專利名稱：電容絕緣膜及其制造方法、電容元件及其制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由鐵電構(gòu)成的電容絕緣膜及其制造方法、使用了由鐵電構(gòu)成的電容絕緣膜的電容元件及其制造方法、和具有使用了由鐵電構(gòu)成的電容絕緣膜的電容元件的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，為了將以往沒(méi)有的低電壓的且能夠高速進(jìn)行寫入及讀出動(dòng)作的永久性RAM實(shí)用化，正在盛行與具有自發(fā)極化特性的鐵電膜有關(guān)的研究開(kāi)發(fā)。特別是，為了實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)格小于等于0.18μm的由CMOS構(gòu)成的LSI上裝載的兆比特級(jí)半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，必須制造具有小面積且能夠確保大容量的所謂的棧結(jié)構(gòu)的電容元件。并且，在制造具有立體型棧結(jié)構(gòu)(以下，記載為立體棧結(jié)構(gòu))的電容元件時(shí)，必須要在形成在具有凹狀或者凸?fàn)畹牡讓由系南虏侩姌O上將為電容絕緣膜的鐵電膜成膜。
并且，由于設(shè)計(jì)規(guī)格小于等于0.18μm的由CMOS構(gòu)成的LSI的電源電壓小于等于2V，因此必須加大對(duì)鐵電膜施加的電場(chǎng)。因此，必須要將鐵電膜的膜厚薄膜化，使其為大約小于等于90nm。
在立體棧結(jié)構(gòu)中，由于必須要在具有段差的下部電極上形成由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜，因此迫切要求使用段差遮蓋性優(yōu)異的CVD法來(lái)形成由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的方法的實(shí)用化。特別是，例如，公開(kāi)了下述方法(例如，參照專利文獻(xiàn)1)作為利用有機(jī)金屬汽相沉積法(以下，記為MOCVD法)，形成由ABi2B2O9(A為Sr或者Ba，B為Nb或者Ta)形成的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的方法。
向熱CVD裝置內(nèi)，導(dǎo)入使作為A及B原料的用A〔B(OR)6〕2表示的雙乙醇鹽(double ethoxide)或者雙異丙醇鹽(double isopropoxide)蒸發(fā)或者升華的氣體，同時(shí)，導(dǎo)入使作為鉍(Bi)原料的例如叔丁氧鉍或者叔五氧化鉍升華的氣體。藉此方法，在熱CVD裝置內(nèi)，向被加熱的襯底上導(dǎo)入這些原料氣體，在分解沉積后，在含臭氧的環(huán)境下進(jìn)行熱處理，形成由ABi2B2O9形成的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜。
以下，參照在專利文獻(xiàn)1中公開(kāi)的實(shí)施例，對(duì)使用了以往的MOCVD法的由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的形成方法的一個(gè)例子加以具體說(shuō)明。
向減壓熱CVD裝置體系(總壓力6.65×10-3Pa)的第1原料容器內(nèi)，充填10gSr〔Ta(OiPr)6〕2(這里，OiPr表示異丙基)，將第1原料容器保持在180℃的恒溫。并且，用90ml/min的流量向第1原料容器內(nèi)導(dǎo)入氬，將其與Sr〔Ta(OiPr)6〕2升華的蒸氣一起送到熱分解爐。同時(shí)，向減壓熱CVD裝置體系(總壓力6.65×10-3Pa)的第2原料容器內(nèi)，充填10gBi〔OC(CH3)2C2H5)3，將第2原料容器保持在80℃的恒溫。并且，用30ml/min的流量向第2原料容器內(nèi)導(dǎo)入氬，將其與Bi〔OC(CH3)2C2H5〕3升華的蒸氣一起送到熱分解爐。在熱分解爐中，Pt/SiO2/Si襯底被加熱到320℃，將上述兩種源氣體混合導(dǎo)入到該襯底上，用20分鐘，使這些源氣體分解沉積。其次，流入由20vol％的臭氧氣體和80vol％的氧氣體構(gòu)成的混合氣體，使其升溫，進(jìn)行750℃、30分鐘的熱處理。藉此方法，在襯底上形成由具有250nm的膜厚度的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜。
記載有利用XRD(X線衍射裝置)，對(duì)通過(guò)上述以往方法形成的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的結(jié)果，是構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶為SrBi2Ta2O9的內(nèi)容。并且，記載有對(duì)鐵電膜中的殘留碳成分進(jìn)行分析的結(jié)果，是在檢測(cè)靈敏度以下的內(nèi)容。而作為比較例，記載有在利用100vol％的氧氣體來(lái)代替由20vol％的臭氧氣體和80vol％的氧氣體構(gòu)成的混合氣體，這以外與上述專利文獻(xiàn)1的實(shí)施例進(jìn)行同樣的操作后，發(fā)現(xiàn)能夠獲得具有250nm的膜厚度的SrBi2Ta2O9膜，在膜中有微量的殘留碳的內(nèi)容。
專利文獻(xiàn)特開(kāi)平09-110429號(hào)公報(bào)但是，作為具備通過(guò)上述以往的方法形成的由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的電容元件的特性，不能獲得優(yōu)良的特性。特別是，當(dāng)使鐵電膜的膜厚度小于等于90nm時(shí)，由于鐵電膜的結(jié)晶取向?yàn)镃軸取向的傾向較強(qiáng)，因此其結(jié)果造成不能獲得充分的鐵電特性。本案發(fā)明者們是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出上述事實(shí)的。以下，加以詳細(xì)說(shuō)明。
在上述以往的方法中，著眼于降低鐵電膜中的殘留碳，進(jìn)行鐵電膜的成膜。為了此目的，通過(guò)對(duì)襯底進(jìn)行750℃的熱處理，來(lái)使在將具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的薄膜鐵電膜成膜時(shí)，成為結(jié)晶化的基點(diǎn)的結(jié)晶核存在于鐵電膜與其底層之間的界面附近。因此，鐵電膜的結(jié)晶化，是從鐵電膜與其底層之間的界面開(kāi)始發(fā)生的，所以能夠獲得朝著為與底層垂直的方向的C軸方向上的結(jié)晶取向較強(qiáng)的SrBi2Ta2O9膜。但是，由于此SrBi2Ta2O9膜在C軸方向不保持極化成分，因此不能獲得充分的鐵電特性。
所以，由于鐵電膜的膜厚度越薄，該膜厚度中的與底層之間的界面附近區(qū)域所占的比例越大，因此SrBi2Ta2O9膜中的C軸取向的結(jié)晶所占的比例增加。從而造成鐵電特性更低。
如上所述，在上述以往方法中，難以獲得既具有充分的極化特性又被細(xì)微化的電容元件。也就是說(shuō)，難以獲得既可對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化又具有優(yōu)良電特性的電容元件。

發(fā)明內(nèi)容
如上所鑒，本發(fā)明的目的在于提供一種即使被細(xì)微化，也具有充分的極化特性的電容絕緣膜。并且，本發(fā)明的目的在于提供一種既可對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化又具有優(yōu)良電特性的電容元件以及具有其的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜是由形成在襯底上的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜，其特征在于，鐵電膜含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜，鐵電膜在其內(nèi)部含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素。所以，由于結(jié)晶生長(zhǎng)以在鐵電膜內(nèi)部所含的發(fā)揮結(jié)晶核作用的元素為基點(diǎn)進(jìn)行生長(zhǎng)，因此該結(jié)晶生長(zhǎng)難以受到成為底層的膜的影響。因而，構(gòu)成結(jié)晶化形成的鐵電膜的結(jié)晶，不是均取向?yàn)镃軸方向，而是取向?yàn)殡S機(jī)方向。并且，由于該結(jié)晶生長(zhǎng)，與以在成為底層的膜、和鐵電膜之間的界面存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)相比，以在鐵電膜的內(nèi)部存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)為主要結(jié)晶生長(zhǎng)，因此即使鐵電膜的膜厚度較薄，也沒(méi)有在鐵電膜內(nèi)C軸取向的結(jié)晶為主要結(jié)晶的情況。從而，能夠?qū)崿F(xiàn)即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性的電容絕緣膜。特別是，當(dāng)使用有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積法(MOCVDMetal Organic Vapor Phase Deposition)或者原子層沉積法(ALDAtomic Layer Deposition)等汽相沉積法作為形成由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的方法時(shí)，能夠更顯著地獲得上述效果。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜中，若作為結(jié)晶核發(fā)揮作用的元素，或者是碳(C)元素，或者是由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物的話，則能夠很容易地使隨機(jī)方向取向的結(jié)晶從該結(jié)晶核生長(zhǎng)。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜中，最好含在鐵電膜中的碳(C)量，大于等于1×1018/cm3且小于等于1×1021/cm3。
