JPH1154716A - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
半導体装置とその製造方法Info
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Abstract
電体膜を有するキャパシタを備えた半導体装置とその製
造方法に関し、高い誘電特性を有するペロブスカイト型
酸化物誘電体膜を用いたキャパシタを有する半導体装置
を提供する。 【解決手段】 半導体基板上に絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタを形成する工程と、絶縁ゲート電極を覆っ
て、第1絶縁膜を形成する工程と、第1の絶縁膜を貫通
して、基板表面に達するコンタクト窓を形成する工程
と、コンタクト窓内に金属プラグを埋め込む工程と、金
属プラグを覆って酸素遮蔽能を有する第2絶縁膜を形成
する工程と、第2絶縁膜の上にキャパシタの下部電極、
ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物誘電体の膜を
形成する工程と、酸化物誘電体膜形成後、酸素雰囲気中
で半導体基板をアニールする工程と、酸化物誘電体膜の
上にキャパシタの上部電極を形成する工程とを含む半導
体装置の製造方法が提供される。
Description
製造方法に関し、特にペロブスカイト型結晶構造を有す
る酸化物誘電体膜を有するキャパシタを備えた半導体装
置とその製造方法に関する。
(DRAM)は、1つのトランジスタと1つのキャパシ
タとで1つのメモリセルを構成する。小さなキャパシタ
で所望の容量を実現するためには、キャパシタの誘電体
膜の誘電率は高ければ高いほど好ましい。誘電体膜が強
誘電体であれば分極特性を記憶することができ、不揮発
性のフェロエレクトリックランダムアクセスメモリ(F
RAM)を実現することができる。
以上の高誘電体としては、バリウムストロンチウムタイ
タネート(BST)BaSrTiO等のペロブスカイト
型結晶構造を有する酸化物が知られている。また、強誘
電体としては、同様にペロブスカイト型結晶構造を有す
る酸化物であるPZT PbZrTiOやSBT Sr
BiTiO等が知られている。これらのペロブスカイト
型酸化物誘電体は、ゾル・ゲル法等のスピンオン、スパ
ッタリング、化学気相堆積(CVD)等によって成膜す
ることができる。
物誘電体を成膜しても、成膜したままの状態では、アモ
ルファス相であったり、結晶化が不十分であったりする
ことが多い。また、酸素が欠乏することもある。このよ
うな場合、成膜したままの酸化物誘電体は、そのままで
は有用な酸化物誘電体として用いることができない。し
たがって、成膜後、酸化性雰囲気中でアニールすること
が必要である。
理を行っても、その後に高温で水素等の還元性雰囲気に
触れると、酸化物誘電体の特性は再び劣化することが多
い。半導体装置の製造工程においては、水素を含むガス
を用いて半導体膜や絶縁膜を成膜することが多い。ペロ
ブスカイト型酸化物誘電体膜を成膜後、このような水素
を含むガスを用いて他の膜を成膜すると、酸化物誘電体
膜の誘電特性が著しく劣化することにもなる。
ロブスカイト型酸化物誘電体膜を用いたキャパシタを有
する半導体装置を提供することである。
るペロブスカイト型酸化物誘電体膜を形成し、かつ高集
積度の半導体素子を形成することのできる半導体装置の
製造方法を提供することである。
ば、第1導電型領域と第1導電型と逆の第2導電型領域
とを含む半導体基板と、前記半導体基板の第1および第
2導電型領域上にそれぞれ形成された第1および第2の
絶縁ゲート電極構造と、絶縁ゲート電極構造の両側で前
記半導体基板中に形成された第2導電型の第1対および
第1導電型の第2対の不純物ドープ領域とを有する第1
および第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタと、前
記第1および第2の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
を覆って、前記半導体基板上に形成された第1絶縁膜
と、前記第1絶縁膜を貫通して前記第1および第2の絶
縁ゲート型電界効果トランジスタの第1対および第2対
の不純物ドープ領域の各々の少なくとも1つの不純物ド
ープ領域に達する少なくとも2つの金属プラグと、前記
