JP4702550B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
強誘電体メモリ装置(FeRAM)は、低電圧および高速動作が可能な不揮発性メモリであり、メモリセルが1トランジスタ/1キャパシタ(1T/1C)で構成できるため、DRAMなみの集積化が可能であることから、大容量不揮発性メモリとして期待されている。 A ferroelectric memory device (FeRAM) is a non-volatile memory capable of low voltage and high speed operation, and a memory cell can be composed of one transistor / one capacitor (1T / 1C), so that it can be integrated like a DRAM. Therefore, it is expected as a large-capacity nonvolatile memory.
強誘電体メモリ装置を構成する強誘電体キャパシタの強誘電体特性を最大限に発揮させるには、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向が極めて重要である。
本発明の目的は、強誘電体キャパシタを構成する各層の結晶配向が良好に制御された半導体装置およびその製造方法を提供することである。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device in which the crystal orientation of each layer constituting a ferroelectric capacitor is well controlled and a method for manufacturing the same.
本発明にかかるひとつの半導体装置の製造方法は、基体の上方にバリア層を形成する第1の工程と、前記バリア層上に下部電極を形成する第2の工程と、前記下部電極上に強誘電体層を形成する第3の工程と、前記強誘電体層上に上部電極を形成する第4の工程と、を含み、前記第2の工程は、前記バリア層上に金属層を形成し不活性ガス雰囲気下で熱処理を行うことにより、前記金属層を(111)配向性を有する第1電極層に変換する工程と、前記第1電極層上に第2電極層を形成する工程と、を含み、前記下部電極は前記第1電極と前記第2電極とを有し、前記バリア層は非晶質であることを特徴とする。
上記のひとつの半導体装置の製造方法において、前記第1電極層の膜厚は、5nmないし20nmであることが好ましい。
上記のひとつの半導体装置の製造方法において、前記第2電極層は、イリジウムを含むことが好ましい。
(1)本発明にかかる半導体装置は、
基板と、
前記基板の上方に設けられたバリア層と、
前記バリア層の上方に設けられた下部電極と、
前記下部電極の上方に設けられた強誘電体層と、
前記強誘電体層の上方に設けられた上部電極と、を含み、
前記下部電極は、所定の配向を有する第1電極層と、第2電極層とが積層されている。
One method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a first step of forming a barrier layer above a substrate, a second step of forming a lower electrode on the barrier layer, and a strong step on the lower electrode. A third step of forming a dielectric layer; and a fourth step of forming an upper electrode on the ferroelectric layer, wherein the second step forms a metal layer on the barrier layer. Converting the metal layer into a first electrode layer having (111) orientation by performing a heat treatment in an inert gas atmosphere; and forming a second electrode layer on the first electrode layer; The lower electrode includes the first electrode and the second electrode, and the barrier layer is amorphous.
In the method for manufacturing a semiconductor device, the first electrode layer preferably has a thickness of 5 nm to 20 nm.
In the method for manufacturing a semiconductor device, the second electrode layer preferably contains iridium.
(1) A semiconductor device according to the present invention includes:
A substrate,
A barrier layer provided above the substrate;
A lower electrode provided above the barrier layer;
A ferroelectric layer provided above the lower electrode;
An upper electrode provided above the ferroelectric layer,
The lower electrode is formed by laminating a first electrode layer having a predetermined orientation and a second electrode layer.
本発明にかかる半導体装置は、所望の配向を有する強誘電体層を有する強誘電体キャパシタを含む。そのため、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタを含む半導体装置を提供することができる。 The semiconductor device according to the present invention includes a ferroelectric capacitor having a ferroelectric layer having a desired orientation. Therefore, a semiconductor device including a ferroelectric capacitor having good hysteresis characteristics can be provided.
なお、本発明において、特定のA層(以下、「A層」という。)の上方に設けられた特定のB層(以下、「B層」という。)というとき、A層の上に直接B層が設けられた場合と、A層の上に他の層を介してB層が設けられた場合とを含む意味である。 In the present invention, when a specific B layer (hereinafter referred to as “B layer”) provided above a specific A layer (hereinafter referred to as “A layer”) is referred to as “B” directly on the A layer. This includes the case where the layer is provided and the case where the B layer is provided on the A layer via another layer.
本発明にかかる半導体装置は、さらに、下記の態様をとることができる。 The semiconductor device according to the present invention can further take the following aspects.
(2)本発明にかかる半導体装置において、
さらに、前記基板の上方に設けられた絶縁層と、
前記絶縁層を貫通するプラグ導電層と、を含み、
前記バリア層は、少なくとも前記プラグ導電層の上方に設けられていることができる。
(2) In the semiconductor device according to the present invention,
And an insulating layer provided above the substrate;
A plug conductive layer penetrating the insulating layer,
The barrier layer may be provided at least above the plug conductive layer.
(3)本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
(a)基体の上方にバリア層を形成する工程と、
(b)前記バリア層の上方に、金属層を形成する工程と、
(c)不活性ガス雰囲気下で熱処理を行うことにより、前記金属層を、所定の配向性を有する第1電極層を形成する工程と、
(d)前記第1電極層の上方に、第2電極層を形成し下部電極を形成する工程と、
(e)前記下部電極の上方に、強誘電体層を形成する工程と、
(f)前記強誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含む。
(3) A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
(A) forming a barrier layer above the substrate;
(B) forming a metal layer above the barrier layer;
(C) performing a heat treatment under an inert gas atmosphere to form a first electrode layer having a predetermined orientation on the metal layer;
(D) forming a second electrode layer above the first electrode layer to form a lower electrode;
(E) forming a ferroelectric layer above the lower electrode;
(F) forming an upper electrode above the ferroelectric layer.
