JPH0982913A - Method for manufacturing semiconductor memory device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor memory device

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JPH0982913A
JPH0982913A JP7235772A JP23577295A JPH0982913A JP H0982913 A JPH0982913 A JP H0982913A JP 7235772 A JP7235772 A JP 7235772A JP 23577295 A JP23577295 A JP 23577295A JP H0982913 A JPH0982913 A JP H0982913A
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博 望月
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隆 川久保
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase storage capacity and realize a semiconductor storage device capable of high level integration, by forming a solid growth film under a dielectric film by solid growth of an amorphous semiconductor film. SOLUTION: After a P-type MOS structure is formed on an Si substrate 1, an insulating layer 9 is formed. An aperture part 10 is formed on a source part 7, and an Si epitaxial layer 11 is selectively grown. Amorphous silicon is deposited on the Si epitaxial layer 11 (aperture part 10) and the insulating layer 9, and an amorphous silicon layer 11a is formed. Solid growth of the amorphous silicon layer 11a is performed by heat treatment at about 600 deg.C, and a solid growth film 11b is formed. On the film 11b, the following are formed in order; a TiN epitaxial film 12, a Pt epitaxial film 13 and a strain induced BSTO epitaxial film 14. After an upper electrode 15 is vapor-deposited, an extraction electrode 17 is formed, and an FeRAM is formed. Since the strain induced BSTO film 14 as high dielectric material is formed on the solid growth film 11b having a large area, a semiconductor storage device having a large capacitor capacitance can be realized.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、誘電体膜を薄膜キ
ャパシタとして用いた半導体記憶装置の製造方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor memory device using a dielectric film as a thin film capacitor.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、集積回路技術の発達によって半導
体記憶装置がますます小型化されてきており、半導体記
憶装置に必須の回路素子である薄膜キャパシタも、一層
の小型化が要望されている。従来の半導体記憶装置にお
ける薄膜キャパシタは、トランジスタ等の能動素子と同
一の基板に溝を掘って蓄積容量膜を形成するトレンチ形
キャパシタや、基板上に蓄積容量膜を積み上げるスタッ
ク形キャパシタ等の立体構造からなり、これらは蓄積容
量の面積を実効的に大きくすることで高集積化を図って
きた。
2. Description of the Related Art In recent years, semiconductor memory devices have become smaller and smaller due to the development of integrated circuit technology, and thin film capacitors, which are essential circuit elements for semiconductor memory devices, are required to be further miniaturized. A thin film capacitor in a conventional semiconductor memory device has a three-dimensional structure such as a trench type capacitor in which a storage capacitance film is formed by forming a groove in the same substrate as an active element such as a transistor or a stack type capacitor in which a storage capacitance film is stacked on a substrate. These have been made highly integrated by effectively increasing the area of the storage capacitor.

【0003】しかしながら、能動素子全般の小型化が急
速化する中で、薄膜キャパシタの小型化は比較的遅れて
おり、このことは特に半導体記憶装置のより一層の高集
積化を阻む大きな要因となっている。これは従来用いら
れている誘電体材料が、シリコン酸化物(SiO2 )や
シリコン窒化物(Si3 4 )等のように、誘電率がた
かだか10以下の材料に限られているからであり、薄膜
キャパシタの小型化のためには誘電率の大きな誘電体膜
の開発が要求される。
However, miniaturization of thin-film capacitors has been relatively delayed while miniaturization of active elements in general has become rapid, and this is a major factor that prevents further high integration of semiconductor memory devices in particular. ing. This is because conventionally used dielectric materials are limited to materials having a dielectric constant of at most 10 such as silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ). In order to miniaturize the thin film capacitor, development of a dielectric film having a large dielectric constant is required.

【0004】ペロブスカイト型結晶構造の酸化物である
チタン酸ストロンチューム膜(SrTiO3 膜、以下S
TO膜),チタン酸バリウム膜(BaTiO3 膜、以下
BTO膜),チタン酸鉛膜(PbTiO3 膜、以下PT
O膜)あるいはPb1-x Zrx TiO3 膜(以下PZT
膜)等は、単一組成ならびに相互の固溶体組成で、10
0〜1000にも及ぶ高誘電率を有することが知られて
おり、既にセラミックコンデンサには用いられている。
そこで、これらの材料の薄膜化は上述の薄膜キャパシタ
の小型化に有効と考えられ、以前から研究が行われてい
る。
A strontium titanate film (SrTiO 3 film, hereinafter referred to as S, which is an oxide having a perovskite type crystal structure)
TO film), barium titanate film (BaTiO 3 film, hereinafter BTO film), lead titanate film (PbTiO 3 film, hereinafter PT)
O film) or Pb 1-x Zr x TiO 3 film (hereinafter PZT
Membranes, etc. have a single composition and a mutual solid solution composition of 10
It is known to have a high dielectric constant ranging from 0 to 1000, and is already used in ceramic capacitors.
Therefore, thinning of these materials is considered to be effective in reducing the size of the above-mentioned thin film capacitor, and research has been conducted from before.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、結晶構造が
ペロブスカイトまたは層状ペロブスカイト構造を持つ、
いわゆるペロブスカイト型酸化物と言われる誘電体材料
は、蓄積電荷量をより多くするために薄膜化を進めてい
くと、誘電率が徐々に低下するという問題がある。例え
ば、バルクでは比誘電率1000以上を示すBaSr
1-X TiX 3 膜(以下BSTO膜)も、厚さ約30n
mの薄膜になると比誘電率はおよそ250程度まで低下
し、電荷蓄積能力を表すシリコン酸化膜に換算した厚み
では約0.4nm程度にとどまる。
By the way, the crystal structure has a perovskite or layered perovskite structure,
Dielectric materials, which are so-called perovskite type oxides, have a problem that their dielectric constant gradually decreases as the film thickness is increased in order to increase the amount of accumulated charges. For example, BaSr showing a relative dielectric constant of 1000 or more in bulk
The 1-X Ti X O 3 film (BSTO film) also has a thickness of about 30n.
With a thin film of m, the relative permittivity decreases to about 250, and the thickness converted to the silicon oxide film showing the charge storage capacity remains about 0.4 nm.

【0006】この誘電率の低下の問題のため、これらの
強誘電体材料のうち、例えばPZTを用いて製造した強
誘電体メモリにおいては、およそ100nmより薄い膜
厚であると薄膜キャパシタとしての使用が困難となる。
このように、誘電率の大きな誘電体膜も、薄膜化による
特性の劣化が、小型化をねらう半導体記憶装置のキャパ
シタとして採用する際の障害となった。
Due to the problem of the decrease in the dielectric constant, a ferroelectric memory manufactured by using, for example, PZT among these ferroelectric materials, is used as a thin film capacitor if the film thickness is less than about 100 nm. Will be difficult.
As described above, the deterioration of the characteristics of the dielectric film having a large permittivity due to the thinning has also been an obstacle when it is adopted as a capacitor of a semiconductor memory device aiming at downsizing.

【0007】以上のように、従来の半導体記憶装置で
は、高誘電率の誘電体材料を薄膜キャパシタに採用して
も期待した蓄積容量の増大は得られず、小型化の要望に
沿うことができないという問題があった。
As described above, in the conventional semiconductor memory device, even if a high dielectric constant dielectric material is used for a thin film capacitor, the expected increase in storage capacity cannot be obtained and the demand for miniaturization cannot be met. There was a problem.

【0008】本発明は上記従来の問題を解決し、ペロブ
スカイトまたは層状ペロブスカイト構造の物質を含有す
る高誘電率の誘電体膜からなる薄膜キャパシタを、その
高誘電特性を損なうことなく蓄積容量の増大を図り、よ
って高集積化を可能とした半導体記憶装置の製造方法を
提供することを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a thin film capacitor made of a dielectric film having a high dielectric constant containing a substance having a perovskite or a layered perovskite structure and increasing the storage capacity without impairing its high dielectric property. Therefore, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor memory device which enables high integration.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
めに、本発明は第一の発明として、表面にトランジスタ
回路が形成された半導体基板上に絶縁層を形成する第一
の工程と、この第一の工程の後に前記トランジスタ回路
上の前記絶縁層の一部を除去し開口部を形成する第二の
工程と、この第二の工程の後に前記開口部の前記半導体
基板上にエピタキシャル成長により半導体層を堆積する
第三の工程と、この第三の工程で形成されたエピタキシ
ャル半導体層に非晶質半導体膜を形成する第四の工程
と、この第四の工程で形成された非晶質半導体膜の固相
成長により前記半導体基板に対して同配向の固相成長膜
を形成する第五の工程と、この第五の工程で形成された
固相成長膜上に下部電極を形成する第六の工程と、この
第六の工程で形成された下部電極上にペロブスカイトま
たは層状ペロブスカイト構造の物質を含有する誘電体膜
を形成する第七の工程と、この第七の工程の後に前記誘
電体膜の上に上部電極を形成する第八の工程とを備えた
ことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法を提供す
る。
In order to solve the above problems, the present invention provides, as a first invention, a first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate on which a transistor circuit is formed, After the first step, a second step of removing a part of the insulating layer on the transistor circuit to form an opening, and after the second step, by epitaxial growth on the semiconductor substrate of the opening. A third step of depositing a semiconductor layer, a fourth step of forming an amorphous semiconductor film on the epitaxial semiconductor layer formed in the third step, and an amorphous layer formed in the fourth step A fifth step of forming a solid-phase growth film of the same orientation on the semiconductor substrate by solid-phase growth of the semiconductor film, and a fifth step of forming a lower electrode on the solid-phase growth film formed in the fifth step. Formed in six steps and this sixth step A seventh step of forming a dielectric film containing a perovskite or a material having a layered perovskite structure on the lower electrode, and an eighth step of forming an upper electrode on the dielectric film after the seventh step. There is provided a method for manufacturing a semiconductor memory device, comprising:

【0010】即ち、この発明による製造方法によれば、
誘電体膜の下の固相成長膜は、非晶質半導体膜の固相成
長により形成されるので、広く横方向にもエピタキシャ
ル半導体層及び下地の半導体基板に対して均一な同配向
の表面を持つようになる。その結果、誘電体膜は高誘電
率を保持しかつ対称性が良好で大きな分極量を有するよ
うになり、電荷の蓄積・放出の繰返し特性が良好でメモ
リに好適な半導体記憶装置を提供できる。
That is, according to the manufacturing method of the present invention,
Since the solid-phase growth film under the dielectric film is formed by solid-phase growth of the amorphous semiconductor film, the surface of the same orientation is widely and laterally aligned with the epitaxial semiconductor layer and the underlying semiconductor substrate. To have. As a result, the dielectric film has a high dielectric constant, has good symmetry, and has a large polarization amount, and has a good charge storage / release repeating characteristic, and thus can provide a semiconductor memory device suitable for a memory.

【0011】また第二の発明として、表面にトランジス
タ回路が形成された半導体基板上に絶縁層を形成する第
一の工程と、この第一の工程の後に前記トランジスタ回
路上の前記絶縁層の一部を除去し開口部を形成する第二
の工程と、この第二の工程の後に前記開口部の前記半導
体基板上及びこれにつらなる前記絶縁層上に非晶質半導
体層を堆積する第三の工程と、この第三の工程で形成さ
れた非晶質半導体層の固相成長により半導体基板に対し
て同配向の単結晶領域を形成する第四の工程と、この第
四の工程で形成された単結晶領域上に下部電極を形成す
る第五の工程と、この第五の工程で形成された下部電極
上にペロブスカイトまたは層状ペロブスカイト構造の物
質を含有する誘電体膜を形成する第六の工程と、この第
六の工程の後に前記誘電体膜の上に上部電極を形成する
第七の工程とを備えたことを特徴とする半導体記憶装置
の製造方法を提供する。
As a second invention, a first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a transistor circuit formed on its surface, and one step of forming the insulating layer on the transistor circuit after the first step. A second step of removing a portion to form an opening, and a third step of depositing an amorphous semiconductor layer on the semiconductor substrate in the opening and on the insulating layer accompanying the second step after the second step. And a fourth step of forming a single crystal region of the same orientation on the semiconductor substrate by solid-phase growth of the amorphous semiconductor layer formed in the third step, and the fourth step A fifth step of forming a lower electrode on the single crystal region, and a sixth step of forming a dielectric film containing a substance having a perovskite or layered perovskite structure on the lower electrode formed in the fifth step And after this sixth step To provide a method of manufacturing a semiconductor memory device characterized by comprising a seventh step of forming an upper electrode on the dielectric film.

