JP3930453B2 - Semiconductor device - Google Patents
Semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP3930453B2 JP3930453B2 JP2003128043A JP2003128043A JP3930453B2 JP 3930453 B2 JP3930453 B2 JP 3930453B2 JP 2003128043 A JP2003128043 A JP 2003128043A JP 2003128043 A JP2003128043 A JP 2003128043A JP 3930453 B2 JP3930453 B2 JP 3930453B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- sro
- metal
- semiconductor device
- iridium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Memories (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置、特にキャパシタを有する半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、キャパシタの誘電体膜に強誘電体膜を用いた強誘電体メモリ(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)の開発が進められている。
【0003】
強誘電体メモリに用いられる代表的な強誘電体膜としては、Pb(ZrxTi1-x )O3 膜(PZT膜)或いは、SrBi2Ta2O9 膜(SBT膜)があげられる。PZTはペロブスカイト化合物であり、SBTは疑似ペロブスカイト構造を持つBi層状化合物である。
【0004】
強誘電体膜としてPZT膜を用いた場合、疲労特性の改善等の観点から、電極にはSrRuO3 膜(SRO膜)等の導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜が用いられる。例えば、特許文献1及び特許文献2には、SRO膜とPt膜との積層膜を電極に用いた強誘電体キャパシタが記載されている。
【0005】
一方、最近では、COP(Capacitor On Plug)構造を有する強誘電体メモリの開発が行われている。COP構造では、キャパシタの直下にトランジスタに接続されたプラグを設けているため、より高密度の強誘電体メモリを作製することが可能である。COP構造を採用した場合、強誘電体キャパシタの作製に必要不可欠な酸素雰囲気下での熱処理時に、プラグが酸化されるおそれがある。そのため、バリア性の高いIr等の貴金属膜を電極に用いる必要がある。
【0006】
ここで、COP構造において、SRO膜とIr膜の積層構造を電極に用いた場合を想定する。この場合、熱処理等によりIrとSRO膜に含まれるSrとが反応し、SRO膜の結晶性が著しく低下するという問題が生じる。その結果、キャパシタの特性や信頼性が著しく劣化することになる。このような問題は、SRO膜とIr膜との組み合わせに限らず、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜と貴金属膜(或いは貴金属酸化物膜)との組み合わせにおいて一般的に生じ得るものである。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−208725号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2000−260954号公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
このように、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜と貴金属膜(或いは貴金属酸化物膜)との積層構造をキャパシタの電極に用いた場合、キャパシタの特性や信頼性が著しく劣化するという問題があった。
【0010】
本発明は、上記従来の課題に対してなされたものであり、キャパシタの特性や信頼性を向上させることが可能な半導体装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板の上方に設けられ、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ且つPbを含んだ誘電体膜とを含むキャパシタと、を備え、前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方は、イリジウム膜及びイリジウム酸化物膜の中から選択された導電膜と、前記誘電体膜と前記導電膜との間に設けられ、ABO3 で表され、且つBサイト元素として第1の金属元素であるRuを含むペロブスカイト型金属酸化物膜と、前記導電膜と前記金属酸化物膜との間に設けられ、且つABO 3 で表されるペロブスカイト型金属酸化物のBサイト元素となり得る第2の金属元素からなる金属膜と、を備え、前記第2の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量の方が、前記第1の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量より大きいことを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【0014】
(実施形態1)
図1(a)〜図1(c)は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【0015】
まず、図1(a)に示すように、p型シリコン基板(半導体基板)100上に、STI(Sallow Trench Isolation)構造の素子分離領域101を形成する。続いて、MISトランジスタを以下のようにして形成する。
【0016】
