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JP3874521B2 - Method for forming ferroelectric memory electrode - Google Patents
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JP3874521B2 - Method for forming ferroelectric memory electrode - Google Patents

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JP3874521B2 JP00516898A JP516898A JP3874521B2 JP 3874521 B2 JP3874521 B2 JP 3874521B2 JP 00516898 A JP00516898 A JP 00516898A JP 516898 A JP516898 A JP 516898A JP 3874521 B2 JP3874521 B2 JP 3874521B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、強誘電体メモリに用いられる電極の形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体メモリの高密度化が進められており、最近では文献(セラミックス,Vol.30(1995),No.6,pp499−507)に示されているように強誘電体薄膜を用いるものが注目を集めている。例えば、このような半導体メモリとして、従来、MFS(Metal-Ferroelectric-Semiconductor )構造のFET(電界効果トランジスタ)素子を用いるものがある。この素子は、通常のFETのチャネル領域に、絶縁膜としての強誘電体薄膜およびゲート電極としての上部電極を順次に積層した構造である。この素子を用いたメモリセルは、ゲート電極および半導体基板間、すなわち強誘電体薄膜に電圧を印加することにより、強誘電体薄膜の分極を反転させる。その分極により、トランジスタのチャネル領域に電子または正孔を誘起させてトランジスタのしきい値電圧を変える。このときのドレイン電流値の大きさにより記憶されている情報が識別される。このメモリセルの特徴は、セルサイズを1トランジスタ1キャパシタ(1Tr1Cp)よりも小さくできること、および情報を読み出すときに書き込んだ情報を破壊せずに読み出せることである。
【0003】
しかしながら、このMFS−FETを製造するにあたり、半導体であるSi上に特性の良い強誘電体を成膜するのは、格子定数のミスマッチや熱膨張係数の整合性を考慮すると非常に困難である。また、酸化物強誘電体をSi上に直接成膜しようとすると、強誘電体とSiとの界面にSiO2 等の不要な膜が形成されてしまう。このような膜が形成されると、FETの動作電圧を増大させるだけでなく、強誘電体膜の分極履歴特性を劣化させてしまうおそれがある。
【0004】
そこで、下から順に半導体基板、ゲート酸化膜、フローティングゲート(下部電極)、強誘電体、およびコントロールゲート(上部電極)が積層された構造のMFMIS−FET(Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor)が開発されている。このFETにおいては、強誘電体を成膜する下地材料に、強誘電体が成長しやすいPtなどの金属電極を選ぶことができる。さらに、強誘電体層より下の層構造は、従来のFETの構造および構成材料をそのまま使用することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、MFMIF−FETにおいても、強誘電体薄膜への電圧印加を繰り返して分極反転させると、これに伴い、膜疲労(fatigue)が生じる。
【0006】
例えば、下部電極として通常用いられているPt電極は、Ptの柱状結晶粒子の集合体である。このため、Pt電極中には、Pt粒子の粒界があり、この粒界に沿って、Pt電極上に設けられた強誘電体薄膜内に含有されている鉛(Pb)などが拡散している。これに起因して強誘電体膜に酸素欠損が生じて空間電荷が発生する。この空間電荷によって残留分極による電荷を打ち消してしまうことが膜疲労の原因の一つと考えられている。
【0007】
そこで、下部電極として、例えば酸化イリジウム(IrO2 )電極等の酸化物電極は、電極を構成する酸化物はPtのように柱状の結晶ではないので、強誘電体の構成成分の拡散を防止することができると考えられる。
【0008】
しかしながら、電極としては、化学的安定性および耐熱性を考慮すると、白金を用いるのが好ましい。
【0009】
また、耐疲労性を有する強誘電体薄膜の材料としてBi層状化合物が注目され、特にSrBi2 Ta29 系の物質群については活発な研究が行われている。
【0010】
しかしながら、Pt電極上にこのBi層状化合物からなる強誘電体薄膜を形成すると、Ptの粒界に沿ってBiが拡散して、Pt電極の下に位置する半導体の領域にまで達するおそれがある。これにより、半導体の特性が変化してデバイスとして使用できなくなるという問題が生じる。
【0011】
よって、電極材料として好ましい白金を含有し、強誘電体の構成成分の拡散を抑制することのできる電極およびその製造方法の出現が望まれていた。
【0019】
【課題を解決するための手段】
