JP2004080020A - Method for forming a ferroelectric semiconductor device - Google Patents
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Abstract
【課題】 サーマルバジェットが小さく、耐久性のある電極を有する強誘電体メモリを得る。
【解決手段】 低応力で滑らかなイリジウムを半導体構造物上に形成するステップ52と、該低応力で滑らかなイリジウム上に、低応力で滑らかであり、純相構造を有するイリジウム酸化物を形成するステップ54と、該イリジウム酸化物上に強誘電性材料を形成するステップ56とを含んでなる、強誘電性半導体デバイス10を形成するための方法。を提供する。
【選択図】 図6
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ferroelectric memory having a small thermal budget and durable electrodes.
A low stress, smooth iridium is formed on a semiconductor structure, and a low stress, smooth, pure phase iridium oxide is formed on the low stress, smooth iridium. A method for forming a ferroelectric semiconductor device 10, comprising a step 54 and a step 56 of forming a ferroelectric material on the iridium oxide. I will provide a.
[Selection] Fig. 6
Description
本発明は、強誘電性半導体デバイスに関し、より詳細には、強誘電性材料と共に使用される電極に関する。 The present invention relates to ferroelectric semiconductor devices, and more particularly, to electrodes used with ferroelectric materials.
電子産業の発展過程では、いくつかの傾向に沿って新技術の開発が行われてきている。第1に、携帯電話や個人用音響システムやデジタルカメラ等のより小型で頻繁な電池交換が不要な製品が望まれ、第2に、これらの製品には、小型で携帯可能であることに加え、より大きな演算パワーとより大きな記憶容量とが求められる。第3に、これらの装置には、電池が消耗した後にも情報や画像を失うことなく保持することが期待される。 In the course of the development of the electronics industry, new technologies are being developed according to several trends. First, products that are smaller and do not require frequent battery replacement, such as mobile phones, personal audio systems, and digital cameras, are desired. Second, these products are smaller and more portable. , Larger computing power and larger storage capacity are required. Third, these devices are expected to retain information and images without loss of battery even after battery exhaustion.
このような製品には、EEPROM(electrically erasable programmable read only memory)やフラッシュEEPROM等の不揮発性メモリが使用されているが、それは、これらのメモリが電力の供給なしにデータを保持できるからである。これらのメモリはメモリセルアレイを含んでおり、それぞれのメモリセルはメモリセルコンデンサとメモリセルアクセストランジスタとを含んでいる。 Such products use non-volatile memories such as electrically erasable programmable read only memories (EEPROMs) and flash EEPROMs because these memories can hold data without power supply. These memories include a memory cell array, and each memory cell includes a memory cell capacitor and a memory cell access transistor.
このような製品には、FRAM(ferroelectric random access memory)やEEPROMやフラッシュEEPROM等の不揮発性メモリが使用されているが、それは、これらのメモリが電力の供給なしにデータを保持できるためである。これらのメモリはメモリセルアレイを含んでおり、それぞれのメモリセルはメモリセルコンデンサとメモリセルアクセストランジスタとを含んでいる。 製品 Non-volatile memories such as FRAM (ferroelectric random access memory), EEPROM and flash EEPROM are used in such products because these memories can hold data without supplying power. These memories include a memory cell array, and each memory cell includes a memory cell capacitor and a memory cell access transistor.
基本的に、メモリセルはコンデンサを使用して電荷を保持している。この電荷を保持する能力は「静電容量(capacitance)」と呼ばれ、所与のコンデンサの静電容量は、コンデンサ誘電体の誘電率と、コンデンサ電極の有効面積と、コンデンサ誘電体層の厚さとの関数である。原則的には、誘電体層の厚さを薄くし、コンデンサ電極の有効面積を大きくし、コンデンサ誘電体の誘電率を大きくすれば、静電容量を大きくすることができ、製品の小型化という観点では、薄くて大容量であることが望ましい。 Basically, memory cells use capacitors to hold charge. The ability to retain this charge is called "capacitance," and the capacitance of a given capacitor is determined by the dielectric constant of the capacitor dielectric, the effective area of the capacitor electrode, and the thickness of the capacitor dielectric layer. Is a function of In principle, if the thickness of the dielectric layer is reduced, the effective area of the capacitor electrode is increased, and the dielectric constant of the capacitor dielectric is increased, the capacitance can be increased. From a viewpoint, it is desirable to be thin and have a large capacity.
