專利名稱：半導(dǎo)體裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適用于具備鐵電電容器的非易失性存儲器的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)展，高速處理或保存大容量的數(shù)據(jù)的傾向正在提高，由此，就要求電子設(shè)備中所使用的半導(dǎo)體裝置要高度集成化和高性能化。
于是，為了實現(xiàn)半導(dǎo)體存儲裝置(DRAM)的高度集成化，正在廣泛研發(fā)用鐵電材料或高介電常數(shù)的材料作為構(gòu)成DRAM的電容元件的電容絕緣膜來取代氧化硅或氮化硅的技術(shù)。
另外，為了實現(xiàn)能以低電壓且高速進(jìn)行寫入動作和讀出動作的非易失性RAM，還在積極地研發(fā)使用具有自發(fā)極化特性的鐵電膜作為電容絕緣膜的鐵電存儲器(FeRAM)。
鐵電存儲器(FeRAM)利用鐵電體的磁滯特性來存儲信息，在鐵電存儲器內(nèi)的每個存儲單元上設(shè)置著具有鐵電膜作為一對電極間的電容介質(zhì)膜的鐵電電容器。在鐵電體中，依據(jù)電極間的施加電壓，產(chǎn)生極化，即使去除施加電壓，也還殘留著自發(fā)極化。另外，施加電壓的極性反轉(zhuǎn)時，自發(fā)極化的極性也反轉(zhuǎn)，因此，只要檢測出自發(fā)極化就能夠讀出信息。鐵電存儲器與閃儲器相比較，能夠以低電壓動作，且可以在節(jié)省電力的狀態(tài)下進(jìn)行高速寫入。
鐵電電容器的鐵電膜由鋯鈦酸鉛(PZT)、摻雜La的PZT(PLZT(鋯鈦酸鉛鑭))等PZT類材料、或SrBi2Ta2O9(SBT、Y1)、SrBi2(Ta、Nb)2O9(SBN、YZ)等Bi層狀結(jié)構(gòu)化合物等構(gòu)成。
以往，采用溶膠-凝膠法、濺射法或MOCVD法作為鐵電膜的成膜方法。通過這些成膜方法，在下部電極膜上形成非晶質(zhì)的鐵電膜，然后進(jìn)行熱處理，使鐵電膜向鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)晶。鐵電膜的結(jié)晶性取決于下部電極膜的結(jié)晶性和鐵電膜本身的成膜條件以及結(jié)晶條件等。因此，以往都是通過調(diào)節(jié)這些條件來實現(xiàn)鐵電膜的結(jié)晶性的提高，但是這并未能滿足近年來進(jìn)一步提高結(jié)晶性的要求。所以，無法得到具備足夠特性的鐵電電容器，而且也不能充分抑制同一芯片內(nèi)的存儲單元的性能的離散。
例如，專利文獻(xiàn)1(JP特開2003-2647號公報)中披露的一種方案是采用各種鐵電膜的組成來降低鐵電膜的結(jié)晶溫度，但是不能得到足夠滿意的結(jié)晶性。
專利文獻(xiàn)1JP特開2003-2647號公報。
發(fā)明的公開本發(fā)明的目的在于提供一種能夠得到更加均勻且良好的特性的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置是以具有半導(dǎo)體基板、形成在所述半導(dǎo)體基板的上方并具備鐵電膜的鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置為對象。并且，在本發(fā)明中，在化學(xué)式以ABO3表示的物質(zhì)中添加La作為受主元素、添加Nb作為施主元素來構(gòu)成所述鐵電膜。
另外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法中，在半導(dǎo)體基板的上方形成具備鐵電膜的鐵電電容器，此時，形成在化學(xué)式以ABO3表示的物質(zhì)中添加La作為受主元素、添加Nb作為施主元素而構(gòu)成的膜作為所述鐵電膜。
附圖的簡單說明

圖1是表示按照本發(fā)明的實施方式的方法制造的鐵電存儲器(半導(dǎo)體裝置)的存儲單元陣列的結(jié)構(gòu)的電路圖。