このため、強誘電体メモリ用電極を形成するにあたり、好ましくは、白金ターゲットと、白金以外の金属ターゲットを用い、酸素含有雰囲気中でスパッタリングすることにより、下部電極を形成する工程を含んでいるのがよい。
【0020】
白金と、酸化させて白金粒子の粒界に析出する金属酸化物となる金属とをターゲットとして用いて、スパッタリングを酸素含有雰囲気中で行うことによって、ターゲットから飛び出すスパッタ原子は、白金と酸化した金属とを含んでいる。このようにして形成された下部電極は、白金の結晶粒子とこの粒子間の粒界を埋める金属酸化物とで構成される。この電極は白金電極としての特性をそのまま有する電極となる。よって、この下部電極は化学的安定性および耐熱性に優れている。さらに、この電極において白金の結晶性の高さは保持されているため、この電極上に強誘電体膜を設けると、結晶性の高い強誘電体膜を形成することができる。また、白金粒子の粒界に金属酸化物が析出しているため、強誘電体膜の構成成分が白金粒子の粒界に沿って拡散するおそれはなくなる。
このスパッタリングが終了した後であって強誘電体膜を形成する前に、酸素雰囲気中で下部電極は加熱処理される。
これにより、酸素含有雰囲気中で行ったスパッタリングだけでは不十分となるおそれのある金属の酸化を、実用上障害が生じない程度にまで十分に行うことができる。よって、この下部電極上に強誘電体膜を形成するとき、加熱処理を行っても強誘電体膜に酸素欠損が生じるおそれはなくなる。また、この白金粒子の粒界に析出する金属酸化物によって、強誘電体膜からの強誘電体を構成する成分の拡散を防ぐことができる。
【0021】
また、白金ターゲットの面積は金属ターゲットの面積よりも大きくするのが好ましい。金属ターゲットの面積は電極における白金の結晶性を劣化させない程度に白金ターゲットの面積よりも小さくする。また、この金属は白金粒子の粒界を埋めることのできる量だけあればよい。
【0024】
また、白金以外の金属ターゲットを構成する金属は、アルミニウム、イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロニウム、イッテルビウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅および亜鉛からなる金属群の中から選ばれた金属であるのが好ましい。
【0025】
これらの金属は、酸化しやすく、化学的に安定で、また扱いやすく、スパッタリングに用いて好適である。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照してこの発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は発明を理解できる程度に概略的に示してあるに過ぎず、したがって発明を図示例に限定するものではない。
【0027】
また、この実施の形態で用いられる材料や数値的条件は、この発明の範囲内の一例に過ぎず、よって、発明がこれらの条件にのみ限定されるものではない。
【0028】
<第1の実施の形態>
この発明の第1の実施の形態として、下地上にこの発明の強誘電体メモリ用電極が設けられているサンプルにつき、図1、図2および図3を参照して説明する。図1はこの発明の強誘電体メモリ用電極の構造を概略的に示した断面図である。また、図2(A)は、この実施の形態でスパッタリングを行うときに用いるターゲットの、スパッタガスが衝突する面の平面図である。また、図2(B)は、図2(A)のターゲットを用いたスパッタ装置の主要部を概略的に示した構成図である。また、図3は、この実施の形態で用いるサンプルの構成断面図である。
【0029】
まず、サンプルを形成する。このサンプルの下地10は、電極と密着性および耐熱性に優れた下地とする。ここでは、シリコン基板11上にポリシリコン層13およびTiNバリア層15を、順次、スピンコータで以て積層する。この3層(シリコン基板11、ポリシリコン層13およびTiNバリア層15)を下地10として用いる(図3参照。)。
【0030】
次に、この下地10上に強誘電体メモリ用電極17を形成する。
【0031】
この実施の形態では、白金ターゲットと白金以外の金属ターゲットを用い、酸素含有雰囲気中でスパッタリングすることによって、下地上に電極を形成する。
【0032】
ここでは、白金以外の金属ターゲットとして、アルミニウム(Al)を用いる。まず、ターゲットを用意する。6インチ(ただし、1インチは約2.54cm)の白金ターゲット21の上に、1mm四方で、かつ厚さが2mmのシート状のAl23を、17枚互いに等しい間隔を以て配置する(図2(A))。このAlシート23は純度が99.99%以上のものを使用する。また、Alシート23の1枚の面積は、白金ターゲット21の面積の約5%とする。Alの量は、酸化アルミニウムが白金結晶粒子の粒界を埋めることのできる量であればよいため、少量で十分である。また、白金の結晶性を劣化させないようにするためにはAlシート23の1枚の面積は上記のように白金の5%程度にするのが好ましい。また、Alシート23は白金ターゲット21上に載せるだけでよい。このように白金ターゲット21の上にAlシート23を配置したものをターゲット20として用いる。
【0033】
次に、酸素含有雰囲気中でスパッタリングを行う。
【0034】
ターゲット20と上述した下地10とを位置合わせして、スパッタ装置30に設置する。酸素10容量%を含むアルゴンスパッタガスを用いてスパッタリングを行う。このときのスパッタガスのガス圧を7mTorr、スパッタパワーを500kW、基板温度を300℃とする。プレスパッタを2分間行った後、シャッター31を開けて3分間スパッタリングすることにより、下地10上に、厚さが200nmの、Alを含む白金電極17が形成される(図2(B)および図3参照。)。
