專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制造方法以及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體裝置的制造方法以及半導(dǎo)體裝置，特別是，涉及 一種具有鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置的制造方法以及半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
近年來，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，對大容量的數(shù)據(jù)進行高速處理或保存的 傾向越來越高。因而，要求使用于電子設(shè)備的半導(dǎo)體裝置的高集成化和高性 能化。
對于半導(dǎo)體存儲裝置，為了實現(xiàn)例如DRAM (動態(tài)隨機存取存儲器， Dynamic Random Access Memory)的高集成化，開始研究使用鐵電材料或高 介電常數(shù)材料作為其電容絕緣膜以代替以往的氧化硅(SiO)膜、氮化硅(SiN) 膜的技術(shù)。
以往，作為切斷電源也不會丟失存儲信息的非易失性存儲裝置，已知有 閃存裝置以及FeRAM (鐵電隨機存取存儲器，F(xiàn)erro-electric Random Access Memory)。
閃存裝置具有在絕緣柵型場效應(yīng)晶體管(IGFET)的柵極絕緣膜中埋設(shè) 有浮柵的結(jié)構(gòu)，通過在其浮柵中蓄積電荷來存儲信息。信息的寫入/清除需要 流通通過絕緣膜的通道電流，且需要較高的電壓。
FeRAM使用鐵電膜作為其電容絕緣膜，且具有以一對電極夾著其鐵電 膜的鐵電電容器。鐵電電容器根據(jù)電極間的外加電壓產(chǎn)生極化，即使解除外 加電壓也具有自極化。若使外加電壓的極性反轉(zhuǎn)，則自極化的極性也將反轉(zhuǎn)。 檢測該自極化，從而讀取信息。與閃存裝置相比，F(xiàn)eRAM是以低電壓進行 動作，因而能夠省電且高速地寫入，正在探討采用了 FeRAM的SOC (系統(tǒng) 級芯片，System On Chip)在IC卡上的用途等。
作為在FeRAM中使用的的鐵電膜，使用例如鋯鈦酸鉛(PZT)、鉭酸 鍶鉍(SrBi2Ta209)等鉍層狀結(jié)構(gòu)化合物。其形成采用溶膠-凝膠法、濺射法、 MOCVD (金屬有機化學(xué)氣相淀積，Metal Organic Chemical Vapor Deposition)
5法等。在鐵電膜的形成中使用溶膠-凝膠法的情況下以及使用濺射法的情況 下，通常，首先在下部電極上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的鐵電膜，然后通過熱處 理將結(jié)晶結(jié)構(gòu)改變?yōu)殁}鈦礦結(jié)構(gòu)或鉍層狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用MOCVD法形成鐵電 膜時，由于在高溫下形成，因此在其形成過程中得到鈣鈦礦結(jié)構(gòu)、鉍層狀結(jié) 構(gòu)的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
另外，作為鐵電電容器的電極，必須使用難以氧化的材料或氧化后也能
夠保持導(dǎo)電性的材料，通常廣泛使用鉑(Pt)、銥(Ir)、氧化銥(IrOx)等 鉑族系金屬或其氧化物。
另外，作為FeRAM的布線材料，通常與普通的半導(dǎo)體裝置同樣使用鋁 (Al)。
FeRAM也與其他半導(dǎo)體裝置同樣要求進一步的高集成化和高性能化， 且今后必須減小單元的面積。FeRAM的結(jié)構(gòu)大體上分為平面(planer)結(jié)構(gòu) 和堆疊結(jié)構(gòu)的兩種，但采用堆疊結(jié)構(gòu)對減小單元面積較為有效。在堆疊結(jié)構(gòu) 的FeRAM中，在與晶體管的源極/漏極區(qū)域相連接的插件正上方，依次層疊 阻擋金屬、下部電極、鐵電膜以及上部電極，由此形成鐵電電容器。阻擋金 屬起到防止插件氧化的作用。近年來，很多情況下下部電極也兼有阻擋金屬 的功能，因此越來越無法將它們明確地區(qū)分開，但相當(dāng)于阻擋金屬和下部電 極的部分中使用氮化鈦(TiN)、氮化鈦鋁(TiAlN) 、 Ir、 Ir02、 Pt以及釕 酸緦(SrRu03 (SRO))等材料。
為了形成電特性好且產(chǎn)品成品率高的FeRAM，重要的是控制用于構(gòu)成 其鐵電電容器的鐵電膜的取向，以盡量使其均勻。并且，該鐵電膜的取向?qū)?其基底的下部電極的取向影響很大。因此，通過控制下部電極的取向使其盡 量均勻，能夠提高形成于該下部電極上的鐵電膜的取向性。
此外，以往提出了如下的兩種方法，即，相當(dāng)于下部電極和阻擋金屬的 部分使用例如Ir02 (30nm) /Ir (30nm) /Ti (30nm) /TiN (50nm)層疊結(jié)構(gòu) 的方法(參照專利文獻1);或者以降低鐵電電容器的漏電流為目的，下部 電極使用Pt/PtCyirCVIr層疊結(jié)構(gòu)的方法(參照專利文獻2)。
另外，還提出了如下的兩種方法，即，在使用Ir和IrOx來形成下部電極 時，通過濺射法以40(TC 550。C溫度形成Ir膜，以53(TC 55(TC溫度形成 IrOx的方法(參照專利文獻3);或者使用以X射線衍射強度表示的IrCVIr
6為10以上的IrOj莫的方法(參照專利文獻4)。進而，還提出了以濺射法連 續(xù)形成Ir02/Ir層疊結(jié)構(gòu)的方法(參照專利文獻5);或者以提高PZT膜的取 向性為目的，分別在以450。C以上的溫度形成Ir膜且以300。C以上的溫度形 成Ir02膜后，進而以350°C以上的溫度進行熱處理的方法(參照專利文獻6)。
另外，還提出了 (1)在Ir膜上形成IrCy莫的方法；(2)在Ir膜上形 成結(jié)晶Ir02膜，且在該Ir02膜上形成非結(jié)晶的Ir02+膜，從而在利用MOCVD 法形成PZT膜時使該非結(jié)晶的Ir02膜還原后，使其再次氧化的方法；(3) 在Ir膜上形成氧氣添加Ir膜的方法；(4)在Ir膜上形成1]"02膜，且在該Ir02 膜上形成Ir膜，從而在利用MOCVD法形成PZT膜時使氧氣在該Ir膜上擴 散的方法等(參照專利文獻7 14)。
另外，還提出了如下的方法，即，在形成Ir膜后，進行熱氧化，從而在 其表層部形成結(jié)晶Ir02膜，在利用MOCVD法來形成PZT膜時使該IrOj莫 形成為非結(jié)晶Ir膜的方法(參照專利文獻15)。
另外，還提出了作為上部電極形成非結(jié)晶IrOj莫，或在上部電極上形成 非結(jié)晶IrOj莫，從化學(xué)或機械的劣化保護PZT膜的方法(參照專利文獻16)
專利文獻l: JP特開2005-159165號公報 專利文獻2: JP特開2003-197874號公報 專利文獻3: JP特開2001-237392號公報 專利文獻4: JP特開2002-151656號公報 專利文獻5: JP特開2000-91270號公報 專利文獻6: JP特開2003-68991號公報 專利文獻7: JP特開2003-282844號公報 專利文獻8:美國專利第6500678號說明書 專利文獻9:美國專利第6528328號說明書 專利文獻10:美國專利第6548343號說明書 專利文獻ll:美國專利第6596547號說明書 專利文獻12:美國專利第6635497號說明書 專利文獻13:美國專利第6686236號說明書 專利文獻14:美國專利第6872669號說明書專利文獻15: JP特開2004-253627號公報 專利文獻16: JP特開2002-261251號公報
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題
例如，考慮由Ir膜構(gòu)成下部電極，并在該Ir膜上采用MOCVD法形成 PZT膜，以作為鐵電膜的情況。
在采用MOCVD法形成PZT膜的情況下，通常以600°C以上的高溫進行 PZT膜的形成。此時，首先，將直至進行到控制了取向的Ir膜形成工序的晶 片安置在腔室(chamber)中，在氬(Ar)氣環(huán)境或氧氣(02)環(huán)境下，升 溫到目的溫度，然后，將原料氣體導(dǎo)入腔室中，在Ir膜上形成PZT膜。從 其生產(chǎn)率和極化的觀點來考慮，最好使PZT膜在(111)面上優(yōu)先取向。因 此，最好預(yù)先使其基底的Ir膜在(111)面上優(yōu)先取向。
但是，在采用MOCVD法形成PZT膜時，若在氬氣環(huán)境中進行升溫， 則在所形成的PZT膜上除了生成(111)面以外，還生成(100)面和(101) 面，從而降低了 (111)面的取向率，其結(jié)果，導(dǎo)致鐵電電容器的電特性(轉(zhuǎn) 換電荷量)降低的問題。
另外，在采用MOCVD法形成PZT膜時，若在氧氣環(huán)境中進行升溫， 也存在如下的一些問題點。即，首先作為第一個問題點，當(dāng)在多個晶片上連 續(xù)進行PZT膜的形成時，容易在多個晶片之間產(chǎn)生其(111)面(或(222) 面)的取向率偏差的問題點。
在此，圖40 圖43是表示對形成于多個晶片上的各PZT膜的取向進行 調(diào)查的結(jié)果的圖，圖40是表示晶片中心部的PZT(111)面的積分強度的圖， 圖41是表示晶片周邊部的PZT (111)面的積分強度的圖，圖42是表示晶 片中心部的PZT(222)面的取向率的圖，圖43是表示晶片周邊部的PZT(222) 面的取向率的圖。
另夕卜，PZT (222)面的取向率是根據(jù)下式(1)來計算。
PZT (222)面的取向率(％) = {PZT (222)面的積分強度} / {PZT (100)面的積分強度+PZT (101)面的積分強度+PZT (222)面的積分強度)
