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JP4421814B2 - Capacitor element manufacturing method - Google Patents

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JP4421814B2
JP4421814B2 JP2002316507A JP2002316507A JP4421814B2 JP 4421814 B2 JP4421814 B2 JP 4421814B2 JP 2002316507 A JP2002316507 A JP 2002316507A JP 2002316507 A JP2002316507 A JP 2002316507A JP 4421814 B2 JP4421814 B2 JP 4421814B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容量素子の製造方法に関し、より詳しくは、強誘電体膜又は高誘電体膜を有する容量素子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
FeRAMは、強誘電体のヒステリシス特性を利用して情報を記憶する。強誘電体膜を1対の電極間のキャパシタ誘電体とする強誘電体キャパシタは、1対の電極への印加電圧に応じて分極を生じ、印加電圧を取り去っても自発分極を有する。印加電圧の極性を反転すれば、自発分極の極性も反転する。従って、この自発分極を検出すれば情報を読み出すことができる。
【0003】
FeRAMも、他の半導体デバイスと同様に、今後セル面積の低減が必要となってくる。セル面積を低減するために、スタック構造のキャパシタは有用である。スタック構造とは、MOSトランジスタのドレイン上に形成されたプラグの直上にキャパシタを形成した構造をいう。ここで、キャパシタはタングステン(W)プラグの直上にバリアメタル(酸素拡散バリア層)、下部電極、強誘電体膜、上部電極の各種の材料が積層されてなる。バリアメタルは、Wプラグへの酸素の拡散を抑制する役割をしている。バリアメタルとして下部電極の機能を兼ねる材料を選択することが多いため、バリアメタルと下部電極を明確に区別することはできない。これらの材料として窒化チタン(TiN)、イリジウム(Ir)、酸化イリジウム(IrO2)、プラチナ(Pt)、SRO(SrRuO3)から選択した組み合わせが検討されている。
【0004】
強誘電体キャパシタにおいては、強誘電体層の(111)配向強度の向上を図るため、一般に、強誘電体層を挟む下部電極にはPtが用いられている。しかしながら、Ptは酸素透過性が高いため、スタック構造のキャパシタでプラグ直上に用いると、容易に酸素を透過し、熱処理によってプラグを酸化させてしまうという問題がある。そこで、スタック構造の強誘電体キャパシタでは、下部電極として、キャパシタ誘電体膜側からPt/IrO2/Irと積層された構造を用いることが多い(例えば、特許文献1を参照)。IrやIrO2を用いるのは、IrやIrO2は酸素透過性が非常に小さく、熱処理における酸素拡散バリア層として機能させるためである。
【0005】
【特許文献1】
特開平9−22829号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャパシタ誘電体膜としてスパッタリング法により堆積したPZT膜を用いる場合において、イリジウム系の酸素拡散バリア層(Ir膜、IrO2膜)を含む構造の下部電極を用いると、キャパシタのリーク電流が増大してしまうことが判明した。この理由は以下のように考えられている。
【0007】
スパッタリングでPZT膜を下部電極の上に堆積した場合、堆積直後のPZT膜はアモルファス状態である。強誘電体特性を十分に発揮させるために、PZT膜の結晶化が必要であり、そのために高温の熱処理が必要である。ところが、イリジウム系の酸素拡散バリア層上にPt膜を形成した構造の下部電極を用いた場合、その下部電極上のPZT膜の結晶化のために高温の熱処理を施すと、イリジウム系の酸素拡散バリア層中のIr元素がPt膜を透過し、PZT膜の中に拡散してPZT結晶中に取り込まれてしまう。このため、PZT結晶の絶縁性を低下させてしまう。
【0008】
このような現象は、下部電極上へ直に結晶状態のPZT膜を成長したり、低温でPZT膜の結晶化を行えば回避することは可能であるが、形成したPZT膜の誘電率が小さくなってしまう。
【0009】
本発明の目的は、キャパシタ誘電体膜の堆積中、及び堆積膜の結晶化過程において、下部電極直下の導電性プラグの酸化を防止するとともに、下部電極からキャパシタ誘電体膜への金属拡散を防止しうる、優れた強誘電体特性を有する容量素子の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、絶縁膜の上にIr単層構造又はIrとIrO x の2層構造のいずれかよりなる第1金属を含む第1導電膜をスパッタリングにより形成する工程と、チャンバ内で、ダミー基板上に前記第1金属と異なるPtである第2金属よりなる膜を成膜し、該チャンバ内から残留酸素を除去する工程と、前記残留酸素を除去した後に、前記チャンバ内で、後に形成する第3導電膜の配向強度を高める(111)配向を有する前記第2金属よりなるインターフェース導電膜を前記第1導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、前記チャンバ内において、酸素を含む雰囲気中で、前記第1金属の拡散バリア層である、前記第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜を前記インターフェース導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、配向制御層である、前記第1金属と異なるPtである第3金属よりなる前記第3導電膜を前記第2導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、加熱処理を行い、前記第3導電膜を結晶化する工程と、前記第3導電膜上に強誘電体材料よりなる誘電体膜を形成する工程と、加熱処理を行い、前記誘電体膜を結晶化する工程と、前記誘電体膜の上に第4導電膜を形成する工程と、前記第1導電膜、前記インターフェース導電膜、前記第2導電膜及び前記第3導電膜をパターニングして容量素子下部電極とする工程と、前記誘電体膜をパターニングして容量素子誘電体膜とする工程と、前記第4導電膜をパターニングして容量素子上部電極とする工程とを有することを特徴とする容量素子の製造方法によって解決される。
【0011】
上記容量素子の製造方法で、チャンバ内の残留酸素を除去するために、ダミー基板上にインターフェース導電膜を成膜する。
【0013】
さらに、上記容量素子の下には、絶縁膜の下の半導体基板と、絶縁膜を貫通する開口部と、該開口部に埋め込まれた埋込み導電膜とを有し、容量素子の第1導電膜は埋込み導電膜を介して半導体基板と接続する。従って、上記の容量素子の製造方法を、FeRAMその他の半導体装置の製造方法に適用することが可能である。
【0014】
ところで、同じ出願人の出願になる特願2001−213547においては、スタック構造の強誘電体キャパシタの下部電極としてプラチナ/酸化プラチナ/酸化イリジウム/イリジウム(Pt/PtOx/IrOx/Ir)構造、若しくはプラチナ/酸化プラチナ/イリジウム(Pt/PtOx/Ir)構造が提案されており、Irを含まない導電膜とIrを含む導電膜の間に、PtOxなどのIrを含まない導電性酸化物層を介在させている。Ir、IrOxは酸素の拡散を抑制し、PtOxはIrのPZT膜中への拡散を抑制し、IrOxはPtの配向性を高める。
【0015】
このような下部電極構造とすることで、キャパシタ誘電体膜の堆積中、及び堆積膜の結晶化過程において、例えばPtOx膜からなる金属拡散バリア層により下部電極からキャパシタ誘電体膜への金属拡散を防止し、強誘電体膜の特性を確保することが可能である。また、FeRAMなどの半導体装置の製造方法に適用した場合、例えばIr、IrOx からなる酸素拡散バリア層により下部電極直下の導電性プラグの酸化を防止し得る。
【0016】
しかしながら、さらに高性能化が要求されるようになり、Pt/PtOx/Ir構造ではキャパシタの電気的特性の更なる安定性が求められている。また、Pt/PtOx /IrOx/Ir構造では、結晶化後のPZT膜の強誘電性を高めることが求められている。この要求に応えるべく、同じ出願人の特願2002−16083においては、PtOx膜とIrOx 膜の間に、或いはPtOx膜とIr膜の間にPt-インタフェース層を挟むことにより、下部電極の(111)配向強度を高めて、高い強誘電性を有する強誘電体膜を得ることができた。なおかつ、IrOx の酸化度を減らして(メタリック化という)、強誘電性を高めることができた。
【0017】
しかしながら、更なる高性能化の要求に対して、特願2002−16083の方法で作成したスタック構造にはまだ不十分な点がある。第1に、メタリック化したIrOx は不安定なので、強誘電体膜を結晶化させるとき、IrOx が再酸化しやすく、膜が剥がれ易くなる。第2に、PtOx/Ptは連続成膜なので、一つの基板にPt膜とPtOx膜とを連続して成膜した後の次の基板へのPt膜の成膜時にチャンバ内に残留した酸素の影響により、完全なメタルプラチナ膜を形成することができない虞がある。この場合、(111)配向強度を高めるというPt-インタフェース層の機能を発揮できなくなる虞がある。即ち、Pt-インタフェース層の機能が十分に発揮されない場合、スタック構造の下部電極のうちキャパシタ誘電体膜下地の配向制御層(Pt膜)の(111)配向強度が弱くなるため、強誘電体膜の強誘電性は期待通り高まらない。
【0018】
本発明では、第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜(例えば、PtOx膜)と第1金属酸化膜(例えば、IrOx 膜)の間に、或いは第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜(例えば、PtOx膜)と第1金属膜(例えば、Ir膜)の間に第2金属のインタフェース導電膜(例えば、Pt-インタフェース層)を介在させた下部電極構造を作成するにあたって、第2金属のインタフェース導電膜(例えば、Pt−インタフェース層)と第2導電膜(例えば、PtOx膜)とを同一のチャンバ内で成膜する場合、第2金属のインタフェース導電膜を成膜する前にチャンバ内の残留酸素を除去している。
【0019】
例えば、容量素子を作成する正式な基板の他に1枚以上のダミー基板を含むようなロット編成とし、正式な基板上に成膜する前にダミー基板上に同じ膜を成膜する。この場合、第2金属のインタフェース導電膜と第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜とを一枚毎に連続して成膜する方法でもよいが、それよりも、基板上に第2金属のインタフェース導電膜と、第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜をそれぞれロット単位で成膜する方が効率が良い。
【0020】
チャンバ内に、前の基板、又は前のロットに対して第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜(例えば、PtOx膜)を成膜したときの酸素が残留していたとしても、当該基板上に第2金属のインタフェース導電膜(例えば、Pt-インタフェース層)を成膜する前にダミー基板上へ同じ膜を成膜することによって、チャンバ内の残留酸素が消費されてチャンバ内から除去される。従って、当該基板に第2金属のインタフェース導電膜を成膜するときには、酸素混入のない完全な第2金属よりなるインタフェース導電膜を成膜することができる。
【0022】
以上により、酸素混入のないインタフェース導電膜、例えばPt-インタフェース層により配向強化機能が発揮されるため、キャパシタ強誘電体膜下地の第3の導電膜の(111)配向強度を高めることができる。これにより、下部電極上のキャパシタ強誘電体膜の(111)配向強度を高めてその強誘電性を高めることができる。
【0023】
このような方法は、第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜(例えば、PtOx膜)の成膜後に、キャパシタ強誘電体膜下地の第3の金属よりなる第3の導電膜(例えば、Pt膜)を成膜する際にも適用することが好ましい。これによって、基板上に第3の導電膜を成膜するときに、これまでの方法ではロット単位の最初から数枚は酸素混入の虞があったものが、ロット単位の最初の正式な基板から、酸素混入のない完全な第3の金属よりなる第3の導電膜を成膜することができる。
【0024】
さらに、これによって、酸化イリジウム(IrOx)膜を含む酸素拡散バリア層を有する下部電極を用いた場合、酸化イリジウムの酸化度を減らさなくても、即ちメタリック化しなくても、キャパシタ強誘電体膜の強誘電性を十分に高められる。このため、下部電極の積層構造の膜剥がれを防止することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0026】
(第1の実施形態)
(容量素子の構造)
次に、本発明の第1の実施形態に係る製造方法により作成される容量素子の構造について図5を用いて説明する。図5は容量素子の構造を示す断面図である。
【0027】
その容量素子においては、シリコン基板10上に、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜などから構成された層間絶縁膜12が形成されている。層間絶縁膜12には、シリコン基板10に達するコンタクトホール14が形成されている。コンタクトホール14内には、シリコン基板10に電気的に接続された導電性のプラグ16が形成されている。プラグ16が埋め込まれた層間絶縁膜12上には、多層の導電膜より構成された下部電極30aと、下部電極30a上に形成されたPZT膜よりなるキャパシタ誘電体膜32aと、キャパシタ誘電体膜32a上に形成されたプラチナ(Pt)膜よりなる上部電極34aとを有する容量素子が形成されている。下部電極30aは、イリジウム(Ir)膜(第1導電膜,酸素拡散バリア層)18、酸化イリジウム(IrOx)膜(第1導電膜,酸素拡散バリア層)20、第1のプラチナ(Pt)膜(インタフェース導電膜,Pt-インタフェース層)21、酸化プラチナ(PtOx)膜(第2導電膜,Ir拡散バリア層)22及び第2のプラチナ(Pt)膜(第3導電膜,配向制御層)24が順次積層されてなる。
【0028】
(変形例による容量素子の構造)
上記では、酸素拡散バリア層としてIrOx/Irの2層構造を用いているが、Ir単層構造のものを用いてもよい。図6は下部電極30bを構成する酸素拡散バリア層としてIr単層構造のものを用いた容量素子の構造を示す断面図である。
【0029】
その容量素子の構造においては、図5と同じ構造の層間絶縁膜12上に、酸素拡散バリア層としてIr単層構造を含む下部電極30bと、下部電極30b上に形成されたPZT膜よりなるキャパシタ誘電体膜32aと、キャパシタ誘電体膜32a上に形成されたPt膜よりなる上部電極34aとを有する容量素子が形成されている。下部電極30bは、Ir膜(第1導電膜,酸素拡散バリア層)18、第1のPt膜(インタフェース導電膜,Pt-インタフェース層)21、PtOx膜(第2導電膜,Ir拡散バリア層)22及び第2のPt膜(第3導電膜,配向制御層)24が順次積層されてなる。
【0030】
このように、図5、図6に示す本実施形態による容量素子は、下部電極30a、30bが、酸素拡散バリア層と、第1のPt膜21と、PtOx膜22と、第2のPt膜24との積層膜によって構成されていることに主たる特徴がある。酸素拡散バリア層は、図5ではIr膜18及びIrOx膜20の2層からなり、図6ではIr膜18単層からなる。
【0031】
以下、本実施形態による容量素子において下部電極30a、30bをこのような積層構造によって構成している理由について説明する。
【0032】
同じ出願人の出願になる特願2001−213547においては、スタック構造の強誘電体キャパシタの下部電極としてPt/PtOx/IrOx/Ir構造、若しくはPt/PtOx/Ir構造が提案されており、Irを含まない導電膜とIrを含む導電膜の間に、PtOxなどのIrを含まない導電性酸化物層を介在させている。Ir、IrOxは酸素の拡散を抑制し、PtOxはIrのPZT膜中への拡散を抑制し、IrOxはPtの配向性を高める。
【0033】
このような下部電極構造とすることで、キャパシタ誘電体膜の堆積中、及び堆積膜の結晶化過程において、例えばPtOx膜からなる金属拡散バリア層により下部電極からキャパシタ誘電体膜への金属拡散を防止し、強誘電体膜の特性を確保することが可能である。また、FeRAMなどの半導体装置の製造方法に適用した場合、例えばIr、IrOx からなる酸素拡散バリア層により下部電極直下の導電性プラグの酸化を防止し得る。
【0034】
上記強誘電体キャパシタに対して、さらに高性能化が要求されるようになり、Pt/PtOx/Ir構造ではキャパシタの電気的特性の更なる安定性が求められている。また、Pt/PtOx /IrOx/Ir構造では、結晶化後のPZT膜の強誘電性を高めることが求められている。
【0035】
この要求に応えるべく、同じ出願人の特願2002−16083においては、PtOx膜とIrOx 膜の間に、或いはPtOx膜とIr膜の間にPt-インタフェース層を挟むことにより、下部電極の(111)配向強度を高めて、高い強誘電性を有する強誘電体膜を得ることができた。なおかつ、IrOx の酸化度を減らして(メタリック化という)、強誘電性を高めることができた。
【0036】
このような構造が本願発明の図5、図6の容量素子に適用されている。従って、図5、図6の容量素子の構成により、Ir膜18及びIrOx膜20、又はIr膜18が酸素拡散バリアとして機能し、PtOx膜22がIrの拡散バリアとして機能するので、キャパシタ誘電体膜32の形成過程における酸素の浸入と、Irのキャパシタ誘電体膜32への拡散とを防止することができる。したがって、プラグ16と下部電極30a、30bとのコンタクト特性を維持しつつ、所望の誘電率を有するキャパシタ誘電体膜32aを形成することができる。さらに、PtOx膜22とIrOx膜20の間に、或いはPtOx膜22とIr膜18の間にPt-インタフェース層21を挟むことにより、下部電極30a、30bの(111)配向強度を高めて、強誘電性の高い強誘電体膜を得ることができる。
【0037】
以上のように、素子構造上、優れた性能を発揮し得る強誘電体キャパシタが得られたが、特願2002−16083に示す方法で作成したスタック構造では、更なる高性能化の要求に対してまだ以下のように不十分な点がある。第1に、メタリック化したIrOxは不安定なので、強誘電体膜を結晶化させるとき、IrOxが再酸化しやすく、膜が剥がれ易くなる虞がある。第2に、PtOx/Ptは連続成膜なので、一つの基板にPt膜とPtOx膜とを連続して成膜した後の次の基板へのPt膜の成膜時にチャンバ内に残留した酸素の影響により、完全なメタルプラチナ膜を形成することができない虞がある。Pt-インタフェース層(第1のPt膜)に酸素が混入した場合、(111)配向を高めるというPt-インタフェース層の機能を発揮できなくなる。このため、キャパシタ誘電体膜下地の配向制御層(第2のPt膜)(111)配向強度が弱くなり、キャパシタ誘電体膜の強誘電性が十分に高められない。
【0038】
そこで、本発明では、上記スタック構造を作成するに際し、以下に説明する製造装置を用い、かつ引き続いて説明する製造方法により成膜するようにしている。
【0039】
(容量素子の製造装置)
図2は、本発明の第1実施形態である容量素子の製造方法に用いられる製造装置を示す側面図である。その製造装置は、一つのマルチチャンバシステムで構成され、容量素子の下部電極を構成する多層の導電膜を形成するための装置である。
【0040】
その装置構成は、図2に示すように、第1、第2のロードロックチャンバ102a、102bと、イリジウム(Ir)含有導電膜の成膜用のチャンバ(以下、Irチャンバと称する。)103と、プラチナ(Pt)含有導電膜の成膜用のチャンバ(以下、Ptチャンバと称する。)104とがそれぞれ開閉バルブを介してトランスファチャンバ101に接続されている。各チャンバ101、102a、102b、103、104は相互に独立して減圧可能となっている。
【0041】
第1、第2のロードロックチャンバ102a、102bは成膜用のチャンバ103,104に基板を搬入/搬出する際の出し入れ口となる。第1、第2のロードロックチャンバ102a、102b内は通常減圧されているが、基板を搬入/搬出する際に、大気の圧力に合わせるため第1、第2のロードロックチャンバ102a、102bを大気圧にする。Ir含有導電膜の成膜の際に第1のロードロックチャンバ102aを用い、Pt含有導電膜の成膜の際に第2のロードロックチャンバ102bを用いる。なお、第1、第2のロードロックチャンバ102a、102bを形成膜の種類毎に分けなくてもよいが、量産において多層を成膜する工程では、形成膜の種類によって成膜時間に長短があるため、形成膜の種類によってチャンバ102a、102bを分けることは成膜を効率良く行うために有益である。
【0042】
Irチャンバ103では、酸素拡散バリア層となるIr膜又はIrOx膜を成膜し、Ptチャンバ104ではPt-インタフェース層となる第1のPt膜及び配向制御層となる第2のPt膜と、Ir拡散バリア層となるPtOx膜を成膜する。トランスファチャンバ101は、チャンバ102a、102b、103、104の間で、一のチャンバから他のチャンバへ基板を移動させる際の中継場所となる。
【0043】
図3は、本発明の第1実施形態である容量素子の製造方法に用いられる、他の製造装置の構成を示す図である。この製造装置は、2つのマルチチャンバシステム(装置1、装置2)で構成され、多層の下部電極用導電層を各層毎にそれぞれ異なるチャンバで成膜するための装置である。
【0044】
第1のマルチチャンバシステム(装置1)202は、図3に示すように、第1、第2のロードロックチャンバ112a、112bと、第1、第2のIrチャンバ113、114と、第1のPtチャンバ115とがそれぞれ開閉バルブを介してトランスファチャンバ111に接続されている。各チャンバ111、112a、112b、113、114、115は相互に独立して減圧可能となっている。
【0045】
第1、第2のロードロックチャンバ112a、112bは成膜用のチャンバ113、114、115に基板を搬入/搬出する際の出し入れ口となる。第1、第2のロードロックチャンバ112a、112b内は通常減圧されているが、第1、第2のロードロックチャンバ112a、112bに基板を搬入/搬出する際に、第1、第2のロードロックチャンバ112a、112b内を大気圧にする。Ir含有導電膜の成膜の際に第1のロードロックチャンバ112aを用い、Pt含有導電膜の成膜の際に第2のロードロックチャンバ112bを用いる。