まず、ゲート絶縁膜102として、熱酸化により厚さ6nm程度のシリコン酸化膜を形成する。続いて、ゲート絶縁膜102上に、砒素をドープしたn+ 型多結晶シリコン膜103を形成する。さらに、多結晶シリコン膜103上にWSix 膜104及びシリコン窒化膜105を形成する。その後、多結晶シリコン膜103、WSix 膜104及びシリコン窒化膜105を、通常の光リソグラフィー法及びRIE法により加工して、ゲート電極を形成する。続いて、全面にシリコン窒化膜106を堆積する。さらに、RIEを行い、ゲート電極の側壁上にシリコン窒化膜106からなる側壁スペーサを形成する。なお、詳細な説明は省くが、本工程において、イオン注入及び熱処理により、ソース/ドレイン領域107が形成される。
【0017】
次に、図1(b)に示すように、CVD(化学的気相成長)法により全面にシリコン酸化膜108を堆積し、さらにCMP法により平坦化処理を行う。続いて、一方のソース/ドレイン領域107に達するコンタクトホールをシリコン酸化膜108に形成する。その後、スパッタリング法或いはCVD法によりチタン膜を堆積する。続いて、フォーミングガス中で熱処理を行うことによりチタン膜を窒化して、TiN膜110を形成する。さらに、CVD法によりタングステン膜111を堆積する。続いて、CMP法によりコンタクトホール外のTiN膜110及びタングステン膜111を除去し、コンタクトホール内にTiN膜110及びタングステン膜111を残す。これにより、一方のソース/ドレイン領域107に接続されたプラグが形成される。その後、全面にCVD法によりシリコン窒化膜112を堆積する。さらに、もう一方のソース/ドレイン領域107に達するコンタクトホールを形成する。続いて、上述した方法と同様の方法により、TiN膜114及びタングステン膜115をコンタクトホール内に形成する。これにより、他方のソース/ドレイン領域107に接続されたプラグが形成される。
【0018】
次に、図1(c)に示すように、厚さ10nmのチタン膜116、貴金属膜として厚さ100nmのイリジウム膜117、金属膜として厚さ2.5nmのチタン膜118、及び導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜として厚さ10nmのSrRuO3 膜(SRO膜)119を、スパッタリング法によって順次堆積する。続いて、酸素雰囲気中でのRTA(Rapid Thermal Annealing)により、SRO膜119の結晶化を行う。その後、キャパシタの誘電体膜としてPb(ZrxTi1-x )O3 膜(PZT膜)120をスパッタリング法により形成する。さらに、酸素雰囲気中でのRTAにより、PZT膜120の結晶化を行う。続いて、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜として厚さ10nmのSRO膜121を、スパッタリング法により堆積する。さらに、酸素雰囲気中でのRTAにより、SRO膜121の結晶化を行う。なお、例えば500℃の温度でSRO膜121を堆積することにより、結晶性に優れたSRO膜121を容易に形成することが可能である。続いて、金属膜として厚さ2.5nmのチタン膜122、及び貴金属膜として厚さ100nmのイリジウム膜123を、スパッタリング法によって順次堆積する。
【0019】
次に、CVD法によって全面にシリコン酸化膜(図示せず)を堆積する。さらに、光リソグラフィー法とRIE法によって、シリコン酸化膜をパターンニングする。続いて、パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとして、RIE法により、イリジウム膜123、チタン膜122、SRO膜121及びPZT膜120をエッチングする。さらに、光リソグラフィー法とRIE法により、SRO膜119、チタン膜118、イリジウム膜117及びチタン膜116をパターニングする。
【0020】
このようにして、チタン膜116、イリジウム膜117、チタン膜118及びSRO膜119の積層構造を有する下部電極と、強誘電体膜(PZT膜120)と、SRO膜121、チタン膜122及びイリジウム膜123の積層構造を有する上部電極とを備えた強誘電体キャパシタが形成される。
【0021】
その後、全面にCVD法によりシリコン酸化膜124を堆積する。さらに、エッチング時にPZT膜120に生じたダメージを回復するために、酸素雰囲気下で650℃程度の熱処理を行う。この熱処理の際に、酸素がPZT膜120の下方にも達するが、イリジウム膜117の酸素バリア作用により、タングステンプラグ115の酸化が防止される。
【0022】
その後の工程は図示しないが、タングステン膜111に接続されるコンタクト部の形成、ドライブ線及びビット線の形成、メタル配線の形成等を行い、COP構造を有する強誘電体メモリが完成する。
【0023】
なお、上述した実施形態では、下部電極及び上部電極ともに、SRO膜とイリジウム膜との間にチタン膜を設けた構造を用いたが、下部電極及び上部電極の一方にこのような構造を用いてもよい。例えば、下部電極にはこのような構造を用い、上部電極にはSRO膜とプラチナ膜の積層構造を用いてもよい。
【0024】
以下、本実施形態に係る強誘電体キャパシタの特性向上効果について、図2〜図7を参照して説明する。
【0025】
本実施形態の比較例として、シリコン基板上に、SiO2 膜、チタン膜(厚さ10nm)、イリジウム膜(120nm)、SRO膜(10nm)、PZT膜及びプラチナ膜(50nm)を順次形成した試料を作製した。SRO膜及びPZT膜に関しては、アモルファス膜をスパッタリングによって形成した後、酸素雰囲気中でのアニールにより結晶化を行った。図2は、このようにして得られた試料のリーク電流特性を示したものである。後述する本実施形態の試料に比べて、リーク電流特性が著しく劣化している。
【0026】
また、比較例として、シリコン基板上に、SiO2 膜、チタン膜(厚さ10nm)、イリジウム膜(120nm)及びSRO膜(10nm)を順次形成した試料を作製した。SRO膜は、アモルファス膜をスパッタリングによって形成した後、酸素雰囲気中でのアニールにより結晶化を行ったものである。図3は、このようにして得られた試料のin-plane回折の結果を示したものである。2θ/θ=32度付近にSrRuO3 (121)の回折ピークが観察される。さらに、2θ/θ=28度付近にRuO2 (110)の回折ピークが、2θ/θ=32度付近にRuO2 (101)の回折ピークが観察される。
