(57)【要約】【課題】ＦｅＲＡＭと特定のセンサとが混載された新規な半導体装置を提供すること。【解決手段】本発明にかかる半導体装置１０００は、半導体基板１０と、前記半導体基板１０に形成されたトランジスタ１４と、前記トランジスタ１４を覆う層間絶縁層１６と、前記層間絶縁層１６の上方に形成された強誘電体キャパシタ３０であって、第１電極３４と、強誘電体層３６と、第２電極３８とを有する強誘電体キャパシタ３０と、前記強誘電体キャパシタ３０を覆う、前記層間絶縁層１６とは別の層間絶縁層４０と、前記半導体基板１０の上方に形成されたセンサであって、圧力センサ、焦電センサまたは磁気センサのいずれかであるセンサ１００と、を含む。【選択図】図１
2007329393.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板に形成されたトランジスタと、
前記トランジスタを覆う層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の上方に形成された強誘電体キャパシタであって、第１電極と、強誘電体層と、第２電極とを有する強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体キャパシタを覆う、前記層間絶縁層とは別の層間絶縁層と、
前記半導体基板の上方に形成されたセンサであって、圧力センサ、焦電センサまたは磁気センサのいずれかであるセンサと、
を含む、半導体装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記センサは、前記別の層間絶縁層の上方に形成された、半導体装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記センサは、前記半導体基板上に形成された、半導体装置。
【請求項４】
前記強誘電体キャパシタと前記センサとは、同じ種類の複合酸化物からなる層を有する、半導体装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記強誘電体キャパシタの強誘電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｘＮｂｘＯ３で表される複合酸化物からなる、半導体装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記強誘電体層の複合酸化物において、０．０５≦ｘ≦０．３である、半導体装置。
【請求項７】
請求項５または６において、
さらに、前記複合酸化物は、０．５モル％以上のＳｉ、あるいはＳｉおよびＧｅを含む、半導体装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記センサは、圧力センサであり、該圧力センサは、強誘電体層を有する、半導体装置。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記センサは、焦電センサであり、該焦電センサは、強誘電体層を有する、半導体装置。
【請求項１０】
請求項８または９において、
前記強誘電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｘＮｂｘＯ３で表される複合酸化物からなる、半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric  Random  Access  Memory）とセンサとが混載された半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源を切っても情報を記憶している不揮発性メモリとしては、フラッシュメモリ、ＥＰＰＲＯＭ、ＦｅＲＡＭが知られている。中でも、ＦｅＲＡＭは、他の不揮発性メモリと比較して高速書き込みが可能で、低消費電力であることから、携帯機器分野、自動車用電子機器、ロボット分野等、広い分野での応用が期待されている。一方、センサは、様々な方式がある中で、最近はＭＥＭＳ（Micro  Mechanical  Systems）が注目されている。ＭＥＭＳ技術では、半導体製造技術を生かし、大量生産が容易なことから、自動車用のジャイロ、カメラの手振れ補正用の加速度センサ、圧力センサ等への応用がすすんでいる（例えば特開２００５−２４９３９５号公報参照）。
【特許文献１】特開２００５−２４９３９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、ＦｅＲＡＭと特定のセンサとが混載された新規な半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明にかかる半導体装置は、
半導体基板と、
前記半導体基板に形成されたトランジスタと、
前記トランジスタを覆う層間絶縁層と、
前記層間絶縁層の上方に形成された強誘電体キャパシタであって、第１電極と、強誘電体層と、第２電極とを有する強誘電体キャパシタと、
前記強誘電体キャパシタを覆う、前記層間絶縁層とは別の層間絶縁層と、
前記半導体基板の上方に形成されたセンサであって、圧力センサ、焦電センサまたは磁気センサのいずれかであるセンサと、
を含む。
【０００５】
本発明の半導体装置によれば、センサと、高速書き込みができる強誘電体メモリ（ＦｅＲＡＭ）とを混載することにより、センサの微弱な信号処理が可能であり、電源の供給が絶たれても瞬時にデータを記憶することができる。そのため、本発明の半導体装置は、幅広い用途に適用できる。
【０００６】
本発明の半導体装置において、
前記センサは、前記別の層間絶縁層の上方に形成されることができる。
【０００７】
本発明の半導体装置において、
前記センサは、前記半導体基板上に形成されることができる。
【０００８】
本発明の半導体装置において、
前記強誘電体キャパシタと前記センサとは、同じ種類の複合酸化物からなる層を有することができる。
【０００９】
本発明の半導体装置において、
前記強誘電体キャパシタの強誘電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｘＮｂｘＯ３で表される複合酸化物からなることができる。
【００１０】
本発明の半導体装置において、
前記強誘電体層の複合酸化物において、０．０５≦ｘ≦０．３であることができる。
【００１１】
本発明の半導体装置において、