x勵…(1)在該式(l)中，根據(jù)采用了X射線衍射裝置的測定結(jié)果求出PZT(222) 面(PZT (111)面)的積分強度、PZT (100)面以及PZT (101)面的積分強度。
在采用MOCVD法在多個晶片上連續(xù)形成PZT膜時，若在氧氣環(huán)境下 進行升溫，則如圖40以及圖41所示，無論在晶片的中心部還是周邊部，在 多個晶片之間PZT (111)面的積分強度均存在較大的偏差。如圖42以及圖 43所示，PZT (222)面的取向率不穩(wěn)定且較低，特別是在晶片周邊部極低。
并且，作為在采用MOCVD法形成PZT膜，并在氧氣環(huán)境下進行升溫 時的第二問題點，容易使所形成的PZT膜的表面變得粗糙。特別是在晶片周 邊部容易產(chǎn)生非常大的表面粗糙，容易產(chǎn)生所謂的白濁。
發(fā)生這些問題的原因在于，在氧氣(02)環(huán)境中進行升溫時，由于該氧 氣，下部電極的Ir膜發(fā)生氧化的緣故。從原理上講，經(jīng)氧化形成的IrOj莫可 根據(jù)升溫后接著導(dǎo)入的原料氣體中的溶劑成分(例如四氫呋喃(THF)、乙 酸丁酯等)再次還原為Ir。但是，在氧氣環(huán)境的升溫過程中，容易產(chǎn)生Ir膜 的異常氧化，當(dāng)通過該異常氧化而形成的IrOx被原料氣體中的溶劑成分還原 時，會使還原后的Ir膜的取向惡化，或者不能夠使其完全還原，其結(jié)果，導(dǎo) 致形成于其上的PZT膜的取向惡化。
以往，提出了在Ir膜上形成結(jié)晶IrOj莫的方法，但留下了如下的課題， 即，在采用MOCVD法形成PZT膜的情況下，在該形成時難以使結(jié)晶IrOx 膜均勻地還原，或者無法完全還原為Ir，使PZT (111)面的取向分布在晶 片面內(nèi)或晶片之間發(fā)生偏差，無法穩(wěn)定地確保規(guī)定等級以上的取向率。
本發(fā)明是鑒于上述問題點而完成的，其目的在于，提供一種半導(dǎo)體裝置 的制造方法，根據(jù)該方法，能夠穩(wěn)定地形成具有高特性且可靠性優(yōu)異的鐵電 電容器的半導(dǎo)體裝置。另外，本發(fā)明的目的還在于提供具有該鐵電電容器的 半導(dǎo)體裝置。
解決課題的方法
在本發(fā)明中，為了解決上述課題，提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其 是具有鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有形成與晶 體管電連接的第一金屬膜的工序；在所述第一金屬膜上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜的工序；還原所述金屬氧化膜以作為第二金屬膜，并且在所述
第二金屬膜上形成鐵電膜的工序；以及在所述鐵電膜上形成導(dǎo)電膜的工序。
根據(jù)該半導(dǎo)體裝置的制造方法，在與晶體管電連接的第一金屬膜上形成金屬氧化膜，還原該金屬氧化膜以作為第二金屬膜，并且在該第二金屬膜上形成鐵電膜。并且，在鐵電膜上形成導(dǎo)電膜，以構(gòu)成鐵電電容器。第一、第二金屬膜作為下部電極來發(fā)揮作用。成為第二金屬膜的金屬氧化膜為非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜，容易被均勻地還原，在第一金屬膜上能夠形成取向性良好的第二金屬膜，由此可在第二金屬膜上形成取向性良好的鐵電膜。
另外，在本發(fā)明中，為了解決所述課題，提供一種半導(dǎo)體裝置，其是具
有鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，具有與晶體管電連接的第一金屬膜；形成在所述第一金屬膜上，且結(jié)晶粒徑小于所述第一金屬膜的結(jié)晶粒徑的第二金屬膜；形成在所述第二金屬膜上的鐵電膜；以及形成在所述鐵電膜上的導(dǎo)電膜。
根據(jù)該半導(dǎo)體裝置，以小于第一金屬膜的結(jié)晶粒徑形成第二金屬膜，并在該第二金屬膜上形成鐵電膜，進而形成導(dǎo)電膜。由于在該第二金屬膜上形成取向性良好的鐵電膜，因此能夠?qū)崿F(xiàn)鐵電電容器的性能和可靠性的提高。
發(fā)明的效果
在本發(fā)明中，在與晶體管電連接的第一金屬膜上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜，在由該金屬氧化膜還原而形成的第二金屬膜上形成鐵電膜，并在該鐵電膜上形成導(dǎo)電膜，從而構(gòu)成半導(dǎo)體裝置的鐵電電容器。由此，能夠穩(wěn)定地形成具有取向性良好的鐵電膜的鐵電電容器。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)具有鐵電電容器的高性能并且高可靠性的半導(dǎo)體裝置。
通過表示本發(fā)明優(yōu)選實施方式的附圖和相關(guān)的以下說明，能夠進一步明確本發(fā)明的上述目的和其他目的、特征以及優(yōu)點。
圖1是表示鐵電電容器的形成流程之一實例的圖。
圖2是直至進行到下部電極基底形成后的主要部分剖面示意圖。
圖3是下部電極用金屬膜形成工序的主要部分剖面示意圖。圖4是下部電極用金屬氧化膜形成工序的主要部分剖面示意圖。圖5是鐵電膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
圖6是上部電極形成工序的主要部分剖面示意圖。圖7是鐵電電容器圖案成形用硬掩模形成工序的主要部分剖面示意圖。圖8是鐵電電容器圖案成形工序的主要部分剖面示意圖。圖9是保護膜形成工序的主要部分剖面示意圖。圖IO是直至進行到布線層的形成后的主要部分剖面示意圖。圖11是表示IrOx膜的形成溫度與PZT(100)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖12是表示IrOj莫的形成溫度與PZT(101)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖13是表示IrOj莫的形成溫度與PZT(111)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖14是表示IrOj莫的形成溫度與PZT (222)面的取向率的關(guān)系的圖。圖15是表示IrOj莫的形成溫度與PZT (111)面的搖擺曲線半峰寬的關(guān)系的圖。
圖16是表示IrOj莫的形成溫度與PZT膜形成后的Ir (111)面的積分強度的關(guān)系的圖。
圖17是表示IrOj莫的膜厚與PZT (100)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖18是表示IrOj莫的膜厚與PZT (101)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖19是表示IrOj莫的膜厚與PZT (111)面的積分強度的關(guān)系的圖。圖20是表示IrOj莫的膜厚與PZT (222)面的取向率的關(guān)系的圖。圖21是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (100)面的積分強度的關(guān)系的圖。
圖22是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (101)面的積分強度的關(guān)系的圖。
圖23是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (111)面的積分強度的關(guān)系的圖。
圖24是表示IrOx膜形成時的氧氣比率與PZT (222)面的取向率的關(guān)系的圖。
圖25是升溫前后的IrOj莫的X射線衍射數(shù)據(jù)。圖26表示PZT膜的X射線衍射數(shù)據(jù)。圖27表示BF-STEM圖像。圖28表示EDX光譜。
圖29是表示多個晶片的PZT (111)面的積分強度的圖。
圖30是表示多個晶片的PZT (222)面的取向率的圖。
圖31是直至進行到第二實施方式的膠膜和W插件的形成后的主要部分
剖面示意圖。
圖32是第二實施方式的基底導(dǎo)電膜形成工序的主要部分剖面示意圖。圖33是第二實施方式的FeRAM的主要部分剖面示意圖。圖34是表示轉(zhuǎn)換電荷量的測定結(jié)果的圖(之一)。圖35是表示轉(zhuǎn)換電荷量的測定結(jié)果的圖(之二)。圖36是表示轉(zhuǎn)換電荷量的測定結(jié)果的圖(之三)。圖37是表示漏電流密度的測定結(jié)果的圖。圖38是第三實施方式的FeRAM的主要部分剖面示意圖。圖39是第四實施方式的FeRAM的主要部分剖面示意圖。圖40是表示晶片中心部的PZT (111)面的積分強度的圖。圖41是表示晶片周邊部的PZT (111)面的積分強度的圖。圖42是表示晶片中心部的PZT (222)面的取向率的圖。圖43是表示晶片周邊部的PZT (222)面的取向率的圖。
附圖標記說明
1 Si基板
2 STI
3 P阱
4a、 4b柵極絕緣膜
5a、 5b 柵電極
6a第一源極/漏極延伸區(qū)域
6b第二源極/漏極延伸區(qū)域
9a、 9b 側(cè)壁
10a第一源極/漏極區(qū)域
10b第二源極/漏極區(qū)域
12 蓋絕緣膜13第一層間絕緣膜
14a、14b、 18、 46a、 46b、 70膠膜
15a、15b、 19、 47a、 47b、 71w插件
16、21抗氧化膜
17第二層間絕緣膜
20基底導(dǎo)電膜
30、31a、 50a、 50b Ir膜
31IrOj莫
32、51 PZT膜
33上部電極
40硬掩模
40a第一掩模層
40b第二掩模層
41第一 ALO膜
42第二 ALO膜
43第三層間絕緣膜
44阻擋膜
45第四層間絕緣膜
48、72 布線
48a、48c、 72a、 72c TiN/Ti層疊膜48b、72b AlCu合金膜
50下部電極
60凹部
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細說明。圖1是表示鐵電電容器的形成流程之一實例的圖。
