CN1257311A - 半导体存储器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种半导体存储器及其制造方法,包括覆盖集成有源极区域、漏极区域和栅极组成的晶体管的半导体基板的整个面的第1保护绝缘膜(3),由形成在(3)上的下电极(4)、绝缘性金属氧化物构成的电容膜(5)和上电极(6)组成的数据存储用电容元件,全面覆盖(3)和电容元件的第2保护绝缘膜(7),设置在(7)上形成的连通(6)和(4)的接触孔(8、9)的表面和(6)和(4)的露出面的整个面上的氢阻挡层(10、11),晶体管的接触孔(12)和布线层(13)。
Description
本发明涉及以绝缘性金属氧化物为电容膜的半导体存储器及其制造方法。
近年来，随着数字技术的进展，在推进处理、保存大容量数据的倾向中，正在进一步提高电子设备的功能、快速地推进使用的半导体元件的微型化。为了相应地实现动态RAM的高集成化，使用高介电常数材料代替以往的硅氧化物或者硅氮化物作为电容绝缘膜的技术正在广泛地研究开发中。以进一步能用低工作电压并且高速写入、读出的非易失性RAM的实用化为目标，正在盛行与具有自发极化特性的强电介质膜相关的研究开发。而实现这些半导体存储器的最重要的课题是开发电容元件的特性不会劣化、能在CMOS集成电路中集成化的加工工艺。
下面，用图5对以往的半导体存储器及其制造方法进行说明。
如图5所示，为了覆盖集成由源极区域、漏极区域21和栅极22组成的晶体管的半导体基板，形成第1保护绝缘膜23。接着，在第1保护膜23上形成由下电极24、绝缘性金属氧化物组成的电容膜25和上电极26组成的数据存储用电容元件。接着，为了覆盖这种数据存储用电容元件，形成氢阻挡层27，接着，为了全面覆盖第1保护膜23和氢阻挡层27，形成第2保护绝缘膜28。
接着，借助于蚀刻第2保护膜28和氢阻挡层27，形成与上电极26连通的接触孔29和与下电极24连通的接触孔30。接着，借助于蚀刻第1保护绝缘膜23和第2保护绝缘膜28，形成连通晶体管的接触孔31。最后，在规定的区域形成的连接晶体管和电容元件的布线层32。
在前述以往的半导体存储器中，形成氢阻挡层27以便覆盖电容元件，因这种氢阻挡层27具有作为布线层的功能，同时对于氢用作阻挡层材料，所以在布线层形成后的工艺中，能抑制伴随着由绝缘性金属氧化物组成的电容膜的还原反应的电容元件的特性劣化。
但是，在前述以往的技术中，如图6(A)所示，在上电极26或者下电极24(未图示)中使用的白金电极上形成的第2保护绝缘膜28上形成接触孔时，在第2保护绝缘膜28上形成光刻胶。接着，如图6(B)所示，在氧等离子体中去除光刻胶。这种场合，由于在白金表面的催化反应，使在光刻胶去除时发生的OH基的一部分了解生成活性氢。如图6(C)所示，这种活性氢扩散到白金中。其结果，如图6(D)所示，活性氢从上电极26或者下电极24分别扩散到电容膜25中，使绝缘性金属氧化物的电容膜还原，其结果使电容元件的特性劣化。
对于这种白金表面的氢的催化反应在具有电容元件的半导体存储器的制造过程的下面2个工序中必然发生。
1个是在对如图7(A)所示的电容元件的上电极26和下电极24的接触孔蚀刻后的基于氧等离子体的光刻胶去除工序时，另一个是在对如图7(B)所示的晶体管的漏极区域和源极区域21的接触孔蚀刻后的基于氧等离子体的光刻胶去除工序时。
对于前者的图7(A)所示的场合，借助于在光刻胶去除后在氧气氛下进行热处理，能使被还原的绝缘性金属氧化物再次氧化。但是，对于后者的图7(B)所示的场合，因简单地使用硅素使氧化通过晶体管的漏极区域和源极区域21的接触孔的表面氧化，所以，不能在氧气氛中进行热处理。