【0012】一般に、半導体下部電極を半導体基板上に
エピタキシャル成長により形成すると、下部電極部とし
て広い面積を確保するのが難しい。しかし、この第二の
発明によれば、非晶質半導体膜を開口部のみに限らずこ
れにつらなる絶縁層上にも堆積し、その非晶質半導体膜
の固相成長によって単結晶領域を形成するので、下部電
極部はより広い面積にわたって半導体基板と同配向の領
域を確保することが可能となる。
Generally, when a semiconductor lower electrode is formed on a semiconductor substrate by epitaxial growth, it is difficult to secure a large area for the lower electrode portion. However, according to the second aspect of the invention, the amorphous semiconductor film is deposited not only on the opening but also on the insulating layer formed therewith, and a single crystal region is formed by solid phase growth of the amorphous semiconductor film. Therefore, the lower electrode portion can secure a region having the same orientation as the semiconductor substrate over a wider area.

【0013】このように、下部電極部の広い面積にわた
る半導体基板と同配向の領域確保は、電荷蓄積容量の増
大を可能とし、半導体記憶装置の小型化高集積化が実現
できる。
As described above, securing the region in the same orientation as that of the semiconductor substrate over the wide area of the lower electrode portion makes it possible to increase the charge storage capacity and realize the miniaturization and high integration of the semiconductor memory device.

【0014】さらに第三の発明として、表面にトランジ
スタ回路が形成された半導体基板上に絶縁層を形成する
第一の工程と、この第一の工程の後に前記トランジスタ
回路上の前記絶縁層の一部を除去して形成される開口部
をパターニング方向Bが前記半導体基板の[110]方
向に対して0<B≦20度の方向に形成する第二の工程
とこの第二の工程の後に前記開口部の前記シリコン基板
上にエピタキシャル成長により半導体層を堆積する第三
の工程と、第三の工程で形成されたエピタキシャル半導
体層上に下部電極を形成する第四の工程と、この第四の
工程で形成された下部電極上にペロブスカイトまたは層
状ペロブスカイト構造の物質を含有する誘電体膜を形成
する第五の工程と、この第五の工程の後に前記誘電体膜
の上に上部電極を形成する第六の工程とを備えたことを
特徴とする半導体記憶装置の製造方法を提供する。
As a third invention, a first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a transistor circuit formed on its surface, and a step of forming the insulating layer on the transistor circuit after the first step. The second step of forming the opening formed by removing the portion in the patterning direction B in the direction of 0 <B ≦ 20 degrees with respect to the [110] direction of the semiconductor substrate, and the second step after the second step. A third step of depositing a semiconductor layer by epitaxial growth on the silicon substrate in the opening, a fourth step of forming a lower electrode on the epitaxial semiconductor layer formed in the third step, and the fourth step A fifth step of forming a dielectric film containing a substance having a perovskite or a layered perovskite structure on the lower electrode formed in, and an upper electrode on the dielectric film after the fifth step. To provide a method of manufacturing a semiconductor memory device characterized by comprising a sixth step of forming.

【0015】即ち、この発明は、絶縁層に形成されたパ
ターニング方向Bを[110]方向に対して0<B≦2
0度の範囲となるようにしたので、半導体基板面とその
上に形成されるエピタキシャル半導体層面とのなす角を
高くすることができる。この結果、開口部に形成される
選択エピタキシャル成長面の狭量化が回避され、ペロブ
スカイトまたは層状ペロブスカイト構造の物質を含有す
る誘電体膜の高誘電体特性を損なうことなく、かつ広面
積の良好なコントラクトプラグ部を有する半導体記憶装
置を実現できる。
That is, according to the present invention, the patterning direction B formed in the insulating layer is 0 <B ≦ 2 with respect to the [110] direction.
Since the range is 0 degree, the angle formed between the semiconductor substrate surface and the epitaxial semiconductor layer surface formed thereon can be increased. As a result, the narrowing of the selective epitaxial growth surface formed in the opening is avoided, and the high-dielectric properties of the dielectric film containing the substance of perovskite or the layered perovskite structure are not impaired, and a good contract plug with a large area is obtained. A semiconductor memory device having a unit can be realized.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、この発明による半導体記憶
装置の製造方法の一実施の形態について、図1乃至図1
7を参照し、詳細に説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
This will be described in detail with reference to FIG.

【0017】この発明は、ペロブスカイト系誘電体を使
用したキャパシタの誘電体薄膜の特性を飛躍的に改善し
つつ、半導体記憶装置の小型化を半導体基板、例えばシ
リコン(Si)基板上から半導体単結晶電極をエピタキ
シャル成長で形成することにより実現し、更に選択エピ
タキシャル成長を進めてゆくことによる成長面の面積の
狭量化を解決するものである。
According to the present invention, the characteristics of a dielectric thin film of a capacitor using a perovskite-based dielectric are dramatically improved, and at the same time, a semiconductor memory device can be miniaturized from a semiconductor substrate such as a silicon (Si) substrate to a semiconductor single crystal. This is achieved by forming the electrode by epitaxial growth, and solves the narrowing of the area of the growth surface by further promoting selective epitaxial growth.

【0018】また、選択エピタキシャル半導体層による
コントラクトプラグ部の形成には、ファセットの問題が
生じるが、この発明は、このファセットの問題を解決す
る最適絶縁膜構造を有する半導体記憶装置の製造方法を
得ることを目的とする。
Although the facet problem occurs in the formation of the contract plug portion by the selective epitaxial semiconductor layer, the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor memory device having an optimum insulating film structure that solves the facet problem. The purpose is to

【0019】即ち、図1はこの発明による半導体記憶装
置、特にFeRAMの製造方法の第一の実施の形態を示
す断面図である。
That is, FIG. 1 is a sectional view showing a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device, particularly FeRAM, according to the present invention.

【0020】まず、図示のように、第一導電型半導体で
あるSi基板1の上に、素子間分離用にSiO2 の酸化
膜2を形成する。次に、素子形成領域を薄く酸化し、ゲ
ート酸化膜3を形成する。ゲート酸化膜3の上部にLP
CVD法によりワード線となるポリシリコン層4を形成
し、このポリシリコン層4に燐拡散を行うことで十分な
導電性を持たせる。その後フォトレジストによるパター
ンニングの後に異方性エッチングによりポリシリコン層
4及びゲート酸化膜3をエッチングし、ゲート部を形成
する。なお、5及び6は層間絶縁膜である。
First, as shown in the figure, an SiO 2 oxide film 2 for element isolation is formed on a Si substrate 1 which is a first conductivity type semiconductor. Next, the element formation region is thinly oxidized to form the gate oxide film 3. LP on top of the gate oxide film 3
A polysilicon layer 4 to be a word line is formed by the CVD method, and phosphorus is diffused in the polysilicon layer 4 to give sufficient conductivity. Then, after patterning with a photoresist, the polysilicon layer 4 and the gate oxide film 3 are etched by anisotropic etching to form a gate portion. In addition, 5 and 6 are interlayer insulating films.

【0021】次に、Si基板1に、自己整合的にP型不
純物、例えばボロンをイオン注入し第二導電型不純物拡
散層であるソース部7及びドレイン部8の形成によりP
型MOS構造を作成後、BPSG(Boron−dop
ed Phospho−Silicate Glas
s)等からなる絶縁層9を形成し、化学機械的研磨(C
MP)により、絶縁層9を平坦化する。
Next, P-type impurities such as boron are ion-implanted into the Si substrate 1 in a self-aligned manner to form the source portion 7 and the drain portion 8 which are the second-conductivity-type impurity diffusion layers, thereby forming P-type impurities.
Type MOS structure, BPSG (Boron-dop
ed Phospho-Silicate Glas
s) etc. is formed, and chemical mechanical polishing (C
The insulating layer 9 is planarized by MP).

【0022】次に、ソース部7上の絶縁層9に、反応性
イオンエッチング(RIE)とフッ酸系溶液処理によ
り、コンタクト部となる開口部10を設ける。コンタク
ト部をトランジスタのソース部7(あるいはドレイン部
8)上に形成することで、メモリセルとしての回路構成
を簡略化できる。
Next, the insulating layer 9 on the source portion 7 is provided with an opening 10 serving as a contact portion by reactive ion etching (RIE) and hydrofluoric acid solution treatment. By forming the contact portion on the source portion 7 (or the drain portion 8) of the transistor, the circuit configuration of the memory cell can be simplified.

【0023】次に、開口部10に半導体層即ちシリコン
エピタキシャル層11を低圧化学気相堆積(LPCV
D)法を用いて選択エピタキシャル成長により形成す
る。LPCVD法の材料ガスとしては、ジクロルシラ
ン、ジシラン、塩素ガスを組み合わせ用いる。成長温度
はおよそ600〜900℃の間とした。また、P型用の
ドーパントガスとしてジボランを用いた。この実施の形
態では選択成長法により絶縁層9上へのSiの堆積を回
避した。また、Siエピタキシャル層11の高さが絶縁
層9の高さよりも約5nm程度低くなるように成長を調
整し、その後にフッ酸系溶液処理を用いて、前記絶縁層
9をエッチングし、矢印9Aで示す位置で、Siエピタ
キシャル層11の高さと絶縁層9の高さとを略一致させ
た。
Next, a semiconductor layer, that is, a silicon epitaxial layer 11 is formed in the opening 10 by low pressure chemical vapor deposition (LPCV).
D) is formed by selective epitaxial growth. As the material gas for the LPCVD method, dichlorosilane, disilane, and chlorine gas are used in combination. The growth temperature was between about 600 and 900 ° C. Further, diborane was used as the P-type dopant gas. In this embodiment, deposition of Si on the insulating layer 9 is avoided by the selective growth method. The growth is adjusted so that the height of the Si epitaxial layer 11 is lower than the height of the insulating layer 9 by about 5 nm, and then the insulating layer 9 is etched by using a hydrofluoric acid-based solution treatment to form an arrow 9A. At the position indicated by, the height of the Si epitaxial layer 11 and the height of the insulating layer 9 were substantially matched.

【0024】次に、コンタクト部の上下層相互間の拡散
を防止するためのバリア金属であるTiNエピタキシャ
ル膜12、下部電極となる白金(Pt)エピタキシャル
膜13及び誘電体としてペロブスカイト系の歪み誘起B
STOエピタキシャル膜14を、前記Siエピタキシャ
ル層11上に順次形成し、RIEでエッチング加工を行
った。次にPtを上部電極15として蒸着させ、絶縁膜
16を形成した後、RIEエッチング加工を行い、更に
アルミニューム(Al)による引出し電極17を形成
し、FeRAM構造の半導体装置を製造した。なお、こ
こでペロブスカイト系の誘電体とはペロブスカイトの物
質または層状ペロブスカイトの物質からなるものを言
う。
Next, a TiN epitaxial film 12 as a barrier metal for preventing diffusion between upper and lower layers of the contact portion, a platinum (Pt) epitaxial film 13 as a lower electrode, and a perovskite strain-induced B as a dielectric material.
The STO epitaxial film 14 was sequentially formed on the Si epitaxial layer 11 and etched by RIE. Next, Pt was vapor-deposited as the upper electrode 15 to form an insulating film 16, followed by RIE etching processing, and further, an extraction electrode 17 made of aluminum (Al) was formed to manufacture a semiconductor device having a FeRAM structure. Here, the perovskite-based dielectric refers to a substance made of a perovskite substance or a layered perovskite substance.

