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公開番号2024151467
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-25
出願番号2023064815
出願日2023-04-12
発明の名称半導体記憶装置及び半導体記憶装置の製造方法
出願人富士通セミコンダクターメモリソリューション株式会社
代理人個人,個人
主分類H10B 53/30 20230101AFI20241018BHJP()
要約【課題】優れた強誘電体特性を得ることができる半導体記憶装置及び半導体記憶装置の製造方法を提供する。
【解決手段】半導体記憶装置は、トランジスタと、前記トランジスタに接続された強誘電体キャパシタと、を有し、前記強誘電体キャパシタは、前記トランジスタに接続された第1電極と、第2電極と、前記第1電極と前記第2電極との間に設けられた酸化ハフニウム系の強誘電体膜と、前記第1電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第1金属元素を含む第1金属膜と、前記第1金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第1金属元素の酸化物を含む第1導電性金属酸化物膜と、前記第2電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第2金属元素を含む第2金属膜と、前記第2金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第2金属元素の酸化物を含む第2導電性金属酸化物膜と、を有する。半導体記憶装置は不揮発性メモリとして使用することができる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
トランジスタと、
前記トランジスタに接続された強誘電体キャパシタと、
を有し、
前記強誘電体キャパシタは、
前記トランジスタに接続された第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた酸化ハフニウム系の強誘電体膜と、
前記第１電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第１金属元素を含む第１金属膜と、
前記第１金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第１金属元素の酸化物を含む第１導電性金属酸化物膜と、
前記第２電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第２金属元素を含む第２金属膜と、
前記第２金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第２金属元素の酸化物を含む第２導電性金属酸化物膜と、
を有する半導体記憶装置。
続きを表示（約 2,900 文字）【請求項２】
前記第１電極の熱膨張係数をα
１Ｅ
、前記第１電極の厚さをｄ
１Ｅ
、前記第１金属膜の熱膨張係数をα
１Ｍ
、前記第１金属膜の厚さをｄ
１Ｍ
、前記強誘電体膜の熱膨張係数をα
Ｆ
、前記強誘電体膜の厚さをｄ
Ｆ
、前記第２金属膜の熱膨張係数をα
２Ｍ
、前記第２金属膜の厚さをｄ
２Ｍ
、前記第２電極の熱膨張係数をα
２Ｅ
、前記第２電極の厚さをｄ
２Ｅ
、前記第１電極の厚さ、前記第１金属膜の厚さ、前記強誘電体膜の厚さ、前記第２金属膜の厚さ及び前記第２電極の厚さの和をＤ１としたとき、式（１）で表されるα１の値が１２×１０
－６
Ｋ
－１
以下である請求項１に記載の半導体記憶装置。
α１＝α
１Ｅ
×ｄ
１Ｅ
／Ｄ１＋α
１Ｍ
×ｄ
１Ｍ
／Ｄ１＋α
Ｆ
×ｄ
Ｆ
／Ｄ１＋α
２Ｍ
×ｄ
２Ｍ
／Ｄ１＋α
２Ｅ
×ｄ
２Ｅ
／Ｄ１・・・（１）
【請求項３】
前記第１電極の熱膨張係数をα
１Ｅ
、前記第１電極の厚さをｄ
１Ｅ
、前記第１金属膜の熱膨張係数をα
１Ｍ
、前記第１金属膜の厚さをｄ
１Ｍ
、前記強誘電体膜の熱膨張係数をα
Ｆ
、前記強誘電体膜の厚さをｄ
Ｆ
、前記第１電極の厚さ、前記第１金属膜の厚さ及び前記強誘電体膜の厚さの和をＤ２としたとき、式（２）で表されるα２の値が１２×１０
－６
Ｋ
－１
以下である請求項１に記載の半導体記憶装置。
α２＝α
１Ｅ
×ｄ
１Ｅ
／Ｄ２＋α
１Ｍ
×ｄ
１Ｍ
／Ｄ２＋α
Ｆ
×ｄ
Ｆ
／Ｄ２・・・（２）
【請求項４】
前記強誘電体膜は、ジルコニウム若しくはシリコン又はこれらの両方が添加された酸化ハフニウム膜である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体記憶装置。
【請求項５】
前記第１電極及び前記第２電極は、窒化チタン膜、窒化タンタル膜若しくはタングステン膜又はこれらの任意の組み合わせを含む請求項４に記載の半導体記憶装置。
【請求項６】
前記第１金属元素及び前記第２金属元素は、イリジウム、ルテニウム若しくは白金又はこれらの任意の組み合わせである請求項５に記載の半導体記憶装置。
【請求項７】
前記第１金属膜及び前記第２金属膜の厚さは、５ｎｍ～１００ｎｍである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体記憶装置。
【請求項８】
トランジスタを形成する工程と、
前記トランジスタに接続された強誘電体キャパシタを形成する工程と、
を有し、
前記強誘電体キャパシタを形成する工程は、
前記トランジスタに接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた酸化ハフニウム系の強誘電体膜と、前記第１電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第１金属元素を含む第１金属膜と、前記第２電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第２金属元素を含む第２金属膜と、を含む積層体を形成する工程と、
前記積層体の熱処理を行い、前記第１金属膜と前記強誘電体膜との間に前記第１金属元素の酸化物を含む第１導電性金属酸化物膜を形成し、前記第２金属膜と前記強誘電体膜との間に前記第２金属元素の酸化物を含む第２導電性金属酸化物膜を形成する工程と、