圖2A是按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2B是續(xù)圖2A按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2C是續(xù)圖2B按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2D是續(xù)圖2C按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2E是續(xù)圖2D按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2F是續(xù)圖2E按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2G是續(xù)圖2F按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2H是續(xù)圖2G按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2I是續(xù)圖2H按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2J是續(xù)圖2I按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2K是續(xù)圖2J按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2L是續(xù)圖2K按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2M是續(xù)圖2L按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖2N是續(xù)圖2M按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器的制造方法的斷面圖。
圖3是表示取向的面內(nèi)分布和結(jié)晶性的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖4A是表示非線性容量的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖4B是表示靜電容量的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖5A是表示P值的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖5B是表示U值的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖6是表示開關(guān)電荷量Qsw的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖7是表示矯頑電壓Vc的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖8是表示漏電流的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖9A是表示開關(guān)電荷量Qsw與差(P-U)的調(diào)查結(jié)果的圖表(不連續(xù))。
圖9B是表示開關(guān)電荷量Qsw與差(P-U)的調(diào)查結(jié)果的圖表(存儲單元陣列)。
圖10A是表示漏電流的調(diào)查結(jié)果的圖表(不連續(xù))。
圖10B是表示漏電流的調(diào)查結(jié)果的圖表(存儲單元陣列)。
圖11是表示施加電壓與開關(guān)電荷量Qsw的關(guān)系的圖表。
圖12是表示疲勞損耗的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖13是表示熱去極化作用(熱減極)的調(diào)查結(jié)果的圖表。
圖14A是表示熱處理時間與值(P-U)的關(guān)系的圖表。
圖14B是表示OS-RATE的圖表。
圖15是表示施加電壓與極化量的關(guān)系的圖表。
用于實施發(fā)明的最佳方式以下，參照附圖具體地說明本發(fā)明的實施方式，圖1是表示按照本發(fā)明的實施方式的方法制造的鐵電存儲器(半導(dǎo)體裝置)的存儲單元陣列的結(jié)構(gòu)的電路圖。
在該存儲單元陣列中，設(shè)置有沿一個方向延伸的多條位線103、以及沿垂直于位線103延伸方向的方向延伸的多條字線104和板線105。要和由這些位線103、字線104和板線105構(gòu)成的格子相匹配，本實施方式的鐵電存儲器的多個存儲單元被配置為陣列狀。在各存儲單元內(nèi)設(shè)置有鐵電電容器(存儲部)101和MOS晶體管(開關(guān)部)102。