【0046】
Irチャンバ113、114ではそれぞれ、酸素拡散バリア層となるIr膜及びIrOx膜を成膜し、第1のPtチャンバ115ではPt-インタフェース層となる第1のPt膜を成膜する。トランスファチャンバ111は、チャンバ112a、112b、113、114、115の間で、一のチャンバから他のチャンバへ基板を移動させる際の中継場所となる。
【0047】
また、第2のマルチチャンバシステム(装置2)203は、図3に示すように、第3、第4のロードロックチャンバ122a、122bと、第2、第3のPtチャンバ123、124とがそれぞれ開閉バルブを介してトランスファチャンバ121に接続されている。各チャンバ121、122a、122b、123、124は相互に独立して減圧可能となっている。
【0048】
第2のPtチャンバ123では、Ir拡散バリア層となる酸化プラチナ(PtOx)膜を成膜し、第3のPtチャンバ124では配向制御層となる第2のPt膜を成膜する。
【0049】
第3、第4のロードロックチャンバ122a、122bは成膜用のチャンバ123、124に基板を搬入/搬出する際の出し入れ口となる。第3、第4のロードロックチャンバ122a、122b内は通常減圧されているが、第1、第2のロードロックチャンバ122a、122bに基板を搬入/搬出する際に、第3、第4のロードロックチャンバ122a、122b内を大気圧にする。PtOx膜の成膜の際に第3のロードロックチャンバ122aを用い、第2のPt膜の成膜の際に第4のロードロックチャンバ122bを用いる。
【0050】
トランスファチャンバ121は、チャンバ122a、122b、123、124の間で、一のチャンバから他のチャンバへ基板を移動させる際の中継場所となる。
【0051】
(図2の製造装置を用いた容量素子の製造方法の説明)
次に、本発明の第1実施形態による、図2に示す製造装置を用いた容量素子の製造方法について、図1、図4(a)乃至(c)及び図5を参照して説明する。図1は容量素子の製造方法を示すフローチャートであり、図4(a)乃至(c)、及び図5は容量素子の製造方法について示す工程断面図である。図2の製造装置を用いて、容量素子を構成する要素のうち多層の下部電極用導電層を形成する。
【0052】
図2の製造装置を用いた製造方法では、下部電極用導電層のうち第1のPt膜(Pt-インタフェース層,第2金属よりなるインタフェース導電膜)と、PtOx膜(Ir拡散バリア層,第2金属の金属酸化物よりなる第2の導電膜)と、キャパシタ誘電体膜下地の第2のPt膜(配向制御層,第2金属よりなる第3の導電膜)とを同じPtチャンバ内で成膜し、かつ、少なくとも第1のPt膜の成膜前、及び第2のPt膜の成膜前にチャンバ内の残留酸素を除去することを特徴としている。そして、正式な基板20枚とダミー基板5枚とで一ロットを編成し、複数ロットを処理する。各ロット毎に、チャンバ内の残留酸素を除去するために正式な基板上への成膜に先立って5枚のダミー基板上に成膜することを特徴としている。
【0053】
まず、図4(a)に示す基板(CMOS基板)を形成するまでの工程(図1に示すP1の工程)を説明する。P1の工程において、少なくとも2ロットを構成するシリコン基板に、順次、以下の工程を行う。
【0054】
シリコン基板10上に、例えばCVD法により、例えば膜厚700nmのシリコン酸化膜を堆積し、シリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜12を形成する。
【0055】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜12に、シリコン基板10に達するコンタクトホールを形成する。
【0056】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚20nmのチタン(Ti)膜と、膜厚10nmの窒化チタン(TiN)膜と、膜厚300nmのタングステン(W)膜とを堆積する。
【0057】
次いで、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing :化学的機械的研磨)法により、層間絶縁膜12の表面が露出するまでW膜、TiN膜、Ti膜を平坦に研磨し、W/TiN/Ti構造の積層構造よりなりコンタクトホール14に埋め込まれたプラグ16を形成する(図4(a))。
【0058】
次いで、図4(b)に示す構造を形成するまでの工程(図1に示す工程P2乃至P6)を説明する。多層の下部電極用導電層を成膜する工程において、図2に示す製造装置を用いる。
【0059】
まず、上記4(a)の構造の複数の基板のうちから25枚を抜き出し、5枚のダミー基板と20枚の正式な基板を設定して一ロットを編成する。このようにして少なくとも2ロットを編成する。
【0060】
まず、P2の工程において、第1のロードロックチャンバ102aを大気圧にし、図4(a)に示す構造のダミー基板を第1のロードロックチャンバ102aに搬入する。次いで、第1のロードロックチャンバ102aを減圧し、所定の圧力に達したら、開閉バルブを開けてダミー基板を第1のロードロックチャンバ102aから搬出し、トランスファチャンバ101に搬入する。次いで、開閉バルブを開けてダミー基板をトランスファチャンバ101から搬出し、Irチャンバ103内に搬入する。Irチャンバ103内で、ダミー基板の層間絶縁膜12上及びプラグ16上の全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約200nmのIr膜18を形成する。例えば、基板温度を500℃、パワーを1kW、アルゴン(Ar)ガス流量を100sccmとして、140秒間成膜する。成膜終了後は逆のルートでダミー基板を第1のロードロックチャンバ102aに、或いは装置外部の基板収納カセットに待機させておく。5枚のダミー基板に順次上記のように成膜した後に20枚の正式な基板に順次同じようにして成膜する。なお、図6の構造の場合には、成膜終了後にP3の工程に移る。
【0061】
次いで、再度Irチャンバ103内にダミー基板を搬入し、Irチャンバ103内で、Ir膜18上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約28nmのIrOx膜20を形成する。例えば、基板温度を50℃、パワーを1kW、Arガス流量を60sccm、酸素ガス流量を60sccmとして、10秒間成膜する。5枚のダミー基板に順次上記のように成膜した後に20枚の正式な基板に順次同じように成膜する。成膜終了ごとに、基板をIrチャンバ103から搬出し、第2のロードロックチャンバ102bに、或いは装置外部の基板収納カセットに待機させておく。
【0062】
次いで、P3の工程において、第2のロードロックチャンバ102bからダミー基板を搬出し、トランスファチャンバ101を経由してPtチャンバ104内に搬入する。Ptチャンバ104内で、IrOx膜20上に例えばスパッタ法により、例えば膜厚約15nmの第1のPt膜21を形成する。なお、図6の容量素子を作成する場合、Ir膜18上に第1のPt膜21を形成する。
【0063】
例えば、基板温度を350℃、パワーを1kWに設定するとともに成長雰囲気内にArガスを100sccmの流量で導入して圧力を0.38Paに調整し、成長時間を8秒間とする。第1のPt膜21は、第2のPt膜24の(111)配向を強化するためのインタフェース導電膜である。5枚のダミー基板に順次上記のように成膜した後に20枚の正式な基板に順次同じように成膜する。成膜終了ごとに、基板をPtチャンバ104から搬出し、第2のロードロックチャンバ102bに、或いは装置外部の基板収納カセットに待機させておく。
【0064】
次いで、P4の工程において、第2のロードロックチャンバ102bからダミー基板を搬出し、トランスファチャンバ101を経由してPtチャンバ104内に搬入する。Ptチャンバ104内で、ダミー基板の第1のPt膜21上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約25nmのPtOx膜22を形成する。例えば、基板温度を350℃、パワーを1kW、Arガス流量を36sccm、酸素ガス流量を144sccmとし、かつ圧力を6.2Paに調整して、22秒間成膜する。このとき、PtOx膜22の組成比xは、例えば0より大きく、2以下の範囲となる。5枚のダミー基板に順次上記のように成膜した後に20枚の正式な基板に順次同じように成膜する。成膜終了ごとに、基板をPtチャンバ104から搬出し、ロードロックチャンバ102bに、或いは装置外部の基板収納カセットに待機させておく。
【0065】
なお、PtOx膜22を形成する際の基板温度が200℃より低い場合、或いは、400℃以上の場合、残留電荷量の低下が見られる。また、PtOx膜22を形成する際の基板温度が200℃より低い場合、或いは、400℃以上の場合、リーク電流が増大する。また、400℃以上の基板温度では、PtOx膜22の成膜中に酸素が解離してPt膜が成膜されてしまう。したがって、PtOx膜22を形成する際の基板温度は、200℃以上400℃未満に設定することが望ましい。また、残留電荷量は、その温度範囲内で成膜温度が高いほどに大きな値となる。したがって、PtOx膜22を形成する際の基板温度は、上記温度範囲でより高い温度、例えば350℃程度の温度に設定することが望ましい。
【0066】
また、上記成膜条件では、PtOx膜22の膜厚を約25nmとしているが、15nm以上の膜厚を適宜選択することができる。膜厚が15nmよりも薄いとPtOx膜22の密着性が十分ではなく、厚すぎるとその後の加工性が劣化する。したがって、PtOx膜22の膜厚は、15nm以上の膜厚で、適用する装置構造やプロセスに応じて適宜選択することが望ましい。
【0067】
また、上記成膜条件では、PtOx膜22を形成する際のガス流量比をAr:O2 =1:4としているが、ガス流量比をAr:O2 =7:2〜1:9(酸素濃度40〜90%)の範囲で変化しても、形成される容量素子の残留電荷量はほとんど変化しない。つまり、PtOx膜22を成膜する際のガス流量比は残留電荷量に影響を及ぼさないと考えられる。このことから、PtOx膜22を形成する際のガス流量比はいくつでもよく、望ましくは酸素濃度40〜80%である。
【0068】
次いで、P5の工程において、第2のロードロックチャンバ102bからダミー基板を搬出し、トランスファチャンバ101を経由してPtチャンバ104に搬入する。Ptチャンバ104内で、PtOx膜22上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚約50nmの第2のPt膜24を形成する。例えば、基板温度を100℃、パワーを1kW、Arガス流量を100sccmとし、圧力を0.4Paに調整して、32秒間成膜する。5枚のダミー基板に順次上記のように成膜した後に引き続き20枚の正式な基板に順次同じように成膜する。このとき、Ptチャンバ104には前工程のPtOx膜の成膜の際に用いた酸素が残留し、そのため成膜したPt膜に酸素が混入する虞があるが、最初にダミー基板に成膜しているため、ダミー基板への成膜によって残留酸素は消費されて混入の虞が無いくらい希薄になっている。従って、正式な基板には酸素混入の無いPt膜を形成することができる。
【0069】
成膜が終了した基板は、成膜終了ごとに、Ptチャンバ104から搬出し、ロードロックチャンバ102bに、或いは装置外部の基板収納カセットに待機させておく。
【0070】
なお、第2のPt膜24を形成する際の基板温度は、400℃未満に設定する。400℃上の温度で成膜すると、下地のPtOx膜22から酸素が解離してしまい、Ir拡散防止作用が劣化してしまうからである。
【0071】
次いで、P6の工程において、Arガス雰囲気中、600〜750℃で、60秒間の急速加熱処理を行い、第2のPt膜24を結晶化する。この熱処理により、第2のPt膜24が所定の配向方向を有するため、後に形成するPZT膜の配向方向を制御することが可能となる。
【0072】
次いで、図4(c)に示す構造を形成するまでの工程(図1に示すP7乃至P9の工程)を説明する。
【0073】
P7の工程において、第2のPt膜24上に、スパッタ法により、例えば膜厚100nmのPZT(Pb(Zrx, Ti1-x)O3)膜からなる誘電体膜32を形成する。誘電体膜32の形成方法は、そのほかに、MOD(Metal Organic Deposition)法、MOCVD(有機金属CVD)法、ゾル・ゲル法などがある。また、誘電体膜32の材料としては、PZTの他に、PLZT、PLCSZTの様な他のPZT系材料や、SBT (SrBi2Ta2O9)、SrBi2(Ta, Nb)2O9等のBi層状構造化合物材料、その他の金属酸化物強誘電体であってもよい。また、高誘電体容量素子を形成しようとする場合には、強誘電体膜の代わりに、BazSr1-xTiO3、SrTiO3、PLZTなどの高誘電体膜が形成される。
【0074】
次いで、P8の工程において、酸素雰囲気中で、750℃の急速加熱処理を行い、PZT膜32を結晶化する。このとき、PZT膜32は下地の第2のPt膜24の配向方向を反映して、(111)配向する。また、PZT膜32とIrOx膜20との間にはIr拡散バリア層として機能するPtOx膜22が形成されているので、このような高温熱処理を行ってもIrがPZT膜32中に拡散することはない。
【0075】
次いで、P9の工程において、PZT膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚100nmのIrOx膜(上部電極用導電層)34を形成する。例えば、基板温度を13℃、パワーを1kW、Arガス流量を100sccmとして、54秒間成膜する。
【0076】
次いで、図5に示す構造を形成するまでの工程(図1に示すP10、11の工程)を説明する。
【0077】
P10の工程において、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、IrOx膜34、PZT膜32、第2のPt膜24、PtOx膜22、第1のPt膜21、IrOx膜20、Ir膜18を同一形状にパターニングして、第2のPt膜24/PtOx膜22/第1のPt膜21/IrOx膜20/Ir膜18からなる下部電極30aと、下部電極30a上に形成されPZT膜よりなるキャパシタ誘電体膜32aと、キャパシタ誘電体膜32a上に形成されIrOx膜よりなる上部電極34aを形成する。
【0078】
こうして、第2のPt膜24/PtOx膜22/第1のPt膜21/IrOx膜20/Ir膜18からなる下部電極30aを有する図5の容量素子を形成することができる。なお、IrOx膜20を省いた場合、第2のPt膜24/PtOx膜22/第1のPt膜21/Ir膜18からなる下部電極30bを有する図6の容量素子を形成することができる。
【0079】
次いで、P11の工程において、必要により、誘電体膜の結晶性を回復させるため、パターニング後のアニールを行う。
【0080】
次に、第2ロットに関し、第1ロットと同様にして容量素子を作成する。第2ロットでは、第1ロットのIrOx膜20の成膜の終了後、第1ロットが第2のロードロックチャンバ102bなどに待機している間に、第1のロードロックチャンバ102aに搬入し、成膜を開始してもよい。この場合、第1ロットのIrOx膜20の成膜の終了後、第1ロットが第2のロードロックチャンバ102bなどに待機している間に、第2ロットのIr膜18を成膜する。また、第1ロットの成膜がすべて完了した後に、第1のロードロックチャンバ102aに搬入し、成膜を開始してもよい。
【0081】
上記の説明で、Ptチャンバ104における第2ロットのPt-インタフェース層21の成膜に際して、同じPtチャンバ104でその直前に、第1ロットに対してキャパシタ誘電体膜下地の第2のPt膜24の成膜が行われた場合、残留酸素に関してはあまり問題にはならないが、例えば、Ptチャンバ104で直前に、第1ロットに対してPtOx膜22の成膜が行われている場合、ダミー基板により残留酸素を除去することで、酸素混入のない完全なメタルプラチナ膜よりなるPt-インタフェース層を形成することができる。
【0082】
このように、本実施形態によれば、Ptチャンバ104内に、前のロットの酸化プラチナ膜を成膜したときの酸素が残留していたとしても、当該ロットの基板上にPt-インタフェース層を成膜する前にダミー基板上へ同じ膜を成膜することによって、Ptチャンバ104内の残留酸素が消費されてPtチャンバ104内から除去される。従って、当該ロットの基板にPt-インタフェース層を成膜するときには、酸素混入のない完全なメタルプラチナ膜からなるPt-インタフェース層を成膜することができる。
【0083】
以上により、酸素混入のないPt-インタフェース層により配向強化機能が発揮されるため、キャパシタ強誘電体膜下地の第2のPt膜の(111)配向強度を高めることができる。これにより、下部電極30a上のキャパシタ誘電体膜32の(111)配向強度を高めてその強誘電性を高めることができる。
【0084】
また、PtOx膜22の成膜後にキャパシタ誘電体膜32下地の第2のPt膜24を成膜する際にもダミー基板による残留酸素の除去方法を適用している。これによって、正式な基板上に第2のPt膜24を成膜するときには、酸素混入のない完全なメタルプラチナ膜24を成膜することができる。これにより、キャパシタ誘電体膜32a下地の第2のPt膜24の(111)配向強度をさらに高めることができるので、キャパシタ誘電体膜32aの強誘電性をさらに高めることができる。
【0085】
これによって、IrOx膜20を含む酸素拡散バリア層を有する下部電極32aを用いた場合、IrOxの酸化度を減らさなくても、即ちメタリック化しなくても、キャパシタ誘電体膜32aの強誘電性を十分に高められるため、下部電極30aの積層構造の膜剥がれを防止することができる。
【0086】
(図3の製造装置を用いた容量素子の製造方法の説明)
次に、本発明の実施形態に係る、図3の製造装置を用いた容量素子の製造方法について説明する。容量素子を構成する要素のうち、下部電極の層構造、及びその層構造の成膜条件は上記と同じとし、下部電極以外の構成要素の製造方法は上記製造方法と同じとする。
【0087】
図3の製造装置を用いる製造方法では、第1のPt膜(Pt-インタフェース層)21と、PtOx膜(Ir拡散バリア層)22と、キャパシタ誘電体膜下地の第2のPt膜(配向制御層)24とを異なるチャンバ内で成膜することを特徴としている。この場合にはPt-インタフェース層、及びキャパシタ強誘電体膜下地の配向制御層への酸素混入の虞がないので、正式の基板だけで一ロットを構成することが可能である。しかし、チャンバ内の残留酸素をより完全に除去したい場合は、正式の基板の他にダミー基板を用いて一ロットを構成してもよい。以下では、正式の基板だけで一ロットを構成した場合を説明する。
【0088】
まず、P1の工程において、上記と同様にして、図4(a)の構造の基板を形成する。
【0089】
次いで、P2の工程において、第1のロードロックチャンバ112a内を大気圧にし、図4(a)の構造の基板を第1のロードロックチャンバ112aに搬入する。次いで、第1のロードロックチャンバ112a内を減圧し、所定の圧力に達したら、開閉バルブを開けて基板を第1のロードロックチャンバ112aから搬出し、トランスファチャンバ111内に搬入する。次いで、開閉バルブを開けて基板をトランスファチャンバ111から搬出し、第1のIrチャンバ113内に搬入する。第1のIrチャンバ113内で、層間絶縁膜12とプラグ16の上の全面に、Ir膜(酸素拡散バリア層)18を形成する。図6の構造の場合、Ir膜18を形成後、P3の工程に移る。
【0090】
次いで、トランスファチャンバ111を通して基板を第1のIrチャンバ113から第2のIrチャンバ114に移動させる。このとき、図4(a)の構造の新たな基板を装置1の第1のIrチャンバ113内に搬入させて、上記と同じようにして成膜工程を行う。第2のIrチャンバ114内に搬入した基板は、Ir膜18上に、例えばスパッタ法により、IrOx膜(酸素拡散バリア層)20を形成する。但し、Ir膜の成膜まで既に終了している前のロットがある場合、Ir膜の成膜には相当の時間を要するため、新たなロットでIr膜の成膜中に、既にIr膜の成膜まで終了しているロットの基板を第2のロードロックチャンバ112bから搬入してIrOx膜以降の成膜を行うようにするとよい。この場合、Ir膜の成膜後の新たなロットの基板は第1のロードロックチャンバ112aから搬出する。このようにすることで、処理効率を高めることができる。
【0091】
次いで、P3の工程において、基板を第2のIrチャンバ114から搬出し、トランスファチャンバ111を経由して第1のPtチャンバ115内に搬入する。第1のPtチャンバ115内で、IrOx膜20上に例えばスパッタ法により、第1のPt膜(Pt-インターフェース層,インターフェース導電膜)21を形成する。なお、図6に示す容量素子を作成する場合、Ir膜18上に第1のPt膜21を成膜する。
【0092】
次いで、基板を第1のPtチャンバ115から搬出し、トランスファチャンバ111を経て第2のロードロックチャンバ112b内に搬入する。続いて、第2のロードロックチャンバ112bを大気圧に戻して、第2のロードロックチャンバ112bから基板を装置外に搬出する。
【0093】
次に、P4の工程において、第1のPt膜21まで成膜した基板を装置2の第3のロードロックチャンバ122a内に搬入させる。さらに、第3のロードロックチャンバ122aから基板を搬出し、トランスファチャンバ121を通して第2のPtチャンバ123内に搬入する。第2のPtチャンバ123内で、第1のPt膜21上に、例えばスパッタ法により、PtOx膜(Ir拡散バリア層)22を形成する。
【0094】
次いで、P5の工程において、基板を第2のPtチャンバ123から搬出し、トランスファチャンバ121を経て、第3のPtチャンバ124内に搬入する。次いで、第3のPtチャンバ124内で、酸化プラチナ膜22上に、例えばスパッタ法により、第2のPt膜(配向制御層)24を形成する。
【0095】
以降、P6乃至P11の工程において、上記と同様にして、誘電体膜32と上部電極用導電層34を積層した後、パターニングして、図5に示す構造を有する容量素子を作成する。なお、IrOx膜20を省略した場合、図6に示す容量素子が作成される。
【0096】
以上のように、第1のPt膜21とPtOx膜22とを異なるチャンバで成膜する場合、同一のチャンバでは同一種類の膜しか成膜しないので、第1のPt膜21に酸素が混入する虞はない。従って、正式な基板上に酸素混入のない完全なPt-インタフェース層を成膜することができる。
【0097】
従って、酸素混入のないPt-インタフェース層21により配向強化機能が発揮されるため、キャパシタ強誘電体膜下地の配向制御層24の(111)配向強度を高めることができる。これにより、下部電極30a上のキャパシタ誘電体膜32aの(111)配向強度を高めてその強誘電性を高めることができる。
【0098】