【0025】この半導体記憶装置の製造方法により、S
i基板1上にSi単結晶電極(11)をエピタキシャル
成長により形成したので、歪み誘起BSTOエピタキシ
ャル膜14からなる誘電体膜がその高い誘電特性を損な
うことなく形成され、高いキャパシタ容量が確保される
ので半導体装置の小型化が可能となった。また、良好な
分極対電界特性が得られる。
According to this method of manufacturing a semiconductor memory device, S
Since the Si single crystal electrode (11) is formed on the i substrate 1 by epitaxial growth, the dielectric film made of the strain-induced BSTO epitaxial film 14 is formed without impairing its high dielectric characteristics, and high capacitor capacity is secured. It has become possible to reduce the size of semiconductor devices. Also, good polarization versus electric field characteristics can be obtained.

【0026】しかしながらそれでも、半導体装置の高集
積化が一層追及されるに従い、ソース部7の広さも益々
減少する。ソース部7の広さの減少は、その上に形成さ
れるキャパシタ面積の減少につながるので、この第一の
実施の形態により製造された半導体記憶装置を更に改善
し、より一層キャパシタ容量が拡大されることが望まれ
る。
However, even if the degree of integration of the semiconductor device is further pursued, the area of the source portion 7 is further reduced. Since the reduction of the width of the source portion 7 leads to the reduction of the area of the capacitor formed thereon, the semiconductor memory device manufactured according to the first embodiment is further improved and the capacitance of the capacitor is further expanded. Is desired.

【0027】そこで、この発明による半導体記憶装置の
製造方法の第二の実施の形態では、半導体記憶装置での
キャパシタ容量を上記第一の実施の形態のものよりも更
に高めるもので、具体的にはFeRAMの製造方法を例
に、図2を参照し説明する。なお、図1に示した第一の
実施の形態と製造方法の同一過程については、図中同一
番号を付して詳細な説明は省略する。
Therefore, in the second embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, the capacitance of the capacitor in the semiconductor memory device is further increased as compared with that of the first embodiment. Will be described with reference to FIG. 2 by taking as an example a method of manufacturing FeRAM. The same steps as those in the manufacturing method according to the first embodiment shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.

【0028】即ち、図2に示した第二の実施の形態で
は、図1に示した第一の実施の形態と同様に、Si基板
1に、P型MOS構造を作成後、絶縁層9を形成し、C
MPにより絶縁層9を平坦化する。引き続き、ソース部
7上にRIEとフッ酸系溶液処理により、開口部10を
設け、Siエピタキシャル層11をLPCVD法を用い
て選択成長を行う。LPCVD法の材料ガスは前記と同
様で、成長温度も同様におよそ600〜900℃の間で
行った。この実施の形態でも、選択成長法により絶縁層
9上にシリコンが堆積されないようにし、前記第一の実
施の形態と同様な方法でSiエピタキシャル層11の高
さと絶縁層9の高さを合わせた。
That is, in the second embodiment shown in FIG. 2, as in the first embodiment shown in FIG. 1, after the P-type MOS structure is formed on the Si substrate 1, the insulating layer 9 is formed. Formed, C
The insulating layer 9 is flattened by MP. Subsequently, the opening 10 is provided on the source portion 7 by RIE and hydrofluoric acid solution treatment, and the Si epitaxial layer 11 is selectively grown by using the LPCVD method. The material gas for the LPCVD method was the same as described above, and the growth temperature was also set at about 600 to 900 ° C. Also in this embodiment, silicon is not deposited on the insulating layer 9 by the selective growth method, and the height of the Si epitaxial layer 11 and the height of the insulating layer 9 are matched by the same method as in the first embodiment. .

【0029】次に、この実施の形態では、CVD装置を
用いて非晶質(アモルファス)シリコンをSiエピタキ
シャル層11(開口部10)及びこれに連なる絶縁層9
の上に堆積し、非晶質半導体層即ち非晶質シリコン層1
1aを形成する。このとき、非晶質シリコン層11aは
開口部10の面積よりも大きい面積となるよう形成され
る。その後、約600℃の熱処理を行い非晶質シリコン
層11aの固相成長を行い固相成長膜11bを生成させ
た。従って、固相成長膜11bは、Siエピタキシャル
層11がシード(種)となり、横方向にもそのSiエピ
タキシャル層11及び下地のSi基板1と同配向が得ら
れる。生成した固相成長膜11b上には、上記第一の実
施の形態と同様に、バリア金属であるTiNエピタキシ
ャル膜12,下部電極となるPtエピタキシャル膜13
及びペロブスカイト系の誘電体である歪み誘起BSTO
エピタキシャル膜14を順次形成し、RIEでエッチン
グ加工を行い、上部電極15を蒸着後、RIEエッチン
グ加工を経て、引出し電極17を形成してFeRAMを
製造した。
Next, in this embodiment, a CVD apparatus is used to replace the amorphous silicon with the Si epitaxial layer 11 (opening 10) and the insulating layer 9 connected to this.
Deposited on the amorphous semiconductor layer, that is, the amorphous silicon layer 1
1a is formed. At this time, the amorphous silicon layer 11 a is formed to have an area larger than that of the opening 10. After that, heat treatment was performed at about 600 ° C. to perform solid phase growth of the amorphous silicon layer 11a to form a solid phase growth film 11b. Therefore, in the solid phase growth film 11b, the Si epitaxial layer 11 serves as a seed, and the same orientation is obtained in the lateral direction as the Si epitaxial layer 11 and the underlying Si substrate 1. On the generated solid phase growth film 11b, as in the first embodiment, the TiN epitaxial film 12 as the barrier metal and the Pt epitaxial film 13 as the lower electrode are formed.
And perovskite-based dielectric strain-induced BSTO
An epitaxial film 14 was sequentially formed, etching processing was performed by RIE, an upper electrode 15 was deposited, and then an extraction electrode 17 was formed through RIE etching processing to manufacture a FeRAM.

【0030】以上のように、この第二の実施の形態で
は、ソース部6領域の面積よりも広い固相成長膜(エピ
タキシャルコンタクトプラグ)11bを形成でき、この
面積の広い固相成長膜11b上に、高誘電体である歪み
誘起BSTO膜14が形成されるので、キャパシタ容量
の大きな半導体記憶装置を実現することができる。
As described above, in the second embodiment, the solid phase growth film (epitaxial contact plug) 11b wider than the area of the source portion 6 region can be formed, and on the solid phase growth film 11b having the large area. Further, since the strain-induced BSTO film 14 which is a high dielectric is formed, the semiconductor memory device having a large capacitance can be realized.

【0031】また、この第二の実施の形態では、固相成
長膜11bは、横方向にもそのSiエピタキシャル層1
1及び下地のSi基板1対して均一な同配向の表面とな
って良好な分極対電界特性が得られるから、メモリ特性
の機能向上が図れる。
In addition, in the second embodiment, the solid phase growth film 11b is formed on the Si epitaxial layer 1 in the lateral direction.
1 and the underlying Si substrate 1 have a uniform surface with the same orientation, and good polarization vs. electric field characteristics can be obtained, so that the function of the memory characteristics can be improved.

【0032】なお、この図2で説明した第二の実施の形
態による製造方法で、Siエピタキシャル層11はソー
ス部6上の開口部10にLPCVD法を用いて選択成長
を行ったが、比較例1として図3及び図4に示すよう
に、もしも開口部10を非晶質シリコン(11a)で埋
め、その状態で固相成長を行なわせたとすると、得られ
た固相成長膜11bは均一なエピタキシャル配向膜にな
らず、図4(b)に一部斜線で示したように、下地のS
i基板1とは異なった配向の部分11baを有するよう
になる。つまり、図4(a)に斜線11bAで示した位
置で、CMPにより平坦化を行った固相成長膜11bの
表面は、下地のSi基板1対して均一な同配向の表面と
はならず異なった配向を示す。
In the manufacturing method according to the second embodiment described with reference to FIG. 2, the Si epitaxial layer 11 was selectively grown in the opening 10 on the source portion 6 by using the LPCVD method. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, if the opening 10 is filled with amorphous silicon (11a) and solid phase growth is performed in that state, the obtained solid phase growth film 11b is uniform. It does not become an epitaxial alignment film, and as shown by the partial hatching in FIG.
The i-substrate 1 has a portion 11ba having an orientation different from that of the i-substrate 1. That is, the surface of the solid phase growth film 11b planarized by CMP at the position indicated by the diagonal line 11bA in FIG. 4A does not have a uniform and uniform orientation with respect to the underlying Si substrate 1. Shows an oriented orientation.

【0033】そこで、図2に示したFeRAM構造と、
図3及び図4に示したFeRAM構造との、歪み誘起B
STOエピタキシャル膜14の分極対電界(P−E)の
ヒステリシス特性曲線はそれぞれ図5にイ、ロに示す。
図5から明らかなように、下地コンタクトの結晶状態に
依存し、図2に示した第二の実施の形態の歪み誘起BS
TO膜14の分極対電界のヒステリシス特性曲線((実
線)イ)は、図3及び図4に示したFeRAMの同じく
歪み誘起BSTOエピタキシャル膜14の分極対電界の
ヒステリシス特性曲線((点線)ロ)よりも対称性が良
く、また大きな分極量が得られる。また、図3及び図4
に示したFeRAMの製造方法では、CMPによる平坦
化の製造工程が大きくなるのでコストがかかる。
Therefore, the FeRAM structure shown in FIG.
Strain-induced B with the FeRAM structure shown in FIGS.
The hysteresis characteristic curves of polarization versus electric field (P-E) of the STO epitaxial film 14 are shown in a and b in FIG. 5, respectively.
As is clear from FIG. 5, the strain-induced BS of the second embodiment shown in FIG. 2 depends on the crystal state of the underlying contact.
The hysteresis characteristic curve of polarization vs. electric field of the TO film 14 ((solid line) b) is the hysteresis characteristic curve of polarization vs. electric field of the strain-induced BSTO epitaxial film 14 of FeRAM shown in FIGS. 3 and 4 ((dotted line) b). The symmetry is better than that and a large amount of polarization is obtained. Moreover, FIG. 3 and FIG.
In the FeRAM manufacturing method shown in (1), the manufacturing process of planarization by CMP becomes large, and thus costs are increased.

【0034】また、図3及び図4に示した構造のFeR
AMとも相違し、比較例2として図6(a)に示すよう
に、もしもSiエピタキシャル膜11と絶縁層9の高さ
を同じにすることなく凹凸の段差11Aを有した状態
に、開口部10に非晶質シリコン層11aを堆積したと
すると、図示のようにCVD装置により形成された非晶
質シリコン層11aにも同様な段差11Bが生じる。こ
の状態で固相成長を行うと、Si基板1に対してエピタ
キシャル配向させたエピタキシャルSi固相成長膜11
bの表面にもU字状の段差11Bが生じる。このような
段差11Bを有する固相成長膜11bの表面上方に、同
様にして歪み誘起BSTOエピタキシャル膜14を形成
しても、やはり、図6(b)に比較して示すように、分
極対電界ヒステリシス曲線(ハ)は図2で説明した第二
の実施の形態における分極対電界ヒステリシス曲線
(イ)に比較し、対称性も劣り、分極量も小さいものと
なる。従って、この場合でも、対称性を良くし、より大
きな分極量を得るには、CMPによる固相成長膜11b
の平坦化工程を必要とする。
Further, FeR having the structure shown in FIGS.
Unlike AM, as shown in FIG. 6A as Comparative Example 2, if the Si epitaxial film 11 and the insulating layer 9 do not have the same height, the opening 10 has an uneven step 11A. If the amorphous silicon layer 11a is deposited on the amorphous silicon layer 11a, a similar step 11B is formed on the amorphous silicon layer 11a formed by the CVD apparatus as shown in the figure. When solid phase growth is performed in this state, an epitaxial Si solid phase growth film 11 epitaxially oriented with respect to the Si substrate 1 is formed.
A U-shaped step 11B also occurs on the surface of b. Even if the strain-induced BSTO epitaxial film 14 is similarly formed above the surface of the solid phase growth film 11b having such a step 11B, as shown in comparison with FIG. The hysteresis curve (C) is inferior in symmetry and smaller in polarization amount than the polarization vs. electric field hysteresis curve (A) in the second embodiment described with reference to FIG. Therefore, even in this case, in order to improve the symmetry and obtain a larger polarization amount, the solid phase growth film 11b by CMP is used.
Requires a flattening step.

