の強誘電体膜を形成し、さ
らに少なくとも前記第1の強誘電体膜上に(100)面
方位を有する鉛を含む第2の強誘電体膜を形成し、面方
位の異なる複数の強誘電体膜からなるキャパシタ絶縁膜
を形成する工程と、前記キャパシタ絶縁膜上に高融点金
属からなる上部電極を形成する工程と、前記上部電極
と、キャパシタ絶縁膜と、前記下部電極とをパターニン
グしてキャパシタを形成する工程とを有することを特徴
とする半導体装置の製造方法によって解決され、第5の
発明である、前記強誘電体膜の構成元素である、鉛を含
むペロブスカイト型の結晶構造のA位置に配位する元素
の他の構成元素に対する比率は0.9乃至1.4の範囲
であることを特徴とする第4発明に記載の半導体装置に
よって解決され、第6の発明である、前記面方位の異な
る複数の強誘電体膜をスパッタにより形成するものであ
って、前記スパッタガスであるアルゴンガスの圧力を調
整することにより前記強誘電体膜の面方位を制御するこ
とを特徴とする第4又は第5の発明に記載の半導体装置
の製造方法によって解決され、第7の発明である、前記
面方位の異なる複数の強誘電体膜をスパッタにより形成
するものであって、前記スパッタガスをプラズマ化する
高周波電力を調整することにより前記強誘電体膜の面方
位を制御することを特徴とする第4又は第5の発明に記
載の半導体装置の製造方法によって解決される。
する鉛(Pb)を含む強誘電体膜と面方位(100)を
有するPbを含む強誘電体膜とを積層したキャパシタ絶
縁膜を用いている。ところで、本願発明者は、スパッタ
ガスの流量やスパッタガスをプラズマ化するための電力
などの成膜条件を調整することでPbの含有量を制御す
ることができ、そのPbの含有量の変化を通して面方位
を変えることができることを見いだした。なお、PLZ
Tの場合にはA位置に配位する元素はPbの他にLaも
あるが特にPbの影響が大きい。
を有するPbを含む強誘電体膜はリーク電流は大きいも
のの、分極幅が大きくなり、また、面方位(100)を
有するPbを含む強誘電体膜は分極幅は小さいもののリ
ーク電流が小さくなる。リーク電流及び分極幅の見地か
ら、実用上、強誘電体膜の構成元素である、Pbを含む
ペロブスカイト型の結晶構造A位置に配位する元素の他
の構成元素に対する比率は0.9〜1.4の範囲が好ま
しい。また、下限を0.9とするのは、0.9以下だ
と、強誘電体膜のPbを含むA位置に配位する元素の欠
損が顕著になるためである。なお、A位置とは図12に
示すペロブスカイト型の結晶構造のA位置をいう。Pb(Z
r,Ti)O3 又は (Pb,La)(Zr,Ti)O3 では、A位置にそれぞ
れPbや、Pb及びLaが配位する。
るキャパシタでは、面方位(111)を有する強誘電体
膜を有するので分極幅が大きい。また、面方位(11
1)を有する強誘電体膜を単独で用いた場合はリーク電
流が大きいが、面方位(100)を有する強誘電体膜と
面方位(111)を有する強誘電体膜とを積層すること
により面方位(111)を有する強誘電体膜のリーク電
流が大きいという欠点が補われ、キャパシタ全体として
はリーク電流を小さくすることができる。
分極幅が大きいキャパシタを作成することができる。従
って、このようなキャパシタを備えた半導体記憶装置で
は、キャパシタはリーク電流が小さいので、電荷流出を
抑制でき、しかも、分極幅が大きいので、キャパシタ絶
縁膜の誘電率が高くなり、キャパシタの面積を小さくし
て素子の微細化を図ることができる。
いて図面を参照しながら説明する。 (1)調査結果 以下に、リーク電流が大きい原因と、ヒステリシスルー
プが小さい原因を調査した。その結果を以下に示す。
晶配向性(結晶方位)は、図2に示すペロブスカイト構
造の結晶構造のA位置に配位するPb+Laの含有量に
よって変化し、Pb+Laの含有量はプロセス条件によ
って変化する。そして、結晶配向性の変化がリーク電流
やヒステリシスループに影響を及ぼすことも分かった。
シタ絶縁膜の成膜に用いたスパッタ装置の側面図であ
る。図11に示すように、スパッタ装置はチャンバ20
