專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)裝以強電介質(zhì)膜或大介電常數(shù)電介質(zhì)膜為電容絕緣膜的電容元件的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
近幾年，隨著電子設(shè)備的高速化和低電壓動作化，從電子設(shè)備發(fā)出的電磁輻射的噪聲成為重大的課題。作為降低這種不需要的電磁輻射的手段之一，在半導(dǎo)體集成電路中組裝進用強電介質(zhì)膜或大介電常數(shù)電介質(zhì)膜(下面稱為大介電常數(shù)膜)為電容絕緣膜的大容量電容元件的技術(shù)引人注目。此外，利用強電介質(zhì)膜的磁滯特性，盛行著能低電壓動作和高速讀寫的非易失性存儲器的實用化研究。
下面，參照圖6—

圖10對內(nèi)裝以往的電容元件的半導(dǎo)體器件進行說明。如圖6所示，內(nèi)裝以往的電容元件的半導(dǎo)體器件主要由在制作集成電路的(未圖示)支承基片1的表面上有選擇地形成的白金組成的第一電極2、在該第一電極2的表面上形成的由鋇鍶鈦氧化物(Ba0.7Sr0.3TiO3)等大介電常數(shù)組成的電容絕緣膜3和在該電容絕緣膜3的表面上不與第一電極2接觸所形成的白金組成的第二電極4構(gòu)成。
在這種制造方法中，首先，利用濺射或者電子束蒸鍍、在支承基板1的表面上相同地形成第一電極2，接著，利用自旋噴涂法、濺射法或者化學汽相淀積(CVD)法、在其面上形成Ba0.7Sr0.3TiO3。在含氧氣體的爐內(nèi)以70℃/分的升溫率、將其升溫至650℃、并保持該溫度約一個小時，使Ba0.7Sr0.3TiO3燒結(jié)、形成電容絕緣膜3。
此外，利用濺射或者電子束蒸鍍、在其電容絕緣膜3的表面上相同地形成第二電極4后，利用等離子蝕刻法或者化學溶液的濕式觸刻法、對第一電極2、電容絕緣膜3和第二電極4去除不要部分、形成電容元件。
圖6表示由內(nèi)裝這種用以往的制造方法形成的電容元件的半導(dǎo)體器件的Ba0.7Sr0.3TiO3組成的電容絕緣膜的微細結(jié)構(gòu)，圖7表示放大圖6所示的電容元件的部分剖面后的圖。在圖中，電容絕緣膜3的厚度約為185nm，電容絕緣膜3由粒徑不同的大介電常數(shù)的結(jié)晶粒5構(gòu)成。結(jié)晶粒5的粒徑在接近第一電極2的地方小、相反地在接近第二電極4的地方大，電容絕緣膜3具有各種粒徑的結(jié)晶粒。這種結(jié)晶粒5的平均粒徑如圖8所示大約為12nm，粒徑離散的標準偏差是3.9nm。
圖9是關(guān)于具備內(nèi)裝有這種結(jié)晶粒的微細結(jié)構(gòu)的以往的電容絕緣膜3的電容元件的半導(dǎo)體器件、在電容元件上加上電場時得到的電流—電場特性圖。在以用電場除以電流的值為縱軸、以電場的平方根為橫軸的場合，用室溫、100℃和150℃各溫度測定時的各曲線變化成直線的區(qū)域，如圖中斜線所示，在室溫時出現(xiàn)在0.44MV/cm以上的電場區(qū)域、在100℃時出現(xiàn)在0.24MV/cm以上的電場區(qū)域以及在150℃時出現(xiàn)在0.07MV/cm以上的電場區(qū)域。下面，將該直線部分的起始電場的值稱為臨界電場。
在圖9中用斜線覆蓋的電場區(qū)域中，電容元件的電容絕緣膜中截流子的傳導(dǎo)、受Frenkel—Poole型的跳動傳導(dǎo)支配(例如參考嶋田等、第12次強電介質(zhì)應(yīng)用會議、26—Tc—11、京都、1995年)。
然而，在以往的半導(dǎo)體器件中，因內(nèi)裝的電容元件的電容絕緣膜的結(jié)晶粒徑的離散性大，所以在其可靠性方面是個大課題。也就是說，為了評估具備以往的電容元件的半導(dǎo)體器件的可靠性，在高溫條件下對電容元件外加一定時間直流電場的應(yīng)力，作為加速壽命測試(下面稱為高溫偏置測試)，并用某一時間間隔返回到室溫測定漏電流，考察其漏電流和測試時間的關(guān)系。以溫度100℃、外加電場0.32MV/cm(6V電壓)作為應(yīng)力條件。其結(jié)果如圖10所示。在圖中，曲線A是具備以往的電容元件的半導(dǎo)體器件的測試結(jié)果，當測試時間超過數(shù)百小時時，電容元件的漏電流急劇地上升。