这样，在以往的半导体存储器中，为了进行对于白金表面的氢的催化反应，有不能抑制伴随着由绝缘性金属氧化物组成的电容膜的还原反应带来的电容元件的特性的劣化的课题。
本发明用于解决前述的课题，利用简单的结构能抑制对于在白金表面的氢的催化反应，因能防止伴随着由绝缘性金属氧化物组成的电容膜的还原反应带来的电容元件的特性的劣化，所以能得到具有优良特性的半导体存储器及其制造方法。
本发明的半导体存储器，包括
集成有源极区域、漏极区域和栅极组成的晶体管的半导体基板，
覆盖这种半导体基板的整个面的第1保护绝缘膜，
由形成在其第1保护绝缘膜上的下电极、绝缘性金属氧化物构成的电容膜、和上电极组成的数据存储用电容元件，
覆盖第1保护绝缘膜和电容元件的第2保护绝缘膜，
在第2保护绝缘膜上形成的、并且在连通上电极和下电极的接触孔的表面和上电极和下电极的露出面的整个面上形成的氢阻挡层，
在第1保护绝缘膜和第2保护绝缘膜上形成的、并且用于电气连接设置在连通晶体管的接触孔的电容元件和晶体管的布线层。
本发明的半导体存储器的制造方法，包括以下的工序：
形成第1保护绝缘膜，以便覆盖集成由源极区域、漏极区域和栅极组成的晶体管的半导体基板的整个面的工序，
形成由在第1保护绝缘膜上形成的下电极、由绝缘性金属氧化物组成的电容膜和上电极组成的数据存储用电容元件的工序，
形成覆盖第1保护绝缘膜和电容元件的整个面的第2保护绝缘膜的工序，
在第2保护绝缘膜上形成光刻胶，形成用于形成对上电极和下电极的接触孔的掩模图形的工序，
利用掩模图形，蚀刻第2保护绝缘膜，形成连通上电极和下电极的接触孔的工序，
利用氧等离子体去除光刻胶，然后进行热处理的工序，
在连通上电极的接触孔的表面和连通下电极的接触孔的表面以及上电极和下电极的露出面的整个面上形成氢阻挡层的工序，
在第2保护绝缘膜和氢阻挡层上形成光刻胶，形成用于在光刻胶上形成连通晶体管的接触孔的掩模图形的工序，
按照蚀刻图形，蚀刻第1绝缘保护膜和第2保护绝缘膜，形成连通晶体管的接触孔的工序，
利用氧等离子体，去除光刻胶的工序，
形成电气连接电容元件和晶体管的布线层的工序。
采用本发明，则在对上电极和下电极的接触孔形成后的利用氧等离子体的光刻胶去除时，即使在上电极和下电极的表面发生对于氢的催化反应，也能利用其后在氧化氛围下的热处理再次氧化电容膜，同时在对晶体管的接触孔形成后利用氧等离子体去除光刻胶时，由于使上电极表面和下电极表面不露出地形成氢阻挡层，因而不会发生上电极和下电极表面的对于氢的催化反应，不会使电容膜还原，所以能得到包括具有高可靠性的电容元件的半导体存储器。
图1表示本发明实施形态的半导体存储器的关键部分剖视图。
图2(A)～图2(C)表示本发明实施形态的半导体存储器的各工序剖视图。
图3是表示本发明实施形态的电容元件的电气特性的特性图。
图4是表示本发明实施形态的半导体存储器的电气特性的特性图。
图5表示以往的半导体存储器的部分剖视图。
图6(A)～图6(D)表示说明以往的半导体存储器的不良发生原理的结构原理剖视图。
图7(A)、图7(B)表示在以往的半导体存储器的制造方法中引起不良发生的工序的剖视图。
下面，参照图1和图2对本发明的实施形态进行说明。
如图2(A)所示，首先，形成第1保护绝缘膜3，以便覆盖由源极区域、漏极区域1和栅极2组成的晶体管集成的半导体基板的整个面。接着，在第1保护绝缘膜3上分别形成利用溅射法由白金组成的下电极4、利用有机金属分解法和溅射法由SrBi2(Ta1-xNbx)O9组成的电容膜5和利用溅射法由白金组成的上电极6。接着，利用干式蚀刻法将下电极4、电容膜5和上电极6加工成规定的形状，形成数据存储用电容元件。