さらに、前記複合酸化物は、０．５モル％以上のＳｉ、あるいはＳｉおよびＧｅを含むことができる。
【００１２】
本発明の半導体装置において、
前記センサは、圧力センサであり、該圧力センサは、強誘電体層を有することができる。
【００１３】
本発明の半導体装置において、
前記センサは、焦電センサであり、該焦電センサは、強誘電体層を有することができる。
【００１４】
本発明の半導体装置において、
前記強誘電体層は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｘＮｂｘＯ３で表される複合酸化物からなることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
１．第１の実施形態
１．１．圧力センサを有する半導体装置
図１は、センサとして圧力センサ１００が混載された半導体装置１０００を模式的に示す断面図であり、図２は圧力センサ１００の要部を模式的に示す平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った部分を模式的に示す図である。図示の例では、半導体装置１０００の最上層に圧力センサ１００が形成された例を示す。
【００１７】
まず、ＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆについて説明する。
【００１８】
ＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆは、ＭＯＳトランジスタ１４と、強誘電体キャパシタ３０とを有する。図示の例では、半導体基板（シリコン基板）１０に素子分離領域１２が形成されている。素子分離領域１２で区画された領域には、ＭＯＳトランジスタ１４が形成されている。符号１３で示す領域は、ＭＯＳトランジスタ１４のソース／ドレイン領域あるいはコンタクト領域を構成する不純物領域を示す。ＭＯＳトランジスタ１４は、第１層間絶縁層１６によって覆われている。第１層間絶縁層１６には、所定位置に複数の第１コンタクト部１８が形成されている。第１コンタクト部１８は、いわゆるプラグと呼ばれ、タングステン、モリブデン、タンタルなどの高融点金属から構成することができる。
【００１９】
第１層間絶縁層１６の上方には、第１バリア層２０を介して、強誘電体キャパシタ３０が形成されている。すなわち、第１層間絶縁層１６上に、第１バリア層２０および第２バリア層３２が形成されている。第１バリア層２０および第２バリア層３２は、少なくとも一部が強誘電体キャパシタ３０に接続された第１コンタクト部（プラグ）１８上に形成されている。この第２バリア層３２は、第１コンタクト部１８の酸化を防止するために設けられている。
【００２０】
第１バリア層２０の材質は、絶縁性を有し、かつ、水素バリア性を有する材料からなるのであれば特に限定されない。第１バリア層２０の材質としては、アルミナ、シリコン窒化膜などを例示できる。
【００２１】
第２バリア層３２の材質は、導電性を有し、かつ、酸素バリア性を有する材料からなるのであれば特に限定されない。第２バリア層３２としては、例えば、ＴｉＡｌＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＳｉＮ，ＴｉＮ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮを挙げることができ、なかでも、チタン、アルミニウム、および窒素を含む層（ＴｉＡｌＮ）であることがより好ましい。
【００２２】
第２バリア層３２上には、第１電極（下部電極）３４，強誘電体層３６および第２電極（上部電極）３８を有する強誘電体キャパシタ３０が形成されている。
【００２３】
第１電極３４は、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、およびイリジウムから選ばれる少なくとも１種の金属からなることができ、好ましくは白金またはイリジウムからなり、より好ましくはイリジウムからなる。また、第１電極３４は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。
【００２４】
強誘電体層３６は、複合酸化物からなる。この複合酸化物は、ペロブスカイト型の結晶構造を有することができる。かかる複合酸化物としては、Ｐｂ（Ｔｉ、ＺｒＯ３）（ＰＺＴ）が代表的な材料であり、この基本構成にさらに微量の添加元素を加えても良い。また、複合酸化物としては、ペロブスカイト型から派生した結晶構造を有するＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９（ＳＢＴ）、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２（ＢＬＴ）などを用いることができる。
【００２５】
強誘電体層３６の材料としてはＰＺＴが好ましく、この場合、素子の信頼性の観点から、第１電極３４はイリジウムであるのがより好ましい。また、強誘電体層３６としてＰＺＴを用いる場合、より大きな自発分極量を獲得するため、ＰＺＴにおけるチタンの含有量がジルコニウムの含有量より多いことがより好ましい。
【００２６】
さらに、強誘電体層３６としては、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）１−ｘＮｂｘＯ３（ＰＺＴＮ）で表される複合酸化物からなることができる。この点については、後に詳述する。
【００２７】
第２電極３８は、第１電極３４に使用可能な材料として例示した上記材料もしくはその酸化物からなることができ、あるいは、アルミニウム，銀，ニッケルなどからなることができる。また、第２電極３８は、単層膜でもよいし、または積層した多層膜でもよい。好ましくは、第２電極３８は、白金、あるいはイリジウムオキサイドとイリジウムとの積層膜からなる。
【００２８】
また、本実施の形態の半導体装置１００においては、図１に示すように、強誘電体キャパシタ３０の側面および上面を覆うように第３バリア層３９が設けられている。この第３バリア層３９は、強誘電体層３６の還元を防ぐために、水素バリア性を有する材料からなるのが好ましい。すなわち、第３バリア層３９は、水素プロセスが基本となる半導体プロセスから、酸化物である強誘電体層３６の還元劣化を防ぐ機能を有する。第３バリア層３９は例えばアルミナやｐ−ＴＥＯＳからなることができる。