鐵電電容器包括與形成于半導(dǎo)體基板上的晶體管電連接(例如形成在與晶體管相連接的插件(plug)上)的下部電極、形成在該下部電極上的鐵電膜以及形成在該鐵電膜上的上部電極。在形成該鐵電電容器時，在此，首先形成用于構(gòu)成該下部電極的一部分(下層部)的金屬膜(第一金屬膜)(步驟S1)。以規(guī)定的結(jié)晶面優(yōu)先取向的條件形成該第一金屬膜。
作為第一金屬膜，可以采用例如銥(Ir)、銠(Rh)、鈀(Pd)、釕(Ru)
等貴金屬膜、或?qū)⒃撡F金屬膜層疊兩層以上而成的金屬膜?；蛘?，也可以采
用包含Ir、 Rh、 Pd、 Ru中的兩種以上金屬的合金膜、或?qū)⒃摵辖鹉盈B兩層以上而成的金屬膜。
在形成第一金屬膜后，在該第一金屬膜上同樣地形成用于構(gòu)成下部電極的一部分(上層部)的金屬氧化膜(步驟S2)。
作為金屬氧化膜，可以采用例如Ir、 Rh、 Pd、 Ru等的貴金屬氧化膜、或?qū)⒃撡F金屬氧化膜層疊兩層以上而成的金屬氧化膜?；蛘?，也可以采用包含Ir、 Rh、 Pd、 Ru中的兩種以上的合金氧化膜、或?qū)⒃摵辖鹧趸盈B兩層以上而成的金屬氧化膜。
并且，在該步驟S2中，在第一金屬膜上形成金屬氧化膜時，以薄于其基底的第一金屬膜規(guī)定膜厚的條件形成非結(jié)晶或微結(jié)晶(多結(jié)晶)的金屬氧化膜。另外，在本發(fā)明中，將非結(jié)晶與結(jié)晶?；煸谝黄鸬牟煌耆Y(jié)晶狀態(tài)稱為微結(jié)晶。
在形成金屬氧化膜后，采用MOCVD法形成鐵電膜(步驟S3)。
作為鐵電膜材料，除了 PZT以外，還可以使用摻入了 La的PZT(PLZT);摻入了微量的f丐(Ca)、鍶(Sr)、硅(Si)等的PZT系材料；SBT或鉭酸鈮酸鍶鉍(SrBi2 (Ta、 Nb) 209 (SBTN))等鉍(Bi)層狀結(jié)構(gòu)化合物等。
在使用MOCVD法進行的鐵電膜的形成中，將直至進行到下部電極的第一金屬膜和金屬氧化膜的形成的晶片安置于腔室中，在規(guī)定的環(huán)境下升溫到規(guī)定的溫度，然后，將鐵電膜的原料氣體導(dǎo)入該腔室。該原料氣體中含有TFT、乙酸丁酯等鐵電膜原料的溶劑成分。
升溫后若將該原料氣體導(dǎo)入腔室中，則由于該原料氣體中的溶劑成分使下部電極上層部的金屬氧化膜還原，其結(jié)果，最終能夠得到在下部電極下層部的第一金屬膜上還層疊其他金屬膜(第二金屬膜)的結(jié)構(gòu)。另外，在之后或與此同時，在該第二金屬膜上通過原料氣體中的原料成分形成鐵電膜。
在該鐵電膜的形成過程中，由于金屬氧化膜以非結(jié)晶或微結(jié)晶的狀態(tài)形成，因而容易被原料氣體中的溶劑成分均勻地還原。關(guān)于金屬氧化膜的膜厚， 事先設(shè)定為能夠在該鐵電膜的形成過程中完全被還原的膜厚。另外，通過該 還原最終獲得的第二金屬膜的結(jié)晶粒徑小于其下的第一金屬膜的結(jié)晶粒徑。
在所述步驟Sl的第一金屬膜形成階段以及所述步驟S2的金屬氧化膜形 成階段，預(yù)先適當(dāng)?shù)卦O(shè)定它們的形成條件，以能夠獲得例如規(guī)定結(jié)晶狀態(tài)的 第一金屬膜以及規(guī)定膜厚的金屬氧化膜。由此，在該步驟S3的鐵電膜形成 階段中，通過還原能夠獲得取向性良好的第二金屬膜。因此，形成于該第二 金屬膜上的鐵電膜具有非常良好的取向性。進而，也能夠提高晶片面內(nèi)的取 向分布以及晶片之間的再現(xiàn)性。
另夕卜，在上述的采用MOCVD法形成鐵電膜后，為了達到該鐵電膜表面 的平坦化，根據(jù)需要，還可以使用濺射法等形成其他的鐵電膜。
在形成鐵電膜后，在該鐵電膜上形成作為上部電極的規(guī)定的導(dǎo)電膜(步 驟S4)。
然后，對具有第一和第二金屬膜的層疊結(jié)構(gòu)的下部電極、鐵電膜以及上 部電極的層疊體進行圖案成形、保護膜(氫或水分的阻擋膜(block layer))形 成(步驟S5)，以構(gòu)成鐵電電容器。
然后，依照常用方法，進行層間絕緣膜、插件以及布線等的形成來完成 FeRAM即可。另外，通常，在適當(dāng)?shù)碾A段對鐵電電容器的鐵電膜實施規(guī)定 的熱處理，以達到使在FeRAM的形成過程所受到的損傷復(fù)原等目的。
根據(jù)如圖l所示的鐵電電容器的形成流程，能夠提高下部電極及該下部 電極上的鐵電膜的取向性。進而，能夠提高晶片面內(nèi)的取向分布，還能夠抑 制晶片之間的偏差。因此，能夠獲得轉(zhuǎn)換電荷量高且可靠性高的鐵電電容器。 另外，由此能夠?qū)崿F(xiàn)具有高性能和高可靠性的FeRAM。
以下，具體說明利用上述原理的FeRAM的形成例。
首先，對第一實施方式進行說明。
圖2 圖10是FeRAM的各形成工序的說明圖。以下，按順序進行說明。 圖2是直至進行到下部電極基底的形成后的主要部分剖面示意圖。 首先，在n型或p型的Si基板l上，形成用于區(qū)劃晶體管的活性區(qū)域的 STI (淺溝槽隔離，Shallow Trench Isolation) 2。另外，也可以采用LOCOS (區(qū)域硅氧化法，Local Oxidation of Silicon)法形成元件分離區(qū)域，以代替STI2。
接著，在Si基板l的活性區(qū)域中導(dǎo)入p型雜質(zhì)來形成p阱3后，對其活 性區(qū)域的表面進行熱氧化。熱氧化后，在其整個表面形成非結(jié)晶或多結(jié)晶的 Si膜，并形成圖案，從而形成柵極絕緣膜4a、 4b以及柵電極5a、 5b。
接著，以柵電極5a、 5b作為掩模來進行n型雜質(zhì)的離子注入，在各柵 電極5a、 5b兩側(cè)的Si基板1上形成第一、第二源極/漏極延伸區(qū)域6a、 6b。 然后，使用CVD法在整個面上形成SiO膜等絕緣膜后，對該SiO膜等進行 蝕刻，從而在各柵電極5a、 5b上形成側(cè)壁9a、 9b。并且，以柵電極5a、 5b 和側(cè)壁9a、 9b作為掩模進行n型雜質(zhì)的離子注入，在柵電極5a、 5b兩側(cè)的 Si基板l上形成第一、第二源極/漏極區(qū)域10a、 10b。
通過至此的工序，在Si基板1的活性區(qū)域上形成兩個MOS(Metal Oxide Semiconductor)晶體管。
接著，通過濺射法在整個面上形成鈷(Co)等高熔點金屬膜，并對該金 屬膜進行加熱，使第一、第二源極/漏極區(qū)域10a、 10b以及柵電極5a、 5b的 表面硅化。然后，通過等離子CVD法，在整個面上形成膜厚200nm的氮氧 化硅(SiON)膜，以形成蓋絕緣膜12，在該蓋絕緣膜12上，通過使用了四 乙氧基硅垸(TEOS)氣體的等離子CVD法，形成膜厚1000nm的SiO膜(第 一層間絕緣膜)13。并且，通過CMP (化學(xué)機械研磨，Chemical Mechanical Polishing)法，對該第一層間絕緣膜13的上表面進行研磨以使其平坦化。另 外，在進行所述平坦化后，第一層間絕緣膜13的膜厚是從Si基板l的平坦 面計算為700nm。
接著，采用光刻法進行第一層間絕緣膜13和蓋絕緣膜12的圖案成形， 形成與第一、第二源極/漏極區(qū)域10a、 10b相連通的例如直徑為0.25pm的接 觸孔。并且，在整個面上形成膜厚30nm的Ti膜和膜厚20nm的TiN膜后， 使用CVD法形成膜厚300nm的鎢(W)膜，并采用CMP法除去多余的W 膜、TiN膜以及Ti膜。由此，通過由Ti膜以及TiN膜構(gòu)成的粘接膜(膠膜) 14a、 14b，在該接觸孔內(nèi)形成W插件15a、 15b。
另外，在該CMP工序中，采用能夠使W膜、TiN膜以及T膜的研磨速 度比基底的第一層間絕緣膜13更快的研磨液(例如Cabot Microelectronics Corporation(美國嘉柏微電子材料股份有限公司)制的SSW2000)。并且，為了使第一層間絕緣膜13上不產(chǎn)生研磨殘渣，將該CMP的研磨量設(shè)定為大于 各膜總膜厚的量，以進行過度研磨。
接著，使用等離子CVD法在整個面上形成膜厚130nm的SiON膜(抗 氧化膜)16，進而，采用以TEOS為原料的等離子CVD法，在該SiON膜 16上形成膜厚300nm的SiO膜(第二層間絕緣膜)17。另外，抗氧化膜16 除了SiON膜以外，還可以由SiN膜或氧化鋁(ALO)膜來形成。然后，形 成貫通了第二層間絕緣膜17和抗氧化膜16且與連接于第一源極/漏極區(qū)域 10a上的W插件15a相連通的接觸孔，并與膠膜14a、 14b以及W插件15a、 15b同樣地，在上述接觸孔中形成膠膜18以及W插件19。
接著，對形成膠膜18以及W插件19后的表面進行氨(NH3)等離子處 理。通過該NH3等離子處理，使NH基與第二層間絕緣膜17表面的氧原子 結(jié)合，即使在其上形成后述的Ti膜的情況下，其Ti原子也不會被氧原子捕 獲而容易在第二層間絕緣膜17表面上移動。其結(jié)果，能夠在第二層間絕緣 膜17上形成通過自組織化(self-organization)優(yōu)選在(002)面取向的Ti 膜。
另外，該NH3等離子處理可按如下方法實施，S卩，使用例如在距被處理 晶片9mm的位置具有相對電極的平行平板型的等離子處理裝置，在266Pa 的壓力下，以350sccm將氨氣供給至使基板溫度保持為40(TC的腔室內(nèi)，并 對被處理晶片側(cè)以100W的功率持續(xù)60秒供給13.56MHz的高頻，且以55W 的功率向相對電極持續(xù)60秒供給350kHz的高頻。
在該NH3等離子處理后，使用例如將被處理晶片與耙之間的距離設(shè)定為 60mm的濺射裝置，在0.15Pa的氬氣環(huán)境中，通過將基板溫度設(shè)為20°C，且 持續(xù)5秒施加2.6kW的濺射功率，從而形成膜厚20nm的Ti膜。如上所述， 該Ti膜能夠優(yōu)先在(002)面取向而形成。
在經(jīng)NH3等離子處理形成Ti膜后，在氮(N2)氣環(huán)境中，進行650'C、 60秒的RTA (快速熱退火，Rapid Thermal Anneai)處理使其Ti膜氮化，由 此形成TiN膜(基底導(dǎo)電膜)20，該TiN膜20起到能夠提高形成于其上層 上的膜的取向性的作用，且優(yōu)選在(111)面上取向。并且，在該基底導(dǎo)電 膜20上形成由TiAlN膜構(gòu)成的抗氧化膜21。該TiAlN膜例如可按照以下方 法形成，即，通過采用了由Ti與Al合金化的靶的反應(yīng)性濺射，在40sccm
