JPH07161838A - Capacitor device and method of manufacturing the capacitor device - Google Patents
Capacitor device and method of manufacturing the capacitor deviceInfo
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- JPH07161838A JPH07161838A JP6255208A JP25520894A JPH07161838A JP H07161838 A JPH07161838 A JP H07161838A JP 6255208 A JP6255208 A JP 6255208A JP 25520894 A JP25520894 A JP 25520894A JP H07161838 A JPH07161838 A JP H07161838A
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- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- H10D1/68—Capacitors having no potential barriers
- H10D1/682—Capacitors having no potential barriers having dielectrics comprising perovskite structures
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、コンデンサ装置及び該
コンデンサ装置の製法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a capacitor device and a method for manufacturing the capacitor device.
【0002】強誘電性材料、例えば、ジルコン・チタン
酸鉛(PZT)の系からなるペロブスカイトの薄層は、
誘電体として新しい種類の半導体記憶装置中の強誘電性
コンデンサに使用される。これまでの半導体記憶装置の
場合に使用されてきた珪素含有材料と異なり、強誘電性
コンデンサを有する記憶装置セルは、2つの本質的な利
点を有している。強誘電体の分極は、適当な電圧をかけ
ることによって2つの状態の間で切り替えることができ
る。このようにして、記憶装置に書き込まれた情報は、
動作電圧が切られた後にも保持され、その結果、不揮発
性データ記憶装置を得ることができる。その上、強誘電
体は、約2倍に高められた誘電率を有しており、その結
果、強誘電性コンデンサは、同じ容積で、これまでの記
憶装置セルに使用されてきたコンデンサより、相応して
高かめられた静電容量を有している。したがって、電荷
ないしは情報を本質的により小さな面積に蓄積すること
が可能となる。このことは、平板強誘電性コンデンサを
使用することができかつしたがって「第三の次元」を記
憶装置セルに利用し尽くすことを不要にすることができ
るため、より高い記憶内容量を有する、より高集積され
た半導体部材の製造を可能とする一方で、記憶装置構造
の簡素化を可能とする。A thin layer of perovskite composed of a ferroelectric material, for example, the system of zircon-lead titanate (PZT), is
Used as a dielectric in ferroelectric capacitors in new types of semiconductor memory devices. Unlike the silicon-containing materials that have been used in the case of semiconductor memory devices to date, memory cell devices with ferroelectric capacitors have two essential advantages. Ferroelectric polarization can be switched between two states by applying an appropriate voltage. In this way, the information written in the storage device is
It is maintained even after the operating voltage is cut off, so that a nonvolatile data storage device can be obtained. Moreover, ferroelectrics have a dielectric constant that is increased by a factor of about two, so that a ferroelectric capacitor, at the same volume, has a higher dielectric constant than conventional capacitors used in memory cells. It has a correspondingly high capacitance. Therefore, it is possible to store charges or information in an essentially smaller area. This has a higher storage capacity, as it allows the use of flat-plate ferroelectric capacitors and thus eliminates the need to exhaust the "third dimension" to the storage cells. It enables the manufacture of highly integrated semiconductor members and simplification of the memory device structure.
【0003】[0003]
【従来の技術】強誘電性コンデンサを有する半導体記憶
装置は、例えばR. Cuppens、P.K. Larsen及びG.A.C.M.
Spierings著、Microelectronic Engineering 19 (199
2)、245〜252頁から公知である。この半導体記憶
装置は、基板に対して平行に方向づけられた堆積状の層
構造を有しており、この層構造の個々の層は、順々に形
成される。したがって、全ての個々の層ひいては各層間
の界面は、次の層を得るための作業条件、殊に作業温度
に必然的に晒されている。しかしながら、上記の有利な
性質を有する強誘電層は、製造に450〜約900℃の
高い作業温度を必要とする。このことは、十分な熱安定
性を有するベース電極を必要とし、この場合、適当な材
料の選択は、著しく制限されている。その上、ベース電
極の限界のある熱安定性によって、強誘電層の析出の際
の作業温度及び作業時間の制限が生じる。このことによ
って、最適化することができない不利な性質が生じ、そ
の上、この性質は、電極と強誘電層の間の拡散過程によ
ってさらに悪化する。2. Description of the Related Art Semiconductor memory devices having ferroelectric capacitors are disclosed in, for example, R. Cuppens, PK Larsen and GACM.