1内に上下部電極205,204を備え、ガス導入口2
03からAr等のスパッタガスが導入され、排気口20
2により所定の圧力に排気される。また、上部電極20
5にはスパッタガスをプラズマ化する高周波電源206
が接続されている。
7がスパッタ装置の上部電極205に固定され、スパッ
タ装置の下部電極204上に被成膜基板208が載置さ
れる。図2は、上記スパッタ装置を用いたPLZT膜の
成膜時のガス圧力に対するPb+Laの含有量の変化を
示したものである。横軸はガス圧力(mTorr)を表
し、縦軸は(Pb+La)/(Zr+Ti)比を表す。
(Pb+La)/(Zr+Ti)比が増大する。測定点
20,30,40,60mTorrに対してそれぞれ凡
そ1,1.2,1.4,2.2である。図3は、PLZ
T膜の成膜時のDC電力に対するPb+Laの含有量の
変化を示したものである。横軸はDC電力(W)を表
し、縦軸は(Pb+La)/(Zr+Ti)比を表す。
なお、ターゲットとして直径250mmφのものを用い
た。
に(Pb+La)/(Zr+Ti)比が低減する。測定
点200,300,400,800Wに対してそれぞれ
凡そ1.47,1.43,1.1.35,1.22,
0.9である。図6は、PLZT膜を用い、Pb+La
の含有量を種々に変えたときのその結晶配向性をX線回
折により調査した結果である。横軸は試料へのX線の入
射角の2倍角2θ(度)を表し、縦軸は回折強度(×10
3 cps)を表す。図6中、試料(a)は(Pb+L
a)/(Zr+Ti)比が1以下のもの、試料(b)は
(Pb+La)/(Zr+Ti)比が1.2のもの、試
料(c)は(Pb+La)/(Zr+Ti)比が1.4
のものを示す。
に、Pbを含むPb(Zr,Ti)O3 膜(以下、PZT膜と称す
る。)等についても成立するものと考えられる。以上の
本願発明者の実験により、PLZT膜などのPbを含む
強誘電体では、Pbの含有量が結晶配向性(結晶方位)
に大きな影響を及ぼすことが分かった。即ち、成膜時の
プロセス条件によってPbの含有量が変わり、そのPb
の含有量を通して結晶配向性が変わるためである。
i)比が1以下では、図6の(a)の結果に示すよう
に、(111)面方位及びそれと類似の(222)面方
位の配向が強くなる。一方、(Pb+La)/(Zr+
Ti)比が1よりも大きくなると、図6の(c)の結果
に示すように、(100)面方位及びそれと類似の(2
00)面方位等の配向が強くなる。
シタのリーク電流とヒステリシスループの変化の様子に
ついて調査した。その結果によれば、PLZT膜の場
合、(Pb+La)/(Zr+Ti)比が1以下とPb
+Laの含有量が少ないと、上記のように面方位が(1
11)面の配向膜となり、ヒステリシスループの分極幅
(2Pr)は25μC/cm2 程度と大きい。しかし、
Pb+Laの欠損によりリーク電流が大きくなってしま
う。これはPLZT膜中のPb+Laの欠損によると考
えられる。従って、実用レベルでは、(Pb+La)/
(Zr+Ti)比は0.9以上が好ましい。
が1以上とPb+Laの含有量が多いと、上記のように
面方位が(100)面の配向膜となり、リーク電流は小
さくなるが、ヒステリシスループの分極幅は10μC/
cm2 程度と小さい。なお、実用レベルでは、(Pb+
La)/(Zr+Ti)比は1.4以下が好ましい。な
お、上記において分極幅の違いは結晶配向性により強誘
電体の分極の大きさが変わるためである。
の強誘電体膜をキャパシタ絶縁膜として用いる場合、リ
ーク電流及び分極幅の両特性の面からは、(A位置に配
位する元素)/(Zr+Ti)比が0.9〜1.4の範
囲が好ましいといえる。 (2)実施の形態 図1(a),(b)はそれぞれ、本発明の実施の形態に
係るキャパシタの作成方法について示す断面図である。
スパッタ装置として図11に示す装置を用いる。
よりシリコン基板11を酸化し、シリコン基板11表面
に膜厚約200nmのシリコン酸化膜12を形成する。
次いで、Arガス圧10mTorr、DC電力1.0K
W(1.416W/cm2 )、時間10分の条件でスパ