しかしながら、コンデンサの誘電体層の厚さを100Å未満にまで薄くすると、通常、ファウラー・ノルドハイムのホットエレクトロン注入(Fowler-Nordheim hot electron injection)によって薄い誘電体層を貫通する孔が生成されるために、コンデンサの信頼性が低下する。 However, reducing the thickness of the dielectric layer of the capacitor to less than 100 ° typically results in holes through the thin dielectric layer due to Fowler-Nordheim hot electron injection. As a result, the reliability of the capacitor decreases.
コンデンサ電極の有効面積を大きくすると、通常、コンデンサの構造が複雑化してコストが上昇する。例えば、スタック型やトレンチ型等の三次元のコンデンサ構造が4MBのDRAMには採用されているが、16MBや64MBのDRAMにこれらの構造を適用するのは困難である。つまり、スタック型コンデンサの場合には、メモリセルトランジスタ上のスタック型コンデンサの高さのために段差が相対的に急峻になり、トレンチ型コンデンサの場合には、64MBのDRAMに必要なサイズまで縮小すると、トレンチ間に漏れ電流が発生する。 (4) Increasing the effective area of the capacitor electrode usually complicates the structure of the capacitor and increases the cost. For example, a three-dimensional capacitor structure such as a stack type or a trench type is employed in a 4 MB DRAM, but it is difficult to apply these structures to a 16 MB or 64 MB DRAM. In other words, in the case of a stacked capacitor, the step becomes relatively steep due to the height of the stacked capacitor on the memory cell transistor, and in the case of a trench capacitor, the size is reduced to the size required for a 64 MB DRAM. Then, a leakage current occurs between the trenches.
コンデンサ誘電体の誘電率を大きくするには、誘電率が相対的に大きな材料を使用する必要がある。現在は、誘電率が10程度の二酸化シリコン(SiO2)が使用されているが、イットリア(Y2O3)や五酸化タンタル(Ta2O5)や二酸化チタニウム(TiO2)等の誘電率が大きな材料も試されてきている。 In order to increase the dielectric constant of the capacitor dielectric, it is necessary to use a material having a relatively large dielectric constant. At present, silicon dioxide (SiO 2 ) having a dielectric constant of about 10 is used, but the dielectric constant of yttria (Y 2 O 3 ), tantalum pentoxide (Ta 2 O 5 ), titanium dioxide (TiO 2 ), etc. Larger materials have also been tried.
最近では、数百〜数千という更に大きな誘電率を有するペロブスカイト酸化物が研究されてきている。ペロブスカイト酸化物の例にはPZT(PbZrXTi(1-X)O3)やBST(BaXSr(1-X)TiO3)やSTO(SrTiO3)等があり、これらを使用して強誘電性ランダムアクセスメモリ(FeRAM)と呼ばれる新しいメモリ系統群(family of memory)が提供されている。強誘電性材料は、優れた電荷保持力と向上された不揮発性とをもたらす自発分極現象を示す。強誘電性材料をコンデンサの誘電体層として使用すると、数百オングスロトームの厚さで10Åの酸化物層と等価な誘電体を提供することができる。 Recently, perovskite oxides having even higher dielectric constants of hundreds to thousands have been studied. Examples of the perovskite oxide has such PZT (PbZr X Ti (1- X) O 3) or BST (Ba X Sr (1- X) TiO 3) and STO (SrTiO 3), strongly use these A new family of memory called dielectric random access memory (FeRAM) has been provided. Ferroelectric materials exhibit a spontaneous polarization phenomenon that results in excellent charge retention and improved non-volatility. The use of a ferroelectric material as the dielectric layer of the capacitor can provide a dielectric equivalent to a 10 ° oxide layer with a thickness of several hundred Angstroms.