同樣地，圖10中曲線B是關(guān)于普通的標準5V動作的硅系列半導(dǎo)體器件，進行相同的測試、例如在MOS晶體管的柵板和漏板間加上相同的電場和溫度、加速壽命測試的結(jié)果。當超過1000小時時，也幾乎不見MOS晶體管閾值電壓變化。
在這種內(nèi)裝以往的電容元件的半導(dǎo)體器件中，與一般的硅系列半導(dǎo)體器件相比，有在可靠性、也就是說穩(wěn)定性方面顯著劣化的課題。
本發(fā)明的目的是為解決前述以往課題、提供能最小地抑制長期間地經(jīng)過內(nèi)裝在半導(dǎo)體器件中的電容元件的漏電流、因而具有良好可靠性的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
為達到前述目的，本發(fā)明在內(nèi)裝由形成集成電路的支承基片、在該支承基片的上面有選擇地形成的第一電極、在該第一電極的上面形成的由大介電常數(shù)的電介質(zhì)組成的電容絕緣膜和在該電容絕緣膜的上面形成不與所述第一電極接觸的第二電極組成的電容元件的半導(dǎo)體器件中，內(nèi)裝具有由所述大介電常數(shù)的電介質(zhì)組成的電容絕緣膜的結(jié)晶粒平均粒徑在5—20nm范圍并且其平均粒徑的粒徑分布在標準偏差3nm以內(nèi)的電容絕緣膜的電容元件。進而，為得到這種半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體器件的制造方法包括，在形成集成電路的支承基片的上面有選擇地形成第一電極、在該第一電極的上面被復(fù)大介電常數(shù)的電介質(zhì)后、在含氧氣體中以0.1—10℃/分范圍的任一升溫度上升至燒結(jié)溫度、使大介電常數(shù)的電介質(zhì)結(jié)晶化、在形成電容絕緣膜后、在該電容絕緣膜的上面形成不與所述第一電極接觸的第二電極的工序。
因此，采用本發(fā)明，因?qū)⒋蠼殡姵?shù)電介質(zhì)在含氧氣體中以0.1℃—10℃/分范圍的任一升溫率上升至燒結(jié)溫度、使大介電常數(shù)電介質(zhì)結(jié)晶化、形成電容絕緣膜、所以能在標準偏差3nm內(nèi)抑制用該條件得到的結(jié)晶粒的平均粒徑為中心的粒徑分布，并且在高溫高電場的應(yīng)力下，也能降低漏電流并能確保長時間穩(wěn)定。
圖1表示本發(fā)明一實施例的半導(dǎo)體器件的電容元件的部分放大剖視圖。
圖2表示構(gòu)成同一實施例的半導(dǎo)體器件的電容絕緣的結(jié)晶粒徑的次數(shù)分布圖。
圖3表示同一半導(dǎo)體器件的電容元件的電流—電場特性圖。
圖4表示對于同一半導(dǎo)體器件的電容絕緣膜結(jié)晶粒徑分散的標準偏差和臨界電場的關(guān)系圖。
圖5表示同一電容絕緣膜的燒結(jié)工序的升溫率和臨界電場的關(guān)系圖。
圖6表示與以往和本發(fā)明相關(guān)的半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵部分的剖視圖。
圖7表示以往的半導(dǎo)體器件的電容元件的部分放大剖視圖。
圖8表示構(gòu)成同一半導(dǎo)體器件的電容絕緣膜的結(jié)晶粒徑的次數(shù)分布圖。
圖9表示同一半導(dǎo)體器件的電容元件的電流—電場特性圖。
圖10表示基于以往和一般的硅系列半導(dǎo)體器件的高溫電場外加測試的漏電和測試時間的關(guān)系圖。
下面，參照圖1—圖5并且在其與圖6和7相同部分附以相同標號、對本發(fā)明的一實施例進行說明。