を有する半導体記憶装置の製造方法。
【請求項９】
前記積層体において、前記第１電極の熱膨張係数をα
１ＥＡ
、前記第１電極の厚さをｄ
１ＥＡ
、前記第１金属膜の熱膨張係数をα
１ＭＡ
、前記第１金属膜の厚さをｄ
１ＭＡ
、前記強誘電体膜の熱膨張係数をα
ＦＡ
、前記強誘電体膜の厚さをｄ
ＦＡ
、前記第２金属膜の熱膨張係数をα
２ＭＡ
、前記第２金属膜の厚さをｄ
２ＭＡ
、前記第２電極の熱膨張係数をα
２ＥＡ
、前記第２電極の厚さをｄ
２ＥＡ
、前記第１電極の厚さ、前記第１金属膜の厚さ、前記強誘電体膜の厚さ、前記第２金属膜の厚さ及び前記第２電極の厚さの和をＤ３としたとき、式（３）で表されるα３の値が１２×１０
－６
Ｋ
－１
以下であり、
前記熱処理を行う工程の後に、前記第１電極、前記第１金属膜、前記第１導電性金属酸化物膜、前記強誘電体膜、前記第２導電性金属酸化物膜、前記第２金属膜及び前記第２電極をエッチングする工程を有する請求項８に記載の半導体記憶装置の製造方法。
α３＝α
１ＥＡ
×ｄ
１ＥＡ
／Ｄ３＋α
１ＭＡ
×ｄ
１ＭＡ
／Ｄ３＋α
ＦＡ
×ｄ
ＦＡ
／Ｄ３＋α
２ＭＡ
×ｄ
２ＭＡ
／Ｄ３＋α
２ＥＡ
×ｄ
２ＥＡ
／Ｄ３・・・（３）
【請求項１０】
前記積層体において、前記第１電極の熱膨張係数をα
１ＥＡ
、前記第１電極の厚さをｄ
１ＥＡ
、前記第１金属膜の熱膨張係数をα
１ＭＡ
、前記第１金属膜の厚さをｄ
１ＭＡ
、前記強誘電体膜の熱膨張係数をα
ＦＡ
、前記強誘電体膜の厚さをｄ
ＦＡ
、前記第１電極の厚さ、前記第１金属膜の厚さ及び前記強誘電体膜の厚さの和をＤ４としたとき、式（４）で表されるα４の値が１２×１０
－６
Ｋ
－１
以下であり、
前記熱処理を行う工程の前に、前記第２金属膜及び前記第２電極をエッチングする工程を有し、
前記熱処理を行う工程の後に、前記第１電極、前記第１金属膜及び前記第１導電性金属酸化物膜、前記強誘電体膜をエッチングする工程を有する請求項８に記載の半導体記憶装置の製造方法。
α４＝α
１ＥＡ
×ｄ
１ＥＡ
／Ｄ４＋α
１ＭＡ
×ｄ
１ＭＡ
／Ｄ４＋α
ＦＡ
×ｄ
ＦＡ
／Ｄ４・・・（４）

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、半導体記憶装置及び半導体記憶装置の製造方法に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
半導体記憶装置の一つとして、強誘電体キャパシタを備えた強誘電体メモリが知られている。また、近年、強誘電体特性を示す酸化ハフニウム系材料について種々の研究が発表されている。例えば、酸化ハフニウム系材料は直方晶系（orthorhombic）の結晶構造を含む場合に強誘電体特性を示しやすいこと、及び、酸化ハフニウム系材料の残留応力が正の引張方向である場合に直方晶系の結晶構造を含みやすいことが発表されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開平４－３３８６１９号公報
特開２００６－０４１１８２号公報
【非特許文献】
【０００４】
Applied Physics Letters 117, 242901 (2020)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
強誘電体キャパシタの強誘電体膜に酸化ハフニウム系材料を用いることが考えられるが、優れた強誘電体特性を得ることは容易でない。
【０００６】
本開示の目的は、優れた強誘電体特性を得ることができる半導体記憶装置及び半導体記憶装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の一形態によれば、トランジスタと、前記トランジスタに接続された強誘電体キャパシタと、を有し、前記強誘電体キャパシタは、前記トランジスタに接続された第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた酸化ハフニウム系の強誘電体膜と、前記第１電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第１金属元素を含む第１金属膜と、前記第１金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第１金属元素の酸化物を含む第１導電性金属酸化物膜と、前記第２電極と前記強誘電体膜との間に設けられ、第２金属元素を含む第２金属膜と、前記第２金属膜と前記強誘電体膜との間に設けられ、前記第２金属元素の酸化物を含む第２導電性金属酸化物膜と、を有する半導体記憶装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、優れた強誘電体特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
実施形態に係る半導体記憶装置を示す断面図である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第１例を示す断面図（その１）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第１例を示す断面図（その２）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第１例を示す断面図（その３）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第１例を示す断面図（その４）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第２例を示す断面図（その１）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第２例を示す断面図（その２）である。
実施形態に係る半導体記憶装置の製造方法の第２例を示す断面図（その３）である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省くことがある。
（【００１１】以降は省略されています）

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