Spierings, Microelectronic Engineering 19 (199
2), pages 245-252. This semiconductor memory device has a stacked layer structure oriented parallel to the substrate, and the individual layers of this layer structure are formed in sequence. Therefore, all individual layers and thus the interfaces between the layers are necessarily exposed to the operating conditions for obtaining the next layer, in particular the operating temperature. However, ferroelectric layers with the above-mentioned advantageous properties require high working temperatures of 450 to about 900 ° C. for their production. This requires a base electrode with sufficient thermal stability, in which case the selection of suitable materials is severely limited. Moreover, the limited thermal stability of the base electrode causes a limitation of working temperature and working time during the deposition of the ferroelectric layer. This results in a disadvantageous property that cannot be optimized, which is further exacerbated by the diffusion process between the electrode and the ferroelectric layer.
【0004】強誘電性コンデンサの最適な有利な性質を
達成するためには、エピタキシャル成長した単結晶の強
誘電層が必要である。しかしながら、このような強誘電
層は、これまで主として使用されてきた白金ベース電極
の上に生じさせることはできず、それというのも、該白
金ベース電極が珪素上では多結晶でしか得ることができ
ず、かつ結晶学的に配向されていない状態で得られうる
かもしくは弱く配向された状態でしか得ることができな
いからである。In order to achieve the optimum advantageous properties of ferroelectric capacitors, epitaxially grown single crystal ferroelectric layers are required. However, such a ferroelectric layer cannot be produced on the platinum-based electrodes that have hitherto been mainly used, since the platinum-based electrodes can only be obtained polycrystalline on silicon. This is because it can not be obtained and can be obtained in a state in which it is not crystallographically oriented, or it can be obtained only in a weakly oriented state.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、簡単に製造することができかつ半導体記憶装置に
使用することができる、単結晶強誘電層を有する改善さ
れた強誘電性コンデンサを提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an improved ferroelectric capacitor having a single crystal ferroelectric layer that can be easily manufactured and used in semiconductor memory devices. It is to be.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記課題は、本発明によ
れば、請求項1記載のコンデンサ装置によって解決され
る。According to the present invention, the above-mentioned problems are solved by the capacitor device according to claim 1.
【0007】[0007]
【作用】本発明のさらなる形態及び該コンデンサ装置の
製法は、さらなる請求項のいずれか1項から読み取るこ
とができる。Further forms of the invention and a method of manufacturing the capacitor arrangement can be read from any one of the further claims.
【0008】本発明によるコンデンサは、基板に対して
垂直に配置された電極を有している。このことは、電極
を強誘電層が生じた後に施与することができるという利
点を有している。したがって強誘電層の発生ないしは析
出は、電極材料及び電極の形成方法に依存していない。
したがって強誘電層は、エピタキシャル層として単結晶
半導体基板上に形成される。基板と強誘電層の間の1つ
もしくは場合によっては複数のバッファ層(Bufferschic
hten)は、結晶格子の適合に使用することができ、かつ
拡散遮断層として使用することができる。このことによ
って単結晶強誘電層は、コンデンサに最適な性質を有し
ている。該強誘電層は、顕著なヒステレシス挙動を示
し、簡単に分極ないしは切り替えることができ、かつこ
の性質をなお約1016回の切り替えサイクル後にも保持
する。電極に対する界面は安定しており、それというの
も該界面がもはや強誘電層の層析出のための条件に暴露
されないからである。したがって障害をおよぼす拡散過
程は、電極と強誘電層の間に発生せず、それというのも
電極が、適度に高められた温度でのみ施与することがで
きるからである。このことによって電極材料のための選
択は、著しく拡大されており、それというのも、もはや
電極の熱安定性に注意を向ける必要がないからである。The capacitor according to the invention has electrodes arranged perpendicular to the substrate. This has the advantage that the electrodes can be applied after the ferroelectric layer has been produced. Therefore, the generation or deposition of the ferroelectric layer does not depend on the electrode material and the method of forming the electrode.
Therefore, the ferroelectric layer is formed as an epitaxial layer on the single crystal semiconductor substrate. One or, optionally, multiple buffer layers between the substrate and the ferroelectric layer
hten) can be used for crystal lattice matching and as a diffusion barrier. As a result, the single crystal ferroelectric layer has the optimum properties for capacitors. The ferroelectric layer exhibits a pronounced hysteretic behavior, can be easily polarized or switched, and retains this property even after about 10 16 switching cycles. The interface to the electrode is stable because it is no longer exposed to the conditions for layer deposition of the ferroelectric layer. Therefore, no disturbing diffusion process takes place between the electrode and the ferroelectric layer, since the electrode can only be applied at a moderately elevated temperature. This greatly expands the choice for the electrode material, since it is no longer necessary to pay attention to the thermal stability of the electrode.