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、下部電極は、シード層となる第1電極層の上に、第2電極層を形成して得られる。第1電極層は、工程(c)の熱処理を経ることで、原子が移動しやすくなり配向性を向上させることができる。第2電極層は、この第1電極層の結晶配向性を反映して形成されるため、所定の配向性を有する第2電極層を形成することができる。よって、配向性が制御された下部電極の上に強誘電体層を形成できる。強誘電体層は、下部電極の配向を反映して堆積されるため、下部電極の結晶配向性が強誘電体層の所望の配向性と一致するよう制御することにより、所望の配向を有する強誘電体層を形成できることとなる。その結果、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタを含む半導体装置を提供することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, the lower electrode is obtained by forming the second electrode layer on the first electrode layer serving as the seed layer. The first electrode layer undergoes the heat treatment in the step (c), whereby atoms can easily move and the orientation can be improved. Since the second electrode layer is formed reflecting the crystal orientation of the first electrode layer, a second electrode layer having a predetermined orientation can be formed. Therefore, a ferroelectric layer can be formed on the lower electrode whose orientation is controlled. Since the ferroelectric layer is deposited reflecting the orientation of the lower electrode, by controlling the crystal orientation of the lower electrode to match the desired orientation of the ferroelectric layer, the ferroelectric layer has a desired orientation. A dielectric layer can be formed. As a result, a semiconductor device including a ferroelectric capacitor having good hysteresis characteristics can be provided.
(4)本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
(a)基体の上方に少なくともチタンを含む第1金属層を形成する工程と、
(b)前記バリア層の上方に、第2金属層を形成する工程と、
(c)窒素雰囲気下で熱処理を行うことにより、前記第1金属層を窒化してバリア層に変換すると共に、前記第2金属層を所定の配向性を有する第1電極層に変換する工程と、
(d)前記第1電極層の上方に、第2電極層を形成し下部電極を形成する工程と、
(e)前記下部電極の上方に、強誘電体層を形成する工程と、
(f)前記強誘電体層の上方に上部電極を形成する工程と、を含む。
(4) A method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes:
(A) forming a first metal layer containing at least titanium above the substrate;
(B) forming a second metal layer above the barrier layer;
(C) performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere to nitride the first metal layer to convert it into a barrier layer, and convert the second metal layer into a first electrode layer having a predetermined orientation; ,
(D) forming a second electrode layer above the first electrode layer to form a lower electrode;
(E) forming a ferroelectric layer above the lower electrode;
(F) forming an upper electrode above the ferroelectric layer.
本発明にかかる半導体装置の製造方法によれば、上記の半導体装置の製造方法と同様の利点を有し、所望の配向を有する強誘電体層を形成できることとなる。そのため、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタを含む半導体装置を提供することができる。 According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, it is possible to form a ferroelectric layer having the same advantages as those of the semiconductor device manufacturing method described above. Therefore, a semiconductor device including a ferroelectric capacitor having good hysteresis characteristics can be provided.
なお、本発明にかかる半導体装置の製造方法は、さらに、下記の態様をとることができる。 In addition, the manufacturing method of the semiconductor device concerning this invention can take the following aspect further.
(5)本発明にかかる半導体装置の製造方法において、
前記第1電極層の膜厚は、5nmないし20nmであることができる。
(5) In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention,
The film thickness of the first electrode layer may be 5 nm to 20 nm.
(6)本発明にかかる半導体装置の製造方法において、
前記第2電極層は、イリジウムを含むであることができる。
(6) In the method for manufacturing a semiconductor device according to the invention,
The second electrode layer may include iridium.
本発明の実施形態の一例について、図面を参照しつつ説明する。 An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
1.第1の実施形態
1.1.半導体装置
まず、本実施形態にかかる半導体装置について、図1を参照しつつ説明する。図1は、本実施の形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。
1. 1. First embodiment 1.1. Semiconductor Device First, the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device according to the present embodiment.
図1に示すように、本実施の形態にかかる半導体装置は、基体10と、絶縁層12と、コンタクト部30と、強誘電体キャパシタ40と、を含む。 As shown in FIG. 1, the semiconductor device according to the present embodiment includes a base body 10, an insulating layer 12, a contact portion 30, and a ferroelectric capacitor 40.
基体10は、半導体基板(たとえばシリコン基板)である。基体10には、複数のトランジスタ(図示しない)が形成されている。トランジスタは、ソース領域又はドレイン領域となる不純物領域と、ゲート絶縁層と、ゲート電極と、を含む。各トランジスタの間には素子分離領域(図示しない)が形成され、トランジスタ間の電気的絶縁が図られている。本実施の形態に係る半導体装置は、たとえば1T1C型のスタック構造を有する。 The base 10 is a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate). A plurality of transistors (not shown) are formed on the base 10. The transistor includes an impurity region serving as a source region or a drain region, a gate insulating layer, and a gate electrode. An element isolation region (not shown) is formed between the transistors, and electrical insulation between the transistors is achieved. The semiconductor device according to the present embodiment has, for example, a 1T1C type stack structure.
絶縁層12は、基体10上に形成されている。絶縁層12は、たとえば酸化シリコン層(SiO2層)、窒化シリコン層(SiN層)、窒化酸化シリコン層(SiON層)および酸化アルミニウム層(Al2O3層)の少なくともいずれか1層から形成され、単一層であってもよいし、複数層であってもよい。 The insulating layer 12 is formed on the base 10. The insulating layer 12 is formed of, for example, at least one of a silicon oxide layer (SiO 2 layer), a silicon nitride layer (SiN layer), a silicon nitride oxide layer (SiON layer), and an aluminum oxide layer (Al 2 O 3 layer). It may be a single layer or a plurality of layers.
コンタクトホール20は、絶縁層12を貫通している。コンタクトホール20の内部には、電気的導電性を有するコンタクト部30が形成されている。 The contact hole 20 penetrates the insulating layer 12. A contact portion 30 having electrical conductivity is formed inside the contact hole 20.
コンタクト部30は、基体10の面に垂直方向に延出して形成され、絶縁層12を貫通している。コンタクト部30の一方の端部には、基体10のトランジスタ(ソース領域およびドレイン領域のいずれか一方)が電気的に接続され、他方の端部には強誘電体キャパシタ40が電気的に接続されている。すなわち、コンタクト部30は、トランジスタおよび強誘電体キャパシタ40を電気的に接続する。 The contact portion 30 is formed to extend in a direction perpendicular to the surface of the base body 10 and penetrates the insulating layer 12. A transistor (either one of the source region and the drain region) of the base 10 is electrically connected to one end portion of the contact portion 30, and a ferroelectric capacitor 40 is electrically connected to the other end portion. ing. That is, the contact part 30 electrically connects the transistor and the ferroelectric capacitor 40.
コンタクト部30は、バリア層32と、プラグ34とを含んで構成される。バリア層は、コンタクトホール20の内壁(基体10および絶縁層12の露出面)を覆うように設けられている。プラグ34は、バリア層32の上に設けられている。 The contact part 30 includes a barrier layer 32 and a plug 34. The barrier layer is provided so as to cover the inner wall of the contact hole 20 (exposed surface of the base body 10 and the insulating layer 12). The plug 34 is provided on the barrier layer 32.