接着，形成第2保护绝缘膜7，以便覆盖第1保护绝缘膜3和电容元件的整个面。接着，在第2保护绝缘膜7的整个面上形成光刻胶，按照设置在该光刻胶上的掩模图形，利用干式蚀刻法加工第2保护绝缘膜7，形成对上电极6的接触孔8和对下电极4的接触孔9。
接着，利用氧等离子体去除光刻胶，接着在氧气氛中进行650℃的热处理。
接着，如图2(B)所示，利用溅射法在基板整个面上形成作为氢阻挡层氮化钛，利用光刻法形成掩模图形、并使接触孔8的表面和上电极6的表面以及接触孔9的表面和下电极4的表面不露出，接着借助于利用干式蚀刻法加工成规定的形状，在接触孔8的表面和上电极6的表面上形成由氮化钛组成的氢阻挡层10和在接触孔9的表面和下电极4的表面上形成由由氮化钛组成的氢阻挡层11。
接着，如图2(C)所示，在第2保护绝缘膜7和氢阻挡层10、11的整个面上形成光刻胶，形成用于形成通过晶体管的接触孔的掩模图形。接着，借助于有选择地干式蚀刻第1保护绝缘膜3和第2保护绝缘膜7，形成通过晶体管的接触孔12，接着，利用氧等离子体去除光刻胶。
最后，为了电气地连接电容元件和晶体管，形成从下开始顺次地积层钛、氮化钛、铝、氮化钛的布线层13。
这样，采用本发明，则在对上电极6和下电极4的接触孔8、9形成后的利用氧等离子体的光刻胶去除时，即使在上电极和下电极的表面发生对于氢的催化反应，也能利用光刻胶去除后的氧气氛中的热处理，所以能再次氧化电容膜5。
此外，在通过晶体管的接触孔12形成后利用氧等离子体去除光刻胶时，因利用上部电极6和下部电极4的表面不外露的氢阻挡层10、11完全地覆盖接触孔8、9的表面、所以不会在上电极6和下电极4表面上发生对于氢的催化反应，不会使电容膜5还原。
这里，对比较以往的半导体存储器和本发明的半导体存储器的特性的结果进行说明。
图3是表示对应于图1所示的各位地址(横坐标轴)的电容元件的残留极化(纵坐标轴)的图。此外，地址号码从接近于通过下电极4的接触孔9的地方开始，定义为A0、A1、A2～An(参照图1)。
由图3可见，以往的半导体存储器在全部地址的电容元件中，如果残留极化为5μC/cm2则劣化显著。这是因为在上电极和下电极表面发生对于氢的催化反应，电容膜被还原的缘故。
接着，仅在通过上电极6的接触孔8上设置由氮化钛组成的氢阻挡层10的场合(图中b)，在接近于通过下电极4的接触孔9的地址A0和A1中，能见到残留极化的劣化。这是由于对于接触孔9内的下电极4的表面的对氢的催化反应，氢从接触孔9向横方向扩散，到达地址A0和A1的电容元件为止的结果，这是引发电容膜的还原的起因。
接着，在接触孔8的表面和接触孔9的表面上设置由氮化钛组成的氢阻挡层10、11的本发明的场合(图中c)，即使对全部地址也没有发现残留极化的劣化。这是因为能完全防止对于上电极6和下电极4的表面对氢的催化反应而导致电容膜被还原的缘故。
图4示出了对于本发明和以往的半导体存储器进行特性比较的结果。图4是对应于图1所示的各位地址(横坐标轴)的各地址的不良位发生率(纵坐标轴)的图。
首先，在以往的半导体存储器(图中a)的场合，因残留极化的劣化显著，所以全部地址都成为不良，其不良率达100％。接着，在仅对上电极6的接触孔8上设置由氮化钛组成的氢阻挡层10的半导体存储器(图中b)的场合，仅接近在通向下电极4的接触孔9附近的地址A0和A1发生不良。
接着，在本发明的半导体存储器(图中c)的场合，能达到全部地址都不良率0％。这表示电容元件的特性的影响与半导体存储器的特性密切地相关。
由前述实施形态可见，采用本发明的半导体存储器，则能得到具有高可靠性的电容元件的优良特性的半导体存储器。
此外，在本发明的半导体存储器的制造工序中，虽然在氧中用650℃进行光刻胶去除后的热处理，但如果温度在600℃到850℃的范围，则因电容膜可能氧化，所以能得到同样的效果。