【0009】有利な基板材料として珪素が選択され、そ
れというのも珪素が強誘電層のエピタキシーを促進しか
つ、トリガリング(ansteuern)、書き込み及び読み出し
のための半導体記憶装置の製造に必要とされる集積回路
の収容に適当であるからである。しかしながら原理的
に、高集積回路が実施されうる他の半導体基板は同様に
適当である。Silicon has been chosen as the preferred substrate material, since it promotes the epitaxy of the ferroelectric layer and is required for the manufacture of semiconductor memory devices for triggering, writing and reading. This is because it is suitable for accommodating integrated circuits. However, in principle, other semiconductor substrates on which highly integrated circuits can be implemented are likewise suitable.
【0010】本発明に適当な強誘電製材料は、例えば、
ジルコン・チタン酸鉛(PZT)の系からなるペロブス
カイトである。この物質の性質は、ドーピングによって
広い領域で変化し、かつ種々のパラメータに関して最適
化される。PZTに適当なドーピング物質は、例えばマ
ンガン、ランタン、ニッケルもしくはニオブであるか又
は他には遷移金属の族、殊に元素の周期律表の第3ない
し第8亜族から選択されている。Ferroelectric materials suitable for the present invention include, for example:
It is a perovskite composed of a system of zircon and lead titanate (PZT). The properties of this material vary widely by doping and are optimized with respect to various parameters. Suitable doping substances for PZT are, for example, manganese, lanthanum, nickel or niobium or else selected from the group of transition metals, in particular from the 3rd to 8th subgroups of the periodic table of the elements.
【0011】他の適当な強誘電体は、例えばチタン酸ビ
スマス及びチタン酸バリウム、ストロンチウムもしくは
バリウムのニオブ酸塩又は別の強誘電性化合物である。
特に有利であるのはユニポーラー強誘電体であり、この
ユニポーラー強誘電体は、確かに製造するのは著しく困
難であるが、しかしながら、配向された状態で、分極が
可能である1個の軸のみを有する。このようにして配向
されたコンデンサは、著しく異なる切り替え状態を有す
る特に簡単な分極可能性を示す。一般的には本発明に適
当な強誘電体は、高い分極可能性及び良好な切り替え可
能性を有していなければならず、かつエピタキシャル生
成可能でなければならない。Other suitable ferroelectrics are, for example, bismuth titanate and barium titanate, strontium or barium niobates or other ferroelectric compounds.
Of particular advantage is a unipolar ferroelectric, which is certainly very difficult to manufacture, however, in the oriented state it is possible to It has only an axis. Capacitors oriented in this way exhibit a particularly simple polarizability with significantly different switching states. In general, the ferroelectrics suitable for the invention must have a high polarizability and a good switchability and must be epitaxially producible.
【0012】強誘電層のエピタキシーについては、結晶
格子の適合のためにバッファ層は必要である。このバッ
ファ層は、同様に単結晶エピタキシャル層であり、この
層は、電気絶縁されていなければならずかつ十分に薄く
なければならない。超伝導層を得るために、既に一連の
バッファ層が開発されており、これら層は、本発明によ
る方法の場合にも使用することができる。適当な材料
は、例えば酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化
マグネシウム又は、イットリウムで安定化された酸化ジ
ルコニウムである。For ferroelectric layer epitaxy, a buffer layer is necessary due to the matching of the crystal lattice. This buffer layer is likewise a single crystal epitaxial layer, which must be electrically isolated and sufficiently thin. To obtain superconducting layers, a series of buffer layers have already been developed, which layers can also be used in the case of the method according to the invention. Suitable materials are, for example, zirconium oxide, yttrium oxide, magnesium oxide or yttrium-stabilized zirconium oxide.
【0013】次に、本発明によるコンデンサ装置の製法
を実施例及びこれに付属する4つの図につき詳説する。Next, a method of manufacturing the capacitor device according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment and four drawings attached thereto.