ッタすることにより、膜厚20nmのTi膜131を形
成した後、その上にArガス圧10mTorr、DC電
力1.0KW(1.416W/cm2 )、時間20分の
条件でスパッタすることにより、膜厚100nmのPt
膜132を形成する。これにより、2層の金属膜からな
る下部電極13が形成される。
132の上面には(111)面方位が表れる。Pt膜1
32の上面の面方位を(111)とするのは、次の工程
でPt膜132上に結晶面方位が(111)であるPL
ZT膜を容易に形成させるためである。次いで、Arガ
ス圧10mTorr、DC電力0.5KW(0.708
W/cm2 )、T/S70mm、時間2分の条件でスパ
ッタすることにより、膜厚50nmのPLZT膜141
を形成する。この条件で、図3に示すように、Pb/
(Zr+Ti)比は凡そ0.9になり、PLZT膜14
1は(111)面方位に配向する。なお、T/Sとは、
図11におけるターゲット207表面と試料ステージ2
04表面間の距離をいう。
電力0.5KW(0.708W/cm2 )、T/S70
mm、時間13分の条件で、膜厚250nmのPLZT
膜142を形成する。上記の条件で、図3に示すよう
に、(Pb+La)/(Zr+Ti)比は凡そ1.3に
なり、PLZT膜142は(100)面方位に配向す
る。
141,142からなるキャパシタ絶縁膜14が形成さ
れる。なお、上記では、2層のPLZT膜141,14
2からなるキャパシタ絶縁膜14を作成するために、A
rガス圧を変えたが、DC電力を変えてもよい。例え
ば、下層をArガス圧35mTorr、DC電力0.8
KW(1.132W/cm2 )、T/S70mm、時間
0.5分の条件でスパッタして形成し、上層をArガス
圧35mTorr、DC電力0.5KW(0.708W
/cm2 )、T/S70mm、時間13分の条件でスパ
ッタして形成する。
20秒の条件で、PLZT膜141,142を加熱処理
する。次いで、Arガス圧10mTorr、DC電力
1.0KW(1.416W/cm2 )、時間20秒の条
件でスパッタすることにより、上部電極となる膜厚10
0nmのPt膜15を形成する。
ら順に別々にパターニングする。この場合、各層をおの
おの以下の条件でイオンミリングにより成形する。即
ち、Pt膜15をArガス圧0.2mTorr,プラズ
マ化電力1KWの条件で、3分間イオンミリングにより
上部電極15aを形成する。続いて、PLZT膜14を
Arガス圧0.2mTorr,プラズマ化電力1KWの
条件で、5分間イオンミリングによりキャパシタ絶縁膜
14aを形成する。さらに、Pt膜/Ti膜の2層の金
属膜13をArガス圧0.2mTorr,プラズマ化電
力1KWの条件で、3分間イオンミリングにより下部電
極13aを形成する。この様にしてキャパシタを作成す
る。
なるPLZT膜のPb+Laの含有量をSIMS分析法
により調査した結果について説明する。図7に調査結果
を示す。また、比較のため、図8に比較試料の調査結果
を示す。ともに、横軸は厚さを表し、縦軸は相対強度を
表す。比較試料ではキャパシタ絶縁膜としてArガス圧
35mTorr、DC電力0.5KW(0.708W/
cm2 )、T/S70mm、時間13分の条件でスパッ
タすることにより形成した、膜厚250nmのPLZT
膜を用いた。
に隣接する点線○印で囲った部分で、他の部分と比べて
Pbが減っている。これは、Pt膜に隣接するPLZT
膜の面方位が(111)となっており、より上部のPL
ZT膜の面方位が(100)となっていることを示して
いる。図8の比較例と比べて明瞭に分かる。次に、上記
のキャパシタのヒステリシス曲線とリーク電流とを調べ
た。比較のため、比較試料も調査した。比較試料のキャ
パシタ絶縁膜として、Arガス圧35mTorr、DC
電力0.5KW(0.708W/cm2 )、T/S70
mm、時間13分の条件でスパッタすることにより、膜
厚250nmのPLZT膜を形成した。
は、PLZT膜への印加電圧に対するヒステリシス曲線
を示したものである。横軸は印加電圧(V)を表し、縦