強誘電体キャパシタ40は、バリア層42、下部電極44、強誘電体層46、上部電極48が順に積層して形成されている。バリア層42は、少なくとも、コンタクト部30の上に設けられている。本実施の形態では、平面視したときに、コンタクト部30およびその周辺の絶縁層12をも覆うパターンを有している。このように、バリア層42(下部電極44)は、プラグ34に電気的に接続されている。詳しくは、強誘電体キャパシタ40の下部電極44は、トランジスタのソース領域又はドレイン領域のいずれかに電気的に接続されている。本実施の形態に係る半導体装置が有する強誘電体メモリでは、強誘電体キャパシタ40の下部電極44がビット線に電気的に接続され、強誘電体キャパシタ40の上部電極48がプレート線に電気的に接続され、トランジスタのゲート電極がワード線に電気的に接続されている。 The ferroelectric capacitor 40 is formed by sequentially laminating a barrier layer 42, a lower electrode 44, a ferroelectric layer 46, and an upper electrode 48. The barrier layer 42 is provided at least on the contact part 30. In the present embodiment, it has a pattern that also covers the contact portion 30 and the surrounding insulating layer 12 when viewed in plan. Thus, the barrier layer 42 (lower electrode 44) is electrically connected to the plug 34. Specifically, the lower electrode 44 of the ferroelectric capacitor 40 is electrically connected to either the source region or the drain region of the transistor. In the ferroelectric memory included in the semiconductor device according to the present embodiment, the lower electrode 44 of the ferroelectric capacitor 40 is electrically connected to the bit line, and the upper electrode 48 of the ferroelectric capacitor 40 is electrically connected to the plate line. The gate electrode of the transistor is electrically connected to the word line.
バリア層42は、プラグ34が後の工程で酸化されることを抑制するための層であり、たとえば、TiAlN、TiAl、TiSiN、TiN、TaN、TaSiNを用いることができる。中でも、チタン、アルミニウム、および窒素を含む層(TiAlN)であることがより好ましい。 The barrier layer 42 is a layer for suppressing the plug 34 from being oxidized in a later step, and for example, TiAlN, TiAl, TiSiN, TiN, TaN, TaSiN can be used. Among these, a layer containing titanium, aluminum, and nitrogen (TiAlN) is more preferable.
下部電極44は、第1電極層44aと、第1電極層44aの上に形成された第2電極層44bとが積層されて構成されている。第1電極層44aは、後述する強誘電体層46の所望の配向と、原子の配列の規則性が同一性を有している。たとえば、(111)配向のPZTを強誘電体層とする場合には、(111)配向のIr膜を第1電極層44aとすることができる。 The lower electrode 44 is configured by laminating a first electrode layer 44a and a second electrode layer 44b formed on the first electrode layer 44a. In the first electrode layer 44a, the desired orientation of the ferroelectric layer 46, which will be described later, and the regularity of atomic arrangement are the same. For example, when (111) -oriented PZT is used as the ferroelectric layer, an (111) -oriented Ir film can be used as the first electrode layer 44a.
第2電極層44bは、たとえばPt、Ir、Ir酸化物(IrOx)、Ru、Ru酸化物(RuOx)、SrRu複合酸化物(SrRuOx)などから形成される。第2電極44bは、単一層から形成されていてもよいし、複数層から形成されていてもよい。なかでも、強誘電体層46をMOCVD法で形成する場合には、熱的な安定性を有するIrを用いることが好ましい。 The second electrode layer 44b is made of, for example, Pt, Ir, Ir oxide (IrO x ), Ru, Ru oxide (RuO x ), SrRu composite oxide (SrRuO x ), or the like. The second electrode 44b may be formed from a single layer or may be formed from a plurality of layers. In particular, when the ferroelectric layer 46 is formed by the MOCVD method, it is preferable to use Ir having thermal stability.
強誘電体層46は、Pb、Zr、Tiを構成元素として含む酸化物からなるPZT系強誘電体を用いて形成されていてもよい。あるいは、TiサイトにNbをドーピングしたPb(Zr、Ti、Nb)O3(PZTN系)を適用してもよい。あるいは、強誘電体層46はこれらの材料に限定されるものではなく、たとえばSBT系、BST系、BIT系、BLT系のいずれを適用してもよい。 The ferroelectric layer 46 may be formed using a PZT-based ferroelectric made of an oxide containing Pb, Zr, and Ti as constituent elements. Alternatively, Pb (Zr, Ti, Nb) O 3 (PZTN system) doped with Nb at the Ti site may be applied. Alternatively, the ferroelectric layer 46 is not limited to these materials, and for example, any of SBT, BST, BIT, and BLT systems may be applied.
上部電極48は、第2電極層44bと同様にすることができる。 The upper electrode 48 can be the same as the second electrode layer 44b.
本実施の形態にかかる半導体装置は、所望の配向を有する強誘電体層46を有する強誘電体キャパシタ40を含む。そのため、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタ40を含む半導体装置を提供することができる。 The semiconductor device according to the present embodiment includes a ferroelectric capacitor 40 having a ferroelectric layer 46 having a desired orientation. Therefore, a semiconductor device including the ferroelectric capacitor 40 having good hysteresis characteristics can be provided.
1.2.半導体装置の製造方法
次に、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法について、図2ないし図8を参照しつつ説明する。図2ないし図8は、本実施の形態にかかる半導体装置の製造工程を模式的に示す断面図である。
1.2. Semiconductor Device Manufacturing Method Next, a semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 8 are cross-sectional views schematically showing the manufacturing process of the semiconductor device according to the present embodiment.
(1)まず、図2に示すように、基体10上に絶縁層12を形成する。絶縁層12は、基体10における複数のトランジスタが形成された面上に形成する。絶縁層12は、CVD法などの公知技術を適用して形成することができる。 (1) First, as shown in FIG. 2, the insulating layer 12 is formed on the substrate 10. The insulating layer 12 is formed on the surface of the substrate 10 on which a plurality of transistors are formed. The insulating layer 12 can be formed by applying a known technique such as a CVD method.