また、PtOx膜22とキャパシタ誘電体膜32a下地の第2のPt膜24も異なるチャンバで成膜しているため、正式な基板上に第2のPt膜24を成膜するときには、酸素混入のない完全なメタルプラチナ膜を成膜することができる。これにより、キャパシタ誘電体膜32a下地の配向制御層24の(111)配向強度をさらに高めることができるので、キャパシタ強誘電体膜の強誘電性をさらに高めることができる。
【0099】
これによって、IrOx膜を含む酸素拡散バリア層を有する下部電極30aを用いた場合、IrOxの酸化度を減らさなくても、即ちメタリック化しなくても、キャパシタ誘電体膜32aの強誘電性を十分に高められるため、下部電極30aの積層構造の膜剥がれを防止することができる。
【0100】
(容量素子の特性調査)
次に、上記図2の製造装置、又は図3の製造装置を用いた容量素子の製造方法により作成された容量素子の特性について図7乃至図17を参照し、かつ標準試料や比較例と比較しながら説明する。本実施形態の調査用容量素子として図5に示す構造のものを用いる。
【0101】
本発明に係る容量素子は、上記した製造方法で作成した。即ち、第1のPt膜(Pt-インタフェース層)21の成膜とPtOx酸化プラチナ膜(Ir拡散バリア層)22の成膜と誘電体膜32下地の第2のPt膜(配向制御層)24の成膜とを同一のチャンバで行っている。調査のため、特に、第1のPt膜21の成膜前にPtOx膜22の成膜を行った。そして、PtOx膜22の成膜後かつ第1のPt膜21の成膜前に、及び誘電体膜32下地の第2のPt膜24の成膜前にダミー基板への成膜によりチャンバ内の残留酸素を除去した。又は、各成膜を異なるチャンバで行った。ともに、残留酸素ガスが第1のPt膜21の成膜、及び誘電体膜32下地の第2のPt膜24の成膜に影響を及ぼさないようにして成膜を行っている点で共通している。
【0102】
また、図7乃至図10において、キャパシタ誘電体膜32aとして膜厚200nmのPZT膜を用いた容量素子(「不連続」と表示)を用い、図11乃至図17において、キャパシタ誘電体膜32aとしてそれぞれ膜厚200nm、140nmのPZT膜を用いた容量素子(それぞれ「不連続」、「不連続PZT140nm」と表示)とを用いた。
【0103】
なお、図7乃至図17を通して、比較試料として以下の方法により下部電極を作成した容量素子(「連続」と表示)を用いた。即ち、下部電極のうち、第1のPt膜(Pt-インタフェース層)21の成膜とPtOx膜(Ir拡散バリア層)22の成膜とを同一のチャンバで、かつ第1のPt膜21の成膜前に酸素除去を行わないで連続して、一枚の基板毎に成膜した。かつ、第1のPt膜21とPtOx膜22とを一ロットを通して交互に成膜した。その後に、誘電体膜32下地の第2のPt膜24を一ロットを通して成膜した。この場合、2枚目以降の基板の第1のPt膜21はPtOx膜22の成膜の影響を直接受けることになる。調査用試料としては2枚目以降の基板に成膜したものを用いた。
【0104】
さらに、標準試料として、Pt膜/Ti膜の2層構造の下部電極を有する容量素子(図7乃至図10において、「Ver2」と表示)と、Pt膜/TiOx膜の2層構造の下部電極を有する容量素子(図11乃至図17において、「Pt/TiOx」と表示)とを用いた。
【0105】
図7乃至図17を通して、すべての試料の容量素子の平面形状を50μm×50μmとした。
【0106】
(i)キャパシタ誘電体膜下地の配向制御層24及びキャパシタ誘電体膜(PZT膜)32aの(111)配向積分強度
(111)配向積分強度は、ともに、X線回折法により測定した。図7はキャパシタ誘電体膜下地の配向制御層(下部電極の第2のPt膜)24の(111)配向積分強度を示すグラフであり、図8はキャパシタ誘電体膜(PZT膜)32aの(111)配向積分強度を示すグラフである。各図中、縦軸は線型目盛りで表した(111)配向積分強度(CPS)を示し、横軸は試料(ウエハなどの円形基板)の測定位置を示す。測定位置に関し、「CENTER」は試料の中央部を示し、「TOP」は同じく周辺部を示し、「TC」は「CENTER」と「TOP」の中間の位置を示す。
【0107】
キャパシタ誘電体膜下地の配向制御層(下部電極の第2のPt膜)24に関しては、図7に示すように、本発明の「不連続」の方が比較例の「連続」と比べて(111)配向強度が凡そ2.4倍ほど高くなっている。
【0108】
また、キャパシタ誘電体膜(PZT膜)32aに関しては、図8に示すように、本発明の「不連続」の方が比較例の「連続」と比べて(111)配向強度が凡そ1.5倍ほど高くなっている。
【0109】
この理由は、本発明の製造方法による、第1のPt膜21の成膜及び第2のPt膜24の成膜、そのうちでも特に第1のPt膜21の成膜において、残留酸素ガスの影響を受けなかったためだと推定される。これにより、Pt-インタフェース層(第1のPt膜)21の(111)配向強度が高められ、その結果、キャパシタ誘電体膜32a下地の配向制御層(第2のPt膜)24の(111)配向強度、ひいてはキャパシタ誘電体膜(PZT膜)32aの(111)配向強度が高められたものと推定される。
【0110】
(ii)分極反転電荷量(スイッチング電荷量)(Qsw)
分極反転電荷量(Qsw)に調査に関し、ソーヤタワー回路を用いて、印加電圧の変化に対する強誘電体キャパシタの分極変化を負荷キャパシタの電圧変化として測定した。印加電圧として三角波又は方形波を用いた。
【0111】
(a)図9は分極反転電荷量(Qsw)の調査結果を示すグラフである。縦軸は線型目盛りで表した、3V(方形波)でのQsw(μC/cm2)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0112】
図9によれば、本発明の「不連続」は比較例の「連続」と比べて、Qswが2乃至3μC/cm2程度高い。しかも、標準試料の「Ver2」と比べても同程度以上であった。
【0113】
(b)図11はキャパシタの分極反転電荷量(Qsw)と電圧の依存関係の調査結果を示すグラフである。図11の縦軸は線型目盛りで表したQsw(μC/cm2)を示し、横軸は線型目盛りで表した印加電圧(V)を示す。印加電圧として方形波を用い、1.2V乃至3Vの範囲で変化させた。
【0114】
図11によれば、本発明の「不連続」、「不連続PZT140nm」、標準試料の「Pt/TiOx」、及び比較例の「連続」に関し、ともに、分極反転電荷量(Qsw)は印加電圧が高くなるにつれて高くなる。このうち、比較例の「連続」は本発明の「不連続」、「不連続PZT140nm」、標準試料の「Pt/TiOx」と比べて、低電圧で低くなっている。また、本発明の「不連続」の分極反転電荷量(Qsw)、印加電圧の変化に対して標準試料の「Pt/TiOx」とほぼ同じ大きさで変化する。さらに、本発明の「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜が薄くなると、分極反転電荷量(Qsw)は印加電圧の変化に対して低電圧から(約2V以上で)飽和傾向にある。
【0115】
(c)図12、図13はそれぞれ分極反転電荷量(Qsw)の調査結果を示すグラフである。図12の縦軸は線型目盛りで表した、1.8VでのQsw(μC/cm2)を示し、横軸は試料の種類を示す。図13の縦軸は線型目盛りで表した、3VでのQsw(μC/cm2)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0116】
図12によれば、電圧1.8VでのQsw特性に関しては、本発明の「不連続」は、比較例(「連続」)と比較して凡そ7(μC/cm2)ほど高い。本発明の「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くする方がQswが高くなり、本発明の「不連続」と比較して凡そ4(μC/cm2)ほど高い。なお、本発明の「不連続」は、標準試料の「Pt/TiOx」と比較しても高かった。一方で、図13によれば、電圧3VでのQsw特性に関して、本発明の「不連続」のみが比較例(「連続」)と比較して2乃至3(μC/cm2)ほど高く、また、標準試料の「Pt/TiOx」と比較しても高かった。しかし、「不連続PZT 140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くすると、Qswは低くなる傾向があり、「Pt/ TiOx」と同程度であり、比較例(「連続」)と比較して低かった。
【0117】
(iii)分極飽和電圧(V90)
分極飽和電圧(V90)は、分極反転電荷量(スイッチング電荷量)が飽和値の90%に達する電圧と定義する。分極飽和電圧(V90)を調べるために容量素子のヒステリシス特性をソーヤタワー回路を用いて測定した。
【0118】
図14は、分極飽和電圧(V90)の調査結果を示すグラフである。縦軸は線型目盛りで表したV90(V)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0119】
図14によれば、本発明の「不連続」は2.25V乃至2.5Vの範囲に分布したが、分布の中心は約2.3Vで、標準試料の「Ver2」の約2.4Vよりも低かった。なお、比較例(「連続」)では分布の中心が2.5V以上と本発明の場合と比べて約0.2V以上高くなっている。また、「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くする方がV90は低くなる傾向があり、分布の中心が約2Vで、1.9V乃至2.1Vの範囲に分布した。
【0120】
以上の分極飽和電圧(V90)の調査結果によれば、本発明では低電圧動作が可能となる。
【0121】
(iv)疲労損失(ファティーグ)特性
疲労損失特性は、電圧加速で調査した。調査対象となる容量素子に±7Vの電圧を印加して分極反転させ、分極反転の動作サイクルを250nsとし、2.880×107サイクル後に測定した分極電荷の減量の割合である。測定電圧は3Vとした。
【0122】
(a)図10は疲労損失特性の調査結果を示すグラフである。縦軸は線型目盛りで表した疲労損失(%)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0123】
図10によれば、本発明の「不連続」は、比較例の「連続」(疲労損失約8%)と比べて疲労損失が抑えられ(約4%改善効果がある)、また標準試料の「Ver2」と比べても、比較例の「連続」に対してと同程度に疲労損失が抑制されていることがわかる。
【0124】
(b)図15は疲労損失特性の調査結果を示すグラフである。縦軸は線型目盛りで表した疲労損失(%)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0125】
図15によれば、本発明の「不連続」は、標準試料の「Pt/TiOx」とほぼ同程度であり、比較例の「連続」と比べて疲労損失を抑制できた(約8%改善効果がある)。しかし、「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くすると疲労損失は大きくなる傾向があり、比較例(「連続」)と比べても疲労損失が大きかった。
【0126】
(v)インプリント特性
インプリント特性は、容量素子が電圧印加により一方向に分極された後に、時間の経過と共に分極電荷量が減少する分極保持特性である。容量素子の上部電極に例えば3Vを印加して正方向に分極させて150℃の温度下で一定時間放置した場合と、上部電極に例えば、−3Vを印加して負方向に分極させて150℃の温度下で一定時間放置した場合とのそれぞれについて分極値の保持量(減少量)を測定する。
【0127】
図16はインプリント特性の調査結果を示すグラフである。縦軸は電荷量の減少割合(Q3Rate)(%)を示し、横軸は試料の種類を示す。
【0128】
図16によれば、本発明の「不連続」は、比較例の「連続」に比較して、インプリント特性を凡そ0.5%改善できた。本発明の「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くすると、インプリント特性は悪化する傾向があった。
【0129】
(vi)リーク電流
リーク電流は、下部電極と上部電極の間に直流電圧を印加して測定するが、その際、印加する直流電圧の極性を入れ換えて2方向(正方向、負方向)で測定した。
【0130】
図17(a)、(b)はそれぞれリーク電流密度分布の調査結果を示すグラフである。図17(a)、(b)ともに、縦軸は対数目盛りで表した、全測定数に対する累積発生個数の百分率を示し、横軸は図17(a)が+3V(正方向)でのリーク電流密度(A/cm2)を示し、図17(b)が−3V(負方向)でのリーク電流密度(A/cm2)を示す。
【0131】
図17(a)、(b)に示すように、本発明の「不連続」は、正方向、負方向ともに、標準試料の「Pt/TiOx」とほぼ同程度の低いリーク電流密度分布を示した。これに対して、「不連続PZT140nm」の結果から分かるように、強誘電体膜の膜厚を薄くすると、リーク電流密度は本発明の「不連続」に対して一桁、或いはそれ以下の程度ところに分布するが、比較例(「連続」)と比べて一桁程度低いところに分布した。
【0132】
以上のように、リーク電流に関して、第1のPt膜21或いは第2のPt膜24の成膜前にチャンバ内の残留酸素を除去する効果は非常に大きいといえる。
【0133】
以上の各種特性の調査結果から、本発明の製造方法により作成した容量素子は、Pt/Ti、又はPt/TiOxの2層構造の下部電極を有する、一般のプレーナ型キャパシタと比較しても遜色がなく、優れた特性を有するといえる。また、特に、図11及び図12に示すように、低電圧での分極反転電荷量(スイッチング電荷量)Qswを高めることができるため、次世代のFeRAMにも適用の可能性が高い。
【0134】
(第2の実施の形態)
本発明の第2実施形態である、上記容量素子の製造方法をFeRAMの製造方法に適用した例について図18乃至図21を参照して説明する。
【0135】
図18は本実施形態によるFeRAMの構造を示す概略断面図、図19乃至図21は本実施形態によるFeRAMの製造方法を示す工程断面図である。
【0136】
はじめに、図18を参照して本実施形態によるFeRAMの構造を説明する。
【0137】
そのFeRAMにおいては、シリコン基板40上に素子分離膜42が形成されている。素子分離膜42により画定された素子領域には、ゲート電極48とソース/ドレイン拡散層56とを有するメモリセルトランジスタが形成されている。メモリセルトランジスタが形成されたシリコン基板40上には、層間絶縁膜62が形成されている。層間絶縁膜62には、ソース/ドレイン拡散層56に電気的に接続されたプラグ66が埋め込まれている。
【0138】
プラグ66が埋め込まれた層間絶縁膜62上には、第2のPt膜/PtOx膜/第1のPt膜/IrOx膜/Ir膜構造(以下、Pt/PtOx /Pt/IrOx /Ir構造と称する。)の下部電極30aが形成されている。下部電極30a上には、PZTよりなるキャパシタ誘電体膜32aが形成されている。キャパシタ誘電体膜32a上には、Ptよりなる上部電極34aが形成されている。こうして、下部電極30a、キャパシタ誘電体膜32a、上部電極34aにより、強誘電体キャパシタが構成されている。なお、上部電極34aの材料としてIrOxを用いてもよい。
【0139】
強誘電体キャパシタが形成された層間絶縁膜62上には、強誘電体キャパシタ保護膜86と、層間絶縁膜88とが形成されている。層間絶縁膜88及び強誘電体キャパシタ保護膜86には、プラグ66に電気的に接続されたプラグ92が埋め込まれている。プラグ92が埋め込まれた層間絶縁膜88上には、プラグ92,66を介してソース/ドレイン拡散層56に電気的に接続された配線層96と、容量素子の上部電極34aに接続された配線層98とが形成されている。
【0140】
このように、本実施形態によるFeRAMは、強誘電体メモリのキャパシタ下部電極30aが、第1実施形態による図5に示す容量素子の下部電極構造と同様に、Pt/PtOx /Pt/IrOx /Ir構造となっていることに特徴がある。このようにして強誘電体メモリを構成することによりIrOx膜及びIr膜によってキャパシタ誘電体膜の成膜過程における酸素の拡散を防止するとともに、PtOx膜によって酸素バリア層からキャパシタ誘電体膜へのIrの拡散を防止することができる。したがって、スパッタリングによりキャパシタ誘電体膜を形成した場合であっても、Irの拡散を防止しつつキャパシタ誘電体膜の十分な結晶化を図ることができる。これにより、所望の電気特性を有する高性能の強誘電体メモリを製造することができる。
【0141】
次に、本実施形態によるFeRAMの製造方法について図19乃至図21を用いて説明する。
【0142】
まず、シリコン基板40上に、例えばシャロートレンチ法により、シリコン基板40中に埋め込まれた素子分離膜42を形成する。
【0143】
次いで、メモリセルの形成予定領域に、例えばボロンイオンをイオン注入し、Pウェル44形成する(図19(a))。
【0144】
次いで、例えば熱酸化法によりシリコン基板40の表面を酸化し、素子分離膜42により画定された素子領域上にシリコン酸化膜よりなるゲート絶縁膜46を形成する。
【0145】
次いで、ゲート絶縁膜46上に、例えばCVD法により、多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜とを堆積する。
【0146】
次いで、シリコン窒化膜及び多結晶シリコン膜を同一形状にパターニングし、上面がシリコン窒化膜50により覆われた、多結晶シリコン膜よりなるゲート電極48を形成する。
【0147】
次いで、ゲート電極48をマスクとしてシリコン基板40にイオン注入を行い、ゲート電極48の両側のシリコン基板40に、不純物拡散領域52aを形成する(図19(b))。
【0148】
次いで、全面に例えばCVD法によりシリコン窒化膜を堆積した後、このシリコン窒化膜をエッチバックし、ゲート電極48及びシリコン窒化膜50の側壁に、シリコン窒化膜よりなるサイドウォール絶縁膜54を形成する。
【0149】
次いで、ゲート電極48及びサイドウォール絶縁膜54をマスクとしてシリコン基板40にイオン注入を行い、ゲート電極48の両側のシリコン基板40に、不純物拡散領域52bを形成する。これにより、不純物拡散領域52a,52bよりなるソース/ドレイン拡散層56を形成する(図19(c))。
【0150】
こうして、ゲート電極48及びソース/ドレイン拡散層56を有するメモリセルトランジスタを形成する。
【0151】
次いで、メモリセルトランジスタが形成されたシリコン基板40上に、例えばCVD法により、膜厚20nmのシリコン窒化膜58と、膜厚700nmのシリコン酸化膜60とを堆積する。
【0152】
次いで、例えばCMP法により、シリコン酸化膜60の表面を平坦化し、シリコン窒化膜58及びシリコン酸化膜60よりなり、表面が平坦化された層間絶縁膜62を形成する。
【0153】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜62に、シリコン基板40に達するコンタクトホール64を形成する。
【0154】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚20nmのTi膜と、膜厚10nmのTiN膜と、膜厚300nmのW膜とを堆積する。
【0155】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜62の表面が露出するまでW膜、TiN膜、Ti膜を平坦に研磨し、W/TiN /Ti構造よりなりコンタクトホール64に埋め込まれたプラグ66を形成する(図19(d))。
【0156】
次いで、第1実施形態による容量素子の製造方法における下部電極30aの形成方法と同様にして、例えばスパッタ法により、例えば膜厚200nmのIr膜18と、膜厚28nmのIrOx膜20と、膜厚15nmの第1のPt膜21と、膜厚25nmのPtOx膜22と、膜厚50nmの第2のPt膜24とを形成する。
【0157】
次いで、アルゴン雰囲気中で750℃の急速加熱処理を行い、第2のPt膜24を結晶化する。
【0158】
次いで、第2のPt膜24上に、スパッタ法により、例えば膜厚200nmのPZT膜32を形成する。例えば、基板温度を13℃、パワーを1kW、Arガス流量を24sccmとして、360秒間成膜する。
【0159】
次いで、酸素雰囲気中で、750℃の急速加熱処理を行い、PZT膜32を結晶化する。
【0160】
次いで、PZT膜32上に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚200nmのPt膜34を形成する(図20(a))。例えば、基板温度を13℃、パワーを1kW、Arガス流量を100sccm、酸素ガス流量を100sccmとして、81秒間成膜する。
【0161】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、Pt膜34、PZT膜32、第2のPt膜24、PtOx膜22、第1のPt膜21、IrOx膜20、Ir膜18を同一形状にパターニングし、第2のPt膜24/PtOx膜22/第1のPt膜21/IrOx膜20/Ir膜18からなる下部電極30aと、下部電極30a上に形成されPZT膜よりなるキャパシタ誘電体膜32aと、キャパシタ誘電体膜32a上に形成された、IrOx膜又はPt膜よりなる上部電極34aを形成する(図20(b))。
【0162】
こうして、下部電極30a、キャパシタ誘電体膜32a、上部電極34aからなり、下部電極30aがプラグ66を介してソース/ドレイン拡散層56に電気的に接続された強誘電体キャパシタを形成する。
【0163】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、膜厚40nmのPZT膜を形成する。なお、このPZT膜は、強誘電体キャパシタ保護膜86として機能する(図20(c))。
【0164】
次いで、強誘電体キャパシタ保護膜86上に、例えばCVD法により、膜厚1100nmのシリコン酸化膜を形成する。
【0165】
次いで、例えばCMP法により、シリコン酸化膜の表面を研磨し、シリコン酸化膜よりなり表面が平坦化された層間絶縁膜88を形成する(図21(a))。
【0166】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜88に、プラグ66に達するコンタクトホール90を形成する。
【0167】
次いで、全面に、例えばCVD法により、例えば膜厚20nmのTi膜と、膜厚10nmのTiN膜と、膜厚300nmのW膜とを堆積する。
【0168】
次いで、例えばCMP法により、層間絶縁膜88の表面が露出するまでW膜、TiN膜、Ti膜を平坦に研磨し、W/TiN/Ti構造よりなりコンタクトホール90に埋め込まれたプラグ92を形成する(図21(b))。
【0169】
次いで、フォトリソグラフィー及びドライエッチングにより、層間絶縁膜88に、容量素子の上部電極34aに達するコンタクトホール94を形成する。
【0170】