【0014】これら図は、概略的な横断面図で、コンデ
ンサ装置及び該コンデンサから製造された半導体記憶装
置の製造の種々の処理段階を示している。These figures are schematic cross-sectional views showing various processing steps in the manufacture of a capacitor device and a semiconductor memory device manufactured from it.
【0015】[0015]
【実施例】図1: 基板(1)として、例えば〔10
0〕−配向された珪素ウェーハを選択する。基板(1)
の清浄化された表面上に、先ずバッファ層(2)を熱膨
張挙動及び結晶学的格子挙動の適合のために析出させ
る。バッファ層の膜厚は、約50〜200nmである。
このためには、バッファ層(2)のエピタキシャル成長
を促進する方法が選択される。適当な方法は、例えばス
パッタ、MOCVD又はMBE(分子線エピタキシー)
である。後から施与すべき強誘電層の材料に応じて、結
晶格子の適合には、必要な結晶格子の適合をいくかのよ
り小さな段階で実施するために別のバッファ層が必要と
なる場合がある。その上、少なくとも1個のバッファ層
(2)は、さらなる方法の際に、基板から強誘電層中へ
及び逆方向の拡散に対する遮断層として使用される。EXAMPLE FIG. 1: As a substrate (1), for example, [10
0] -Select oriented silicon wafers. Board (1)
On the cleaned surface of, the buffer layer (2) is first deposited for matching the thermal expansion behavior and the crystallographic lattice behavior. The film thickness of the buffer layer is about 50 to 200 nm.
For this purpose, a method of promoting the epitaxial growth of the buffer layer (2) is selected. Suitable methods are eg sputter, MOCVD or MBE (molecular beam epitaxy).
Is. Depending on the material of the ferroelectric layer to be applied later, matching the crystal lattice may require a separate buffer layer in order to carry out the necessary crystal lattice matching in some smaller steps. is there. Moreover, at least one buffer layer (2) is used in a further process as a barrier layer from diffusion from the substrate into the ferroelectric layer and in the reverse direction.
【0016】さらにバッファ層(2)の上に強誘電層
(3)を施与する。この施与は同様に、大きな面に所望
の組成及び化学量論の緊密かつ均質なエピタキシャル層
を生じさせることができる適当な析出方法で行なわれ
る。有利に、超小型電子技術において常用される方法と
相容性である方法が選択される。本質的にこの方法は、
既にバッファ層の製造に使用された方法であり、この方
法を用いて高い品質の層を生じさせることができる。Further, a ferroelectric layer (3) is applied on the buffer layer (2). This application is likewise carried out by a suitable deposition method which is capable of producing on a large surface a tight and homogeneous epitaxial layer of the desired composition and stoichiometry. Advantageously, a method is selected which is compatible with the methods commonly used in microelectronics. Essentially this method
It is a method already used for the production of buffer layers, which can be used to produce high quality layers.
【0017】強誘電層(3)の膜厚が、後から提供すべ
きコンデンサ面積ひいてはコンデンサの静電容量に比例
するため、強誘電層を有する公知の半導体記憶装置の平
板構造にこれまで使用されてきた膜厚を明らかに超えて
いる、できるだけ厚い、例えば1μmの膜厚が求められ
る。Since the film thickness of the ferroelectric layer (3) is proportional to the capacitor area to be provided later and hence the capacitance of the capacitor, it has been used so far in the flat plate structure of the known semiconductor memory device having the ferroelectric layer. It is required to have a film thickness that is as thick as possible, for example, 1 μm, which clearly exceeds the film thickness.
【0018】次の段階の際には、絶縁層(4)を強誘電
層(3)上に析出させる。この絶縁層に適当な材料の選
択は、強誘電層(3)の種類に依存する。珪素半導体技
術に常用される酸化珪素、窒化珪素又はガラスからなる
絶縁層は、適当である。絶縁層(4)の膜厚は、自由に
選択することができ、かつ例えば1μmである。絶縁層
が後からの構造化方法の際にマスクとして使用されるた
めに、膜厚は、より厚く選択することもでき、それとい
うのも構造化中にある程度の取り除きが生じるからであ
る。In the next step, an insulating layer (4) is deposited on the ferroelectric layer (3). The choice of suitable material for this insulating layer depends on the type of ferroelectric layer (3). An insulating layer made of silicon oxide, silicon nitride or glass, which is commonly used in silicon semiconductor technology, is suitable. The thickness of the insulating layer (4) can be freely selected and is, for example, 1 μm. Since the insulating layer is used as a mask in the subsequent structuring method, the film thickness can also be chosen thicker, since some removal occurs during structuring.