軸は分極(μC/cm2 )を表す。図4に示すように、
本願発明の試料は、ヒステリシスが大きく、キャパシタ
に5V印加した後の分極幅(2Pr)は29(μC/c
m2 )になる。一方、比較試料の場合分極幅(2Pr)
は18(μC/cm2 )程度であった。
対するリーク電流を示したものである。横軸は印加電圧
(V)を表し、縦軸はリーク電流(A/cm2 )を表
す。図5に示すように、本願発明の試料は、比較試料に
比較してリーク電流が小さい。以上のように、本発明の
実施の形態のキャパシタによれば、面方位(111)を
有するPLZT膜141と面方位(100)を有するP
LZT膜142とを積層した、配向の異なる2層のPL
ZT膜からなるキャパシタ絶縁膜を用いている。
ZT膜141はリーク電流は大きいと考えられるもの
の、分極幅が大きい。また、面方位(100)を有する
PLZT膜142は分極幅は小さいもののリーク電流が
小さい。従って、これらのPLZT膜141,142を
積層してなるキャパシタでは、面方位(111)を有す
るPLZT膜141を有するので分極幅が大きい。ま
た、面方位(111)を有するPLZT膜141を単独
で用いた場合はリーク電流が大きいが、面方位(10
0)を有するPLZT膜142と面方位(111)を有
するPLZT膜141とを積層することにより面方位
(111)を有するPLZT膜141のリーク電流が大
きいという欠点が補われ、キャパシタ全体としてはリー
ク電流を小さくすることができる。
分極幅が大きいキャパシタを作成することができる。な
お、上記実施の形態では、キャパシタ絶縁膜14として
面方位が(111)であるPLZT膜141と面方位が
(100)であるPLZT膜142の面方位の異なる2
層のPLZT膜を積層したものを用いているが、(11
1)であるPLZT膜と面方位が(100)であるPL
ZT膜を含む3層以上のPLZT膜を積層したものを用
いてもよい。
応用した例について図10を参照しながら説明する。図
10に示すように、シリコン基板101上にフィールド
絶縁膜102が形成され、フィールド絶縁膜102の間
のシリコン基板101上に絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタ103が形成されている。そして、絶縁ゲート型
電界効果トランジスタ103を被覆して層間絶縁膜10
4が形成され、キャパシタ105は層間絶縁膜104上
に形成されている。
被覆され、絶縁膜107のビアホール106aを通して
引出し電極108aがキャパシタ105の下部電極と接
続している。引出し電極108bが絶縁膜107のビア
ホール106bを通して上部電極と接続している。以上
のように、本発明の実施の形態のキャパシタを備えた半
導体記憶装置によれば、キャパシタはリーク電流が小さ
いので、電荷流出を抑制できる。しかも、分極幅が大き
いので、キャパシタ絶縁膜の誘電率が高くなり、キャパ
シタの面積を小さくして素子の微細化を図ることができ
る。
位(111)を有する鉛を含む強誘電体膜と面方位(1
00)を有する鉛を含む強誘電体膜とを積層したキャパ
シタ絶縁膜を用いている。実験によれば、面方位(11
1)を有するPbを含む強誘電体膜はリーク電流は大き
いものの、分極幅が大きくなり、また、面方位(10
0)を有するPbを含む強誘電体膜は分極幅は小さいも
ののリーク電流が小さくなる。
るキャパシタでは、面方位(111)を有する強誘電体
膜を有するので分極幅が大きい。また、面方位(11
1)を有する強誘電体膜を単独で用いた場合はリーク電
流が大きいが、面方位(100)を有する強誘電体膜と
面方位(111)を有する強誘電体膜とを積層すること
により面方位(111)を有する強誘電体膜のリーク電
流が大きいという欠点が補われ、キャパシタ全体として
はリーク電流を小さくすることができる。
分極幅が大きいキャパシタを作成することができる。従
って、このようなキャパシタを備えた半導体記憶装置で
は、キャパシタはリーク電流が小さいので、電荷流出を
抑制でき、しかも、分極幅が大きいので、キャパシタ絶