強誘電体メモリは、不揮発性であるだけでなく、フラッシュ、スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)、又はDRAM等の既存のメモリと比べて、論理回路と組み合わせるのが格段に容易であるという利点を有している。従って、この技術は、フラッシュの不揮発性と、DRAMのセルサイズ及びスケーリングの容易性とを組み合わせたものである。 Ferroelectric memories are not only nonvolatile, but also have the advantage that they are much easier to combine with logic circuits than existing memories such as flash, static random access memory (SRAM), or DRAM. are doing. Thus, this technique combines the non-volatility of flash with the ease of cell size and scaling of DRAM.
現時点では、多数の異なる強誘電性材料が存在しており、膨大な数の様々な強誘電性材料の組み合わせが研究されているが、それらの多くは行き詰まっている。 At this time, there are many different ferroelectric materials, and a huge number of different combinations of ferroelectric materials are being studied, many of which are at a standstill.
強誘電体メモリの2つの主要なライバル(contender)は、SBT(SrBi2Ta2O9)及びPZT(PbZrXTi(1-X)O3)である。 Ferroelectric two main rival memory (contender) is SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ) and PZT (PbZr X Ti (1- X) O 3).
SBTを使用する際の利点は、高度な耐食性を有するプラチナ等の貴金属電極を使用できることである。しかしながら、その一方で、650℃を上回る高温の堆積プロセスが必要であるという欠点を有している。強誘電体メモリと関連する標準的な論理回路には、製造の際に印加できる全体的な許容温度の最大限度(つまり、サーマルバジェット(thermal budget))が存在しており、高温の堆積プロセスによってこのサーマルバジェットが消費されるために、標準的なシリコンの半導体プロセスにSBTプロセスを統合することは困難である。 An advantage of using SBT is that a noble metal electrode such as platinum having high corrosion resistance can be used. However, on the other hand, it has the disadvantage that a high temperature deposition process above 650 ° C. is required. Standard logic circuits associated with ferroelectric memories have a maximum overall allowable temperature limit (ie, thermal budget) that can be applied during manufacturing, and the high temperature deposition process Due to the consumption of this thermal budget, it is difficult to integrate the SBT process into a standard silicon semiconductor process.
PZTを使用する利点は、400℃〜450℃の低温で堆積を実行できることである。しかしながら、インプリント(imprint)や疲労等の信頼性の問題からプラチナ電極を使用できないという欠点を有している。 An advantage of using PZT is that the deposition can be performed at low temperatures of 400-450 ° C. However, there is a disadvantage that a platinum electrode cannot be used due to reliability problems such as imprint and fatigue.
従って、サーマルバジェットが小さく、耐久性のある電極を有する強誘電体メモリを得ることが従来の主要な課題である。 Therefore, obtaining a ferroelectric memory having a small thermal budget and durable electrodes is a major problem in the prior art.
更なる主要な課題として、現在のCMOS半導体技術に使用される電圧と互換性を持たせるためには強誘電性材料も非常に薄くなければならず、強誘電性材料は、非常に高品質であり、非常に滑らかな表面を有し、ピンホール欠陥が存在しないことが極めて重要である。これらの特性を実現すためには、前述の耐久性のある電極は、後工程の強誘電性材料の堆積のために極めて滑らかな表面を有する必要がある。 As a further major challenge, ferroelectric materials must also be very thin in order to be compatible with the voltages used in current CMOS semiconductor technology, and ferroelectric materials must be of very high quality. It is extremely important that there is a very smooth surface and no pinhole defects. In order to achieve these properties, the durable electrode described above must have a very smooth surface for subsequent deposition of ferroelectric material.