實施例具有與本發(fā)明相關(guān)的電容元件的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，除電容絕緣膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)外，與以往的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)相比、基本上沒有變化。因其制造方法除電容絕緣膜的燒結(jié)工序外，也與以往基本相同，所以省略詳細說明、僅對不同點進行說明。
圖1表示放大本發(fā)明一實施例的半導(dǎo)體器件的部分剖視面的圖。對如圖所示的由白金組成的第一電極2和由相同白金組成的第二電極4之間構(gòu)成的電容絕緣膜6，在3nm內(nèi)形成構(gòu)成它的結(jié)晶粒7的粒徑分布。關(guān)于達到構(gòu)成這種電容絕緣膜的原委，下面參照本發(fā)明的一實施例的半導(dǎo)體器件的制造方法進行說明。
首先，發(fā)明者推斷了基于高溫偏置試驗的漏電流增大，在其應(yīng)力條件的電容絕緣膜中的載流子的傳導(dǎo)機構(gòu)中的關(guān)系，決定傳導(dǎo)機構(gòu)的因素推定為電容絕緣膜的微細構(gòu)造。在這里，將電容絕緣膜的燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度保持在650℃，利用分別變換到達燒結(jié)溫度的升溫率為5℃/分、10℃/分、20℃/分、50℃/分和70℃/分，考察得到的電容絕緣膜的各種結(jié)晶的微細結(jié)構(gòu)。
其結(jié)果，能得到有在升溫率為5℃/分或10℃/分燒結(jié)的場合，如圖1所示，結(jié)晶粒7的大小為幾乎整齊的厚度約185nm的Ba0.7Sr0.3TiO3組成的電容絕緣膜的電容元件。然后，在本實施例得到的半導(dǎo)體器件的漏電流的負載壽命測試結(jié)果，如圖10所示，可見與用曲線B表示的一般的硅系列半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定特征，有幾乎相同的結(jié)果。
在本實施例中，構(gòu)成得到的電容絕緣膜6的結(jié)晶粒7的粒徑的次數(shù)分布，表示在圖2中。由圖可見，結(jié)晶粒7的平均粒徑是12.8nm，雖然與以往的電容絕緣膜幾乎相同，但標準偏差為2.2nm，比圖8所示的以往的電容絕緣膜的標準偏差要小。
圖3表示關(guān)于本實施例的半導(dǎo)體器件在電容元件上加上電場時得到的電流—電場特性圖。150℃的臨界電場強度，從以往的電容元件的0.07MV/cm大幅度地上升到0.38MV/cm。此外，100℃的臨界電場強度為0.43MV/cm、室溫的臨界電場強度為0.5MV/cm，比任何以往的內(nèi)裝在半導(dǎo)體器件中的電容元件的臨界電場強度都要上升。由圖3可見，前述高溫偏置測試條件(6V、125℃)，為本實施例具有的臨界電場強度以下，因此，內(nèi)裝本實施例的電容元件的半導(dǎo)體器件，具有穩(wěn)定的漏電流特性。
這樣，雖然漏電流特性是否穩(wěn)定，基于高溫偏置測試條件是否為臨界電場強度以下，但因臨界電場強度高的話，高穩(wěn)定的區(qū)域增加，所以關(guān)于用于提高臨界電場強度的要素進行了考察。
如前述實施例所見，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與以往的電容絕緣膜的不同點在于，大介電常數(shù)電介質(zhì)的結(jié)晶粒徑的標準偏差，對于以往為3.9，在本實施例中為2.2，發(fā)明者為了解釋對其不同點給與的影響，考察了對結(jié)晶粒徑分散標準偏差和150℃的臨界電場的相互關(guān)系。其結(jié)果如圖4所示。由圖可見，雖然臨界電場強度在電容絕緣膜的結(jié)果粒徑的標準偏差到3nm為至幾乎不變，但超過3nm時，急劇地減小。也就是說，在高溫偏置測試中為得到穩(wěn)定的漏電流特性，有必要將結(jié)晶粒徑的標準偏差抑制在3nm以下。
圖5表示電容絕緣膜6的燒結(jié)工序的升溫率和150℃的臨界電場強度的關(guān)系圖。由圖可見，當燒結(jié)時的升溫率超過10℃/分時，臨界電場強度急劇地減小。也就是說，結(jié)晶粒徑分散的標準偏差減小，為得到穩(wěn)定的漏電流特性，電容絕緣膜的燒結(jié)工序的升溫率必需在0.1—10℃/分的范圍內(nèi)。