17氬氣與10sccm氮氣的混合氣體環(huán)境中，在253.3Pa的壓力下，以基板溫度
400°C、 l.OkW的濺射功率、100nm膜厚來形成。
通過至此為止的工序能夠獲得如圖2所示的狀態(tài)。
圖3是下部電極用金屬膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
在完成抗氧化膜21的形成后，如圖3所示，在其上形成Ir膜30，以作
為用于構(gòu)成下部電極的下層部的金屬膜。Ir膜30是例如在氬氣環(huán)境中，在
0.2Pa的壓力下，將基板溫度設(shè)定為450°C ，并以0.3kW的濺射功率、60nm
100nm膜厚形成。
進而，為了提高所形成的Ir膜30的取向性，可以在非活性氣體(例如 氬氣)環(huán)境中進行65(TC 75(TC、 60秒的RTA處理。由此，獲得使規(guī)定的 結(jié)晶面例如Ir (111)面優(yōu)先取向的Ir膜30。另外，除了使用Ir膜30以外， 金屬膜還可以使用Ru膜、Rh膜以及Pd膜等。
圖4是下部電極用金屬氧化膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
在形成Ir膜30后，如圖4所示，在其上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的IrOj莫 31，以作為用于構(gòu)成下部電極的上層部的金屬氧化膜。例如，可以在氬氣與 氧氣的混合氣體環(huán)境中，在O.llPa的壓力下，將基板溫度設(shè)定為20°C 300°C，并以lkW的濺射功率、5nm 50nm的膜厚形成IrOj莫31。
另外，對lrOj莫31的形成條件(形成溫度、膜厚、形成速度、氬氣與 氧氣的混合氣體環(huán)境中的氧氣比率)詳情則在后面敘述。
圖5是鐵電膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
在形成IrOj莫31后，形成PZT膜32以作為鐵電膜。在此，首先通過 MOCVD法形成第一 PZT膜，然后在其上層形成第二 PZT膜，由此構(gòu)成PZT 膜32。
第一 PZT膜例如可以如下所述進行形成。
首先，使用雙[二 (三甲基乙酰甲酸)]鉛(Pb-bis-dipivaloylmethane， Pb (DPM) 2))作為Pb原料，使用四(二甲基庚二酸)鋯[Zr (DMHD) 4]作 為Zr原料，使用二異丙氧基雙[二 (三甲基乙酰甲酸)]鈦[Ti (O-iPr) 2 (DPM) 2]作為Ti原料，將這些原料分別以0.3mol/L的濃度溶解于THF溶劑中，制 備好Pb、 Zr、 Ti的各液體原料。接著，將這些各液體原料與流量0.474mL/ 分鐘的THF溶劑一起，分別以0.326mL/分鐘、0.200mL/分鐘和0.200mL/分鐘的流量向MOCVD裝置的氣化器供給，以使這些液體氣化。由此，制備
Pb、 Zr、 Ti的各原料氣體。另外，將氧氣導(dǎo)入至腔室中進行升溫，升溫后， 將各原料氣體導(dǎo)入至例如具有氬氣與氧氣的混合氣體環(huán)境、壓力665Pa且將 基板溫度保持為62(TC的腔室中，作用620秒。由此，形成膜厚100nm的第 一PZT膜。
在上述第一PZT膜的形成過程中，圖4所示的IrOj莫31被Pb、 Zr、 Ti 的各原料氣體中所包含的THF溶劑成分最終還原為Ir膜31a。 IrOj莫31為 非結(jié)晶或微結(jié)晶體，為此，首先在氧氣環(huán)境的升溫中被均勻地氧化(結(jié)晶化)， 續(xù)而在原料氣體導(dǎo)入后的還原環(huán)境中，均勻地還原為Ir膜31a，該lr膜31a 是根據(jù)其下的Ir膜30的取向性在規(guī)定的結(jié)晶面優(yōu)先取向、且結(jié)晶粒徑小的 Ir膜31a。并且，在如此獲得的Ir膜31a上，形成根據(jù)其取向性在規(guī)定的結(jié) 晶面優(yōu)先取向的第一PZT膜。另外，由非結(jié)晶或微結(jié)晶的IrOj莫31形成的 Ir膜31a的平均結(jié)晶粒徑約為20nm以下。
另外，形成結(jié)晶IrOj莫來代替上述非結(jié)晶或微結(jié)晶的IrOj莫31的情況 下，在氧氣環(huán)境的升溫中容易發(fā)生異常氧化，之后，即使導(dǎo)入原料氣體，IrOx 膜也難以被包含于其中的溶劑成分均勻還原。因此，難以形成如Ir膜31a那 樣的結(jié)晶粒徑小的均勻Ir膜。
通過使IrOx膜31形成為非結(jié)晶或微結(jié)晶，并形成結(jié)晶粒徑小的均勻Ir 膜31a，能夠提高形成于其上的第一PZT膜的取向性，從而能夠獲得穩(wěn)定的 成品率。如此的取向整齊的下部電極與鐵電膜之間的界面特別有利于低電壓 動作。另外，當(dāng)如此形成第一PZT膜時，也能夠獲得不產(chǎn)生所謂的白蝕等、 且潔凈的第一PZT膜表面。
另外，對如此的通過非結(jié)晶或微結(jié)晶的IrOj莫31的形成而獲得的第一 PZT膜的特性，則在后面敘述。
在形成第一PZT膜后，例如，通過濺射法，在整個面上形成膜厚lnm 30nm的非結(jié)晶的第二PZT膜。通過形成第二PZT膜，可獲得更平坦的PZT 膜32。另外，該第二PZT膜也可以通過MOCVD法來形成，在該情況下， 使用Pb (DPM) 2作為Pb原料、使用Zr (DMHD) 4作為Zr原料、使用Ti (O-iPr) 2 (DPM) 2作為Ti原料，使用將它們分別溶解于THF溶劑中的溶 液來制備原料氣體。如此地，通過形成第一、第二PZT膜，如圖5所示，在lr膜31a上形成 PZT膜32。
圖6是上部電極形成工序的主要部分剖面示意圖。
在形成PZT膜32后，在其上形成上部電極33。該上部電極33例如可 以如下所述地形成。
首先，采用濺射法，在PZT膜32上形成IrOj莫，該IrOj莫在剛形成時 其結(jié)晶的膜厚為25nm。例如，在形成溫度30(TC、 140sccm的氬氣與60sccm 的氧氣的混合氣體環(huán)境中，以lkW 2kW左右的濺射功率形成所述IrOx膜。
接著，通過RTA法，在725。C、 2000sccm的氬氣與20sccm的氧氣的混 合氣體環(huán)境中，進行60秒的熱處理。該熱處理的目的在于，使PZT膜32完 全結(jié)晶化，補償PZT膜32中的氧氣欠損，并且使形成上部電極用IrOx膜時 的等離子損傷得以復(fù)原。
接著，形成膜厚50nm 150nm的IrOy膜。例如，在氬氣環(huán)境中，在0.8Pa 的壓力下、以l.OkW的濺射功率進行45秒的堆積，能夠形成膜厚125nm的 IrOy膜。為了抑制異常生長，優(yōu)選將形成溫度設(shè)定為10(TC以下而形成該IrOy 膜。另外，為了抑制對氫的催化作用，避免PZT膜32被氫自由基還原，并 提高鐵電電容器的耐氫氣性，優(yōu)選將IrOy膜形成為與Ir02的化學(xué)計量組成相 近的組成。
接著，采用濺射法，在IrOy膜上形成Ir膜，以作為氫阻擋膜兼導(dǎo)電性提 高膜。例如，在氬氣環(huán)境中，在lPa的壓力下、以1.0kW的濺射功率來形成 膜厚50nm 100nm的Ir膜。
如此地，形成了 Ir/IrOy/IrC^層疊結(jié)構(gòu)的上部電極33。
另外，在形成上部電極33時，也可以使用Ir膜、Ru膜、Rh膜、錸(Re) 膜、鋨(Os)膜和Pd膜，以及它們的氧化膜、SRO膜等導(dǎo)電性氧化膜，或 這些膜的層疊結(jié)構(gòu)來代替IrOy膜、IrOj莫。另外，在上部電極33的最上層， 也可以使用Ru膜，Rh膜以及Pd膜等代替Ir膜。
圖7是鐵電電容器圖案成形用的硬掩模形成工序的主要部分剖面示意 圖，圖8是鐵電電容器圖案成形工序的主要部分剖面示意圖。
形成上部電極33后，進行晶片背面的清洗，然后形成由第一掩模層40a、 第二掩模層40b構(gòu)成的硬掩模40，以供鐵電電容器的圖案成形用。例如，該硬掩模40是如下所述地形成。
首先，采用濺射法，在整個面形成TiN膜或TiAlN膜，以作為第一掩模 層40a，并在該第一掩模層40a上，通過采用了 TEOS氣體的CVD法形成 SiO膜，以作為第二掩模層40b。接著，對該第二掩模層40b進行島狀的圖 案成形，將所述經(jīng)圖案成形后的第二掩模層40b作為掩模來蝕刻第一掩模層 40a。由此，形成了如圖7所示的由第一掩模層40a、第二掩模層40b構(gòu)成的 硬掩模40。
如上所述地形成硬掩模40后，以溴化氫(HBr)、氧氣、氬氣與八氟環(huán) 丁垸(C4F8)的混合氣體作為蝕刻氣體來進行等離子蝕刻，由此對未被硬掩 模40覆蓋的部分的上部電極33、PZT膜32以及Ir膜31a、30進行圖案成形。
接著，通過干式蝕刻或濕式蝕刻來選擇性地除去第二掩模層40b后，在 殘留有第一掩模層40a的狀態(tài)下進行干式蝕刻，除去抗氧化膜21和基底導(dǎo) 電膜20的同時，除去該第一掩模層40a。由此，獲得如圖8所示的鐵電電容 器結(jié)構(gòu)。
圖9是保護膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
在形成鐵電電容器后，以覆蓋該鐵電電容器的方式形成第一 ALO膜41， 并作為保護膜。例如，采用濺射法，以膜厚20nm形成該第一 ALO膜41。 或采用MOCVD法來形成膜厚lnm 5nm的ALO膜41 。
形成第一 ALO膜41后，為了復(fù)原至此為止的工序中PZT膜32所受的 損傷，進行復(fù)原退火。例如，在含有氧氣的環(huán)境中，將爐內(nèi)的晶片溫度設(shè)定 為550°C 700°C，優(yōu)選設(shè)定為600。C，以此進行60分鐘的該復(fù)原退火。
圖IO是直至進行到布線層形成后的主要部分剖面示意圖。
在進行第一ALO膜41的形成以及復(fù)原退火后，例如，采用CVD法， 在第一 ALO膜41上形成膜厚38nm的第二 ALO膜42。