【0027】
図2のリーク電流特性の劣化は、上記RuO2 に起因するものと考えられる。すなわち、図2の試料では、RuO2 を含んだ結晶性の低いSRO膜上にアモルファスPZT膜を形成し、さらに結晶化を行う。そのため、PZT膜とSRO膜との界面及びPZTの粒界においてPbとRuO2 が反応し、Pb2 Ru2 O7-x 等の導電性化合物が形成される。この導電性化合物がリークパスとなり、リーク電流が増加するものと考えられる。
【0028】
一方、本実施形態の試料として、シリコン基板上に、SiO2 膜、チタン膜(厚さ10nm)、イリジウム膜(120nm)、チタン膜(2.5nm)、SRO膜(10nm)、PZT膜及びプラチナ膜(50nm)を順次形成した。SRO膜及びPZT膜に関しては、アモルファス膜をスパッタリングによって形成した後、酸素雰囲気中でのアニールにより結晶化を行った。図4は、このようにして得られた試料のリーク電流特性を示したものである。比較例の試料に比べて、リーク電流特性が著しく改善されている。
【0029】
また、本実施形態の試料として、シリコン基板上に、SiO2 膜、チタン膜(厚さ10nm)、イリジウム膜(120nm)、チタン膜(2.5nm)及びSRO膜(10nm)を順次形成した試料を作製した。SRO膜は、アモルファス膜をスパッタリングによって形成した後、酸素雰囲気中でのアニールにより結晶化を行ったものである。図5は、このようにして得られた試料のin-plane回折の結果を示したものである。図5からわかるように、図3のようなRuO2 の回折ピークは観察されていない。したがって、本実施形態の場合には、極めて結晶性に優れたSRO膜が得られる。
【0030】
図6は、本実施形態の試料におけるヒステリシス特性を示したものである。図7は、本実施形態の試料における疲労特性を示したものである。図6及び図7からわかるように、ヒステリシス特性及び疲労特性とも、極めて良好な特性が得られた。
【0031】
このように、SRO膜とイリジウム膜との間にチタン膜を設けることで、キャパシタの特性を向上させることができる。以下、この特性向上効果について、さらに説明する。
【0032】
導電性ペロブスカイト型金属酸化物の生成自由エネルギーの第1原理計算の結果から、導電性ペロブスカイト型金属酸化物(一般式ABO3 で表される)の熱力学的な安定性は、Bサイト元素の酸化物(BOx )の熱力学的な安定性に比例することがわかっている。また、Aサイト元素は、アルカリ土類元素や希土類元素などであり、極めて安定な酸化物を形成する。したがって、導電性ペロブスカイト型金属酸化物の安定性は、Bサイト元素の酸化物の安定性によって決まると考えてよい。
【0033】
図8は、種々の金属元素について、25℃における単純酸化物の1酸素分子当たりの生成エンタルピーを示したものである。図8に示した数値の絶対値が大きいほど、酸化物の安定性が高い。すなわち、図8に示した数値の絶対値が大きいほど、金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量が大きい。
【0034】
図8からわかるように、SROのBサイト元素であるRuでは-72.8(kcal/mol)であり、Tiでは-225.8(kcal/mol)である。すなわち、Ti酸化物の方がRu酸化物よりも安定性が高い。上述したように、導電性ペロブスカイト型金属酸化物の熱力学的な安定性は、Bサイト元素の酸化物の熱力学的な安定性に比例することがわかっている。したがって、SROに含まれるRuの少なくとも一部をTiに置換することにより、SROの安定性が高くなる。
【0035】
本実施形態では、SRO膜とイリジウム膜との間にチタン膜を設けている。そのため、熱処理等によってSRO膜に含まれるRuの一部がTiに置換されると考えられる。したがって、Tiを含有することでSRO膜の安定性が向上するため、RuO2 等の導電性化合物の生成が抑制され、その結果キャパシタの特性が向上すると考えられる。
【0036】
以上のように、本実施形態では、SRO膜とイリジウム膜との間にチタン膜を設けたことにより、SRO膜の安定性が向上し、キャパシタの特性を向上させることができる。また、下部電極にこのような構造を用いた場合には、イリジウム膜のバリア作用によってタングステンプラグの酸化を抑制することができる。したがって、COP構造を採用した場合であっても、特性や信頼性に優れた強誘電体メモリを得ることが可能となる。
【0037】
(実施形態2)
図9(a)〜図9(c)は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【0038】
図9(a)及び図9(b)の工程は、第1の実施形態の図1(a)及び図1(b)の工程と実質的に同様であり、それらの説明は省略する。
【0039】
図9(b)の工程の後、図9(c)に示すように、厚さ10nmのチタン膜116、及び貴金属膜として厚さ100nmのイリジウム膜117を、スパッタリング法によって順次堆積する。続いて、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜として、厚さ10nmのチタンがドープされたSRO膜(Sr(Ru,Ti)O3 膜)119aを、スパッタリング法によって堆積する。続いて、酸素雰囲気中でのRTAにより、チタンがドープされたSRO膜119aの結晶化を行う。その後、キャパシタの誘電体膜としてPb(ZrxTi1-x )O3 膜(PZT膜)120をスパッタリング法によって形成する。さらに、酸素雰囲気中でのRTAにより、PZT膜120の結晶化を行う。続いて、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜として、厚さ10nmのチタンがドープされたSRO膜(Sr(Ru,Ti)O3 膜)121aを、スパッタリング法により堆積する。さらに、酸素雰囲気中でのRTAにより、チタンがドープされたSRO膜121aの結晶化を行う。続いて、貴金属膜として厚さ100nmのイリジウム膜123を、スパッタリング法によって堆積する。
【0040】