【0035】
このようにして得られた電極17の断面の構造を図1に模式的に示す。このような構造は、XPS(X-ray photoelectron spectroscopy:X線光電子分光法)やSEM(scanning electron microscope:走査型電子顕微鏡)で確認することができる。
【0036】
この結果、下地10上に形成された電極17においては、白金の柱状結晶粒子41が劣化することなく集合体をつくっていて、この結晶粒子41の粒界43には金属酸化物45である酸化アルミニウムが析出している(図1)。
【0037】
次に、この電極17上に強誘電体薄膜19を形成する。
【0038】
この実施の形態では、例えば、上記の電極17上にスピンコータで、SrBi2 Ta29 の塗布膜を形成する。その後、この塗布膜を乾燥させて、塗布膜中の溶媒を蒸発させた後、塗布膜に対して仮焼成を行って有機官能基の燃焼を行う。この後、本焼成を行ってSrBi2 Ta29 強誘電体薄膜19を形成する(図3)。
【0039】
この結果、強誘電体膜19の下側の電極17は、白金の柱状結晶粒子41とこの粒子の粒界43に析出されている酸化アルミニウム45とで構成されているため、強誘電体膜19からBi等の構成成分が電極17の白金粒子41の粒界43に沿って拡散するのを防ぐことができる。このため、デバイスの劣化を防止することができる。また、強誘電体膜19の膜疲労の原因をひとつ解決することができる。また、強誘電体膜19が形成される電極17の白金の結晶性は保持されているため、強誘電体薄膜19も、結晶性よく形成することができる。
【0040】
また、SrBi2 Ta29 のようなBi層状化合物以外の材料である、例えばチタン酸ジルコン酸鉛を強誘電体膜19の材料として用いても、形成される膜19の膜疲労を改善することができる。
【0041】
また、白金粒子41の粒界43に析出させる金属酸化物45となる金属としては、酸化しやすく、化学的に安定していて、安価で扱いやすい材料が好ましい。このため、Al以外にも、3(III A)属に属する金属で、特にイットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロニウムおよびイッテルビウムからなる金属群の中から選ばれた金属や、4(IVA)属に属する金属で、特にチタン、ジルコニウムおよびハフニウムからなる金属群の中から選ばれた金属や、5(VA)属に属する金属で、特に、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる金属群の中から選ばれた金属、6(VIA)属に属する金属で、特にクロム、モリブデンおよびタングステンからなる金属群の中から選ばれた金属や、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛を用いることができる。
【0042】
これらの金属を用いても、上述した方法と同様にして強誘電体メモリ用電極を形成することができる。
【0043】
<第2の実施の形態>
第2の実施の形態のサンプルにつき、説明する。このサンプルは、下地上に強誘電体メモリ用電極が設けられていて、これらは第1の実施の形態とほとんど同様にして製造される。
【0044】
以下、第1の実施の形態と相違する点につき説明し、第1の実施の形態と同様の点についてはその詳細な説明を省略する。
【0045】
まず、第1の実施の形態と同様にして、シリコン基板上にポリシリコン層およびTiNバリア層を順次積層して下地を形成する。
【0046】
次に、第1の実施の形態と同様に、白金ターゲット上にAlシートが配置されているターゲットに、酸素を10容量%含むArガス中のArイオンを衝突させる。これによりターゲットから飛び出すスパッタ原子を下地上に堆積させて得られた膜を電極とする。この電極は、白金の柱状結晶粒子とその粒界に析出されている酸化アルミニウムとで構成される。
【0047】
ここで、この実施の形態では、電極の形成後、少なくとも下地と下地上の電極とを含む構造体に対して、温度500℃の酸素雰囲気中で、30分熱処理を行う。
【0048】
これにより、酸素を10%含んだスパッタガスによってスパッタリングを行って得られた電極では、アルミニウムの酸化が不十分となるおそれを回避することができ、白金結晶粒子の粒界に析出されるアルミニウムの酸化を十分に行うことができる。よって、この後電極上に強誘電体膜を形成する工程中、電極中に未酸化のアルミニウムが存在して、この未酸化のアルミニウムを酸化するために強誘電体膜中から酸素が引き抜かれて、膜中に酸素欠損が生じてしまうのを防ぐことができる。したがって、強誘電体膜の膜疲労の改善を図ることができる。
【0049】
この結果、第1の実施の形態と同様の効果が得られる。また、この実施の形態で形成される電極を強誘電体メモリ用の電極として用いて、この電極上に強誘電体膜を形成する場合には、強誘電体膜の膜疲労特性のさらなる改善を図ることができる。
【0050】
この実施の形態においても、電極の白金粒子の粒界に析出させる金属酸化物となる金属として、3(III A)属に属する金属で、特にイットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロニウムおよびイッテルビウムからなる金属群の中から選ばれた金属や、4(IVA)属に属する金属で、特にチタン、ジルコニウムおよびハフニウムからなる金属群の中から選ばれた金属や、5(VA)属に属する金属で、特に、バナジウム、ニオブおよびタンタルからなる金属群の中から選ばれた金属、6(VIA)属に属する金属で、特にクロム、モリブデンおよびタングステンからなる金属群の中から選ばれた金属や、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のいずれかを用いることができる。