【００２９】
次に、強誘電体層３６の材質として好ましいＰＺＴＮについて説明する。
【００３０】
強誘電体層３６は、ＴｉサイトにＮｂをドーピングしたＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）１−ＸＮｂＸＯ３（ＰＺＴＮ）であることができる。この場合、０．１≦ｘ≦０．３の範囲でＮｂを含むことができる。また、ＺｒとＴｉとの比（Ｚｒ／Ｔｉ）は、０.２〜０.５であることができる。強誘電体層３６を構成するＰＺＴＮの組成比（モル比）の一例として、Ｐｂ／Ｚｒ／Ｔｉ／Ｎｂ＝１１５／４０／４０／２０を挙げることができる。
【００３１】
以下、強誘電体層３６について詳細に説明する。
【００３２】
Ｎｂは、Ｔｉとサイズ（イオン半径が近く、原子半径は同一である）がほぼ同じで、重さが２倍あり、格子振動による原子間の衝突によっても格子から原子が抜けにくい。また原子価は、＋５価で安定であり、たとえＰｂが抜けても、Ｎｂ５＋によりＰｂ抜けの価数を補うことができる。また結晶化時に、Ｐｂ抜けが発生したとしても、サイズの大きなＯが抜けるより、サイズの小さなＮｂが入る方が容易である。
【００３３】
また、Ｎｂは＋４価も存在するため、Ｔｉ４＋の代わりは十分に行うことが可能である。更に、実際にはＮｂは共有結合性が非常に強く、Ｐｂも抜け難くなっていると考えられる（Ｈ．Ｍｉｙａｚａｗａ，Ｅ．Ｎａｔｏｒｉ，Ｓ．Ｍｉｙａｓｈｉｔａ；Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３９（２０００）５６７９）。
【００３４】
強誘電体層３６をＰＺＴＮで構成し、Ｎｂを特定の割合で含むことにより、Ｐｂの欠損による悪影響を解消し、優れた組成制御性を有する。その結果、ＰＺＴＮは、通常のＰＺＴに比べて極めて良好なヒステリシス特性、リーク特性、耐還元性および絶縁性などを有する。
【００３５】
これまでも、ＰＺＴへのＮｂドーピングは、主にＺｒリッチの稜面体晶領域で行われてきたが、その量は、０．２〜０．０２５モル％（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ，８４（２００１）９０２；Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔ，８３（１９９９）１３４７）程度と、極僅かなものである。このようにＮｂを多量にドーピングすることができなかった要因は、Ｎｂを例えば１０モル％添加すると、結晶化温度が８００℃以上に上昇してしまうことによるものであったと考えられる。
【００３６】
そこで、強誘電体層３６の前駆体組成物に、更にＰｂＳｉＯ３シリケートを例えば、０．５〜１０モル％の割合で添加することが好ましい。これによりＰＺＴＮの結晶化エネルギーを軽減させることができる。すなわち、強誘電体層の材料としてＰＺＴＮを用いる場合、Ｎｂ添加とともに、ＰｂＳｉＯ３シリケートを添加することでＰＺＴＮの結晶化温度の低減を図ることができる。また、シリケートの代わりに、シリケートとゲルマネートを混合して用いることもできる。本願発明者らは、シリコンが、焼結剤として働いた後、Ａサイトイオンとして、結晶の一部を構成していることを確認した（図８参照）。すなわち、図８に示すように、チタン酸鉛中にシリコンを添加すると、Ａサイトイオンのラマン振動モードＥ（１ＴＯ）に変化が見られた。また、ラマン振動モードに変化が見られたのは、Ｓｉ添加量が８モル％以下の場合であった。従って、Ｓｉの微少添加では、ＳｉはペロブスカイトのＡサイトに存在していることが確認された。
【００３７】
以上のように、本実施形態では、Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ）Ｏ３（ＰＺＴＮ）で表される強誘電体は、好ましくは０．５モル％以上のＳｉ、あるいはＳｉおよびＧｅ、より好ましくは０．５ないし１０モル％のＳｉ、あるいはＳｉおよびＧｅを含むことができる。
【００３８】
さらに、第３バリア層３９の上には第２層間絶縁層４０が形成されている。第２層間絶縁層４０には、所定箇所に第２コンタクト部４２が形成されている。各第２コンタクト部４２は、第３バリア層３９を貫通して第１コンタクト部１８とそれぞれ接続されている。第２コンタクト部４２は、第１コンタクト部１８と同様の材質を有することができる。強誘電体キャパシタ３０の第２電極３８は、第２コンタクト部４２と接続されている。
【００３９】
第２層間絶縁層４０上には、第１配線層４３が形成されている。第１配線層４３は、下部電極バリア層４４，導電層４６および上部電極バリア層４８を有する。導電層４６の材質としては、アルミニウム、銅、ルテニウム、イリジウム、白金などを用いることができる。後述するセンサ１００のプロセス温度が高い場合には、銅、ルテニウム、イリジウム、白金などを用いることが好ましい。さらに、第１配線層４３上には、第４バリア層４９が形成されている。第４バリア層４９は、水素バリア層であり、アルミナ等を用いることができる。第４バリア層４９も、強誘電体キャパシタ３０の表面に形成された第３バリア層３９と同様な機能を有する。
【００４０】
第１配線層４３は、第３層間絶縁層５０によって覆われる。第３層間絶縁層５０の所定位置には、第３コンタクト部５２が形成されている。強誘電体キャパシタ３０の第２電極３８と第１配線層４９とは、第２コンタクト部４２によって接続されている。
【００４１】
第３層間絶縁層５０上には、第２配線層６３が形成されている。第２配線層５３は、第１半導体装置３と同様に、下部電極バリア層５４，導電層５６および上部電極バリア層５８を有する。導電層５６の材質としては、第１配線層４３の導電層４６と同様のものを用いることができる。第２配線層５３は、第４層間絶縁層６０によって覆われている。
【００４２】
上述したＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆの層構造は一例であり、配線層の層数等は適宜選択できる。
【００４３】
ついで、圧力センサ１００について説明する。
【００４４】
本実施形態では、図１に示すように、最上層（第４層間絶縁層６０の上）にセンサ１００が形成されている。圧力センサ１００は、機械量（圧力、加速度）の入力に対応する電気的出力を得るものであり、加速度センサ、超音波センサを含むものである。圧力センサ１００は、図示はしないが、複数配列され、アレー化して構成されることができる。