該值較理想的理由是，當(dāng)不滿該值時(shí)，難以在鐵電膜的內(nèi)部獲得充分的結(jié)晶核，而當(dāng)在該值以上時(shí)，恐怕會(huì)因殘留在鐵電膜中的碳導(dǎo)致漏電流的增大，而產(chǎn)生絕緣被破壞的現(xiàn)象之故。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜中，最好鐵電膜，由具有用下述化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3(A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù))表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成。
這樣一來(lái)，通過(guò)將構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)方向而獲得的使極化特性改善的效果將更加顯著。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜中，最好鐵電膜，來(lái)自C面中的X線衍射峰值強(qiáng)度最大的次序面的X線衍射峰值強(qiáng)度與來(lái)自(1、1、2m+1)面的X線衍射峰值強(qiáng)度的比小于等于1。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜中，由于構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶晶粒大小，為大于等于50nm且小于等于170nm，因此結(jié)晶間的間隙變少。并且，由于抑制了構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶的結(jié)晶取向?yàn)镃軸取向的現(xiàn)象，因此抑制了成為C軸取向的結(jié)晶所特有的異常大晶粒大小那樣的結(jié)晶生長(zhǎng)。所以，實(shí)現(xiàn)了由在結(jié)晶之間間隙較少、晶粒大小幾乎相同的結(jié)晶構(gòu)成的鐵電膜，因此大大地提高了鐵電膜的應(yīng)力遷移(stress migration)耐性。
為了解決上述課題，本發(fā)明所涉及的電容元件的特征在于，包括形成在襯底上的下部電極、形成在下部電極上的電容絕緣膜、以及形成在電容絕緣膜上的上部電極。電容絕緣膜，為本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的電容元件，由于具備能夠獲得上述效果的本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜，因此實(shí)現(xiàn)了即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性的電容元件，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了能夠與設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化相對(duì)應(yīng)的電容元件。
在本發(fā)明所涉及的電容元件中，最好該電容元件，具有立體結(jié)構(gòu)。
這樣一來(lái)，能夠在小面積上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)異的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。特別是，由于主要通過(guò)汽相沉積法形成構(gòu)成立體結(jié)構(gòu)的電容元件的電容絕緣膜，如上所述，即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性，因此實(shí)現(xiàn)了既細(xì)微化又具有充分的極化特性的電容元件。
在本發(fā)明所涉及的電容元件中，最好還包括形成在襯底上的具有凸起部分的絕緣膜，下部電極沿著絕緣膜中的凸起部分形成，凸起部分中的從段差底面到頂面的高度、與凸起部分中的頂面的寬度比大于等于1。
這樣一來(lái)，由于下部電極的表面面積變大，因此在該下部電極上形成的電容絕緣膜能夠積累的電荷量變大。從而，實(shí)現(xiàn)了具有大容量且極化特性優(yōu)良的電容元件。
在本發(fā)明所涉及的電容元件中，最好還包括形成在襯底上的具有凹部的絕緣膜，下部電極沿著絕緣膜中的凹部形成，凹部中的深度、與凹部中的孔徑的比大于等于1。
這樣一來(lái)，由于下部電極的表面面積變大，因此在該下部電極上形成的電容絕緣膜能夠積累的電荷量變大。從而，實(shí)現(xiàn)了具有大容量且極化特性優(yōu)良的電容元件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的特征在于，包括包含形成在襯底上的源極區(qū)域及漏極區(qū)域的晶體管，形成在襯底上的覆蓋晶體管的層間絕緣膜，形成在層間絕緣膜中的、下端與晶體管的源極區(qū)域或者漏極區(qū)域電連接的柱塞，以及形成在層間絕緣膜上的、底部與柱塞的上端電連接的電容元件。電容元件，為本發(fā)明所涉及的電容元件。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，由于設(shè)置具有能夠獲得上述效果的本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的電容元件，因此在較小的面積上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法的特征在于，包括利用汽相沉積法，在襯底上形成前驅(qū)體膜的工序；以及通過(guò)使前驅(qū)體膜結(jié)晶化，來(lái)形成由結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)取向的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的工序。前驅(qū)體膜含有碳(C)元素，或者由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法，當(dāng)通過(guò)例如MOCVD法或者ALD法等汽相沉積法形成前驅(qū)體膜時(shí)，能夠在前驅(qū)體膜的內(nèi)部形成結(jié)晶核。所以，當(dāng)將前驅(qū)體膜結(jié)晶化形成鐵電膜時(shí)，由于結(jié)晶生長(zhǎng)以在鐵電膜的內(nèi)部存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)進(jìn)行生長(zhǎng)，因此該結(jié)晶生長(zhǎng)難以受到成為底層的膜的影響。因而，構(gòu)成被結(jié)晶化形成的鐵電膜的結(jié)晶，不是均取向?yàn)镃軸方向，而是取向?yàn)殡S機(jī)方向。并且，由于該結(jié)晶生長(zhǎng)，與以在成為底層的膜、和鐵電膜之間的界面存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)相比，以在鐵電膜的內(nèi)部存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)為主要結(jié)晶生長(zhǎng)，因此即使鐵電膜的膜厚度較薄，也沒(méi)有在鐵電膜內(nèi)C軸取向的結(jié)晶為主要結(jié)晶的情況。因此，能夠形成即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性的電容絕緣膜。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，最好前驅(qū)體膜是在襯底溫度高于等于200℃且低于等于300℃的條件下形成的。
這樣一來(lái)，能夠抑制在成為底層的膜和前驅(qū)體膜之間生成結(jié)晶核的現(xiàn)象。因而，從存在于鐵電膜的內(nèi)部的結(jié)晶核開(kāi)始的結(jié)晶生長(zhǎng)更容易變?yōu)橹饕Y(jié)晶生長(zhǎng)。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，最好前驅(qū)體膜是在非氧環(huán)境中形成的。
這樣一來(lái)，由于構(gòu)成用于汽相沉積法中的原料的碳(C)很容易殘留在前驅(qū)體膜的內(nèi)部，因此能夠在前驅(qū)體膜的內(nèi)部形成足夠量的結(jié)晶核。特別是，當(dāng)使用由有機(jī)金屬構(gòu)成的原料時(shí)，構(gòu)成有機(jī)金屬的C(碳)很容易殘留在前驅(qū)體膜的內(nèi)部。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，最好含在前驅(qū)體膜中的碳的量，為大于等于1×1019/cm3且小于等于1×1022/cm3。
這樣一來(lái)，很容易使隨機(jī)方向取向的結(jié)晶生長(zhǎng)。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，最好鐵電膜，由具有用下述化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3(A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù))表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成。
這樣一來(lái)，由于通過(guò)將構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)方向而獲得的使極化特性改善的效果更加顯著，因此能夠形成極化特性優(yōu)良的電容絕緣膜。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，最好鐵電膜，來(lái)自C面中的X線衍射峰值強(qiáng)度最大的次序面的X線衍射峰值強(qiáng)度與來(lái)自(1、1、2m+1)面的X線衍射峰值強(qiáng)度的比小于等于1。
這樣一來(lái)，由于構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶中的、朝向出現(xiàn)較大極化的結(jié)晶軸取向的結(jié)晶較多，因此極化特性被改善的效果極其顯著。