【0051】
【発明の効果】
上述した説明からも明らかなように、この発明の強誘電体メモリ用電極によれば、白金結晶粒子と、この白金結晶粒子の粒界に析出されている金属酸化物とを以て構成してある。
【0052】
このため、この強誘電体メモリ用電極を、半導体基板を含む下地上に下部電極、強誘電体膜および上部電極とを順次に備えた強誘電体メモリの下部電極として用いた場合、白金の電極であるため、この電極は化学的に安定していて、かつ耐熱性にも優れている。また、白金結晶粒子の粒界は金属酸化物で埋められているため、この電極上に設けられている強誘電体膜から、白金の結晶の粒界に沿って強誘電体の構成成分が拡散するのを防ぐことができる。このため、鉛の拡散に伴う、強誘電体膜内への酸素欠損の発生を抑えることができる。よって強誘電体膜の疲労の改善が期待される。また、強誘電体膜から下部電極を通って半導体の領域へ達するような強誘電体薄膜構成元素の拡散も抑えることができるため、半導体の特性を変化させるおそれはなくなる。よってこれによるデバイスの劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態の強誘電体メモリ用電極の構造を示す概略的な断面図である。
【図2】(A)は、スパッタリングに用いるターゲットの概略的な構成図であり、(B)は、スパッタリングを行うスパッタ装置の主要部の概略図である。
【図3】第1の実施の形態で形成するサンプルの概略的な構成断面図である。
【符号の説明】
10:下地
11:シリコン基板
13:ポリシリコン層
15:TiNバリア層
17:(強誘電体メモリ用)電極
19:強誘電体(薄)膜
20:ターゲット
21:白金ターゲット
23:シート状のAl、Alシート
30:スパッタ装置
31:シャッタ−
41:(白金の柱状)結晶粒子
43:粒界
45:金属酸化物(酸化アルミニウム)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
This invention relates to a method for forming electrodes for use in a ferroelectric memory.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the density of semiconductor memories has been increased, and recently, those using ferroelectric thin films as shown in the literature (Ceramics, Vol. 30 (1995), No. 6, pp 499-507). It attracts attention. For example, as such a semiconductor memory, there has been conventionally used an FET (Field Effect Transistor) element having an MFS (Metal-Ferroelectric-Semiconductor) structure. This element has a structure in which a ferroelectric thin film as an insulating film and an upper electrode as a gate electrode are sequentially stacked in a channel region of a normal FET. A memory cell using this element inverts the polarization of the ferroelectric thin film by applying a voltage between the gate electrode and the semiconductor substrate, that is, the ferroelectric thin film. The polarization induces electrons or holes in the channel region of the transistor to change the threshold voltage of the transistor. The stored information is identified by the magnitude of the drain current value at this time. The feature of this memory cell is that the cell size can be made smaller than one transistor and one capacitor (1Tr1Cp), and that information written when information is read can be read without being destroyed.