【0019】次の工程の際には、強誘電層(3)とその
上に施与された絶縁層(4)とを一緒に構造化する。有
利にこの構造化のために、相互に平行な帯のマスタを選
択し、この場合、残留したウェブの幅は、後からのコン
デンサの電極間隔に相応する。適当な電極間隔は、いず
れの場合にも500nm未満であり、特に200〜40
0nmである。このことによって、コンデンサの分極が
小型電子技術で常用の作動電圧、例えば5ボルトで、な
お確実に切り替えることができることが保証されてい
る。相互のウェブの間隔は、所望の集積密度ないしは各
コンデンサに属する半導体記憶装置セルに提供される面
積に依存する。例えば、構想された、1記憶装置セルあ
たり1ギガビットの記憶容量を有する半導体記憶装置
は、約1μm2の面積を有し、この面積の上にコンデン
サの他に、読み出しトランジスタとこれに属する回路と
を一緒に配置しなければならない。したがって、この記
憶装置に常用される水平の大きさの程度は、0.5μm
以下の範囲内にある。In the next step, the ferroelectric layer (3) and the insulating layer (4) applied thereon are structured together. Advantageously, for this structuring, mutually parallel strip masters are selected, the width of the remaining web corresponding to the electrode spacing of the subsequent capacitor. A suitable electrode spacing is in each case less than 500 nm, in particular 200-40
It is 0 nm. This ensures that the polarization of the capacitor can be reliably switched at the working voltage commonly used in small electronics, for example 5 volts. The spacing of the webs from each other depends on the desired integration density or area provided for the semiconductor memory cells belonging to each capacitor. For example, a semiconductor memory device having a storage capacity of 1 gigabit per memory cell, which is envisioned, has an area of about 1 μm 2 , and on top of this area, a read transistor and a circuit belonging thereto are provided in addition to a capacitor. Must be placed together. Therefore, the degree of horizontal size commonly used for this storage device is 0.5 μm.
It is within the following range.
【0020】構造化には、公知の「乾燥状態」で処理さ
れる方法、例えばプラズマエッチングもしくは反応性イ
オンエッチングを使用することができる。構造化マスタ
を定義するために、フォトレジスト技術を使用し、この
場合、さらなる処理の際に次にエッチング処理すべき絶
縁層(4)は、その下に存在する強誘電層(3)のため
のマスクとして使用することができる。図2には、例と
して強誘電層(3)からエッチング処理して得られたウ
ェブ(5)のうちの2つが該ウェブ上のなお無傷の絶縁
層(4)とともに示されている。この構造化方法は有利
に、ウェブ(5)の垂直な側壁が生じる程度に異方性に
調整される。The structuring can be carried out by the known "dry state" processes, for example plasma etching or reactive ion etching. Photoresist technology is used to define the structured master, in which case the insulating layer (4) to be etched next during further processing is due to the underlying ferroelectric layer (3). Can be used as a mask. Two of the webs (5) obtained by etching from the ferroelectric layer (3) are shown in FIG. 2 by way of example, with the still intact insulating layer (4) on the webs. This structuring method is advantageously adjusted anisotropically to the extent that vertical sidewalls of the web (5) are produced.
【0021】次に、強誘電性ウェブ(5)によって定義
されるコンデンサに電極を装備する。これには種々の方
法が適当である。例えば、図2に示されている装置全体
に相似の電極層を析出することも可能であるし、次の段
階の際に、もっぱらウェブの側壁のみが電極層で被覆さ
れている程度に構造化することも可能である。また次
に、ウェブ(5)間の凹部を別の絶縁材ないしは誘電体
で充填することも可能である。さらに電極を定義するた
めに、ウェブの側面を、例えばウェブ(5)に隣接しか
つ該ウェブに平行な相応する孔部もしくは凹部のエッチ
ングによって完全にかもしくは部分的に暴露させる。さ
らに、これら凹部は、選択的に電極材料で充填すること
ができる。装置全体に相似の電極層を析出する方法の場
合には、相似析出及び電極層の構造化の後に、電極で被
覆されたウェブ同士の間のなお残留している空間を同様
に誘電体で充填する。The capacitor is then equipped with electrodes defined by the ferroelectric web (5). Various methods are suitable for this. For example, it is possible to deposit a similar electrode layer on the entire device shown in FIG. 2 and in the next step structure so that only the side walls of the web are covered with the electrode layer. It is also possible to do so. It is also possible then to fill the recesses between the webs (5) with another insulating material or dielectric. In order to further define the electrodes, the sides of the web are exposed completely or partially, for example by etching corresponding holes or depressions adjacent to and parallel to the web (5). Furthermore, these recesses can be selectively filled with electrode material. In the case of the method of depositing a similar electrode layer on the whole device, after the similar deposition and the structuring of the electrode layer, the still remaining spaces between the electrode-coated webs are likewise filled with a dielectric. To do.