接著，采用例如使用了TEOS氣體、氧氣與氦(He)氣的混合氣體的等 離子CVD法，在整個面形成由膜厚1500nm的SiO膜構(gòu)成的第三層間絕緣 膜43。另外，也可以形成具有絕緣性的無機膜等以作為該第三層間絕緣膜 43。在形成第三層間絕緣膜43后，采用CMP法進行其平坦化處理。
然后，在使用一氧化二氮(N20)氣體或氮氣等生成的等離子環(huán)境中， 進行熱處理。該熱處理的結(jié)果，除去了第三層間絕緣膜43中的水分，并且
21改變了第三層間絕緣膜43的膜質(zhì)，從而水分難以浸入其內(nèi)部。
接著，采用例如濺射法或CVD法，在整個面形成由膜厚20nm 100nm 的ALO膜構(gòu)成的阻擋膜44。由于該阻擋膜44形成于平坦化的第三層間絕緣 膜43上，因此是以平坦的狀態(tài)而形成的。
接著，采用例如使用了 TEOS氣體的等離子CVD法，在整個面形成由 膜厚300nm 500nm的SiO膜構(gòu)成的第四層間絕緣膜45。另外，也可以形成 SiON膜或SiN膜等，以作為該第四層間絕緣膜45。在形成第四層間絕緣膜 45后，采用CMP法，進行其平坦化處理。
接著，首先，形成與連接在第二源極/漏極區(qū)域10b上的W插件15b連 通的接觸孔后，通過膠膜46a來形成W插件47a。然后，形成與鐵電電容器 的上部電極33相連通的接觸孔。在形成該接觸孔后，在氧氣環(huán)境中，進行 45(TC的熱處理，以復(fù)原伴隨該接觸孔的形成在PZT膜32上產(chǎn)生的氧氣缺損。 熱處理后，通過膠膜46b在該接觸孔形成W插件47b。
另外，優(yōu)選以單層TiN膜形成膠膜46a、 46b，但也可以是通過濺射形成 Ti膜，并在其上通過MOCVD法形成TiN膜的層疊結(jié)構(gòu)。如此地，當(dāng)由TiN 膜或使用TiN膜形成膠膜46a、 46b的情況下，為了從TiN膜中除去碳(C)， 優(yōu)選進行使用了氮氣和氫氣的等離子處理。如上所述，由于在上部電極33 上作為氫阻擋膜形成有Ir膜，因此，不會因該等離子處理而產(chǎn)生其下層的IrOx 膜等還原的問題。
如此地，在完成膠膜46a、 46b以及W插件47a、 47b的形成后，分別在 該W插件47a、 47b上形成布線48。布線48可按照下述方法形成。即，例 如通過濺射法，依次形成由膜厚60nm的Ti膜與膜厚30nm的TiN膜構(gòu)成的 TiN/Ti層疊膜48a、膜厚360nm的AlCu合金膜48b、以及由膜厚5nm的Ti 膜與膜厚70nm的TiN膜構(gòu)成的TiN/Ti層疊膜48c后，通過對其進行圖案成 形來形成布線48。由此，形成第一層的布線層。
以后，同樣地形成第二層以后的布線層，由此完成FeRAM。
在此，詳細說明通過如上所述的流程形成FeRAM時的下部電極用非結(jié) 晶或微結(jié)晶的IrOj莫的形成條件，以及通過該IrOj莫的形成而獲得的PZT 膜(第一PZT膜)的特性。
首先，對IrOj莫的形成溫度進行說明。在此，采用濺射法，在構(gòu)成鐵電電容器的下部電極下層部的Ir膜上，在 186sccm的氬氣與14sccm的氧氣的混合氣體環(huán)境中(氧氣比率為7%)，以 濺射功率0.5kW、形成速度1.6nm/秒以及形成時間19秒的條件，形成膜厚 30nm的IrOj莫。此時，將其形成溫度分別變更為室溫(25°C) 、 50°C、 100°C、 200。C和30(TC。并且，采用MOCVD法，在以各形成溫度的條件獲得的IrOx 膜上形成PZT膜，使用X射線衍射裝置來調(diào)查形成后的PZT膜及其下的Ir 膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。另外，為了進行比較，在Ir膜上不形成IrOx膜而直接形成 PZT膜，并使用X射線衍射裝置調(diào)查其結(jié)晶結(jié)構(gòu)。將這些結(jié)果示于圖11 圖16中。另外，PZT膜的形成是以形成上述第一PZT膜時(圖5)的條件 來進行。
圖11是表示IrOj莫的形成溫度與PZT(100)面的積分強度的關(guān)系的圖， 圖12是表示IrOj莫的形成溫度與PZT (101)面的積分強度的關(guān)系的圖，圖 13是表示IrOj莫的形成溫度與PZT (111)面的積分強度的關(guān)系的圖，圖14 是表示IrOj莫的形成溫度與PZT (222)面的取向率的關(guān)系的圖，圖15是表 示IrOj莫的形成溫度與PZT (111)面的搖擺曲線半峰寬(FWHM)的關(guān)系 的圖，圖16是表示IrOj莫的形成溫度與PZT膜形成后的Ir (111)面的積分 強度的關(guān)系的圖。
另外，在以下的說明中，所謂晶片的中心部是指俯視觀察晶片時的其中 心部。另外，所謂晶片的下部、上部、左部和右部分別是指，俯視觀察規(guī)定 朝向的晶片時相對于其中心部而言的下部、上部、左部和右部。在此，將相 對于晶片中心部的槽口 (notch)方向向下而設(shè)定晶片的下部、上部、左部和 右部。
首先，根據(jù)圖11可知，在形成溫度分別為25°C、 5(TC和10(TC的情況 下，晶片的中心部、上部以及右部的各PZT (100)面的積分強度，分別小 于未形成IrOj莫的情況下(W/OIrOx)以及形成溫度分別為200°C 、 30(TC的 情況下的積分強度。同樣，根據(jù)圖12可知，在形成溫度分別為25°C、 50°C 和10(TC的情況下，晶片的中心部、上部以及右部的各PZT (101)面的積分 強度，分別小于未形成IrOj莫的情況下以及形成溫度為200°C、 30(TC的情況 下的積分強度。根據(jù)圖13可知，在形成溫度分別為25°C、 50°C、 IO(TC和 20(TC的情況下，晶片的中心部、上部和右部的各PZT (111)面的積分強度
23相互之間大致相同，但上述積分強度均大于未形成IrOx膜的情況下以及形成 溫度為30(TC的情況下的積分強度。
若使用圖11 圖13的結(jié)果并根據(jù)上述式(1)求出PZT (222)面的取 向率時，則如圖14所示，晶片的中心部、上部以及右部的各PZT (222)面 的取向率在形成溫度分別為25°C、 50°C、 IO(TC的情況下可獲得高取向率， 且分別大于未形成IrOj莫的情況下以及形成溫度20(TC、30(TC的情況下的取 向率。根據(jù)圖15，若觀察晶片的中心部以及右部的各PZT (111)面的搖擺 曲線半峰寬，則可發(fā)現(xiàn)在未形成IrOj莫的情況下以及形成溫度為30(TC的情 況下該搖擺曲線半峰寬值較大的傾向。
另夕卜，根據(jù)圖16可知具有如下的傾向，g卩，在未形成IrOj莫的情況下， PZT膜形成后的晶片的中心部、上部以及右部的各Ir (111)面的積分強度 低于形成有IrOx膜的情況下(形成溫度分別為25°C、 50°C、 100°C、 200°C 和30(TC)的所述積分強度。
如此地，首先，與形成IrOx膜的情況相比，在未形成IrOj莫的情況下其 Ir (111)面的積分強度較低(圖16)。另外，在未形成IrOj莫的情況下， 通過PZT (100)面以及PZT (101)面的生成而抑制PZT (111)面的生成 (圖11 圖13)，從而PZT(222)面的取向率變低(圖14)。在未形成IrOx 膜的情況下，特別是晶片右部的PZT (111)面的積分強度和PZT (222)面 的取向率極其低于晶片的其他部分，晶片面內(nèi)的取向分布非常差(圖14)。 另外，PZT (111)面的搖擺曲線半峰寬也變寬(圖15)。
另一方面，在形成有IrOj莫的情況下，在其不同的形成溫度下，PZT膜 形成后的Ir膜的Ir (111)面的積分強度未出現(xiàn)明顯的差異(圖16)，但形 成在其上的PZT膜的取向性產(chǎn)生了較大的差異。其原因應(yīng)考慮如下的理由。
艮口，首先，在lrOj莫的形成溫度分別為200。C、 300。C的情況下，所形成 的IrOj莫被完全結(jié)晶化，并采用規(guī)定條件的MOCVD法，在該結(jié)晶IrOj莫上 形成PZT膜。此時，首先在氧氣環(huán)境的升溫中該IrOj莫被氧化，但在結(jié)晶 IrOj莫的情況下，其氧化容易變得不均勻。在達到規(guī)定的形成溫度后導(dǎo)入原 料氣體，并由該原料氣體中所包含的溶劑成分來還原所述氧化后的IrOx膜， 但若IrOj莫的氧化不均勻，則該IrOj莫難以還原為均勻的Ir膜。其結(jié)果，在 形成于該Ir膜上的PZT膜中容易生成PZT (100)面或PZT (101)面(圖11 圖13)，從而降低了PZT (222)面的取向率(圖14)。
另一方面，在lrOj莫的形成溫度分別為25'C、 5(TC和IO(TC的情況下， 以25"C形成的IrOj莫為非結(jié)晶，以5(TC、 IO(TC形成的IrOj莫為均勻的微結(jié) 晶。非結(jié)晶或微結(jié)晶的IrOj莫在采用MOCVD法形成PZT膜時，首先在氧 氣環(huán)境的升溫中均勻地氧化而結(jié)晶化，當(dāng)達到規(guī)定的形成溫度后導(dǎo)入原料氣 體時，由包含于該原料氣體中的溶劑成分還原為結(jié)晶粒徑小的均勻的Ir膜。 其結(jié)果，在其上所形成的PZT膜中，能夠抑制PZT (100)面及PZT (101) 面的生成(圖11 圖13)，提高了PZT (222)面的取向率，并且還使晶片 面內(nèi)的取向分布變良好(圖14) ， PZT (111)面的搖擺變化也變得較為尖 銳(圖15)。
因此，IrOj莫的形成溫度優(yōu)選為25°C 100°C。但是，形成溫度越接近 25t:則溫度越難以穩(wěn)定化，進而，當(dāng)對于多個晶片連續(xù)進行形成時溫度容易 升高，由此還可能會導(dǎo)致IrOj莫的部分結(jié)晶化。對于IrOj莫的形成溫度，若 考慮到其界限，更優(yōu)選設(shè)定為作為25'C 10(TC的中心值的6(TC左右。
接著，對IrOj莫的膜厚進行說明。