在本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜的制造方法中，由于構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶晶粒大小，為大于等于50nm且小于等于170nm，因此結(jié)晶之間的間隙較少。并且，由于抑制了構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶的結(jié)晶取向?yàn)镃軸取向的現(xiàn)象，因此抑制了成為C軸取向結(jié)晶所特有的異常大晶粒大小那樣的結(jié)晶生長(zhǎng)。所以，實(shí)現(xiàn)了由結(jié)晶之間間隙較少、晶粒大小幾乎相同的結(jié)晶構(gòu)成的鐵電膜，因此極大地提高了鐵電膜的應(yīng)力遷移耐性。
本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法的特征在于，包括在襯底上形成下部電極的工序；利用汽相沉積法，在下部電極上形成前驅(qū)體膜的工序；以及通過(guò)使前驅(qū)體膜結(jié)晶化，來(lái)形成由結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)取向的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的工序。前驅(qū)體膜含有碳(C)元素，或者由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)組成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
根據(jù)本發(fā)明的電容元件的制造方法，如上所述，能夠形成既細(xì)微化又具有充分的極化特性的電容絕緣膜。所以，能夠形成既細(xì)微化又具有充分的極化特性的電容元件，因此能夠?qū)崿F(xiàn)可與設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化相對(duì)應(yīng)的電容元件。特別是，當(dāng)下部電極由白金構(gòu)成時(shí)，其效果更加顯著。
在本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法中，最好還包括，在形成前驅(qū)體膜的工序后且形成電容絕緣膜的工序前，在前驅(qū)體膜上形成上部電極的工序。
這樣一來(lái)，當(dāng)將前驅(qū)體膜結(jié)晶化時(shí)，由于在前驅(qū)體膜上存在上部電極，因此與在前驅(qū)體膜上沒(méi)有上部電極存在的時(shí)候相比，抑制了因結(jié)晶化而朝向鐵電膜的結(jié)晶生長(zhǎng)朝著上部電極方向的體積變化。所以，能夠抑制鐵電膜的表面粗躁度，因此能夠抑制漏電流的劣化。從而，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
在本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法中，最好該電容元件，具有立體結(jié)構(gòu)。
這樣一來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)既細(xì)微化又具有充分的極化特性的電容元件。因而，能夠用小面積實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
在本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法中，最好還包括，在形成下部電極的工序前，在襯底上形成具有凸起部分的絕緣膜的工序。下部電極，沿著絕緣膜中的凸起部分形成，凸起部分中的從段差底面到頂面的高度、與凸起部分中的頂面的寬度比大于等于1。
這樣一來(lái)，由于下部電極的表面面積變大，因此在該下部電極上形成的電容絕緣膜能夠積累的電荷量變大。從而，能夠制造具有大容量且極化特性優(yōu)良的電容元件。
在本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法中，最好還包括，在形成下部電極的工序前，在襯底上形成具有凹部的絕緣膜的工序。下部電極沿著絕緣膜中的凹部形成，凹部中的深度與凹部中的孔徑的比大于等于1。
這樣一來(lái)，由于下部電極的表面面積變大，因此在該下部電極上形成的電容絕緣膜能夠積累的電荷量變大。從而，能夠制造具有大容量且極化特性優(yōu)良的電容元件。
在本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法中，最好鐵電膜，由具有用化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3(A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù))表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成。
這樣一來(lái)，通過(guò)將構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)方向而獲得的使極化特性改善的效果更加顯著。因此，能夠形成極化特性優(yōu)良的電容元件。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的特征在于，包括在襯底上形成具有源極區(qū)域及漏極區(qū)域的晶體管的工序；在襯底上形成覆蓋晶體管的層間絕緣膜的工序；在層間絕緣膜中，形成下端與晶體管的源極區(qū)域或者漏極區(qū)域電連接的柱塞的工序；以及在層間絕緣膜上形成底部與柱塞的上端電連接的電容元件的工序。電容元件，是通過(guò)本發(fā)明所涉及的電容元件的制造方法形成的。
根據(jù)本發(fā)明所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法，由于構(gòu)成半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的電容元件是使用具有上述效果的本發(fā)明的電容元件的制造方法形成的，因此能夠用小面積實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
(發(fā)明的效果)根據(jù)本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜及其制造方法，在用例如MOCVD法或者ALD法等汽相沉積法形成前驅(qū)體膜時(shí)，能夠在前驅(qū)體膜的內(nèi)部形成結(jié)晶核。所以，由于當(dāng)將前驅(qū)體膜結(jié)晶化形成鐵電膜時(shí)，結(jié)晶生長(zhǎng)以存在于鐵電膜內(nèi)部的結(jié)晶核為基點(diǎn)進(jìn)行生長(zhǎng)，因此該結(jié)晶生長(zhǎng)難以受到成為底層的膜的影響。因而，構(gòu)成被結(jié)晶化形成的鐵電膜的結(jié)晶，不是均取向?yàn)镃軸方向，而是取向?yàn)殡S機(jī)方向。并且，由于該結(jié)晶生長(zhǎng)，與以在成為底層的膜、和鐵電膜之間的界面存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)相比，以在鐵電膜的內(nèi)部存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)為主要結(jié)晶生長(zhǎng)，因此即使鐵電膜的膜厚度較薄時(shí)，也沒(méi)有在鐵電膜內(nèi)C軸取向的結(jié)晶為主要結(jié)晶的情況。因而，能夠形成即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性的電容絕緣膜。
并且，由于能夠?qū)崿F(xiàn)既細(xì)微化又具有充分的極化特性的電容元件，因此實(shí)現(xiàn)了能夠與設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化相對(duì)應(yīng)的電容元件。
并且，在小面積上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
附圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的要部剖面圖，圖1(a)為沿著字線的剖面，圖1(b)為圖1(a)的lb-lb線中的剖面。
圖2(a)～圖2(d)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
圖3(a)～圖3(d)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
圖4(a)～圖4(d)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
圖5(a)及圖5(b)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
圖6(a)及圖6(b)為用以說(shuō)明構(gòu)成本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的結(jié)晶的結(jié)晶取向原理的模式圖。
圖7為示出了構(gòu)成本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的結(jié)晶晶粒大小的分布圖。
圖8為示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的要部剖面圖。
圖9(a)～圖9(c)為示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
圖10(a)～圖10(c)為示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。
(符號(hào)的說(shuō)明)11、31-硅襯底；12、32-元件隔離區(qū)域；13a、13b、33-柵極絕緣膜；14a、14b、34-柵電極；15a、15b、15c、35-雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域；16a、36-存儲(chǔ)單元晶體管；16b-存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管；17、37-第1層間絕緣膜；18a-第1接觸柱塞；18b-第2接觸柱塞；18c-第3接觸柱塞；19-埋入型絕緣膜；20、40-下部電極；21、41-電容絕緣膜；21a、41a-前驅(qū)體膜；22、42-上部電極；23、43-電容元件；24、39-第2層間絕緣膜；25-布線層；38-柱塞；39a-開(kāi)口部。
具體實(shí)施例方式
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的各實(shí)施例加以說(shuō)明。
(第1實(shí)施例)