(2)次に、図3に示すように、絶縁層12を貫通するコンタクトホール20を形成する。その場合、フォトリソグラフィ技術を適用してもよい。詳しくは、絶縁層12の一部を開口するようにレジスト層(図示しない)を形成し、該レジスト層からの開口部をエッチングすることによって、絶縁層12を貫通するコンタクトホール20を形成する。コンタクトホール20からは基体10が露出している。 (2) Next, as shown in FIG. 3, a contact hole 20 penetrating the insulating layer 12 is formed. In that case, a photolithography technique may be applied. Specifically, a resist layer (not shown) is formed so as to open a part of the insulating layer 12, and the opening from the resist layer is etched to form the contact hole 20 penetrating the insulating layer 12. The base 10 is exposed from the contact hole 20.
(3)次に、コンタクトホール20にコンタクト部30(図1参照)を形成する。コンタクト部30の形成では、まず、図4に示すように、コンタクトホール20の内面に沿ってバリア層(他のバリア層)31を形成する。バリア層31は、スパッタリング法等によって成膜することができる。バリア層31は、コンタクトホール20の側面(絶縁層12の端面)およびコンタクトホール20の底面(基体10の上面)に形成し、コンタクトホール20の内面に形成する部分と連続して絶縁層12の上面にも形成する。ただし、バリア層31は、コンタクトホール20を埋めないように形成する。 (3) Next, a contact portion 30 (see FIG. 1) is formed in the contact hole 20. In forming the contact portion 30, first, as shown in FIG. 4, a barrier layer (other barrier layer) 31 is formed along the inner surface of the contact hole 20. The barrier layer 31 can be formed by a sputtering method or the like. The barrier layer 31 is formed on the side surface of the contact hole 20 (end surface of the insulating layer 12) and the bottom surface of the contact hole 20 (upper surface of the base body 10). It is also formed on the upper surface. However, the barrier layer 31 is formed so as not to fill the contact hole 20.
(4)次に、図5に示すように、コンタクトホール20の内部および絶縁層12上に第1の導電層33を形成する。第1の導電層33は、コンタクトホール20の内部(詳しくはバリア層31で囲まれた内側)を埋め込むように形成する。バリア層31を形成する場合には、バリア層31上に第1の導電層33を形成する。第1の導電層33は、たとえば、スパッタリング法により成膜することができる。 (4) Next, as shown in FIG. 5, a first conductive layer 33 is formed inside the contact hole 20 and on the insulating layer 12. The first conductive layer 33 is formed so as to fill the inside of the contact hole 20 (specifically, the inner side surrounded by the barrier layer 31). In the case of forming the barrier layer 31, the first conductive layer 33 is formed on the barrier layer 31. The first conductive layer 33 can be formed by sputtering, for example.
(5)次に、図6に示すように、第1の導電層33を研磨する。本実施の形態では、第1の導電層33の一部およびバリア層31の一部を研磨および除去する。すなわち、第1の導電層33(およびバリア層31)をストッパとなる絶縁層12が露出するまで研磨する。研磨工程では、化学的機械的研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishment)法による工程を適用することができる。この工程により、コンタクト部30を形成することができる。 (5) Next, as shown in FIG. 6, the first conductive layer 33 is polished. In this embodiment, a part of the first conductive layer 33 and a part of the barrier layer 31 are polished and removed. That is, the first conductive layer 33 (and the barrier layer 31) is polished until the insulating layer 12 serving as a stopper is exposed. In the polishing process, a process by a chemical mechanical polishing (CMP) method can be applied. By this step, the contact part 30 can be formed.
ついで、図6に示すように、絶縁層12およびコンタクト部30の上に、バリア層41を形成する。バリア層41は、後の工程でパターニングされバリア層42となる。バリア層41としては、たとえば、スパッタリング法によりTiAlNを形成することができる。このとき、バリア層41は、良好な配向性を有する結晶層もしくは非晶質層であることが好ましい。バリア層41が非晶質層である場合の利点については後述する。 Next, as shown in FIG. 6, a barrier layer 41 is formed on the insulating layer 12 and the contact portion 30. The barrier layer 41 is patterned in a later step to become the barrier layer 42. As the barrier layer 41, for example, TiAlN can be formed by sputtering. At this time, the barrier layer 41 is preferably a crystalline layer or an amorphous layer having good orientation. Advantages when the barrier layer 41 is an amorphous layer will be described later.
(6)次に、図7に示すように、バリア層41の上に、第1電極層43aを形成する。第1電極層43aとしては、1.1.の半導体装置の項で述べた材料を用いることができる。以下に、たとえば、所定の配向を有するIr膜を形成する場合について説明する。まず、バリア層41の上にIr膜(図示せず)を形成する。このIr膜の配向性については、特に制限はない。ついで、不活性ガス雰囲気下で熱処理を施す。熱処理の温度としては、450℃ないし725℃で行うことができる。不活性ガスとしては、たとえば、アルゴン、窒素を用いることができる。この熱処理を施すことで、原子が移動しやすくなり、Irの安定した原子配列である(111)配向成分を増加させることができるのである。その結果、所定の配向性を有する第1電極層43aを形成することができるのである。このとき、第1電極層43aの下に位置するバリア層41が非晶質層であれば、バリア層41の配向の影響を低下させることができる。そのため、第1電極層43aに熱処理を施したときに、所望の配向を形成しやすくできるのである。また、第1電極層43aの膜厚は、5nmないし20nmであることが好ましい。第1電極層43aの膜厚が5nmより小さい場合、連続した膜を形成することができず、シード層としての役割を果たすことができないことがある。20nmを超える場合には、熱処理での配向性の制御が困難になることがある。 (6) Next, as shown in FIG. 7, the first electrode layer 43 a is formed on the barrier layer 41. As the first electrode layer 43a, 1.1. The materials described in the section of the semiconductor device can be used. Hereinafter, for example, a case where an Ir film having a predetermined orientation is formed will be described. First, an Ir film (not shown) is formed on the barrier layer 41. There is no particular limitation on the orientation of the Ir film. Next, heat treatment is performed in an inert gas atmosphere. The heat treatment can be performed at 450 ° C. to 725 ° C. As the inert gas, for example, argon or nitrogen can be used. By performing this heat treatment, the atoms easily move and the (111) orientation component, which is a stable atomic arrangement of Ir, can be increased. As a result, the first electrode layer 43a having a predetermined orientation can be formed. At this time, if the barrier layer 41 located under the first electrode layer 43a is an amorphous layer, the influence of the orientation of the barrier layer 41 can be reduced. Therefore, it is possible to easily form a desired orientation when the first electrode layer 43a is subjected to heat treatment. The film thickness of the first electrode layer 43a is preferably 5 nm to 20 nm. When the thickness of the first electrode layer 43a is smaller than 5 nm, a continuous film may not be formed and may not serve as a seed layer. If it exceeds 20 nm, it may be difficult to control the orientation during the heat treatment.