MOS晶體管102的柵極連接在字線104上，MOS晶體管102的一方的源·漏極連接在位線103上，另一方的源·漏極連接在鐵電電容器101的一方的電極上。并且，鐵電電容器101的另一方的電極連接在板線105上。此外，各字線104和板線105由沿和它們延伸方向同一方向并排的多個MOS晶體管102所共享；同樣，各位線103由沿和其延伸方向同一方向并排的多個MOS晶體管102所共享。有時把字線104與板線105延伸方向和位線103延伸方向分別叫做行方向和列方向。但是，位線103、字線104和板線105的配置并不限定于上述的那種排列。
在這樣構(gòu)成的鐵電存儲器的存儲單元陣列中，依據(jù)被設(shè)置在鐵電電容器101內(nèi)的鐵電膜的極化狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)。
下面來說明本發(fā)明的實施方式。但是，為方便起見，這里同時說明鐵電存儲器的各存儲單元的斷面結(jié)構(gòu)及其制造方法。圖2A至圖2N是按工序表示本發(fā)明的實施方式的鐵電存儲器(半導(dǎo)體裝置)的制造方法的斷面圖。
在本實施方式中，如圖2A所示，首先在Si基板等半導(dǎo)體基板1的表面上用例如硅局部氧化(LOCOSLocal Oxidation of Silicon)法形成劃分元件活性區(qū)的元件分離絕緣膜2；然后在由元件分離絕緣膜2劃分好的元件活性區(qū)內(nèi)形成具備柵極絕緣膜3、柵極電極4、硅化物層5、側(cè)壁6以及低濃度擴(kuò)散層21和高濃度擴(kuò)散層22構(gòu)成的源·漏極擴(kuò)散層的晶體管(MOSFET)；通過例如熱氧化形成厚約100nm的SiO2膜，作為柵極絕緣膜3；接下來，在全面地形成氮氧化硅膜7，用來覆蓋住MOSFET，再全面地形成硅氧化膜8a。硅氮氧化膜7是為了防止形成硅氧化膜8a時柵極絕緣膜3等的氫退化而形成的，例如用CVD法來形成厚約700nm的TEOS(原硅酸四乙酯tetraethylorthosilicate)膜作為硅氧化膜8。
然后，在N2環(huán)境中進(jìn)行650℃、30分鐘的退火處理，進(jìn)行硅氧化膜8a的脫氣；接下來，在硅氧化膜8a上例如用濺射法形成厚約20nm的Al2O3膜8b作為下部電極密合層，此外，也可以形成厚約20nm的Ti膜或TiOx膜等作為下部電極密合層。接著，在硅氧化膜8b上形成下部電極膜9，例如用濺射法形成厚約150nm的Pt膜作為下部電極膜9。
接下來，如圖2B所示，在下部電極膜9上，在非晶狀態(tài)形成由用化學(xué)式ABO3表示的物質(zhì)構(gòu)成的鐵電膜10，例如用含有0.1摩爾％至5摩爾％的Nb、含有0.1摩爾％至5摩爾％La的(Pb，Ca，Sr，La)(Zr，Ti)O3的靶，通過RF濺射法形成厚約100nm至200nm的(Pb，Ca，Sr，La)(Zr，Ti)O3膜作為鐵電膜10。該鐵電膜10含有0.1摩爾％至5摩爾％的Nb、含有0.1摩爾％至5摩爾％的La，Nb作為施主元素被配置在用化學(xué)式ABO3表示的物質(zhì)的A處，La作為受主元素被配置在B處。然后在含有Ar和O2的環(huán)境中進(jìn)行在600℃以下的熱處理(RTARapid Thermal Annealing(快速熱退火))。其結(jié)果是，鐵電膜10結(jié)晶的同時，構(gòu)成下部電極9的Pt膜致密化，抑制了下部電極9與鐵電膜10的界面附近的Pt與O的相互擴(kuò)散。
然后，如圖2C所示，在鐵電膜10上形成上部電極膜11，在上部電極膜11的形成中，例如用濺射法形成厚約50nm的IrO1.4膜(未圖示)之后，進(jìn)行熱處理(RTA)，再形成IrO2膜(未圖示)，通過IrO1.4膜形成之后的熱處理使鐵電膜10完全結(jié)晶。
接著，進(jìn)行過背面清洗之后，通過對上部電極膜11進(jìn)行圖案成型，如圖2D所示，而形成上部電極11a。然后，在O2環(huán)境中進(jìn)行650℃、60分鐘的還原退火處理，這種熱處理是用于使在形成上部電極11a時鐵電膜10受過的物理損傷等復(fù)原。
此后，如圖2E所示，通過對鐵電膜10進(jìn)行圖案成型來形成電容絕緣膜10a，接著進(jìn)行用于防止后形成Al2O3膜剝離的氧氣退火。
接下來，如圖2F所示，用濺射法全面地形成Al2O3膜12作為保護(hù)膜，然后，為了緩和因濺射造成的損傷而進(jìn)行氧氣退火。通過保護(hù)膜(Al2O3膜12)防止來自外部的氫對鐵電電容器的侵入。