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜及其制造方法、電容元件及其制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其制造方法加以說(shuō)明。
第1，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜、具備該電容絕緣膜的電容元件及半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置加以說(shuō)明。
圖1(a)及圖1(b)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜、具備該電容絕緣膜的電容元件及半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖，圖1(a)為沿著字線方向的剖面結(jié)構(gòu)，圖1(b)為沿著圖1(a)的lb-lb線的剖面，也就是，示出了沿著比特線的剖面結(jié)構(gòu)。
如圖1(a)及圖1(b)所示，在由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11上，形成有存儲(chǔ)單元晶體管16a、存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b和電容元件23。以下，加以詳細(xì)說(shuō)明。
存儲(chǔ)單元晶體管16a，形成在半導(dǎo)體襯底11上的被元件隔離區(qū)域12區(qū)劃的元件形成區(qū)域中，由在半導(dǎo)體襯底11上從下開(kāi)始依次形成的柵極絕緣膜13a及柵電極14a、和形成在半導(dǎo)體襯底11的表層部的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15a構(gòu)成。并且，存儲(chǔ)單元晶體管16a，在字線方向及比特線方向形成有多個(gè)，成為矩陣狀。
并且，存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b，形成在半導(dǎo)體襯底11上的被元件隔離區(qū)域12區(qū)劃的元件形成區(qū)域中，由在半導(dǎo)體襯底11上從下開(kāi)始依次形成的柵極絕緣膜13b及柵電極14b、和形成在半導(dǎo)體襯底11的表層部的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15b及雜質(zhì)擴(kuò)散層15c構(gòu)成。而且，存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b，形成在布置在比特線方向的存儲(chǔ)單元晶體管16a的末端。
另外，各存儲(chǔ)單元晶體管16a之間、各存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b之間、以及存儲(chǔ)單元晶體管16a和存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b之間，被上述元件隔離區(qū)域12分離開(kāi)。
在半導(dǎo)體襯底11及元件隔離區(qū)域12上，形成有覆蓋存儲(chǔ)單元晶體管16a及存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b的、由具有500nm的膜厚度且被添加了磷或者硼的氧化硅膜(BPSG膜)構(gòu)成的第1層間絕緣膜17。并且，在第1層間絕緣膜17上，形成有多個(gè)與各存儲(chǔ)單元晶體管16a相對(duì)應(yīng)的電容元件23。
電容元件23，由從下開(kāi)始依次形成的下部電極20、電容絕緣膜21及上部電極22構(gòu)成，形成有多個(gè)，以使其與各存儲(chǔ)單元晶體管16a成對(duì)。下部電極20，是從下開(kāi)始依次疊層由鈦及鋁構(gòu)成的氮化物(TiAlN)、銥(Ir)和氧化銥(IrO2)而成的疊層膜，各層的膜厚度從下開(kāi)始依次為100nm、50nm及50nm～100nm。另外，可以在氧化銥(IrO2)上再疊層具有100nm左右的膜厚度的白金(Pt)。并且，下部電極20也具有發(fā)揮阻擋氧的作用。
并且，下部電極20，以形成在第1層間絕緣膜17中的第1接觸柱塞18a介在的形式，與存儲(chǔ)單元晶體管16a的雜質(zhì)擴(kuò)散層15a電連接。并且，下部電極20對(duì)于各電容元件23是一對(duì)一設(shè)置的，在各下部電極20之間，形成有由在第1層間絕緣膜17上形成的具有300nm的膜厚度的氧化硅膜構(gòu)成的埋入型絕緣膜19，各下部電極20相互絕緣。
電容絕緣膜21由為具有90nm的膜厚度的鐵電的SrBi2Ta2O9(SBT)構(gòu)成，上部電極22由具有50nm的膜厚度的氧化銥(IrO2)或者白金(Pt)構(gòu)成。并且，電容絕緣膜21及上部電極22，作為在比特線方向排列的各電容元件23所共同的電容絕緣膜21及上部電極22形成。并且，上部電極22，在沒(méi)有形成電容絕緣膜21的區(qū)域中，直接形成在下部電極20上，以下部電極20和在形成第1層間絕緣膜17中的第2接觸柱塞18b介在的形式，與存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15b電連接。
在埋入型絕緣膜19上，形成有覆蓋電容元件23的、由具有300nm的膜厚度的O3及TEOS構(gòu)成的氧化硅膜(O3-TEOS膜)形成的第2層間絕緣膜24。在第2層間絕緣膜24上，形成有含鋁(Al)的布線層25。
布線層25，以貫穿第1層間絕緣膜17、第2層間絕緣膜24和埋入型絕緣膜19形成的由鎢構(gòu)成的第3接觸柱塞18c介在的形式，與存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15c電連接。
第2，參照?qǐng)D2(a)～圖2(d)、圖3(a)～圖3(d)、圖4(a)～圖4(d)和圖5(a)及圖5(b)對(duì)本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的制造方法、使用了該電容絕緣膜的電容元件的制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法加以說(shuō)明。
圖2(a)～圖2(d)、圖3(a)～圖3(d)、圖4(a)～圖4(d)和圖5(a)及圖5(b)為示出了本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的制造方法、使用了該電容絕緣膜的電容元件的制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的主要工序剖面圖。另外，圖2(a)及圖2(c)、圖3(a)及圖3(c)、圖4(a)及圖4(c)、和圖5(a)示出了沿著字線的剖面圖，圖2(b)及圖2(d)、圖3(b)及圖3(d)、圖4(b)及圖4(d)、和圖5(b)示出了沿著比特線的剖面圖。
首先，如圖2(a)及圖2(b)(需提一下，圖2(b)為圖2(a)的llb-llb線中的剖面圖)所示，在由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11中形成由氧化硅膜構(gòu)成的元件隔離區(qū)域12。接著，在半導(dǎo)體襯底11上的被元件隔離區(qū)域12區(qū)劃的元件形成區(qū)域中，從下開(kāi)始依次形成柵極絕緣膜13a、13b和柵電極14a、14b后，在半導(dǎo)體襯底11的表層部形成雜質(zhì)擴(kuò)散層15a、15b、15c。這樣一來(lái)，由柵極絕緣膜13a、柵電極14a及雜質(zhì)擴(kuò)散層15a構(gòu)成的存儲(chǔ)單元晶體管16a，和由柵極絕緣膜13b、柵電極14b、雜質(zhì)擴(kuò)散層15b及雜質(zhì)擴(kuò)散層15c構(gòu)成的存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b，沿著比特線及字線分別僅形成所規(guī)定的數(shù)量。接著，在半導(dǎo)體襯底11，雜質(zhì)擴(kuò)散層15a、15b、15c和元件隔離區(qū)域12上，形成覆蓋各存儲(chǔ)單元晶體管16a和各存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b的由BPSG膜構(gòu)成的第1層間絕緣膜17。
其次，如圖2(c)及圖2(d)(需提一下，圖2(d)為圖2(c)的lld-lld線中的剖面圖)所示，通過(guò)對(duì)第1層間絕緣膜17進(jìn)行蝕刻，來(lái)形成使雜質(zhì)擴(kuò)散層15a露出的第1接觸孔(contact hole)和使雜質(zhì)擴(kuò)散層15b露出的第2接觸孔。接著，在第1接觸孔及第2接觸孔的內(nèi)部、和第1層間絕緣膜17上沉積鎢，然后，利用CMP法，對(duì)被沉積的鎢中的存在于第1層間絕緣膜17上的部分進(jìn)行研磨，形成多個(gè)第1接觸柱塞18a和第2接觸柱塞18b。
其次，如圖3(a)及圖3(b)(需提一下，圖3(b)為圖3(a)的lllb-lllb線中的剖面圖)所示，通過(guò)在第1層間絕緣膜17上，形成覆蓋第1接觸柱塞18a和第2接觸柱塞18b的上面的疊層膜，其中，該疊層膜是將具有100nm的膜厚度的TiAlN、具有50nm的膜厚度的銥(Ir)和具有50nm～100nm的膜厚度的氧化銥(IrO2)從下開(kāi)始依次疊層而成，然后，將該疊層膜圖案化來(lái)形成下部電極20。這里，IrO2是用有機(jī)金屬汽相沉積法(以下，記為MOCVD法)沉積的。另外，也可以在IrO2上再疊層具有100nm左右的膜厚度的Pt。接著，在第1層間絕緣膜17上的從各下部電極20之間露出的區(qū)域中，埋入由氧化硅構(gòu)成的埋入型絕緣膜19。
其次，如圖3(c)及圖3(d)(需提一下，圖3(d)為圖3(c)的llld-llld線中的剖面圖)所示，利用MOCVD法，在埋入型絕緣膜19及下部電極20上，形成由是鐵電的SBT構(gòu)成的前驅(qū)體膜21a。然后，將前驅(qū)體膜21a圖案化，以使形成在第2接觸柱塞18b上的下部電極20露出。作為利用MOCVD法形成前驅(qū)體膜21a時(shí)所用的原料，例如，可以從由Sr〔Ta(OC2H5)5(OC2H4OCH3〕2、Ta(OC2H5)5及Bi〔OC(CH3)2OCH3〕3構(gòu)成的族中選用。
這里，前驅(qū)體膜21a形成為在膜中含有成為結(jié)晶核的C(碳)元素，或者成為結(jié)晶核的碳化合物。這里，碳化合物可以由C(碳)和從H(氫)、O(氧)及N(氮)構(gòu)成的族中選出的一種或多于一種的元素構(gòu)成。
具體地說(shuō)，通過(guò)用MOCVD法，將襯底溫度保持在高于等于200℃且低于等于300℃的狀態(tài)下，沉積前驅(qū)體膜21a，能夠形成含上述結(jié)晶核的前驅(qū)體膜21a。