(7)次に、図8に示すように、第1電極層43aの上に第2電極層43b、強誘電体層45、上部電極(第2電極)47を順に積層して積層体を形成する。 (7) Next, as shown in FIG. 8, the second electrode layer 43b, the ferroelectric layer 45, and the upper electrode (second electrode) 47 are sequentially stacked on the first electrode layer 43a to form a stacked body. To do.
第2電極層43bの形成方法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、CVD法などを適用することができる。強誘電体層45の形成方法としては、溶液塗布法(ゾル・ゲル法、MOD(Metal Organic Decomposition)法などを含む)、スパッタ法、CVD法、MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法などを適用することができる。なお、上部電極47は第2電極層43bと同様の方法を適用して形成することができる。ついで、積層体の上に、たとえば、レジスト層R1を形成する。レジスト層R1は、フォトリソグラフィ技術を適用して形成することができる。 As a method for forming the second electrode layer 43b, a sputtering method, a vacuum evaporation method, a CVD method, or the like can be applied. As a method for forming the ferroelectric layer 45, a solution coating method (including sol-gel method, MOD (Metal Organic Decomposition) method, etc.), sputtering method, CVD method, MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method, etc. are applied. can do. The upper electrode 47 can be formed by applying the same method as that for the second electrode layer 43b. Next, for example, a resist layer R1 is formed on the stacked body. The resist layer R1 can be formed by applying a photolithography technique.
(8)次に、図1に示すように、積層体のうちレジスト層R1に覆われない部分を除去する。積層体の除去は、公知のエッチング技術を適用して行うことができる。積層体をパターニングして強誘電体キャパシタ40を形成した後、強誘電体層46の安定化(たとえばエッチングダメージ回復)のため酸素雰囲気下でアニール処理を行う。 (8) Next, as shown in FIG. 1, the portion of the laminate that is not covered with the resist layer R1 is removed. The removal of the stacked body can be performed by applying a known etching technique. After the multilayer body is patterned to form the ferroelectric capacitor 40, annealing is performed in an oxygen atmosphere in order to stabilize the ferroelectric layer 46 (for example, recovery from etching damage).
以上の工程により、本実施の形態にかかる半導体装置を製造することができる。 Through the above steps, the semiconductor device according to the present embodiment can be manufactured.
本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、下部電極44は、シード層となる第1電極層43aの上に、第2電極層43bを形成して得られる。そのため、配向性が制御された下部電極44の上に、強誘電体層46を形成できる。強誘電体層46は、下部電極44の配向を反映して堆積されるため、本実施の形態によれば、所望の配向を有する強誘電体層46を形成できることとなる。その結果、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタ40を含む半導体装置を製造することができるのである。 According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment, the lower electrode 44 is obtained by forming the second electrode layer 43b on the first electrode layer 43a serving as a seed layer. Therefore, the ferroelectric layer 46 can be formed on the lower electrode 44 whose orientation is controlled. Since the ferroelectric layer 46 is deposited reflecting the orientation of the lower electrode 44, according to the present embodiment, the ferroelectric layer 46 having a desired orientation can be formed. As a result, a semiconductor device including the ferroelectric capacitor 40 having good hysteresis characteristics can be manufactured.
2.第2の実施形態
2.1.半導体装置
次に、第2の実施形態にかかる半導体装置について、図9を参照しつつ説明する。図9は、第2の実施形態にかかる半導体装置を模式的に示す断面図である。第2の実施形態にかかる半導体装置は、第1の実施形態と比して、バリア層42の構成が異なる例である。なお、以下の説明では、第1の実施形態と異なる点について説明する。
2. Second Embodiment 2.1. Semiconductor Device Next, a semiconductor device according to a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device according to the second embodiment is an example in which the configuration of the barrier layer 42 is different from that of the first embodiment. In the following description, differences from the first embodiment will be described.
図9に示すように、第2の実施形態にかかる半導体装置では、バリア層42は、第1バリア層42aおよび第2バリア層42bとが積層されて構成されている。バリア層42は、プラグ34が後の工程で酸化されることを抑制することができる。第1バリア層42aとしては、自己配向性を有する金属、またはその窒化物を用いることができる。ここで、自己配向性とは、ある特定の配向成分が多くなるように成長する性質のことをいう。第1バリア層42aとしては、たとえば、Ti、TiNを挙げることができる。第1バリア層42aは、強誘電体層46に求められる配向と、原子の配列の規則性が同一である層である。 As shown in FIG. 9, in the semiconductor device according to the second embodiment, the barrier layer 42 is formed by laminating a first barrier layer 42a and a second barrier layer 42b. The barrier layer 42 can suppress the plug 34 from being oxidized in a later step. As the first barrier layer 42a, a metal having self-orientation or a nitride thereof can be used. Here, the self-orientation refers to a property of growing so that a specific orientation component increases. Examples of the first barrier layer 42a include Ti and TiN. The first barrier layer 42a is a layer in which the orientation required for the ferroelectric layer 46 and the regularity of atomic arrangement are the same.
第2バリア層42bとしては、第1バリア層42aと比して酸化防止効果の高い材料を用いることができる。第2バリア層42bとしては、第1の実施形態で説明したバリア層42で例示した材料を用いることができる。 As the second barrier layer 42b, a material having a higher antioxidant effect than that of the first barrier layer 42a can be used. As the second barrier layer 42b, the material exemplified for the barrier layer 42 described in the first embodiment can be used.
第2の実施形態にかかる半導体装置によれば、第1バリア層42aの配向を制御することで、この上に積層される、第2バリア層42b、下部電極44および強誘電体層46の配向を制御することができる。また、2種以上の層を積層してバリア層42を形成することで、配向の制御の向上かつプラグの酸化防止を共に図ることができる。 According to the semiconductor device of the second embodiment, the orientation of the second barrier layer 42b, the lower electrode 44, and the ferroelectric layer 46 stacked thereon is controlled by controlling the orientation of the first barrier layer 42a. Can be controlled. Further, by forming the barrier layer 42 by laminating two or more kinds of layers, it is possible to improve the control of the orientation and prevent the plug from being oxidized.