【0022】図3には、このようにして生じた装置が概
略的に横断面図で示されている。個々のコンデンサは、
dの幅のウェブの形に構造化された強誘電体(5)及び
該ウェブ(5)の側面に施与されたそれぞれ2つの電極
層(6)のみからなる。それぞれの場合の2個の隣接す
るコンデンサは、これらコンデンサ間に存在する誘電体
(7)によって相互に分離されており、かつ、元は絶縁
層(4)であった残留部(8)によって被覆されてい
る。FIG. 3 shows the device thus produced in schematic cross-section. The individual capacitors are
It consists only of a ferroelectric (5) structured in the form of a web of width d and two electrode layers (6) each applied to the sides of the web (5). Two adjacent capacitors in each case are separated from each other by a dielectric (7) existing between them and covered by a residue (8) which was originally an insulating layer (4). Has been done.
【0023】これまで使用されてきた構造化処理の全て
を平行な構造線に沿って実施することができるため、マ
スク技術及びマスク配向を特に簡単に実施することがで
きる。次の段階でようやくコンデンサを、ウェブを横切
る構造化段階によって所望の大きさないしは所望の静電
容量の個々のコンデンサに細分する。The masking technique and the mask orientation can be carried out particularly easily, since all the structuring processes used up to now can be carried out along parallel structure lines. In the next step, the capacitors are finally subdivided by structuring steps across the web into individual capacitors of the desired size or capacitance.
【0024】本発明によって製造されたコンデンサ装置
は、強誘電性半導体記憶装置の中心部分を形成し、この
強誘電性半導体記憶装置については、可能な構造が図4
に概略的な横断面図で示されている。記憶装置セルは、
第1の電極(12)、第2の電極(6)及びこれら電極
間かつバッファ層(2)上に配置された強誘電体(5)
を有する強電導性コンデンサからなる。コンデンサの第
1の電極(12)は、ドライブ・ラインに結合されてお
り、このドライブ・ラインによって記憶装置セルの「書
き込み」ないしはコンデンサの分極を行なうことができ
る。コンデンサのすぐ近くに、ソース及びドレイン領域
(9)、(13)並びに、ワード・ラインと結合されて
いるゲート電極(11)からなる電界効果形トランジス
タが読み出しトランジスタとして配置されている。コン
デンサの第2の電極(6)は、電界効果形トランジスタ
の第1のソース及びドレイン領域(13)と結合されて
おり、かつビット・ラインは、第2のソース及びドレイ
ン領域(9)と結合されている。The capacitor device manufactured according to the present invention forms the central part of a ferroelectric semiconductor memory device, and for this ferroelectric semiconductor memory device a possible structure is shown in FIG.
In a schematic cross section. Storage cell
A first electrode (12), a second electrode (6) and a ferroelectric (5) arranged between these electrodes and on the buffer layer (2).
And a strong conductive capacitor having The first electrode (12) of the capacitor is coupled to a drive line by which the storage cell can be "written" or the capacitor can be polarized. In the immediate vicinity of the capacitor, a field-effect transistor consisting of source and drain regions (9), (13) and a gate electrode (11) connected to the word line is arranged as a read transistor. The second electrode (6) of the capacitor is coupled to the first source and drain region (13) of the field effect transistor, and the bit line is coupled to the second source and drain region (9). Has been done.