并且，最好是通過(guò)成為前驅(qū)體膜21a的原料的有機(jī)金屬化學(xué)反應(yīng)，為了使C(碳)很容易地殘留在該膜中，而在不含氧的例如Ar或者N2環(huán)境下(非氧環(huán)境中)，沉積前驅(qū)體膜21a。
其次，如圖4(a)及圖4(b)(需提一下，圖4(b)為圖4(a)的lVb-lVb線中的剖面圖)所示，在埋入型絕緣膜19、前驅(qū)體膜21a及露出的下部電極20上，沉積IrO2膜或者Pt膜。然后，通過(guò)將所沉積的IrO2膜或者Pt膜圖案化為所規(guī)定的形狀，來(lái)形成上部電極22。另外，IrO2膜是用MOCVD法沉積的。
其次，如圖4(c)及圖4(d)(需提一下，圖4(d)為圖4(c)的lVd-lVd線中的剖面圖)所示，在高于等于600℃且低于等于750℃的溫度下進(jìn)行決定鐵電膜中的結(jié)晶核密度的熱處理，然后，用800℃的溫度使前驅(qū)體膜21a結(jié)晶化，形成電容絕緣膜21。這樣一來(lái)，就形成了由下部電極20、電容絕緣膜21及上部電極22構(gòu)成的電容元件23。另外，結(jié)晶粒直徑(以下，記為晶粒大小)的數(shù)值范圍是由結(jié)晶核密度決定的，這次，通過(guò)在決定結(jié)晶核密度的熱處理的溫度范圍是高于等于600℃且低于等于750℃的溫度范圍下進(jìn)行熱處理，能夠?qū)⒕Я４笮≡O(shè)定在大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)。并且，通過(guò)將熱處理的溫度范圍設(shè)定為高于等于650℃且低于等于750℃，也能夠?qū)⒕Я４笮≡O(shè)定在大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)。
這里，在前驅(qū)體膜21a的結(jié)晶化中，構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶，是通過(guò)以存在于前驅(qū)體膜21a的膜中的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)形成的。由于此時(shí)的結(jié)晶生長(zhǎng)難以受到底層(下部電極20的最上層)的影響，因此結(jié)晶取向取向在不均為C軸方向的隨機(jī)方向上。另外，以后再對(duì)該原理加以詳細(xì)說(shuō)明。
其次，如圖5(a)及圖5(b)(需提一下，圖5(b)為圖5(a)的Vb-Vb線的剖面圖)所示，通過(guò)在上部電極22及埋入型絕緣膜19上，形成由O3-TEOS膜構(gòu)成的第2層間絕緣膜24后，對(duì)第2層間絕緣膜24、埋入型絕緣膜19及第1層間絕緣膜17進(jìn)行蝕刻，來(lái)形成到達(dá)存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15c的第3接觸孔。其次，通過(guò)用鎢填埋第3接觸孔，來(lái)形成第3接觸柱塞18c。之后，在第2層間絕緣膜24上，形成與第3接觸柱塞18c接觸的含鋁的布線層25。
另外，在本發(fā)明的第1實(shí)施例中，例如，如圖5(b)所示，上部電極22和第2接觸柱塞18b之間夾著下部電極20連接在一起，也可以是中間沒(méi)有下部電極20介在，使上部電極22和第2接觸柱塞18b直接連接的結(jié)構(gòu)。不過(guò)，由于前驅(qū)體膜21a的燒結(jié)是在氧環(huán)境下進(jìn)行的，因此為了不使第2接觸柱塞18b被氧化，使具有阻擋氧的作用的下部電極20介于上部電極22和第2接觸柱塞18b之間，由于較易集成化，因而更受歡迎。
并且，為了進(jìn)行上部電極22和布線層25之間的電連接，設(shè)置有存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b，也可以是不設(shè)置存儲(chǔ)單元陽(yáng)極驅(qū)動(dòng)用晶體管16b，將第2接觸柱塞18b和第3接觸柱塞18c連接在同一雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域的結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)，也可以是使雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15b和雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域15c為同一雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域的結(jié)構(gòu)。
并且，作為構(gòu)成為電容絕緣膜21的鐵電膜的元素，可以用Ca或者Ba代替Sr，也可以用任意的比率將Sr、Ca或者Ba混合。而且，可以用Nb或者V代替Ta，也可以用任意的比率將Ta、Nb或者V混合。
當(dāng)使用上述方法時(shí)，由于能夠使第2接觸柱塞18b與第1接觸柱塞18a的形成同時(shí)進(jìn)行，因此能夠排除成為因氫而造成鐵電特性劣化的原因的、形成將上部電極22和布線層25直接連接的柱塞的工序。
以下，參照?qǐng)D6(a)及圖6(b)對(duì)將構(gòu)成電容絕緣膜2l的鐵電膜的結(jié)晶形成為取向于隨機(jī)方向的方法加以詳細(xì)說(shuō)明。
例如，當(dāng)利用MOCVD法形成由鐵電構(gòu)成的前驅(qū)體膜21a時(shí)，在將前驅(qū)體膜(鐵電)21a結(jié)晶化，形成由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜21的過(guò)程中，發(fā)生以結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)，進(jìn)行前驅(qū)體膜21a的結(jié)晶化。成為結(jié)晶生長(zhǎng)的基點(diǎn)的結(jié)晶核，存在于上部電極22或者下部電極20和前驅(qū)體膜(鐵電)21a之間的界面上。并且，若在鐵電中含有雜質(zhì)的話，則雜質(zhì)作為結(jié)晶核發(fā)揮作用。這樣一來(lái)，結(jié)晶核就存在于前驅(qū)體膜21a和異種膜(異種元素)接觸的部分上。
首先，如圖6(a)所示，當(dāng)結(jié)晶核存在于下部電極20和前驅(qū)體膜21b之間的界面上時(shí)，由于以結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)，較易與底層(下部電極20的最上層)平行地生長(zhǎng)，因此構(gòu)成鐵電的結(jié)晶6a很容易取向于C軸方向。而如圖6(b)所示，由于以存在于前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)不受結(jié)晶生長(zhǎng)方向的限制，因此結(jié)晶6b～6f分別取向于隨機(jī)方向。另外，圖6(a)中的箭頭方向示出了C軸方向。
這里，在使用MOCVD法沉積前驅(qū)體膜21a時(shí)，當(dāng)將襯底溫度設(shè)為不滿200℃時(shí)結(jié)晶核的形成不充分，而將襯底溫度設(shè)為超過(guò)300℃時(shí)，在底層(下部電極20的最上層)和前驅(qū)體膜21a的界面上較易形成結(jié)晶核。因此，作為使用MOCVD法沉積前驅(qū)體膜21a時(shí)的襯底溫度，最好保持在高于等于200℃且低于等于300℃。
以下，對(duì)評(píng)價(jià)本發(fā)明的第1實(shí)施例中的由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜21的結(jié)果加以說(shuō)明。
圖7示出了對(duì)將含在電容絕緣膜21內(nèi)的C(碳)量設(shè)定為5×1021/cm3時(shí)(含在前驅(qū)體膜21a內(nèi)的C(碳)量為5×1022/cm3)的構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶的晶粒大小的分布進(jìn)行了評(píng)價(jià)的結(jié)果。另外，圖7也示出了對(duì)用以往的方法形成的鐵電膜(電容絕緣膜)進(jìn)行了相同評(píng)價(jià)的結(jié)果。并且，用以往的方法形成的鐵電膜中的C(碳)量低于等于檢測(cè)范圍。這里，C(碳)量是通過(guò)二次離子質(zhì)量分析(SIMS)法進(jìn)行評(píng)價(jià)的。并且，構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶的晶粒大小分布，是通過(guò)對(duì)鐵電膜的剖面拍攝電子掃描顯微鏡(SEM)照片來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)的。
如圖7所明確示出的，得知在用以往的方法形成的鐵電膜中，晶粒大小的分布，作為大分類，含有兩種分布。判明了較大的晶粒大小的分布相當(dāng)于C軸取向的結(jié)晶分布，并且，較小的晶粒大小的分布相當(dāng)于隨機(jī)方向取向的結(jié)晶分布。
另一方面，如圖7所明確示出的，得知在本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的鐵電膜中，晶粒大小的分布具有一種分布。判明了該晶粒大小的分布相當(dāng)于隨機(jī)方向取向的結(jié)晶分布。
基于上述評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠?qū)Я４笮『徒Y(jié)晶取向性之間的關(guān)系進(jìn)行下述說(shuō)明。