在此，采用濺射法，在構(gòu)成鐵電電容器的下部電極下層部的Ir膜上，在 186sccm的氬氣與14sccm的氧氣的混合氣體環(huán)境中(氧氣比率為7%)，以 0.5kW的濺射功率、60°C (25。C 100。C的中心值)的形成溫度來形成IrOx 膜。此時，以1.6nm/秒的形成速度，分別形成了膜厚15nm、 25nm、 35nm、 40nm和50nm的IrOj莫。并且，釆用MOCVD法，在以各膜厚形成的IrOx 膜上形成PZT膜，使用X射線衍射裝置來調(diào)査其結(jié)晶結(jié)構(gòu)。將其結(jié)果示于 圖17 圖20。另夕卜，PZT膜的形成是以形成所述第一PZT膜時(圖5)的 條件進行。
圖17是表示IrOj莫的膜厚與PZT (100)面的積分強度的關(guān)系的圖，圖 18是表示IrOj莫的膜厚與PZT(101)面的積分強度的關(guān)系的圖，圖19是表 示IrOj莫的膜厚與PZT (111)面的積分強度的關(guān)系的圖，圖20是表示IrOx 膜的膜厚與PZT (222)面的取向率的關(guān)系的圖。
根據(jù)圖17以及圖18可知，晶片的中心部、上部、右部和下部的各PZT (100)面以及各PZT (/01)面的積分強度分別在IrOj莫的膜厚為50nm時 變大。另外，根據(jù)圖19可知，晶片的中心部、上部、右部以及下部的各PZT(111)面的積分強度分別在IrOj莫的膜厚為50nrn時變小。并且，根據(jù)圖 20可知，PZT (222)面的取向率也在IrOj莫的膜厚為50nm時變低。
在IrOj莫的膜厚為50nm的情況下，因為其較厚，在采用MOCVD法形 成PZT膜時，難以被其原料氣體中的溶劑成分完全還原。其結(jié)果，在下部電 極上殘留了IrOj莫，從而在其上形成的PZT膜中，容易生成PZT (100)面 或PZT (101)面(圖17 圖19) ， PZT (222)面的取向率變低(圖20)。 因此，IrOj莫的膜厚優(yōu)選小于50nm，更優(yōu)選為40nm以下。
另一方面，在IrOj莫的膜厚為15nm的情況下，采用MOCVD法形成PZT 膜時，首先在氧氣環(huán)境的升溫中該IrOj莫被氧化，但由于其較薄，推測其下 的Ir膜也稍微被氧化。該Ir膜的氧化部分無法形成均勻的IrOx而成為異常 氧化的IrOx的可能性很高。即使導(dǎo)入原料氣體，并由包含在該原料氣體中的 溶劑成分來還原所述異常氧化的IrOx，也無法獲得均勻的結(jié)晶粒子，容易生 成PZT (100)面或PZT (101)面(圖17 圖19) ， PZT (222)面的取向 率變低，且根據(jù)晶片上的位置，PZT (222)面的取向率會下降90% (圖20)。
但是，若調(diào)整采用MOCVD法來形成PZT膜時的升溫條件，也能夠降 低IrOj莫的氧化速度，防止其下Ir膜的氧化，從而提高PZT (222)面的取 向率。如此地，根據(jù)升溫條件，即使在IrOj莫的膜厚為10nm的情況下，也 能夠獲得高的PZT (222)面的取向率。因此，能夠?qū)rOj莫的膜厚設(shè)定為 10nm以上。
如上所述，IrOj莫的膜厚優(yōu)選為10nm 40nm。據(jù)此，可獲得在Ir膜上 層疊有結(jié)晶粒徑小且膜厚10nm 40nm的Ir膜的下部電極。另夕卜，當(dāng)考慮到 鐵電電容器及具有該鐵電電容器的FeRAM的特性、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率等 時，更優(yōu)選IrOj莫的膜厚為25nm 30nm。
接著，對形成IrOx膜時的氧氣比率以及形成速度進行說明。 在此，在構(gòu)成鐵電電容器的下部電極下層部的Ir膜上，采用濺射法，在 氬氣與氧氣的混合氣體環(huán)境中，以形成溫度6(TC、濺射功率0.5kW、形成速 度1.6nm/秒、形成時間19秒的條件，形成膜厚30nm的IrOj莫。此時，將 該氬氣與氧氣的混合氣體環(huán)境中的氧氣比率分別變更為5% (氬氣190sccm、 氧氣10sccm) 、 7% (氬氣186sccm、氧氣14sccm) 、 10% (氬氣180sccm、 氧氣20sccm) 、 20% (氬氣160sccm、氧氣40sccm) ， 25% (氬氣150sccm、氧氣50sccm) 、 30% (氬氣140sccm、氧氣60sccm) ， 35% (氬氣130sccm、 氧氣70sccm)。并且，采用MOCVD法，在以各氧氣比率條件獲得的IrOx 膜上形成PZT膜，使用X射線衍射裝置調(diào)查其結(jié)晶結(jié)構(gòu)。將其結(jié)果示于圖 21 圖24中。另夕卜，PZT膜的形成是以形成所述第一PZT膜時(圖5)的 條件進行。
圖21是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (100)面的積分強度的關(guān) 系的圖，圖22是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (101)面的積分強度 的關(guān)系的圖，圖23是表示IrOx膜形成時的氧氣比率與PZT (111)面的積分 強度的關(guān)系的圖，圖24是表示IrOj莫形成時的氧氣比率與PZT (222)面的 取向率的關(guān)系的圖。
根據(jù)圖21 圖24可知，IrOj莫形成時的氧氣比率在5% 10%的范圍時， 晶片的中心部、上部、右部以及下部的各PZT (222)面的取向率為90%以 上(圖24)。其原因在于，當(dāng)采用MOCVD法在以上述氧氣比率形成的IrOx 膜上形成PZT膜時，該IrOx膜被均勻地氧化，進而，其后能夠被均勻地還原， 由此能夠抑制PZT (100)面以及PZT (101)面的生成(圖21 圖23)。
另一方面，若將IrOj莫形成時的氧氣比率調(diào)整為更高，則會提高所形成 的IrOj莫的氧化度。當(dāng)采用MOCVD法在該IrOj莫上形成PZT膜時，該IrOx 膜容易發(fā)生異常氧化，在其后的還原中難以獲得均勻的Ir膜，無法有效地抑 制PZT (100)面以及PZT (101)面的生成(圖21 圖23)。其結(jié)果，降 低了晶片的中心部、上部、右部以及下部的各PZT (222)面的取向率(圖 24)。
因此，在氬氣與氧氣的混合氣體環(huán)境中，以形成溫度60°C、濺射功率 0.5kW (形成速度1.6nm/秒)的條件形成IrOj莫的情況下，氧氣比率優(yōu)選為 5% 10%。
另外，在變更IrOj莫形成時的濺射功率的條件時，注意氧氣比率的最佳 條件隨之改變。例如，當(dāng)濺射功率為0.5kW時，若IrOj莫形成時的氧氣比率 為5%，則其形成速度為1.5nm/秒。當(dāng)濺射功率為1.0kW時，若IrOj莫形成 時的氧氣比率為10%，則其形成速度為3.0nm/秒。當(dāng)濺射功率為2.0kW時， 若IrOj莫形成時的氧氣比率為18%，則其形成速度6.0nm/秒。以這些條件分 別形成的IrOj莫的膜質(zhì)都同等，其比電阻均為300Q' cm。因此，在考慮IrOj莫形成時的濺射功率(形成速度)的同時，需要實現(xiàn) 氧氣比率的最佳化。例如，當(dāng)將IrOj莫的形成速度設(shè)定為1.0nm 2.5nm/秒 時，則氧氣比率的最佳范圍為2% 15%。當(dāng)將Ir(X膜的形成速度設(shè)定為 2.6nm 4.0nm/秒時，則氧氣比率的最佳范圍為4% 20%。當(dāng)將IrOj莫的形 成速度設(shè)定為4.1nm 7.0nm/秒時，則氧氣比率的最佳范圍為6% 30%。
在此，作為一實例，對在氧氣比率7。/。的環(huán)境中以形成溫度60。C、濺射 功率0.5kW (形成速度1.6nm/秒)的條件形成的IrOx膜的取向性、采用 MOCVD法形成PZT膜時的升溫后的IrOj莫的取向性、以及所形成的PZT 膜的取向性加以調(diào)查的結(jié)果進行說明。
圖25表示升溫前后的IrOx膜的X射線衍射數(shù)據(jù)，圖26表示PZT膜的 X射線衍射數(shù)據(jù)。
根據(jù)圖25可知，在氧氣比率7%的環(huán)境中以形成溫度60°C、濺射功率 0.5kW的條件形成IrOj莫的情況下(在進行相當(dāng)于采用MOCVD法形成PZT 膜時的升溫的熱處理之前)，在其X射線衍射數(shù)據(jù)中未出現(xiàn)IrOx的峰值，剛 剛形成后的IrOx膜不是結(jié)晶。對這樣的IrOj莫進行了相當(dāng)于采用MOCVD 法形成PZT膜時的升溫的熱處理(氧氣100%)，其結(jié)果，在其熱處理后的 X射線衍射數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了IrOx (110)面以及IrOx (101)面的峰值，確認通 過該熱處理使IrOj莫發(fā)生了結(jié)晶化。
在氧氣比率7%的環(huán)境中，以形成溫度6(TC、濺射功率0.5kW的條件形 成IrOj莫，并經(jīng)過規(guī)定的升溫過程直至進行到PZT膜的形成，此時，根據(jù)圖 26可知，在形成該PZT膜后的X射線衍射數(shù)據(jù)中未出現(xiàn)IrOx (110)面以及 IrOx (101)面的峰值，IrOx (111)面的峰值變強，確認了在PZT膜的形成 過程中IrOj莫被還原為在Ir 〈111)面優(yōu)先取向的Ir膜。
進而，米用 BF-STEM (Bright Field-Scanning Transmission Electron Microscopy,穿透式電子顯微鏡)以及EDX分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)方法來調(diào)査所形成的PZT膜和下部電極的剖面。
圖27表示BF-STEM圖像，圖28表示EDX光譜。
進行BF-STEM觀察的結(jié)果，如圖27所示，可確認下部電極50為粒徑 不同的柱狀結(jié)晶的Ir膜50a、 50b的雙層結(jié)構(gòu)，在這樣的下部電極50上形成 有PZT膜51 。該上層部的Ir膜50b是原為IrOj莫并在形成PZT膜時被還原的部分，其下層部的Ir膜50a為形成于該IrOj莫下的部分。下部電極50的 上層部的Ir膜50b的結(jié)晶粒徑小于下層部的Ir膜50a的結(jié)晶粒徑，其平均粒 徑為llnm。