第1絶縁膜を覆って形成され、酸素遮蔽能を有する第2
絶縁膜と、前記第2絶縁膜上に形成された下部電極と、
前記下部電極上に形成され、ペロブスカイト型結晶構造
を有する酸化物誘電体膜と、前記酸化物誘電体膜上に形
成され、前記下部電極、酸化物誘電体膜と共にキャパシ
タを形成する上部電極と、前記キャパシタを覆って半導
体基板上に形成された第3絶縁膜と、前記第3絶縁膜上
に延在し、前記第3絶縁膜を通る接続孔を介して前記金
属プラグの1つと接続され、前記第3絶縁膜を通る接続
孔を介して前記上部電極または前記下部電極に接続され
たローカル配線とを有する半導体装置が提供される。
に絶縁ゲート電極と第1導電型のソース/ドレイン領域
を有する絶縁ゲート型電界効果トランジスタを形成する
工程と、前記絶縁ゲート電極を覆って、半導体基板上に
第1絶縁膜を形成する工程と、前記第1の絶縁膜を貫通
して、前記ソース/ドレイン領域の少なくとも一方に達
するコンタクト窓を形成する工程と、前記コンタクト窓
内に金属プラグを埋め込む工程と、前記金属プラグを覆
って前記第1絶縁膜の上に酸素遮蔽能を有する第2絶縁
膜を形成する工程と、前記第2絶縁膜の上にキャパシタ
の下部電極を形成する工程と、前記下部電極の上にペロ
ブスカイト型結晶構造を有する酸化物誘電体の膜を形成
する工程と、前記酸化物誘電体膜形成工程後、酸素雰囲
気中で前記半導体基板をアニールし、前記酸化物誘電体
の膜を結晶化するアニール工程と、前記酸化物誘電体膜
の上にキャパシタの上部電極を形成する工程とを含む半
導体装置の製造方法が提供される。
子を高集積度に形成することが容易になる。酸素遮蔽能
を有する第2絶縁膜を用いることにより、金属プラグの
酸化を防止しつつ、ペロブスカイト型酸化物誘電体膜を
安定に作成することが可能となる。
施例を説明する。
の表面に、局所酸化(LOCOS)により、厚さ約50
0nmのフィールド酸化膜12を形成する。
合を例示するが、シリコン基板11の表面に所望のn型
ウェル、p型ウェル、n型ウェル中のp型ウェルを設け
ることもできる。また、導電型をすべて反転してもよ
い。
で画定されたシリコン基板11表面(活性領域AR)
に、熱酸化により厚さ約15nmのゲート酸化膜13を
形成する。ゲート酸化膜13上に、厚さ約120nmの
多結晶シリコン層14a、厚さ約150nmのタングス
テンシリサイド(WSi)層14bを成膜し、ゲート電
極層14を形成する。なお、ゲート電極層の作成は、ス
パッタリング、CVD等により行うことができる。ゲー
ト電極層14の上に、さらにCVDによりシリコン酸化
膜15を形成する。シリコン酸化膜15上に、レジスト
パターンを形成し、シリコン酸化膜15、ゲート電極層
14を同一形状にパターニングする。その後、レジスト
マスクは除去する。
リコン酸化膜15のパターンをマスクとして、シリコン
基板11表面に低不純物濃度のn型不純物のイオン注入
を行い、低濃度n型不純物ドープ領域21を形成する。
なお、シリコン基板上にCMOS回路を作成する場合
は、nチャネル領域とpチャネル領域に分けてイオン注
入を行う。
ジスタに対してはPまたは/およびAsをイオン注入
し、pチャネルトランジスタに対しては、たとえばBF
2 をイオン注入する。また、加速電圧はたとえば50〜
60keV程度であり、ドーズ量は1013程度である。
てシリコン基板11全面上に高温酸化(HTO)膜を基
板温度800℃で厚さ150nm程度堆積する。その後
反応性イオンエッチング(異方性エッチング)を行うこ
とにより、平坦面上のHTO膜を除去し、ゲート電極構
造の側壁上にのみサイドウォール16を残す。なお、ゲ
ート電極上面には、先に形成したシリコン酸化膜15が
残る。以後、シリコン酸化膜15、サイドウォール16
を合わせ、第1絶縁層17と呼ぶ。
クとして用い、高濃度のイオン注入を行って、高不純物
濃度のソース/ドレイン領域22を形成する。nチャネ
ルトランジスタに対しては、たとえばAsをドーズ量1
014〜1015cm-2程度イオン注入し、pチャネルトラ
ンジスタに対しては、たとえばBF2 をドーズ量10 14
〜1015cm-2程度イオン注入する。
上に、ボロホスホシリケートガラス(BPSG)、オキ
シナイトライド、シリコン酸化物等の酸化膜18を成膜
する。酸化膜18を成膜後、表面を平坦化して厚さを1
μm程度とする。
他、複数層の積層で形成する場合もある。たとえば、下
に厚さ約200nmのオキシナイトライド層を形成し、