【００４５】
図２は、圧力センサ１００の一例を示す平面図であり、図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【００４６】
圧力センサ１００は、図３に示すように、図１に示すメモリ部分１０００Ｆの第４層間絶縁層６０上に形成された第１絶縁層１１０と、該第１絶縁層１１０上に形成された第２絶縁層１１２とを有する。第２絶縁層１１２上には、第１電極層１２２と、圧電体層１２４と、第２電極層１２６とが積層された圧電体積層部１２８が形成されている。圧電体積層部１２８と第２絶縁層１１２にはキャビティ１１４が形成されている。このキャビティ１１４には、片持ち梁状の振動子（カンチレバー）１２０が延設されている。
【００４７】
振動子１２０は、圧電体積層部１２６を構成する第１電極層１２２ａと、圧電体層１２４ａと、第２電極層１２６ａとを有する。図示の例では、第１電極層１２２ａの下に、第２絶縁層１１２の一部を構成する第２絶縁層１１２ａが形成されている。このような第２絶縁層１１２ａを有することにより、振動子１２０の機械的強度がより大きくなる。振動子１２０は、その長さ、幅、厚さなどを調整することにより、検出される圧力の大きさを制御できる。
【００４８】
第１絶縁層１１０の材質としては、例えばアルミナを用いることができる。第２絶縁層１２２の材質としては、例えば酸化シリコンを用いることができる。第１電極層１２２としては、ルテニウム、イリジウム、白金などの金属や酸化イリジウムなどの導電性酸化物を用いることができる。圧電体層１２４の材質としては、特に限定されないが、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と同種類の複合酸化物を用いることが好ましい。例えば、強誘電体層３６としてＰＺＴＮを用いた場合には、圧電体層１２４としてもＰＺＴＮを用いることができる。ただし、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）およびニオブ（Ｎｂ）の比率は、強誘電体あるいは圧電体の特性を考慮して適宜選択される。圧電体層１２４を構成するＰＺＴＮの組成比（モル比）の一例として、Ｐｂ／Ｚｒ／Ｔｉ／Ｎｂ＝１１５／５５／２５／２０を挙げることができる。すなわち、圧電体層１２４においては、強誘電体層３６に比べて、チタンに比べてジルコニウムの比が大きい、いわゆるジルコンリッチになる。
【００４９】
なお、図示はしていないが、圧力センサ１００とＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆの配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とは、コンタクト部を介して接続されている。
【００５０】
以上の半導体装置１０００によれば、強誘電体キャパシタ３０が形成された領域の上方に圧力センサ１００が積層した状態で形成されるため、圧力センサ１００と強誘電体キャパシタ３０とを所定の領域にコンパクトに形成することができる。その結果、圧力センサを積層しない場合に比べて、配線の引き回しを短くでき、圧力センサ１００の信号を効率よく強誘電体キャパシタ３０に記憶できる。配線の引き回しが長くなるにしたがいノイズが大きくなるため、圧力センサ１００からの微弱な信号を確実に拾うためには、圧力センサ近傍で信号を増幅するなどの手段を講じなければならないが、本実施形態では、圧力センサ１００とＦｅＲＡＭを構成する強誘電体キャパシタ３０とを近くに形成できるため、このような増幅手段を必要とせず、よりシンプルな回路構成を用いることができる。
【００５１】
また、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と、圧力センサ１００の圧電体層１２４の材質を同種の複合酸化物で形成すると、プロセス効率が良くなる。
【００５２】
図２および図３に示した圧力センサ１００は、圧力センサの一例であり、圧力センサとしては公知の各種の形態をとることができる。また、本実施形態では、圧力センサ１００をメモリ部分１０００Ｆの上方に形成したが、圧力センサは、メモリ部分１０００Ｆが形成された領域と異なる半導体基板１０上に形成することもできる。このことは以下の第２、第３実施形態でも同様である。
【００５３】
１．２．圧力センサを有する半導体装置の製造方法
（１）  図１に示すように、まず、半導体基板１０に、公知の方法により、素子分離領域１２およびＭＯＳトランジスタ１４を形成する。ついで、第１層間絶縁層１６を公知の方法によって形成する。ついで、第１コンタクト部１８を公知の方法によって形成する。例えば、層間絶縁層１６にドライエッチングによって開口部（コンタクトホール）を形成したのち、該開口部にＣＶＤ法やスパッタ法によって導電層を埋め込む。その後、機械的化学的研磨によって第１層間絶縁層１６の上面を平坦化する。
【００５４】
（２）  第１層間絶縁層１６上に第１バリア層２０を形成する。第１バリア層２０としてはアルミナまたはシリコン窒化膜などを用いることができる。ついで、導電性の第２バリア層３２を形成する。バリア層２０，３０の成膜方法としては、公知のＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。ついで、強誘電体キャパシタ３０の第１電極３４のための導電層、強誘電体層３６のための複合酸化物層、および第２電極３８のための導電層の積層体を形成する。ついで、公知のリソグラフィーおよびドライエッチングを用いて、上記積層体および第２バリア層をパターニングして強誘電体キャパシタ３０を形成する。
【００５５】
この工程において、強誘電体層３６として、ＰＺＴＮを用いる場合には、以下の方法をとることができる。
【００５６】
ＰＺＴＮを用いた強誘電体層３６は溶液法、例えば、ゾルゲル法、ＭＯＤ法を用いて形成される。本実施形態では、強誘電体層３６は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ、Ｎｂ）Ｏ３で表される強誘電体を形成するための前駆体を含む特定の前駆体組成物を塗布した後、熱処理を行うことにより形成することができる。以下に、前駆体組成物およびその製造方法について詳述する。
【００５７】