次いで、全面に、例えばスパッタ法により、例えば膜厚60nmのTi膜と、膜厚30nmのTiN膜と、膜厚400nmのAu-Cu 膜と、膜厚5nmのTi膜と、膜厚70nmのTiN膜とを順次堆積する。
【0171】
次いで、TiN/Ti/Au-Cu/Ti/TiN構造の導電体をパターニングし、プラグ66,92を介してソース/ドレイン拡散層56に電気的に接続された配線層96と、容量素子の上部電極34aに電気的に接続された配線層98とを形成する(図21(c))。
【0172】
こうして、2トランジスタ、2キャパシタを有する強誘電体メモリを製造することができる。
【0173】
このように、本実施形態によれば、FeRAMのキャパシタ下部電極30aのうち、Pt系導電膜を同一のチャンバ内で成膜する場合、当該基板上にPt-インタフェース層21を成膜する前にダミー基板上へ同じ膜を成膜することによって、チャンバ内の残留酸素を消費させてチャンバ内から除去している。或いは、各成膜を異なるチャンバで行う場合は、元々酸素混入の虞は無い。従って、当該基板にPt-インタフェース層21を成膜するときには、酸素混入のない完全なメタルプラチナからなるPt-インタフェース層21を成膜することができる。
【0174】
以上により、酸素混入のないPt-インタフェース層21により配向強化機能が発揮されるため、キャパシタ誘電体膜32a下地の配向制御層24の(111)配向強度を高めることができる。これにより、下部電極30a上のキャパシタ誘電体膜32aの(111)配向強度を高めてその強誘電性を高めることができる。
【0175】
さらに、これによって、IrOx膜20を含む酸素拡散バリア層を有する下部電極30aを用いた場合、IrOxの酸化度を減らさなくても、即ちメタリック化しなくても、キャパシタ誘電体膜32aの強誘電性を十分に高められるため、下部電極30aの積層構造の膜剥がれを防止することができる。
【0176】
また、PtOx膜22の成膜後にキャパシタ誘電体膜32下地の第2のPt膜24を成膜する際にもダミー基板への成膜により残留酸素を除去している。これによって、正式な基板上に第2のPt膜24を成膜するときには、ロット内の最初の正式な基板からその上に酸素混入のない完全なメタルプラチナ膜を成膜することができる。
【0177】
なお、上記実施形態では、強誘電体メモリのキャパシタとして図5に示す第1実施形態の容量素子を適用したが、図6に示す第1実施形態の変形例による容量素子を用いて強誘電体メモリを構成してもよい。図22は図6に示す第1実施形態の変形例による容量素子を備えた、第2実施形態の変形例によるFeRAMの構造を示す断面図である。容量素子Qの下部電極30bがPt/PtOx /Pt/Ir構造を有することを特徴としている。図22中、図6、図18と同じ符号で示すものは図6、図18と同じものを示す。その製造方法に関しては、容量素子Qの部分は図6により説明した製造方法と同じであり、また、その他の部分は図19乃至図21により説明した製造方法と同じである。
【0178】
(第3の実施の形態)
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【0179】
例えば、上記実施形態では、酸素拡散バリア層として、IrOx /Ir構造及びIrの単層構造を示したが、IrOx 膜単層でもよい。さらに、Ir/IrOx 構造や、IrOx 膜やIr膜以外の酸素バリア機能を有する導電膜を用いてもよい。また、酸素バリア機能を有する導電膜はプラグとキャパシタ誘電体膜との間に介在していればよく、下部電極の最下層には限られない。但し、キャパシタ誘電体膜の配向制御を考慮した場合、前述の通り、下部電極の最上層をプラチナ膜 により構成することが望ましい。
【0180】
また、上記実施形態では、Ir拡散バリア層22としてPtOx膜を用いたが、他の導電膜によって構成してもよい。Ptに類似する性質を有する元素として白金族元素があり、これには、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)がある。これらのうち、Ir以外の元素は、Ir拡散バリア層として適用可能であると考えられる。したがって、これら金属元素の導電性酸化物、すなわち、RuOx 、RhOx 、PdOx 、OsOx のいずれかを、PtOx膜の代わり使用できるものと考えられる。この場合、Ir拡散バリア層の金属材料と対応させて、インタフェース導電膜の材料として、Ru、Rh、Pd、Osを用いてもよい。
【0181】
同様に、Ir拡散バリア層22の上層に形成する第2のPt膜24の代わりに、Ru膜、Rh膜、Pd膜又はOs膜を用いてもよい。
【0182】
また、上記実施形態では、キャパシタ誘電体膜32aとしてPZT膜を用いた場合を示したが、他のキャパシタ誘電体膜を用いる場合においても、本発明を同様に適用することができる。例えば、キャパシタ誘電体膜32aとして、BST((Ba,Sr)TiO3 )膜、ST(SrTiOx )膜、Ta2O5 膜などの高誘電率膜や、Y1などの強誘電体膜を適用することができる。
【0183】
また、上記第2実施形態では、本発明による容量素子をFeRAM(強誘電体メモリ)に適用した場合を示したが、他の半導体装置に適用することもできる。例えば、本発明による容量素子を用いてDRAMを構成するようにしてもよいし、本発明による容量素子を単体で用いてもよい。
【0184】
また、上記実施形態では、酸化プラチナ膜をPtOx と、酸化イリジウム膜をIrOx と表しているが、これら金属酸化物の酸素の組成比xは適宜選択することができる。典型的な膜では、組成比xは、0<x≦2の範囲とすることができる。
【0185】
なお、容量素子の上部電極として、Ptの代わりにIrOxを形成してもよい。
【0186】
以上詳述したように、本発明による容量素子の製造方法の特徴をまとめると以下の通りとなる。
(付記1)絶縁膜の上に第1金属を含む第1導電膜を形成する工程と、チャンバ内で、残留酸素を除去した後に、前記第1金属と異なる第2金属よりなるインターフェース導電膜を前記第1導電膜上に形成する工程と、前記チャンバ内において、酸素を含む雰囲気中で、前記第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜を前記インターフェース導電膜上に形成する工程と、前記第1金属と異なる第3金属よりなる第3導電膜を前記第2導電膜上に形成する工程と、誘電体膜を前記第3導電膜上に形成する工程と、前記誘電体膜の上に第4導電膜を形成する工程と、前記第1導電膜、前記インターフェース導電膜、前記第2導電膜及び前記第3導電膜をパターニングして容量素子下部電極とする工程と、前記誘電体膜をパターニングして容量素子誘電体膜とする工程と、前記第4導電膜をパターニングして容量素子上部電極とする工程とを有することを特徴とする容量素子の製造方法。
(付記2)前記チャンバ内で、残留酸素を除去するために、ダミー基板上に前記インターフェース導電膜を成膜することを特徴とする付記1記載の容量素子の製造方法。
(付記3)前記第2金属は前記第3金属と同じ元素であることを特徴とする付記1又は2記載の容量素子の製造方法。
(付記4)前記第3導電膜を前記第2導電膜上に形成する工程は、前記チャンバ内で行い、かつ前記第3導電膜を形成する前に前記チャンバ内の残留酸素を除去する工程を含むことを特徴とする付記3記載の容量素子の製造方法。
(付記5)前記チャンバ内の残留酸素を除去する工程は、ダミー基板上に前記第3の導電膜を成膜する工程を含むことを特徴とする付記4記載の容量素子の製造方法。
(付記6)第1金属を含む第1導電膜を絶縁膜上に形成する工程と、第1のチャンバ内で、前記第1金属と異なる第2金属よりなるインターフェース導電膜を前記第1導電膜上に形成する工程と、前記第1のチャンバと異なる第2のチャンバ内において、酸素を含む雰囲気中で、前記第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜を前記インターフェース導電膜上に形成する工程と、前記第1金属と異なる第3金属よりなる第3導電膜を前記第2導電膜上に形成する工程と、誘電体膜を前記第3導電膜上に形成する工程と、前記誘電体膜の上に第4導電膜を形成する工程と、前記第1導電膜、前記インターフェース導電膜、前記第2導電膜及び前記第3導電膜をパターニングして容量素子下部電極とする工程と、前記誘電体膜をパターニングして容量素子誘電体膜とする工程と、前記第4導電膜をパターニングして容量素子上部電極とする工程とを有することを特徴とする容量素子の製造方法。
(付記7)前記第3導電膜を前記第2導電膜上に形成する工程は、前記第2のチャンバと異なる第3のチャンバで行うことを特徴とする付記6記載の容量素子の製造方法。
(付記8)前記第2金属は前記第3金属と同じ元素であることを特徴とする付記6又は7記載の容量素子の製造方法。
(付記9)前記第1金属はイリジウムであり、前記第2金属の金属酸化物はイリジウムと異なる白金族の金属酸化物であり、前記第3金属はイリジウムと異なる白金族の金属であることを特徴とする付記1乃至8の何れか一に記載の容量素子の製造方法。
(付記10)前記第1導電膜を形成する工程は、前記第1金属膜と前記第1金属の酸化膜を順に形成する工程を含んでいることを特徴とする付記1乃至9の何れか一に記載の容量素子の製造方法。
(付記11)前記絶縁膜の下の半導体基板と、前記絶縁膜を貫通する開口部と、該開口部に埋め込まれた埋込み導電膜とを有し、前記第1の導電膜は前記埋込み導電膜を介して前記半導体基板と接続することを特徴とする付記1乃至10の何れか一に記載の容量素子の製造方法。
(付記12)前記埋込み導電膜の材料はタングステンであることを特徴とする付記11記載の容量素子の製造方法。
(付記13)前記半導体基板の表層に不純物拡散領域が形成されており、前記埋込み導電膜は該不純物拡散領域と接触していることを特徴とする付記11又は12記載の容量素子の製造方法。
(付記14)前記不純物拡散領域は絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソース/ドレイン領域であることを特徴とする付記13記載の容量素子の製造方法。
【0187】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、イリジウムを含む第1導電膜と、第1導電膜上に形成された、イリジウム以外の白金族の金属、例えばプラチナから構成されるインターフェース導電膜と、インターフェース導電膜上に形成された、イリジウムを除く白金族の金属酸化物よりなる第2導電膜と、第2導電膜上に形成された、イリジウムを除く白金族の金属よりなる第3導電膜とを有する下部電極と、下部電極上に形成されたキャパシタ誘電体膜と、キャパシタ誘電体膜上に形成された上部電極とにより容量素子を構成したので、第1導電膜によってキャパシタ誘電体膜の成膜過程における下方のプラグへの酸素の拡散を防止するとともに、第2導電膜によって第1導電膜からキャパシタ誘電体膜へのイリジウムの拡散を防止することができる。
【0188】
したがって、スパッタリングによりキャパシタ誘電体膜を形成した場合であっても、イリジウムの拡散を防止しつつキャパシタ誘電体膜の十分な結晶化を図ることができる。これにより、所望の電気特性を有する高性能の容量素子を製造することができる。
【0189】
さらに、第1導電膜と第2導電膜の間にイリジウム以外の白金族の金属、例えばプラチナから構成されるインターフェース導電膜を形成したので、構造上から、第3導電膜とその上の強誘電体膜の(111)配向強度を高めることができる。
【0190】
また、イリジウム以外の白金族の金属よりなるインターフェース導電膜と、イリジウム以外の白金族の金属の金属酸化物よりなる第2導電膜とを同一のチャンバで成膜する場合、インターフェース導電膜を成膜する前にチャンバ内から酸素を除去している。或いは、これらの膜をそれぞれ異なるチャンバで成膜している。これにより、製造上からも、酸素混入のないインタフェース導電膜を形成することができるため、下部電極とその上のキャパシタ強誘電体膜の(111)配向強度を高めることができる。
【0191】
このように、本発明によれば、容量素子の構造上及び製造上、下部電極とその上のキャパシタ強誘電体膜の(111)配向強度を高めることができるため、特に優れた誘電体特性を有する強誘電体キャパシタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態による容量素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図2】本発明の第1実施形態による容量素子の製造方法に用いられる製造装置を示す断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態の変形例による容量素子の製造方法に用いられる製造装置を示す断面図である。
【図4】本発明の第1実施形態による容量素子の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図5】本発明の第1実施形態による容量素子の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図6】本発明の第1実施形態の変形例による容量素子の構造を示す断面図である。
【図7】本発明の第1実施形態による容量素子における下部電極の第2のプラチナ膜の(111)配向積分強度を示すグラフである。
【図8】本発明の第1実施形態による容量素子におけるキャパシタ誘電体膜の(111)配向積分強度を示すグラフである。
【図9】本発明の第1実施形態による容量素子における分極反転電荷量(Qsw)を示すグラフである。
【図10】本発明の第1実施形態による容量素子における疲労損失を示すグラフである。
【図11】本発明の第1実施形態による容量素子における分極反転電荷量(Qsw)の印加電圧依存性を示すグラフである。
【図12】本発明の第1実施形態による容量素子における分極反転電荷量(Qsw)を示すグラフである。
【図13】本発明の第1実施形態による容量素子における分極反転電荷量(Qsw)を示すグラフである。
【図14】本発明の第1実施形態による容量素子における分極飽和減圧(V90)を示すグラフである。
【図15】本発明の第1実施形態による容量素子における疲労損失を示すグラフである。
【図16】本発明の第1実施形態による容量素子におけるインプリント特性を示すグラフである。
【図17】(a)、(b)は、本発明の第1実施形態による容量素子におけるリーク電流密度分布を示すグラフである。
【図18】本発明の第2実施形態による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【図19】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その1)である。
【図20】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その2)である。
【図21】本発明の第2実施形態による半導体装置の製造方法を示す工程断面図(その3)である。
【図22】本発明の第2実施形態の変形例による半導体装置の構造を示す概略断面図である。
【符号の説明】
10,40…シリコン基板(半導体基板)、12,62,88…層間絶縁膜、14,64,90,94…コンタクトホール(開口部)、16,66,92…プラグ(埋込み導電膜)、18…イリジウム膜(第1導電膜,酸素拡散バリア層)、20…酸化イリジウム膜(第1導電膜,酸素拡散バリア層)、21…第1のプラチナ膜(インタフェース導電膜,Pt-インターフェース層)、22…酸化プラチナ膜(第2導電膜,Ir拡散バリア層)、24…第2のプラチナ膜(第3導電膜,配向制御層)、30a,30b…下部電極、32…PZT膜(誘電体膜)、32a…キャパシタ誘電体膜、34…上部電極用導電層(第4導電膜)、34a…上部電極、42…素子分離膜、44…Pウェル、46…ゲート絶縁膜、48,48a,48b…ゲート電極、50,58…シリコン窒化膜、52a,52b…不純物拡散領域、54…サイドウォール絶縁膜、56…ソース/ドレイン拡散層、60…シリコン酸化膜、86…強誘電体キャパシタ保護膜、96,98…配線層、101,111,121…トランスファチャンバ、102a,112a…第1のロードロックチャンバ、102b,112b…第2のロードロックチャンバ、122a…第3のロードロックチャンバ、122b…第4のロードロックチャンバ、103…Irファチャンバ、113…第1のIrファチャンバ、114…第2のIrファチャンバ、104…Ptファチャンバ、115…第1のPtファチャンバ、123…第2のPtファチャンバ、124…第3のPtファチャンバ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a capacitive element, and more particularly to a method for manufacturing a capacitive element having a ferroelectric film or a high dielectric film.
[0002]
[Prior art]
FeRAM stores information using the hysteresis characteristics of ferroelectrics. A ferroelectric capacitor having a ferroelectric film as a capacitor dielectric between a pair of electrodes generates polarization according to the voltage applied to the pair of electrodes, and has spontaneous polarization even when the applied voltage is removed. If the polarity of the applied voltage is reversed, the polarity of the spontaneous polarization is also reversed. Therefore, information can be read by detecting this spontaneous polarization.
[0003]
FeRAM, like other semiconductor devices, will require a reduction in cell area in the future. In order to reduce the cell area, a stacked capacitor is useful. The stack structure refers to a structure in which a capacitor is formed immediately above a plug formed on the drain of a MOS transistor. Here, the capacitor is formed by laminating various materials such as a barrier metal (oxygen diffusion barrier layer), a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode immediately above a tungsten (W) plug. The barrier metal plays a role in suppressing oxygen diffusion into the W plug. Since a material that also functions as the lower electrode is often selected as the barrier metal, the barrier metal and the lower electrode cannot be clearly distinguished. These materials include titanium nitride (TiN), iridium (Ir), iridium oxide (IrO2), Platinum (Pt), SRO (SrRuOThree) Is selected.
[0004]
In the ferroelectric capacitor, in order to improve the (111) orientation strength of the ferroelectric layer, generally, Pt is used for the lower electrode sandwiching the ferroelectric layer. However, since Pt has high oxygen permeability, there is a problem that when it is used immediately above the plug in a capacitor having a stack structure, oxygen easily permeates and the plug is oxidized by heat treatment. Therefore, in a ferroelectric capacitor with a stack structure, Pt / IrO is used as the lower electrode from the capacitor dielectric film side.2A structure laminated with / Ir is often used (see, for example, Patent Document 1). Ir and IrO2Use Ir or IrO2This is because the oxygen permeability is very small and functions as an oxygen diffusion barrier layer in heat treatment.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-22829
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when using a PZT film deposited by sputtering as the capacitor dielectric film, an iridium-based oxygen diffusion barrier layer (Ir film, IrO2It has been found that the use of a lower electrode having a structure including a film increases the leakage current of the capacitor. The reason is considered as follows.