次に、CVD法によって全面にシリコン酸化膜(図示せず)を堆積する。さらに、光リソグラフィー法とRIE法によって、シリコン酸化膜をパターンニングする。続いて、パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとして、RIE法により、イリジウム膜123、SRO膜121a及びPZT膜120をエッチングする。さらに、光リソグラフィー法とRIE法により、SRO膜119a、イリジウム膜117及びチタン膜116をパターニングする。
【0041】
このようにして、チタン膜116、イリジウム膜117及びSRO膜119aの積層構造を有する下部電極と、強誘電体膜(PZT膜120)と、SRO膜121a及びイリジウム膜123の積層構造を有する上部電極とを備えた強誘電体キャパシタが形成される。
【0042】
その後、全面にCVD法によりシリコン酸化膜124を堆積する。さらに、エッチング時にPZT膜120に生じたダメージを回復するために、酸素雰囲気下で650℃程度の熱処理を行う。この熱処理の際に、酸素がPZT膜120の下方にも達するが、イリジウム膜117の酸素バリア作用により、タングステンプラグ115の酸化が防止される。
【0043】
その後の工程は図示しないが、タングステン膜111に接続されるコンタクト部の形成、ドライブ線及びビット線の形成、メタル配線の形成等を行い、COP構造を有する強誘電体メモリが完成する。
【0044】
なお、上述した実施形態では、下部電極及び上部電極ともにチタンがドープされたSRO膜とイリジウム膜との積層構造を用いたが、下部電極及び上部電極の一方にこのような構造を用いてもよい。例えば、下部電極にはこのような構造を用い、上部電極にはチタンがドープされていないSRO膜とプラチナ膜の積層構造を用いてもよい。
【0045】
以上のように、本実施形態では、チタンがドープされたSRO膜とイリジウム膜との積層構造を用いている。したがって、第1の実施形態で説明したように、SRO膜の安定性が向上し、キャパシタの特性を向上させることができる。また、下部電極にこのような積層構造を用いた場合には、イリジウム膜のバリア作用によってタングステンプラグの酸化を抑制することができる。したがって、COP構造を採用した場合であっても、特性や信頼性に優れた強誘電体メモリを得ることが可能となる。
【0046】
なお、上述した第1及び第2の実施形態は、以下のような種々の変更が可能である。
【0047】
上記第1及び第2の実施形態では、導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜としてSRO膜(SrRuO3 膜)を用いたが、(La,Sr)CoO3 膜、BaRuO3 膜或いはLaNiO3 膜を用いてもよい。一般的には、Bサイト元素としてRu、Co及びNiの少なくとも一つを含んだ導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜を用いることが可能である。
【0048】
また、上記第1及び第2の実施形態では、貴金属膜(導電膜)としてイリジウム膜(Ir膜)を用いたが、ルテニウム膜(Ru膜)或いはプラチナ膜(Pt膜)を用いてもよい。また、貴金属膜の代わりに、イリジウム酸化物膜(IrO2 膜)或いはルテニウム酸化物膜(RuO2 膜)といった貴金属膜酸化物膜を用いてもよい。
【0049】
また、上記第1の実施形態では金属膜としてチタン膜(Ti膜)を用い、上記第2の実施形態ではチタン(Ti)がドープされたSRO膜を用いたが、第2の金属元素としてTi以外の金属元素を用いてもよい。SrRuO3 膜等の導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜のBサイト元素を第1の金属元素とすると、第2の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量の方が、第1の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量より大きければよい。具体的には、第2の金属元素として、Tiの他、V、W、Zr、Cr、Mg、Hf、Mo、Mn、Ta或いはNbを適用可能である。
【0050】
また、上記第1及び第2の実施形態では、誘電体膜(強誘電体膜)としてPZT膜(Pb(ZrxTi1-x )O3 膜)を用いたが、SBT膜(SrBi2Ta2O9 膜)を用いてもよい。一般的には、ペロブスカイト化合物膜或いはBi層状化合物膜を用いることが可能である。また、誘電体膜として高誘電体膜を用いてもよい。
【0051】
また、上記第1及び第2の実施形態では、プラグとしてタングステンプラグを用いたが、ポリシリコンプラグを用いてもよい。
【0052】
また、上記第1の実施形態では、貴金属膜、金属酸化物膜及び金属膜をスパッタリング法で形成したが、これらをCVD法又はゾル−ゲル法によって形成してもよい。また、上記第2の実施形態では、貴金属膜及び金属酸化物膜をスパッタリング法で形成したが、これらを、CVD法又はゾル−ゲル法によって形成してもよい。
【0053】
さらに、上記第1及び第2の実施形態で述べた手法は、FeRAMの他、DRAMにも適用可能である。
【0054】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示された構成要件を適宜組み合わせることによって種々の発明が抽出され得る。例えば、開示された構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、所定の効果が得られるものであれば発明として抽出され得る。
【0055】
【発明の効果】
本発明によれば、電極の一部に用いる導電性ペロブスカイト型金属酸化物膜の安定性を向上させることができ、キャパシタの特性や信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施形態の比較例に係り、リーク電流特性を示した図である。
【図3】 本発明の第1の実施形態の比較例に係り、in-plane回折の結果を示した図である。
【図4】 本発明の第1の実施形態に係り、リーク電流特性を示した図である。
【図5】 本発明の第1の実施形態に係り、in-plane回折の結果を示した図である。
【図6】 本発明の第1の実施形態に係り、ヒステリシス特性を示した図である。