[0003]
However, in manufacturing this MFS-FET, it is very difficult to form a ferroelectric film having good characteristics on Si, which is a semiconductor, in consideration of lattice constant mismatch and thermal expansion coefficient matching. Further, when an oxide ferroelectric is directly formed on Si, an unnecessary film such as SiO 2 is formed at the interface between the ferroelectric and Si. When such a film is formed, not only the operating voltage of the FET is increased, but there is a possibility that the polarization history characteristic of the ferroelectric film is deteriorated.
[0004]
Therefore, MFMIS-FET (Metal-Ferroelectric-Metal-Insulator-Semiconductor) with a structure in which a semiconductor substrate, gate oxide film, floating gate (lower electrode), ferroelectric, and control gate (upper electrode) are stacked in order from the bottom. Has been developed. In this FET, it is possible to select a metal electrode such as Pt, on which the ferroelectric is easily grown, as a base material for forming the ferroelectric. Furthermore, the layer structure below the ferroelectric layer can use the conventional FET structure and constituent materials as they are.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, even in the MFMIF-FET, when the polarization is reversed by repeatedly applying a voltage to the ferroelectric thin film, film fatigue occurs.
[0006]
For example, a Pt electrode normally used as the lower electrode is an aggregate of Pt columnar crystal particles. For this reason, there are grain boundaries of Pt particles in the Pt electrode, and lead (Pb) contained in the ferroelectric thin film provided on the Pt electrode is diffused along the grain boundary. Yes. As a result, oxygen deficiency occurs in the ferroelectric film and space charge is generated. It is considered that one of the causes of film fatigue is that the charge due to remnant polarization is canceled by this space charge.
[0007]
Therefore, as the lower electrode, an oxide electrode such as an iridium oxide (IrO 2 ) electrode, for example, prevents diffusion of the constituent components of the ferroelectric substance because the oxide constituting the electrode is not a columnar crystal like Pt. It is considered possible.
[0008]
However, it is preferable to use platinum as the electrode in consideration of chemical stability and heat resistance.
[0009]
Bi-layered compounds are attracting attention as materials for ferroelectric thin films having fatigue resistance, and active research is being conducted particularly on SrBi 2 Ta 2 O 9 -based substance groups.
[0010]
However, if a ferroelectric thin film made of this Bi layered compound is formed on the Pt electrode, Bi may diffuse along the Pt grain boundary and reach the semiconductor region located under the Pt electrode. This causes a problem that the characteristics of the semiconductor change and cannot be used as a device.
[0011]
Accordingly, there has been a demand for the appearance of an electrode containing platinum, which is preferable as an electrode material, and capable of suppressing diffusion of the constituent components of the ferroelectric and a method for manufacturing the electrode.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
For this reason , the formation of the ferroelectric memory electrode preferably includes a step of forming the lower electrode by sputtering in an oxygen-containing atmosphere using a platinum target and a metal target other than platinum. Is good.
[0020]
Sputtering atoms jumping out of the target by performing sputtering in an oxygen-containing atmosphere using platinum and a metal that becomes a metal oxide that is oxidized and deposited on the grain boundaries of the platinum particles cause platinum and oxidized metal Including. The lower electrode formed in this manner is composed of platinum crystal particles and a metal oxide filling the grain boundaries between the particles. This electrode is an electrode having the characteristics as a platinum electrode as it is. Therefore, this lower electrode is excellent in chemical stability and heat resistance. Further, since the high crystallinity of platinum is maintained in this electrode, a ferroelectric film having high crystallinity can be formed by providing a ferroelectric film on this electrode. In addition, since the metal oxide is precipitated at the grain boundaries of the platinum particles, there is no possibility that the constituent components of the ferroelectric film diffuse along the grain boundaries of the platinum particles.
After the sputtering is completed and before the ferroelectric film is formed, the lower electrode is heated in an oxygen atmosphere.
As a result, the metal oxidation, which may be insufficient only by sputtering performed in an oxygen-containing atmosphere, can be sufficiently performed to such an extent that no impediment is caused in practice. Therefore, when the ferroelectric film is formed on the lower electrode, there is no possibility that oxygen deficiency occurs in the ferroelectric film even if heat treatment is performed. Further, diffusion of components constituting the ferroelectric from the ferroelectric film can be prevented by the metal oxide precipitated at the grain boundaries of the platinum particles.