[0007]
When a PZT film is deposited on the lower electrode by sputtering, the PZT film immediately after deposition is in an amorphous state. In order to make full use of the ferroelectric properties, it is necessary to crystallize the PZT film, which requires high-temperature heat treatment. However, when a lower electrode with a Pt film formed on an iridium-based oxygen diffusion barrier layer is used, high-temperature heat treatment is performed for crystallization of the PZT film on the lower electrode. The Ir element in the barrier layer permeates the Pt film, diffuses into the PZT film, and is taken into the PZT crystal. For this reason, the insulating property of the PZT crystal is lowered.
[0008]
Such a phenomenon can be avoided by growing a PZT film in a crystalline state directly on the lower electrode or crystallizing the PZT film at a low temperature, but the dielectric constant of the formed PZT film is small. turn into.
[0009]
It is an object of the present invention to prevent oxidation of a conductive plug immediately below a lower electrode during deposition of a capacitor dielectric film and during crystallization of the deposited film, and also prevent metal diffusion from the lower electrode to the capacitor dielectric film. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a capacitive element having excellent ferroelectric characteristics.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  The above issues areIr single layer structure or Ir and IrO x It consists of either of the two-layer structureA first conductive film containing a first metal;By sputteringDifferent from the first metal on the dummy substrate in the forming step and in the chamberPtA step of forming a film made of the second metal and removing residual oxygen from the chamber, and after removing the residual oxygen, increasing the orientation strength of the third conductive film formed later in the chamberHaving (111) orientationAn interface conductive film made of the second metal is formed on the first conductive film.By sputteringForming a second conductive film made of a metal oxide of the second metal which is a diffusion barrier layer of the first metal on the interface conductive film in an atmosphere containing oxygen in the chamber.By sputteringThe step of forming is different from the first metal, which is an orientation control layerPtThe third conductive film made of a third metal is disposed on the second conductive film.By sputteringForming, heat-treating, crystallizing the third conductive film, and on the third conductive filmMade of ferroelectric materialForming a dielectric film;Performing a heat treatment to crystallize the dielectric film;Forming a fourth conductive film on the dielectric film; and patterning the first conductive film, the interface conductive film, the second conductive film, and the third conductive film to form a capacitive element lower electrode. And a step of patterning the dielectric film to form a capacitor element dielectric film, and a step of patterning the fourth conductive film to form a capacitor element upper electrode. Solved.
[0011]
In order to remove residual oxygen in the chamber by the above-described method for manufacturing a capacitive element, an interface conductive film is formed on a dummy substrate.
[0013]
Furthermore, the capacitor element includes a semiconductor substrate under the insulating film, an opening penetrating the insulating film, and a buried conductive film embedded in the opening, and the first conductive film of the capacitor element. Is connected to the semiconductor substrate through a buried conductive film. Therefore, it is possible to apply the above-described method for manufacturing a capacitive element to a method for manufacturing an FeRAM or other semiconductor device.
[0014]
Incidentally, in Japanese Patent Application No. 2001-213547 filed by the same applicant, platinum / platinum oxide / iridium oxide / iridium (Pt / PtO) is used as a lower electrode of a ferroelectric capacitor having a stacked structure.x/ IrOx/ Ir) structure or platinum / platinum oxide / iridium (Pt / PtO)x/ Ir) structure has been proposed, and a PtO film is formed between a conductive film containing no Ir and a conductive film containing Ir.xA conductive oxide layer containing no Ir is interposed. Ir, IrOxSuppresses oxygen diffusion, PtOxSuppresses diffusion of Ir into the PZT film, and IrOxIncreases the orientation of Pt.
[0015]
With such a lower electrode structure, during the deposition of the capacitor dielectric film and in the crystallization process of the deposited film, for example, PtOxIt is possible to prevent the metal diffusion from the lower electrode to the capacitor dielectric film by the metal diffusion barrier layer made of the film, and to secure the characteristics of the ferroelectric film. Further, when applied to a manufacturing method of a semiconductor device such as FeRAM, for example, Ir, IrOxOxidation of the conductive plug directly under the lower electrode can be prevented by the oxygen diffusion barrier layer made of
[0016]
However, higher performance is required, and Pt / PtOxIn the / Ir structure, further stability of the electrical characteristics of the capacitor is required. Pt / PtOx / IrOxIn the / Ir structure, it is required to increase the ferroelectricity of the PZT film after crystallization. In order to meet this requirement, Japanese Patent Application No. 2002-16083 of the same applicant states that PtOxMembrane and IrOxBetween membranes or PtOxBy sandwiching the Pt-interface layer between the film and the Ir film, the (111) orientation strength of the lower electrode was increased, and a ferroelectric film having high ferroelectricity could be obtained. And IrOxIt was possible to increase the ferroelectricity by reducing the degree of oxidation (referred to as metallic).
[0017]
However, the stack structure created by the method of Japanese Patent Application No. 2002-16083 is still insufficient for the demand for higher performance. First, metallic IrOxIs unstable, so when crystallizing a ferroelectric film, IrOxIs easily reoxidized and the film is easily peeled off. Second, PtOx/ Pt is a continuous film, so Pt film and PtO on one substratexThere is a possibility that a complete metal platinum film cannot be formed due to the influence of oxygen remaining in the chamber when the Pt film is formed on the next substrate after the film is continuously formed. In this case, there is a possibility that the function of the Pt-interface layer for enhancing the (111) orientation strength cannot be exhibited. That is, when the function of the Pt-interface layer is not sufficiently exhibited, the (111) orientation strength of the orientation control layer (Pt film) underlying the capacitor dielectric film in the lower electrode of the stack structure is weakened. The ferroelectricity does not increase as expected.
[0018]
In the present invention, a second conductive film made of a metal oxide of a second metal (for example, PtOxFilm) and the first metal oxide film (for example, IrO)xA second conductive film made of a metal oxide of a second metal (for example, PtO)xIn forming a lower electrode structure in which a second metal interface conductive film (for example, Pt-interface layer) is interposed between a first metal film (for example, an Ir film), a second metal interface conductive film is formed. (Eg, Pt-interface layer) and a second conductive film (eg, PtOxFilm) in the same chamber, residual oxygen in the chamber is removed before the second metal interface conductive film is formed.
[0019]
For example, the lot organization includes one or more dummy substrates in addition to the formal substrate for forming the capacitive element, and the same film is formed on the dummy substrate before the film formation on the formal substrate. In this case, a method of continuously forming the second conductive film made of the second metal interface and the second conductive film made of the metal oxide of the second metal one by one may be used. It is more efficient to form the metal interface conductive film and the second conductive film made of the metal oxide of the second metal in lot units.
[0020]
In the chamber, a second conductive film (eg, PtO) made of a metal oxide of a second metal with respect to the previous substrate or the previous lot.xEven if oxygen remains when the film is formed, the same film is formed on the dummy substrate before the second metal interface conductive film (eg, Pt-interface layer) is formed on the substrate. By filming, residual oxygen in the chamber is consumed and removed from the chamber. Therefore, when forming the interface conductive film of the second metal on the substrate, it is possible to form the interface conductive film made of the complete second metal free from oxygen contamination.
[0022]
As described above, the interface strengthening function is exhibited by the interface conductive film that does not contain oxygen, for example, the Pt-interface layer, so that the (111) orientation strength of the third conductive film underlying the capacitor ferroelectric film can be increased. Thereby, the (111) orientation strength of the capacitor ferroelectric film on the lower electrode can be increased and the ferroelectricity thereof can be increased.
[0023]
Such a method is applied to a second conductive film made of a metal oxide of a second metal (for example, PtOxAfter the film is formed, it is preferably applied when a third conductive film (for example, a Pt film) made of the third metal under the capacitor ferroelectric film is formed. As a result, when the third conductive film is formed on the substrate, there is a possibility that oxygen may be mixed in the first several lots in the conventional method. Then, a third conductive film made of a complete third metal free from oxygen can be formed.
[0024]
In addition, this allows iridium oxide (IrOxWhen the lower electrode having an oxygen diffusion barrier layer including a film is used, the ferroelectricity of the capacitor ferroelectric film can be sufficiently enhanced without reducing the oxidation degree of iridium oxide, that is, without making it metallic. For this reason, film peeling of the laminated structure of the lower electrode can be prevented.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0026]
(First embodiment)
(Capacitor structure)
Next, the structure of the capacitive element produced by the manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the capacitive element.
[0027]
In the capacitive element, an interlayer insulating film 12 composed of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like is formed on a silicon substrate 10. A contact hole 14 reaching the silicon substrate 10 is formed in the interlayer insulating film 12. A conductive plug 16 that is electrically connected to the silicon substrate 10 is formed in the contact hole 14. On the interlayer insulating film 12 in which the plug 16 is embedded, a lower electrode 30a composed of a multilayer conductive film, a capacitor dielectric film 32a made of a PZT film formed on the lower electrode 30a, and a capacitor dielectric film A capacitor element having an upper electrode 34a made of a platinum (Pt) film formed on 32a is formed. The lower electrode 30a includes an iridium (Ir) film (first conductive film, oxygen diffusion barrier layer) 18, iridium oxide (IrOx) Film (first conductive film, oxygen diffusion barrier layer) 20, first platinum (Pt) film (interface conductive film, Pt-interface layer) 21, platinum oxide (PtO)x) Film (second conductive film, Ir diffusion barrier layer) 22 and second platinum (Pt) film (third conductive film, orientation control layer) 24 are sequentially laminated.
[0028]
(Capacitance element structure according to modification)
In the above, the oxygen diffusion barrier layer is IrOxAlthough a two-layer structure of / Ir is used, an Ir single-layer structure may be used. FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitive element using an Ir single layer structure as the oxygen diffusion barrier layer constituting the lower electrode 30b.
[0029]
In the structure of the capacitive element, a capacitor comprising an interlayer insulating film 12 having the same structure as that shown in FIG. 5, a lower electrode 30b including an Ir single layer structure as an oxygen diffusion barrier layer, and a PZT film formed on the lower electrode 30b. A capacitive element having a dielectric film 32a and an upper electrode 34a made of a Pt film formed on the capacitor dielectric film 32a is formed. The lower electrode 30b includes an Ir film (first conductive film, oxygen diffusion barrier layer) 18, a first Pt film (interface conductive film, Pt-interface layer) 21, and PtO.xA film (second conductive film, Ir diffusion barrier layer) 22 and a second Pt film (third conductive film, orientation control layer) 24 are sequentially stacked.
[0030]
As described above, the capacitive element according to the present embodiment shown in FIGS. 5 and 6 includes the lower electrodes 30a and 30b, the oxygen diffusion barrier layer, the first Pt film 21, and the PtO.xThe main feature is that it is formed of a laminated film of the film 22 and the second Pt film 24. In FIG. 5, the oxygen diffusion barrier layer is formed of Ir film 18 and IrO.xIt consists of two layers of film 20, and in FIG.
[0031]
Hereinafter, the reason why the lower electrodes 30a and 30b are configured in such a stacked structure in the capacitor according to the present embodiment will be described.
[0032]
In Japanese Patent Application No. 2001-213547 filed by the same applicant, Pt / PtO is used as a lower electrode of a ferroelectric capacitor having a stacked structure.x/ IrOx/ Ir structure or Pt / PtOx/ Ir structure has been proposed, PtO between the conductive film not containing Ir and the conductive film containing IrxA conductive oxide layer containing no Ir is interposed. Ir, IrOxSuppresses oxygen diffusion, PtOxSuppresses diffusion of Ir into the PZT film, and IrOxIncreases the orientation of Pt.
[0033]
With such a lower electrode structure, during the deposition of the capacitor dielectric film and in the crystallization process of the deposited film, for example, PtOxIt is possible to prevent the metal diffusion from the lower electrode to the capacitor dielectric film by the metal diffusion barrier layer made of the film, and to secure the characteristics of the ferroelectric film. Further, when applied to a manufacturing method of a semiconductor device such as FeRAM, for example, Ir, IrOxOxidation of the conductive plug directly under the lower electrode can be prevented by the oxygen diffusion barrier layer made of
[0034]
For the above ferroelectric capacitors, higher performance is required, and Pt / PtOxIn the / Ir structure, further stability of the electrical characteristics of the capacitor is required. Pt / PtOx / IrOxIn the / Ir structure, it is required to increase the ferroelectricity of the PZT film after crystallization.
[0035]
In order to meet this requirement, Japanese Patent Application No. 2002-16083 of the same applicant states that PtOxMembrane and IrOxBetween membranes or PtOxBy sandwiching the Pt-interface layer between the film and the Ir film, the (111) orientation strength of the lower electrode was increased, and a ferroelectric film having high ferroelectricity could be obtained. And IrOxIt was possible to increase the ferroelectricity by reducing the degree of oxidation (referred to as metallic).
[0036]
Such a structure is applied to the capacitive element of FIGS. 5 and 6 of the present invention. Therefore, the Ir film 18 and the IrO are formed according to the configuration of the capacitive element shown in FIGS.xThe film 20 or the Ir film 18 functions as an oxygen diffusion barrier, and PtOxSince the film 22 functions as an Ir diffusion barrier, it is possible to prevent oxygen from entering the capacitor dielectric film 32 and diffusing Ir into the capacitor dielectric film 32. Therefore, it is possible to form the capacitor dielectric film 32a having a desired dielectric constant while maintaining the contact characteristics between the plug 16 and the lower electrodes 30a and 30b. In addition, PtOxFilm 22 and IrOxBetween membranes 20 or PtOxBy sandwiching the Pt-interface layer 21 between the film 22 and the Ir film 18, the (111) orientation strength of the lower electrodes 30a and 30b can be increased, and a ferroelectric film having high ferroelectricity can be obtained.
[0037]
As described above, a ferroelectric capacitor capable of exhibiting excellent performance in terms of the element structure was obtained. However, the stack structure created by the method shown in Japanese Patent Application No. 2002-16083 is in response to the demand for further higher performance. There are still some inadequacies: First, metallic IrOxIs unstable, so when crystallizing a ferroelectric film, IrOxMay be easily reoxidized and the film may be easily peeled off. Second, PtOx/ Pt is a continuous film, so Pt film and PtO on one substratexThere is a possibility that a complete metal platinum film cannot be formed due to the influence of oxygen remaining in the chamber when the Pt film is formed on the next substrate after the film is continuously formed. When oxygen is mixed into the Pt-interface layer (first Pt film), the function of the Pt-interface layer to increase the (111) orientation cannot be exhibited. For this reason, the orientation control layer (second Pt film) (111) orientation strength underlying the capacitor dielectric film becomes weak, and the ferroelectricity of the capacitor dielectric film cannot be sufficiently increased.
[0038]
Therefore, in the present invention, when the stack structure is created, a film is formed using a manufacturing apparatus described below and by a manufacturing method described subsequently.
[0039]
(Capacitance element manufacturing equipment)
FIG. 2 is a side view showing a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a capacitive element according to the first embodiment of the present invention. The manufacturing apparatus is an apparatus for forming a multi-layered conductive film that is configured by one multi-chamber system and forms a lower electrode of a capacitive element.
[0040]
As shown in FIG. 2, the apparatus configuration includes first and second load lock chambers 102a and 102b, and an iridium (Ir) -containing conductive film deposition chamber (hereinafter referred to as an Ir chamber) 103. , A platinum (Pt) -containing conductive film deposition chamber (hereinafter referred to as a Pt chamber) 104 is connected to the transfer chamber 101 via an open / close valve. Each chamber 101, 102a, 102b, 103, 104 can be decompressed independently of each other.
[0041]
The first and second load lock chambers 102a and 102b serve as loading / unloading ports for loading / unloading substrates into / from the film forming chambers 103 and 104. Although the first and second load lock chambers 102a and 102b are normally depressurized, the first and second load lock chambers 102a and 102b are made large in order to match the atmospheric pressure when the substrate is loaded / unloaded. Set to atmospheric pressure. The first load lock chamber 102a is used when the Ir-containing conductive film is formed, and the second load lock chamber 102b is used when the Pt-containing conductive film is formed. The first and second load lock chambers 102a and 102b do not have to be divided for each type of film to be formed. However, in the process of forming a multilayer in mass production, the film formation time is long or short depending on the type of film to be formed. Therefore, separating the chambers 102a and 102b depending on the type of film to be formed is beneficial for efficient film formation.
[0042]
In the Ir chamber 103, an Ir film or IrO serving as an oxygen diffusion barrier layer.xIn the Pt chamber 104, a first Pt film serving as a Pt-interface layer, a second Pt film serving as an orientation control layer, and PtO serving as an Ir diffusion barrier layer are formed.xA film is formed. The transfer chamber 101 serves as a relay place when the substrate is moved from one chamber to another among the chambers 102a, 102b, 103, and 104.
[0043]
FIG. 3 is a diagram showing the configuration of another manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a capacitive element according to the first embodiment of the present invention. This manufacturing apparatus is composed of two multi-chamber systems (apparatus 1 and apparatus 2), and is an apparatus for forming a multi-layer lower electrode conductive layer in a different chamber for each layer.
[0044]
As shown in FIG. 3, the first multi-chamber system (apparatus 1) 202 includes first and second load lock chambers 112a and 112b, first and second Ir chambers 113 and 114, and a first A Pt chamber 115 is connected to the transfer chamber 111 via an open / close valve. Each chamber 111, 112a, 112b, 113, 114, 115 can be decompressed independently of each other.
[0045]
The first and second load lock chambers 112a and 112b serve as loading / unloading ports for loading / unloading substrates into / from the film forming chambers 113, 114, and 115. Although the first and second load lock chambers 112a and 112b are normally depressurized, the first and second load lock chambers 112a and 112b are loaded into and unloaded from the first and second load lock chambers 112a and 112b. The inside of the lock chambers 112a and 112b is set to atmospheric pressure. The first load lock chamber 112a is used when the Ir-containing conductive film is formed, and the second load lock chamber 112b is used when the Pt-containing conductive film is formed.
[0046]
In the Ir chambers 113 and 114, an Ir film and an IrO film serving as an oxygen diffusion barrier layer, respectively.xA film is formed, and in the first Pt chamber 115, a first Pt film serving as a Pt-interface layer is formed. The transfer chamber 111 serves as a relay place when the substrate is moved from one chamber to another chamber among the chambers 112a, 112b, 113, 114, and 115.
[0047]
Further, as shown in FIG. 3, the second multi-chamber system (device 2) 203 includes third and fourth load lock chambers 122a and 122b, and second and third Pt chambers 123 and 124, respectively. It is connected to the transfer chamber 121 via an open / close valve. Each chamber 121, 122a, 122b, 123, 124 can be decompressed independently of each other.
[0048]
In the second Pt chamber 123, platinum oxide (PtO) serving as an Ir diffusion barrier layer.x) A film is formed, and in the third Pt chamber 124, a second Pt film to be an orientation control layer is formed.
[0049]
The third and fourth load lock chambers 122a and 122b serve as loading / unloading ports for loading / unloading the substrate into / from the film forming chambers 123 and 124, respectively. Although the pressure in the third and fourth load lock chambers 122a and 122b is normally reduced, the third and fourth loads are loaded when the substrates are loaded into and unloaded from the first and second load lock chambers 122a and 122b. The inside of the lock chambers 122a and 122b is set to atmospheric pressure. PtOxThe third load lock chamber 122a is used for film formation, and the fourth load lock chamber 122b is used for film formation of the second Pt film.
[0050]
The transfer chamber 121 serves as a relay place when the substrate is moved from one chamber to another between the chambers 122a, 122b, 123, and 124.
[0051]
(Description of manufacturing method of capacitive element using manufacturing apparatus of FIG. 2)
Next, a method for manufacturing a capacitive element using the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 4A to 4C, and FIG. FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a capacitive element, and FIGS. 4A to 4C and FIG. 5 are process cross-sectional views showing the method for manufacturing the capacitive element. Using the manufacturing apparatus of FIG. 2, a multilayer lower electrode conductive layer among the elements constituting the capacitor element is formed.
[0052]
In the manufacturing method using the manufacturing apparatus of FIG. 2, the first Pt film (Pt-interface layer, interface conductive film made of the second metal) in the lower electrode conductive layer, and PtOxFilm (Ir diffusion barrier layer, second conductive film made of metal oxide of second metal) and second Pt film (orientation control layer, third conductive film made of second metal) underlying capacitor dielectric film ) In the same Pt chamber, and at least before the first Pt film is formed and before the second Pt film is formed, residual oxygen in the chamber is removed. Then, one lot is formed by 20 formal substrates and 5 dummy substrates, and a plurality of lots are processed. Each lot is characterized in that a film is formed on five dummy substrates prior to the formal film formation on the substrate in order to remove residual oxygen in the chamber.