此后，如圖2G所示，進(jìn)行Al2O3膜12與下部電極膜9的圖案成型，由此來形成下部電極9a；接著進(jìn)行用于防止后形成的Al2O3膜剝離的氧氣退火。
接下來，如圖2H所示，用濺射法全面地形成Al2O3膜13作為保護(hù)膜，然后，為了降低電容器漏電而進(jìn)行氧氣退火。
此后，如圖2I所示，用高密度等離子體法全面地形成層間絕緣膜14，層間絕緣膜14的厚度例如約1.5μm。
接下來，如圖2J所示，用CMP(化學(xué)機(jī)械研磨)法進(jìn)行層間絕緣膜14的平坦化。然后，進(jìn)行使用了N2O氣體的等離子體處理，其結(jié)果是，將層間絕緣膜14的表層少許氮化，水分難以侵入其內(nèi)部。此外，只要使用含有N或O至少一方的氣體，該等離子體處理就很有效。接著在層間絕緣膜14、Al2O3膜13、硅氧化膜8b、硅氧化膜8a和氮氧化硅膜7上形成一直通到晶體管的高濃度擴(kuò)散層22的孔。然后，用濺射法在孔內(nèi)連續(xù)形成Ti膜和TiN膜，由此來形成阻擋金屬膜(未圖示)，接著再在孔內(nèi)用CVD(化學(xué)氣相沉積)法埋入W膜，再用CMP法進(jìn)行W膜的平坦化，由此來形成W芯棒15。
此后，如圖2K所示，例如用等離子體增速CVD法形成SiON膜16作為W芯棒15的氧化防止膜。
然后，如圖2L所示，在SiON膜16、層間絕緣膜14、Al2O3膜13和Al2O3膜12上形成一直通到上部電極11a的孔和一直通到下部電極9a的孔，此后，為了復(fù)原損傷而進(jìn)行氧氣退火。
接下來，如圖2M所示，用蝕刻清除法把整個面上的SiON膜16除掉，從而使W芯棒15的表面露出來；接著如圖2N所示，在上部電極11a的部分表面、下部電極9a的部分表面和W芯棒15的表面露出的狀態(tài)下，形成Al膜，通過對該Al膜進(jìn)行圖案成型而形成Al配線17。此時，例如用部分Al配線17把W芯棒15和上部電極11a或下部電極9a相互連接起來。
然后，再進(jìn)行層間絕緣膜的形成、接線柱的形成以及從下數(shù)起的第二層以后的配線的形成。并且，形成由例如TEOS氧化膜和SiN膜構(gòu)成的蓋膜之后，就完成了具有鐵電電容器的鐵電存儲器的制作。
在本實施方式中，如上所述，形成含有0.1摩爾％至5摩爾％的Nb、含有0.1摩爾％至5摩爾％的La的鐵電膜10，而且這種組成的鐵電膜10可以提高形成在其上的鐵電膜11的取向的面內(nèi)分布和結(jié)晶性，由此，能夠得到高的開關(guān)電荷量Qsw，同時能夠?qū)⒊C頑電壓和漏電流抑制得很低。
以下說明本發(fā)明人實際進(jìn)行過的試驗的結(jié)果。
(第一試驗)在第一試驗中，形成平面形狀是邊長為50μm的正方形的鐵電電容器，調(diào)查了其中的鐵電膜的取向的面內(nèi)分布和結(jié)晶性以及電氣特性(非線性容量、靜電容量、開關(guān)電荷量Qsw、矯頑電壓Vc和漏電流等)。形成了在(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3內(nèi)添加了La和Nb的膜作為鐵電膜，表1上示出了各試樣的鐵電膜中的La和Nb的含量(摩爾％)以及鐵電膜的厚度(nm)。


圖3上表示的是取向的面內(nèi)分布和結(jié)晶性的調(diào)查結(jié)果。該調(diào)查中，先形成鐵電膜，用濺射法在該鐵電膜上形成50nm厚的IrOx膜，進(jìn)行90秒鐘的RTA(熱處理)之后，用4軸X射線衍射法進(jìn)行各試樣的結(jié)晶性測定。圖3中的鎖定寬度表示(111)面的鎖定寬度，其值越小表示結(jié)晶性越好。
如圖3所示，不添加Nb的試樣No.1～No.4與添加Nb的試樣No.5～No.8相比，在試樣No.5～No.8中得到了更好的結(jié)晶性和更加均勻的面內(nèi)分布。鎖定寬度小0.4度，表示結(jié)晶性顯著提高。
圖4A和圖4B中，分別示出非線性容量和靜電容量的調(diào)查結(jié)果。在該調(diào)查中，進(jìn)行過上述的結(jié)晶性調(diào)查等之后，對上部電極膜、鐵電膜和下部電極膜進(jìn)行圖案成型，在面內(nèi)40個地方進(jìn)行了各試樣的容量測定。在非線性容量的測定中，取測定電壓為0V±10mV，靜電容量的測定中，取測定電壓為3V±10mV。圖4A和圖4B中，示出平均值(菱形的點)，同時示出最大值和最小值。圖4A和圖4B中的試樣No.9相對試樣No.6是利用RTA進(jìn)行熱處理的時間取為30秒鐘的試樣。