在本發(fā)明的第1實(shí)施例中，由于前驅(qū)體膜21a在其內(nèi)部含有成為結(jié)晶核的C(碳)元素或者碳化合物，因此當(dāng)通過(guò)對(duì)前驅(qū)體膜21a進(jìn)行熱處理形成電容絕緣膜21時(shí)，以前驅(qū)體膜21a中的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)，是以來(lái)自前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部的結(jié)晶生長(zhǎng)為主要結(jié)晶生長(zhǎng)的。并且，由于來(lái)自成為結(jié)晶核的C(碳)元素或者碳化合物的結(jié)晶生長(zhǎng)，如上所述，是以來(lái)自前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部的結(jié)晶生長(zhǎng)為主要結(jié)晶生長(zhǎng)的，因此能夠認(rèn)為該結(jié)晶生長(zhǎng)速度不受底層的電極等的限制，比來(lái)自存在于電極附近的結(jié)晶核的結(jié)晶生長(zhǎng)快。其結(jié)果，產(chǎn)生取向于隨機(jī)方向的結(jié)晶生長(zhǎng)。因而，得知當(dāng)為本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的鐵電膜時(shí)，由于抑制了C軸取向的結(jié)晶所特有的異常大的結(jié)晶的生長(zhǎng)，因此如圖7所示，晶粒大小分布在隨機(jī)方向取向的大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)。這樣一來(lái)，由于晶粒大小分布為大于等于50nm且小于等于170nm，因此結(jié)晶之間的間隙(空穴)變少，且抑制了成為C軸取向的結(jié)晶所特有的異常大的晶粒大小那樣的結(jié)晶生長(zhǎng)。所以，實(shí)現(xiàn)了由結(jié)晶之間間隙較少的、晶粒大小幾乎相同的結(jié)晶構(gòu)成的鐵電膜，從而大大提高了鐵電膜的應(yīng)力遷移耐性。
以下，對(duì)于本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜(鐵電膜)，用X線衍射法測(cè)定結(jié)晶軸的取向的結(jié)果加以說(shuō)明。另外，通過(guò)X線衍射法進(jìn)行的測(cè)定，是使用Cu線，在加速電壓為45kV、加速電流為40mA的條件下進(jìn)行的。
對(duì)于本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的SrBi2Ta2O9，來(lái)自是C面中的X線衍射峰值強(qiáng)度最強(qiáng)的次序面的(0、0、10)面的X線衍射峰值強(qiáng)度，與來(lái)自(1、1、5)面的X線衍射峰值強(qiáng)度的比(X線衍射強(qiáng)度比(0、0、10)/(1、1、5))小于等于1。從此結(jié)果，得知在本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜中，抑制了C軸取向，且含有很多向出現(xiàn)了較大極化的結(jié)晶軸取向的結(jié)晶。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜及其制造方法，當(dāng)用MOCVD法或者ALD法等汽相沉積法形成前驅(qū)體膜21a時(shí)，通過(guò)將結(jié)晶核形成在此前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部，能夠在將前驅(qū)體膜21a結(jié)晶化時(shí)，以形成在前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)來(lái)形成由鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜。如上所述，由于此時(shí)的結(jié)晶生長(zhǎng)難以受到底層(下部電極20的最上層)的影響，因此作為該結(jié)晶取向，能夠使其取向于不均為C軸方向的隨機(jī)方向。并且，如上所述，由于以存在于前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)，與以在成為底層的下部電極20和前驅(qū)體膜21a的界面上存在的結(jié)晶核為基點(diǎn)的結(jié)晶生長(zhǎng)相比，為主要結(jié)晶生長(zhǎng)，因此即使在形成由膜厚度較薄的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜21時(shí)，在電容絕緣膜21中也沒(méi)有C軸取向的結(jié)晶成為主要結(jié)晶的現(xiàn)象。所以，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)微且具有充分的極化特性的電容絕緣膜21。并且，由于能夠?qū)崿F(xiàn)即使被細(xì)微化也具有充分的極化特性的電容元件23，因此能夠?qū)崿F(xiàn)可與設(shè)計(jì)規(guī)格的細(xì)微化相對(duì)應(yīng)的電容元件23。而且，能夠用小面積實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性極其優(yōu)良的具有大容量的永久性半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
另外，在本實(shí)施例中，對(duì)于將含在前驅(qū)體膜21a內(nèi)的C(碳)量設(shè)為5×1022/cm3的情況(含在電容絕緣膜21內(nèi)的C(碳)量為5×1021/cm3)加以了說(shuō)明，通過(guò)將含在前驅(qū)體膜21a內(nèi)的C(碳)量設(shè)為大于等于1×1019/cm3且小于等于1×1022/cm3，能夠獲得與本實(shí)施例一樣的效果(需提一下，使含在電容絕緣膜21內(nèi)的C(碳)量大于等于1×1018/cm3且小于等于1×1021/cm3)。這里，當(dāng)C(碳)量不滿1×1019/cm3時(shí)，難以在前驅(qū)體膜21a的內(nèi)部獲得足夠量的結(jié)晶核，而當(dāng)C(碳)量超過(guò)1×1022/cm3時(shí)，很容易因殘留在電容絕緣膜(鐵電膜)中的C(碳)而使漏電流增大，發(fā)生絕緣被破壞的現(xiàn)象。
所以，能夠防止因漏電流的增加或者耐壓的低下而產(chǎn)生的不良影響且能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)良的電子遷移耐性的可靠性較高的電容元件。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高且可高集成的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
并且，在本實(shí)施例中，對(duì)于構(gòu)成電容絕緣膜21的鐵電膜是由SrBi2Ta2O9構(gòu)成的情況加以了說(shuō)明，也能夠?qū)⒕哂杏没瘜W(xué)式Am-1S2BmO3m+3(A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù))表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電膜作為電容絕緣膜21使用。并且，作為用A表示的元素，只要是從由Sr、Ca、Ba、Bi及Pb構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素就行；作為用B表示的元素，只要是從由Ti、Ta、Hf、V、W、Nb及Zr構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素就行；作為用S表示的元素，只要是從由Y、Sc、La、Sb、Cr及Tl構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素就行。
另外，在本實(shí)施例中，通過(guò)在上部電極22或者下部電極20中的與電容絕緣膜21接觸的部分上，使用IrO2、RuO2或者SrRuO3等導(dǎo)電性氧化物，來(lái)提高電極附近的界面平滑度，因此也能夠抑制在上部電極22或者下部電極20、和電容絕緣膜21之間的界面中的結(jié)晶核的產(chǎn)生。所以，構(gòu)成電容絕緣膜21的鐵電膜含有更多的隨機(jī)取向的結(jié)晶，因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有更優(yōu)良的鐵電特性的電容絕緣膜21。
(第2實(shí)施例)以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜及其制造方法、使用了該電容絕緣膜的電容元件及其制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其制造方法加以說(shuō)明。另外，在本發(fā)明的第2實(shí)施例中，如后述的例如圖8所示，對(duì)于形成具有凹型的立體結(jié)構(gòu)的電容元件的情況加以說(shuō)明。
第1，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜、使用了該電容絕緣膜的電容元件及半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)加以說(shuō)明。
圖8為示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜、使用了該電容絕緣膜的電容元件及半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的結(jié)構(gòu)的要部剖面圖，示出了沿字線方向的剖面結(jié)構(gòu)。
如圖8所示，在由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底31上，形成有一組存儲(chǔ)單元晶體管36和電容元件43。
存儲(chǔ)單元晶體管36，形成在半導(dǎo)體襯底31上的被元件隔離區(qū)域32區(qū)劃的元件形成區(qū)域中，由在半導(dǎo)體襯底31上從下開(kāi)始依次形成的柵極絕緣膜33及柵電極絕緣膜34、和形成在半導(dǎo)體襯底31上的表層部的雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域35構(gòu)成。各個(gè)存儲(chǔ)單元晶體管36之間被元件隔離區(qū)域32分離開(kāi)。
在半導(dǎo)體襯底31及元件隔離區(qū)域32上，形成有覆蓋存儲(chǔ)單元晶體管36的、具有500nm的膜厚度且由氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiN)構(gòu)成的第1層間絕緣膜37。并且，在第1層間絕緣膜37中，形成有貫穿該第1層間絕緣膜37的由鎢構(gòu)成的柱塞38。并且，在第1層間絕緣膜37上，形成有具有300nm的膜厚度的由氧化硅(SiO2)或者氮化硅(SiN)構(gòu)成的第2層間絕緣膜39。
在第2層間絕緣膜39中，形成有使第1層間絕緣膜37和柱塞38露出的開(kāi)口部39a，下部電極40形成為沿著開(kāi)口部39a的底部及側(cè)壁。下部電極40，由單層膜或者疊層膜構(gòu)成，其中，上述單層膜由Ir、IrO2、Ru、RuO2、TiAIN、TaAIN、TiSiN或TaAIN構(gòu)成，上述疊層膜含有從由Ir、IrO2、Ru、RuO2、TiAIN、TaAIN、TiSiN及TaAIN構(gòu)成的族中選出的至少一種。當(dāng)下部電極40由疊層膜構(gòu)成時(shí)，最好下部電極40具有至少含有下層膜和上層膜(與電容絕緣膜接觸的膜)的結(jié)構(gòu)，上述下層膜由作為阻擋氧的作用的膜構(gòu)成，上述上層膜由IrO2、RuO2或者SrRuO3等導(dǎo)電性金屬氧化物構(gòu)成，此時(shí)，最好與電容絕緣膜41接觸的上層膜的膜厚度為10nm～200nm。