【0035】なお、図6(a)に示したFeRAM構造
で、CMPによる固相成長膜11bの平坦化を行わない
場合には、比較例3として図7(a)に示すように、非
晶質シリコン層11aの膜厚が大きくなるように堆積さ
せ、結果的に図6(a)に示した凹凸の段差11Bの程
度を小さくすることにより、この状態で非晶質シリコン
層11aの固相成長膜11bを形成すると、その上方の
歪み誘起BSTOエピタキシャル膜14の分極対電界ヒ
ステリシス曲線(ニ)は、図7(b)に示したように、
若干の特性の改善が見られる。
In the FeRAM structure shown in FIG. 6A, if the solid phase growth film 11b is not planarized by CMP, as shown in FIG. 6A is deposited in such a manner that the film thickness of the amorphous silicon layer 11a is increased, and as a result, the step 11B of the unevenness shown in FIG. When the growth film 11b is formed, the polarization vs. electric field hysteresis curve (d) of the strain-induced BSTO epitaxial film 14 above the growth film 11b is as shown in FIG. 7 (b).
A slight improvement in properties can be seen.

【0036】図8は、この発明による半導体記憶装置の
製造方法の第三の実施の形態を説明する図である。この
第三の実施の形態は、第一乃至第二の実施の形態におけ
る半導体記憶装置に対し、エピタキシャルコンタクトプ
ラグ部の抵抗値を下げ、半導体記憶装置の消費電力をよ
り少なくすることをねらいとするものである。
FIG. 8 is a diagram illustrating a third embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention. The third embodiment aims at reducing the resistance value of the epitaxial contact plug portion and further reducing the power consumption of the semiconductor memory device as compared with the semiconductor memory devices of the first and second embodiments. It is a thing.

【0037】即ち、この第三の実施の形態では、図1及
び図2で説明した上記第一乃至第二の実施の形態におけ
るSiエピタキシャル層11をシリコンゲルマニウムエ
ピタキシャル混晶膜に、あるいは非晶質Si層11a及
びシリコンエピタキシャルの固相成長膜11bを、夫々
非晶質シリコンゲルマニウム混晶膜及びその非晶質シリ
コンゲルマニウム混晶膜を固相成長させたシリコンゲル
マニウムエピタキシャル混晶の固相成長膜にそれぞれ対
応して置き換えることによって、エピタキシャルコンタ
クト部の直列抵抗をより小さくし、低い消費電力化を実
現するものである。
That is, in the third embodiment, the Si epitaxial layer 11 in the first and second embodiments described with reference to FIGS. 1 and 2 is a silicon germanium epitaxial mixed crystal film, or is amorphous. The Si layer 11a and the silicon epitaxial solid phase growth film 11b are respectively used as a solid phase growth film of an amorphous silicon germanium mixed crystal film and a silicon germanium epitaxial mixed crystal obtained by solid phase growth of the amorphous silicon germanium mixed crystal film. By replacing each correspondingly, the series resistance of the epitaxial contact portion is further reduced, and low power consumption is realized.

【0038】図8(a)はショットキー界面の直列抵抗
値(いずれも約3V印加時逆方向)を示したもので、バ
リア金属となるTiNとP型Siとのショットキー界面
の直列抵抗値(ホ)と、同じくTiNとP型シリコンゲ
ルマニウム(ゲルマニウム混晶比20%)とのショット
キー界面の直列抵抗値(ヘ)を示している。図8(a)
の記載から明らかなように、シリコンゲルマニウム
(ヘ)の方が直列抵抗値がより小さく、FeRAMの低
消費電力化に役立つことを表している。また図8(b)
には、実際のショットキー界面の直列抵抗の測定回路を
示しており、P型Si(100)とTiNとの間に、P
型SiまたはP型Si0.8 Ge0.2 を介在させ、上下両
Al電極17a,17bを介して電流I−電圧V測定器
18を接続して構成される。
FIG. 8A shows the series resistance value of the Schottky interface (both in the opposite direction when about 3 V is applied). The series resistance value of the Schottky interface between TiN and P-type Si, which are barrier metals, is shown. (E) shows the series resistance value (f) of the Schottky interface between TiN and P-type silicon germanium (germanium mixed crystal ratio 20%). FIG. 8 (a)
As is clear from the above description, silicon germanium (f) has a smaller series resistance value, which indicates that it is useful for reducing the power consumption of FeRAM. Further, FIG. 8 (b)
Shows a circuit for measuring the actual series resistance of the Schottky interface, in which P is between P-type Si (100) and TiN.
Type Si or P type Si 0.8 Ge 0.2 is interposed, and a current I-voltage V measuring device 18 is connected via both upper and lower Al electrodes 17a and 17b.

【0039】エピタキシャルシリコン膜を誘電体の電極
部として採用したFeRAMデバイス構造で、コンタク
トプラグ部に、シリコン膜の代わりにシリコンゲルマニ
ウム膜を用いた際の利点について説明する。
The advantages of using a silicon germanium film instead of the silicon film for the contact plug portion in the FeRAM device structure in which the epitaxial silicon film is used as the dielectric electrode portion will be described.

【0040】第一の利点は、上述のように抵抗値の低下
である。Siのバルクの移動度が正孔約380cm2
V・sec、電子約1400cm2 /V・secに対し
て、Geのそれはそれぞれ、およそ3040、3640
cm2 /V・secであり、シリコンにゲルマニウムを
混入したSiGe膜はSi膜よりも移動度が大きくな
る。このことからも、Si膜よりもSiGe膜の方が、
抵抗値が低くコンタクト材料としては最適である。
The first advantage is a reduction in resistance value as described above. The mobility of the bulk of Si is about 380 cm 2 / hole.
For V · sec and electron about 1400 cm 2 / V · sec, that of Ge is about 3040 and 3640, respectively.
cm 2 / V · sec, and the mobility of the SiGe film obtained by mixing germanium in silicon is higher than that of the Si film. From this, the SiGe film is better than the Si film.
It has a low resistance and is optimal as a contact material.

【0041】第二の利点は、Si膜の代わりにSiGe
膜を採用することによって、コンタクトプラグ部と、そ
の上部に形成されたバリア金属層(12)ないし下部電
極間のショットキー障壁の高さを低下させることができ
る。コンタクトプラグ部としてシリコン膜19を採用し
た場合、またシリコンゲルマニウム膜20を採用した場
合の各ショットキー障壁を図9(a)及び図9(b)に
示す。即ち、図9(a)及び図9(b)で比較して説明
するように、シリコンゲルマニウムのバンドギャップ2
0aはおよそ0.67〜1.12eVなのに対し、Si
のバンドギャップ19aは約1.12eVであり、シリ
コンゲルマニウム膜のバンドギャップ20aはSi膜の
バンドギャップ19aよりも小さくなる。その結果、シ
リコンゲルマニウムコンタクトプラグとバリア金属層間
のショットキー障壁20bは、Siコンタクトプラグと
バリア金属層間のショットキー障壁19bよりも低下し
(20b<19a)、シリコンゲルマニウムコンタクト
プラグを用いた方が直列抵抗値が減少することを示して
いる。
The second advantage is that SiGe is used instead of Si film.
By using the film, the height of the Schottky barrier between the contact plug portion and the barrier metal layer (12) formed on the contact plug portion or the lower electrode can be reduced. FIGS. 9A and 9B show each Schottky barrier when the silicon film 19 is used as the contact plug portion and when the silicon germanium film 20 is used. That is, as described in comparison with FIG. 9A and FIG. 9B, the band gap 2 of silicon germanium
0a is approximately 0.67 to 1.12 eV, while Si
Has a band gap 19a of about 1.12 eV, and the band gap 20a of the silicon germanium film is smaller than the band gap 19a of the Si film. As a result, the Schottky barrier 20b between the silicon germanium contact plug and the barrier metal layer is lower than the Schottky barrier 19b between the Si contact plug and the barrier metal layer (20b <19a), and the silicon germanium contact plug is used in series. It shows that the resistance value decreases.

【0042】以上のように、この第三の実施の形態によ
れば、シリコンゲルマニウムエピタキシャル混晶膜、あ
るいは非晶質SiGe混晶膜及びその非晶質SiGe混
晶膜を固層成長させたSiGeエピタキシャル混晶固層
成長膜を採用することによって、エピタキシャルコンタ
クト部の直列抵抗をより小さくし、低い消費電力の半導
体装置を実現することができる。
As described above, according to the third embodiment, the silicon germanium epitaxial mixed crystal film, or the amorphous SiGe mixed crystal film and the SiGe obtained by solid-phase growing the amorphous SiGe mixed crystal film are formed. By employing the epitaxial mixed crystal solid layer growth film, it is possible to further reduce the series resistance of the epitaxial contact portion and realize a semiconductor device with low power consumption.

【0043】次に、第二の実施の形態の説明で、比較例
として図3及び図4を参照し、開口部10を非晶質シリ
コン(11a)で単に埋めた場合、非晶質シリコン層は
開口部10上で凹状となり、その状態で固相成長を行わ
せた場合は、均一なエピタキシャル配向膜とはならない
ので、その上に形成される歪み誘起BSTOエピタキシ
ャル膜14は良好な分極対電界のヒステリシス特性曲線
を示さないことを述べた。そこで、次の第四の実施の形
態では、開口部10への非晶質半導体の蓄積を開口部1
0上で凹部を形成しないように、より選択的に堆積形成
することによって、良好な分極対電界のヒステリシス特
性曲線を示す誘電体膜を形成した形態を説明する。
Next, in the description of the second embodiment, referring to FIGS. 3 and 4 as a comparative example, when the opening 10 is simply filled with amorphous silicon (11a), the amorphous silicon layer Has a concave shape on the opening 10, and when solid phase growth is performed in that state, a uniform epitaxial orientation film is not obtained. Therefore, the strain-induced BSTO epitaxial film 14 formed thereon has a good polarization pair electric field. It is stated that it does not exhibit a hysteresis characteristic curve. Therefore, in the next fourth embodiment, accumulation of an amorphous semiconductor in the opening 10 is performed by the opening 1
A mode in which a dielectric film exhibiting a good hysteresis characteristic curve of polarization versus electric field is formed by more selectively depositing and forming so as not to form a recess on 0 will be described.

【0044】以下、この発明の第四の実施の形態につい
て、図10を参照して説明する。この第四の実施の形態
では、コンタクトプラグ部は非晶質からの固相成長によ
って半導体(Si)の良好な単結晶領域が絶縁層上にも
確保されるので、広い面積にわたってSiの(001)
結晶配向を結成でき、半導体記憶装置でのキャパシタ容
量を拡大することが可能となる。
The fourth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. In the fourth embodiment, the contact plug portion secures a good single crystal region of semiconductor (Si) on the insulating layer by solid-phase growth from amorphous, so that the Si (001 )
The crystal orientation can be formed, and the capacitance of the capacitor in the semiconductor memory device can be expanded.