2.2.半導体装置の製造方法
次に、第2の実施形態にかかる半導体装置について、図10を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、第1の実施形態にかかる半導体装置にかかる製造方法と異なる点について説明する。
2.2. Manufacturing Method of Semiconductor Device Next, a semiconductor device according to the second embodiment will be described with reference to FIG. In the following description, differences from the manufacturing method according to the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
第1の実施形態にかかる製造方法の工程(1)ないし工程(5)と同様にして、コンタクト部30までを形成する。ついで、図10に示すように、コンタクト部30を含む絶縁層12の上に、第1バリア層41aを形成する。第1バリア層41aとしては、自己配向性を有する材質を用いる。ついで、第1バリア層41aの上に、第2バリア層41bを形成する。第2バリア層41bは、第1の実施形態におけるバリア層41と同様である。 The contact part 30 is formed in the same manner as in the steps (1) to (5) of the manufacturing method according to the first embodiment. Next, as shown in FIG. 10, a first barrier layer 41 a is formed on the insulating layer 12 including the contact portion 30. As the first barrier layer 41a, a material having self-orientation is used. Next, the second barrier layer 41b is formed on the first barrier layer 41a. The second barrier layer 41b is the same as the barrier layer 41 in the first embodiment.
次に、第1の実施形態にかかる製造方法の工程(6)と同様に、第2バリア層41bの上に、第1電極層43aを形成する。このとき、第1電極層43aの形成における熱処理を、窒素雰囲気下で行うことが好ましい。このように、窒素雰囲気で熱処理を行うことで、第1バリア層41aを窒化することができるという利点がある。たとえば、第1バリア層41aとして、Ti層を形成したとき、窒素雰囲気の熱処理により、TiN層とすることができ、酸化防止の向上を図ることができるのである。 Next, as in the step (6) of the manufacturing method according to the first embodiment, the first electrode layer 43a is formed on the second barrier layer 41b. At this time, the heat treatment for forming the first electrode layer 43a is preferably performed in a nitrogen atmosphere. Thus, there is an advantage that the first barrier layer 41a can be nitrided by performing the heat treatment in a nitrogen atmosphere. For example, when a Ti layer is formed as the first barrier layer 41a, the TiN layer can be formed by a heat treatment in a nitrogen atmosphere, and the prevention of oxidation can be improved.
次に、第1の実施形態にかかる製造方法の工程(7)、(8)と同様にして、図9に示す半導体装置を製造することができる。 Next, the semiconductor device shown in FIG. 9 can be manufactured in the same manner as steps (7) and (8) of the manufacturing method according to the first embodiment.
第2の実施形態にかかる半導体装置の製造方法によれば、配向性が制御され、かつ、酸化防止性も向上したバリア層42を形成することができる。そのため、良好なヒステリシス特性を有する強誘電体キャパシタ40を含む半導体装置を製造することができる。 According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, the barrier layer 42 in which the orientation is controlled and the oxidation resistance is improved can be formed. Therefore, a semiconductor device including the ferroelectric capacitor 40 having good hysteresis characteristics can be manufactured.
3.第3の実施の形態
次に、第3の実施形態にかかる半導体装置について説明する。なお、以下の説明では、第1の実施形態にかかる半導体装置と異なる点について説明する。
3. Third Embodiment Next, a semiconductor device according to a third embodiment will be described. In the following description, differences from the semiconductor device according to the first embodiment will be described.
第3の実施形態にかかる半導体装置は、図1に示す半導体装置とバリア層42の材質が異なる。第3の実施形態では、バリア層42として、TiN層が用いられる。バリア層42は、強誘電体層46の所望の配向と同様の規則性を持って、原子が配列している。 The semiconductor device according to the third embodiment is different from the semiconductor device shown in FIG. 1 in the material of the barrier layer 42. In the third embodiment, a TiN layer is used as the barrier layer 42. In the barrier layer 42, atoms are arranged with the same regularity as the desired orientation of the ferroelectric layer 46.
第3の実施形態にかかるバリア層42の形成方法について、図11を参照しつつ説明する。図11は、第3の実施形態にかかる製造工程の一部を模式的に示す断面図である。図11に示すように、絶縁層12およびプラグ34の上に金属層410を形成する。金属層410としては、たとえば、Ti層を形成する。また、金属層410としては、所定の配向に優先的に配向して結晶成長をする自己配向性を有する材料であり、その配向性が強誘電体層の所望の配向性と同一であれば、特に限定されない。ついで、図11に示すように、金属層410の上に第1電極層43aを形成する。その後、第1の実施形態で説明した工程(6)の第1電極層43aの形成時に窒素雰囲気下で熱処理することにより、TiN層に変換することができ、バリア層41が形成される。バリア層41は、後の工程でパターニングされて、バリア層42となる。 A method of forming the barrier layer 42 according to the third embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a part of the manufacturing process according to the third embodiment. As shown in FIG. 11, a metal layer 410 is formed on the insulating layer 12 and the plug 34. As the metal layer 410, for example, a Ti layer is formed. Further, the metal layer 410 is a material having self-orientation that crystallizes and grows preferentially in a predetermined orientation, and if the orientation is the same as the desired orientation of the ferroelectric layer, There is no particular limitation. Next, as shown in FIG. 11, the first electrode layer 43 a is formed on the metal layer 410. Thereafter, a heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere when forming the first electrode layer 43a in the step (6) described in the first embodiment, so that the TiN layer can be converted and the barrier layer 41 is formed. The barrier layer 41 is patterned in a later step to become the barrier layer 42.
第3の実施形態によれば、金属層410は、第1電極層43となる膜を堆積する工程においては、配向の制御に寄与でき、その後、窒化されてバリア層41となった後は、プラグ34の酸化防止に寄与することができる。そのため、バリア層として複数層を積層することなく、双方の役割を果たすことができる。 According to the third embodiment, the metal layer 410 can contribute to the control of orientation in the step of depositing the film to be the first electrode layer 43, and after being nitrided to become the barrier layer 41, This can contribute to preventing the plug 34 from being oxidized. Therefore, both roles can be fulfilled without laminating a plurality of layers as a barrier layer.
4.実験例
次に、本実施の形態にかかる半導体装置の効果を確認するための実験例について説明する。
4). Experimental Example Next, an experimental example for confirming the effect of the semiconductor device according to the present embodiment will be described.