如圖4A和圖4B所示，La含量為3.0摩爾％的試樣No.1和試樣No.2與1.5摩爾％的試樣No.3和試樣No.4相比，在試樣No.1和試樣No.2中得到了更高的非線性容量和靜電容量。如果著眼于Nb的含量，Nb的含量越多的試樣，其非線性容量和靜電容量越高。另外，如果著眼于鐵電膜的厚度，厚度為120nm的試樣No.2、No.4、No.6、No.8和No.9中得到了比厚度為150nm的試樣No.1、No.3、No.5和No.7更高的非線性容量和靜電容量。
對于各試樣，求出了表示圖15所示的施加電壓與極化量的關(guān)系的磁滯回線，并由該磁滯回線求得各種值。這些結(jié)果均示于圖5A、圖5B和圖6中。開關(guān)電荷量Qsw是用從磁滯回線所得到的值P、U、N和D按下述算式1求得的值。
算式1Qsw=(P-U)+(N-D)2]]>試樣No.1和試樣No.2與試樣No.3和試樣No.4相比，La的含量越少，P值越大(圖5A)、U值越小(圖5B)。如果著眼于Nb的含量，Nb的含量越多的試樣，Nb含量越多，P值越小(圖5A)、U值越大(圖5B)。但是，Nb含量為0摩爾％的試樣No.3和4與Nb含量為1摩爾％的試樣No.5和No.6相比，P值與U值的差值比較小。另一方面，Nb含量為1摩爾％的試樣No.5和No.6與4摩爾％的試樣No.7和No.8相比，P值與U值的差值比較大。另外，如果著眼于鐵電膜的厚度，薄試樣No.2、No.4、No.6、No.8和No.9中得到了更高的P值與U值。
如圖6所示，試樣No.1和試樣No.2與試樣No.3和試樣No.4相比，La的含量越少的試樣，開關(guān)電荷量Qsw越高。如果著眼于Nb的含量，Nb的含量越多的試樣，開關(guān)電荷量Qsw越低。但是，Nb含量為0摩爾％的試樣No.3和4與1摩爾％的試樣No.5和No.6相比，飽和開關(guān)電荷量(施加電壓3V)的變化小，但是將施加電壓取為1.8V時的開關(guān)電荷量的變化大。另外，Nb含量為1摩爾％的試樣No.5和No.6與4摩爾％的試樣No.7和No.8相比，飽和開關(guān)電荷量和施加電壓取為1.8V時的開關(guān)電荷量的變化都大。另外，如果著眼于鐵電膜的厚度，在薄試樣No.2、No.4、No.6、No.8和No.9中，施加電壓取為1.8V時的開關(guān)電荷量高，而飽和開關(guān)電荷量小。
另外，在矯頑電壓Vc的調(diào)查中，得到施加電壓與P值的關(guān)系之后，把P值的變化對施加電壓的變化的比例最高的施加電壓設(shè)為矯頑電壓Vc，其結(jié)果示于圖7，矯頑電壓Vc越小，極性的反轉(zhuǎn)速度就越快。
如圖7所示，試樣No.1和試樣No.2與試樣No.3和試樣No.4相比，La的含量越少的試樣，矯頑電壓Vc就越高。如果著眼于Nb的含量，Nb的含量越多的試樣，矯頑電壓Vc就越小。另外，如果著眼于鐵電膜的厚度，薄試樣No.2、No.4、No.6、No.8和No.9中，矯頑電壓Vc小。
如圖8所示，試樣No.1和試樣No.2與試樣No.3和試樣No.4相比，La的含量越少的試樣，漏電流稍大。如果著眼于Nb的含量，Nb的含量越多的試樣，漏電流就越小。另外，如果著眼于鐵電膜的厚度，薄試樣No.2、No.4、No.6、No.8和No.9中，漏電流大?！?5V”的施加電壓表示以上部電極的電位為基準(zhǔn)在下部電極上施加“+5V”的電壓，“-5V”的施加電壓表示以上部電極的電位為基準(zhǔn)在下部電極上施加“-5V”的電壓。
這樣，例如不含Nb的試樣No.3和試樣No.4與含Nb的試樣No.5和試樣No.6相比，在試樣No.5和試樣No.6中，得到良好的結(jié)晶性和均勻的取向，同時開關(guān)電荷量Qsw高、矯頑電壓Vc和漏電流小。雖然通過添加La和Nb能夠降低矯頑電壓Vc和漏電流，但是這些元素的添加量越多，開關(guān)電荷量就越低。因此，這些元素的添加量最好分別為5摩爾％以下，4摩爾％以下更好。另外，在第一試驗中，形成含有施主元素Sr和Ca的鐵電膜，但是，即使不含有這些元素，而只要含有施主元素Nb，也能夠得到同樣的效果。
(第二試驗)在第二試驗中，形成平面形狀為邊長是50μm的正方形的鐵電電容器(不連續(xù))，調(diào)查其電氣特性；形成具備1428個平面形狀為長邊長是1.8μm、短邊長是1.15μm的長方形的鐵電電容器的存儲單元陣列，也調(diào)查其電氣特性。該調(diào)查在形成了配線之后進(jìn)行，形成了在(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3膜內(nèi)添加了La和Nb的膜作為鐵電膜，表2上示出了各試樣的鐵電膜中的La和Nb的含量(摩爾％)以及鐵電膜的厚度(nm)。