【0045】即ち、図10(a)に示す半導体記憶装置
において、P型Si(001)基板1の上に、素子分離
領域の酸化膜2を形成する。次に、素子形成領域を薄く
酸化し、ゲート酸化膜3を形成する。ゲート酸化膜3の
上部にLPCVD法によりポリシリコン層4を堆積によ
り形成し、このポリシリコン層4に燐拡散を行うことで
十分な導電性を持たせる。その後フォトレジストによる
パターニングの後に異方性エッチングにより、ポリシリ
コン層4及びゲート酸化膜3をエッチングしゲート部を
形成する。
That is, in the semiconductor memory device shown in FIG. 10A, the oxide film 2 in the element isolation region is formed on the P-type Si (001) substrate 1. Next, the element formation region is thinly oxidized to form the gate oxide film 3. A polysilicon layer 4 is formed by deposition on the gate oxide film 3 by the LPCVD method, and phosphorus is diffused in the polysilicon layer 4 to give sufficient conductivity. Then, after patterning with a photoresist, the polysilicon layer 4 and the gate oxide film 3 are etched by anisotropic etching to form a gate portion.

【0046】次に、Si基板1に、自己整合的にP型不
純物、例えばボロンをイオン注入しP型ソース部7及び
ドレイン部8を形成した後、燐ガラス等の絶縁性物質を
堆積し絶縁層9を形成する。この絶縁層9は、後で形成
するキャパシタとSi基板1上に形成したトランジスタ
を分離する層間絶縁膜の役割を果たすもので、キャパシ
タを構成する物質がトランジスタの動作に悪影響を及ぼ
すことを阻止する役割を持つ。従って、燐ガラスのほか
窒化シリコンなどを用いることも不純物の拡散を阻止す
る上で有効である。
Next, P-type impurities such as boron are ion-implanted into the Si substrate 1 in a self-aligned manner to form the P-type source portion 7 and the drain portion 8, and then an insulating substance such as phosphor glass is deposited to insulate the substrate. Form the layer 9. The insulating layer 9 plays a role of an interlayer insulating film that separates a capacitor to be formed later and a transistor formed on the Si substrate 1, and prevents a substance forming the capacitor from adversely affecting the operation of the transistor. Have a role. Therefore, the use of silicon nitride or the like in addition to phosphorus glass is also effective in preventing the diffusion of impurities.

【0047】次に、ソース部7上の絶縁層9に、コンタ
クトプラグ部を設ける。コンタクトプラグ部は図10
(a)に示すように、トランジスタのソース部7(ある
いはドレイン部8)上に形成することで、メモリセルの
回路構成を簡略化することができるが、まずコンタクト
プラグ部用の開口部10は前述の第一乃至第三の実施の
形態と同様な方法、即ちRIEとフッ酸系溶液処理によ
り絶縁層9に形成される。
Next, a contact plug portion is provided on the insulating layer 9 on the source portion 7. Figure 10 shows the contact plug
As shown in (a), the circuit structure of the memory cell can be simplified by forming it on the source part 7 (or the drain part 8) of the transistor. First, the opening 10 for the contact plug part is formed. The insulating layer 9 is formed by the same method as in the first to third embodiments described above, that is, RIE and hydrofluoric acid solution treatment.

【0048】次に、開口部10に非晶質半導体即ち非晶
質Si(11a)を堆積する。この非晶質Si層11a
の膜厚は開口部10が完全に埋まり、なおかつその上部
及びこれに連なる近傍の絶縁層9上にもある程度の厚み
を持つように選択的に堆積させる。その後、CMPによ
り非晶質Si層11aの表面を平坦化させる。
Next, an amorphous semiconductor, that is, amorphous Si (11a) is deposited in the opening 10. This amorphous Si layer 11a
The film thickness is selectively deposited such that the opening portion 10 is completely filled, and also has a certain thickness on the insulating layer 9 in the upper portion and in the vicinity thereof. Then, the surface of the amorphous Si layer 11a is planarized by CMP.

【0049】次に、非晶質Si層11aに熱処理(アニ
ール)を行い結晶化させる。これには低温熱処理、例え
ば約600℃で1時間の熱処理をかける。この非晶質S
i11層11aは開口部10の底部で、Si(001)
基板1に接しているので、熱処理を行うことによってS
i基板1に接している部分から(001)配向の固相成
長が起こり、図10(b)に示すように、Si単結晶領
域11cが形成される。この固相成長は、一旦、非晶質
Si層11aの上部に達すると、そのまま横方向に成長
が進み、厚さ十数ミクロンで広い面積の単結晶領域11
cを得るものである。
Next, the amorphous Si layer 11a is heat-treated (annealed) to be crystallized. This is subjected to low temperature heat treatment, for example heat treatment at about 600 ° C. for 1 hour. This amorphous S
The i11 layer 11a is the bottom of the opening 10 and is made of Si (001)
Since it is in contact with the substrate 1, S
Solid-phase growth of (001) orientation occurs from the portion in contact with the i substrate 1, and a Si single crystal region 11c is formed as shown in FIG. 10B. Once the solid phase growth reaches the upper part of the amorphous Si layer 11a, the growth proceeds in the lateral direction as it is, and the single crystal region 11 having a thickness of tens of microns and a large area.
to get c.

【0050】なお、Si基板1が(001)配向あるい
はそれに直交する方向の表面を持つ場合は、コンタクト
が[100]方向あるいは[100]に直交する方向の
境界線で開口されていると、非常に速く横方向に固相成
長を起こすことができる。
When the Si substrate 1 has a (001) -oriented surface or a surface orthogonal to the (001) orientation, if the contact is opened at the boundary line in the [100] direction or in the direction orthogonal to the [100] direction, it is extremely difficult. It is possible to cause solid phase growth in the lateral direction very quickly.

【0051】その後、図10(c)に示すように、前述
の第一乃至第三の実施の形態で説明した工程と同様に、
Si単結晶領域11cが形成された非晶質Si層11a
上に、バリア金属であるTiNエピタキシャル膜12、
下部電極となるPtエピタキシャル膜13、及び誘電体
である歪み誘起BSTOエピタキシャル膜14を連続的
に堆積させる。ここでTiNエピタキシャル膜12、P
tエピタキシャル膜13、歪み誘起BSTOエピタキシ
ャル膜14のいずれも下地の格子の影響を受けるが、非
晶質Si層11aは結晶化された際にSi(001)基
板1と同配向を示しているから、その影響を受ける歪み
誘起BSTOエピタキシャル膜14は歪みを内在し、そ
の結果として強誘電性を示す。
Then, as shown in FIG. 10C, similar to the steps described in the first to third embodiments,
Amorphous Si layer 11a in which Si single crystal region 11c is formed
A TiN epitaxial film 12, which is a barrier metal,
The Pt epitaxial film 13 that becomes the lower electrode and the strain-induced BSTO epitaxial film 14 that is a dielectric are continuously deposited. Here, the TiN epitaxial film 12, P
Both the t-epitaxial film 13 and the strain-induced BSTO epitaxial film 14 are affected by the underlying lattice, but the amorphous Si layer 11a has the same orientation as the Si (001) substrate 1 when crystallized. The strain-induced BSTO epitaxial film 14 affected by the strain has a strain therein and, as a result, exhibits ferroelectricity.

【0052】その後、フォトレジストによるパターニン
グの後、異方性エッチングにより加工が行なわれ、Pt
を蒸着し、パターニングの後に異方性エッチングで加工
し、キャパシタの上部電極15を形成する。次に、絶縁
膜16を堆積し、コンタクトを開口後アルミニウム合金
を蒸着しフォトレジストによるパターニングの後に異方
性エッチングをかけ、引出し電極17が形成される。
Then, after patterning with a photoresist, processing is performed by anisotropic etching, and Pt.
Is vapor-deposited, patterned and then processed by anisotropic etching to form the upper electrode 15 of the capacitor. Next, an insulating film 16 is deposited, a contact is opened, an aluminum alloy is deposited, and after patterning with a photoresist, anisotropic etching is performed to form a lead electrode 17.

【0053】このように、この第四の実施の形態では、
非晶質からの固相成長によってSiの単結晶領域が確保
されるので、広い面積にわたってSiの(001)結晶
配向を確保でき、キャパシタ容量を拡大することができ
る。
As described above, in the fourth embodiment,
Since a single crystal region of Si is secured by solid phase growth from amorphous, the (001) crystal orientation of Si can be secured over a wide area and the capacitance of the capacitor can be expanded.

【0054】なお、この実施の形態での素子分離はLO
COS法によるが、例えばSi基板1に溝を形成し、そ
の溝を絶縁物で埋め戻すなどの手法でも良い。また、S
i基板1にP型を用いているが、N型でも同様である。
The element isolation in this embodiment is LO.
Although the COS method is used, for example, a method of forming a groove in the Si substrate 1 and filling the groove with an insulator may be used. Also, S
Although the P type is used for the i substrate 1, the same applies to the N type.

【0055】次に、この発明による第五の実施の形態
を、図11(a)のFRAM構造の断面図を参照して説
明する。
Next, a fifth embodiment according to the present invention will be described with reference to the sectional view of the FRAM structure shown in FIG.

【0056】この第五の実施の形態でも、既に説明した
第一の実施の形態等と同様に、Si基板1上にP型MO
S構造を作成後、CVDによる酸化膜91の上に、BP
SGによる絶縁層9を形成し、CMPを用いて、絶縁層
9を約1umの厚さに平坦化する。次に、ソース部7の
上に、まずフォトパターニングによるパターン形成を行
い、RIEとフッ酸系溶液処理を用いてエッチングによ
り絶縁層9に開口部10を設ける。なお、ここでのマス
クパターンの方向は[110]方向を採用した。
Also in the fifth embodiment, the P-type MO is formed on the Si substrate 1 in the same manner as the first embodiment already described.
After forming the S structure, BP is formed on the oxide film 91 by CVD.
The insulating layer 9 made of SG is formed, and the insulating layer 9 is flattened to a thickness of about 1 μm by CMP. Next, a pattern is formed on the source portion 7 by photo-patterning, and an opening 10 is provided in the insulating layer 9 by etching using RIE and hydrofluoric acid solution treatment. The direction of the mask pattern used here is the [110] direction.

【0057】また、ここで、下地のSi基板1のダメー
ジ層を除去するために、約20nmの酸化を行い、フッ
酸系水溶液により酸化膜を除去し、硫酸及び過酸化水素
水により後処理を行った。この際、前記絶縁膜9の断面
構造はダメージ層を除去するため、図11(b)に拡大
して示すようにソース部7に部分的に掘り下げられた形
状になる。
Here, in order to remove the damaged layer of the underlying Si substrate 1, oxidation of about 20 nm is performed, the oxide film is removed with a hydrofluoric acid-based aqueous solution, and post-treatment with sulfuric acid and hydrogen peroxide solution is performed. went. At this time, since the damaged layer is removed from the sectional structure of the insulating film 9, the insulating film 9 has a shape that is partially dug into the source portion 7 as shown in an enlarged view in FIG.