【図7】 本発明の第1の実施形態に係り、疲労特性を示した図である。
【図8】 酸化物の生成エンタルピーを示した図である。
【図9】 本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示した断面図である。
【符号の説明】
100…シリコン基板、 101…素子分離領域、
102…ゲート絶縁膜、 103…多結晶シリコン膜、
104…WSix 膜、 105、106、112…シリコン窒化膜、
107…ソース/ドレイン領域、 108、124…シリコン酸化膜、
110、114…TiN膜、 111、115…タングステン膜、
116、118、122…チタン膜、 117、123…イリジウム膜、
119、121…SRO膜、
119a、121a…チタンがドープされたSRO膜、
120…PZT膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device having a capacitor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a ferroelectric memory (FeRAM: Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric film as a dielectric film of a capacitor has been developed.
[0003]
A typical ferroelectric film used in the ferroelectric memory is a Pb (Zr x Ti 1-x ) O 3 film (PZT film) or a SrBi 2 Ta 2 O 9 film (SBT film). PZT is a perovskite compound, and SBT is a Bi layered compound having a pseudo perovskite structure.
[0004]
When a PZT film is used as the ferroelectric film, a conductive perovskite metal oxide film such as a SrRuO 3 film (SRO film) is used for the electrode from the viewpoint of improving fatigue characteristics. For example,
[0005]
On the other hand, recently, a ferroelectric memory having a COP (Capacitor On Plug) structure has been developed. In the COP structure, since a plug connected to the transistor is provided immediately below the capacitor, a higher-density ferroelectric memory can be manufactured. When the COP structure is adopted, the plug may be oxidized during the heat treatment in an oxygen atmosphere indispensable for the production of the ferroelectric capacitor. Therefore, it is necessary to use a noble metal film such as Ir having a high barrier property for the electrode.
[0006]
Here, in the COP structure, it is assumed that a laminated structure of an SRO film and an Ir film is used for the electrode. In this case, Ir and Sr contained in the SRO film react with each other by heat treatment or the like, causing a problem that the crystallinity of the SRO film is remarkably lowered. As a result, the characteristics and reliability of the capacitor are significantly deteriorated. Such a problem is not limited to the combination of an SRO film and an Ir film, but can generally occur in a combination of a conductive perovskite metal oxide film and a noble metal film (or noble metal oxide film).
[0007]
[Patent Document 1]
JP 2000-208725 A
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-260954
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a laminated structure of a conductive perovskite metal oxide film and a noble metal film (or noble metal oxide film) is used for a capacitor electrode, there is a problem that the characteristics and reliability of the capacitor are remarkably deteriorated. .