作為電氣特性的一種，得到施加電壓為3V的磁滯回線，由該磁滯回線求出開關(guān)電荷量Qsw和P值與U值之差(P-U)。將其結(jié)果示于圖9A和圖9B，圖9A表示不連續(xù)的結(jié)果，圖9B表示存儲單元陣列的結(jié)果。
如圖9A和圖9B所示，試樣No.12中不連續(xù)的開關(guān)電荷量Qsw比試樣No.11高出約16％，而存儲單元陣列的開關(guān)電荷量Qsw比試樣No.11高出約18％。這是因為在試樣No.12中La的含量低。
作為電氣特性的一種，測定了漏電流。將其結(jié)果示于圖10A和圖10B，圖10A表示不連續(xù)的結(jié)果，圖10B表示存儲單元陣列的結(jié)果。
如圖10A和圖10B所示，試樣No.11與試樣No.12之間，漏電流大體相同，這就意味著僅僅降低La的含量會增大漏電流，但是，因為試樣No.12中含有Nb，卻抑制了漏電流的增大?？傊?，Nb的添加抵消了La的減少。
圖11是表示存儲單元陣列中的施加電壓與開關(guān)電荷量Qsw的關(guān)系的圖表。在室溫(24℃)、-45℃和90℃的溫度下進(jìn)行極化量的測定。
對于通過在-45℃下的測定所求得的開關(guān)電荷量Qsw，在1.8V以下的施加電壓下，試樣No.11與試樣No.12之間幾乎無差別。相對于此，如果施加電壓為1.9V以上，試樣No.12中的開關(guān)電荷量Qsw更加顯著地增大。另外，對于通過在室溫下的測定所求得的開關(guān)電荷量Qsw，在1.7V以上的施加電壓下，試樣No.12中的開關(guān)電荷量Qsw更加顯著地增大。另外，對于通過在90℃下的測定所求得的開關(guān)電荷量Qsw，在1.0V以上的施加電壓下，試樣No.12中的開關(guān)電荷量Qsw更加顯著地增大。這樣，在任一個測定溫度下，試樣No.12中的開關(guān)電荷量Qsw都比試樣No.11的高。這是因為試樣No.12中La的含量更低。
圖12表示的是對存儲單元陣列的疲勞損耗的調(diào)查結(jié)果，在該調(diào)查中，取讀出電壓為3V，應(yīng)力電壓為7V，電壓的施加重復(fù)進(jìn)行2.0×108次。
開關(guān)電荷量Qsw對試樣No.12中的初始值的減少率(疲勞損耗)是12.86％。相對于此，開關(guān)電荷量Qsw對試樣No.11中的初始值的減少率(疲勞損耗)是13.56％。雖然在降低了La的含量的情況下可能會增大疲勞損耗，但是由于在試樣No.12中含有Nb，所以不出現(xiàn)這種疲勞損耗的增大。
圖13表示的是對存儲單元陣列的熱去極化作用的調(diào)查的結(jié)果，在該調(diào)查中，在室溫下進(jìn)行寫入，在各種溫度下放置1小時之后，求出室溫下進(jìn)行讀出時的P值與U值的差。如果設(shè)室溫下放置之后進(jìn)行讀出時的P-U值為100％，在250℃下放置之后進(jìn)行讀出的情況下，試樣No.11中，P-U值減少到約50％，而試樣No.12中，得到約70％的高值。也就是，在試樣No.12中，能夠把熱去極化作用抑制得更低。這是因為試樣No.11的居里溫度為約340℃，而試樣No.12的居里溫度高達(dá)約360℃。
圖14A和圖14B表示的是對存儲單元陣列的印跡特性的調(diào)查結(jié)果，圖14A中表示熱處理時間與P-U值的關(guān)系，圖14B中表示OS-RATE。但是，圖14A和圖14B中表示著各試樣中的最壞的結(jié)果。P-U值越大，裝置的邊緣(margin)就越大；OS-RATE的絕對值越小，就越難以出現(xiàn)印跡。如圖14A和圖14B所示，在試樣No.12中，得到了確保比試樣No.11更大的邊緣同時更難以出現(xiàn)印跡這樣的結(jié)果。
這樣，試樣No.12與試樣No.11相比，能夠得到高的開關(guān)電荷量Qsw，并且難以產(chǎn)生熱去極化作用和印跡。另外，在試樣No.12可以提高疲勞后的邊緣，而且能夠耐于在更加嚴(yán)酷的環(huán)境的使用。
在上述的實施方式中，制作了平面型的鐵電電容器，但是本發(fā)明也可以適用于堆疊型的鐵電電容器。這種情況下，把被連接在MOSFET等晶體管上的W芯棒等連接芯棒的一部分連接到鐵電電容器的下部電極上，在采用堆疊型的情況下，也可以進(jìn)行高溫統(tǒng)一蝕刻。