【0058】次に、水素ガス(H2 )中、約10Tor
r、およそ900℃で熱処理を行うと、前記絶縁層9の
エッチングが生じ、絶縁層9の断面構造は図11(a)
に示すように、Si基板1の表面と開口部10の絶縁層
9と面との成す角(A)が90度未満になる。この絶縁
層9の断面構造を有するパターン上に前述の第一及び第
二の実施の形態と同様に、Siエピタキシャル膜11に
LPCVD法を用いておよそ600〜900℃の温度で
選択成長を施し、その材料ガスとしては、ジクロルシラ
ン、ジシラン、塩素ガスを組み合わせて行った。また、
P型用のドーパントガスとしてジボランを用い、選択成
長法により絶縁層9上にシリコンを堆積しないようにし
た。この際の選択Siエピタキシャルは、前記絶縁層9
の開口部10を埋めるように成長させた。このように、
開口部10を埋めるように成長する現象は、前記絶縁層
9パターン断面とSi基板1表面との成す角(A)が9
0度未満の場合には常に生じる。
Next, in hydrogen gas (H 2 ), about 10 Tor
When heat treatment is performed at r of about 900 ° C., etching of the insulating layer 9 occurs, and the cross-sectional structure of the insulating layer 9 is shown in FIG.
As shown in, the angle (A) formed by the surface of the Si substrate 1 and the surface of the insulating layer 9 of the opening 10 is less than 90 degrees. On the pattern having the sectional structure of the insulating layer 9, similar to the first and second embodiments described above, the Si epitaxial film 11 is selectively grown at a temperature of about 600 to 900 ° C. by using the LPCVD method, The material gas was a combination of dichlorosilane, disilane, and chlorine gas. Also,
Diborane was used as the P-type dopant gas, and silicon was not deposited on the insulating layer 9 by the selective growth method. At this time, the selective Si epitaxial layer is formed by the insulating layer 9
Was grown so as to fill the opening 10 of the. in this way,
The phenomenon of growing so as to fill the opening 10 is that the angle (A) formed by the cross section of the pattern of the insulating layer 9 and the surface of the Si substrate 9 is 9
It always occurs when it is less than 0 degrees.

【0059】次に、Siエピタキシャル層11を絶縁層
9の高さに合うような構造にするため、図2に示した第
二の実施の形態と同様に前記絶縁層9の高さよりも約5
nm程度低くなるようにSiエピタキシャル膜厚の成長
を行わせ、その後にフッ酸系処理を用いて、絶縁層9を
エッチングし、両者の高さを合わせた。
Next, in order to make the Si epitaxial layer 11 have a structure that matches the height of the insulating layer 9, as in the second embodiment shown in FIG.
The Si epitaxial film was grown to a thickness of about nm, and then the insulating layer 9 was etched using a hydrofluoric acid treatment to match the heights of both.

【0060】次に、CVD装置を用いて非晶質Si層1
1aを開口部10及びこれに連なる絶縁層9上に形成
し、その後約600℃の熱処理を行い固相成長を行っ
た。この固相成長による固相成長膜11bは、Siエピ
タキシャル層11がシード(種)となっているので、横
方向にも広い面積を形成するようにエピタキシャル膜と
同配向の膜が得られる。その後は前述と同様に、バリア
金属のTiNエピタキシャル膜12,下部電極のPtエ
ピタキシャル膜13,誘電体の歪み誘起BSTOエピタ
キシャル膜14を前記固相成長膜11b上に形成し、R
IEでエッチング加工後、上部電極15となるPtを蒸
着し、再びRIEエッチング加工を行い、取出し電極1
7であるAl電極を形成し、目的とするキャパシタ容量
の大きい半導体記憶装置を得た。
Next, the amorphous Si layer 1 is formed using a CVD apparatus.
1a was formed on the opening 10 and the insulating layer 9 connected to the opening 10, and then heat treatment was performed at about 600 ° C. to perform solid phase growth. Since the Si epitaxial layer 11 serves as a seed in the solid phase growth film 11b formed by this solid phase growth, a film having the same orientation as the epitaxial film is obtained so as to form a large area in the lateral direction. Thereafter, in the same manner as described above, a TiN epitaxial film 12 as a barrier metal, a Pt epitaxial film 13 as a lower electrode, and a strain-induced BSTO epitaxial film 14 as a dielectric are formed on the solid phase growth film 11b, and R
After etching processing by IE, Pt to be the upper electrode 15 is vapor-deposited, and RIE etching processing is performed again.
The Al electrode of No. 7 was formed to obtain a desired semiconductor memory device having a large capacitance.

【0061】このように、この第五の実施の形態による
半導体記憶装置の製造方法でも、固相成長膜11bのエ
ピタキシャルコンタクトプラグはソース部7の面積より
も広く形成されるので、前記歪み誘起BSTOエピタキ
シャル膜14のキャパシタ容量を増加させることができ
高集積化の要望に対応し得るものである。
As described above, also in the method of manufacturing the semiconductor memory device according to the fifth embodiment, since the epitaxial contact plug of the solid phase growth film 11b is formed wider than the area of the source portion 7, the strain-induced BSTO is produced. It is possible to increase the capacitance of the epitaxial film 14 and meet the demand for higher integration.

【0062】なお、この第五の実施の形態では、上述の
ように開口部10の形成の際に、RIEを用いた絶縁層
のエッチング後、下地のSi基板1のダメージ処理を行
ったが、このように、RIEを用いてエッチングを行う
と、エッチングの異方性は良くなるものの、下地のSi
基板1へのダメージを除去する必要が生じ、酸化による
ダメージ層の除去を数nmの単位で必要とする。
In the fifth embodiment, when the opening 10 is formed as described above, the underlying Si substrate 1 is damaged after etching the insulating layer using RIE. Thus, when etching is performed using RIE, the anisotropy of etching is improved, but the underlying Si
It is necessary to remove the damage to the substrate 1, and the damage layer due to oxidation needs to be removed in units of several nm.

【0063】酸化による下地のSi基板1のダメージ層
の除去を回避するため、フッ酸系水溶液による絶縁層の
除去も考えられる。即ち、NH4 F溶液を代表とするフ
ッ酸系溶液処理により、前記絶縁層9をエッチングし開
口する場合について説明すると、フォトパターニングに
よるパターン形成後、NH4 F溶液を用いて厚さ約1u
mの絶縁層9のエッチングを行った。その後、硫酸,過
酸化水素水により処理を行う。この際のCVD酸化膜9
1の断面構造は図12(a)に示すようSi基板1面に
対して角度θが90度以上になるが、このような断面形
状の絶縁層9の開口部10に、前記条件と同様の選択S
iエピタキシャルを行った場合、図12(a)(b)に
示すように、Si基板1面に対して角度Cが狭い(31
1)面のファセットが形成してしまい、絶縁膜91の開
口部10をうまく埋めることができない。
In order to avoid removal of the damaged layer of the underlying Si substrate 1 due to oxidation, removal of the insulating layer with a hydrofluoric acid-based aqueous solution may be considered. That is, the hydrofluoric acid solution process typified by NH 4 F solution, the case is described in which an opening by etching the insulating layer 9, after the pattern formation by photo-patterning, about NH 4 F solution with a thickness of 1u
m of the insulating layer 9 was etched. After that, treatment with sulfuric acid and hydrogen peroxide solution is performed. CVD oxide film 9 at this time
12A, the angle θ is 90 degrees or more with respect to the surface of the Si substrate 1 as shown in FIG. 12A. Choice S
When i-epitaxial processing is performed, as shown in FIGS. 12A and 12B, the angle C is narrow with respect to the surface of the Si substrate 1 (31
1) Facets on the surface are formed, and the opening 10 of the insulating film 91 cannot be filled successfully.

【0064】上述の第五の実施の形態で示したFeRA
M構造の、例えば膜厚約1umのSiエピタキシャルコ
ンタクトプラグ部において、この(311)ファセット
面は、Si基板1との成す角Cが約24度と低角度のた
め、非晶質Si膜11aの固相エピタキシャル成長のた
めに必要なSi(100)面を形成できなくなる。なぜ
ならば、図12(b)に示すように、Siエピタキシャ
ル膜11がピラミッドを形成してしまい、点線11Cで
示すCMPによる約1umの膜厚を堆積したときSi
(100)エピタキシャル最表面を得ることができなく
なるためである。
FeRA shown in the above fifth embodiment
In the Si epitaxial contact plug portion of the M structure having a film thickness of about 1 μm, the angle C formed by the (311) facet with the Si substrate 1 is as low as about 24 degrees, so that the amorphous Si film 11a is formed. The Si (100) plane required for solid phase epitaxial growth cannot be formed. This is because, as shown in FIG. 12B, the Si epitaxial film 11 forms a pyramid, and when a film thickness of about 1 μm is deposited by CMP shown by a dotted line 11C, Si is deposited.
This is because the (100) epitaxial top surface cannot be obtained.

【0065】このように、絶縁層9のパターン形状およ
びその断面形状を変化させた際のSi選択エピタキシャ
ル膜成長面の面積が狭くなるファセット形状について以
下図13乃至図17を参照して説明する。
The facet shape in which the area of the growth surface of the Si selective epitaxial film becomes small when the pattern shape and the cross-sectional shape of the insulating layer 9 are changed as described above will be described below with reference to FIGS. 13 to 17.

【0066】図13(a)に示すように、Si基板1上
のSiO2 絶縁層9の開口部10の断面形状の角度θが
θ>90度となるパターン(ここでのパターン方向は
[110]方向)を用いて、真空化学蒸着法により選択
Siエピタキシャルを行うと、前述のようにSi基板1
との成す角(C)が約24度の(311)ファセット面
が生じる。
As shown in FIG. 13A, a pattern in which the angle θ of the cross-sectional shape of the opening 10 of the SiO 2 insulating layer 9 on the Si substrate 1 is θ> 90 degrees (here, the pattern direction is [110 ] Direction) is used to perform selective Si epitaxial growth by a vacuum chemical vapor deposition method.
A (311) facet surface having an angle (C) formed by about 24 degrees is generated.

【0067】これに対し、図13(b)に示すような絶
縁層9の開口部10の断面形状の角度θがθ<90度と
なるパターンを用いて、前記Si選択エピタキシャルを
行うと、(311)ファセットが生じず、前記絶縁層9
断面に沿ってSiエピタキシャル成長が生じることを発
明者は見いだした。また、図14(a)はSi基板の配
向(Si(001))とオリフラとの関係を、また図1
4(b)はオリフラ(110)に対する配向の座標軸関
係を示したものであるが、図14に示した関係から、S
i(選択)エピタキシャル層11に対する絶縁層9パタ
ーンの方向依存性を図15により説明する。
On the other hand, when the Si selective epitaxy is performed using a pattern in which the angle θ of the sectional shape of the opening 10 of the insulating layer 9 is θ <90 degrees as shown in FIG. 311) The facet does not occur and the insulating layer 9
The inventor has found that Si epitaxial growth occurs along the cross section. Further, FIG. 14A shows the relationship between the orientation (Si (001)) of the Si substrate and the orientation flat.
4 (b) shows the coordinate axis relationship of the orientation with respect to the orientation flat (110). From the relationship shown in FIG.
The directional dependence of the pattern of the insulating layer 9 on the i (selective) epitaxial layer 11 will be described with reference to FIG.

【0068】図15に示すような絶縁酸化膜形状のパタ
ーンにおいて、パターンの方向を0〜90度(E1,E
2,E3,…E9)まで約10度及び約15度による間
隔(0度は[110]方向を示す)で振ったときの、S
i選択エピタキシャルの断面形状の観察結果を図16
(a)(b)(c)に示す。
In the insulating oxide film-shaped pattern as shown in FIG. 15, the direction of the pattern is 0 to 90 degrees (E1, E
2, E3, ... E9), when S is swung at intervals of about 10 degrees and about 15 degrees (0 degree indicates the [110] direction), S
FIG. 16 shows the observation result of the cross-sectional shape of i-selective epitaxial.
(A), (b) and (c) are shown.