これらの問題に対する解決策は長年にわたって求められてきているが、当業者がこれを回避するには至っていない。 Although solutions to these problems have been sought for many years, those skilled in the art have not been able to avoid them.
本発明は、強誘電性半導体デバイスを形成するための方法を提供するものである。半導体構造物(半導体基板)上に、低応力で滑らかなイリジウムを形成する。低応力で滑らかであり、純相構造(pure phase structure)を有するイリジウム酸化物をイリジウム上に堆積して、イリジウム酸化物上に強誘電性材料を形成する。イリジウムとイリジウム酸化物とを用いて半導体デバイスを形成するこの方法によれば、耐久性のある電極を有すると共に、非常に高品質で材料の厚さが均一であり、サーマルバジェットの小さい強誘電体メモリが提供される。 The present invention provides a method for forming a ferroelectric semiconductor device. Smooth low-stress iridium is formed on a semiconductor structure (semiconductor substrate). An iridium oxide having a low stress, smooth, and pure phase structure is deposited on the iridium to form a ferroelectric material on the iridium oxide. According to this method of forming a semiconductor device using iridium and iridium oxide, a ferroelectric material having a durable electrode, very high quality, uniform material thickness, and a small thermal budget is used. Memory is provided.
本発明の実施例には、前述のものに加えて、または、それらの代わりに、その他の利点を有するものも存在する。それらの利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって当業者に明らかになるであろう。 実 施 Some embodiments of the present invention have other advantages in addition to or in place of those mentioned above. These advantages will become apparent to those skilled in the art by reference to the following detailed description when taken in conjunction with the accompanying drawings.
次に図1を参照すると、本発明による三次元強誘電体メモリ集積回路10の断面図が示されている。本発明は、二次元強誘電体メモリ集積回路(図示せず)にも同様に適用可能であることが理解されるであろう。
Referring now to FIG. 1, there is shown a cross-sectional view of a three-dimensional ferroelectric memory integrated
半導体基板12は、浅いトレンチ絶縁酸化物層14と、ゲート及びゲート誘電体16及び18と、ソース/ドレイン領域20〜22とを有している。ビットライン24が1つのソース/ドレイン領域21と接触した状態で中間誘電体(interlayer dielectric:以下、「ILD」とよぶ)層26内に形成されており、埋め込み接点28及び30がILD層26を貫通して形成され、それぞれソース/ドレイン領域20及び22と接触状態にある。
The
下部電極32及び34がそれぞれ埋め込み接点28及び30と接触した状態で形成されている。これら下部電極32及び34を堆積する前に、埋め込み接点28及び30と強誘電性コンデンサ間における相互作用を防止するように、拡散障壁(通常は窒化アルミニウムチタニウム(TiAlN))(図示せず)を堆積する。埋め込み接点28及び30の上方に強誘電体層36を堆積する。そして、この強誘電体層36上に上部電極38を堆積する。下部電極32及び上部電極38については、更に詳細に後述する。
基本的に、ゲート及びゲート誘電体16及び18とソース/ドレイン領域20〜22とが強誘電体メモリ集積回路10の半導体トランジスタを形成しており、下部電極32及び34と強誘電体層36と上部電極38とがメモリコンデンサ40及び42を形成している。
Basically, the gate and
下部電極32及び34と上部電極38は、貴金属又はイリジウム(Ir)の化合物から形成されている。一方、誘電体層36は、化学式がSrBi2Ta2O9のタンタル酸ビスマスストロンチウム(SBT)や化学式がPbZrXTi(1-X)O3のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の材料から形成することができる。
The
次に図2を参照すると、本発明による製造の中間段階におけるメモリコンデンサ40の拡大断面図が示されており、所定の位置に堆積されている下部電極32が示されている。
Referring now to FIG. 2, there is shown an enlarged cross-sectional view of the
従来より、下部電極32及び上部電極38はプラチナで製造されている。しかしながら、実験によって、プラチナの場合には、その粒界を通じて下方の(図1に示される)半導体トランジスタに酸素が拡散し、半導体トランジスタの望ましくない領域で酸化が発生することがわかっている。
下部 Conventionally, the
イリジウムが下部電極32として使用されると共に拡散障壁として使用できるまでに、イリジウムがこの酸素の拡散を減速させることもわかっている。
By the time iridium is used as the
イリジウムは、例えば、スパッタリング等の物理堆積法(physical vapor deposition:以下、「PVD」とよぶ)43によって堆積することができる。しかしながら、実用的なデバイスを形成するために強誘電性材料にイリジウムを組み込む(integrate)場合には、応力が重要な役割を演じることになり、スパッタリングによって応力の大きい薄膜が堆積されることになる。 Iridium can be deposited by, for example, physical vapor deposition (hereinafter referred to as “PVD”) 43 such as sputtering. However, when iridium is integrated into a ferroelectric material to form a practical device, stress will play a significant role and sputtering will result in the deposition of high stress thin films. .