在第2層間絕緣膜39上，形成有遮蓋形成在開(kāi)口部39a內(nèi)的下部電極40的、具有12.5nm～90nm的膜厚度且由為(BixLa1-x)4Ti3O12(BLT0≤x≤1)的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜41。
在電容絕緣膜41上，形成有具有10nm～200nm的膜厚度的由IrO2、RuO2或者SrRuO3等導(dǎo)電性氧化物構(gòu)成的上部電極42。藉此方法，形成由下部電極40、電容絕緣膜41及上部電極42構(gòu)成的電容元件43，電容元件43通過(guò)柱塞38與存儲(chǔ)單元晶體管36的雜質(zhì)擴(kuò)散層35連接。
第2，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的制造方法、使用了該電容絕緣膜的電容元件的制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法加以說(shuō)明。
圖9(a)～圖9(c)及圖10(a)～圖10(c)為示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜的制造方法、使用了該電容絕緣膜的電容元件的制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法的工序剖面圖。
首先，如圖9(a)所示，在由硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底31上的被元件隔離區(qū)域32區(qū)劃的元素形成區(qū)域中，在半導(dǎo)體襯底31上形成多個(gè)由從下開(kāi)始依次形成的柵極絕緣膜33及柵電極34、和在半導(dǎo)體襯底31的表層部形成的雜質(zhì)擴(kuò)散層35構(gòu)成的存儲(chǔ)單元晶體管36。另外，多個(gè)存儲(chǔ)單元晶體管36的每一個(gè)，被元件隔離區(qū)域32分離開(kāi)。接著，在半導(dǎo)體襯底31及元件隔離區(qū)域32上，形成覆蓋存儲(chǔ)單元晶體管36的由SiO2或者SiN構(gòu)成的第1層間絕緣膜37。接著，在第1層間絕緣膜37中，形成多個(gè)貫穿該第1層間絕緣膜37且與各存儲(chǔ)單元晶體管36的雜質(zhì)擴(kuò)散層35電連接的由鎢構(gòu)成的柱塞38。
其次，如圖9(b)所示，通過(guò)在第1層間絕緣膜37及柱塞38上形成第2層間絕緣膜39后，對(duì)第2層間絕緣膜39進(jìn)行蝕刻，來(lái)形成多個(gè)使柱塞38露出其中每一個(gè)的開(kāi)口部(凹部)39a。這樣一來(lái)，設(shè)置在第2層間絕緣膜39中的開(kāi)口部39a，就成了用以形成后述電容元件43的孔(hole)，該開(kāi)口部39a的直徑及深度只要均在0.2μm～1.0μm的范圍內(nèi)就行，為了盡量增大后述下部電極40的表面面積，以便能夠積累更多的電荷量，最好使開(kāi)口部39a中的深度與孔徑(直徑)的比大于等于1。
其次，如圖9(c)所示，在第2層間絕緣膜39上、和開(kāi)口部39a的底部及側(cè)壁上，形成沿著開(kāi)口部39a的內(nèi)面且與柱塞38接觸的由IrO2、RuO2或者SrRuO3等導(dǎo)電性金屬氧化物構(gòu)成的下部電極40。這里，構(gòu)成下部電極40的由導(dǎo)電性金屬氧化物構(gòu)成的上層是使用MOCVD法沉積的。
其次，如圖10(a)所示，使用段差遮蓋性優(yōu)良的MOCVD法，在襯底溫度為300℃的條件下，在第2層間絕緣膜39上，沉積覆蓋下部電極40的上面及側(cè)面的、是鐵電的(BixLa1-x)4Ti3O12(x滿足0≤x≤1的關(guān)系)的前驅(qū)體膜41a。作為用MOCVD法形成前驅(qū)體膜41a時(shí)的原料，例如，可以從由La〔OC(CH3)2CH2OC3H7)〕3、La(OC2H5)3、Ti(OC2H5)4、Ti〔OC(CH3)2CH2OC3H7)〕4、Ti〔OC(CH3)2CH2OCH3)〕4、Bi(C6H5)3及Bi〔OC(CH8)2CH2OCH8)〕3構(gòu)成的族中選出。
這里，前驅(qū)體膜41a形成為在其內(nèi)部含有成為結(jié)晶核的C(碳)元素、或者碳化合物。并且，作為碳化合物，可以由C(碳)和從H(氫)、O(氧)及N(氮)構(gòu)成的族中選出的一種或多于一種的元素構(gòu)成。為了形成含有這樣的結(jié)晶核的前驅(qū)體膜41a，通過(guò)用MOCVD法，將襯底溫度保持在高于等于200℃且低于等于300℃的狀態(tài)下，沉積前驅(qū)體膜41a來(lái)實(shí)現(xiàn)。
并且，為了通過(guò)成為原料的有機(jī)金屬化學(xué)反應(yīng)使C(碳)較易殘留，最好在不含氧的例如由Ar或者N2構(gòu)成的環(huán)境下(非氧環(huán)境中)，沉積前驅(qū)體膜41a。
其次，如圖10(b)所示，用MOCVD法，在前驅(qū)體膜41a上形成由IrO2、RuO2或者SrRuO3等導(dǎo)電性金屬氧化物構(gòu)成的上部電極42。
其次，如圖10(c)所示，通過(guò)用熱處理使前驅(qū)體膜41a結(jié)晶化，來(lái)形成電容絕緣膜41。這樣一來(lái)，就完成了同圖所示的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
這里，電容絕緣膜41的膜厚度，是通過(guò)調(diào)整利用MOCVD法的前驅(qū)體膜41a的沉積時(shí)間，來(lái)將其設(shè)定在12.5～90nm的范圍內(nèi)的。并且，有關(guān)晶粒大小，是通過(guò)在將前驅(qū)體膜41a成膜后，例如，在高于等于500℃且低于等于650℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行決定結(jié)晶核密度的熱處理，然后，進(jìn)行例如700℃的熱處理，來(lái)將構(gòu)成鐵電膜的結(jié)晶的晶粒大小設(shè)定在大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)的。另外，由于晶粒大小的數(shù)值范圍是由結(jié)晶核密度決定的，因此，這次，通過(guò)在決定結(jié)晶核密度的熱處理的溫度范圍是高于等于500℃且低于等于650℃的溫度范圍下進(jìn)行熱處理，能夠?qū)⒕Я４笮≡O(shè)定在大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)。并且，通過(guò)將熱處理的溫度范圍設(shè)定為高于等于600℃且低于等于650℃來(lái)進(jìn)行熱處理，也能夠?qū)⒕Я４笮?zhǔn)確地設(shè)定在大于等于50nm且小于等于170nm的范圍內(nèi)。這里，晶粒大小(結(jié)晶粒直徑)，是指電容絕緣膜41的任意剖面中的最長(zhǎng)直徑的意思。并且，通過(guò)使晶粒大小幾乎相同，還能夠更進(jìn)一步地抑制因每個(gè)結(jié)晶的晶粒大小的不同而造成的是結(jié)晶之間的間隙的空穴的產(chǎn)生。并且，由于晶粒大小大于等于50nm且小于等于170nm，因此結(jié)晶間的間隙(空穴)變少，并且，抑制了成為C軸取向的結(jié)晶中特有的異常大晶粒大小那樣的結(jié)晶生長(zhǎng)。所以，由于實(shí)現(xiàn)了由在結(jié)晶之間間隙較少的、晶粒大小幾乎相同的結(jié)晶構(gòu)成的鐵電膜，因此大大地提高了鐵電膜的應(yīng)力遷移耐性。
并且，對(duì)本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜41，與上述第1實(shí)施例一樣，通過(guò)X線衍射法對(duì)結(jié)晶軸的取向進(jìn)行評(píng)價(jià)的結(jié)果是為電容絕緣膜41的(BixLa1-x)4Ti3O12的X線衍射強(qiáng)度比(0、0、10)/(1、1、7)小于等于1。從此結(jié)果得知在本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的電容絕緣膜中，抑制了C軸取向，且含有很多向出現(xiàn)了較大極化的結(jié)晶軸取向的結(jié)晶。
根據(jù)本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的電容元件的制造方法，即使在具有剖面形狀為凹型的立體結(jié)構(gòu)的電容元件中，也能夠?qū)崿F(xiàn)與第1實(shí)施例一樣的效果。
因此，在前驅(qū)體膜41a的結(jié)晶化時(shí)，作為結(jié)晶取向，抑制了C軸取向而形成了由為隨機(jī)取向的結(jié)晶構(gòu)成的鐵電膜(電容絕緣膜41)，因而形成了鐵電特性優(yōu)良的電容元件43。所以，能夠防止因漏電流的增加或者耐壓的低下而產(chǎn)生的不良影響且能夠?qū)崿F(xiàn)具有優(yōu)良的電子遷移耐性的可靠性較高的電容元件。從而，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性高且可高集成的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置。
另外，在本實(shí)施例中，對(duì)形成剖面形狀是凹型形狀的下部電極40的情況加以了說(shuō)明，在形成剖面形狀是凸型形狀的下部電極40時(shí)，本發(fā)明也同樣能夠?qū)崿F(xiàn)。此時(shí)，最好該凸型形狀中的從段差底面到頂面的高度(距離)與凸型形狀中的頂面的寬度比(高度/寬度)大于等于1。
另外，對(duì)將上述第1及第2實(shí)施例中的電容絕緣膜作為構(gòu)成電容元件的電容絕緣膜使用的情況加以了說(shuō)明，也能夠作為設(shè)置在鐵電FET等柵電極下的柵極絕緣膜使用。
并且，在上述第1及第2實(shí)施例中，使用了有機(jī)金屬化學(xué)汽相沉積法(MOCVD法)作為段差遮蓋特性優(yōu)良的鐵電膜的形成方法，使用ALD法也能夠與本發(fā)明獲得同樣的效果。