此外，在前述各实施形态中，虽然用氮化钛作为氢阻挡层，但用对氢不会催化反应而且作为导电性材料的氮化钽、氧化铱、氧化钌和氧化铹的任何一种，或者对它们进行组合的积层膜，也能得到相同的效果。
此外，在前述实施形态中，虽然用SrBi2(Ta1-xNbx)O9作为电容膜，但用其以外的具有铋层状钙钛矿结构的强电介质、钛酸锆石酸铅、钛酸锶钡，或者5氧化钽，也能得到相同的效果。
此外，在前述实施形态中，虽然用白金作为上电极和下电极，但用铱、钌、铹的任何一种，或者含有它们相互组合的积层膜，也能得到相同的效果。
如前所述，采用本发明，则在半导体存储器的制造工序中，因能抑制在基于氧等离子体的光刻胶去除时发生的在上电极和下电极表面对于氢的催化反应，所以不会有由于电容膜还原反应导致的特性劣化，能用容易的方法得到具有更加优良特性的半导体存储器。
Claims (7)
1.一种半导体存储器，其特征在于，包括
集成有源极区域、漏极区域和栅极组成的晶体管的半导体基板，
覆盖这种半导体基板的整个面的第1保护绝缘膜，
由形成在所述第1保护绝缘膜上的下电极、绝缘性金属氧化物构成的电容膜、和上电极组成的数据存储用电容元件，
覆盖所述第1保护绝缘膜和所述电容元件的第2保护绝缘膜，
在所述第2保护绝缘膜上形成的、并且在连通所述上电极和所述下电极的接触孔的表面和所述上电极和所述下电极的露出面的整个面上形成的氢阻挡层，
在所述第1保护绝缘膜和第2保护绝缘膜上形成的、并且用于电气连接设置在连通所述晶体管的接触孔的所述电容元件和所述晶体管的布线层。
2.如权利要求1所述的半导体存储器，其特征在于，
所述氢阻挡层没有对于氢的催化反应性，并且由导电材料组成。
3.如权利要求1或2所述的半导体存储器，其特征在于，
所述氢阻挡层是氮化钛、氮化钽、氧化铱、氧化钌和氧化铹的任何一种，或者它们的积层膜。
4.如权利要求1所述的半导体存储器，其特征在于，
构成所述电容膜的绝缘性金属氧化物是具有铋层状钙钛矿结构的强电介质、钛酸锆石酸铅、钛酸锶钡，或者5氧化钽的任何一种。
5.如权利要求1所述的半导体存储器，其特征在于，
所述上电极和所述下电极是白金、铱、钌、铹的任何一种，或者它们的积层膜。
6.一种半导体存储器的制造方法，其特征在于，包括以下的工序：
形成第1保护绝缘膜，以便覆盖集成由源极区域、漏极区域和栅极组成的晶体管的半导体基板的整个面的工序，
形成由在所述第1保护绝缘膜上形成的下电极、由绝缘性金属氧化物组成的电容膜和上电极组成的数据存储用电容元件的工序，
形成覆盖所述第1保护绝缘膜和所述电容元件的整个面的第2保护绝缘膜的工序，
在所述第2保护绝缘膜上形成光刻胶，形成用于形成对所述上电极和所述下电极的接触孔的掩模图形的工序，
按照掩模图形，蚀刻所述第2保护绝缘膜，形成连通所述上电极和所述下电极的接触孔的工序，
利用氧等离子体去除所述光刻胶，然后进行热处理的工序，
在连通所述上电极的接触孔的表面和连通所述下电极的接触孔的表面以及所述上电极和所述下电极的露出面的整个面上形成氢阻挡层的工序，
在所述第2保护绝缘膜和所述氢阻挡层上形成光刻胶，形成用于在所述光刻胶上形成连通所述晶体管的接触孔的掩模图形的工序，
按照所述蚀刻图形，蚀刻所述第1绝缘保护膜和所述第2保护绝缘膜，形成连通所述晶体管的接触孔的工序，
利用氧等离子体，去除所述光刻胶的工序，
形成电气连接所述电容元件和所述晶体管的布线层的工序。
7.如权利要求6所述的半导体存储器的制造方法，其特征在于，
在包含氧的气氛中、在600℃～850℃的温度范围内，进行所述热处理。
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