[0053]
First, a process until a substrate (CMOS substrate) shown in FIG. 4A is formed (process P1 shown in FIG. 1) will be described. In the process of P1, the following processes are sequentially performed on the silicon substrates constituting at least two lots.
[0054]
A silicon oxide film having a film thickness of, for example, 700 nm is deposited on the silicon substrate 10 by, eg, CVD, and an interlayer insulating film 12 made of the silicon oxide film is formed.
[0055]
Next, a contact hole reaching the silicon substrate 10 is formed in the interlayer insulating film 12 by photolithography and dry etching.
[0056]
Next, a titanium (Ti) film with a thickness of 20 nm, a titanium nitride (TiN) film with a thickness of 10 nm, and a tungsten (W) film with a thickness of 300 nm are deposited on the entire surface by, eg, CVD.
[0057]
Next, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished flatly by, for example, CMP (Chemical Mechanical Polishing) method until the surface of the interlayer insulating film 12 is exposed, and the W / TiN / Ti structure is laminated. A plug 16 having a structure and embedded in the contact hole 14 is formed (FIG. 4A).
[0058]
Next, steps required until the structure shown in FIG. 4B is formed (steps P2 to P6 shown in FIG. 1) will be described. In the step of forming a multilayer lower electrode conductive layer, the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 is used.
[0059]
First, 25 substrates are extracted from the plurality of substrates having the structure 4 (a), 5 dummy substrates and 20 formal substrates are set, and one lot is organized. In this way, at least two lots are organized.
[0060]
First, in step P2, the first load lock chamber 102a is set to atmospheric pressure, and a dummy substrate having a structure shown in FIG. 4A is carried into the first load lock chamber 102a. Next, the first load lock chamber 102a is depressurized, and when a predetermined pressure is reached, the opening / closing valve is opened, the dummy substrate is unloaded from the first load lock chamber 102a, and loaded into the transfer chamber 101. Next, the open / close valve is opened, and the dummy substrate is unloaded from the transfer chamber 101 and loaded into the Ir chamber 103. In the Ir chamber 103, an Ir film 18 having a thickness of, for example, about 200 nm is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 12 and the plug 16 of the dummy substrate by, eg, sputtering. For example, the film is formed for 140 seconds at a substrate temperature of 500 ° C., a power of 1 kW, and an argon (Ar) gas flow rate of 100 sccm. After the film formation is completed, the dummy substrate is put on standby in the first load lock chamber 102a or in the substrate storage cassette outside the apparatus by the reverse route. After sequentially forming the films on the five dummy substrates as described above, the films are sequentially formed on the 20 official substrates in the same manner. In the case of the structure shown in FIG. 6, the process proceeds to step P3 after the film formation is completed.
[0061]
Next, the dummy substrate is loaded again into the Ir chamber 103, and the IrO film having a film thickness of, for example, about 28 nm is formed on the Ir film 18 by, for example, sputtering in the Ir chamber 103.xA film 20 is formed. For example, the film is formed for 10 seconds at a substrate temperature of 50 ° C., a power of 1 kW, an Ar gas flow rate of 60 sccm, and an oxygen gas flow rate of 60 sccm. After sequentially forming the films on the five dummy substrates as described above, the films are sequentially formed on the 20 official substrates in the same manner. Each time the film formation is completed, the substrate is unloaded from the Ir chamber 103 and placed in a standby state in the second load lock chamber 102b or in a substrate storage cassette outside the apparatus.
[0062]
Next, in step P3, the dummy substrate is unloaded from the second load lock chamber 102b and loaded into the Pt chamber 104 via the transfer chamber 101. In the Pt chamber 104, IrOxA first Pt film 21 having a film thickness of, for example, about 15 nm is formed on the film 20 by, eg, sputtering. 6 is formed, the first Pt film 21 is formed on the Ir film 18.
[0063]
For example, the substrate temperature is set to 350 ° C., the power is set to 1 kW, Ar gas is introduced into the growth atmosphere at a flow rate of 100 sccm, the pressure is adjusted to 0.38 Pa, and the growth time is set to 8 seconds. The first Pt film 21 is an interface conductive film for enhancing the (111) orientation of the second Pt film 24. After sequentially forming the films on the five dummy substrates as described above, the films are sequentially formed on the 20 official substrates in the same manner. Each time the film formation is completed, the substrate is unloaded from the Pt chamber 104 and kept in the second load lock chamber 102b or in a substrate storage cassette outside the apparatus.
[0064]
Next, in the process of P4, the dummy substrate is unloaded from the second load lock chamber 102b and loaded into the Pt chamber 104 via the transfer chamber 101. In the Pt chamber 104, a PtO film having a thickness of, for example, about 25 nm is formed on the first Pt film 21 of the dummy substrate by, eg, sputtering.xA film 22 is formed. For example, the film is formed for 22 seconds at a substrate temperature of 350 ° C., a power of 1 kW, an Ar gas flow rate of 36 sccm, an oxygen gas flow rate of 144 sccm, and a pressure of 6.2 Pa. At this time, PtOxThe composition ratio x of the film 22 is, for example, in the range of greater than 0 and 2 or less. After sequentially forming the films on the five dummy substrates as described above, the films are sequentially formed on the 20 official substrates in the same manner. Each time film formation is completed, the substrate is unloaded from the Pt chamber 104 and kept in the load lock chamber 102b or a substrate storage cassette outside the apparatus.
[0065]
PtOxWhen the substrate temperature at the time of forming the film 22 is lower than 200 ° C. or 400 ° C. or higher, a decrease in the residual charge amount is observed. PtOxWhen the substrate temperature when forming the film 22 is lower than 200 ° C. or 400 ° C. or higher, the leakage current increases. Also, at substrate temperatures above 400 ° C, PtOxDuring the formation of the film 22, oxygen is dissociated and a Pt film is formed. Therefore, PtOxThe substrate temperature when forming the film 22 is desirably set to 200 ° C. or higher and lower than 400 ° C. Further, the residual charge amount becomes larger as the film forming temperature is higher within the temperature range. Therefore, PtOxThe substrate temperature when forming the film 22 is desirably set to a higher temperature in the above temperature range, for example, a temperature of about 350 ° C.
[0066]
Also, under the above film formation conditions, PtOxAlthough the film thickness of the film 22 is about 25 nm, a film thickness of 15 nm or more can be appropriately selected. If the film thickness is less than 15 nm, PtOxThe adhesion of the film 22 is not sufficient, and if it is too thick, the subsequent workability deteriorates. Therefore, PtOxThe thickness of the film 22 is preferably 15 nm or more and is appropriately selected according to the device structure and process to be applied.
[0067]
Also, under the above film formation conditions, PtOxThe gas flow ratio in forming the film 22 is Ar: O.2= 1: 4, but the gas flow ratio is Ar: O2= 7: 2 to 1: 9 (oxygen concentration 40 to 90%) Even if it changes, the residual charge amount of the capacitor element to be formed hardly changes. That is, PtOxIt is considered that the gas flow rate ratio when forming the film 22 does not affect the residual charge amount. From this, PtOxAny number of gas flow ratios may be used for forming the film 22, and the oxygen concentration is preferably 40 to 80%.
[0068]
Next, in step P5, the dummy substrate is unloaded from the second load lock chamber 102b and loaded into the Pt chamber 104 via the transfer chamber 101. In the Pt chamber 104, PtOxA second Pt film 24 having a thickness of, for example, about 50 nm is formed on the film 22 by, eg, sputtering. For example, the substrate temperature is 100 ° C., the power is 1 kW, the Ar gas flow rate is 100 sccm, the pressure is adjusted to 0.4 Pa, and the film is formed for 32 seconds. After sequentially forming the films on the five dummy substrates as described above, the films are successively formed on the 20 official substrates in the same manner. At this time, the Pt chamber 104 has a PtO of the previous process.xOxygen used during film formation may remain, so oxygen may be mixed into the formed Pt film. However, since the film is first formed on the dummy substrate, it remains due to film formation on the dummy substrate. Oxygen is consumed and diluted so that there is no risk of contamination. Therefore, it is possible to form a Pt film free from oxygen contamination on a formal substrate.
[0069]
The substrate on which film formation has been completed is unloaded from the Pt chamber 104 every time film formation is completed, and is kept waiting in the load lock chamber 102b or a substrate storage cassette outside the apparatus.
[0070]
The substrate temperature when forming the second Pt film 24 is set to less than 400 ° C. When forming a film at a temperature of 400 ° C or higher, the underlying PtOxThis is because oxygen is dissociated from the film 22 and the Ir diffusion preventing action is deteriorated.
[0071]
Next, in the process of P6, a rapid heat treatment is performed in an Ar gas atmosphere at 600 to 750 ° C. for 60 seconds to crystallize the second Pt film 24. By this heat treatment, since the second Pt film 24 has a predetermined orientation direction, the orientation direction of the PZT film to be formed later can be controlled.
[0072]
Next, steps required until the structure shown in FIG. 4C is formed (steps P7 to P9 shown in FIG. 1) will be described.
[0073]
In the process of P7, on the second Pt film 24, for example, PZT (Pb (Zrx, Ti1-x) OThreeA dielectric film 32 made of a film is formed. Other methods for forming the dielectric film 32 include a MOD (Metal Organic Deposition) method, a MOCVD (Organic Metal CVD) method, and a sol-gel method. In addition to PZT, the dielectric film 32 is made of other PZT materials such as PLZT and PLCCSZT, and SBT (SrBi2Ta2O9), SrBi2(Ta, Nb)2O9Bi layered structure compound materials such as, and other metal oxide ferroelectrics may also be used. In addition, when a high-dielectric capacitor is to be formed, a Ba film is used instead of a ferroelectric film.zSr1-xTiOThree, SrTiOThreeA high dielectric film such as PLZT is formed.
[0074]
Next, in step P8, a rapid heat treatment at 750 ° C. is performed in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT film 32. At this time, the PZT film 32 is (111) oriented to reflect the orientation direction of the underlying second Pt film 24. Also, the PZT film 32 and IrOxPtO functioning as an Ir diffusion barrier layer between the film 20xSince the film 22 is formed, Ir does not diffuse into the PZT film 32 even if such high-temperature heat treatment is performed.
[0075]
Next, in the process of P9, IrO with a film thickness of, for example, 100 nm is formed on the PZT film 32 by, for example, sputtering.xA film (upper electrode conductive layer) 34 is formed. For example, the film is formed for 54 seconds at a substrate temperature of 13 ° C., a power of 1 kW, and an Ar gas flow rate of 100 sccm.
[0076]
Next, steps required until the structure shown in FIG. 5 is formed (steps P10 and P11 shown in FIG. 1) will be described.
[0077]
In the process of P10, IrO is performed by photolithography and dry etching.xFilm 34, PZT film 32, second Pt film 24, PtOxFilm 22, first Pt film 21, IrOxThe film 20 and the Ir film 18 are patterned into the same shape, and the second Pt film 24 / PtOxFilm 22 / First Pt film 21 / IrOxA lower electrode 30a made of the film 20 / Ir film 18, a capacitor dielectric film 32a made of a PZT film formed on the lower electrode 30a, and an IrO film formed on the capacitor dielectric film 32a.xAn upper electrode 34a made of a film is formed.
[0078]
Thus, the second Pt film 24 / PtOxFilm 22 / First Pt film 21 / IrOxThe capacitive element of FIG. 5 having the lower electrode 30a made of the film 20 / Ir film 18 can be formed. IrOxWhen the film 20 is omitted, the second Pt film 24 / PtOxThe capacitive element of FIG. 6 having the lower electrode 30b made of the film 22 / first Pt film 21 / Ir film 18 can be formed.
[0079]
Next, in the process of P11, annealing after patterning is performed in order to recover the crystallinity of the dielectric film, if necessary.
[0080]
Next, regarding the second lot, a capacitive element is created in the same manner as in the first lot. In the second lot, the first lot of IrOxAfter the film 20 is formed, the first lot may be loaded into the first load lock chamber 102a while the first lot is waiting in the second load lock chamber 102b, and the film formation may be started. In this case, the first lot of IrOxAfter the film 20 is formed, the Ir film 18 of the second lot is formed while the first lot is waiting in the second load lock chamber 102b or the like. Alternatively, after all the film formation of the first lot is completed, the film may be loaded into the first load lock chamber 102a and the film formation may be started.
[0081]
In the above description, when the Pt-interface layer 21 of the second lot is formed in the Pt chamber 104, the second Pt film 24 underlying the capacitor dielectric film with respect to the first lot is immediately before the same Pt chamber 104. However, for example, PtO with respect to the first lot immediately before in the Pt chamber 104 is not a problem.xWhen the film 22 is formed, residual oxygen is removed by a dummy substrate, thereby forming a Pt-interface layer made of a complete metal platinum film free from oxygen contamination.
[0082]
Thus, according to the present embodiment, even if oxygen remains when the platinum oxide film of the previous lot is formed in the Pt chamber 104, the Pt-interface layer is formed on the substrate of the lot. By depositing the same film on the dummy substrate before deposition, residual oxygen in the Pt chamber 104 is consumed and removed from the Pt chamber 104. Therefore, when forming the Pt-interface layer on the substrate of the lot, it is possible to form the Pt-interface layer made of a complete metal platinum film free from oxygen contamination.
[0083]
As described above, the function of enhancing the alignment is exhibited by the Pt-interface layer not containing oxygen, so that the (111) orientation strength of the second Pt film underlying the capacitor ferroelectric film can be increased. Thereby, the (111) orientation strength of the capacitor dielectric film 32 on the lower electrode 30a can be increased and the ferroelectricity thereof can be increased.
[0084]
PtOxThe method of removing residual oxygen using a dummy substrate is also applied when the second Pt film 24 underlying the capacitor dielectric film 32 is formed after the film 22 is formed. As a result, when the second Pt film 24 is formed on the official substrate, the complete metal platinum film 24 free from oxygen contamination can be formed. As a result, the (111) orientation strength of the second Pt film 24 underlying the capacitor dielectric film 32a can be further increased, so that the ferroelectricity of the capacitor dielectric film 32a can be further increased.
[0085]
This makes IrOxWhen the lower electrode 32a having the oxygen diffusion barrier layer including the film 20 is used, IrOxEven if the degree of oxidation of the lower electrode 30a is not reduced, that is, it is not made metallic, the ferroelectricity of the capacitor dielectric film 32a can be sufficiently increased, so that the layered structure of the lower electrode 30a can be prevented from peeling off.
[0086]
(Description of manufacturing method of capacitive element using manufacturing apparatus of FIG. 3)
Next, a method for manufacturing a capacitive element using the manufacturing apparatus of FIG. 3 according to the embodiment of the present invention will be described. Among the elements constituting the capacitive element, the layer structure of the lower electrode and the film formation conditions of the layer structure are the same as described above, and the manufacturing method of the components other than the lower electrode is the same as the above manufacturing method.
[0087]
In the manufacturing method using the manufacturing apparatus of FIG. 3, the first Pt film (Pt-interface layer) 21 and the PtOxA film (Ir diffusion barrier layer) 22 and a second Pt film (orientation control layer) 24 under the capacitor dielectric film are formed in different chambers. In this case, since there is no possibility of oxygen mixing into the Pt-interface layer and the orientation control layer under the capacitor ferroelectric film, it is possible to form one lot with only a formal substrate. However, if it is desired to remove oxygen remaining in the chamber more completely, a lot may be formed using a dummy substrate in addition to the official substrate. Below, the case where one lot is comprised only with the formal board | substrate is demonstrated.
[0088]
First, in the step P1, a substrate having the structure shown in FIG. 4A is formed in the same manner as described above.
[0089]
Next, in step P2, the inside of the first load lock chamber 112a is set to atmospheric pressure, and the substrate having the structure shown in FIG. 4A is carried into the first load lock chamber 112a. Next, the inside of the first load lock chamber 112a is depressurized, and when a predetermined pressure is reached, the opening / closing valve is opened, the substrate is unloaded from the first load lock chamber 112a, and loaded into the transfer chamber 111. Next, the opening / closing valve is opened, and the substrate is unloaded from the transfer chamber 111 and loaded into the first Ir chamber 113. In the first Ir chamber 113, an Ir film (oxygen diffusion barrier layer) 18 is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 12 and the plug 16. In the case of the structure shown in FIG. 6, after the Ir film 18 is formed, the process proceeds to P3.
[0090]
Next, the substrate is moved from the first Ir chamber 113 to the second Ir chamber 114 through the transfer chamber 111. At this time, a new substrate having the structure shown in FIG. 4A is carried into the first Ir chamber 113 of the apparatus 1 and a film forming process is performed in the same manner as described above. The substrate carried into the second Ir chamber 114 is formed on the Ir film 18 by IrO, for example, by sputtering.xA film (oxygen diffusion barrier layer) 20 is formed. However, if there is a previous lot that has already been completed until the Ir film is formed, it takes a considerable amount of time to form the Ir film. The substrate of the lot which has been completed until the film formation is carried in from the second load lock chamber 112b and IrOxIt is preferable to perform film formation after the film. In this case, the substrate of a new lot after the Ir film is formed is carried out from the first load lock chamber 112a. By doing in this way, processing efficiency can be improved.
[0091]
Next, in the step P3, the substrate is unloaded from the second Ir chamber 114, and loaded into the first Pt chamber 115 via the transfer chamber 111. In the first Pt chamber 115, IrOxA first Pt film (Pt-interface layer, interface conductive film) 21 is formed on the film 20 by sputtering, for example. In the case of producing the capacitive element shown in FIG. 6, the first Pt film 21 is formed on the Ir film 18.
[0092]
Next, the substrate is unloaded from the first Pt chamber 115 and loaded into the second load lock chamber 112b through the transfer chamber 111. Subsequently, the second load lock chamber 112b is returned to atmospheric pressure, and the substrate is carried out of the apparatus from the second load lock chamber 112b.
[0093]
Next, in the step P4, the substrate formed up to the first Pt film 21 is carried into the third load lock chamber 122a of the apparatus 2. Further, the substrate is unloaded from the third load lock chamber 122 a and loaded into the second Pt chamber 123 through the transfer chamber 121. In the second Pt chamber 123, a PtO film is formed on the first Pt film 21 by sputtering, for example.xA film (Ir diffusion barrier layer) 22 is formed.
[0094]
Next, in the process of P5, the substrate is unloaded from the second Pt chamber 123, and loaded into the third Pt chamber 124 through the transfer chamber 121. Next, in the third Pt chamber 124, a second Pt film (orientation control layer) 24 is formed on the platinum oxide film 22 by, eg, sputtering.
[0095]
Thereafter, in the processes of P6 to P11, the dielectric film 32 and the upper electrode conductive layer 34 are stacked in the same manner as described above, and then patterned to form a capacitive element having the structure shown in FIG. IrOxWhen the film 20 is omitted, the capacitive element shown in FIG. 6 is created.
[0096]
As described above, the first Pt film 21 and PtOxWhen the film 22 is formed in a different chamber, since only the same type of film is formed in the same chamber, there is no possibility that oxygen is mixed into the first Pt film 21. Therefore, a complete Pt-interface layer free from oxygen contamination can be formed on a formal substrate.
[0097]
Therefore, since the orientation enhancement function is exhibited by the Pt-interface layer 21 not containing oxygen, the (111) orientation strength of the orientation control layer 24 underlying the capacitor ferroelectric film can be increased. Thereby, the (111) orientation strength of the capacitor dielectric film 32a on the lower electrode 30a can be increased and the ferroelectricity thereof can be increased.
[0098]
PtOxSince the film 22 and the second Pt film 24 underlying the capacitor dielectric film 32a are also formed in different chambers, when the second Pt film 24 is formed on a formal substrate, there is no oxygen contamination. A metal platinum film can be formed. As a result, the (111) orientation strength of the orientation control layer 24 underlying the capacitor dielectric film 32a can be further increased, so that the ferroelectricity of the capacitor ferroelectric film can be further enhanced.
[0099]
This makes IrOxWhen the lower electrode 30a having an oxygen diffusion barrier layer including a film is used, IrOxEven if the degree of oxidation of the lower electrode 30a is not reduced, that is, it is not made metallic, the ferroelectricity of the capacitor dielectric film 32a can be sufficiently increased, so that the layered structure of the lower electrode 30a can be prevented from peeling off.