前記前駆体組成物は、Ｐｂ、Ｚｒ、ＴｉまたはＮｂを含む熱分解性有機金属化合物、Ｐｂ，Ｚｒ，ＴｉまたはＮｂを含む加水分解性有機金属化合物、その部分加水分解物および／または重縮合物の少なくとも１種と、ポリカルボン酸およびポリカルボン酸エステルの少なくとも１種と、有機溶媒と、を含む。
【００５８】
前駆体組成物は、複合金属酸化物となる材料の構成金属をそれぞれ含んでなる有機金属化合物、あるいはその部分加水分解物および／または重縮合物を各金属が所望のモル比となるように混合され、さらにアルコールなどの有機溶媒を用いてこれらを溶解、または分散させることにより作製することができる。有機金属化合物は、溶液状態で安定なものを用いることが好ましい。
【００５９】
本実施形態において、使用可能な有機金属化合物としては、加水分解または酸化されることにより、その金属有機化合物に由来する金属酸化物を生成し得るものであり、各金属のアルコキシド、有機金属錯体、および有機酸塩などから選ばれる。
【００６０】
複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む熱分解性有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などの有機金属化合物を用いることができる。複合金属酸化物の構成金属をそれぞれ含む加水分解性有機金属化合物としては、金属アルコキシドなどの有機金属化合物を用いることができる。有機金属化合物の例として以下のものが挙げられる。
【００６１】
Ｐｂを含む有機金属化合物としては、酢酸鉛、オクチル酸鉛を例示できる。ＺｒまたはＴｉを含む有機金属化合物としては、これらのアルコキシド、酢酸塩、オクチル酸塩などを例示できる。
【００６２】
Ｎｂを含む有機金属化合物としては、オクチル酸ニオブ、オクチル酸鉛ニオブを例示できる。オクチル酸ニオブは、Ｎｂが２原子共有結合して、その他の部分にオクチル基が存在する構造である。
【００６３】
本実施形態の原料組成物において、有機溶媒としては、アルコールを用いることができる。溶媒としてアルコールを用いると、有機金属化合物とポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの両者を良好に溶解することができる。アルコールとしては、特に限定されないが、ブタノール、メタノール、エタノール、プロパノールなどの１価のアルコール、または多価アルコールを例示できる。かかるアルコールとしては、例えば以下のものをあげることができる。
【００６４】
１価のアルコール類；
プロパノール（プロピルアルコール）として、１−プロパノール（沸点９７．４℃）、２−プロパノール（沸点８２．７℃）、
ブタノール（ブチルアルコール）として、１−ブタノール（沸点１１７℃）、２−ブタノール（沸点１００℃）、２−メチル−１−プロパノール（沸点１０８℃）、２−メチル−２−プロパノール（融点２５．４℃，沸点８３℃）、
ペンタノール（アミルアルコール）として、１−ペンタノール（沸点１３７℃）、３−メチル−１−ブタノール（沸点１３１℃）、２−メチル−１−ブタノール（沸点１２８℃）、２，２ジメチル−１−プロパノール（沸点１１３℃）、２−ペンタノール（沸点１１９℃）、３−メチル−２−ブタノール（沸点１１２．５℃）、３−ペンタノール（沸点１１７℃）、２−メチル−２−ブタノール（沸点１０２℃）、
多価アルコール類；
エチレングリコール（融点−１１．５℃，沸点１９７．５℃）、グリセリン（融点１７℃，沸点２９０℃）。
【００６５】
前駆体組成物において、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、２価以上であることができる。本発明に用いるポリカルボン酸としては、以下のものを例示できる。３価のカルボン酸としては、Ｔｒａｎｓ−アコニット酸、トリメシン酸、４価のカルボン酸としては、ピロメリット酸、１，２，３，４−シクロペンタンテトラカルボン酸等が挙げられる。また、ポリカルボン酸エステルとしては、２価のコハク酸ジメチル、コハク酸ジエチル、シュウ酸ジブチル、マロン酸ジメチル、アジピン酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、フマル酸ジエチル、３価のクエン酸トリブチル、１，１，２−エタントリカルボン酸トリエチル、４価の１，１，２，２−エタンテトラカルボン酸テトラエチル、１，２，４−ベンゼントリカルボン酸トリメチル等が挙げられる。
【００６６】
前駆体組成物において、２価のカルボン酸エステルとしては、好ましくは、コハク酸エステル、マレイン酸エステルおよびマロン酸エステルから選択される少なくとも１種であることができる。これらのエステルの具体例としては、コハク酸ジメチル、マレイン酸ジメチル、マロン酸ジメチルをあげることができる。
【００６７】
ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルは、有機溶媒より高い沸点を有することができる。ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの沸点が有機溶媒より高いことにより、後述するように、原料組成物の反応をより速やかに行うことができる。
【００６８】
前記ポリカルボン酸エステルの分子量は、１５０以下であることができる。ポリカルボン酸エステルの分子量が大きすぎると、熱処理時においてエステルが揮発する際に膜にダメージを与えやすく、緻密な膜を得られないことがある。
【００６９】
前記ポリカルボン酸エステルは、室温において液体であることができる。ポリカルボン酸エステルが室温で固体であると、液がゲル化することがある。
【００７０】
上述した前駆体組成物によって得られる複合金属酸化物は、好ましくは０．０５≦ｘ＜１の範囲で、さらに好ましくは０．１≦ｘ≦０．３の範囲でＮｂを含むことができる。また、前記複合金属酸化物は、好ましくは０．５モル％以上、より好ましくは０．５モル％以上、５モル％以下のＳｉ、あるいはＳｉおよびＧｅを含むことができる。本実施形態では、複合金属酸化物は、ＴｉサイトにＮｂをドーピングしたＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ、Ｎｂ）Ｏ３（ＰＺＴＮ）であることできる。
【００７１】
本実施形態の強誘電体層３６を構成するＰＺＴＮによれば、Ｎｂを特定の割合で含むことにより、Ｐｂの欠損による悪影響を解消し、優れた組成制御性を有する。