半導体プロセスに組み込めるよう十分に小さなサーマルバジェットを維持しつつ、応力を最小化できることがわかっている。ここで、この場合のスパッタリング用のヒーター温度は、200℃〜550℃の範囲であり、550℃が好ましい。 応 力 It has been found that stress can be minimized while maintaining a sufficiently small thermal budget so that it can be incorporated into semiconductor processes. Here, the heater temperature for sputtering in this case is in the range of 200 ° C. to 550 ° C., preferably 550 ° C.
550℃のヒーター温度でイリジウムをスパッタリング堆積すると、引張応力が200MPa〜1000MPaの金属イリジウム薄膜が堆積されるが、この薄膜は、約700MPaの最適な引張応力と原子間力顕微鏡(AFM)により計測した場合に約1nmのrms粗度とを有する低応力の堆積物として定義されるものであり、この数値は滑らかな表面を定義する3nmのrms粗度を下回っている。イリジウムは、約14μΩcmの抵抗率を備えるように堆積される。 Sputter deposition of iridium at a heater temperature of 550 ° C. deposits a metal iridium thin film with a tensile stress of 200 MPa to 1000 MPa, which was measured with an optimal tensile stress of about 700 MPa and an atomic force microscope (AFM). In some cases, it is defined as a low stress deposit having an rms roughness of about 1 nm, which is below the rms roughness of 3 nm which defines a smooth surface. Iridium is deposited with a resistivity of about 14 μΩcm.
更に、(ヒーターとウエハとの間の距離である)プロセスの位置を55mm〜80mmの範囲内(具体的には、約65mm)に最適化すると、ウエハ上のイリジウムの厚さの均一性が94%から98.5%に改善されることがわかっている。50nmのイリジウム薄膜に対するウエハ内不均一性(within wafer nonuniformity)である典型的なシート抵抗は約1.5%であり、ウエハ間不均一性(wafer-to-wafer non-uniformity)は1%未満である。イリジウムの堆積速度は、670Å/分〜770Å/分の範囲であり、具体的には、700Wの直流電力を使用して約720Å/分であるが、この堆積速度は電力を大きくするとリニアに上昇する。 Furthermore, optimizing the position of the process (which is the distance between the heater and the wafer) to be in the range of 55 mm to 80 mm (specifically, about 65 mm) results in a uniformity of iridium thickness on the wafer of 94 mm. % To 98.5%. Typical sheet resistance, within wafer nonuniformity, for 50 nm iridium thin films is about 1.5%, and wafer-to-wafer non-uniformity is less than 1%. It is. The deposition rate of iridium ranges from 670 ° / min to 770 ° / min, specifically about 720 ° / min using 700 W DC power, but this deposition rate increases linearly with increasing power. I do.