[0021]
The area of the platinum target is preferably larger than the area of the metal target. The area of the metal target is made smaller than the area of the platinum target to the extent that the crystallinity of platinum in the electrode is not deteriorated. Moreover, this metal should just be the quantity which can fill the grain boundary of a platinum particle.
[0024]
Metals other than platinum include aluminum, yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, gadolinium, terbium, dyspronium, ytterbium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese It is preferably a metal selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, copper and zinc.
[0025]
These metals are easy to oxidize, chemically stable and easy to handle, and are suitable for sputtering.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Each figure is only schematically shown to the extent that the invention can be understood, and therefore the invention is not limited to the illustrated examples.
[0027]
The materials and numerical conditions used in this embodiment are only examples within the scope of the present invention, and therefore the invention is not limited to these conditions.
[0028]
<First Embodiment>
As a first embodiment of the present invention, a sample in which the ferroelectric memory electrode of the present invention is provided on a base will be described with reference to FIGS. 1, 2 and 3. FIG. FIG. 1 is a sectional view schematically showing the structure of a ferroelectric memory electrode according to the present invention. FIG. 2A is a plan view of a surface on which a sputtering gas collides with a target used when sputtering is performed in this embodiment. FIG. 2B is a configuration diagram schematically showing a main part of a sputtering apparatus using the target shown in FIG. FIG. 3 is a structural cross-sectional view of a sample used in this embodiment.
[0029]
First, a sample is formed. The base 10 of this sample is a base excellent in adhesion to the electrode and heat resistance. Here, the polysilicon layer 13 and the TiN barrier layer 15 are sequentially laminated on the silicon substrate 11 by a spin coater. These three layers (silicon substrate 11, polysilicon layer 13, and TiN barrier layer 15) are used as the base 10 (see FIG. 3).
[0030]
Next, a ferroelectric memory electrode 17 is formed on the base 10.
[0031]
In this embodiment, an electrode is formed on a base by sputtering in an oxygen-containing atmosphere using a platinum target and a metal target other than platinum.
[0032]
Here, aluminum (Al) is used as a metal target other than platinum. First, prepare a target. On a 6-inch platinum target 21 (about 1 inch is about 2.54 cm), 17 sheets of Al 23 having a thickness of 1 mm square and a thickness of 2 mm are arranged at equal intervals (FIG. 2A). )). The Al sheet 23 has a purity of 99.99% or more. The area of one Al sheet 23 is about 5% of the area of the platinum target 21. The amount of Al is sufficient as long as the aluminum oxide can fill the grain boundaries of the platinum crystal particles, so a small amount is sufficient. In order not to deteriorate the crystallinity of platinum, the area of one Al sheet 23 is preferably about 5% of platinum as described above. Further, the Al sheet 23 only needs to be placed on the platinum target 21. In this manner, a target in which the Al sheet 23 is arranged on the platinum target 21 is used.
[0033]
Next, sputtering is performed in an oxygen-containing atmosphere.
[0034]
The target 20 and the base 10 described above are aligned and installed in the sputtering apparatus 30. Sputtering is performed using an argon sputtering gas containing 10% by volume of oxygen. At this time, the gas pressure of the sputtering gas is 7 mTorr, the sputtering power is 500 kW, and the substrate temperature is 300.degree. After performing pre-sputtering for 2 minutes, the shutter 31 is opened and sputtering is performed for 3 minutes, whereby a platinum electrode 17 containing Al having a thickness of 200 nm is formed on the base 10 (FIG. 2B and FIG. 3).
[0035]
The cross-sectional structure of the electrode 17 obtained in this way is schematically shown in FIG. Such a structure can be confirmed by XPS (X-ray photoelectron spectroscopy) or SEM (scanning electron microscope).
[0036]
As a result, in the electrode 17 formed on the base 10, the platinum columnar crystal particles 41 form an aggregate without deterioration, and the crystal boundaries 41 of the crystal particles 41 are oxidized by the metal oxide 45. Aluminum is deposited (FIG. 1).
[0037]
Next, a ferroelectric thin film 19 is formed on the electrode 17.
[0038]
In this embodiment, for example, a coating film of SrBi 2 Ta 2 O 9 is formed on the electrode 17 by a spin coater. Then, after drying this coating film and evaporating the solvent in the coating film, the coating film is temporarily fired to burn organic functional groups. Thereafter, main firing is performed to form a SrBi 2 Ta 2 O 9 ferroelectric thin film 19 (FIG. 3).