【0025】集積回路を有する本発明によるコンデンサ
装置が使用されている半導体記憶装置は、まとめると次
の利点を有している:コンデンサは、単結晶強誘電層の
ために最適な切り替え挙動を示す。その上、単結晶材料
は、精密に構造化することができるという別の利点を有
しており、このことは殊に、高い容量(256メガビッ
ト以上)を有する半導体記憶装置チップのためのμm以
下の範囲の寸法の記憶装置コンデンサに必要とされてい
る。強誘電性コンデンサを有する公知の半導体記憶装置
には、多結晶強誘電層が使用されており、この多結晶強
誘電層は、精密に構造化することはできず、かつ不清浄
な界面ひいては界面問題を惹起する可能性がある。さら
に、この公知の強誘電性コンデンサとは異なり、900
℃までの最適な高い温度での強誘電層の析出の際に、該
層の下に存在する層と結合して生じる可能性がある界面
問題は、回避される。このことによって、公知の強誘電
性半導体記憶装置の場合には約1010回の切り替えサイ
クル後に疲れ(疲労プロセス)を生じさせる作用もまた
回避される。The semiconductor memory device in which the capacitor device according to the invention with an integrated circuit is used has the following advantages in summary: The capacitor exhibits optimum switching behavior due to the monocrystalline ferroelectric layer. . In addition, single crystal materials have the additional advantage of being able to be precisely structured, which is especially sub-μm for semiconductor memory chips with high capacity (256 megabits and above). Storage capacitors in the range of dimensions are needed. A known semiconductor memory device having a ferroelectric capacitor uses a polycrystalline ferroelectric layer, which cannot be precisely structured and has an unclean interface and thus an interface. May cause problems. Furthermore, unlike this known ferroelectric capacitor,
During the deposition of the ferroelectric layer at optimally high temperatures up to 0 ° C., the interface problems that may occur in combination with the layers underlying it are avoided. This also avoids the effect of producing fatigue (fatigue process) after approximately 10 10 switching cycles in the known ferroelectric semiconductor memory device.
【0026】半導体技術において常用である電極材料
は、使用することができ、その結果、強誘電性コンデン
サの製造は、公知の半導体加工段階及び方法で快適に可
能である。The electrode materials customary in semiconductor technology can be used, so that the manufacture of ferroelectric capacitors is comfortably possible with known semiconductor processing steps and methods.
【0027】さらに本発明によって、半導体記憶装置チ
ップを高められた記憶装置容量で製造することが可能で
あり、それというのも、該半導体記憶装置チップの必要
面積が、公知の強誘電性コンデンサに対して、並びに公
知の常用の記憶装置セルに対して明らかに減少されてい
るからである。その上、強誘電性コンデンサないしは強
誘電性コンデンサを有する記憶装置セルは、不揮発性で
あり、かつ電磁線、例えばα線に対して鈍感である。Further, according to the present invention, it is possible to manufacture a semiconductor memory device chip with an increased memory device capacity, since the required area of the semiconductor memory device chip is the same as that of a known ferroelectric capacitor. On the other hand, as well as with respect to the known conventional storage cells, it is clearly reduced. Moreover, ferroelectric capacitors or storage cells with ferroelectric capacitors are non-volatile and insensitive to electromagnetic radiation, for example α rays.
【図1】本発明によるコンデンサ装置の製造段階を示す
横断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of a capacitor device according to the present invention.
【図2】本発明によるコンデンサ装置の製造段階を示す
横断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the capacitor device according to the present invention.
【図3】本発明によるコンデンサ装置の製造段階を示す
横断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing step of the capacitor device according to the present invention.
【図4】本発明によるコンデンサ装置から得られた半導
体記憶装置の横断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device obtained from a capacitor device according to the present invention.
1 基板、 2 バッファ層、 3 強誘電層、 4
絶縁層、 5 ウェブ、 6,12 電極1 substrate, 2 buffer layer, 3 ferroelectric layer, 4
Insulation layer, 5 webs, 6 and 12 electrodes
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/822 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/822
Claims (12)
装置において、コンデンサ誘電体が単結晶強誘電層
(5)であり、かつ電極(6)が基板(1)に対して垂
直に配置されていることを特徴とする、コンデンサ装
置。1. A capacitor device on a single crystal semiconductor substrate (1), wherein the capacitor dielectric is a single crystal ferroelectric layer (5) and the electrodes (6) are arranged perpendicular to the substrate (1). Capacitor device characterized in that
ファ層(2)上に配置されており、このバッファ層が強
誘電層(3)のエピタキシャル成長を可能にする、 請求項1記載の装置。2. A device according to claim 1, wherein a single crystal ferroelectric layer is arranged on at least one buffer layer (2), which buffer layer enables epitaxial growth of the ferroelectric layer (3).