次に図3を参照すると、本発明による製造の更なる中間段階におけるメモリコンデンサ40の拡大断面図が示されている。
Referring now to FIG. 3, there is shown an enlarged cross-sectional view of the
従来より、強誘電性材料と共にプラチナを使用すると、耐久性や信頼性の問題が発生している。イリジウムのみを使用した場合にも同様の問題が発生するが、イリジウムの電極32上にイリジウム酸化物の被覆33を堆積すると、信頼性を百万から10E12メモリサイクルに(場合によっては10E14メモリサイクルまで)改善できることがわかっている。
プ ラ Conventionally, the use of platinum with ferroelectric materials has led to durability and reliability issues. A similar problem occurs when only iridium is used. However, if an
イリジウム酸化物(IrO2)は、スパッタリング45によって所定の位置で成長させることができ、その表面の形態と純相性と組織とをスパッタリングの際の酸素(O2)の含有量によって制御できることがわかっている。ここで、本明細書で使用する「表面の形態(surface morphology)」という用語は滑らかさを含む表面特性に関連するものであり、「純相(pure phase)」はX線の回折によって1つの結晶構造のピークのみが示される材料を指しており、「組織(texture)」は粒子の方向に関連している。 It can be seen that iridium oxide (IrO 2 ) can be grown at a predetermined position by sputtering 45, and the morphology, pure compatibility and structure of the surface can be controlled by the oxygen (O 2 ) content at the time of sputtering. ing. As used herein, the term "surface morphology" relates to surface properties, including smoothness, and "pure phase" refers to one phase due to X-ray diffraction. "Texture" refers to the orientation of the particles, referring to the material where only the crystal structure peak is shown.
広範な実験を通じ、イリジウム酸化物を堆積するための種々の重要なパラメータを幅広く判定している。 Through extensive experiments, various important parameters for depositing iridium oxide have been widely determined.
例えば、60%以上の酸素を含む雰囲気中で550℃及び350Wで成長させたイリジウム酸化物の表面は粗くなることがわかっている。滑らかな表面を得るには、酸素の含有量を約50%未満に維持する必要がある。 For example, it has been found that the surface of iridium oxide grown at 550 ° C. and 350 W in an atmosphere containing 60% or more oxygen becomes rough. To obtain a smooth surface, the oxygen content must be kept below about 50%.
350Wで35%の酸素によって成長させたIrO2薄膜は、rms粗度が約1nmと滑らかであり、350Wで70%の酸素によって成長させた薄膜は約23nmのrms粗度を有することもわかっている。後者の場合には、いくつかの粒子中にファセット(facet:または、小平面)が存在している。これは、過度な酸素中で成長させたすべての薄膜において観測され、(200)の結晶構造から多結晶構造への微細構造の変化に関連するものである。純相のIrO2は円柱状の微細構造を有している。 It was also found that the IrO 2 thin film grown at 350 W with 35% oxygen had a smooth rms roughness of about 1 nm, and the thin film grown at 350 W with 70% oxygen had an rms roughness of about 23 nm. I have. In the latter case, facets (or facets) are present in some of the particles. This is observed in all thin films grown in excess oxygen and is related to a microstructural change from the (200) crystalline structure to a polycrystalline structure. Pure-phase IrO 2 has a columnar microstructure.
更に、IrO2の純相薄膜は、350Wを使用し、400℃で30%を上回る酸素(残りはアルゴン(Ar))を含む雰囲気中と、550℃で35%を上回る酸素を含む雰囲気中とにおいてのみ得られることもわかっている。700Wでは、純相のIrO2薄膜を得るには、50%以上の酸素が必要である。 Further, the pure phase thin film of IrO 2 uses 350 W, in an atmosphere containing more than 30% oxygen at 400 ° C. (the rest is argon (Ar)), and in an atmosphere containing more than 35% oxygen at 550 ° C. It is also known that it can be obtained only in. At 700 W, 50% or more oxygen is required to obtain a pure phase IrO 2 thin film.