另外，構(gòu)成鐵電膜的物質(zhì)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不被限定于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，例如也可以是Bi層狀結(jié)構(gòu)。也不特別限定構(gòu)成鐵電膜的物質(zhì)的組成。例如，作為受主元素，也可以含有Pb(鉛)、Sr(鍶)、Ca(鈣)、Bi(鉍)、Ba(鋇)、Li(鋰)和/或Y(釔)；作為受主元素，也可以含有Ti(鈦)、Zr(鋯)、Hf(鉿)、V(釩)、Ta(鉭)、W(鎢)、Mn(錳)、Al(鋁)、Bi(鉍)和/或Sr(鍶)。
作為構(gòu)成鐵電膜的物質(zhì)的化學(xué)式，可列舉的例如有Pb(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti，Ta)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti，Ta)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti，Ta)O3、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O9和BaBi2Ta2O9，但是并不限定于此，其中也可以添加Si。
上部電極和下部電極的組成也不特別限定。下部電極例如也可以由Pt(鉑)、Ir(銥)、Ru(釕)、Rh(銠)、Re(錸)、Os(鋨)和/或Pd(鈀)構(gòu)成，也可以由它們的氧化物構(gòu)成；上部電極例如也可以由Pt、Ir、Ru、Rh、Re、Os和/或Pd的氧化物構(gòu)成，上部電極也可以層疊多層膜來構(gòu)成。
另外，鐵電存儲單元的構(gòu)造不限定于1T1C型，也可以是2T2C型。另外，在鐵電存儲器中，鐵電電容器本身也可以為兼用存儲部和開關(guān)部的結(jié)構(gòu)。這種情況下，就成為形成鐵電電容器來取代MOS晶體管的柵極的構(gòu)造，即，在半導(dǎo)體基板上，經(jīng)柵極絕緣膜形成鐵電電容器。
另外，也可以在邏輯電路等內(nèi)設(shè)置鐵電電容器，此時也可以構(gòu)成具備這樣的鐵電電容器的DRAM。
鐵電膜的形成方法并不特別地限定，例如，可以采用溶膠-凝膠法、有機(jī)金屬分解(MOD)法、CSD(化學(xué)溶液沉積Chemical Solution Deposition)法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法、外延成長法、濺射法、MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性如上面的詳細(xì)描述，按照本發(fā)明，能夠使鐵電膜的結(jié)晶性更加均勻且提高，其該結(jié)果是，能夠提高鐵電電容器的特性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有半導(dǎo)體基板；鐵電電容器，其形成在所述半導(dǎo)體基板的上方，并具備有鐵電膜，所述鐵電膜，是在化學(xué)式以ABO3表示的物質(zhì)中添加La作為受主元素、添加Nb作為施主元素而構(gòu)成的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電膜中的La含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電膜中的Nb含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電膜中的La含量是0.1摩爾％至5摩爾％，Nb含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述鐵電膜的物質(zhì)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)是鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)或Bi層狀結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述鐵電膜的物質(zhì)含有從由Pb、Sr、Ca、Bi、Ba、Li和Y構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素作為受主元素。