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a semiconductor device capable of improving the characteristics and reliability of a capacitor.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor device according to the present invention includes a semiconductor substrate, a dielectric film provided above the semiconductor substrate, a lower electrode, an upper electrode, a dielectric film provided between the lower electrode and the upper electrode, and containing Pb And at least one of the lower electrode and the upper electrode is a conductive film selected from an iridium film and an iridium oxide film, and between the dielectric film and the conductive film. A perovskite-type metal oxide film that is provided as ABO 3 and includes Ru as the first metal element as a B-site element; and between the conductive film and the metal oxide film; and ABO And a metal film composed of a second metal element that can be a B-site element of the perovskite-type metal oxide represented by 3 , wherein the Gibbs free energy when the second metal element forms an oxide The amount of decrease is greater than the amount of decrease in Gibbs free energy when the first metal element forms an oxide.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
(Embodiment 1)
FIG. 1A to FIG. 1C are cross-sectional views showing a manufacturing process of a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0015]
First, as shown in FIG. 1A, an
[0016]
First, a silicon oxide film having a thickness of about 6 nm is formed as the
[0017]
Next, as shown in FIG. 1B, a
[0018]
Next, as shown in FIG. 1C, a
[0019]
Next, a silicon oxide film (not shown) is deposited on the entire surface by CVD. Further, the silicon oxide film is patterned by photolithography and RIE. Subsequently, the
[0020]
In this way, the lower electrode having the laminated structure of the
[0021]
Thereafter, a
[0022]
Although the subsequent steps are not shown, the contact portion connected to the
[0023]
In the above-described embodiment, the structure in which the titanium film is provided between the SRO film and the iridium film is used for both the lower electrode and the upper electrode, but such a structure is used for one of the lower electrode and the upper electrode. Also good. For example, such a structure may be used for the lower electrode, and a laminated structure of an SRO film and a platinum film may be used for the upper electrode.
[0024]
Hereinafter, the characteristic improvement effect of the ferroelectric capacitor according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0025]
As a comparative example of this embodiment, a sample in which a SiO 2 film, a titanium film (
[0026]
As a comparative example, a sample in which a SiO 2 film, a titanium film (
[0027]
The deterioration of the leakage current characteristic in FIG. 2 is considered to be caused by the RuO 2 . That is, in the sample of FIG. 2, an amorphous PZT film is formed on an SRO film containing RuO 2 and having low crystallinity, and further crystallization is performed. Therefore, Pb and RuO 2 react at the interface between the PZT film and the SRO film and at the grain boundary of PZT, and a conductive compound such as Pb 2 Ru 2 O 7-x is formed. It is considered that this conductive compound becomes a leak path and the leak current increases.
[0028]
On the other hand, as a sample of this embodiment, a SiO 2 film, a titanium film (
[0029]
Further, as a sample of this embodiment, a sample in which an SiO 2 film, a titanium film (
[0030]
FIG. 6 shows hysteresis characteristics in the sample of this embodiment. FIG. 7 shows the fatigue characteristics of the sample of this embodiment. As can be seen from FIGS. 6 and 7, extremely good characteristics were obtained for both hysteresis characteristics and fatigue characteristics.
[0031]
Thus, by providing the titanium film between the SRO film and the iridium film, the characteristics of the capacitor can be improved. Hereinafter, this characteristic improvement effect will be further described.
[0032]
From the results of the first principle calculation of the formation free energy of the conductive perovskite-type metal oxide, the thermodynamic stability of the conductive perovskite-type metal oxide (represented by the general formula ABO 3 ) It has been found that it is proportional to the thermodynamic stability of the oxide (BO x ). The A-site element is an alkaline earth element or a rare earth element, and forms an extremely stable oxide. Therefore, it can be considered that the stability of the conductive perovskite metal oxide is determined by the stability of the oxide of the B-site element.
[0033]
FIG. 8 shows the formation enthalpy per oxygen molecule of a simple oxide at 25 ° C. for various metal elements. The greater the absolute value of the numerical value shown in FIG. 8, the higher the stability of the oxide. That is, as the absolute value of the numerical value shown in FIG. 8 is larger, the amount of decrease in Gibbs free energy when the metal element generates an oxide is larger.
[0034]
As can be seen from FIG. 8, it is -72.8 (kcal / mol) for Ru, which is the B site element of SRO, and -225.8 (kcal / mol) for Ti. That is, Ti oxide is more stable than Ru oxide. As described above, it is known that the thermodynamic stability of the conductive perovskite metal oxide is proportional to the thermodynamic stability of the oxide of the B site element. Therefore, by replacing at least a part of Ru contained in SRO with Ti, the stability of SRO increases.
[0035]
In this embodiment, a titanium film is provided between the SRO film and the iridium film. Therefore, it is considered that a part of Ru contained in the SRO film is replaced with Ti by heat treatment or the like. Therefore, it is considered that the inclusion of Ti improves the stability of the SRO film, thereby suppressing the generation of a conductive compound such as RuO 2 and consequently improving the capacitor characteristics.
[0036]
As described above, in this embodiment, by providing the titanium film between the SRO film and the iridium film, the stability of the SRO film is improved and the characteristics of the capacitor can be improved. Further, when such a structure is used for the lower electrode, the oxidation of the tungsten plug can be suppressed by the barrier action of the iridium film. Therefore, even when the COP structure is adopted, a ferroelectric memory having excellent characteristics and reliability can be obtained.