[0100]
(Characteristic characteristics investigation)
Next, the characteristics of the capacitive element produced by the manufacturing method of the capacitive element using the manufacturing apparatus of FIG. 2 or the manufacturing apparatus of FIG. 3 will be described with reference to FIGS. While explaining. The investigating capacitive element of this embodiment has the structure shown in FIG.
[0101]
The capacitive element according to the present invention was produced by the manufacturing method described above. That is, the formation of the first Pt film (Pt-interface layer) 21 and the PtOxThe formation of the platinum oxide film (Ir diffusion barrier layer) 22 and the formation of the second Pt film (orientation control layer) 24 under the dielectric film 32 are performed in the same chamber. For the investigation, in particular, before the first Pt film 21 was formed, PtOxA film 22 was formed. And PtOxAfter the film 22 is formed and before the first Pt film 21 is formed, and before the second Pt film 24 underlying the dielectric film 32 is formed, residual oxygen in the chamber is formed by film formation on the dummy substrate. Removed. Alternatively, each film formation was performed in different chambers. Both are common in that the residual oxygen gas is formed so as not to affect the formation of the first Pt film 21 and the formation of the second Pt film 24 under the dielectric film 32. ing.
[0102]
7 to 10, a capacitor element (indicated as “discontinuous”) using a PZT film having a thickness of 200 nm is used as the capacitor dielectric film 32a, and as the capacitor dielectric film 32a in FIGS. Capacitance elements using PZT films with thicknesses of 200 nm and 140 nm (represented as “discontinuous” and “discontinuous PZT 140 nm”, respectively) were used.
[0103]
Note that, through FIGS. 7 to 17, a capacitor element (indicated as “continuous”) in which a lower electrode was formed by the following method was used as a comparative sample. That is, of the lower electrode, the first Pt film (Pt-interface layer) 21 is formed and PtO.xThe film (Ir diffusion barrier layer) 22 was formed on each substrate continuously in the same chamber and without removing oxygen before the first Pt film 21 was formed. In addition, the first Pt film 21 and PtOxThe films 22 were alternately formed through one lot. Thereafter, the second Pt film 24 under the dielectric film 32 was formed through one lot. In this case, the first Pt film 21 of the second and subsequent substrates is made of PtO.xThe film 22 is directly affected by the film formation. As a sample for investigation, a film formed on the second and subsequent substrates was used.
[0104]
Furthermore, as a standard sample, a capacitor element (indicated as “Ver2” in FIGS. 7 to 10) having a Pt film / Ti film two-layer lower electrode, and a Pt film / TiO film.xA capacitive element having a lower electrode having a two-layer structure of a film (in FIGS. 11 to 17, “Pt / TiOx")" Was used.
[0105]
Through FIG. 7 to FIG. 17, the planar shapes of the capacitor elements of all the samples were 50 μm × 50 μm.
[0106]
(I) (111) orientation integral strength of the orientation control layer 24 and the capacitor dielectric film (PZT film) 32a under the capacitor dielectric film
Both (111) orientation integral intensities were measured by the X-ray diffraction method. FIG. 7 is a graph showing the (111) integrated integral intensity of the orientation control layer (second Pt film of the lower electrode) 24 under the capacitor dielectric film, and FIG. 111) This is a graph showing the integrated integral intensity. In each figure, the vertical axis represents (111) orientation integrated intensity (CPS) expressed in a linear scale, and the horizontal axis represents the measurement position of a sample (a circular substrate such as a wafer). Regarding the measurement position, “CENTER” indicates the center of the sample, “TOP” similarly indicates the peripheral portion, and “TC” indicates the intermediate position between “CENTER” and “TOP”.
[0107]
Regarding the orientation control layer (second Pt film of the lower electrode) 24 under the capacitor dielectric film, as shown in FIG. 7, the “discontinuous” of the present invention is compared with the “continuous” of the comparative example ( 111) The orientation strength is about 2.4 times higher.
[0108]
As for the capacitor dielectric film (PZT film) 32a, as shown in FIG. 8, the “discontinuous” of the present invention has a (111) orientation strength of about 1.5 compared to the “continuous” of the comparative example. It is about twice as high.
[0109]
The reason for this is that the first Pt film 21 and the second Pt film 24 are formed by the manufacturing method of the present invention, and in particular, the influence of the residual oxygen gas in the formation of the first Pt film 21. It is presumed that this was because they did not receive it. As a result, the (111) orientation strength of the Pt-interface layer (first Pt film) 21 is increased, and as a result, the (111) of the orientation control layer (second Pt film) 24 underlying the capacitor dielectric film 32a. It is presumed that the orientation strength, and hence the (111) orientation strength of the capacitor dielectric film (PZT film) 32a is increased.
[0110]
(Ii) Polarization inversion charge amount (switching charge amount) (Qsw)
Regarding the investigation on the polarization inversion charge amount (Qsw), the polarization change of the ferroelectric capacitor with respect to the change of the applied voltage was measured as the voltage change of the load capacitor using a Soya tower circuit. A triangular wave or a square wave was used as the applied voltage.
[0111]
(A) FIG. 9 is a graph showing the investigation results of the polarization inversion charge amount (Qsw). The vertical axis represents the linear scale, and Qsw at 3 V (square wave) (μC / cm2) And the horizontal axis indicates the type of sample.
[0112]
According to FIG. 9, the “discontinuous” of the present invention has a Qsw of 2 to 3 μC / cm compared with the “continuous” of the comparative example.2About high. Moreover, it was about the same or higher than the standard sample “Ver 2”.
[0113]
(B) FIG. 11 is a graph showing the results of investigating the dependence relationship between the polarization inversion charge amount (Qsw) of the capacitor and the voltage. The vertical axis of FIG. 11 is Qsw (μC / cm expressed in a linear scale.2The horizontal axis indicates the applied voltage (V) expressed in a linear scale. A square wave was used as the applied voltage, and the voltage was varied in the range of 1.2V to 3V.
[0114]
According to FIG. 11, “discontinuous”, “discontinuous PZT140 nm” of the present invention, “Pt / TiO” of the standard sample,x”And“ continuous ”in the comparative example, the polarization inversion charge amount (Qsw) increases as the applied voltage increases. Among these, “continuous” of the comparative example is “discontinuous” of the present invention, “discontinuous PZT140 nm”, “Pt / TiO of the standard sample”x”And lower at lower voltage. In addition, the “Pt / TiO” of the standard sample with respect to the change of the “discontinuous” polarization inversion charge amount (Qsw) and applied voltage of the present invention.xIt changes with almost the same size. Further, as can be seen from the result of “discontinuous PZT140nm” of the present invention, when the ferroelectric film is thinned, the polarization inversion charge amount (Qsw) is saturated from a low voltage (at about 2 V or more) with respect to the change of the applied voltage. There is a tendency.
[0115]
(C) FIGS. 12 and 13 are graphs showing the results of investigation of the polarization inversion charge amount (Qsw). The vertical axis of FIG. 12 is represented by a linear scale, and Qsw at 1.8 V (μC / cm2) And the horizontal axis indicates the type of sample. The vertical axis of FIG. 13 is represented by a linear scale, and Qsw at 3 V (μC / cm2) And the horizontal axis indicates the type of sample.
[0116]
According to FIG. 12, regarding the Qsw characteristic at a voltage of 1.8 V, the “discontinuity” of the present invention is approximately 7 (μC / cm) as compared with the comparative example (“continuous”).2) So high. As can be seen from the result of “discontinuous PZT140 nm” of the present invention, the Qsw becomes higher when the thickness of the ferroelectric film is reduced, which is about 4 (μC / cm) compared with the “discontinuous” of the present invention.2) So high. The “discontinuity” of the present invention is the “Pt / TiO” of the standard sample.xIt was also high compared to On the other hand, according to FIG. 13, regarding the Qsw characteristic at a voltage of 3 V, only “discontinuous” of the present invention is 2 to 3 (μC / cm) compared to the comparative example (“continuous”).2) It is so high that the standard sample “Pt / TiOxIt was also high compared to However, as can be seen from the result of “discontinuous PZT 140 nm”, when the thickness of the ferroelectric film is reduced, Qsw tends to decrease.xIt was low compared with the comparative example ("continuous").
[0117]
(Iii) Polarization saturation voltage (V90)
The polarization saturation voltage (V90) is defined as the voltage at which the polarization inversion charge amount (switching charge amount) reaches 90% of the saturation value. In order to examine the polarization saturation voltage (V90), the hysteresis characteristic of the capacitive element was measured using a Soya tower circuit.
[0118]
FIG. 14 is a graph showing the investigation result of the polarization saturation voltage (V90). The vertical axis represents V90 (V) expressed in a linear scale, and the horizontal axis represents the type of sample.
[0119]
According to FIG. 14, the “discontinuity” of the present invention was distributed in the range of 2.25 V to 2.5 V, but the center of the distribution is about 2.3 V, which is about 2.4 V of “Ver2” of the standard sample. Was also low. In the comparative example (“continuous”), the center of the distribution is 2.5 V or more, which is higher by about 0.2 V or more than the case of the present invention. Further, as can be seen from the result of “discontinuous PZT140nm”, V90 tends to be lower when the film thickness of the ferroelectric film is reduced, the center of the distribution is about 2V, and 1.9V to 2.1V. Distributed in the range.
[0120]
According to the above-described investigation result of the polarization saturation voltage (V90), low voltage operation is possible in the present invention.
[0121]
(Iv) Fatigue loss (fatigue) characteristics
Fatigue loss characteristics were investigated by voltage acceleration. Polarization inversion is performed by applying a voltage of ± 7 V to the capacitive element to be investigated, and the operation cycle of polarization inversion is 250 ns.7This is the rate of polarization charge loss measured after the cycle. The measurement voltage was 3V.
[0122]
(A) FIG. 10 is a graph showing the investigation results of fatigue loss characteristics. The vertical axis represents fatigue loss (%) expressed in a linear scale, and the horizontal axis represents the type of sample.
[0123]
According to FIG. 10, the “discontinuity” of the present invention suppresses the fatigue loss (has an improvement effect of about 4%) as compared to the “continuous” of the comparative example (fatigue loss of about 8%). Even when compared with “Ver2”, it can be seen that the fatigue loss is suppressed to the same extent as “continuous” in the comparative example.
[0124]
(B) FIG. 15 is a graph showing the investigation results of the fatigue loss characteristics. The vertical axis represents fatigue loss (%) expressed in a linear scale, and the horizontal axis represents the type of sample.
[0125]
According to FIG. 15, the “discontinuity” of the present invention is the “Pt / TiO” of the standard sample.xThe fatigue loss can be suppressed as compared with “continuous” in the comparative example (having an improvement effect of about 8%). However, as can be seen from the result of “discontinuous PZT140 nm”, the fatigue loss tends to increase when the thickness of the ferroelectric film is reduced, and the fatigue loss is larger than that of the comparative example (“continuous”).
[0126]
(V) Imprint characteristics
The imprint characteristic is a polarization maintaining characteristic in which the amount of polarization charge decreases with time after the capacitive element is polarized in one direction by voltage application. For example, 3V is applied to the upper electrode of the capacitive element to be polarized in the positive direction and left at a temperature of 150 ° C. for a certain period of time. For example, −3V is applied to the upper electrode to be polarized in the negative direction to 150 ° C. The amount of polarization value retained (decreased amount) is measured for each of the cases where the sample is left for a certain period of time at a temperature of.
[0127]
FIG. 16 is a graph showing the examination result of imprint characteristics. The vertical axis represents the charge reduction rate (Q3Rate) (%), and the horizontal axis represents the sample type.
[0128]
According to FIG. 16, the “discontinuity” of the present invention can improve the imprint characteristics by about 0.5% compared to the “continuous” of the comparative example. As can be seen from the result of “discontinuous PZT140 nm” of the present invention, when the thickness of the ferroelectric film is reduced, the imprint characteristics tend to deteriorate.
[0129]
(Vi) Leakage current
The leakage current was measured by applying a DC voltage between the lower electrode and the upper electrode, and at that time, the polarity of the applied DC voltage was changed and measured in two directions (positive direction and negative direction).
[0130]
FIGS. 17A and 17B are graphs showing the investigation results of the leakage current density distribution, respectively. In both FIGS. 17A and 17B, the vertical axis represents the percentage of the cumulative number of occurrences with respect to the total number of measurements expressed on a logarithmic scale, and the horizontal axis represents the leakage current at +3 V (positive direction) in FIG. Density (A / cm2FIG. 17B shows the leakage current density (A / cm at −3 V (negative direction).2).
[0131]
As shown in FIGS. 17A and 17B, the “discontinuity” of the present invention is the “Pt / TiO” of the standard sample in both the positive and negative directions.xThe leakage current density distribution was almost the same as "." On the other hand, as can be seen from the result of “discontinuous PZT140nm”, when the thickness of the ferroelectric film is reduced, the leakage current density is about an order of magnitude or less than the “discontinuous” of the present invention. However, the distribution was about an order of magnitude lower than that of the comparative example (“continuous”).
[0132]
As described above, regarding the leakage current, it can be said that the effect of removing the residual oxygen in the chamber before the formation of the first Pt film 21 or the second Pt film 24 is very large.
[0133]
From the above investigation results of various characteristics, the capacitive element created by the manufacturing method of the present invention is Pt / Ti, or Pt / TiO.xCompared with a general planar capacitor having a lower electrode of the two-layer structure, it can be said that it has excellent characteristics. In particular, as shown in FIGS. 11 and 12, since the polarization inversion charge amount (switching charge amount) Qsw at a low voltage can be increased, the possibility of application to the next generation FeRAM is also high.
[0134]
(Second Embodiment)
An example in which the above-described capacitive element manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is applied to an FeRAM manufacturing method will be described with reference to FIGS.
[0135]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the structure of the FeRAM according to the present embodiment, and FIGS. 19 to 21 are process cross-sectional views showing the manufacturing method of the FeRAM according to the present embodiment.
[0136]
First, the structure of the FeRAM according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
[0137]
In the FeRAM, an element isolation film 42 is formed on a silicon substrate 40. A memory cell transistor having a gate electrode 48 and a source / drain diffusion layer 56 is formed in the element region defined by the element isolation film 42. An interlayer insulating film 62 is formed on the silicon substrate 40 on which the memory cell transistors are formed. Plugs 66 electrically connected to the source / drain diffusion layers 56 are embedded in the interlayer insulating film 62.
[0138]
On the interlayer insulating film 62 in which the plug 66 is embedded, the second Pt film / PtOxFilm / First Pt film / IrOxFilm / Ir film structure (Pt / PtO)x/ Pt / IrOx/ Ir structure. ) Lower electrode 30a. A capacitor dielectric film 32a made of PZT is formed on the lower electrode 30a. On the capacitor dielectric film 32a, an upper electrode 34a made of Pt is formed. Thus, the ferroelectric capacitor is constituted by the lower electrode 30a, the capacitor dielectric film 32a, and the upper electrode 34a. As the material of the upper electrode 34a, IrOxMay be used.
[0139]
On the interlayer insulating film 62 on which the ferroelectric capacitor is formed, a ferroelectric capacitor protective film 86 and an interlayer insulating film 88 are formed. A plug 92 electrically connected to the plug 66 is embedded in the interlayer insulating film 88 and the ferroelectric capacitor protective film 86. On the interlayer insulating film 88 in which the plug 92 is embedded, a wiring layer 96 electrically connected to the source / drain diffusion layer 56 via the plugs 92 and 66 and a wiring connected to the upper electrode 34a of the capacitor element. Layer 98 is formed.
[0140]
Thus, in the FeRAM according to the present embodiment, the capacitor lower electrode 30a of the ferroelectric memory has the same Pt / PtO as the lower electrode structure of the capacitive element shown in FIG. 5 according to the first embodiment.x/ Pt / IrOx/ Ir structure is characteristic. By constructing a ferroelectric memory in this way, IrOxThe film and the Ir film prevent oxygen diffusion during the capacitor dielectric film formation process, and PtOxThe film can prevent the diffusion of Ir from the oxygen barrier layer to the capacitor dielectric film. Therefore, even when the capacitor dielectric film is formed by sputtering, the capacitor dielectric film can be sufficiently crystallized while preventing Ir diffusion. As a result, a high-performance ferroelectric memory having desired electrical characteristics can be manufactured.
[0141]
Next, the manufacturing method of the FeRAM according to the present embodiment will be explained with reference to FIGS.
[0142]
First, an element isolation film 42 embedded in the silicon substrate 40 is formed on the silicon substrate 40 by, for example, a shallow trench method.
[0143]
Next, for example, boron ions are ion-implanted into a region where a memory cell is to be formed, thereby forming a P well 44 (FIG. 19A).
[0144]
Next, the surface of the silicon substrate 40 is oxidized by, for example, a thermal oxidation method, and a gate insulating film 46 made of a silicon oxide film is formed on the element region defined by the element isolation film 42.
[0145]
Next, a polycrystalline silicon film and a silicon nitride film are deposited on the gate insulating film 46 by, eg, CVD.
[0146]
Next, the silicon nitride film and the polycrystalline silicon film are patterned in the same shape, and a gate electrode 48 made of a polycrystalline silicon film having an upper surface covered with the silicon nitride film 50 is formed.
[0147]
Next, ions are implanted into the silicon substrate 40 using the gate electrode 48 as a mask, and impurity diffusion regions 52a are formed in the silicon substrate 40 on both sides of the gate electrode 48 (FIG. 19B).
[0148]
Next, after a silicon nitride film is deposited on the entire surface by, eg, CVD, the silicon nitride film is etched back to form a sidewall insulating film 54 made of a silicon nitride film on the side walls of the gate electrode 48 and the silicon nitride film 50. .
[0149]
Next, ions are implanted into the silicon substrate 40 using the gate electrode 48 and the sidewall insulating film 54 as a mask, and impurity diffusion regions 52 b are formed in the silicon substrate 40 on both sides of the gate electrode 48. Thereby, a source / drain diffusion layer 56 composed of the impurity diffusion regions 52a and 52b is formed (FIG. 19C).
[0150]
Thus, a memory cell transistor having the gate electrode 48 and the source / drain diffusion layer 56 is formed.
[0151]
Next, a 20 nm-thickness silicon nitride film 58 and a 700 nm-thickness silicon oxide film 60 are deposited on the silicon substrate 40 on which the memory cell transistors are formed by, for example, CVD.
[0152]
Next, the surface of the silicon oxide film 60 is planarized by, eg, CMP, and an interlayer insulating film 62 made of the silicon nitride film 58 and the silicon oxide film 60 and planarized is formed.
[0153]
Next, a contact hole 64 reaching the silicon substrate 40 is formed in the interlayer insulating film 62 by photolithography and dry etching.
[0154]
Next, a 20 nm thick Ti film, a 10 nm thick TiN film, and a 300 nm thick W film are deposited on the entire surface by, eg, CVD.
[0155]
Next, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished flatly by CMP, for example, until the surface of the interlayer insulating film 62 is exposed, and a plug 66 having a W / TiN / Ti structure and embedded in the contact hole 64 is formed. (FIG. 19D).
[0156]
Next, in the same manner as the method for forming the lower electrode 30a in the method for manufacturing the capacitive element according to the first embodiment, for example, by sputtering, for example, the Ir film 18 having a thickness of 200 nm and the IrO film having a thickness of 28 nm are formed.xA film 20; a first Pt film 21 having a thickness of 15 nm; and a PtO film having a thickness of 25 nm.xA film 22 and a second Pt film 24 having a thickness of 50 nm are formed.
[0157]
Next, a rapid heat treatment at 750 ° C. is performed in an argon atmosphere to crystallize the second Pt film 24.
[0158]
Next, a PZT film 32 of, eg, a 200 nm-thickness is formed on the second Pt film 24 by sputtering. For example, the film is formed for 360 seconds at a substrate temperature of 13 ° C., a power of 1 kW, and an Ar gas flow rate of 24 sccm.
[0159]
Next, a rapid heat treatment at 750 ° C. is performed in an oxygen atmosphere to crystallize the PZT film 32.
[0160]
Next, a Pt film 34 of, eg, a 200 nm-thickness is formed on the PZT film 32 by, eg, sputtering (FIG. 20A). For example, the film is formed for 81 seconds at a substrate temperature of 13 ° C., a power of 1 kW, an Ar gas flow rate of 100 sccm, and an oxygen gas flow rate of 100 sccm.