4.1.実験例1
まず、半導体基板(シリコン基板)10にトランジスタを形成し、ついでトランジスタ上に絶縁層12を積層した。ついで、絶縁層12にコンタクトホール20を形成し、このコンタクトホール20にCVD法によりタングステンを充填した後、化学的機械的研磨によって、絶縁層12の表面より上方のタングステンを研磨することにより、プラグ34を形成した(図1参照)。
4.1. Experimental example 1
First, a transistor was formed on a semiconductor substrate (silicon substrate) 10, and then an insulating layer 12 was stacked on the transistor. Next, a contact hole 20 is formed in the insulating layer 12, and the contact hole 20 is filled with tungsten by a CVD method, and then the tungsten above the surface of the insulating layer 12 is polished by chemical mechanical polishing to thereby form a plug. 34 was formed (see FIG. 1).
次に、絶縁層12およびプラグ34上に、スパッタリング法により、TiAlNからなるバリア層41を成膜した。この成膜工程においては、窒素分圧が16%の雰囲気として用い、ターゲットとしてTiAlを選択した。なお、ターゲットにおけるチタンとアルミニウムの比率は、Ti/Al=70:30とした。 Next, a barrier layer 41 made of TiAlN was formed on the insulating layer 12 and the plug 34 by sputtering. In this film forming process, an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 16% was used, and TiAl was selected as a target. The ratio of titanium and aluminum in the target was Ti / Al = 70: 30.
また、バリア層41の成膜条件は、アルゴンガスの流量が50[sccm]であり,成膜パワーが1.0[kW]であり,基板温度を400[℃]である条件で成膜を行なった。 The barrier layer 41 is deposited under the conditions that the flow rate of argon gas is 50 [sccm], the deposition power is 1.0 [kW], and the substrate temperature is 400 [° C.]. I did it.
次に、スパッタリング法により、第1電極層43aの形成を行った。第1電極層43aの成膜条件は、アルゴンガスの流量が199[sccm]であり,成膜パワーが1.0[kW]であり,基板温度を500[℃]である条件で成膜を行った。この条件下で、20nmの膜厚を有する第1電極層43aを形成した。ついで、熱処理を施し、配向性を制御した。熱処理は、アルゴン雰囲気下、基板温度が650[℃]の条件で、2分間行った。 Next, the first electrode layer 43a was formed by a sputtering method. The film formation conditions for the first electrode layer 43a are as follows: the flow rate of argon gas is 199 [sccm], the film formation power is 1.0 [kW], and the substrate temperature is 500 [° C.]. went. Under this condition, the first electrode layer 43a having a thickness of 20 nm was formed. Next, heat treatment was performed to control the orientation. The heat treatment was performed for 2 minutes in an argon atmosphere under the condition of a substrate temperature of 650 [° C.].
次に、スパッタリング法により、第2電極層43bを形成した。第2電極層43bの成膜条件は、アルゴンガスの流量が199[sccm]であり,成膜パワーが1.0[kW]であり,基板温度を500[℃]である条件で成膜を行った。この条件により成膜されたアルゴンガスの第2電極43bの膜厚は、90nmであった。 Next, the second electrode layer 43b was formed by a sputtering method. The film formation conditions for the second electrode layer 43b are as follows: the flow rate of argon gas is 199 [sccm], the film formation power is 1.0 [kW], and the substrate temperature is 500 [° C.]. went. The film thickness of the second electrode 43b of argon gas formed under these conditions was 90 nm.
このようにして形成された第2電極層43bのXRD(X線回折)パターンを、図12に示す。 FIG. 12 shows an XRD (X-ray diffraction) pattern of the second electrode layer 43b formed in this way.
図12によれば、実施例1において得られた第2電極層43bにおいて、2θ=41°付近にピークが観測された。このピークは、(111)配向を有するIr膜に起因するものと推測される。つまり、本実施の形態によれば、このように、配向が制御された下部電極を形成することができた。 According to FIG. 12, a peak was observed in the vicinity of 2θ = 41 ° in the second electrode layer 43b obtained in Example 1. This peak is assumed to be caused by an Ir film having a (111) orientation. That is, according to the present embodiment, it was possible to form the lower electrode whose orientation was controlled as described above.
次に、この第2電極層43bの結晶配向性を定量的に評価するため、図12に示すIr膜の(111)回折のロッキングカーブを測定した。その結果を図13に示す。図13に示すロッキングカーブの半値幅FWHMは約4.90°であった。なお、ロッキングカーブの半値幅FWHMとは、図13に示すように、最大ピーク強度の1/2のピーク強度を有する2つの角度の差である。以上の結果から、図13に示すように、第2電極層43bは優れた(111)配向性を有することが確認された。 Next, in order to quantitatively evaluate the crystal orientation of the second electrode layer 43b, the rocking curve of (111) diffraction of the Ir film shown in FIG. 12 was measured. The result is shown in FIG. The full width at half maximum FWHM of the rocking curve shown in FIG. 13 was about 4.90 °. Note that the full width at half maximum FWHM of the rocking curve is a difference between two angles having a peak intensity that is ½ of the maximum peak intensity, as shown in FIG. From the above results, it was confirmed that the second electrode layer 43b has an excellent (111) orientation as shown in FIG.
4.2.実験例2
実験例2では、バリア層の形成が実験例1と異なる。実験例2では、まず、金属層410として、スパッタリング法によりTi層を形成した。
4.2. Experimental example 2
In Experimental Example 2, the formation of the barrier layer is different from Experimental Example 1. In Experimental Example 2, a Ti layer was first formed as the metal layer 410 by a sputtering method.
金属層410の成膜条件は、アルゴンガスの流量が50[sccm]であり,成膜パワーが1.5[kW]であり,基板温度を150[℃]である条件で成膜を行った。このようにして形成された金属層410の膜厚は、20nmであった。 The metal layer 410 was deposited under the conditions that the flow rate of argon gas was 50 [sccm], the deposition power was 1.5 [kW], and the substrate temperature was 150 [° C.]. . The film thickness of the metal layer 410 thus formed was 20 nm.
次に、金属層410の上に、スパッタリング法により、TiAlNからなるバリア層41bを成膜した。この成膜工程においては、窒素分圧が16%の雰囲気として用い、ターゲットとしてTiAlを選択した。なお、ターゲットにおけるチタンとアルミニウムの比率は、Ti/Al=70:30とした。 Next, a barrier layer 41b made of TiAlN was formed on the metal layer 410 by sputtering. In this film forming process, an atmosphere having a nitrogen partial pressure of 16% was used, and TiAl was selected as a target. The ratio of titanium and aluminum in the target was Ti / Al = 70: 30.