ン酸鉛の系から選択されている、 請求項1又は2記載の装置。3. A device according to claim 1, wherein the material of the ferroelectric layer (3) is selected from the system of zircon and lead titanate.
る、 請求項1から3までのいずれか1項に記載の装置。4. The device according to claim 1, wherein the substrate (1) is made of silicon crystals.
いる、 請求項1から4までのいずれか1項に記載の装置。5. Device according to claim 1, wherein the electrodes (6, 12) are made of platinum.
集積されている少なくともそれぞれ1個の選択トランジ
スタを有する半導体記憶装置セルの部分である、 請求項1から5までのいずれか1項に記載の装置。6. The capacitor according to claim 1, wherein each capacitor is a part of a semiconductor memory cell having at least one selection transistor integrated in the semiconductor substrate (1). The described device.
イットリウムで安定化された酸化ジルコニウム、酸化マ
グネシウム、酸化イットリウム又はチタン酸ストロンチ
ウムから選択されている、 請求項1から6までのいずれか1項に記載の装置。7. The buffer layer (2) is zirconium oxide,
7. Device according to any one of the preceding claims, selected from yttrium-stabilized zirconium oxide, magnesium oxide, yttrium oxide or strontium titanate.
板(1)上に有しているコンデンサ装置を製造する方法
において、 − 先ず少なくとも1つのエピタキシャルバッファ層
(2)を半導体基板(1)上に生じさせ、 − 強誘電層(3)を少なくとも1つのバッファ層
(2)上にエピタキシャル析出し、 − 絶縁層(4)を強誘電層(3)上に生じさせ、 − 絶縁層(4)及び強誘電層(3)を、ほぼ垂直な側
壁を有するウェブ(5)に構造化し、 − 電極材料を、少なくともウェブ(5)の側壁が該電
極材料で被覆された状態になるまで析出し、かつ − ウェブ(5)及び電極材料(6)を電気的に分離す
るために各コンデンサに構造化する ことを特徴とする、コンデンサ装置の製法。8. A method of manufacturing a capacitor device having a single crystal ferroelectric layer (3) on a single crystal semiconductor substrate (1), comprising: first forming at least one epitaxial buffer layer (2) on a semiconductor substrate (1). 1) on top of: -epitaxially depositing a ferroelectric layer (3) on at least one buffer layer (2);-creating an insulating layer (4) on the ferroelectric layer (3);-insulating layer Structuring (4) and the ferroelectric layer (3) into a web (5) having substantially vertical side walls, the electrode material until at least the side walls of the web (5) are covered with the electrode material. A method of manufacturing a capacitor device, characterized in that it is deposited and-structures each capacitor to electrically separate the web (5) and the electrode material (6).
酸鉛層を、スパッタ、MOCVD及びMBEから選択さ
れている方法で析出する、 請求項8記載の方法。9. The method according to claim 8, wherein a layer of lead zirconium titanate is deposited as the ferroelectric layer (3) by a method selected from sputtering, MOCVD and MBE.
(3)の構造化に使用する、 請求項8又は9記載の方法。10. Method according to claim 8 or 9, wherein a dry etching method is used for structuring the ferroelectric layer (3).
の電極間隔を決定し、かつ該幅を200〜500nmの
範囲内で選択する、 請求項8から10までのいずれか1項に記載の方法。11. The method according to claim 8, wherein the width of the web (5) determines the electrode spacing of the capacitor and the width is selected in the range from 200 to 500 nm.
書き込み回路を半導体基板中に集積することによって高
集積半導体記憶装置へと後加工する、 請求項8から11までのいずれか1項に記載の方法。12. The method according to claim 8, wherein the capacitor device is post-processed into a highly integrated semiconductor memory device by integrating a read circuit and a write circuit in a semiconductor substrate.
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|---|---|---|---|
| DE4336001.7 | 1993-10-21 | ||
| DE4336001A DE4336001A1 (en) | 1993-10-21 | 1993-10-21 | Capacitor arrangement and production method therefor |
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Family Applications (1)
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| DE19543539C1 (en) | 1995-11-22 | 1997-04-10 | Siemens Ag | Method for producing a memory cell arrangement |
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- 1993-10-21 DE DE4336001A patent/DE4336001A1/en not_active Withdrawn
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1994
- 1994-10-20 JP JP6255208A patent/JPH07161838A/en not_active Withdrawn
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|---|---|
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