[0039]
As a result, the lower electrode 17 of the ferroelectric film 19 is composed of the platinum columnar crystal particles 41 and the aluminum oxide 45 deposited at the grain boundaries 43 of the particles. From this, it is possible to prevent the constituent components such as Bi from diffusing along the grain boundaries 43 of the platinum particles 41 of the electrode 17. For this reason, deterioration of the device can be prevented. One cause of film fatigue of the ferroelectric film 19 can be solved. In addition, since the platinum crystallinity of the electrode 17 on which the ferroelectric film 19 is formed is maintained, the ferroelectric thin film 19 can also be formed with good crystallinity.
[0040]
Further, even when, for example, lead zirconate titanate, which is a material other than the Bi layered compound such as SrBi 2 Ta 2 O 9 , is used as the material of the ferroelectric film 19, the film fatigue of the formed film 19 is improved. be able to.
[0041]
Moreover, as the metal to be the metal oxide 45 deposited on the grain boundaries 43 of the platinum particles 41, a material that is easily oxidized, chemically stable, inexpensive and easy to handle is preferable. Therefore, in addition to Al, a metal belonging to the 3 (IIIA) genus, particularly a metal selected from the metal group consisting of yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, gadolinium, terbium, dyspronium and ytterbium, and 4 ( A metal belonging to the genus IVA), particularly selected from the metal group consisting of titanium, zirconium and hafnium, and a metal belonging to the genus 5 (VA), particularly among the metal group consisting of vanadium, niobium and tantalum. Selected from the group consisting of metals belonging to the genus 6 (VIA), particularly selected from the group consisting of chromium, molybdenum and tungsten, and manganese, iron, cobalt, nickel, copper, zinc it can.
[0042]
Even when these metals are used, the ferroelectric memory electrode can be formed in the same manner as described above.
[0043]
<Second Embodiment>
The sample of the second embodiment will be described. In this sample, an electrode for a ferroelectric memory is provided on a base, and these are manufactured almost in the same manner as in the first embodiment.
[0044]
Hereinafter, differences from the first embodiment will be described, and detailed description of points similar to those of the first embodiment will be omitted.
[0045]
First, as in the first embodiment, a polysilicon layer and a TiN barrier layer are sequentially stacked on a silicon substrate to form a base.
[0046]
Next, similarly to the first embodiment, Ar ions in Ar gas containing 10% by volume of oxygen are collided with a target in which an Al sheet is disposed on a platinum target. Thus, a film obtained by depositing sputtered atoms jumping out of the target on the base is used as an electrode. This electrode is composed of platinum columnar crystal particles and aluminum oxide precipitated at the grain boundaries.
[0047]
Here, in this embodiment, after the electrodes are formed, the structure including at least the base and the electrodes on the base is heat-treated in an oxygen atmosphere at a temperature of 500 ° C. for 30 minutes.
[0048]
As a result, in the electrode obtained by sputtering with a sputtering gas containing 10% oxygen, the risk of insufficient oxidation of aluminum can be avoided, and the aluminum deposited at the grain boundaries of the platinum crystal particles can be avoided. Oxidation can be performed sufficiently. Therefore, during the subsequent process of forming the ferroelectric film on the electrode, unoxidized aluminum exists in the electrode, and oxygen is extracted from the ferroelectric film to oxidize the unoxidized aluminum. , Oxygen deficiency can be prevented from occurring in the film. Therefore, the film fatigue of the ferroelectric film can be improved.
[0049]
As a result, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, when the electrode formed in this embodiment is used as an electrode for a ferroelectric memory and a ferroelectric film is formed on this electrode, the film fatigue characteristics of the ferroelectric film can be further improved. Can be planned.
[0050]
In this embodiment as well, a metal belonging to the 3 (IIIA) group as a metal oxide to be deposited on the grain boundary of platinum particles of the electrode, particularly yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, gadolinium, terbium, dyspronium. And a metal selected from the metal group consisting of ytterbium and a metal belonging to the 4 (IVA) genus, particularly a metal selected from the metal group consisting of titanium, zirconium and hafnium, and a 5 (VA) genus. Metals belonging to the group consisting of vanadium, niobium and tantalum, particularly metals selected from the group consisting of 6 (VIA) metals, especially consisting of chromium, molybdenum and tungsten Alternatively, any of manganese, iron, cobalt, nickel, copper, and zinc can be used.
[0051]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, the ferroelectric memory electrode of the present invention comprises platinum crystal particles and metal oxides precipitated at the grain boundaries of the platinum crystal particles.