(實(shí)用性)本發(fā)明所涉及的電容絕緣膜、電容元件及半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，具有由極化特性充分的鐵電構(gòu)成的電容絕緣膜，其結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)特性。因此，本發(fā)明對(duì)具備了由鐵電構(gòu)成的電容絕緣膜的電容元件和使用了其的半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置比較實(shí)用。
權(quán)利要求
1.一種電容絕緣膜，由形成在襯底上的鐵電膜構(gòu)成，其特征在于上述鐵電膜，含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)結(jié)晶取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容絕緣膜，其特征在于發(fā)揮上述結(jié)晶核作用的元素，或者是碳(C)元素，或者是由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容絕緣膜，其特征在于含在上述鐵電膜中的上述碳(C)量，為大于等于1×1018/cm3且小于等于1×1021/cm3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容絕緣膜，其特征在于上述鐵電膜，由具有用下述化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成，其中，A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電容絕緣膜，其特征在于上述鐵電膜，來(lái)自C面中的X線衍射峰值強(qiáng)度最大的次序面的X線衍射峰值強(qiáng)度與來(lái)自(1、1、2m+1)面的X線衍射峰值強(qiáng)度的比小于等于1。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電容絕緣膜，其特征在于構(gòu)成上述鐵電膜的結(jié)晶晶粒大小，為大于等于50nm且小于等于170nm。
7.一種電容元件，其特征在于包括形成在襯底上的下部電極、形成在上述下部電極上的電容絕緣膜、以及形成在上述電容絕緣膜上的上部電極；上述電容絕緣膜，由含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)結(jié)晶取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素的鐵電膜構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電容元件，其特征在于該電容元件，具有立體結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容元件，其特征在于還包括形成在上述襯底上的具有凸起部分的絕緣膜；上述下部電極，沿著上述絕緣膜中的上述凸起部分形成；上述凸起部分中的從段差底面到上述頂面的高度、與上述凸起部分中的頂面的寬度的比大于等于1。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電容元件，其特征在于還包括形成在上述襯底上的具有凹部的絕緣膜；上述下部電極，沿著上述絕緣膜中的上述凹部形成；上述凹部中的深度、與上述凹部中的孔徑的比大于等于1。
11.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置，其特征在于包括包含形成在襯底上的源極區(qū)域及漏極區(qū)域的晶體管，形成在上述襯底上的覆蓋上述晶體管的層間絕緣膜，形成在上述層間絕緣膜中的、下端與上述晶體管的源極區(qū)域或者漏極區(qū)域電連接的柱塞，以及形成在上述層間絕緣膜上的、底部與上述柱塞的上端電連接的電容元件；上述電容元件，由形成在上述襯底上的下部電極、形成在上述下部電極上的電容絕緣膜、以及形成在上述電容絕緣膜上的上部電極構(gòu)成；上述電容絕緣膜，由含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)結(jié)晶取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素的鐵電膜構(gòu)成。
12.一種電容絕緣膜的制造方法，其特征在于包括利用汽相沉積法、在襯底上形成前驅(qū)體膜的工序，以及通過(guò)使上述前驅(qū)體膜結(jié)晶化、來(lái)形成由結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)結(jié)晶取向的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的工序；上述前驅(qū)體膜，含有碳(C)元素，或者含有由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于上述前驅(qū)體膜，是在襯底溫度大于等于200℃且小于等于300℃的條件下形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于上述前驅(qū)體膜，是在非氧環(huán)境中形成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于含在上述前驅(qū)體膜中的上述碳量，為大于等于1×1019/cm3且小于等于1×1022/cm3。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于上述鐵電膜，由具有用下述化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成，其中，A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于上述鐵電膜，來(lái)自C面中的X線衍射峰值強(qiáng)度最大的次序面的X線衍射峰值強(qiáng)度與來(lái)自(1、1、2m+1)面的X線衍射峰值強(qiáng)度的比小于等于1。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電容絕緣膜的制造方法，其特征在于構(gòu)成上述鐵電膜的結(jié)晶晶粒大小，為大于等于50nm且小于等于170nm。
19.一種電容元件的制造方法，其特征在于包括在襯底上形成下部電極的工序，利用汽相沉積法、在上述下部電極上形成前驅(qū)體膜的工序，以及通過(guò)使上述前驅(qū)體膜結(jié)晶化、來(lái)形成由結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)取向的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的工序；上述前驅(qū)體膜，含有碳(C)元素，或者含有由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電容元件的制造方法，其特征在于還包括在上述形成前驅(qū)體膜的工序后且上述形成電容絕緣膜的工序前，在上述前驅(qū)體膜上形成上部電極的工序。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的電容元件的制造方法，其特征在于該電容元件，具有立體結(jié)構(gòu)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電容元件的制造方法，其特征在于還包括在上述形成下部電極的工序前，在上述襯底上形成具有凸起部分的絕緣膜的工序；上述下部電極，沿著上述絕緣膜中的上述凸起部分形成；上述凸起部分中的從段差底面到上述頂面的高度、與上述凸起部分中的頂面的寬度的比大于等于1。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電容元件的制造方法，其特征在于還包括在上述形成下部電極的工序前，在上述襯底上形成具有凹部的絕緣膜的工序；上述下部電極，沿著上述絕緣膜中的上述凹部形成；上述凹部中的深度、與上述凹部中的孔徑的比大于等于1。
24.根據(jù)權(quán)利要求19～23中的任意一項(xiàng)所述的電容元件的制造方法，其特征在于上述鐵電膜，由具有用下述化學(xué)式Am-1S2BmO3m+3表示的層狀鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鐵電構(gòu)成，其中，A為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的A位置的元素，B為位于鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)中的B位置的元素，S為形成層狀結(jié)構(gòu)的元素，m為2～5中的任一整數(shù)。
25.一種半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置的制造方法，其特征在于包括形成在襯底上具有源極區(qū)域及漏極區(qū)域的晶體管的工序，在上述襯底上形成覆蓋上述晶體管的層間絕緣膜的工序，在上述層間絕緣膜中、形成下端與上述晶體管的源極區(qū)域或者漏極區(qū)域電連接的柱塞的工序，以及在上述層間絕緣膜上形成底部與上述柱塞的上端電連接的電容元件的工序；上述形成電容元件的工序，具有在上述襯底上形成下部電極的工序，利用汽相沉積法、在上述下部電極上形成前驅(qū)體膜的工序，以及通過(guò)使上述前驅(qū)體膜結(jié)晶化、來(lái)形成由結(jié)晶取向?yàn)殡S機(jī)取向的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜的工序；上述前驅(qū)體膜，含有碳(C)元素，或者含有由碳(C)元素和從氫(H)元素、氧(O)元素及氮(N)元素構(gòu)成的族中選出的一種或一種以上的元素構(gòu)成的碳化合物。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種電容絕緣膜及其制造方法、電容元件及其制造方法和半導(dǎo)體存儲(chǔ)裝置及其制造方法。本發(fā)明的目的在于提供一種即使被細(xì)微化，也具有充分的極化特性的電容絕緣膜。電容絕緣膜，為由形成在半導(dǎo)體襯底11上的鐵電膜構(gòu)成的電容絕緣膜21；鐵電膜，含有發(fā)揮使結(jié)晶取向成為隨機(jī)結(jié)晶取向的結(jié)晶生長(zhǎng)的結(jié)晶核作用的元素。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1779976SQ200510113698
公開(kāi)日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月24日
發(fā)明者林慎一郎, 那須徹 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社