此外，關(guān)于本實施例的半導(dǎo)體器件，雖然關(guān)于用Ba0.7Sr0.3TiO3作為電容絕緣膜6的例子進行了說明，但Ba和Sr的克分子比，不僅能得到在本實施例的數(shù)值，而且也能得到何種配合比能有相同的效果。而且，不限于Ba0.7Sr0.3TiO3，能使用多種鈣鈦礦型大介電常數(shù)材料作為電容絕緣膜。此外，在本發(fā)明的實施例中，雖然以Frenkel—Poole型的跳動傳導(dǎo)為支配的臨界電場進行定義并演繹作為與電容絕緣膜的穩(wěn)定性相關(guān)的解析理論，但電容絕緣膜的穩(wěn)定性，以時間依存絕緣破壞(TDDB)和絕緣耐壓作為評價的指標進行解析，也能得到相同的結(jié)果。
這樣，采用前述實施例，將構(gòu)成電容絕緣膜的大介電常數(shù)電介質(zhì)，在含氧氣體中以5℃或者10℃/分的升溫率，上升到達燒結(jié)溫度，使大介電常數(shù)電介質(zhì)結(jié)晶化，形成電容絕緣膜，并且以結(jié)晶粒的平均粒徑為中心的粒徑分為在標準偏差2.2nm，在高溫高電場的應(yīng)力下，也能降低漏電流并能確保長時間穩(wěn)定。
本發(fā)明因在內(nèi)裝由形成集成電路的支承基片、在該支承基片的上面有選擇地形成的第一電極、在該第一電極的上面形成的由大介電常數(shù)的電介質(zhì)組成的電容絕緣膜和在該電容絕緣膜的上面形成不與所述第一電極接觸的第二電極組成的電容元件的半導(dǎo)體器件中，內(nèi)裝具有由所述大介電常數(shù)的電介質(zhì)組成的電容絕緣膜的結(jié)晶粒平均粒徑在5—20nm范圍并且其平均粒徑的粒徑分布在標準偏差3nm以內(nèi)的電容絕緣膜的電容元件，所以能長時間地經(jīng)過該電容元件的漏電流并保持穩(wěn)定，能顯著地改善半導(dǎo)體器件的可靠性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括內(nèi)裝由形成集成電路的支承基片、在該支承基片的上面有選擇地形成的第一電極、在該第一電極的上面形成的由大介電常數(shù)電介質(zhì)組成的電容絕緣膜和在該電容絕緣膜的上面形成不與所述第一電極接觸的第二電極組成的電容元件，其特征在于，具有由所述大介電常數(shù)電介質(zhì)組成的電容絕緣膜的結(jié)晶粒平均粒徑在5—20nm范圍并且其平均粒徑的粒徑分布在標準偏差3nm以內(nèi)的電容絕緣膜的電容元件。
2.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在形成集成電路的支承基片的上面有選擇地形成第一電極、在該第一電極的上面被復(fù)大介電常數(shù)電介質(zhì)后、在含氧氣體中以0.1—10℃/分范圍的任一升溫率上升至燒結(jié)溫度、使大介電常數(shù)電介質(zhì)結(jié)晶化、在形成電容絕緣膜后、在該電容絕緣膜的上面形成不與所述第一電極接觸的第二電極。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種內(nèi)裝以大介電常數(shù)電介質(zhì)或強電介質(zhì)為電容絕緣膜的電容元件的半導(dǎo)體器件及其制造方法中，包括將電容絕緣膜(6)的燒結(jié)工序的燒結(jié)溫度保持在650℃，利用以5℃/分或10℃/分為到達燒結(jié)溫度的升溫率進行燒結(jié)，形成結(jié)晶粒(7)的平均粒徑為12.8nm、粒徑離散的標準偏差幾乎為2.2nm的結(jié)晶大小的厚度約185nm的Ba
文檔編號H01L21/02GK1148262SQ9610713
公開日1997年4月23日 申請日期1996年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月22日
發(fā)明者嶋田恭博, 上本康裕, 井上敦雄, 松浦武敏, 吾妻正道 申請人:松下電子工業(yè)株式會社