更に、マグネトロン反応スパッタリングを使用し、20%を上回る酸素を含む酸素雰囲気中において、350W〜700Wの直流電力を用いて400℃〜450℃の温度でイリジウム酸化物を成長させることにより、高度に組織化された(200)の純相のIrO2薄膜を最適化できることもわかっている。 Further, by using magnetron reactive sputtering, iridium oxide is grown at a temperature of 400 ° C. to 450 ° C. using a DC power of 350 W to 700 W in an oxygen atmosphere containing more than 20% of oxygen, thereby achieving a high texture. It has also been found that the (200) pure phase IrO 2 thin film can be optimized.
以上の結果から、引張応力が500MPa〜1500MPaであり、rms粗度が3nm未満であり、低応力で滑らかなIrO2薄膜の形成が可能となる。 From the above results, the tensile stress is 500 MPa to 1500 MPa, the rms roughness is less than 3 nm, and a low stress and smooth IrO 2 thin film can be formed.
次に図4を参照すると、本発明による製造の別の更なる中間段階におけるメモリコンデンサ40の拡大断面図が示されている。
Referring now to FIG. 4, there is shown an enlarged cross-sectional view of the
最適化されたIrO2上に、この酸化物を減少させることなく、600℃〜610℃の比較的に高いウエハ温度で有機金属化学気相堆積法(metal organic chemical vapor deposition:以下、「MOCVD」とよぶ)によって強誘電体層36を堆積できることがわかっている。このプロセスによれば、非常に高品質であり、厚さが非常に薄く均一であり、ピンホールが存在しない層が生成される。
Metal oxide chemical vapor deposition (MOCVD) on optimized IrO 2 at relatively high wafer temperatures of 600-610 ° C. without reducing this oxide It is known that the
図5を参照すると、本発明によるメモリコンデンサの拡大断面図が示されている。 Referring to FIG. 5, there is shown an enlarged sectional view of a memory capacitor according to the present invention.
表側のIrO2の被覆37が堆積されている。この表側の被覆37は、低電力(つまり350W)で成長させることができることがわかっている。30%〜40%の酸素を含む雰囲気中で堆積して、rms粗度が約3nmのIrO2が得られる。IrO2は、Ir表面上に堆積する場合には、少なくとも35%の酸素が必要であるが、PZT表面上には30%の酸素で堆積できることに留意されたい。データは、IrO2の組織とその粗度との間の相関を示している。例えば、50%の酸素中において700Wで成長させたIrO2は、(200)に方向付けられて相当に滑らかなものである。薄膜が多結晶になるにつれて表面の粗さは増加している。
A frontside IrO 2 coating 37 has been deposited. It has been found that this
イリジウムの上部電極38は、下部電極32と同様の方法で堆積する。
The iridium
デバイスが縮小された超小型電子デバイスの場合には、応力が益々重要な役割を演じることから、前述の方法で成長させたイリジウムとイリジウム酸化物との応力を減少させるための実験を行っている。550℃で700Wの電力を使用して成長させた薄膜の応力は、窒素(N2)中において450℃〜600℃で約2分間アニールすると、約33%低減できることがわかっている。 Since stress plays an increasingly important role in the case of miniaturized microelectronic devices, experiments are being conducted to reduce the stress of iridium and iridium oxide grown by the methods described above. . It has been found that the stress of a thin film grown at 550 ° C. using 700 W power can be reduced by about 33% by annealing at 450 ° C. to 600 ° C. for about 2 minutes in nitrogen (N 2 ).