また、バリア層41bの成膜条件は、アルゴンガスの流量が50[sccm]であり,成膜パワーが1.0[kW]であり,基板温度を400[℃]である条件で成膜を行なった。このようにして形成された金属層410の膜厚は、100nmであった。 The film formation conditions for the barrier layer 41b are as follows: the flow rate of argon gas is 50 [sccm], the film formation power is 1.0 [kW], and the substrate temperature is 400 [° C.]. I did it. The thickness of the metal layer 410 thus formed was 100 nm.
次に、実験例1と同様に、第1電極層43aおよび第2電極層43bを形成した。このようにして形成した第2電極層43bの結晶配向性を定量的に評価するため、(111)配向の回折ピークのロッキングカーブを測定した。その結果を図14に示す。図14に示すロッキングカーブの半値幅FWHMは約2.90°であった。以上の結果から、図14に示すように、第1電極層43bは優れた(111)配向性を有することが確認された。さらに、実験例1と比しても、金属層410を形成していることで、結晶配向性が向上した第2電極層43bを形成できたことが確認された。 Next, similarly to Experimental Example 1, the first electrode layer 43a and the second electrode layer 43b were formed. In order to quantitatively evaluate the crystal orientation of the second electrode layer 43b thus formed, a rocking curve of a diffraction peak of (111) orientation was measured. The result is shown in FIG. The full width at half maximum FWHM of the rocking curve shown in FIG. 14 was about 2.90 °. From the above results, as shown in FIG. 14, it was confirmed that the first electrode layer 43b has excellent (111) orientation. Furthermore, even when compared with Experimental Example 1, it was confirmed that the second electrode layer 43b with improved crystal orientation could be formed by forming the metal layer 410.
以上の結果より、本実施形態にかかる下部電極44の形成方法によれば、配向が制御された下部電極44を形成できることが確認された。そのため、所望の配向性を有する強誘電体層46を形成することができるのである。 From the above results, it was confirmed that according to the method for forming the lower electrode 44 according to the present embodiment, the lower electrode 44 with controlled orientation can be formed. Therefore, the ferroelectric layer 46 having a desired orientation can be formed.
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(たとえば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び結果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation is possible. For example, the present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same purposes and results). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
10…基体、 12…絶縁層、 20…コンタクトホール、 30…コンタクト部、 31…バリア層、 33…第1の導電層、 34…プラグ、 40…強誘電体キャパシタ、 41…バリア層、 42…バリア層、 43a、44a…第1電極層、 43b、44b…第2電極層、 44…下部電極、 45、46…強誘電体層、 47、48…上部電極、 410…金属層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Base | substrate, 12 ... Insulating layer, 20 ... Contact hole, 30 ... Contact part, 31 ... Barrier layer, 33 ... 1st conductive layer, 34 ... Plug, 40 ... Ferroelectric capacitor, 41 ... Barrier layer, 42 ... Barrier layer, 43a, 44a ... first electrode layer, 43b, 44b ... second electrode layer, 44 ... lower electrode, 45, 46 ... ferroelectric layer, 47, 48 ... upper electrode, 410 ... metal layer
Claims (2)
前記バリア層上に金属層を形成し不活性ガス雰囲気下で熱処理を行うことにより、前記金属層を(111)配向性を有する第1電極層に変換する工程と、前記第1電極層上に第2電極層を形成し下部電極を形成する工程と、を有する第2の工程と、
前記下部電極上に強誘電体層を形成する第3の工程と、
前記強誘電体層上に上部電極を形成する第4の工程と、を含み、
前記バリア層の材質は、窒化チタンアルミニウムであり、
前記金属層の材質は、イリジウムであり、
前記第2電極層の材質は、イリジウムまたはイリジウム酸化物である、半導体装置の製造方法。 A first step of forming an amorphous barrier layer above the substrate;
Forming a metal layer on the barrier layer and performing a heat treatment in an inert gas atmosphere to convert the metal layer into a first electrode layer having (111) orientation; and on the first electrode layer Forming a second electrode layer and forming a lower electrode, and a second step comprising:
A third step of forming a ferroelectric layer on the lower electrode;
Forming a top electrode on the ferroelectric layer; and
The material of the barrier layer is titanium aluminum nitride,
The material of the metal layer is iridium,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the material of the second electrode layer is iridium or iridium oxide.
前記第1電極層の膜厚は、5nmないし20nmである、半導体装置の製造方法。 In claim 1,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the film thickness of the first electrode layer is 5 nm to 20 nm.
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JP2002064186A (en) * | 2000-08-18 | 2002-02-28 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2002124644A (en) * | 2000-10-13 | 2002-04-26 | Sharp Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2002151656A (en) * | 2000-11-14 | 2002-05-24 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method therefor |
JP2004006593A (en) * | 2002-04-22 | 2004-01-08 | Fujitsu Ltd | Ferroelectric capacitor and method of forming the ferroelectric capacitor |
JP2007067294A (en) * | 2005-09-01 | 2007-03-15 | Fujitsu Ltd | Ferroelectric memory apparatus, its manufacturing method, and method for manufacturing semiconductor device |
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Patent Citations (7)
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---|---|---|---|---|
JP2000208725A (en) * | 1998-11-10 | 2000-07-28 | Toshiba Corp | Semiconductor device and its manufacture |
JP2002064186A (en) * | 2000-08-18 | 2002-02-28 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
JP2002124644A (en) * | 2000-10-13 | 2002-04-26 | Sharp Corp | Semiconductor device and its manufacturing method |
JP2002151656A (en) * | 2000-11-14 | 2002-05-24 | Toshiba Corp | Semiconductor device and manufacturing method therefor |
JP2004006593A (en) * | 2002-04-22 | 2004-01-08 | Fujitsu Ltd | Ferroelectric capacitor and method of forming the ferroelectric capacitor |
JP2007067294A (en) * | 2005-09-01 | 2007-03-15 | Fujitsu Ltd | Ferroelectric memory apparatus, its manufacturing method, and method for manufacturing semiconductor device |
JP2007115972A (en) * | 2005-10-21 | 2007-05-10 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and method of manufacturing same |
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