[0052]
For this reason, when this ferroelectric memory electrode is used as a lower electrode of a ferroelectric memory in which a lower electrode, a ferroelectric film and an upper electrode are sequentially provided on a base including a semiconductor substrate, a platinum electrode Therefore, this electrode is chemically stable and excellent in heat resistance. In addition, since the grain boundaries of the platinum crystal particles are filled with metal oxide, the ferroelectric components diffuse along the grain boundaries of the platinum crystals from the ferroelectric film provided on this electrode. Can be prevented. For this reason, generation | occurrence | production of the oxygen deficiency in a ferroelectric film accompanying the spreading | diffusion of lead can be suppressed. Therefore, improvement of fatigue of the ferroelectric film is expected. Further, since the diffusion of the ferroelectric thin film constituent elements that reach the semiconductor region from the ferroelectric film through the lower electrode can be suppressed, there is no possibility of changing the characteristics of the semiconductor. Therefore, deterioration of the device due to this can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a ferroelectric memory electrode according to a first embodiment.
2A is a schematic configuration diagram of a target used for sputtering, and FIG. 2B is a schematic diagram of a main part of a sputtering apparatus that performs sputtering.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a sample formed in the first embodiment.
[Explanation of symbols]
10: base 11: silicon substrate 13: polysilicon layer 15: TiN barrier layer 17: (for ferroelectric memory) electrode 19: ferroelectric (thin) film 20: target 21: platinum target 23: sheet-like Al, Al sheet 30: Sputtering device 31: Shutter
41: (platinum columnar) crystal particle 43: grain boundary 45: metal oxide (aluminum oxide)

Claims (4)

半導体基板を含む下地上に下部電極、強誘電体膜および上部電極とを順次に備えた強誘電体メモリの当該下部電極を形成するにあたり、
白金ターゲットと白金以外の金属ターゲットを用い、酸素含有雰囲気中でスパッタリングすることにより、白金結晶粒子と、該白金結晶粒子の粒界に析出されている金属酸化物とを以て構成してある前記下部電極を形成する工程と、
前記スパッタリングが終了した後であって前記強誘電体膜を形成する前に、酸素雰囲気中で前記下部電極を加熱処理する工程と
を含むことを特徴とする強誘電体メモリ用電極の形成方法。
In forming the lower electrode of the ferroelectric memory comprising the lower electrode, the ferroelectric film, and the upper electrode sequentially on the base including the semiconductor substrate ,
Using a metal target other than platinum target and platinum, by sputtering in an oxygen-containing atmosphere, the platinum crystal grains, are constituted with a metal oxide which is deposited at the grain boundaries of platinum crystal grains the Forming a lower electrode;
An electrode for a ferroelectric memory, comprising: a step of heat-treating the lower electrode in an oxygen atmosphere after the sputtering is completed and before the ferroelectric film is formed. Forming method.
請求項に記載の強誘電体メモリ用電極の形成方法において、
前記白金ターゲットの面積は、前記金属ターゲットの面積よりも大きいこと
を特徴とする強誘電体メモリ用電極の形成方法。
The method for forming an electrode for a ferroelectric memory according to claim 1 ,
A method for forming an electrode for a ferroelectric memory, wherein an area of the platinum target is larger than an area of the metal target.
請求項に記載の強誘電体メモリ用電極の形成方法において、
前記金属ターゲットを構成する金属は、アルミニウム、イットリウム、ランタン、セリウム、ネオジウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロニウム、イッテルビウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、タンタル、クロム、モリブデン、タングステン、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅および亜鉛からなる金属群の中から選ばれた金属であること
を特徴とする強誘電体メモリ用電極の形成方法。
The method for forming an electrode for a ferroelectric memory according to claim 1 ,
The metal constituting the metal target is aluminum, yttrium, lanthanum, cerium, neodymium, gadolinium, terbium, dyspronium, ytterbium, titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, iron, cobalt A method for forming an electrode for a ferroelectric memory, which is a metal selected from the group consisting of nickel, copper and zinc.
請求項1に記載の強誘電体メモリ用電極の形成方法において、The method for forming an electrode for a ferroelectric memory according to claim 1,
前記金属ターゲットを構成する金属は、マンガン又はニッケルのいずれかの金属であること  The metal constituting the metal target is one of manganese and nickel
を特徴とする強誘電体メモリ用電極の形成方法。And a method of forming an electrode for a ferroelectric memory.
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