【0069】図16(a)は[110]方向から0度を
除き±20度以内の場合(E2,E3,E7,E8)
で、そのときのSi選択エピタキシャルの断面形状は角
度Cはおよそ55度以上となることを示し、図16
(b)は[110]方向から±30〜±60度の場合
(E4,E5,E6)で、そのときのSi選択エピタキ
シャルの断面形状は角度Cはおよそ45度となり、図1
6(c)は[110]方向から約0度または約90度の
場合(E1,E9)で、そのときのSi選択エピタキシ
ャルの断面形状は角度Cはおよそ24度となった。
FIG. 16A shows the case of within ± 20 degrees from the [110] direction except 0 degree (E2, E3, E7, E8).
16 shows that the sectional shape of the Si selective epitaxial film at that time has an angle C of about 55 degrees or more.
(B) is (E4, E5, E6) in the case of ± 30 to ± 60 degrees from the [110] direction, and the sectional shape of the Si selective epitaxial at that time has an angle C of about 45 degrees.
6 (c) is about 0 degree or about 90 degree from the [110] direction (E1, E9), and the sectional shape of the Si selective epitaxial at that time was an angle C of about 24 degrees.

【0070】このように、絶縁層9のパターンの方向に
よって、Si基板1の表面とSi(選択)エピタキシャ
ル層11面の成す角(C)が変化するが、結果的に図1
6に示すように、[110]方向から0度を除く矢印E
で示した±20度以内の範囲では、Si基板1とSi
(選択)エピタキシャル層11面の成す角が図16
(a)に示すように、55度以上となって、断面形状が
Si選択エピタキシャル層11面とSi基板1面との成
すファセット角の傾きを大きくさせられることがわかっ
た。
As described above, the angle (C) formed by the surface of the Si substrate 1 and the surface of the Si (selective) epitaxial layer 11 changes depending on the direction of the pattern of the insulating layer 9. As a result, FIG.
As shown in 6, an arrow E excluding 0 degree from the [110] direction
Within the range of ± 20 degrees indicated by, the Si substrate 1 and the Si
The angle formed by the (selected) epitaxial layer 11 surface is shown in FIG.
As shown in (a), it was found that the inclination of the facet angle formed by the surface of the Si selective epitaxial layer 11 and the surface of the Si substrate 1 in the sectional shape can be increased at 55 degrees or more.

【0071】このように、この発明の他の目的は、前記
エピタキシャルシリコン膜コンタクトプラグ部を形成す
るにあたり生じるファセットの問題を解決する最適絶縁
膜構造を有する半導体記憶装置を提供することにある。
As described above, another object of the present invention is to provide a semiconductor memory device having an optimum insulating film structure which solves the problem of facets generated when forming the epitaxial silicon film contact plug portion.

【0072】そこで、この発明の実施の形態では、エピ
タキシャル成長の成長面の狭量化を回避するために、前
記酸化膜91のパターンを[110]方向から約10度
ずれた方向に設定した。
Therefore, in the embodiment of the present invention, the pattern of the oxide film 91 is set in the direction deviated from the [110] direction by about 10 degrees in order to avoid the narrowing of the growth surface of the epitaxial growth.

【0073】以下、エピタキシャル成長の成長面の狭量
化を回避したこの発明による半導体記憶装置の製造方法
の第六の実施の形態を説明する。図17はこの第六の実
施の形態を説明する図で、酸化膜91のパターンを[1
10]方向から約10度ずらした方向の絶縁膜パターン
を用いて作成したエピタキシャルプラグとそのFeRA
M構造を示す図である。この製造方法のプロセスは下記
(1)から(10)の順番で行うことを特徴とする。即
ち、 (1)Si基板1上に、P型MOS作成する。このとき
のソース部7の幅は約2umとする。 (2)P型MOS上にCVDにより膜厚約300nmの
酸化膜91を形成する。 (3)酸化膜91にパターン形成を行う。[110]方
向から約10度ずらした方向に平行なものと垂直な方向
とのいずれかによりパターン化を行う。 (4)フッ酸系溶液によりパターンを開口する。 (5)開口部にSi選択エピタキシャル層11を約10
00nm形成する。 (6)Siエピタキシャル層11にBPSG(絶縁層
9)を堆積した後、ゲッタリングを行う。 (7)CMPにより、図17(a)に点線Dで示すよう
に、絶縁層9を平坦化する。 (8)非晶質Siを開口部に堆積し、約600℃熱処理
により固相成長させた後、RIEにより加工する。 (9)図17(b)に示すように、固相成長膜11b上
に、TiNエピタキシャル膜12、Ptエピタキシャル
膜13、BSTO膜を順次形成した後、Ptを蒸着し、
RIE加工する。 (10)上部引出し電極17のAl電極を形成する。
A sixth embodiment of the method for manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention, which avoids the narrowing of the growth surface of epitaxial growth, will be described below. FIG. 17 is a diagram for explaining the sixth embodiment, in which the pattern of the oxide film 91 is [1
10] direction and its FeRA
It is a figure which shows M structure. The process of this manufacturing method is characterized by being performed in the order of (1) to (10) below. That is, (1) A P-type MOS is formed on the Si substrate 1. The width of the source portion 7 at this time is about 2 μm. (2) An oxide film 91 having a thickness of about 300 nm is formed on the P-type MOS by CVD. (3) The oxide film 91 is patterned. Patterning is performed either in the direction parallel to the direction shifted by about 10 degrees from the [110] direction or in the direction perpendicular to the direction. (4) The pattern is opened with a hydrofluoric acid solution. (5) About 10 Si selective epitaxial layers 11 are formed in the openings.
It is formed to a thickness of 00 nm. (6) After depositing BPSG (insulating layer 9) on the Si epitaxial layer 11, gettering is performed. (7) The insulating layer 9 is flattened by CMP as shown by a dotted line D in FIG. (8) Amorphous Si is deposited in the opening, solid-phase grown by heat treatment at about 600 ° C., and then processed by RIE. (9) As shown in FIG. 17B, a TiN epitaxial film 12, a Pt epitaxial film 13, and a BSTO film are sequentially formed on the solid phase growth film 11b, and then Pt is vapor-deposited.
RIE processing. (10) The Al electrode of the upper extraction electrode 17 is formed.

【0074】この第六の実施の形態のように、絶縁膜9
1にパターン形成を行うのに[110]方向から約10
度ずらした方向に平行なものと垂直な方向とのいずれか
によりパターン化を行った結果、図17(a)に示すよ
うに、高角度(約55度)のなす角を有するSi(選
択)エピタキシャル層11を得ることができた。この高
角度(約55度)の場合は、図12に示したものよりも
絶縁層9の膜厚が厚く形成されるから、図17(a)で
示した点線Dで示すCMP処理ラインで処理されても、
Si選択エピタキシャルの最表面にはSi(100)面
が存在するようになる。
As in the sixth embodiment, the insulating film 9
Approximately 10 times from the [110] direction to perform pattern formation on 1
As a result of patterning in either a direction parallel to the staggered direction or a direction perpendicular to the staggered direction, as shown in FIG. 17A, Si having a high angle (about 55 degrees) (selection) is formed. The epitaxial layer 11 could be obtained. In the case of this high angle (about 55 degrees), the insulating layer 9 is formed to be thicker than that shown in FIG. 12, and therefore, the processing is performed by the CMP processing line shown by the dotted line D shown in FIG. 17A. Even if
The Si (100) plane exists on the outermost surface of the Si selective epitaxial layer.

【0075】即ち、図17(a)に示したように、ソー
ス部7の絶縁膜91の開口部の幅が約2um、絶縁層9
の高さ約1umの場合、最表面のSi(100)面はお
よそ0.7um程度存在する。これに対し、前記図12
(a)に示した(311)ファセットの場合は、約0.
5umのSi選択エピタキシャルを行った時点で、Si
(100)最表面は既に存在しなくなってしまう。
That is, as shown in FIG. 17A, the width of the opening of the insulating film 91 of the source portion 7 is about 2 μm, and the insulating layer 9 is formed.
When the height is about 1 μm, the outermost Si (100) plane is about 0.7 μm. On the other hand, in FIG.
In the case of the (311) facet shown in (a), about 0.
At the time of performing 5 um Si selective epitaxial,
The (100) outermost surface no longer exists.

【0076】なお、[110]方向から約20度ずらし
た方向のパターンを用いた場合にも、上記図17に示す
実施の形態と同様に実現できた。
It should be noted that even when the pattern in the direction shifted from the [110] direction by about 20 degrees is used, it can be realized in the same manner as the embodiment shown in FIG.

【0077】以上説明したように、この発明の第六の実
施の形態では、上記形状からなる絶縁膜をSiエピタキ
シャルコンタクトプラグ電極構造形成に採用することに
より、選択Siエピタキシャルの際に生じるファセット
を抑制でき、FeRAMのキャパシタ容量の増加、低消
費電力化が可能となる。
As described above, in the sixth embodiment of the present invention, the insulating film having the above-mentioned shape is adopted for forming the Si epitaxial contact plug electrode structure, so that the facet generated during the selective Si epitaxial is suppressed. Therefore, it is possible to increase the capacitor capacity of the FeRAM and reduce the power consumption.

【0078】[0078]

【発明の効果】以上説明したように、この発明による製
造方法によれば、誘電体層の下の固相成長膜は、非晶質
半導体膜の固相成長により、シリコン基板に対して均一
でかつ同配向の表面を広く形成できるので、高誘電率を
保持した状態で分極量の大きな半導体記憶装置を提供す
ることができる。
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, the solid phase growth film under the dielectric layer is uniform with respect to the silicon substrate due to the solid phase growth of the amorphous semiconductor film. Moreover, since the surfaces of the same orientation can be formed widely, it is possible to provide a semiconductor memory device having a large amount of polarization while maintaining a high dielectric constant.

【0079】また、この発明による製造方法によれば、
薄膜キャパシタの下部電極部を、非晶質半導体からの固
相成長によって単結晶領域を形成したので、より広い面
積にわたり半導体基板と同配向とすることができ、薄膜
キャパシタにおける電荷蓄積容量の増大を可能とし、半
導体記憶装置の小型化を実現できる。
According to the manufacturing method of the present invention,
Since the lower electrode part of the thin film capacitor has a single crystal region formed by solid phase growth from an amorphous semiconductor, it can be oriented in the same direction as the semiconductor substrate over a wider area, increasing the charge storage capacity of the thin film capacitor. It is possible and the semiconductor memory device can be downsized.

【0080】更にまた、この発明による製造方法によれ
ば、シリコン基板上の絶縁層のパターニング方向Bを
[110]方向から0<B≦20度の範囲としたので、
シリコン基板上の開口部に形成される選択エピタキシャ
ル成長面の狭量化が回避され、広い面積のコンタクトプ
ラグ部を形成でき、同様に半導体記憶装置の一層の小型
化を可能とするものである。
Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, the patterning direction B of the insulating layer on the silicon substrate is within the range of 0 <B ≦ 20 degrees from the [110] direction.
The narrowing of the selective epitaxial growth surface formed in the opening on the silicon substrate can be avoided, a contact plug portion having a large area can be formed, and the semiconductor memory device can be further downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明による半導体記憶装置の製造方法の第
一の実施の形態を説明する半導体記憶装置の断面図であ
る。
FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor memory device for explaining a first embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図2】この発明による半導体記憶装置の製造方法の第
二の実施の形態を説明する半導体記憶装置の断面図であ
る。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device illustrating a second embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図3】図2で示した第二の実施の形態と対比して説明
した比較例1を示す半導体記憶装置の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a semiconductor memory device showing Comparative Example 1 described in comparison with the second embodiment shown in FIG.