その上にプラズマ励起テトラエトキシシラン(TEO
S)酸化膜を形成してもよい。酸化膜18の平坦化は、
リフロー、化学機械研磨(CMP)、エッチバック等を
用いて行うことができる。
トランジスタのソース/ドレイン領域を露出するコンタ
クト孔19を形成する。コンタクト孔19の形成は、た
とえば直径約0.5μm程度の開口を有するレジストマ
スクを用い、反応性イオンエッチングにより行うことが
できる。
成した基板上に、配線層を形成する。配線層は、たとえ
ば、厚さ約20nmのTi層と厚さ約50nmのTiN
層の積層で形成したグルー金属層24と、その上に堆積
したW層25で形成する。グルー金属層は、たとえばス
パッタリングで堆積する。W層は、たとえばWF6 とH
2 を用いたCVDにより厚さ約800nm堆積する。こ
の配線層形成により、コンタクト孔19が埋め込まれ、
ソース/ドレイン領域22に接続された配線層が形成さ
れる。
5およびグルー金属層24をエッチバックによって除去
する。エッチバックは、Cl系ガスを用いたドライエッ
チングによって行うことができる。また、CMPによっ
て酸化膜18上のW層およびグルー金属層を除去しても
よい。エッチバックまたはCMP工程により、酸化膜1
8aとW層25a、グルー金属層24aの金属プラグが
ほぼ同一の平坦な平面を形成する。エッバックを行った
時には、W層25aの表面が周囲よりも下がることがあ
る。
基板温度350℃程度の低温でプラズマ励起CVDによ
り、厚さ50nm〜100nm程度の窒化膜26を堆積
する。窒化膜形成を低温で行うのは、W層25aの酸化
を防止するためと、シリコン基板と接するTi層がシリ
サイド化反応を生じ、接合を破壊することを防止するた
めである。
m程度の酸化膜をさらに積層する。この酸化膜は、たと
えば、プラズマ励起TEOS酸化膜により形成する。基
板温度を制限することにより、シリサイド化反応による
接合破壊を防止する。
金属プラグを覆い、その後の工程において表面から酸素
が侵入し、金属プラグを酸化することを防止する。
上に形成するキャパシタ下部電極との密着性を向上す
る。以下、単独の窒化膜の場合、窒化膜と酸化膜の積層
の場合を含め、層26を酸素遮蔽絶縁膜と呼ぶ。
の上に、膜厚20〜30nmのTi層と膜厚150nm
のPt層の積層からなる下部電極27、膜厚300nm
のPZT誘電体膜28、膜厚150nmのPtからなる
上部電極29をそれぞれスパッタリングにより成膜す
る。PZT誘電膜28は、堆積したままの状態ではアモ
ルファス相であり、分極特性を有しない。
極29を堆積する前に、または上部電極29を堆積した
後に、O2 雰囲気中でアニール処理を行う。たとえば1
気圧のO2 雰囲気中で850℃、約5秒間のアニール処
理を行う。このようなアニール処理は、ラピッドサーマ
ルアニール(RTA)装置を用いて行うことができる。
なお、RTAの代わりに抵抗炉を用い、800℃以上、
10分間以上のアニール処理を行ってもよい。たとえば
800℃約30分間のアニール処理を行う。
より、PZT誘電体膜28は多結晶化し、たとえば約3
0μC/cm2 の分極率を示すようになる。W層25a
は、酸素遮蔽絶縁膜26で覆われているため、酸化から
防止される。なお、もしW層25aが酸化すると、体積
膨張により積層構造が破壊される危険性が生じる。例え
ば、高さ方向で1μmもふくれあがってしまうことがあ
る。
体膜28、下部電極27のパターニングを周知のホトリ
ソグラフィ技術を用いて行う。パターニングにより、下
部電極27a、誘電体膜28a、上部電極29aが形成
される。なお、作成される段差を緩やかにするために
は、下層から上層に向けて徐々に面積を小さくすること
が好ましい。キャパシタのパターニング後、さらに酸素
雰囲気中、500〜650℃の温度でリカバリーアニー
ルを行う。
上に(111)配向を示した時に優れた分極特性を示
す。このような結晶方位を実現するためには、下部電極
27aのTi膜厚を制御すること、およびPZT誘電体
膜28a中のPb量をPbx Zry Ti1-y と表記した
時、たとえばx=1〜1.4、より好ましくは約1.1
に制御することが好ましい。
タを覆って基板全面上にプラズマ励起TEOS酸化膜を
温度390〜400℃程度で堆積する。PZT誘電体膜
作成後は、水素等の還元性ガスを含む高温工程は避ける
ことが好ましい。
蔽絶縁膜26を貫通して金属プラグに達する開口31を
形成し、酸化膜30を貫通して上部電極29aを露出す