【００７２】
ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルの使用量は、複合金属酸化物の組成に依存する。たとえば複合金属酸化物を形成するための金属の合計モルイオン濃度とポリカルボン酸（エステル）のモルイオン濃度は、好ましくは１≧（ポリカルボン酸（エステル）のモルイオン濃度）／（原料溶液の金属の総モルイオン濃度）とすることができる。
【００７３】
ここで、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルのモル数とは、価数のことである。つまり、２価のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルであれば、１分子のポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステルが、原料溶液の金属１モルに対して、ポリカルボン酸またはポリカルボン酸エステル０．５モルで１：１ということになる。
【００７４】
強誘電体層３６は、上述した前駆体組成物を、第１電極３４上に塗布した後、熱処理することにより得られる。
【００７５】
具体的には、前駆体組成物をたとえばスピン塗布法によって基体上に塗布し、ホットプレートなどを用いて１５０〜１８０℃で乾燥処理を行い、溶媒を除去する。その後、ホットプレートなどを用いて３００〜３５０℃で脱脂熱処理（主に有機成分の分解除去）を行う。その後、必要に応じて上記塗布工程、乾燥処理工程および脱脂熱処理を複数回行い所望の膜厚の塗布膜を得る。さらに、結晶化アニール（焼成）により、所望の膜厚の強誘電体層３６を形成する。結晶化のための焼成は、酸素雰囲気中でラピッドサーマルアニール（ＲＴＡ）などを用いて、６５０〜７００℃で行うことができる。
【００７６】
さらに、強誘電体キャパシタ３０を覆うように第２層間絶縁層４０を形成し、ついで、第２コンタクト部４２を形成する。第２層間絶縁層４０および第２コンタクト部４２の形成方法としては、第１層間絶縁層１６および第１コンタクト部１８と同様の方法を用いることができる。
【００７７】
（３）  第２層間絶縁層４０上に、公知の方法によって第１配線層４３を形成する。第１配線層４３を構成する、導電性の下部電極バリア層４４，導電層４６および上部電極バリア層４８は、これらを形成するための層を順次成膜した後、公知のリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングすることができる。ついで、第３層間絶縁層５０および第３コンタクト部５２を形成する。第３層間絶縁層５０および第３コンタクト部５２は、第１層間絶縁層１６および第１コンタクト部１８と同様の方法によって形成できる。
【００７８】
（４）  次に、圧力センサ１００の製造方法について、図３および図４（Ａ）ないし（Ｄ）を参照しながら説明する。図４（Ｃ）および図４（Ｄ）において、第２絶縁層１１２および圧電体積層部１２８の一部は、破断して示す。
【００７９】
まず、図３および図４（Ａ）に示すように、第４層間絶縁層６０（図１参照）上に、第１絶縁層１１０を形成する。第１絶縁層１１０としては、例えばアルミナを用いることができる。かかる第１絶縁層１１０は、ＣＶＤ法によって形成することができる。第１絶縁層１１０上に例えば酸化シリコンからなる第２絶縁層１１２を形成する。
【００８０】
ついで、図４（Ａ）において、破線で示す領域（キャビティ１１４が形成される領域）以外の領域に不純物、例えばホウ素をドープする。破線で示す領域には、レジスト層などでマスクを形成しておくことで、この領域にはホウ素はドープされない。ホウ素がドープされた領域はエッチャントに対してエッチングレートが小さくなる。
【００８１】
ついで、図４（Ｂ）において、第２絶縁層１１２上に、第１導電層１２２、圧電体層１２４および第２導電層１２６を順次形成して、圧電体積層部１２８を形成する。圧電体層１２４としては、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と同種類の複合酸化物を用いることができ、例えば前述したＰＺＴＮを用いることができる。ＰＺＴＮ層の成膜は、前述した強誘電体層３６の成膜方法と同様である。
【００８２】
ついで、図４（Ｃ）に示すように、圧電体積層部１２８を公知のリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングし、キャビティ１１４のための開口部を形成する。さらに、例えばエチレンジアミンとピロカテコロールとの混合液を用いて第２絶縁層１１２をエッチングし、溝１１４ａを形成する。このとき、第１絶縁層１１０は、エッチングストッパとして機能する。
【００８３】
さらにエッチングを継続すると、図４（Ｄ）に示すように、圧電体積層部１２８の下部にある第２絶縁層１１２がエッチングされて、片持ち梁状の振動子１２０が形成される。このとき、第２絶縁層１１２の一部が残るようにエッチングされることが望ましい。
【００８４】
なお、図示はしていないが、圧力センサ１００とＦｅＲＡＭ部分の配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とを、コンタクト部を介して接続する工程を有することができる。
【００８５】
以上のプロセスによって、図１に示す、圧力センサ１００を有する半導体装置１０００を製造することができる。
【００８６】
２．第２実施形態
２．１．焦電センサを有する半導体装置
本実施形態では、センサとして焦電センサを有する。焦電センサは、図１に示すＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆ上に形成されている。図５は、焦電センサ２００を模式的に示す斜視図であり、内部がみえるように一部を切断している。メモリ部分１０００Ｆは、図１に示す例と同じであるので、以下、焦電センサ２００について説明する。
【００８７】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、半導体装置１０００の最上層（第４層間絶縁層６０上）に焦電センサ２００が形成されている。焦電センサ２００は、熱によって電気的出力を得るものであり、赤外線センサなどを含むものである。焦電センサ２００は、図示はしないが、複数配列され、アレー化して構成されることができる。