[0037]
(Embodiment 2)
FIG. 9A to FIG. 9C are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[0038]
The processes of FIGS. 9A and 9B are substantially the same as the processes of FIGS. 1A and 1B of the first embodiment, and description thereof is omitted.
[0039]
After the step of FIG. 9B, as shown in FIG. 9C, a
[0040]
Next, a silicon oxide film (not shown) is deposited on the entire surface by CVD. Further, the silicon oxide film is patterned by photolithography and RIE. Subsequently, the
[0041]
Thus, the lower electrode having a laminated structure of the
[0042]
Thereafter, a
[0043]
Although the subsequent steps are not shown, the contact portion connected to the
[0044]
In the above-described embodiment, the laminated structure of the SRO film doped with titanium and the iridium film is used for both the lower electrode and the upper electrode. However, such a structure may be used for one of the lower electrode and the upper electrode. . For example, such a structure may be used for the lower electrode, and a laminated structure of an SRO film and a platinum film not doped with titanium may be used for the upper electrode.
[0045]
As described above, in this embodiment, a laminated structure of an SRO film doped with titanium and an iridium film is used. Therefore, as described in the first embodiment, the stability of the SRO film is improved, and the characteristics of the capacitor can be improved. Further, when such a laminated structure is used for the lower electrode, the oxidation of the tungsten plug can be suppressed by the barrier action of the iridium film. Therefore, even when the COP structure is adopted, a ferroelectric memory having excellent characteristics and reliability can be obtained.
[0046]
The first and second embodiments described above can be variously modified as follows.
[0047]
In the first and second embodiments, the SRO film (SrRuO 3 film) is used as the conductive perovskite metal oxide film. However, a (La, Sr) CoO 3 film, a BaRuO 3 film, or a LaNiO 3 film is used. May be. In general, a conductive perovskite metal oxide film containing at least one of Ru, Co, and Ni as the B site element can be used.
[0048]
In the first and second embodiments, the iridium film (Ir film) is used as the noble metal film (conductive film). However, a ruthenium film (Ru film) or a platinum film (Pt film) may be used. Further, a noble metal film oxide film such as an iridium oxide film (IrO 2 film) or a ruthenium oxide film (RuO 2 film) may be used instead of the noble metal film.
[0049]
In the first embodiment, a titanium film (Ti film) is used as the metal film, and in the second embodiment, an SRO film doped with titanium (Ti) is used. However, as the second metal element, Ti is used. Other metal elements may be used. When the B site element of a conductive perovskite type metal oxide film such as a SrRuO 3 film is the first metal element, the amount of Gibbs free energy decrease when the second metal element generates an oxide is: What is necessary is just to be larger than the reduction | decrease amount of the Gibbs free energy when a 1st metallic element produces | generates an oxide. Specifically, V, W, Zr, Cr, Mg, Hf, Mo, Mn, Ta, or Nb can be applied as the second metal element in addition to Ti.
[0050]
In the first and second embodiment uses a dielectric film (ferroelectric film) as PZT film (Pb (Zr x Ti 1- x)
[0051]
In the first and second embodiments, the tungsten plug is used as the plug, but a polysilicon plug may be used.
[0052]
In the first embodiment, the noble metal film, the metal oxide film, and the metal film are formed by the sputtering method. However, they may be formed by the CVD method or the sol-gel method. In the second embodiment, the noble metal film and the metal oxide film are formed by the sputtering method. However, they may be formed by the CVD method or the sol-gel method.
[0053]
Furthermore, the methods described in the first and second embodiments can be applied to DRAM as well as FeRAM.
[0054]
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining the disclosed constituent elements. For example, even if several constituent requirements are deleted from the disclosed constituent requirements, the invention can be extracted as an invention as long as a predetermined effect can be obtained.