る開口を形成する。
ることによって金属プラズマとキャパシタの上部電極2
9aを接続するローカル配線33を形成する。TiN層
33は、たとえばリアクティブスパッタリングにより厚
さ約100nm程度堆積する。
覆うように基板全面上に酸化膜34を形成する。酸化膜
34およびその下の絶縁膜を貫通し、他の金属プラグに
達する開口35を形成し、Al等により配線36を形成
する。
の工程を行う。このようにして、ペロブスカイト型誘電
体膜を含むキャパシタを備えた半導体装置が形成され
る。
って説明した。このメモリセル工程の製造工程と同時に
周辺回路領域のトランジスタ等を作成することができ
る。
領域MCを同時に示す断面図である。メモリセル領域M
Cにおいては、シリコン基板内のp型ウェルP1内に上
述の実施例において説明したMOSトランジスタTrと
キャパシタCapが形成されている。周辺回路領域PC
においては、p型ウェルP2内にnチャネルMOSトラ
ンジスタが形成され、n型ウェルN1内にpチャネルM
OSトランジスタが形成されている。
いても全面上に形成され、金属プラグPL1〜PL4が
形成された領域でのみ選択的に除去されている。プラグ
PL1、PL2は、nチャネルトランジスタのn型領域
に対するコンタクトを形成し、プラグPL3、PL4
は、pチャネルトランジスタのp型領域に対するコンタ
クトを形成する。金属でプラグを形成することにより、
CMOSトランジスタのソース/ドレイン領域に共通の
構造のコンタクトを形成することができる。
を形成した後、露出している酸素遮蔽絶縁膜26を除去
した場合の構造を示す。周辺回路領域PCにおいては、
酸素遮蔽絶縁膜26は完全に除去され、酸化膜18上に
酸化膜30、34が積層された構造となっている。メモ
リセル領域MCにおいては、キャパシタの下部電極27
a下にのみ酸素遮蔽絶縁膜26が残存し、他の領域にお
いては、酸素遮蔽絶縁膜は除去されている。酸素遮蔽絶
縁膜の除去は、たとえばコントロールエッチングによっ
て行うことができる。
部をオキシナイトライド膜、上部を酸化膜とした場合の
構成を示す。金属プラグ形成前にHFエッチャントによ
り軽くウェットエッチを行うことにより、コンタクト窓
の酸化膜部分のエッチングを進める。この結果、各コン
タクト窓において下部の径が狭く、上部の径が広い二段
構造が形成される。上部を拡げることにより、金属プラ
グのコンタクトを改善することができる。
おいては、キャパシタ上部電極が最も近いソース/ドレ
イン領域とローカル配線によって接続されていた。図1
8の構成においては、キャパシタ上部電極は配線層41
によって他の個所に接続されている。
いて露出され、ローカル配線46により近接するソース
/ドレイン領域と金属プラグPL6を介して接続されて
いる。
者に自明であろう。また、キャパシタ誘電体膜形成後、
所望の時点でリカバリーアニールを行って酸化物誘電体
膜の誘電特性の劣化を防止することが好ましい。
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。
金属プラグを用い、かつペロブスカイト型結晶構造を有
する酸化物誘電体膜を含むキャパシタを形成し、高い誘
電特性を得ることができる。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
説明するための半導体基板の断面図である。
を説明するための半導体基板の断面図である。
を説明するための半導体基板の断面図である。
を説明するための半導体基板の断面図である。
を説明するための半導体基板の断面図である。
を説明するための半導体基板の断面図である。
ル領域を同時に示す半導体基板の断面図である。
回路領域、メモリセル領域を示す断面図である。
回路領域、メモリセル領域を示す断面図である。
回路領域、メモリセル領域を示す断面図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 第1導電型領域と第1導電型と逆の第2
導電型領域とを含む半導体基板と、 前記半導体基板の第1および第2導電型領域上にそれぞ
れ形成された第1および第2の絶縁ゲート電極構造と、
絶縁ゲート電極構造の両側で前記半導体基板中に形成さ
れた第2導電型の第1対および第1導電型の第2対の不
純物ドープ領域とを有する第1および第2の絶縁ゲート