[0161]
Next, by photolithography and dry etching, the Pt film 34, the PZT film 32, the second Pt film 24, the PtOxFilm 22, first Pt film 21, IrOxThe film 20 and the Ir film 18 are patterned in the same shape, and the second Pt film 24 / PtOxFilm 22 / First Pt film 21 / IrOxA lower electrode 30a made of the film 20 / Ir film 18, a capacitor dielectric film 32a made of a PZT film formed on the lower electrode 30a, and an IrO film formed on the capacitor dielectric film 32a.xAn upper electrode 34a made of a film or a Pt film is formed (FIG. 20B).
[0162]
Thus, a ferroelectric capacitor including the lower electrode 30a, the capacitor dielectric film 32a, and the upper electrode 34a, in which the lower electrode 30a is electrically connected to the source / drain diffusion layer 56 through the plug 66, is formed.
[0163]
Next, a 40 nm-thickness PZT film is formed on the entire surface by, eg, sputtering. This PZT film functions as a ferroelectric capacitor protective film 86 (FIG. 20C).
[0164]
Next, a silicon oxide film having a thickness of 1100 nm is formed on the ferroelectric capacitor protective film 86 by, eg, CVD.
[0165]
Next, the surface of the silicon oxide film is polished by, eg, CMP, and an interlayer insulating film 88 made of a silicon oxide film and having a flattened surface is formed (FIG. 21A).
[0166]
Next, a contact hole 90 reaching the plug 66 is formed in the interlayer insulating film 88 by photolithography and dry etching.
[0167]
Next, a 20 nm thick Ti film, a 10 nm thick TiN film, and a 300 nm thick W film are deposited on the entire surface by, eg, CVD.
[0168]
Next, the W film, the TiN film, and the Ti film are polished flatly by, for example, a CMP method until the surface of the interlayer insulating film 88 is exposed, and a plug 92 having a W / TiN / Ti structure embedded in the contact hole 90 is formed. (FIG. 21B).
[0169]
Next, a contact hole 94 reaching the upper electrode 34a of the capacitor element is formed in the interlayer insulating film 88 by photolithography and dry etching.
[0170]
Next, on the entire surface, for example, by sputtering, for example, a Ti film with a thickness of 60 nm, a TiN film with a thickness of 30 nm, an Au—Cu film with a thickness of 400 nm, a Ti film with a thickness of 5 nm, and a TiN film with a thickness of 70 nm. A film is sequentially deposited.
[0171]
Next, a conductor having a TiN / Ti / Au-Cu / Ti / TiN structure is patterned, and a wiring layer 96 electrically connected to the source / drain diffusion layer 56 through plugs 66 and 92, and an upper portion of the capacitive element A wiring layer 98 electrically connected to the electrode 34a is formed (FIG. 21C).
[0172]
Thus, a ferroelectric memory having two transistors and two capacitors can be manufactured.
[0173]
As described above, according to the present embodiment, when the Pt-based conductive film is formed in the same chamber in the FeRAM capacitor lower electrode 30a, before the Pt-interface layer 21 is formed on the substrate. By depositing the same film on the dummy substrate, residual oxygen in the chamber is consumed and removed from the chamber. Alternatively, when each film formation is performed in different chambers, there is no risk of oxygen contamination. Therefore, when forming the Pt-interface layer 21 on the substrate, it is possible to form the Pt-interface layer 21 made of complete metal platinum without oxygen contamination.
[0174]
As described above, the function of enhancing the alignment is exhibited by the Pt-interface layer 21 not containing oxygen, so that the (111) orientation strength of the orientation control layer 24 underlying the capacitor dielectric film 32a can be increased. Thereby, the (111) orientation strength of the capacitor dielectric film 32a on the lower electrode 30a can be increased and the ferroelectricity thereof can be increased.
[0175]
In addition, this allows IrOxWhen the lower electrode 30a having the oxygen diffusion barrier layer including the film 20 is used, IrOxEven if the degree of oxidation of the lower electrode 30a is not reduced, that is, it is not made metallic, the ferroelectricity of the capacitor dielectric film 32a can be sufficiently increased, so that the layered structure of the lower electrode 30a can be prevented from peeling off.
[0176]
PtOxEven when the second Pt film 24 underlying the capacitor dielectric film 32 is formed after the film 22 is formed, residual oxygen is removed by film formation on the dummy substrate. As a result, when the second Pt film 24 is formed on the formal substrate, a complete metal platinum film free from oxygen contamination can be deposited on the first formal substrate in the lot.
[0177]
In the above embodiment, the capacitor of the first embodiment shown in FIG. 5 is applied as the capacitor of the ferroelectric memory. However, the ferroelectric element using the capacitor according to the modification of the first embodiment shown in FIG. A memory may be configured. FIG. 22 is a cross-sectional view showing the structure of an FeRAM according to a modification of the second embodiment, including the capacitive element according to the modification of the first embodiment shown in FIG. The lower electrode 30b of the capacitive element Q is Pt / PtOxIt has a / Pt / Ir structure. 22, the same reference numerals as those in FIGS. 6 and 18 denote the same elements as those in FIGS. Regarding the manufacturing method, the capacitive element Q is the same as the manufacturing method described with reference to FIG. 6, and the other portions are the same as the manufacturing method described with reference to FIGS.
[0178]
(Third embodiment)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made.
[0179]
For example, in the above embodiment, the oxygen diffusion barrier layer is IrO.x/ Ir structure and Ir single-layer structure were shown, but IrOxA single layer of film may be used. In addition, Ir / IrOxStructure and IrOxA conductive film having an oxygen barrier function other than a film or an Ir film may be used. The conductive film having an oxygen barrier function only needs to be interposed between the plug and the capacitor dielectric film, and is not limited to the lowermost layer of the lower electrode. However, when the orientation control of the capacitor dielectric film is taken into consideration, as described above, the uppermost layer of the lower electrode is a platinum film. It is desirable to comprise.
[0180]
In the above embodiment, the PtO layer is used as the Ir diffusion barrier layer 22.xAlthough a film is used, it may be formed of another conductive film. Platinum group elements are elements having properties similar to Pt, and include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), and iridium (Ir). Of these, elements other than Ir are considered to be applicable as an Ir diffusion barrier layer. Therefore, conductive oxides of these metal elements, that is, RuOx, RhOx, PdOx, OsOxOne of the PtOxIt is thought that it can be used instead of a membrane. In this case, Ru, Rh, Pd, and Os may be used as the material of the interface conductive film in correspondence with the metal material of the Ir diffusion barrier layer.
[0181]
Similarly, a Ru film, Rh film, Pd film, or Os film may be used in place of the second Pt film 24 formed on the upper layer of the Ir diffusion barrier layer 22.
[0182]
In the above embodiment, the PZT film is used as the capacitor dielectric film 32a. However, the present invention can be similarly applied to the case where another capacitor dielectric film is used. For example, as the capacitor dielectric film 32a, BST ((Ba, Sr) TiOThree) Film, ST (SrTiOx) Film, Ta2OFiveA high dielectric constant film such as a film or a ferroelectric film such as Y1 can be applied.
[0183]
In the second embodiment, the case where the capacitive element according to the present invention is applied to FeRAM (ferroelectric memory) has been described. However, it can also be applied to other semiconductor devices. For example, a DRAM may be configured using the capacitive element according to the present invention, or the capacitive element according to the present invention may be used alone.
[0184]
In the above embodiment, the platinum oxide film is made of PtO.xAnd iridium oxide film with IrOxThe oxygen composition ratio x of these metal oxides can be selected as appropriate. In a typical film, the composition ratio x can be in the range of 0 <x ≦ 2.
[0185]
As the upper electrode of the capacitive element, IrO instead of PtxMay be formed.
[0186]
As described above in detail, the characteristics of the method for manufacturing a capacitive element according to the present invention are summarized as follows.
(Appendix 1) A step of forming a first conductive film containing a first metal on an insulating film, and an interface conductive film made of a second metal different from the first metal after removing residual oxygen in the chamber Forming on the first conductive film; forming a second conductive film made of a metal oxide of the second metal on the interface conductive film in an atmosphere containing oxygen in the chamber; Forming a third conductive film made of a third metal different from the first metal on the second conductive film, forming a dielectric film on the third conductive film, and over the dielectric film Forming a fourth conductive film on the substrate, patterning the first conductive film, the interface conductive film, the second conductive film, and the third conductive film to form a capacitive element lower electrode, and the dielectric film Patterning the capacitive element Process and method for producing a capacitor characterized by having the step of said fourth conductive layer is patterned capacitor element upper electrode and collector layer.
(Supplementary note 2) The method for producing a capacitive element according to supplementary note 1, wherein the interface conductive film is formed on a dummy substrate in order to remove residual oxygen in the chamber.
(Additional remark 3) The said 2nd metal is the same element as the said 3rd metal, The manufacturing method of the capacitive element of Additional remark 1 or 2 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary Note 4) The step of forming the third conductive film on the second conductive film is performed in the chamber and removing residual oxygen in the chamber before forming the third conductive film. The manufacturing method of the capacitive element according to supplementary note 3, characterized in that it includes:
(Supplementary note 5) The method for manufacturing a capacitive element according to supplementary note 4, wherein the step of removing residual oxygen in the chamber includes a step of forming the third conductive film on a dummy substrate.
(Appendix 6) Forming a first conductive film containing a first metal on an insulating film, and an interface conductive film made of a second metal different from the first metal in the first chamber, the first conductive film And forming a second conductive film made of a metal oxide of the second metal on the interface conductive film in an oxygen-containing atmosphere in a second chamber different from the first chamber. A step of forming a third conductive film made of a third metal different from the first metal on the second conductive film, a step of forming a dielectric film on the third conductive film, and the dielectric Forming a fourth conductive film on the body film; patterning the first conductive film, the interface conductive film, the second conductive film, and the third conductive film to form a capacitor element lower electrode; Patterning the dielectric film The method of manufacturing the capacitor element, characterized in that it comprises the steps of: a quantity element dielectric film, and a step of a capacitor upper electrode by patterning the fourth conductive layer.
(Supplementary note 7) The method of manufacturing a capacitive element according to supplementary note 6, wherein the step of forming the third conductive film on the second conductive film is performed in a third chamber different from the second chamber.
(Additional remark 8) The said 2nd metal is the same element as the said 3rd metal, The manufacturing method of the capacitive element of Additional remark 6 or 7 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 9) The first metal is iridium, the metal oxide of the second metal is a platinum group metal oxide different from iridium, and the third metal is a platinum group metal different from iridium. 9. A method for manufacturing a capacitive element according to any one of appendices 1 to 8, which is characterized by the following.
(Additional remark 10) The process of forming the said 1st electrically conductive film includes the process of forming the said 1st metal film and the oxide film of the said 1st metal in order, The any one of Additional remark 1 thru | or 9 characterized by the above-mentioned. The manufacturing method of the capacitive element as described in 2.
(Additional remark 11) It has the semiconductor substrate under the said insulating film, the opening part which penetrates the said insulating film, and the embedded electrically conductive film embedded in this opening part, The said 1st electrically conductive film is the said embedded electrically conductive film 11. The method for manufacturing a capacitive element according to any one of appendices 1 to 10, wherein the capacitive element is connected to the semiconductor substrate via a substrate.
(Additional remark 12) The material of the said embedded conductive film is tungsten, The manufacturing method of the capacitive element of Additional remark 11 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 13) The method for manufacturing a capacitive element according to supplementary note 11 or 12, wherein an impurity diffusion region is formed in a surface layer of the semiconductor substrate, and the buried conductive film is in contact with the impurity diffusion region.
(Supplementary note 14) The method for manufacturing a capacitive element according to supplementary note 13, wherein the impurity diffusion region is a source / drain region of an insulated gate field effect transistor.
[0187]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first conductive film containing iridium, the interface conductive film made of platinum group metal other than iridium, for example, platinum, formed on the first conductive film, and the interface A second conductive film made of a platinum group metal oxide excluding iridium formed on the conductive film, and a third conductive film made of a platinum group metal excluding iridium formed on the second conductive film. Since the capacitor element is constituted by the lower electrode having the capacitor dielectric film formed on the lower electrode and the upper electrode formed on the capacitor dielectric film, the capacitor dielectric film is formed by the first conductive film. The diffusion of oxygen to the lower plug in the process can be prevented, and the diffusion of iridium from the first conductive film to the capacitor dielectric film can be prevented by the second conductive film. .
[0188]
Therefore, even when the capacitor dielectric film is formed by sputtering, sufficient crystallization of the capacitor dielectric film can be achieved while preventing the diffusion of iridium. As a result, a high-performance capacitive element having desired electrical characteristics can be manufactured.
[0189]
Furthermore, since the interface conductive film made of a platinum group metal other than iridium, for example, platinum, is formed between the first conductive film and the second conductive film, the third conductive film and the ferroelectric film thereon are formed in view of the structure. The (111) orientation strength of the body film can be increased.
[0190]
When the interface conductive film made of a platinum group metal other than iridium and the second conductive film made of a metal oxide of a platinum group metal other than iridium are formed in the same chamber, the interface conductive film is formed. Oxygen is removed from the chamber before starting. Alternatively, these films are formed in different chambers. Thereby, since the interface conductive film without oxygen mixing can be formed from the viewpoint of manufacturing, the (111) orientation strength of the lower electrode and the capacitor ferroelectric film thereon can be increased.
[0191]
As described above, according to the present invention, the (111) orientation strength of the lower electrode and the capacitor ferroelectric film thereon can be increased in terms of the structure and manufacturing of the capacitive element. A ferroelectric capacitor having the same can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a capacitive element according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing apparatus used in a method for manufacturing a capacitive element according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a process cross-sectional view (No. 1) illustrating the method for manufacturing the capacitive element according to the first embodiment of the invention.
FIG. 5 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the capacitive element according to the first embodiment of the invention;
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the structure of a capacitive element according to a modification of the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the (111) orientation integrated intensity of the second platinum film of the lower electrode in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph showing (111) orientation integrated intensity of a capacitor dielectric film in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention;
FIG. 9 is a graph showing the polarization inversion charge amount (Qsw) in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing fatigue loss in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing the applied voltage dependence of the polarization inversion charge amount (Qsw) in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing the polarization inversion charge amount (Qsw) in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a graph showing the polarization inversion charge amount (Qsw) in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing the polarization saturation pressure reduction (V90) in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a graph showing fatigue loss in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a graph showing imprint characteristics of the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
17A and 17B are graphs showing a leakage current density distribution in the capacitive element according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a process cross-sectional view (part 1) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 20 is a process cross-sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
FIG. 21 is a process cross-sectional view (No. 3) illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the invention;
FIG. 22 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a semiconductor device according to a modification of the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10,40 ... Silicon substrate (semiconductor substrate) 12, 62, 88 ... Interlayer insulation film 14, 64, 90, 94 ... Contact hole (opening), 16, 66, 92 ... Plug (buried conductive film), 18 ... Iridium film (first conductive film, oxygen diffusion barrier layer), 20 ... Iridium oxide film (first conductive film, oxygen diffusion barrier layer), 21 ... First platinum film (interface conductive film, Pt-interface layer), 22 ... Platinum oxide film (second conductive film, Ir diffusion barrier layer) 24 ... Second platinum film (third conductive film, orientation control layer), 30a, 30b ... Lower electrode, 32 ... PZT film (dielectric film) ), 32a ... capacitor dielectric film, 34 ... upper electrode conductive layer (fourth conductive film), 34a ... upper electrode, 42 ... element isolation film, 44 ... P well, 46 ... gate insulating film, 48, 48a, 48b ... gate power , 50, 58 ... silicon nitride film, 52a, 52b ... impurity diffusion region, 54 ... sidewall insulating film, 56 ... source / drain diffusion layer, 60 ... silicon oxide film, 86 ... ferroelectric capacitor protective film, 96, 98 ... wiring layer, 101, 111, 121 ... transfer chamber, 102a, 112a ... first load lock chamber, 102b, 112b ... second load lock chamber, 122a ... third load lock chamber, 122b ... fourth load Lock chamber, 103 ... Ir chamber, 113 ... First Ir chamber, 114 ... Second Ir chamber, 104 ... Pt chamber, 115 ... First Pt chamber, 123 ... Second Pt chamber 124 ... Third Pt chamber.

Claims (4)

絶縁膜の上にIr単層構造又はIrとIrO x の2層構造のいずれかよりなる第1金属を含む第1導電膜をスパッタリングにより形成する工程と、
チャンバ内で、ダミー基板上に前記第1金属と異なるPtである第2金属よりなる膜を成膜し、該チャンバ内から残留酸素を除去する工程と、
前記残留酸素を除去した後に、前記チャンバ内で、後に形成する第3導電膜の配向強度を高める(111)配向を有する前記第2金属よりなるインターフェース導電膜を前記第1導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、
前記チャンバ内において、酸素を含む雰囲気中で、前記第1金属の拡散バリア層である、前記第2金属の金属酸化物よりなる第2導電膜を前記インターフェース導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、
配向制御層である、前記第1金属と異なるPtである第3金属よりなる前記第3導電膜を前記第2導電膜上にスパッタリングにより形成する工程と、
加熱処理を行い、前記第3導電膜を結晶化する工程と、
前記第3導電膜上に強誘電体材料よりなる誘電体膜を形成する工程と、
加熱処理を行い、前記誘電体膜を結晶化する工程と、
前記誘電体膜の上に第4導電膜を形成する工程と、
前記第1導電膜、前記インターフェース導電膜、前記第2導電膜及び前記第3導電膜をパターニングして容量素子下部電極とする工程と、
前記誘電体膜をパターニングして容量素子誘電体膜とする工程と、
前記第4導電膜をパターニングして容量素子上部電極とする工程とを有することを特徴とする容量素子の製造方法。
Forming a first conductive film containing a first metal having either an Ir single-layer structure or a two-layer structure of Ir and IrO x on an insulating film by sputtering ;
Forming a film made of a second metal that is Pt different from the first metal in a chamber, and removing residual oxygen from the chamber;
After removing the residual oxygen, an interface conductive film made of the second metal having a (111) orientation that increases the orientation strength of a third conductive film to be formed later is sputtered on the first conductive film in the chamber. Forming, and
Forming a second conductive film made of a metal oxide of the second metal, which is a diffusion barrier layer of the first metal, on the interface conductive film by sputtering in an atmosphere containing oxygen in the chamber; ,
Forming the third conductive film, which is an orientation control layer, made of a third metal having a Pt different from the first metal by sputtering on the second conductive film;
Performing a heat treatment to crystallize the third conductive film;
Forming a dielectric film made of a ferroelectric material on the third conductive film;
Performing a heat treatment to crystallize the dielectric film;
Forming a fourth conductive film on the dielectric film;
Patterning the first conductive film, the interface conductive film, the second conductive film, and the third conductive film to form a capacitive element lower electrode;
Patterning the dielectric film to form a capacitive element dielectric film;
And a step of patterning the fourth conductive film to form a capacitive element upper electrode.
前記第3導電膜を第2導電膜上に形成する工程は、前記チャンバ内で行い、かつ前記第3導電膜を形成する前に、ダミー基板上に前記第3導電膜を成膜し、該チャンバ内から残留酸素を除去する工程を含むことを特徴とする請求項1記載の容量素子の製造方法。 Wherein the step of the third conductive film is formed on the second conductive layer is carried out in the chamber, and wherein prior to forming the third conductive film, forming a third conductive film on the dummy substrate, the 2. The method of manufacturing a capacitive element according to claim 1, further comprising a step of removing residual oxygen from the chamber. 前記第1導電膜を形成する工程は、前記第1金属よりなる膜或いは前記第1金属の酸化膜のいずれかを形成する工程、又は、前記第1金属よりなる膜と、前記第1金属の酸化膜を順に形成する工程を含んでいることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の容量素子の製造方法。  The step of forming the first conductive film includes a step of forming either a film made of the first metal or an oxide film of the first metal, a film made of the first metal, and the first metal. The method for manufacturing a capacitive element according to claim 1, further comprising a step of sequentially forming oxide films. 前記絶縁膜の下の半導体基板と、前記絶縁膜を貫通する開口部と、該開口部に埋め込まれた埋め込み導電膜とを有し、
前記第1導電膜は、前記埋め込み導電膜への酸素の拡散を抑制する拡散バリア層であり、前記埋め込み導電膜を介して前記半導体基板と接続することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の容量素子の製造方法。
A semiconductor substrate under the insulating film, an opening penetrating the insulating film, and a buried conductive film embedded in the opening;
The first conductive film is a diffusion barrier layer that suppresses diffusion of oxygen into the embedded conductive film, and is connected to the semiconductor substrate through the embedded conductive film. 2. A method for producing a capacitive element according to claim 1.
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