[0055]
【The invention's effect】
According to the present invention, the stability of the conductive perovskite metal oxide film used for a part of the electrode can be improved, and the characteristics and reliability of the capacitor can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing leakage current characteristics according to a comparative example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a result of in-plane diffraction according to a comparative example of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing leakage current characteristics according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a result of in-plane diffraction according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating hysteresis characteristics according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing fatigue characteristics according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the enthalpy of formation of oxides.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
100 ... Silicon substrate, 101 ... Element isolation region,
102 ... Gate insulating film, 103 ... Polycrystalline silicon film,
104 ... WSi x film, 105, 106, 112 ... silicon nitride film,
107: Source /
110, 114 ... TiN film, 111, 115 ... tungsten film,
116, 118, 122 ... titanium film, 117, 123 ... iridium film,
119, 121 ... SRO membrane,
119a, 121a ... SRO film doped with titanium,
120 ... PZT film
Claims (6)
前記半導体基板の上方に設けられ、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に設けられ且つPbを含んだ誘電体膜とを含むキャパシタと、
を備え、
前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方は、イリジウム膜及びイリジウム酸化物膜の中から選択された導電膜と、前記誘電体膜と前記導電膜との間に設けられ、ABO3 で表され、且つBサイト元素として第1の金属元素であるRuを含むペロブスカイト型金属酸化物膜と、前記導電膜と前記金属酸化物膜との間に設けられ、且つABO 3 で表されるペロブスカイト型金属酸化物のBサイト元素となり得る第2の金属元素からなる金属膜と、を備え、
前記第2の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量の方が、前記第1の金属元素が酸化物を生成するときのギブスの自由エネルギーの減少量より大きい
ことを特徴とする半導体装置。A semiconductor substrate;
A capacitor provided above the semiconductor substrate and including a lower electrode, an upper electrode, a dielectric film provided between the lower electrode and the upper electrode and including Pb ;
With
At least one of the lower electrode and the upper electrode is provided between a conductive film selected from an iridium film and an iridium oxide film, the dielectric film and the conductive film, and is represented by ABO 3 . And a perovskite-type metal oxide film containing Ru as the first metal element as a B-site element, and a perovskite-type metal oxide provided between the conductive film and the metal oxide film and represented by ABO 3. A metal film composed of a second metal element that can be a B-site element of the object,
The amount of Gibbs free energy decrease when the second metal element forms an oxide is greater than the amount of Gibbs free energy decrease when the first metal element forms an oxide. A featured semiconductor device.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1 , wherein the second metal element is selected from Ti, V, W, Zr, Cr, Mg, Hf, Mo, Mn, Ta, and Nb.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1 , wherein the dielectric film is a ferroelectric film formed of a perovskite compound film .
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1 , further comprising an intermediate region provided between the semiconductor substrate and the capacitor, wherein the intermediate region includes a plug connected to the lower electrode.
ことを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 4 , further comprising a transistor provided on the semiconductor substrate and connected to the plug.
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 1, wherein at least one of the conductive film, the metal oxide film, and the metal film is formed by a sputtering method or a CVD method .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003128043A JP3930453B2 (en) | 2003-05-06 | 2003-05-06 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003128043A JP3930453B2 (en) | 2003-05-06 | 2003-05-06 | Semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004335643A JP2004335643A (en) | 2004-11-25 |
| JP3930453B2 true JP3930453B2 (en) | 2007-06-13 |
Family
ID=33504338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003128043A Expired - Fee Related JP3930453B2 (en) | 2003-05-06 | 2003-05-06 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3930453B2 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3782401B2 (en) | 2003-05-07 | 2006-06-07 | 株式会社東芝 | Semiconductor device |
| JP5327977B2 (en) * | 2010-04-21 | 2013-10-30 | 独立行政法人科学技術振興機構 | Conductive film forming composition and method for forming conductive film |
| US9349849B2 (en) | 2012-03-28 | 2016-05-24 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device and electronic device including the semiconductor device |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1093029A (en) * | 1996-09-13 | 1998-04-10 | Toshiba Corp | Thin film dielectric element |
| JPH11195768A (en) * | 1997-10-22 | 1999-07-21 | Fujitsu Ltd | Electronic device including perovskite oxide film, method of manufacturing the same, and ferroelectric capacitor |
| US6777248B1 (en) * | 1997-11-10 | 2004-08-17 | Hitachi, Ltd. | Dielectric element and manufacturing method therefor |
| JP3914171B2 (en) * | 2002-05-28 | 2007-05-16 | 株式会社東芝 | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
-
2003
- 2003-05-06 JP JP2003128043A patent/JP3930453B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004335643A (en) | 2004-11-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4535076B2 (en) | Ferroelectric capacitor and manufacturing method thereof | |
| JP5251864B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2006270095A (en) | Ferroelectric structure, method of manufacturing the same, semiconductor device including the same, and method of manufacturing the same | |
| JP3782401B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP2008047568A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP4105656B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| US6924519B2 (en) | Semiconductor device with perovskite capacitor | |
| JP7395823B2 (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
| US6872618B2 (en) | Methods of forming ferroelectric capacitors with metal oxide for inhibiting fatigue | |
| JPWO2008114423A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP4220459B2 (en) | Semiconductor device | |
| JP3930453B2 (en) | Semiconductor device | |
| US7573120B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
| JP4095582B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP5487140B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| JP2005129852A (en) | Semiconductor device | |
| JP5994466B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2002373975A (en) | Method of manufacturing ferroelectric memory device and ferroelectric memory device | |
| JP2001345432A (en) | Solid-state electronic device with dielectric capacitor | |
| US7042037B1 (en) | Semiconductor device | |
| JP2009194339A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2008192914A (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
| JP2008205114A (en) | Method for manufacturing ferroelectric memory device | |
| JP2006134961A (en) | Semiconductor device | |
| JP2005101213A (en) | Manufacturing method of semiconductor device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20061012 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061114 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070214 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070306 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070308 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100316 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110316 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120316 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130316 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130316 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140316 Year of fee payment: 7 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |