JP2000174215A

JP2000174215A - 強誘電体集積回路及びその製造方法

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Publication number: JP2000174215A
Application number: JP11188826A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Miyasaka; 洋一宮坂; Akira Furuya; 晃古谷; Joseph Cuchiaro; クチアロジョセフ; Carlos Araujo; アロージョカルロス
Original assignee: NEC Corp; Symetrix Corp
Current assignee: NEC Corp; Symetrix Corp
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1999-07-02
Publication date: 2000-06-23
Anticipated expiration: 2019-07-02
Also published as: EP1017104A2; KR20000047540A; US6225656B1; KR100351025B1; CN1255751A; JP3970477B2; CN1158707C; EP1017104A3

Abstract

(57)【要約】【課題】強誘電体酸化物材料、特に、強誘電体層状超
格子材料を水素劣化から保護する。【解決手段】強誘電体集積回路中の保護層は、製造プ
ロセスの間に水素劣化に対する強誘電体酸化物材料を保
護するために、少量の酸素を含む。典型的には、保護層
は、強誘電体酸化物材料の薄膜を覆うために形成された
水素バリア層である。一つの方法では、少量の酸素は、
水素拡散バリアあるいは金属化配線層の堆積の間に、ス
パッター雰囲気中に含まれる。酸素は、水素が強誘電体
酸化物材料に向かって拡散するのを防止する酸化物を形
成する。酸化物は、保護層の内部の酸素濃度がゼロであ
り、かつ層の表面近くの酸素濃度が約２ウェイト・パー
セントであるように濃度勾配を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素の露呈に対し
て低い感度を有する強誘電体集積回路及びそのような回
路の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】強誘電体化合物は、アメリカ特許番号．
５，０４６，０４３号（ミラー）に記載されているよう
に、不揮発性の集積回路メモリの使用に当たって、好ま
しい特性を有する。コンデンサーのような強誘電体デバ
イスは、高残留分極、適度な抗電界、高疲労耐性、それ
に低漏洩電流のような所望の電気的特性を有するとき、
不揮発性メモリとして有用である。

【０００３】ＰＺＴ(ジルコン酸チタン酸鉛)、ＰＬＺＴ
（ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛）のような鉛含有
ＡＢＯ_３型強誘電体酸化物が、集積回路における実用化
のために研究されている。

【０００４】一方、層状超格子酸化物材料についても、
アメリカ特許番号５，４３４，１０２号（ミラー）に記
載されているように、集積回路における実用化のために
研究が行われている。層状超格子材料化合物は、ＰＺＴ
やＰＬＺＴ化合物の特性よりも優れた強誘電性メモリー
特性を示している。

【０００５】現在、強誘電体素子を有する集積回路デバ
イスが、製造されている。それにもかかわらず、製造過
程の間に生じる水素劣化に関する永続的な問題が、所望
の電子特性を有する層状超格子材料化合物を使用する強
誘電体メモリー及び他のＩＣの経済的生産を商業的数量
の点で妨げている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】集積回路における典型
的な強誘電体メモリーデバイスは、半導体基板と金属酸
化物電界効果トランジスター(MOSFET)を含んでいる。こ
のトランジスターは、通常は、強誘電体コンデンサーの
ような強誘電体デバイスと電気的に接続されている。

【０００７】この強誘電体コンデンサーは、典型的に
は、第１の下部電極と第２の上部電極との間に位置する
強誘電体薄膜を含み、これらの電極は、典型的には、プ
ラチナを含んでいる。

【０００８】回路の製造中には、ＭＯＳＦＥＴは、シリ
コン基板中に欠陥を生じさせるような条件下に置かれて
いる。例えば、ＣＭＯＳ／ＭＯＳＦＥＴの製造プロセス
は、普通は、イオンミリング・エッチングやプラズマ・
エッチングのような高エネルギー工程を含んでいる。こ
のような欠陥は、比較的高い温度（多くは、５００℃−
９００℃の範囲内）で強誘電体薄膜を結晶化する熱処理
の間にも生じる。

【０００９】この結果、多くの欠陥が、半導体シリコン
基板の単結晶構造中に発生する。これは、ＭＯＳＦＥＴ
の電子特性の悪化につながる。ＭＯＳＦＥＴ／ＣＭＯＳ
のシリコン特性を回復するために、通常は、製造工程中
に水素アニール工程が実施される。このアニール工程に
おいて、ダングリングボンドのような欠陥は、水素の還
元特性を利用することにより消失する。

【００１０】ここで、フォーミングガス・アニール（Ｆ
ＧＡ）のような水素アニールを実現するために、種々の
技術が開発されている。

【００１１】一般的に、従来から、ＦＧＡ処理は、Ｈ_２
−Ｎ_２ガス混合体の雰囲気条件の下、３５０℃から５５
０℃の間、典型的には、４５０℃近辺で、約３０分間行
われている。さらに、集積回路製造プロセスは、他の製
造工程、つまり、集積回路をしばしば高温で水素に曝す
工程を必要とする。この工程は、金属や誘電体を堆積す
るための豊富な水素を有するＣＶＤプロセスや、シラン
あるいはＴＥＯＳ源からの酸化シリコンの成長や、水素
や水素プラズマを使用したエッチング処理などである。

【００１２】水素を含むプロセスの間、水素は、主に、
上部電極を通って強誘電体薄膜まで拡散するが、コンデ
ンサーの側端からも拡散し、強誘電体材料に含まれてい
る酸化物を還元する。また、この吸収された水素は、金
属酸化物と還元することによって、強誘電体薄膜の表面
を金属化する。これらの効果の結果として、コンデンサ
ーの電子特性は劣化する。

【００１３】フォーミングガス・アニール（ＦＧＡ）後
の強誘電体特性の残留磁化は大変低く、もはや情報を記
憶するのに適さない。また、漏れ電流の増加も生じさせ
る。

【００１４】また、上部電極への強誘電体薄膜の付着力
は、界面で生じる化学変化によって弱められる。あるい
は、上部電極は、酸素ガス、水、酸化還元反応による他
の生成物によって、押し上げられる。このようにして、
上部電極と強誘電性薄膜との間の界面で、「剥がれ」が
生じ易くなる。さらに、水素は下部電極にも達し、容量
を基板から剥がすような内部応力をも生じさせる。

【００１５】これらの問題は、層状超格子材料化合物を
含む強誘電体メモリーにおいて深刻である。なぜなら、
こられの酸化化合物は、特に複雑であり、かつ、水素還
元による性能低下を生じやすいからである。

【００１６】強誘電体デバイスにおいて遭遇する関連し
た問題は、製造プロセスの結果として異なった回路層中
及び回路層間に生じる応力である。強誘電体化合物は、
金属酸化物を含む。還元反応の生産物は、強誘電体素子
の全体的な堆積の増加を起こさせる。この結果として、
強誘電体薄膜は、その上層に上方への圧力を及ぼす。

【００１７】強誘電体酸化物材料における所望の電子特
性の水素劣化を防止しあるいは修復させるために、従来
技術において、様々な方法が報告されている。

【００１８】高温（８００℃）で約一時間の酸素回復ア
ニールは、事実上、水素処理により劣化した強誘電体特
性を完全に回復させる。しかし、高温酸素アニール自体
は、シリコン結晶構造において、欠陥を発生させる可能
性がある。これにより、以前に実施されたＣＭＯＳ特性
上のフォーミングガス・アニールの積極的な効果が幾分
相殺される。また、高温酸素アニールは、アルミニウム
の金属化に先行してのみ実施されるかもしれない。

【００１９】さらに、水素ダメージが、「剥がれ」のよ
うな強誘電体デバイスへの構造上のダメージ既に生じさ
せているのならば、回復アニールによって、そのダメー
ジを効果的に修復させることはできない。

【００２０】水素熱処理の有害な効果を減少させて強誘
電体金属酸化物要素を保護するために、従来技術では、
強誘電体あるいは誘電体材料への水素の拡散を防止する
ために、水素バリア層を付着あるいは接着することをが
提案されている。この水素バリア層は、典型的には、強
誘電体素子の上側に付着されるが、その素子の下側また
は側面に付着されることもある。典型的には、水素バリ
ア層は、水素拡散を防止するのに、完全に効果的ではな
い。このように、水素拡散バリアが使用されたとして
も、通常、構造上のダメージが強誘電体素子中に生じ、
水素が強誘電体層中に達し、強誘電体材料の強誘電体特
性を劣化させる。

【００２１】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決するためになされたものであり、その目的とする
ところは、強誘電体酸化物材料、特に、強誘電体層状超
格子材料を水素劣化から保護するために使用される種々
の対策の利点を強化した強誘電体メモリーデバイスを有
する集積回路及びそのような集積回路の製造方法を提供
することにある。さらに、集積回路及びその製造方法の
複雑化を最小限にすることをも目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の一実施形態によれば、強誘電体集積回路に
おいて、強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分
と、保護層とを有し、この保護層は、少量の酸素を含有
する。

【００２３】ここで、前記保護層は、下部領域、中央領
域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で
酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸
素濃度はゼロであり、前記下部領域の酸素濃度は１から
３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域
の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内に
ある。

【００２４】また、前記下部及び上部領域の酸素濃度
は、約２ウェイト・パーセントであるのが好ましい。

【００２５】また、前記保護層は、水素バリア層である
ことが望ましい。

【００２６】前記水素バリア層は、前記強誘電体酸化物
材料の薄膜の直接上に設けられている。

【００２７】ここで、前記水素バリア層は、電気的に導
電性を有する。

【００２８】また、前記強誘電体酸化物材料の薄膜と水
素バリア層とは、自己整合的である。

【００２９】前記水素バリア層は、窒化チタンを含有す
るのが好ましい。

【００３０】また、前記水素バリア層は、窒化シリコン
を含有しても良い。

【００３１】さらに、前記強誘電体酸化物材料は、強誘
電体層状超格子材料を有することが好ましい。

【００３２】前記強誘電体層状超格子材料は、ストロン
チウム・ビスマス・タンタル・ニオブ酸塩を有する。

【００３３】また、前記強誘電体層状超格子材料は、ス
トロンチウム・ビスマス・タンタル酸塩を有しても良
い。

【００３４】また、前記保護層は、金属化配線層を有す
る。

【００３５】前記金属化配線層は、アルミニウムを含有
するのが好ましい。

【００３６】前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面を
有し、前記保護層は前記横側面を覆う。

【００３７】ここで、前記保護層は、下部領域、中央領
域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で
酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸
素濃度はゼロであり、前記下部領域の酸素濃度は１から
３ウェイト・パーセントの範囲内にあり、前記上部領域
の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセントの範囲内に
ある。

【００３８】前記下部及び上部領域の酸素濃度は、約２
ウェイト・パーセントであるのが望ましい。

【００３９】また、前記保護層は、水素バリア層を有す
ることが好ましい。

【００４０】前記強誘電体酸化物材料は、強誘電体層状
超格子材料を有することが望ましい。

【００４１】

【発明の実施の形態】本発明は、強誘電体集積回路の少
なくとも一つの保護層が少量の酸素を含有する集積回路
を提供することによって、上記問題点を解決する。

【００４２】この保護層は、水素バリア層、金属化配線
層または、他の層あるいは強誘電体集積回路の構成要素
であっても良い。本発明の強誘電体集積回路は、通常
は、少量の過剰酸素を含有する水素バリア層、あるいは
少量の過剰酸素を含有する金属化配線層、あるいはその
両者を有する。本発明は、少量の酸素を含有する水素バ
リア層と金属化配線層を形成するための方法をも提供す
る。

【００４３】本発明によれば、保護層中の少量の酸素
は、水素劣化から強誘電体酸化物材料を保護するために
酸化物を形成する。保護層中に存在する酸化物は、水素
が強誘電体材料中に拡散しないように、水素と反応する
ことによって強誘電体酸化物を保護する。さらに、強誘
電体回路素子の直接上に設けられた水素バリア層中の酸
化物の形成は、下方へ圧縮応力を働かせる。強誘電体材
料中の水素による酸化物の還元及び強誘電体素子中の他
の水素反応は、上方向に圧力を生じさせ、これが薄膜が
基板から剥がれる原因となる。

【００４４】酸化物形成の結果として下方に水素バリア
層によって及ばされる圧縮応力は、下層の強誘電体薄膜
により及ぼされる上方の応力と釣り合う。これにより、
水素バリア中の酸化物は、コンデンサーの積層を失敗さ
せずに、応力平衡状態に置く。

【００４５】本発明の一つの特徴は、保護層の表面近く
の少量の酸化物の存在である。この酸化物は、水素の
“ゲッター”として作用する。その表面近くの保護層の
領域中の少量の酸化物は、層の電気的導電性を大きく減
少させることはない。

【００４６】好ましくは、保護層は、強誘電体素子の直
接上に設けられた水素バリア層を有する。水素バリア層
は、水素バリア層が電気的に導電性を有するならば、チ
タンあるいはシリコンの窒化物を有するのが望ましい。

【００４７】本発明のもう一つの特徴は、強誘電体素子
の直接上に設けられた金属化配線層中の少量の酸素の存
在である。この酸化物は、金属化配線層の表面近くの領
域中に設けられている。金属化配線層は、アルミニウム
を含有する。

【００４８】本発明の他の特徴は、強誘電体素子の横側
面を覆う少量の酸素を含有する保護層である。

【００４９】本発明のさらに他の特徴は、層中に酸素勾
配が存在し、かつ層の内部には酸素が存在しないように
保護層を形成することにある。酸素濃度は、保護層の表
面近くで、約２ウェイト・パーセントであるのが好まし
い。通常は、保護層は、水素バリア層あるいは金属化配
線層を有する。保護層が、金属やセラミック材料のよう
な多くの結晶粒子（クリスタル・グレイン）を含むポリ
シリコン材料を有するならば、少量の酸素は粒子境界
（グレイン・バンダリィ）を装飾（デコレイト）するの
に丁度充分である。

【００５０】本発明のさらなる特徴は、その中に形成さ
れる酸化物によって生じる、少量の酸化物を含有する水
素バリア層による下方への圧力の作用である。下方への
圧力は、水素反応の結果として強誘電体中の層によって
及ばされる上方への圧力と均衡する。

【００５１】本発明のさらなる特徴は、保護層のスパッ
ター堆積中に、少量の可変量の酸素がスパッタリング・
ガス雰囲気に添加され、この結果、酸素が層の表面近く
の領域には含まれるが、層の中央領域には含まれないよ
うな製造方法にある。

【００５２】本発明の多くの他の特徴、目的及び利点
は、添付図面を参照することにより、以下の記載から明
らかになるであろう。

【００５３】

【実施例】まず、最初に、理解すべきことは，集積回路
デバイスの製造工程を示す図１−３は、実際の集積回路
デバイスの平面あるいは断面には必ずしも対応していな
いことである。つまり、実際のデバイスでは、層は規則
的ではないだろうし、その厚さも、異なる比率を有する
かもしれない。実際のデバイスにおいては、種々の層
は、多くの場合曲がっていたり、オーバーラップする端
部を有する。

【００５４】代わりに、図面は、本発明の構造と方法が
より明瞭にかつ十分に記載された理想的な代表例を示し
ている。また、図面は、本発明の方法を使用して製造さ
れ得る強誘電体デバイスの多数のバリエーションの中の
一つを示しているに過ぎないことにも注意すべきであ
る。

【００５５】図１−３は、強誘電体コンデンサーと電気
的に接続される電界効果トランジスター型のスイッチを
含む強誘電体メモリーを示している。

【００５６】しかし、強誘電体素子がスイッチ素子に取
り込まれた強誘電体ＦＥＴメモリーにも、本発明の方法
を使用可能である。このような強誘電体ＦＥＴは、アメ
リカ特許番号５，５２３，９６４号（ＭｃＭｉｌｌａ
ｎ）に開示されている。同様に、本発明の方法を使用し
て製造された他の集積回路は、他の構成素子および材料
組成を有することも可能である。

【００５７】図１を参照すると、本発明によって製造さ
れ得る典型的な不揮発性強誘電体メモリーセル１７０の
断面図が示されている。

【００５８】ＭＯＳＦＥＴと強誘電体コンデンサー素子
を含む集積回路を製造するための一般的な製造工程は、
アメリカ特許番号５，４６６，６２９（Ｍｉｈａｒａ）
とアメリカ特許番号５，４６８，６８４（Ｙｏｓｈｉｍ
ｏｒｉ）に記載されており、他の製造方法についても、
他の参考文献に記載されているので、図１の集積回路の
構成要素については、ここでは、簡単に説明するにとど
めておく。

【００５９】図１において、フィールド酸化領域１０４
が、シリコン基板１０２の表面に形成されている。ソー
ス領域１０６及びドレイン領域１０８が、シリコン基板
１０２内に、互いに分離された状態で形成されている。
また、ゲート絶縁層１１０が、シリコン基板１０２上で
あって、かつソース及びドレイン領域１０６，１０８の
間に形成されている。さらに、ゲート電極１１２が、ゲ
ート絶縁層１１０上に形成されている。これらのソース
領域１０６、ドレイン領域１０８、ゲート絶縁層１１
０、それにゲート電極１１２によって、ＭＯＳＦＥＴ１
１４が構成される。

【００６０】さらに、ＢＰＳＧ（ボロンドープド・ホス
ホ・シリケイトガラス）によって形成された第１の層間
誘電体層（ＩＬＤ）１１６が、基板１０２上であって、
かつフィールド酸化領域１０４の上に形成されている。
さらに、付着（接着）層１１８がＩＬＤ１１６の上に形
成されている。付着層１１８は、例えば、チタンから成
り、典型的には、２００Åの厚さを有する。チタンのよ
うな付着層は、回路の隣接する下地層あるいは下部層へ
の電極の付着（接着）を強化する。

【００６１】図１に記載されているように、プラチナか
ら成り、好ましくは、２０００Åの厚さを有する下部電
極層１２２が、付着層１１８の上に堆積されている。そ
れから、強誘電体薄膜１２４が、下部電極層１２２の上
に形成されている。プラチナから成り、かつこのましく
は、２０００Åの厚さを有する上部電極が１２６が、強
誘電体薄膜１２４の上に形成されている。強誘電体薄膜
１２４の組成については、以下に、より詳細に説明され
る。

【００６２】保護層、この場合には、電気的に導電性を
有する水素バリア層１３０が、上部電極１２６上に堆積
される。水素バリア層１３０は、窒化チタンを有するの
が好ましい。本発明によれば、水素バリア層１３０は、
その頂部及び底部表面近くに少量の酸素を含有する。

【００６３】図１において、層１３０の底部表面の近く
の下部領域１３１に描写された点線が、少量の酸素を表
わす。同様に、層１３０の頂部表面の近くの上部領域１
３３に描写された点線が、少量の酸素を示す。水素バリ
ア層１３０は、結晶粒子を有するのが好ましい。好まし
くは、水素バリア層１３０には、酸素の濃度勾配が存在
する。これにより、層１３０の中央領域１３２の酸素の
ウエイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３０の
下部及び上部での領域１３１，１３３において、約１か
ら３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内
の値に、次第に増加する。

【００６４】水素バリア層１３０の下部の領域１３１
は、層１３０の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方
に、底部表面から延びている。同様に、水素バリア層１
３０の上部の領域１３３は、層１３０の全体の厚さの約
１０−２０％だけ下方に、頂部表面から延びている。酸
素濃度は、領域１３１，１３３において、ウェイトで約
２パーセント（２％）であるのが好ましい。少量の酸素
は、領域１３１と１３３中の粒子境界（グレイン・バン
ダリィ）を装飾（デコレイト）するのに丁度充分であ
る。

【００６５】粒子境界に位置するＴｉＯＮは、粒子境界
の水素拡散の活性化エネルギーを増加させ、これによ
り、層を通しての水素の拡散を防止すると信じられてい
る。しかしながら、少量の酸素は、電気的に導電性を有
する水素バリア層１３０の導電性を実質的には減少させ
ることはない。

【００６６】それから、層の積層物は、自己整合された
水素バリア１３０によって覆われた積層メモリーコンデ
ンサー１２０を形成するために、二度のパターンニング
処理という少ない処理で、パターンニングされる。

【００６７】図１に示されているように、層１２４，１
２６それに１３０の部分は、層１２２の表面まで、エッ
チングにより取り去られる。それから、層１２２と層１
１８の部分は、層１１６の表面まで、エッチングにより
取り去られる。これらのパターンニング処理によって、
自己整合された水素バリア層１３０により覆われる積層
強誘電体コンデンサー１２０が形成される。

【００６８】ＮＳＧ（ノンドープド・シリケイトガラ
ス）から成る第２の層間誘電体層（ＩＬＤ）１３６が、
ＩＬＤ層１１６，強誘電体コンデンサー１２０及び水素
バリア層１３０を覆うように堆積される。ＰＳＧ（ホス
ホ・シリケートガラス）膜あるいはＢＰＳＧ（ボロン・
ホスホ・シリケートガラス）膜が、層１３６においても
使用され得る。

【００６９】ＩＬＤ１３６は、ＭＯＳＦＥＴ１１４及び
強誘電体コンデンサー１２０との電気的接触のための配
線穴を形成するためにパターンニングされる。配線穴１
４２が、ソース領域１０６を露出するように、ＩＬＤ１
３６及びＩＬＤ１１６を介して選択的に開口され、さら
に、配線穴１４４が、ドレイン領域１０８を露出するよ
うに、ＩＬＤ１３６及びＩＬＤ１１６を介して選択的に
開口される。

【００７０】また、配線穴１４６が、下部電極１２２の
一部分を露出するように、ＩＬＤ１３６を介して選択的
に開口される。さらに、配線穴１４８が、水素バリア層
１３０を露出するように、ＩＬＤ１３６を介して選択的
に開口される。

【００７１】そして、ソース電極配線１５２及びドレイ
ン電極配線１５４が、配線穴１４２と１４４をそれぞれ
埋めることにより形成される。さらに、下部電極配線１
５６と上部電極配線１５８が、配線穴１４６と１４８と
をそれぞれ埋めることにより形成される。ドレイン電極
配線１５４は、下部電極配線１５６と電気的に接続され
ており、同じ配線要素であるのが好ましい。これらの配
線１５２，１５４，１５６それに１５８は、約３０００
Åの厚さで、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕの標準的な相互配線金属
から成るのが好ましい。

【００７２】強誘電体素子、例えば、図１中のコンデン
サーの製造は、従来から、スイッチ１１４や集積回路中
の他の素子を損傷させる恐れのある酸化条件を有する工
程を含む。強誘電体素子が形成された後に、通常は、回
路の水素熱処理が、スイッチの酸素ダメージを回復する
ために実施される。

【００７３】水素処理だけでなく他の高エネルギー工程
の間に、強誘電体薄膜１２４の強誘電体特性は、劣化す
る傾向にある。なぜなら、水素が強誘電体薄膜１２４中
に拡散し、強誘電体薄膜１２４が有する強誘電体酸化物
とそこで反応するからである。

【００７４】通常は、強誘電体素子の直接上に設けられ
た水素拡散バリアにより、水素拡散が防止され、これに
より、強誘電体酸化物の水素劣化が防止される。

【００７５】それにもかかわらず、典型的な水素拡散バ
リアは、強誘電体酸化物の水素劣化を完全には防止する
ことができない。そこで、水素バリア層１３０中の少量
の酸素の存在が、水素拡散を防止するための水素バリア
層１３０の能力を強化する。

【００７６】図２は、図１に描写された実施例と類似し
た本発明の変形例の断面図である。本実施例では、メモ
リーセル１７５の金属化配線層１６０は、底部表面の近
くの下部領域１６１中と、頂部表面の近くの上部領域１
６３中とで、少量の酸素を含有する。金属化配線層中に
は、酸素の濃度勾配が存在するのが好ましい。この結
果、層１６０の中央領域１６２の酸素のウェイトによる
濃度はゼロであり、酸素濃度は、層１６０の底部及び頂
部表面の近くの領域１６１，１６３において、約１から
３ウエイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の
値に次第に増加する。酸素濃度は、領域１６１，１６３
において、ウェイトで約２パーセント（２％）であるの
が好ましい。

【００７７】金属化配線層１６０の下部の領域１６１
は、層１６０の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方
に、底部表面から延びている。同様に、金属化配線層１
６０の上部の領域１６３は、層１６０の全体の厚さの約
１０−２０％だけ下方に、頂部表面から延びている。少
量の酸素は、領域１６１と１６３中の粒子境界（グレイ
ン・バンダリィ）を装飾するのに丁度充分である。粒子
境界に位置するＴｉＯＮは、粒子境界の水素拡散の活性
化エネルギーを増加させ、これにより、層を通しての水
素の拡散を防止すると信じられている。しかしながら、
少量の酸素は、金属化配線層１６０の導電性を実質的に
は減少させることはない。金属化配線層１６０は、アル
ミニウムを有するのが好ましい。

【００７８】集積回路は、強誘電体薄膜の直接上に設け
られた酸素を含有する水素バリア層と、酸素を含有する
金属化配線層の両方を有するのが望ましい。しかし、本
発明の一実施例では、集積回路は、酸素を含む金属化配
線層及び酸素を含まない水素バリア層を含む。

【００７９】また、他の実施例では、集積回路は、酸素
を含む水素バリア層及び酸素を含まない金属化配線を含
む。さらに他の実施例では、金属化配線層あるいは水素
バリア層ではない強誘電体集積回路の少なくとも一つの
構成層あるいは構成要素が、少量の過剰酸素を含む。

【００８０】図３に示されているように、代替的な好ま
しい実施例では、強誘電体メモリーセル１８０中の電気
的に導電性を有しない水素バリア層１３５が、積層コン
デンサーの上部と側部とを覆っている。図３に描写され
ているように、下部電極層１２２は横側面１２３を有
し、強誘電体薄膜１２４は横側面１２５を有し、さら
に、上部電極１２６は横側面１２７を有する。横側面１
２３，１２５及び１２７は、一緒に、積層コンデンサー
１２０の横側面を形成する。

【００８１】強誘電体薄膜１２４の直接上に設けられた
水素バリア層の部分は、水素の大部分が上部電極層１２
６を通って強誘電体薄膜中に垂直に拡散するのを防止す
る。しかし、強誘電体層に通常に拡散する一部の水素
は、層の側面から横方向に拡散する。横側面１２３，１
２５及び１２７を覆う水素バリア層１３５の部分は、水
素がコンデンサー１２０の横側面から強誘電体薄膜１２
４に向かって横方向に拡散するのを防止する。

【００８２】本発明によれば、水素バリア層１３５は、
底部内部表面の近くの下部領域１３７中及び頂部外部表
面の近くの上部領域１３９中とで、少量の酸素を含有す
る。水素バリア層１３５の底部の領域１３７は、層１３
５の全体の厚さの約１０−２０％だけ上方に、底部表面
から延びている。同様に、水素バリア層１３５の頂部の
領域１３９は、層１３５の全体の厚さの約１０−２０％
だけ下方に、頂部表面から延びている。

【００８３】図３において、領域１３７と１３９に描写
された点線が、少量の酸素を表わす。水素バリア層１３
５は、結晶粒子を有するのが好ましい。好ましくは、水
素バリア層１３５には、酸素の濃度勾配が存在する。こ
れにより、層１３５の中央領域１３８の酸素のウェイト
による濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３５の表面の領
域１３７，１３９において、約１から３ウエイト・パー
セント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加
する。領域１３７，１３９中の酸素濃度は、表面でウェ
イトで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。

【００８４】本実施例では、配線穴１４６と１４８と
が、強誘電体コンデンサー１２０と電気的に接触するめ
たに、電気的に非導電性の水素バリア層１３５を介して
開口されなければならない。

【００８５】別の実施例（図示せず）では、電気的に非
導電性の水素バリア層がコンデンサー１２０の横側面を
覆い、一方、電気的に導電性の水素バリア層が、強誘電
体薄膜１２４のに直接上に設けられる。

【００８６】ここで、“基板”とは、集積回路が形成さ
れる下地ウエハー１０２だけでなく、ＢＰＳＧ層１１６
のような薄膜が堆積される対象物をも意味する。本明細
書では、“基板”とは、関係する層が適用される対象を
意味する。例えば、１２２のような下部電極を例に取る
と、基板は、下部電極層１２２だけでなく、電極１２２
がその上に形成される層１１８及び１１６をも意味す
る。

【００８７】ここでは、“上”、“頂部”、“上部”
“下”、“底”、“下部”という表現は、シリコン基板
１０２に対する相対的な意味で使用している。すなわ
ち、第２の要素が第１の要素の“上”にあるならば、そ
れは、基板１０２からより離れていることを意味する。
そして、それが他の要素よりも“下”にあるのならば、
それが他の要素よりも基板１０２により近いことを意味
する。

【００８８】基板１０２の長寸法は、ここでは、“水
平”面とみなされる平面と定義され、この面に直角方向
は“垂直”であるとみなされる。

【００８９】本明細書中の“保護層”という用語は、水
素劣化に対して強誘電体酸化物材料を保護するための少
量の酸素を含む強誘電体集積回路の層あるいは他の構成
要素に関る。“保護層”という用語は、少量の過剰酸素
を含有する水素バリア層及び少量の過剰酸素を含有する
金属化配線層を含む。

【００９０】“水素バリア層”という用語は、その層が
過剰の酸素を含有しない場合であったとしても、不可避
的に水素に対するバリアである材料を含有する層を意味
する。例えば、窒化チタンを主に含有する層が酸素を全
く含有していないとしても、それは水素拡散に対するバ
リアである。しかしながら、少量の酸素の存在は、窒化
チタンの拡散バリア特性を強化する。

【００９１】本明細書は、強誘電体材料の薄膜上に直接
形成されている保護層に言及している。“直接上”によ
っては、保護層が、図１−３中で、垂直方向において強
誘電体薄膜の少なくとも一部分上にあることを意味す
る。例えば、図１において、水素バリア層１３０は、強
誘電体薄膜１２４の直接上にある。また、水素バリア層
１３０は、たとえ配線層１５６と接触する下部電極１２
２の一部上にはないとしても、下部電極層１２２の上に
直接設けられていることになる。

【００９２】“直接上に”という用語は、保護層が強誘
電体層と直接接触していることを意味しない。保護層
は、強誘電体層と接触していも良いし、接触していなく
ても良い。保護層が、強誘電体層の一部上に直接存在し
さえすれば、保護層は、水素拡散からその部分を保護す
るであるう。

【００９３】強誘電体素子が、水平及び垂直に関連した
変化する方向で製造されることは明らかである。例え
ば、強誘電体薄膜が、垂直平面にあるのならば、“横”
という言葉は、垂直方向に関係し、“直接上に”は、薄
膜の垂直平面に垂直な方向に関係するだろう。

【００９４】“上”という用語は、下地基板あるいは層
上への集積回路層の堆積あるいは形成に言及していると
き、、明細書中でしばしば使用される。“直接上に”と
は対照的に、“上”という用語は、通常、直接接触を意
味している。このことは、その用語が使われている種々
の内容から明らかにされるであろう。

【００９５】“少量”という用語及び類似する用語は、
集積回路の薄膜、層あるいは他の構成要素に含まれてい
る酸素に言及するために、本明細書中で使用されてい
る。“少量”は、指定された薄膜、層あるいは構成要素
の全体のウエイトの３ウェイト・パーセント（３％ｗ
ｔ．）を超えない過剰の酸素の量を意味する。

【００９６】本発明では、示された構成要素の主要な材
料は、典型的には、酸化物あるいは他の化合物、例え
ば、一つのタイプの水素バリア層では主要な窒チタン材
料を含有する他の酸素を有しない。しかし、強誘電体酸
化物材料に言及するならば、“少量”は、主要な強誘電
体酸化物中に含まれる化学量論的に均質化された量の過
剰の酸素量を意味する。

【００９７】“薄膜”という用語は、集積回路分野で使
われているような意味でここでも使用される。普通は、
厚さにおいて、ミクロン以下の膜を意味する。ここで開
示されている薄膜は、すべての場合において、厚さにお
いて、０．５ミクロン以下である。強誘電体薄膜１２４
の場合には、１０００Åから３０００Åの厚さが好まし
く、もっとも好ましいのは、１２００Åから２５００Å
の厚さである。集積回路技術のこれらの薄膜は、集積回
路技術と関係しないまったく異なるプロセスで形成され
る巨視的コンデンサーのような積層型コンデンサーと混
同されるべきではない。

【００９８】強誘電体薄膜１２４の組成は、特に限定は
されないが、好ましい強誘電体酸化物材料のグループか
ら選択されることが可能である。例えば、強誘電体材料
は、チタン酸塩（ＢａＴｉＯ_３，ＳｒＴｉＯ_３，ＰｂＴ
ｉＯ_３（ＰＴ），ＰｂＺｒＴｉＯ_３（ＰＺＴ）など），
ニオブ酸塩（ＫＮｂＯ_３など）のようなABO_３型金属酸
化物ペログスカイト構造のもの、さらには、層状超格子
材料によって形成される。

【００９９】１９９６，５月２１日に発行されたアメリ
カ特許番号５，５１９，２３４号には、ストロンチウム
・ビスマス・タンタル酸塩のような層状超格子化合物
が、従来の最良の材料に比べて強誘電体分野において優
れた特性を有すること、さらに、高誘電率および低漏洩
電流を有することが開示されている。

【０１００】１９９５，７月１８日に発行されたアメリ
カ特許番号５，４３４，１０２号及び１９９５，１１月
２１日に発行されたアメリカ特許番号５，４６８，６８
４号には、実際の集積回路にこれらの材料を集積化する
ためのプロセスを開示している。この層状超格子材料
は、一般的には、下記の化学式（１）の下に要約され
る。

【０１０１】

【化１】ここで、Ａ１，Ａ２．．．Ａｊは、プロブスカイト状構
造においてＡ−サイト元素を表わす。このＡ−サイト元
素は、ストロンチウム、カルシウム、バリウム、ビスマ
ス、鉛、その他の元素であっても良い。

【０１０２】Ｓ１，Ｓ２．．．Ｓｋは、超格子生成元素
を表わす。ここで、超格子生成元素は、通常は、ビスマ
スであるが、イットリウム、スカンジウム、ランタン、
アンチモン、クロム、タリウム、それに＋３の原子価を
持つ他の要素であっても良い。

【０１０３】ここで、Ｂ１，Ｂ２．．．Ｂｌは、ペロブ
スカイト状構造においてＢ−サイト元素を表わす。この
Ｂ−サイト元素は、チタン、タンタル、ハフニウム、タ
ングステン、ニオブ、ジルコニウム、さらに他の元素で
あっても良い。

【０１０４】Ｑは、アニオン（陰イオン）をあらわす。
アニオンは、一般的には、酸素であるが、フッ素、塩
素、オキシフルーオライド、オキシクロライドのような
これらの元素の複合物のような他の要素であっても良
い。化学式（１）の上付文字は、それぞれの元素の原子
価を示し、下付文字は、化合物の１モルにおける材料の
モル数を示しており、単位セルとの関係で、平均として
の単位セル中の元素の原子数を示している。

【０１０５】ここで、下付文字は、整数あるいは分数を
取る。すなわち、化学式（１）は、単位セルが、材料
（平均すると、Ｓｒ．_７５Ｂａ．_２５Ｂｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９
など）を通して変化する場合を含んでいる。この例の場
合は、Ａ−サイトの７５％は、ストロンチウム原子によ
って占有されており、Ａ−サイトの２５％は、バリウム
原子によって占有されている。

【０１０６】化合物において、一つのＡ−サイトのみが
存在するのならば、それは、Ａ１元素とすべてゼロに等
しいｗ２．．．ｗｊによって表わせる。一方、化合物中
に、一つのＢ−サイト元素のみが存在するのならば、そ
れは、Ｂ１元素とすべてゼロに等しいｙ２．．．ｙｌと
によって表わされ、超格子生成元素と同様に表わせる。

【０１０７】化学式（１）は、より一般的な形式で記載
されているけれども、通常ケースは、一つのＡ−サイト
元素と、一つの超格子生成元素と、一つまたは二つのＢ
−サイト元素が存在する。というのは、本発明は、上記
サイトのいずれかと超格子発生体とが複合要素を有する
場合を含むように意図されているからである。

【０１０８】ｚの値は、次式から求められる。

【０１０９】（２）（ａ１ｗ１＋ａ２ｗ２．．．ａｊｗ
ｊ）＋（ｓ１ｘ１＋ｓ２ｘ２．．．＋ｓｋｘｋ）＋（ｂ
１ｙｉ＋ｂ２ｙ２．．．＋ｂｌｙｌ）＝２ｚ化学式（１）は、１９９６，５月２１日に発行されたア
メリカ特許番号５，５１９，２３４号において議論され
ているすべての三つのスモレンスキ型化合物を含んでい
る。層状超格子材料は、公式（１）に合致する材料を全
て含むわけではなく、明瞭に区別し得る交互層を有する
結晶構造を自然に形成できる材料のみを含む。

【０１１０】使用されている“化合物”という言葉は、
等価な分子がすべて、同じ化学元素及び構造を有する同
質の対象物に正確に関連している。“材料”という用語
は、異なった組成の分子を有していても良い。例えば、
層状超格子材料であるストロンチウム・ビスマス・タン
タル・ニオブ酸塩は、二つの異なった種類の分子、タン
タルとニオブ、が結晶構造のＢ−サイト位置を様々に占
有する相互接続された結晶格子を有する。それにもかか
わらず、“層状超格子材料”，“層状超格子化合物”、
及び“層状超格子材料化合物”という用語が、本明細書
中で事実上交互に使用されており、その意味は文脈より
明らかにされる。

【０１１１】ここでは、“化学量論的”とは、層状超格
子材料のような材料の固相膜、材料を形成するための前
駆体の両方に適用される。それが、固相膜に適用される
とき、最後の固相薄膜の各元素の実際の相対量を示す式
に関係する。前駆体に適用されるときには、前駆体にお
いて、金属のモル比を示す。“つり合った”化学量論的
式は、占められた結晶格子のすべてのサイトで、各元素
が材料の完全な結晶構造を形成するようにすべてのサイ
トを占有するに十分な元素が存在する状態である。しか
し、現実には、室温で、必ず格子欠陥は存在するであろ
う。

【０１１２】例えば、ＳｒＢｉ_２ＴａＮｂＯ_９とＳｒＢ
ｉ_２Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９は、つり合った化学
量論的式である。対照的に、ストロンチウム、ビスマ
ス、タンタル、ニオブのモル比が、それぞれ、１，２．
１８，０．５６であるストロンチウム、ビスマス、タン
タル、ニオブ酸塩の前駆体は、不均一な化学量論的式Ｓ
ｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９によっ
て表わされる。これは、完全なる結晶材料を形成するた
めに必要とされるものを超える過剰のビスマスを含んで
いるからである。

【０１１３】本明細書では、金属元素の過剰量とは、す
べての原子サイトが占有されかつ金属が全く残らない状
態で、所望の材料を形成するために存在する他の金属と
結合するのに必要な量より多い量を意味する。

【０１１４】しかし、知られているように、本発明にお
ける電子デバイスを製作するに当たって、ビスマス酸化
物は高揮発性で、かなりの熱が使用されるので、本発明
のプロセスで作成される固相の強誘電体薄膜のビスマス
のモル比は、前駆体の化学量論的式におけるそれよりも
一般的には小さくなるであろう。しかし、本発明のプロ
セスによって作成される強誘電体薄膜におけるストロン
チウム・タンタル・ニオブのモル比は、前駆体に対する
化学量論的式で与えられるモル比に近いかあるいは等し
いであろう。このことは、アメリカ特許５，４３４，１
０２（ワタナベ）にも記載されている。

【０１１５】優れた電子特性を有する強誘電体不揮発性
メモリーが、化学量論的式ＳｒＢｉ _２Ｔａ_２Ｏ_９により
ほぼ表わされる比における化学元素を有するストロンチ
ウム・ビスマス・タンタル酸塩材料の薄膜を形成するこ
とによって製作されることは、この分野では公知であ
る。

【０１１６】アメリカ特許５，４３４，１０２（ワタナ
ベ）と関連技術に基づいて、当業者にとって好ましい層
状超格子材料を形成するための前駆体は、化学量論的式
ＳｒＢｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９を現時
点では有する。この式の前駆体は、均一化された化学量
論的式ＳｒＢｉ_２Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９を有す
る最終の固相ストロンチウム・タンタル・ニオブ酸塩を
生成すると信じてよい。すなわち、最終の薄膜は、過剰
のビスマスを含まない。これは、前駆体における過剰の
ビスマスは、製造プロセスにおいて、ビスマス酸化ガス
として排除されるからである。

【０１１７】前駆体溶液は、化学量論的比率ＳｒＢｉ
_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ _９に対応した化
学前駆体の内容量を含む。この化学量論的式は、本明細
書において、標準的なニオブとタンタルの比率を有する
標準組成として扱う。この標準化学量論的式を有する前
駆体は、約９％の過剰ビスマスを含有する。すなわち、
標準の化学量論的式は、結晶のすべての原子サイトが占
有されて、層状超格子化合物を形成するために、ストロ
ンチウム・タンタル・ニオブと結合するのに必要とされ
る量を超えるビスマスの含有量を有する。

【０１１８】好ましくは、強誘電体層１２４は、過剰Ｂ
−サイト金属あるいは過剰超格子発生金属を持つ層状超
格子材料を有する。すなわち、それは、標準式に示され
たものに加えて、約４０モル−パーセントを超えるま
で、ビスマス及びニオブのような少なくとも一つの金属
の量である。そのような強誘電体材料は、標準式を有す
る前駆体から形成された材料よりも水素による性能低下
に対するより大きな耐性を有しているということであ
る。

【０１１９】図４の図表は、強誘電体メモリー１７０を
作成するために、本発明において使用される製造工程の
フローチャートである。

【０１２０】強誘電体メモリー１７０は、好ましくは、
シリコン、ガリウム砒素、または、他の半導体、あるい
は、ガラスまたはマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）のよう
な絶縁物である従来のウエハー上に形成される。強誘電
体メモリー１７０は、水素バリア層である保護層を有す
るのが好ましい。

【０１２１】ステップ２１２において、スイッチ１１４
がステップ２１４でその上に形成されている半導体基板
１０２（図１）が用意される。このスイッチ１１４は、
典型的には、ＭＯＳＦＥＴである。ステップ２１６で、
第１の層間誘電体層１１６が、スイッチング素子を、形
成されるべき強誘電体素子から分離するために形成され
る。ステップ２１８では、下部電極層１２２が形成され
る。好ましくは、この電極層１２２は、プラチナで形成
され、かつ約２０００Åの厚さを有する層を形成するよ
うにスパッタリングで堆積される。

【０１２２】好適な方法では、約２００Åのチタンまた
は窒化チタンで形成された付着層１１８が、本ステップ
で、電極を堆積する前に、好ましくはスパッタリングに
よって形成される。

【０１２３】ステップ２２０において、所望の強誘電体
薄膜の化学的前駆体が準備される。好ましくは、この前
駆体は、強誘電体層状超格子材料を形成するための化合
物含む。

【０１２４】ステップ２２２において、この強誘電体薄
膜１２４が、下部電極層１２２に付着される。好適な方
法では、強誘電体薄膜は、層状超格子化合物を含む。Ｍ
ＯＣＶＤ法が、薄膜を形成するのに最も好ましい方法で
ある。強誘電体薄膜１２４は、アメリカ特許番号５，５
４６，９４５に記載されているように、スピンコーティ
ングあるいは噴霧堆積方法のような液体堆積技術を使っ
て付着され得る。

【０１２５】通常は、最終の前駆体溶液は、化学的前駆
体化合物を含有する商業的に入手可能な溶液から準備さ
れる。好ましくは、商業的に市販されている溶液中の種
々の前駆体の濃度は、特別な製造条件あるいは動作条件
に適合するように、ステップ２２０において調整され
る。例えば、層状超格子薄膜に対する典型的な市販され
ている溶液の種々の元素の化学量論的含有量は、ＳｒＢ
ｉ_２．１８Ｔａ_１．４４Ｎｂ_０．５６Ｏ_９であるかもし
れない。

【０１２６】しかし、還元条件中に水素の劣化から強誘
電体化合物を保護するための余分の酸化物を生成させる
ためには、この溶液中に過剰なニオブあるいはビスマス
を添加するのが好ましいことが多い。

【０１２７】付着ステップ２２２に続いて、ドライ工程
と、酸素炉アニールや急速熱プロセス（ＲＴＰ）のよう
な高温での結晶化ステップを含む処理ステップ２２４が
行われるのが好ましい。処理ステップ２２４は、付着ス
テップ２２２の間あるいは後に、紫外線照射を伴った処
理を含んでも良い。

【０１２８】ステップ２２２とステップ２２４は、所望
の厚さの膜を形成するために、必要により繰り返し行っ
ても良い。例えば、典型的なスピン・オン処理では、前
駆体の層が堆積されて乾燥される。それから、もう一つ
前駆体の層が付着されて乾燥されるであろう。それか
ら、処理された層は、ステップ２２６において、結果物
たる強誘電体薄膜１２４を形成するために、酸素中でア
ニールされる。

【０１２９】ステップ２２２−２２６に続いて、上部電
極層１２６が、ステップ２２８で形成される。好ましく
は、上部電極層１２６はプラチナで形成され、好ましく
は、約２０００Åの厚さを有する層を形成するために、
スパッターにより堆積される。

【０１３０】ステップ２３０において、水素バリア層１
３０が堆積される。水素バリア層１３０は、窒化チタン
を含むのが好ましい。好ましくは、水素バリア層１３０
は、スパッタリング処理によって、上部電極層１２６上
に堆積される。

【０１３１】領域１３１と１３２が形成される水素バリ
ア層１３０のスパッター堆積の初期と終期の期間のスパ
ッター雰囲気中で、少量のＯ_２−ガス（ゼロと約１０堆
積パーセントとの間）を含ませるのが本発明の特徴であ
る。

【０１３２】水素バリア１３０中に形成されたに結果物
である酸化物は、種々の製造処理工程で存在し得る水素
と反応することによって、あるいは水素拡散を防止する
ことによって、メモリーデバイス中の強誘電体化合物を
保護する。

【０１３３】ステップ２３０は、水素バリア層１３０
に、酸素の濃度勾配が存在するように実行されるのが望
ましい。これにより、層１３０の中央領域１３２の酸素
のウェイトによる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３０
の底部及び頂部表面での領域１３１，１３３において、
約１から３ウェイト・パーセント（１−３％ｗｔ．）の
範囲内の値に、次第に増加する。酸素濃度は、表面近く
の領域１３１，１３２では、ウェイトで約２パーセント
（２％）であるのが望ましい。