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述鐵電膜的物質(zhì)含有從由Ti、Zr、Hf、V、Ta、W、Mn、Al、Bi和Sr構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素作為施主元素。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述鐵電膜的物質(zhì)的化學(xué)式用從Pb(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti，Ta)O3、(Pb，Ca)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Sr)(Zr，Ti，Ta)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti，W)O3、(Pb，Ca，Sr)(Zr，Ti，Ta)O3、SrBi2Ta2O9、Bi4Ti3O9和BaBi2Ta2O9構(gòu)成的組中選擇出來的一種表示。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述鐵電膜的物質(zhì)中還添加有Si。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電電容器具有含有從Pt、Ir、Ru、Rh、Re、Os和Pd構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素的下部電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電電容器具有含有從Pt、Ir、Ru、Rh、Re、Os和Pd構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素的氧化物的下部電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述鐵電電容器具有含有從Pt、Ir、Ru、Rh、Re、Os和Pd構(gòu)成的組中選擇出來的至少一種元素的氧化物的上部電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述上部電極層疊多層膜而構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有具備多個所述鐵電電容器的存儲單元陣列。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述存儲單元陣列的各存儲單元，具有所述鐵電電容器作為存儲部；具有被連接在所述鐵電電容器上的晶體管作為開關(guān)部。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，構(gòu)成所述存儲單元陣列的各存儲單元具有所述鐵電電容器作為存儲部和開關(guān)部。
17.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有在半導(dǎo)體基板的上方形成具備鐵電膜的鐵電電容器的工序，形成在化學(xué)式以ABO3表示的物質(zhì)中添加La作為受主元素、添加Nb作為施主元素而構(gòu)成的膜作為所述鐵電膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述鐵電膜中的La含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述鐵電膜中的Nb含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述鐵電膜中的La含量是0.1摩爾％至5摩爾％、Nb含量是0.1摩爾％至5摩爾％。
全文摘要
在半導(dǎo)體基板(1)的上方形成有具備了下部電極(9a)、鐵電膜(10a)和上部電極(11a)的鐵電電容器，鐵電膜(10a)由添加了0.1摩爾％至5摩爾％的La作為受主元素、添加了0.1摩爾％至5摩爾％的Nb作為施主元素的CSPZT構(gòu)成。
文檔編號H01L27/105GK1918704SQ200480041890
公開日2007年2月21日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者王文生 申請人:富士通株式會社