圖28是針對進行了上述BF-STEM觀察的剖面內(nèi)的PZT膜51中(A點)、 PZT膜51/Ir膜50b界面附近(B點)以及Ir膜50b中(C點)的各點所獲 得的EDX光譜?？梢源_認，除了Si以夕卜，在A點檢測出了Pb、 Zr、 Ti和O， 在B點檢測出了Pb、 Zr、 Ti、 Ir和O，在C點檢測出了Ir。艮口，從A點的 PZT膜51中未檢測出Ir，僅從B點的PZT膜51/Ir膜50b的界面附近以及 C點的Ir膜50b中檢測出Ir，未發(fā)現(xiàn)Ir從Ir膜50b向PZT膜51內(nèi)部(A點) 的擴散。
根據(jù)圖28可知，從C點的Ir膜50b僅檢測出Ir (Si除外)，可以說IrOx 膜在形成PZT膜時完全被還原了。因此，若控制IrOJ莫的形成條件，則在采 用MOCVD法形成PZT膜時，能夠?qū)⒃揑rOj莫被完全還原為結(jié)晶粒徑小的 Ir膜，由此能夠大幅提高PZT膜的取向性。
進而，將調(diào)査晶片面內(nèi)的取向分布和晶片間的偏差的結(jié)果示于圖29以 及圖30中。
圖29是表示多個晶片的PZT (111)面的積分強度的圖，圖30是表示 多個晶片的PZT (222)面的取向率的圖。
在此，對25個晶片連續(xù)形成Ir膜、IrOj莫以及PZT膜。此時，基于上 述見解，在186sccm的氬氣與14sccm的氧氣的混合氣體環(huán)境(氧氣比率7%) 中，以形成溫度6(TC、濺射功率0.5kW、形成速度1.6nm/秒的條件，形成膜 厚30nm的IrOj莫。另外，PZT膜是以上述圖5所示形成第一 PZT膜時的條 件形成。并且，使用X射線衍射裝置調(diào)查各晶片的PZT膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
根據(jù)圖29可知，晶片的中心部以及右部的各PZT (111)面的積分強度 在25個晶片相互之間的偏差非常小，在連續(xù)形成PZT膜的情況下也獲得了 良好的再現(xiàn)性。根據(jù)圖30可知，晶片的中心部以及右部的各PZT (222)面 的取向率的差異非常小，其值均為94%以上，另外，各晶片之間的PZT(222) 面的取向率的差異也非常小。
如上所述，根據(jù)該第一實施方式的FeRAM的形成方法，可獲得取向性 良好且抑制了偏差的鐵電電容器，能夠穩(wěn)定地形成高性能且高可靠性的FeRAM。
接著，對第二實施方式進行說明。另外，在該第二實施方式的說明中， 對與上述第一實施方式中所述的構(gòu)件相同的構(gòu)件標注同一附圖標記。
圖31是第二實施方式的直至進行到膠膜以及W插件的形成后的主要部
分剖面示意圖。
在上述第一實施方式中，如圖2所示，在膠膜18以及W插件19的形 成階段，首先在第二層間絕緣膜17形成接觸孔，然后，在該第二層間絕緣 膜17的整個面上形成Ti膜、TiN膜以及W膜，并采用CMP法對其進行研 磨(過度研磨)以使第二層間絕緣膜17露出。然后形成了基底導(dǎo)電膜20和 抗氧化膜21。
但是，在進行所述研磨時，如圖31所示，有時在W插件19上會形成 凹部60而使研磨后的表面不平坦。在形成了該凹部60的情況下，其深度為 20nm 50nm左右，會對之后形成的下部電極、PZT膜的取向性造成較大的 影響。因此，在該第二實施方式中，加厚了所述研磨后形成的基底導(dǎo)電膜20， 由此埋入該凹部60。
在該情況下，首先，在進行用于形成膠膜18和W插件19的研磨后， 對形成有凹部60的表面進行NH3等離子處理。該NH3等離子處理可采用與 所述第一實施方式中所述的相同條件進行。
圖32是第二實施方式的基底導(dǎo)電膜形成工序的主要部分剖面示意圖。
NH3等離子處理后，例如，使用將被處理晶片與靶之間的距離設(shè)定為 60mm的濺射裝置，在0.15Pa的氬氣環(huán)境中，基板溫度為20°C的條件下，施 加2.6kW的濺射功率35秒鐘，由此在整個面形成沿(002)面優(yōu)先取向的膜 厚100nm的Ti膜。并且，在氮氣環(huán)境中，進行65(TC、 60秒的RTA處理， 由此形成由在(111)面優(yōu)先取向的TiN膜構(gòu)成的基底導(dǎo)電膜20。另外，在 此基底導(dǎo)電膜20的膜厚為100nm左右，但根據(jù)凹部60的深度等，可以適當(dāng) 地將膜厚設(shè)定在100nm 300nm的范圍。另夕卜，在此基底導(dǎo)電膜20為TiN 膜，但也可以由W膜、Poly-Si膜以及Cu膜等形成。
在剛剛形成基底導(dǎo)電膜20時，由于凹部60的存在，在基底導(dǎo)電膜20 表面也形成有凹部，因而續(xù)基底導(dǎo)電膜20的形成，采用CMP法來研磨該基 底導(dǎo)電膜20的表層部。由此，經(jīng)過所述研磨后，可獲得抑制了凹部60的影響而平坦的基底導(dǎo)電膜20表面。另夕卜，基底導(dǎo)電膜20的研磨例如使用了
Cabot Microelectronics Corporation制的SSW2000。另外，研磨后的基底導(dǎo)電
膜20的膜厚為50nm 100nm，優(yōu)選為50nm。
如此地，若對基底導(dǎo)電膜20的表層部進行研磨時，研磨后的基底導(dǎo)電
膜20表面附近的結(jié)晶容易發(fā)生應(yīng)變。該應(yīng)變對此后形成的下部電極、PZT
膜的取向性仍產(chǎn)生較大的影響。為此，例如對研磨后的基底導(dǎo)電膜20表面
實施與上述同樣的NH3等離子處理。由此，能夠消除研磨后的基底導(dǎo)電膜20
表面附近的結(jié)晶上產(chǎn)生的應(yīng)變。
通過至此為止的工序，可形成如圖32所示的狀態(tài)。
圖33是第二實施方式的FeRAM的主要部分剖面示意圖。
如上所述地進行到研磨以及NH3等離子處理以后，實施如所述第一實施
方式同樣的流程。
艮P，首先，在該基底導(dǎo)電膜20上形成抗氧化膜21。然后，形成Ir膜30、 IrOj莫31 (還原為Ir膜31a) 、 PZT膜32和上部電極33，并進行它們的圖 案成形，進而，進行下層的抗氧化膜21以及基底導(dǎo)電膜20的圖案成形。然 后，形成第一ALO膜41、第二ALO膜42、第三層間絕緣膜43、阻擋膜44、 第四層間絕緣膜45、膠膜46a、 46b以及W插件47a、 47b，形成布線48， 從而形成第一層的布線層。由此，獲得了圖33所示的結(jié)構(gòu)。
之后，同樣地形成第二層以后的布線層，完成FeRAM。
在此，對使用該第二實施方式所述的方法而形成的FeRAM的電特性的 調(diào)查結(jié)果進行說明。
在此，在Ir膜上以不同的條件形成IrOj莫(非結(jié)晶或微結(jié)晶)后，進行 PZT膜以及上部電極的形成，從而形成了鐵電電容器。另外，在Ir膜上未形 成IrOj莫，而進行PZT膜以及上部電極的形成，從而形成了鐵電電容器。在 形成IrOj莫時，在氧氣比率分別為5%、 6%和7%的各環(huán)境中，以形成溫度 60°C 、濺射功率0.5kW和形成速度1.6nm/秒的條件，形成膜厚30nm的IrOx 膜。Ir膜、PZT膜和上部電極分別以所述第一實施方式的圖3、圖5和圖6 的工序中所例示的條件來形成。在形成各鐵電電容器后，直至形成第五層的 布線層，并測定該鐵電電容器的電特性。將結(jié)果示于圖34 圖37中。
圖34 圖36是表示轉(zhuǎn)換電荷量的測定結(jié)果的圖，圖37是表示漏電流密
31度的測定結(jié)果的圖。
圖34表示的是，對于以上述規(guī)定條件在Si基板上獨立地形成50個平面
尺寸50^imx50^im的鐵電電容器的情況(離散型)；以及對在Si基板上形成 50個單元區(qū)域，而所述單元區(qū)域是以上述規(guī)定條件密集地形成5152個平面 尺寸0.7^imx0.7pm的鐵電電容器而成的情況(單元陣列型)，測定外加電壓 1.8V時的轉(zhuǎn)換電荷量的結(jié)果。
根據(jù)圖34可知，與形成有IrOj莫的情況(氧氣比率為5%、 6%和7%) 相比，在未形成IrOj莫的情況下(W/OIrOx)，其離散型和單元陣列型的轉(zhuǎn) 換電荷量均較低。如上所述，在未形成IrOj莫的情況下，有助于極化反轉(zhuǎn)的 PZT(111)面的取向較弱，這樣降低了鐵電電容器的轉(zhuǎn)換電荷量。另一方面， 在形成有IrOj莫的情況下，進一步提高PZT (111)面的取向，從而使鐵電 電容器的轉(zhuǎn)換電荷量變大。
另外，若比較IrOj莫形成時的氧氣比率5。/。、 6%和7%的條件，可確認 鐵電電容器的轉(zhuǎn)換電荷量在氧氣比率為6%和7%時，比氧氣比率為5%時高 一些的傾向。
另外，圖35和圖36表示改變外加電壓而測定鐵電電容器的轉(zhuǎn)換電荷量 的結(jié)果。圖35是在離散型所獲得的結(jié)果、圖36是在單元陣列型所獲得的結(jié)果。
由圖35以及圖36可知，不管是離散型還是單元陣列型，在達到其飽和 電壓之前，形成有IrOj莫(氧氣比率5%、 6%、 7%)時的鐵電電容器的轉(zhuǎn)換 電荷量均超過未形成IrOx膜(W/OIrOx)時的鐵電電容器的轉(zhuǎn)換電荷量。另 外，與未形成IrOj莫的情況相比，在以氧氣比率分別為5%、 6%和7%的條 件形成IrOj莫的情況下，低電壓區(qū)域的梯度更大。若以規(guī)定條件形成IrOx 膜來提高PZT膜的取向性，則鐵電電容器的轉(zhuǎn)換電荷量與外加電壓的關(guān)系也 變得良好，特別有利于低電壓動作。
另外，圖37表示單元陣列型的鐵電電容器的外加電壓與漏電流密度之 間的關(guān)系。根據(jù)圖37，可確認在形成有IrOx膜時(氧氣比率5%、 6%、 7%) 與未形成IrOj莫時(W/OIrOx)的鐵電電容器的漏電流密度不存在有大的差 異。未發(fā)現(xiàn)以規(guī)定條件形成IrOj莫對鐵電電容器的漏電流密度的影響。
根據(jù)如上所述的第二實施方式的FeRAM的形成方法，能夠獲得平坦、取向性良好且抑制了偏差的鐵電電容器，并能夠穩(wěn)定地形成高性能和高可靠