【０１３４】イオン・ミリングとアッシングのような処
理を介した公知パターンニングが、強誘電体メモリーセ
ル１７０の製造中に適切に行われる。例えば、ステップ
２１８は、そのようなパターンニング工程を含んでも良
いし、別のパターンニンク゛工程が、ステップ２２６に
続いて行われても良い。好ましくは、多くの層が、ステ
ップ２３２のような単一のパターンニング工程中でパタ
ーンニングされる。

【０１３５】バリア層形成ステップ２３０に引き続い
て、積層された層１１８，１２２，１２４，１２６及び
１３０が、自己整合水素バリア層１３０により覆われた
強誘電体コンデンサー１２０を形成するためにパターン
ニングされるパターンニング処理２３２が行われるのが
好ましい。好ましくは、二つのエッチング処理のみが、
ステップ２３２のパターンニング処理を完成するために
必要とされる。従来のイオン・ミリング処理が、ステッ
プ２３２で利用されるのが望ましい。

【０１３６】それから、ステップ２３４において、第２
のＩＬＤ層１３６が、水素バリア層１３０を含んで、Ｉ
ＬＤ１１６とコンデンサー１２０を覆うように堆積され
る。

【０１３７】ステップ２３６において、図１に記載され
ているように、配線穴１４２，１４４，１４６及び１４
８が、スイッチ１１４（典型的には、ＭＯＳＦＥＴのソ
ース及びドレイン領域）に、下部電極１２２に、それに
水素バリア層１３０に、ＩＬＤ層１１６と１３６を介し
て、それぞれ形成されている。ステップ２３６は、標準
的なイオン・ミリング処理を使用して実施されるのが好
ましい。

【０１３８】ステップ２３８において、図１に示すよう
に、配線１５２，１５４，１５６及び１５８が、好まし
くは、スパッタリング処理を使用して堆積される。しか
し、ＣＶＤ処理も、伴う還元条件にかかわらず、使用し
得る。なぜなら、水素バリア層１３０が、薄膜１２４の
強誘電体酸化物を保護してくれるからである。

【０１３９】本発明の方法の好適な変形例では、少量の
酸素が、強誘電体層１２０の直接上に設けられた金属化
配線層１６０中に含まれている。少量の酸素が、その底
部表面近くの下部領域１６１中とその頂部表面近くの上
部領域１６３中の金属化配線層１６０中に形成されるの
が好ましい。

【０１４０】金属化配線層１６０中には、酸素の濃度勾
配が存在するのが好ましい。この結果、層１６０の中央
領域１６２の酸素のウェイトによる濃度はゼロであり、
酸素濃度は、層１６０の底部及び頂部表面の近くの領域
１６１，１６３において、約１から３ウエイト・パーセ
ント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に次第に増加す
る。酸素濃度は、領域１６１，１６３において、ウェイ
トで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。

【０１４１】たとえば、スパッター・堆積処理におい
て、少量のＯ_２−ガス（ゼロと約１０体積パーセントと
の間）が、層１６０の上部及び下部近くに少量のアルミ
酸化物を形成するために、配線層１６０の領域１６１と
領域１６３の形成の間に、スパッター雰囲気中に添加さ
れる。

【０１４２】最後に、ステップ２４０において、水素ア
ニールが、欠陥を修復すると共にスイッチ（ＭＯＳＦＥ
Ｔ）１１４における所望の半導体特性を回復するために
実施される。集積回路の水素アニールは、好ましくは、
１から１０パーセント（１−１０％）Ｈ_２とＨ_２−Ｎ_２
（フォーミング・ガス）ガスとの混合体中での雰囲気圧
力で、かつ、１０分から４０分の時間中に２００℃と４
００℃の間の温度で実施される。回路は、ステップ２４
２において完成し、典型的には、パッシベーション層と
パッキングを含む。

【０１４３】図３に示されているように、代替的な好ま
しい実施例では、ステップ２３０において、強誘電体メ
モリーセル１８０の電気的に導電性を有しない水素バリ
ア層１３５が、積層コンデンサーの上部と側部とを覆う
ように形成される。

【０１４４】本発明によれば、少量の酸素が、底部内部
表面の近くの下部領域１３７中及び頂部外部表面の近く
の上部領域１３９中とで、水素バリア層１３５中に形成
される。

【０１４５】図３において、領域１３７と１３９に描写
された点線が、少量の酸素を表わす。好ましくは、水素
バリア層１３５には、酸素の濃度勾配が存在する。これ
により、層１３５の中央領域１３８の酸素のウェイトに
よる濃度はゼロで、酸素濃度は、層１３５の表面の領域
１３７，１３９において、約１から３ウエイト・パーセ
ント（１−３％ｗｔ．）の範囲内の値に、次第に増加す
る。領域１３７，１３９中の酸素濃度は、表面でウェイ
トで約２パーセント（２％）であるのが好ましい。

【０１４６】本実施例では、配線穴１４６と１４８と
が、強誘電体コンデンサー１２０と電気的に接触するた
めに電気的に非導電性の水素バリア層を介して開口され
なければならない。

【０１４７】実験によると、強誘電体薄膜を介しての水
素の横方向の拡散、すなわち、強誘電体薄膜の平面に平
行な方向での拡散が、強誘電体膜の平面に垂直の方向で
の拡散に比べて遅いことがわかった。それゆえに、強誘
電体層１２４の横側面における強誘電体材料中の余分の
酸化物が、横方向に侵入する可能性のある水素に対する
ゲッターとして効果的に作用し、かつその材料の残部を
水素から保護する。

【０１４８】強誘電体薄膜１２４は、水素バリア層によ
って覆われた強誘電体の残部における水素劣化を起こさ
せ得る水素をゲットする過剰の酸化物を有するように形
成されるのが好ましい。

【０１４９】通常は、酸素含有水素バリア層１３０，１
３５のような一以上の保護層それに強誘電体薄膜１２４
中の過剰酸化物との組み合わせが、従来の水素処理によ
る重大な劣化から強誘電体薄膜１２４を充分に保護す
る。しかしながら、製造プロセスにおける種々の水素化
及び還元工程中の水素露呈の度合いに応じて、追加の保
護対策を使用することが有益であり得る。このため、本
発明の方法は、水素によるダメージからメモリーデバイ
スを保護するために、種々の他の工程を使用することが
考えられる。これらの工程は、水素バリア層１３０，１
３５及び酸素含有金属化配線１６０のような酸素含有保
護層に関連して使用され得る。

【０１５０】他の処理手順及び工程も使用されるかもし
れない。例えば、ＭＯＳＦＥＴコンタクト配線に対する
穴は、水素処理の前に開口し得る。一方、強誘電体素子
の電極への絶縁層を通しての穴は、水素熱処理工程の後
に作成し得る。

【０１５１】水素への露呈を小さく維持するためには、
低温、短時間水素熱処理が、できれば、適用されるべき
である。また、優れた強誘電体特性は、過剰ビスマス及
び／又は過剰ニオブのような過剰金属を有する前駆体を
使用することによって得られる。

【０１５２】さらに、強誘電体層の製造の後に存在する
ＩＬＤ層のような、強誘電体層に続いて存在する集積回
路層中の余分の酸素の使用は、酸素が後の水素処理の間
の水素に対するゲッターとして作用するが、それのみ
で、あるいは上述の対策の一以上との組み合わせにおい
て効果的に使用され得る。

【０１５３】このように、本発明は、集積回路の他の部
分を生成しかつ完全にするのに必要な水素へのほとんど
の露呈との組み合わせにおいて、強誘電体素子の劣化の
防止が可能なプロセス及び／又は構造に適用され得る。

【０１５４】本明細書には、水素に露呈することを許容
し、さらに、優れた電気的特性につながる強誘電体集積
回路を製造するための方法及び構造が示されている。

【０１５５】図示されかつ本明細書に記載された実施例
は単なる例示であり、上記の「特許請求の範囲」に記載
された本発明を、上記実施例に限定するように解釈して
はならない。