図6を参照すると、本発明による方法50を簡単なフローチャートで示している。この方法50は、低応力で滑らかなイリジウムを半導体構造物上に形成するステップ52と、低応力で滑らかであり、純相構造を有するイリジウム酸化物を、低応力で滑らかなイリジウム上に形成するステップ54と、イリジウム酸化物上に強誘電性材料を形成するステップ56とを含んでいる。
Referring to FIG. 6, a
以上、特定の最良の態様に関連して本発明を説明したが、上述の説明された内容から多数の代替や変更や変形が明らかであることが当業者には理解されるであろう。従って、添付の請求項の精神及び範囲に属するそのようなすべての代替と変更と変形も本発明の範囲に含まれる。また、本明細書で述べられた、または添付の図面に示されたすべての事項は、例示を目的とするものであり、本発明を制限するものではないと解釈されたい。 While the present invention has been described with reference to certain preferred embodiments, those skilled in the art will recognize that numerous alternatives, modifications and variations will be apparent from the foregoing description. Accordingly, all such alternatives, modifications and variations that fall within the spirit and scope of the appended claims are also included within the scope of the present invention. Also, all matter set forth herein or shown in the accompanying drawings should be construed as illustrative and not limiting.
10 強誘電性半導体デバイス
12 半導体構造物
32、34、38 イリジウム
33、37 イリジウム酸化物
36 強誘電性材料
DESCRIPTION OF
Claims (10)
該低応力で滑らかなイリジウム上に、低応力で滑らかであり、純相構造を有するイリジウム酸化物を形成するステップと、
該イリジウム酸化物上に強誘電性材料を形成するステップと
を含んでなる、強誘電性半導体デバイスを形成するための方法。 Forming low stress, smooth iridium on the semiconductor structure;
Forming a low stress, smooth, iridium oxide having a pure phase structure on the low stress, smooth iridium;
Forming a ferroelectric material on the iridium oxide.
前記イリジウムまたは前記イリジウムと前記イリジウム酸化物との組み合わせを、前記イリジウム酸化物の堆積の前にアニールするステップと
を更に含む請求項1に記載の方法。 Annealing the iridium and the iridium oxide at 450 ° C. to 600 ° C .;
Annealing the iridium or a combination of the iridium and the iridium oxide prior to the deposition of the iridium oxide.
該半導体構造物上に位置する、低応力で滑らかなイリジウムと、
該低応力で滑らかなイリジウム上に位置する、低応力で滑らかであり、純相構造を有するイリジウム酸化物と、
該イリジウム酸化物上に位置する強誘電性材料と
を含んでなる強誘電性半導体デバイス。 A semiconductor structure;
Low-stress, smooth iridium located on the semiconductor structure;
An iridium oxide having a low-stress, smooth, pure-phase structure, which is located on the low-stress, smooth iridium;
A ferroelectric material located on the iridium oxide.
The device of claim 7, wherein the ferroelectric material is a ferroelectric material selected from the group consisting of bismuth strontium tantalate, lead zirconate titanate, and combinations thereof.
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JP2009123974A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Sony Corp | Piezoelectric element, angular velocity sensor, and method of manufacturing piezoelectric element |
JP2009123973A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Sony Corp | Piezoelectric element, angular velocity sensor, and method of manufacturing piezoelectric element |
US7915794B2 (en) | 2007-11-15 | 2011-03-29 | Sony Corporation | Piezoelectric device having a tension stress, and angular velocity sensor |
-
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2006073648A (en) * | 2004-08-31 | 2006-03-16 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2009123974A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Sony Corp | Piezoelectric element, angular velocity sensor, and method of manufacturing piezoelectric element |
JP2009123973A (en) * | 2007-11-15 | 2009-06-04 | Sony Corp | Piezoelectric element, angular velocity sensor, and method of manufacturing piezoelectric element |
US7915794B2 (en) | 2007-11-15 | 2011-03-29 | Sony Corporation | Piezoelectric device having a tension stress, and angular velocity sensor |
JP4715836B2 (en) * | 2007-11-15 | 2011-07-06 | ソニー株式会社 | Piezoelectric element, angular velocity sensor, and method of manufacturing piezoelectric element |
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