縁膜の誘電率が高くなり、キャパシタの面積を小さくし
て素子の微細化を図ることができる。
係るキャパシタの作成方法について示す断面図である。
絶縁膜中のPb+Laの含有量をArガスの流量の調整
により制御する実験結果を示すグラフである。
絶縁膜中のPb+Laの含有量をプラズマ化電力の調整
により制御する実験結果を示すグラフである。
絶縁膜を有するキャパシタのヒステリシス曲線の変化の
様子を示すグラフである。
絶縁膜を有するキャパシタのリーク電流の変化の様子を
示すグラフである。
絶縁膜中のPb+Laの含有量と結晶配向性との相関関
係について示すグラフである。
絶縁膜中のPb含有量の分布を調査した結果を示すグラ
フである。
b含有量の分布を調査した結果を示すグラフである。
の他の構造について示す断面図である。
シタを半導体記憶装置に適用した例について示す断面図
である。
シタの作成方法に用いられるスパッタ装置について示す
断面図である。
る強誘電体のペロブスカイト型の結晶構造について示す
図である。
法について示す断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 半導体基板と、 前記半導体基板上に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成された上面に(111)面方位が表
れた高融点金属からなる下部電極、及び少なくとも面方
位(111)の鉛を含む強誘電体膜と面方位(100)
の鉛を含む強誘電体膜とが前記下部電極上に積層された
キャパシタ絶縁膜、及び前記キャパシタ絶縁膜上の上部
電極を有するキャパシタとを備えたことを特徴とする半
導体装置。 - 【請求項2】 前記強誘電体膜の材料は、Pb(Zr,Ti)O3
又は (Pb,La)(Zr,Ti)O3 であることを特徴とする請求項
1に記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記強誘電体膜と接する側の下部電極及
び上部電極の材料は、白金膜であることを特徴とする請
求項1又は請求項2に記載の半導体装置。 - 【請求項4】 半導体基板上に絶縁膜を形成する工程
と、 前記絶縁膜上に(111)面方位を有する高融点金属か
らなる下部電極を形成する工程と、 前記下部電極上に(111)面方位を有する鉛を含む第
1の強誘電体膜を形成し、さらに少なくとも前記第1の
強誘電体膜上に(100)面方位を有する鉛を含む第2
の強誘電体膜を形成し、面方位の異なる複数の強誘電体
膜からなるキャパシタ絶縁膜を形成する工程と、 前記キャパシタ絶縁膜上に高融点金属からなる上部電極
を形成する工程と、 前記上部電極と、キャパシタ絶縁膜と、前記下部電極と
をパターニングしてキャパシタを形成する工程とを有す
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項5】 前記強誘電体膜の構成元素である、鉛を
含むペロブスカイト型の結晶構造のA位置に配位する元
素の他の構成元素に対する比率は0.9乃至1.4の範
囲であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装
置。 - 【請求項6】 前記面方位の異なる複数の強誘電体膜を
スパッタにより形成するものであって、前記スパッタガ
スであるアルゴンガスの圧力を調整することにより前記
強誘電体膜の面方位を制御することを特徴とする請求項
4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記面方位の異なる複数の強誘電体膜を
スパッタにより形成するものであって、前記スパッタガ
スをプラズマ化する高周波電力を調整することにより前
記強誘電体膜の面方位を制御することを特徴とする請求
項4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
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