型電界効果トランジスタと、 前記第1および第2の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タを覆って、前記半導体基板上に形成された第1絶縁膜
と、 前記第1絶縁膜を貫通して前記第1および第2の絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタの第1対および第2対の不
純物ドープ領域の各々の少なくとも1つの不純物ドープ
領域に達する少なくとも2つの金属プラグと、 前記第1絶縁膜を覆って形成され、酸素遮蔽能を有する
第2絶縁膜と、 前記第2絶縁膜上に形成された下部電極と、 前記下部電極上に形成され、ペロブスカイト型結晶構造
を有する酸化物誘電体膜と、 前記酸化物誘電体膜上に形成され、前記下部電極、酸化
物誘電体膜と共にキャパシタを形成する上部電極と、 前記キャパシタを覆って半導体基板上に形成された第3
絶縁膜と、 前記第3絶縁膜上に延在し、前記第3絶縁膜を通る接続
孔を介して前記金属プラグの1つと接続され、前記第3
絶縁膜を通る接続孔を介して前記上部電極または前記下
部電極に接続されたローカル配線とを有する半導体装
置。 - 【請求項2】 前記酸化物誘電体は、PZT、SBT、
BSTのいずれかである請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項3】 前記第2絶縁膜は、窒化膜である請求項
1記載の半導体装置。 - 【請求項4】 前記金属プラグは、高融点金属を含む請
求項1記載の半導体装置。 - 【請求項5】 前記第2絶縁膜が、前記第1絶縁膜の上
に選択的に形成されている請求項1記載の半導体装置。 - 【請求項6】 半導体基板上に絶縁ゲート電極と第1導
電型のソース/ドレイン領域を有する絶縁ゲート型電界
効果トランジスタを形成する工程と、 前記絶縁ゲート電極を覆って、半導体基板上に第1絶縁
膜を形成する工程と、 前記第1の絶縁膜を貫通して、前記ソース/ドレイン領
域の少なくとも一方に達するコンタクト窓を形成する工
程と、 前記コンタクト窓内に金属プラグを埋め込む工程と、 前記金属プラグを覆って前記第1絶縁膜の上に酸素遮蔽
能を有する第2絶縁膜を形成する工程と、 前記第2絶縁膜の上にキャパシタの下部電極を形成する
工程と、 前記下部電極の上にペロブスカイト型結晶構造を有する
酸化物誘電体の膜を形成する工程と、 前記酸化物誘電体膜形成工程後、酸素雰囲気中で前記半
導体基板をアニールするアニール工程と、 前記酸化物誘電体膜の上にキャパシタの上部電極を形成
する工程とを含む半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 前記アニール工程が、700℃以上の温
度で行われる請求項6記載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 さらに、 前記上部電極を覆って、半導体基板上に第3絶縁膜を形
成する工程と、 前記第3絶縁膜を貫通して前記金属プラグおよび前記上
部電極または前記下部電極に達する接続孔を形成する工
程と、 前記金属プラグと前記上部電極または前記下部電極を接
続するローカル配線を接続する工程とを含む請求項6記
載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 前記第2絶縁膜を形成する工程が、窒化
膜を形成するサブ工程と、前記窒化膜上に酸化膜を形成
するサブ工程とを含む請求項6記載の半導体装置の製造
方法。 - 【請求項10】 前記キャパシタの下部電極を形成する
工程が、Ti膜を形成するサブ工程とTi膜上にPt膜
を形成するサブ工程とを含む請求項6記載の半導体装置
の製造方法。 - 【請求項11】 前記Ti膜を形成するサブ工程が、前
記アニール工程で前記酸化物誘電体膜の(111)配向
を実現するようにTi膜厚を選択している請求項10記
載の半導体装置の製造方法。 - 【請求項12】 前記酸化物誘電体膜を形成する工程
が、PZT、SBT、BSTの少なくとも1つを主成分
として成膜する工程である請求項6記載の半導体装置の
製造方法。 - 【請求項13】 前記酸化物誘電体膜を形成する工程
が、PZT膜を形成する工程であり、Pbの組成が前記
アニール工程後(111)配向を実現する値に選択され
ている請求項6記載の半導体装置の製造方法。
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