【００８８】
焦電センサ２００は、図５に示すように、図１に示すメモリ部分１０００Ｆの第４層間絶縁層６０上に形成された第１絶縁層２１０と、該第１絶縁層２１０上に形成された第２絶縁層２１２とを有する。第２絶縁層２１２上には、第１電極層２２２と、焦電体層２２４と、第２電極層２２６とが積層された焦電体積層部２２０が形成されている。第２絶縁層２１２にはキャビティ２１４が形成されている。
【００８９】
第１絶縁層２１０としては、例えばアルミナを用いることができる。第２絶縁層２１２の材質としては、例えば酸化シリコンを用いることができる。第１電極層２２２としては、ルテニウム、イリジウム、白金などの金属や酸化イリジウムなどの導電性酸化物を用いることができる。焦電体層２２４の材質としては、特に限定されないが、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と同種類の複合酸化物を用いることが好ましい。例えば、強誘電体層３６としてＰＺＴＮを用いた場合には、焦電体層２２４としてもＰＺＴＮを用いることができる。ただし、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）およびニオブ（Ｎｂ）の比率は、強誘電体あるいは焦電体の特性を考慮して適宜選択される。焦電体層２２４を構成するＰＺＴＮの組成比（モル比）の一例として、Ｐｂ／Ｚｒ／Ｔｉ／Ｎｂ＝１１５／１５／７０／１５を挙げることができる。
【００９０】
なお、図示はしていないが、焦電センサ２００とＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆの配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とは、コンタクト部を介して接続されている。
【００９１】
以上の半導体装置１０００によれば、強誘電体キャパシタ３０が形成された領域の上方に焦電センサ２００が積層した状態で形成されるため、焦電センサ２００と強誘電体キャパシタ３０とを所定の領域にコンパクトに形成することができる。その結果、焦電センサを積層しない場合に比べて、配線の引き回しを短くでき、焦電センサ２００の信号を効率よく強誘電体キャパシタ３０に記憶できる。配線の引き回しが長くなるにしたがいノイズが大きくなるため、焦電センサ２００からの微弱な信号を確実に拾うためには、焦電センサ近傍で信号を増幅するなどの手段を講じなければならないが、本実施形態では、焦電センサ２００とＦｅＲＡＭを構成する強誘電体キャパシタ３０とを近くに形成できるため、このような増幅手段を必要とせず、よりシンプルな回路構成を用いることができる。
【００９２】
また、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と、焦電センサ２００の焦電体層２２４の材質を同種の複合酸化物で形成すると、プロセス効率が良くなる。
【００９３】
図５に示した焦電センサ２００は、焦電センサの一例であり、焦電センサとしては公知の各種の形態をとることができる。
【００９４】
２．２．焦電センサを有する半導体装置の製造方法
（１）  ＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆは、第１実施形態で述べた方法と同様に形成できるので、詳細な説明を省略する。以下、焦電センサ２００の製造方法の一例について、図５を参照しながら説明する。
【００９５】
まず、図５に示すように、第４層間絶縁層６０（図１参照）上に、第１絶縁層２１０を形成する。第１絶縁層２１０としては、例えばアルミナを用いることができる。かかる第１絶縁層２１０は、ＣＶＤ法によって形成することができる。第１絶縁層２１０上に例えば酸化シリコンからなる第２絶縁層２１２を形成する。第２絶縁層２１２上に、第１電極層２２２を形成する。第１電極層２２２は、公知のリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングされる。ついで、第１電極層２２２上のレジスト層を残したままで、キャビティ２１４が形成される領域以外の領域に不純物、例えばホウ素をドープする。レジスト層でマスクされた領域にはホウ素はドープされない。ホウ素がドープされた領域はエッチャントに対してエッチングレートが小さくなる。ついで、例えば、第１電極層２２２にエッチャントを注入するための開口部を形成し、該開口部からエッチャントを入れることにより、ボロンがドープされていない領域にキャビティ２１４が形成される。エッチャントとしては、エチレンジアミンとピロカテコロールとの混合液を用いることができる。このとき、第１絶縁層２１０は、エッチングストッパとして機能する。
【００９６】
ついで、第２絶縁層２１２および第１電極層２２２上に焦電体層２２４を形成する。焦電体層２２４は、焦電体層を成膜した後に、公知のリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングされる。焦電体層２２４としては、強誘電体キャパシタ３０の強誘電体層３６と同種類の複合酸化物を用いることができ、例えば前述したＰＺＴＮを用いることができる。ＰＺＴＮ層の成膜は、前述した強誘電体層の成膜方法と同様である。
【００９７】
ついで、焦電体層２２４上に第２電極層２２６を形成する。第２電極層２２６は、第２絶縁層２１２上のパッド２２６ａと接続されている。第２電極層２２６の材質としては、Ｎｉ−Ｃｒ合金などを用いることができる。
【００９８】
なお、図示はしていないが、焦電センサ２００とＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆ（図１参照）の配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とをコンタクト部を介して接続する工程を有することができる。
【００９９】
以上のプロセスによって、図５に示す焦電センサ２００を有する半導体装置１０００を製造することができる。
【０１００】
３．第３実施形態
３．１．磁気センサを有する半導体装置