性的FeRAM。
接著，對第三實施方式進行說明。另外，在該第三實施方式的說明中， 對與所述第二實施方式的構(gòu)件相同的構(gòu)件標注相同的附圖標記。 圖38是第三實施方式的FeRAM的主要部分剖面摸式圖。 在所述第二實施方式中，如圖32所示，在對基底導(dǎo)電膜20進行研磨后， 形成為第二層間絕緣膜17、膠膜18以及W插件19全部被基底導(dǎo)電膜20覆 蓋的狀態(tài)。
與此相對，在該第三實施方式中，對基底導(dǎo)電膜20進行研磨直到使第 二層間絕緣膜17露出，如圖38所示，在該研磨后，形成為只有W插件19 的凹部60被基底導(dǎo)電膜20埋入的狀態(tài)。之后的工序可以按照與所述第二實 施方式同樣的流程來實施。
根據(jù)該第三實施方式的FeRAM的形成方法，也與所述第二實施方式同 樣能夠獲得平坦的、取向性良好且抑制了偏差的鐵電電容器。
接著，對第四實施方式進行說明。另外，在該第四實施方式的說明中， 對與上述第一實施方式中所述的構(gòu)件相同的構(gòu)件標注同一附圖標記。
圖39是第四實施方式的FeRAM的主要部分剖面示意圖。
該第四實施方式的FeRAM是，通過基底導(dǎo)電膜20以及抗氧化膜21在 膠膜14a和W插件15a上形成鐵電電容器，在該鐵電電容器上直接形成有布 線72，這一點與所述第一實施方式的FeRAM不同。這樣的FeRAM可如下 所述地形成。
首先，與所述第一實施方式相同地直至形成第一層間絕緣膜13后，在 其上形成與第一源極/漏極區(qū)域10a相連接的膠膜14a以及W插件15a。并且， 在形成有膠膜14a和W插件15a的第一層間絕緣膜13上，形成基底導(dǎo)電膜 20和抗氧化膜21。接著，形成Ir膜30、 IrOj莫31 (還原為Ir膜31a) 、 PZT 膜32和上部電極33，并進行這些膜的圖案成形，且進行下層抗氧化膜21和 基底導(dǎo)電膜20的圖案成形。然后，形成第一、第二ALO膜41、 42以及第 三層間絕緣膜43，進而，形成直通第二源極/漏極區(qū)域10b的接觸孔，從而 形成膠膜70以及W插件71。并且，形成直通鐵電電容器的上部電極33的 接觸孔后，例如依次層疊TiN/Ti層疊膜72a、 AlCu合金膜72b和TiN/Ti層疊膜72c，以形成布線72。
根據(jù)該第四實施方式的FeRAM的形成方法，也與所述第一實施方式同 樣地，能夠形成高性能且高可靠性的FeRAM。
以上，對第一 第四實施方式進行了說明，但所述的鐵電電容器的形成 原理，除了適用于例示的采用堆疊結(jié)構(gòu)的FeRAM以外，同樣能夠適用于采 用平面結(jié)構(gòu)的FeRAM中。
以上僅僅是闡明了本發(fā)明的原理。進而，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說還可以 采用多種變形、變更的實施方式，本發(fā)明不只限定于如上所示、所說明的正 確構(gòu)成以及應(yīng)用例，而所對應(yīng)的所有變形例以及同等物視為歸屬于所附加的 權(quán)利要求及其同等物表示的本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其是具有鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有形成與晶體管電連接的第一金屬膜的工序；在所述第一金屬膜上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜的工序；還原所述金屬氧化膜以作為第二金屬膜，并且在所述第二金屬膜上形成鐵電膜的工序；以及在所述鐵電膜上形成導(dǎo)電膜的工序。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在所述形成金屬氧化膜的工序中，以在形成所述鐵電膜時能夠使所述金屬氧化膜完全還原為所述第二金屬膜的膜厚來形成所述金屬氧化膜。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在所述形成金屬氧化膜的工序中，通過控制所述金屬氧化膜的形成溫度，使所述金屬氧化膜成為非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在所述形成金屬氧化膜的工序中，在含有氧氣的環(huán)境中形成所述金屬氧化膜，通過控制形成所述金屬氧化膜時的氧氣比率來控制還原的所述金屬氧化膜的氧化度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，根據(jù)形成所述金屬氧化膜時的形成速度，改變所述氧氣比率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1 5中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，在所述形成鐵電膜的工序中，采用MOCVD法來形成所述鐵電膜，在形成所述金屬氧化膜后，導(dǎo)入所述鐵電膜的原料氣體，通過所述原料氣體中所包含的成分將所述金屬氧化膜還原為所述第二金屬膜，并且利用所述原料氣體在所述第二金屬膜上形成所述鐵電膜。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有在導(dǎo)入所述原料氣體之前升溫至能夠形成所述鐵電膜的溫度的升溫過程，在所述升溫過程中使所述金屬氧化膜結(jié)晶化。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 7中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有在所述第一金屬膜形成之后、且在所述金屬氧化膜形成之前在非活性氣體環(huán)境中進行熱處理的工序。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 8中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，具有在所述鐵電膜的形成后在含有氧氣的環(huán)境中進行熱處理的工序。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 9中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述金屬氧化膜為貴金屬氧化膜。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述金屬氧化膜的形成溫度為10°C 100°C。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述金屬氧化膜的形成溫度為60°C。
13. —種半導(dǎo)體裝置，具有鐵電電容器，其特征在于，具有與晶體管電連接的第一金屬膜；形成在所述第一金屬膜上，且結(jié)晶粒徑小于所述第一金屬膜的結(jié)晶粒徑的第二金屬膜；形成在所述第二金屬膜上的鐵電膜；以及形成在所述鐵電膜上的導(dǎo)電膜。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，以薄于所述第一金屬膜的膜厚形成有所述第二金屬膜。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13或14所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第二金屬膜的膜厚為10nm 40nm。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第二金屬膜的結(jié)晶粒徑為20nm以下。
17. 根據(jù)權(quán)利要求13 16中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第二金屬膜為貴金屬膜。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13 17中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第二金屬膜的元素由與所述第一金屬膜的元素相同。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13 17中任一項所述的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，所述第一、第二金屬膜含有銥。
20. —種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其是具有鐵電電容器的半導(dǎo)體裝置的 制造方法，其特征在于，包括形成下部電極的工序；在所述下部電極上形成鐵電膜的工序；以及在所 述鐵電膜上形成上部電極的工序，其中，所述形成下部電極的工序具有形成第一金屬膜的工序；以及在所述第一金屬膜上以10 10(TC的溫度 形成金屬氧化膜的工序，所述形成鐵電膜的工序具有還原所述金屬氧化膜以作為第二金屬膜且 在所述第二金屬膜上形成所述鐵電膜的工序。
全文摘要
本發(fā)明形成具有取向性良好的鐵電膜的鐵電電容器。在使規(guī)定的結(jié)晶面優(yōu)先取向的第一金屬膜上形成非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜(步驟S1、S2)，然后，使用MOCVD法形成鐵電膜(步驟S3)。在形成該鐵電膜時，使第一金屬膜上的金屬氧化膜還原以作為第二金屬膜，在該第二金屬膜上形成鐵電膜。非結(jié)晶或微結(jié)晶的金屬氧化膜在形成鐵電膜時容易被均勻地還原，通過該還原可獲得取向性良好的第二金屬膜，能夠在第二金屬膜上形成取向性良好的鐵電膜。在形成鐵電膜后，在其上形成上部電極(步驟S4)。
文檔編號H01L21/8246GK101681883SQ20078005326
公開日2010年3月24日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者王文生 申請人:富士通微電子株式會社