【図4】図3に続き、図2で示した第二の実施の形態と
対比して説明した比較例1を示す半導体記憶装置の断面
図である。
4 is a cross-sectional view of the semiconductor memory device showing Comparative Example 1 described in comparison with the second embodiment shown in FIG. 2, following FIG. 3;

【図5】図3及び図4で示した半導体記憶装置と図2に
示した半導体記憶装置の歪み誘起BSTOエピタキシャ
ル膜の分極対電界のヒステリシス特性曲線図である。
5 is a hysteresis characteristic curve diagram of polarization versus electric field of the strain-induced BSTO epitaxial film of the semiconductor memory device shown in FIGS. 3 and 4 and the semiconductor memory device shown in FIG. 2;

【図6】図6(a)は図2で示した第二の実施の形態と
対比して説明した比較例2を示す半導体記憶装置の断面
図、図6(b)は、図6(a)と図2に示した半導体記
憶装置の歪み誘起BSTOエピタキシャル膜の分極対電
界のヒステリシス特性曲線図である。
6A is a cross-sectional view of a semiconductor memory device showing Comparative Example 2 described in comparison with the second embodiment shown in FIG. 2, and FIG. 6B is FIG. 3) and a hysteresis characteristic curve diagram of polarization versus electric field of the strain-induced BSTO epitaxial film of the semiconductor memory device shown in FIG.

【図7】図7(a)は図2に示した第二の実施の形態と
対比して説明した比較例3を示す半導体記憶装置の断面
図、図7(b)は、図7(a)と図6(a)に示した半
導体記憶装置の歪み誘起BSTOエピタキシャル膜の分
極対電界のヒステリシス特性曲線図である。
7A is a cross-sectional view of a semiconductor memory device showing Comparative Example 3 described in comparison with the second embodiment shown in FIG. 2, and FIG. 6) and a hysteresis characteristic curve diagram of polarization versus electric field of the strain-induced BSTO epitaxial film of the semiconductor memory device shown in FIG.

【図8】図8(a)は、図1及び図2に示した半導体記
憶装置において、シリコンをシリコンゲルマニウム混晶
に置換した場合のバリア金属とのショットキー界面の直
列抵抗値を示す図、図8(b)はショットキー界面の直
列抵抗測定回路図である。
8A is a diagram showing a series resistance value of a Schottky interface with a barrier metal when silicon is replaced with a silicon germanium mixed crystal in the semiconductor memory device shown in FIGS. 1 and 2. FIG. 8B is a circuit diagram of a series resistance measuring circuit at the Schottky interface.

【図9】図8に示すショットキー界面でのショットキー
障壁を説明する説明図である。
9 is an explanatory diagram illustrating a Schottky barrier at the Schottky interface shown in FIG.

【図10】この発明による半導体記憶装置の製造方法の
第四の実施の形態を説明する断面図である。
FIG. 10 is a sectional view illustrating a fourth embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図11】この発明による半導体記憶装置の製造方法の
第五の実施の形態を説明する断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating the fifth embodiment of the method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【図12】図11に示す半導体記憶装置の製造方法にお
いて、フッ酸系溶液等により[110]方向に開口した
従来の絶縁膜パターンで作成したエピタキシャルプラグ
の断面図である。
12 is a cross-sectional view of an epitaxial plug formed with a conventional insulating film pattern opened in the [110] direction with a hydrofluoric acid-based solution or the like in the method for manufacturing the semiconductor memory device shown in FIG.

【図13】図13(a)は従来の半導体記憶装置におけ
る[110]方向の絶縁膜パターンを用いて選択エピタ
キシャル成長を行った場合の(311)ファセットが形
成されるエピタキシャルプラグの断面図で、図13
(b)はこの発明における半導体記憶装置における絶縁
膜断面構造での選択エピタキシャル成長を行った場合に
もファセットができないプラグの断面図である。
FIG. 13A is a cross-sectional view of an epitaxial plug in which a (311) facet is formed when selective epitaxial growth is performed using a [110] direction insulating film pattern in a conventional semiconductor memory device. Thirteen
FIG. 3B is a sectional view of a plug in which facets cannot be faced even when selective epitaxial growth is performed in the insulating film sectional structure in the semiconductor memory device according to the present invention.

【図14】Si基板の方向とオリフラとの関係を示す説
明図である。
FIG. 14 is an explanatory diagram showing the relationship between the orientation of the Si substrate and the orientation flat.

【図15】図14の説明図に基づく、絶縁膜パターン方
向を示す図である。
FIG. 15 is a diagram showing an insulating film pattern direction based on the explanatory view of FIG. 14;

【図16】この発明方法による半導体記憶装置の選択エ
ピタキシャル成長の断面形状の酸化膜パターン方向依存
性を示す説明図である。
FIG. 16 is an explanatory diagram showing the oxide film pattern direction dependence of the cross-sectional shape of the selective epitaxial growth of the semiconductor memory device according to the method of the present invention.

【図17】この発明による半導体記憶装置の製造方法の
第六の実施の形態を示す半導体装置の断面図である。
FIG. 17 is a sectional view of a semiconductor device showing a sixth embodiment of a method of manufacturing a semiconductor memory device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 酸化膜 3 ゲート酸化膜 4 ポリシリコン層 5,6 層間絶縁膜 7 ソース部 8 ドレイン部 9 絶縁層 91 CVD酸化膜 10 開口部 11 シリコンエピタキシャル層 11a 非晶質シリコン層 11b 固相成長膜 12 TiNエピタキシャル膜 13 下部電極(Ptエピタキシャル膜) 14 歪み誘起BSTOエピタキシャル膜 15 上部電極 16 絶縁膜 17 引き出し電極 17a 上Al電極 17b 下Al電極 18 電流I−電圧V測定器 19 シリコン膜 19a シリコンのバンドギャップ 19b シリコンのショットキー障壁 20 シリコンゲルマニウム膜 20a シリコンゲルマニウムのバンドギャップ 20b シリコンゲルマニウムのショットキー障壁 1 Silicon Substrate 2 Oxide Film 3 Gate Oxide Film 4 Polysilicon Layer 5, 6 Interlayer Insulation Film 7 Source Part 8 Drain Part 9 Insulation Layer 91 CVD Oxide Film 10 Opening 11 Silicon Epitaxial Layer 11a Amorphous Silicon Layer 11b Solid Phase Growth Film 12 TiN epitaxial film 13 Lower electrode (Pt epitaxial film) 14 Strain-induced BSTO epitaxial film 15 Upper electrode 16 Insulating film 17 Extraction electrode 17a Upper Al electrode 17b Lower Al electrode 18 Current I-voltage V measuring device 19 Silicon film 19a Silicon Band gap 19b Silicon Schottky barrier 20 Silicon germanium film 20a Silicon germanium band gap 20b Silicon germanium Schottky barrier

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 29/788 29/792 (72)発明者 川久保 隆 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1 株式会 社東芝研究開発センター内Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location H01L 29/788 29/792 (72) Inventor Takashi Kawakubo 1 Komukai Toshiba-cho, Sachi-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Stock Company Toshiba Research and Development Center

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 表面にトランジスタ回路が形成された半
導体基板上に絶縁層を形成する第一の工程と、この第一
の工程の後に前記トランジスタ回路上の前記絶縁層の一
部を除去し開口部を形成する第二の工程と、この第二の
工程の後に前記開口部の前記半導体基板上にエピタキシ
ャル成長により半導体層を堆積する第三の工程と、この
第三の工程で形成されたエピタキシャル半導体層に非晶
質半導体膜を形成する第四の工程と、この第四の工程で
形成された非晶質半導体膜の固相成長により前記半導体
基板に対して同配向の固相成長膜を形成する第五の工程
と、この第五の工程で形成された固相成長膜上に下部電
極を形成する第六の工程と、この第六の工程で形成され
た下部電極上にペロブスカイトまたは層状ペロブスカイ
ト構造の物質を含有する誘電体膜を形成する第七の工程
と、この第七の工程の後に前記誘電体膜の上に上部電極
を形成する第八の工程とを備えたことを特徴とする半導
体記憶装置の製造方法。
1. A first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a transistor circuit formed on a surface thereof, and after the first step, a part of the insulating layer on the transistor circuit is removed to form an opening. A second step of forming a portion, a third step of depositing a semiconductor layer by epitaxial growth on the semiconductor substrate of the opening after the second step, and an epitaxial semiconductor formed in the third step A fourth step of forming an amorphous semiconductor film on the layer, and a solid phase growth film of the same orientation with respect to the semiconductor substrate is formed by solid phase growth of the amorphous semiconductor film formed in the fourth step. A fifth step of forming a lower electrode on the solid phase growth film formed in the fifth step, and a perovskite or a layered perovskite formed on the lower electrode formed in the sixth step. Contain structural material And a seventh step of forming a dielectric film for forming the dielectric film, and an eighth step of forming an upper electrode on the dielectric film after the seventh step. Method.
【請求項2】 表面にトランジスタ回路が形成された半
導体基板上に絶縁層を形成する第一の工程と、この第一
の工程の後に前記トランジスタ回路上の前記絶縁層の一
部を除去し開口部を形成する第二の工程と、この第二の
工程の後に前記開口部の前記半導体基板上及びこれにつ
らなる前記絶縁層上に非晶質半導体層を堆積する第三の
工程と、この第三の工程で形成された非晶質半導体層の
固相成長により前記半導体基板に対して同配向の単結晶
領域を形成する第四の工程と、この第四の工程で形成さ
れた単結晶領域上に下部電極を形成する第五の工程と、
この第五の工程で形成された下部電極上にペロブスカイ
トまたは層状ペロブスカイト構造の物質を含有する誘電
体膜を形成する第六の工程と、この第六の工程の後に前
記誘電体膜の上に上部電極を形成する第七の工程とを備
えたことを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。
2. A first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a transistor circuit formed on the surface, and after the first step, a part of the insulating layer on the transistor circuit is removed to form an opening. A second step of forming a portion, and a third step of depositing an amorphous semiconductor layer on the semiconductor substrate in the opening and the insulating layer accompanying the second step after the second step; A fourth step of forming a single crystal region of the same orientation with respect to the semiconductor substrate by solid phase growth of the amorphous semiconductor layer formed in the third step, and the single crystal region formed in the fourth step A fifth step of forming a lower electrode on top,
A sixth step of forming a dielectric film containing a substance having a perovskite or layered perovskite structure on the lower electrode formed in the fifth step, and an upper part of the dielectric film after the sixth step. A seventh step of forming an electrode, and a method of manufacturing a semiconductor memory device.
【請求項3】 表面にトランジスタ回路が形成された半
導体基板上に絶縁層を形成する第一の工程と、この第一
の工程の後に前記トランジスタ回路上の前記絶縁層の一
部を除去して形成される開口部をパターニング方向Bが
前記半導体基板の[110]方向に対して0<B≦20
度の方向に形成する第二の工程と、この第二の工程の後
に前記開口部の前記シリコン基板上にエピタキシャル成
長により半導体層を堆積する第三の工程と、第三の工程
で形成されたエピタキシャル半導体層上に下部電極を形
成する第四の工程と、この第四の工程で形成された下部
電極上にペロブスカイトまたは層状ペロブスカイト構造
の物質を含有する誘電体膜を形成する第五の工程と、こ
の第五の工程の後に前記誘電体膜の上に上部電極を形成
する第六の工程とを備えたことを特徴とする半導体記憶
装置の製造方法。
3. A first step of forming an insulating layer on a semiconductor substrate having a transistor circuit formed on the surface, and after the first step, a part of the insulating layer on the transistor circuit is removed. The patterning direction B of the formed opening is 0 <B ≦ 20 with respect to the [110] direction of the semiconductor substrate.
Second step of forming a semiconductor layer by epitaxial growth on the silicon substrate in the opening after the second step, and the epitaxial step formed in the third step. A fourth step of forming a lower electrode on the semiconductor layer, and a fifth step of forming a dielectric film containing a substance having a perovskite or layered perovskite structure on the lower electrode formed in the fourth step, A sixth step of forming an upper electrode on the dielectric film after the fifth step, and a sixth step of manufacturing the semiconductor memory device.
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