本実施形態では、センサとして磁気センサ（ＭＲセンサ）を有する。磁気センサは、図１に示すＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆ上に形成されている。図６は、磁気センサ３００の一例を模式的に示す平面図であり、図７（Ａ）ないし図７（Ｃ）は、磁気センサ３００の製造方法を模式的に示す断面図である。メモリ部分１０００Ｆは、図１に示す例と同じであるので、以下、磁気センサ３００について説明する。
【０１０１】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、半導体装置１０００の最上層（第４層間絶縁層６０上）に磁気センサ３００が形成されている。磁気センサ３００は、強磁性金属の異常磁気抵抗効果を用いた磁気変更素子であって、磁場の変化によって電気的出力を得るものであり、非接触位置検出器、非接触回転検出器などに応用されている。磁気センサ３００は、図示はしないが、複数配列され、アレー化して構成されることができる。
【０１０２】
磁気センサ３００は、図６および図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、図１に示すメモリ部分１０００Ｆの第４層間絶縁層６０上に形成された絶縁層３１０と、強磁性磁気抵抗層３２０とを有する。図６に示す例では、フルブリッジ型の磁気センサ３００を示す。強磁性磁気抵抗層３２０の材質としては、例えばＮｉ−Ｃｏ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金などを用いることができる。
【０１０３】
なお、図示はしていないが、磁気センサ３００とＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆの配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とは、コンタクト部を介して接続されている。
【０１０４】
以上の半導体装置１０００によれば、強誘電体キャパシタ３０が形成された領域の上方に磁気センサ３００が積層した状態で形成されるため、磁気センサ３００と強誘電体キャパシタ３０とを所定の領域にコンパクトに形成することができる。その結果、磁気センサを積層しない場合に比べて、配線の引き回しを短くでき、磁気センサ３００の信号を効率よく強誘電体キャパシタ３０に記憶できる。配線の引き回しが長くなるにしたがいノイズが大きくなるため、磁気センサ３００からの微弱な信号を確実に拾うためには、磁気センサ近傍で信号を増幅するなどの手段を講じなければならないが、本実施形態では、磁気センサ３００とＦｅＲＡＭを構成する強誘電体キャパシタ３０とをコンパクトに形成できるため、このような増幅手段を必要とせず、よりシンプルな回路構成を用いることができる。
【０１０５】
また、ＦｅＲＡＭを構成する強誘電体キャパシタ３０は、磁気の影響を受けにくいので強誘電体キャパシタ３０の上方に磁気センサ３００を形成してもその影響を受けにくい。さらに、センサ情報は瞬時に記録される必要があるために、ＥＥＰＲＯＭ等よりも書き込み速度が速いＦｅＲＡＭを用いることが好ましい。
【０１０６】
図６に示した磁気センサ３００は、磁気センサの一例であり、磁気センサとしては公知の各種の形態をとることができる。
【０１０７】
３．２．磁気センサを有する半導体装置の製造方法
（１）  ＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆは、第１実施形態で述べた方法と同様に形成できるので、詳細な説明を省略する。以下、磁気センサ３００の製造方法について、図７（Ａ）から図７（Ｃ）を参照しながら説明する。
【０１０８】
まず、図７（Ａ）に示すように、第４層間絶縁層６０（図１参照）上に、絶縁層３１０を形成する。絶縁層３１０としては、例えば酸化シリコンなどを用いることができる。かかる絶縁層３１０は、ＣＶＤ法によって形成することができる。絶縁層３１０が酸化シリコン層からなる場合には、第４層間絶縁層６０上直接形成することもできる。
【０１０９】
ついで、絶縁層３１０上に強磁性磁気抵抗層３２０を形成する。強磁性磁気抵抗層３２０は、強磁性磁気抵抗層３２０ａを成膜した後に、図７（Ｂ）に示すように、公知のリソグラフィーおよびエッチングによってパターニングされる。ついで、強磁性磁気抵抗層３２０上に例えばアルミニウムからなる引き出し電極層３２２を形成する。
【０１１０】
なお、図示はしていないが、磁気センサ３００とＦｅＲＡＭを構成するメモリ部分１０００Ｆ（図１参照）の配線層もしくはＭＯＳトランジスタなどの素子とをコンタクト部を介して接続する工程を有することができる。
【０１１１】
以上のプロセスによって、図６に示す磁気センサ３００を有する半導体装置１０００を製造することができる。
【０１１２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（たとえば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】第１実施形態にかかる、圧力センサを有する半導体装置を模式的に示す断面図。
【図２】圧力センサを模式的に示す平面図。
【図３】図２に示す圧力センサをＡ−Ａ線で切断した断面図。
【図４】（Ａ）ないし（Ｄ）は、図２に示す圧力センサの製造方法を模式的に示す斜視図。
【図５】焦電センサを模式的に示す部分破断斜視図。
【図６】磁気センサを模式的に示す平面図。
【図７】図６に示す磁気センサの製造方法を示す断面図。
【図８】ＰＺＴＮのラマン振動スペクトルを示す図。
【符号の説明】
【０１１４】
１０  半導体基板、１４  ＭＯＳトランジスタ、３０  強誘電体キャパシタ、３４  第１電極、３６  強誘電体層、３８  第２電極、１００  圧力センサ、１１０  第１絶縁層、１１２  第２絶縁層、１１４  キャビティ、１２０  振動子、１２２  第１電極層、１２４  圧電体層、１２６  第２電極層、１２８  圧電体積層部、２００  焦電センサ、２１０  第１絶縁層、２１２  第２絶縁層、２１４  キャビティ、２２０  焦電体積層部、２２２  第１電極層、２２４  焦電体層、２２６  第２電極層、３００  磁気センサ、３１０  絶縁層、３２０  強磁性磁気抵抗層
【図１】
2007329393.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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