【０１５６】さらに、当業者ならば、本発明の思想から
逸脱しない範囲で、記載された実施例から数多くの使用
例および修正例を作成できることは明らかである。

【０１５７】また、記載された工程が、多くの場合、異
なった順序で実施されるかもしれないし、あるいは、等
価的な構造あるいはプロセスが、記載された種々の構造
およびプロセスに取って代わるかもしれないことも明ら
かである。

【０１５８】この結果、本発明は、それぞれの新規な特
徴、あるいは製造プロセス、電子的デバイス、電子デバ
イス製造方法中に存在する新規な組み合わせ含むように
解釈されるべきである。

【０１５９】

【発明の効果】本発明によれば、強誘電体酸化物材料、
特に、強誘電体層状超格子材料を水素劣化から保護する
ために使用される種々の対策の利点を強化した強誘電体
メモリーデバイスを有する集積回路及びそのような集積
回路の製造方法を提供することができる。さらに、集積
回路及びその製造方法の複雑化を最小限にすることもで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】積層された不揮発性コンデンサーが、その頂部
と底部表面近くで少量の酸素を含有する電気的に導電性
を有するバリア層により覆われた本発明による集積回路
の断面図である。

【図２】図１に示された実施例に類似し、金属化配線層
がその頂部と底部表面近くで少量の酸素を含有する本発
明の変形例の断面図である。

【図３】強誘電体コンデンサーの上部と側部とが、その
上部と下部の近くで少量の酸素を含有する電気的に非導
電性の水素バリア層により覆われた本発明の変形例によ
る集積回路の断面図である。

【図４】本発明による不揮発体強誘電体メモリーデバイ
スを製造するための方法の好適な実施例を示すフローチ
ャートである。

【符号の説明】

１０２シリコン基板１０４フィールド酸化領域１０６ソース領域１０８ドレイン領域１１０ゲート絶縁層１１４ＭＯＳＦＥＴ１１６第１の層間誘電体層１１８付着層１２０強誘電体コンデンサー１２２下部電極１２４強誘電体薄膜１２６上部電極１３０水素バリア層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/8247 29/788 29/792 (72)発明者古谷晃東京都港区芝五丁目７番１号日本電気株式会社内 (72)発明者ジョセフクチアロアメリカ合衆国，コロラド 80918，コロラドスプリングス，ロスミアストリート 2545 (72)発明者カルロスアロージョアメリカ合衆国，コロラド 80919，コロラドスプリングス，ダブリュ．サンバードクリフスレーン 317 Ｆターム(参考） 5F001 AA17 AA94 5F038 AC05 AC15 AC18 CD18 EZ14 EZ16 EZ17 EZ20 5F083 FR02 GA25 JA13 JA14 JA15 JA16 JA17 JA36 JA37 JA38 JA40 PR04 PR13 PR18 PR21 PR23 PR34

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】強誘電体集積回路において、強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分と、保護層とを有し、前記保護層は、少量の酸素を含有することを特徴とする
強誘電体集積回路。
【請求項２】請求項１において、前記保護層は、下部
領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路。
【請求項３】請求項２において、下部及び上部領域の
酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであることを特
徴とする強誘電体集積回路。
【請求項４】請求項１において、前記保護層は、水素
バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項５】請求項４において、前記水素バリア層
は、前記強誘電体酸化物材料の薄膜の直接上に設けられ
ていることを特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項６】請求項４において、前記水素バリア層
は、電気的に導電性を有することを特徴とする強誘電体
集積回路。
【請求項７】請求項４において、前記強誘電体酸化物
材料の薄膜と水素バリア層とは、自己整合的であること
を特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項８】請求項４において、前記水素バリア層
は、窒化チタンを含有することを特徴とする強誘電体集
積回路。
【請求項９】請求項４において、前記水素バリア層
は、窒化シリコンを含有することを特徴とする強誘電体
集積回路。
【請求項１０】請求項１において、前記強誘電体酸化
物材料は、強誘電体層状超格子材料を有することを特徴
とする強誘電体集積回路。
【請求項１１】請求項１０において、前記強誘電体層
状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル
・ニオブ酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回
路。
【請求項１２】請求項１０において、前記強誘電体層
状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル
酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項１３】請求項１において、前記保護層は、金
属化配線層を有することを特徴とする強誘電体集積回
路。
【請求項１４】請求項１３において、前記金属化配線
層は、アルミニウムを含有することを特徴とする強誘電
体集積回路。
【請求項１５】請求項１において、前記強誘電体酸化
物材料の薄膜は横側面を有し、前記保護層は前記横側面
を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項１６】請求項１５において、前記保護層は、
下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路。
【請求項１７】請求項１６において、下部及び上部領
域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであること
を特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項１８】請求項１５において、前記保護層は、
水素バリア層を有することを特徴とする強誘電体集積回
路。
【請求項１９】請求項１５において、前記強誘電体酸
化物材料は、強誘電体層状超格子材料を有することを特
徴とする強誘電体集積回路。
【請求項２０】強誘電体集積回路において、基板と、前記基板上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた強誘電体酸化物材料の薄膜
と、前記強誘電体材料上に設けられた上部電極と、保護層とを有し、前記保護層は、少量の酸素を含むことを特徴とする強誘
電体集積回路。
【請求項２１】請求項２０において、前記下部電極は
横側面を有し、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面
を有し、前記上部電極は横側面を有し、前記保護層は前
記横側面を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項２２】請求項２１において、前記保護層は、
下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路。
【請求項２３】請求項２２において、下部及び上部領
域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであること
を特徴とする強誘電体集積回路。
【請求項２４】強誘電体集積回路の製造方法におい
て、強誘電体酸化物材料の薄膜を含む集積回路部分を形成
し、保護層を形成し、前記保護層中に、少量の酸素を含ませることを特徴とす
る強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項２５】請求項２４において、前記保護層は、
下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路の製造方法。
【請求項２６】請求項２において、下部及び上部領域
の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであることを
特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項２７】請求項２４において、前記保護層は、
水素バリア層であることを特徴とする強誘電体集積回路
の製造方法。
【請求項２８】請求項４において、前記水素バリア層
は、前記強誘電体酸化物材料の薄膜の直接上に設けられ
ていることを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項２９】請求項２７において、前記水素バリア
層は、電気的に導電性を有することを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
【請求項３０】請求項２７において、さらに、前記強
誘電体酸化物材料の薄膜と水素バリア層とを一緒にパタ
ーンニングする工程を有することを特徴とする強誘電体
集積回路の製造方法。
【請求項３１】請求項２７において、前記水素バリア
層は、窒化チタンを含有することを特徴とする強誘電体
集積回路の製造方法。
【請求項３２】請求項２７において、前記水素バリア
層は、窒化シリコンを含有することを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
【請求項３３】請求項２４において、前記強誘電体酸
化物材料の薄膜は、強誘電体層状超格子材料を有するこ
とを特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項３４】請求項３３において、前記強誘電体層
状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル
・ニオブ酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回
路の製造方法。
【請求項３５】請求項３３において、前記強誘電体層
状超格子材料は、ストロンチウム・ビスマス・タンタル
酸塩を有することを特徴とする強誘電体集積回路の製造
方法。
【請求項３６】請求項２４において、前記保護層は、
金属化配線層を有することを特徴とする強誘電体集積回
路の製造方法。
【請求項３７】請求項３６において、前記金属化配線
層は、アルミニウムを含有することを特徴とする強誘電
体集積回路の製造方法。
【請求項３８】請求項２４において、前記強誘電体酸
化物材料の薄膜は横側面を有し、前記保護層は前記横側
面上に形成されていることを特徴とする強誘電体集積回
路の製造方法。
【請求項３９】請求項３８において、前記保護層は、
下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路の製造方法。
【請求項４０】請求項３９において、下部及び上部領
域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであること
を特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項４１】請求項３８において、前記保護層は、
水素バリア層を有することを特徴とする強誘電体集積回
路の製造方法。
【請求項４２】請求項３８において、前記強誘電体酸
化物材料は、強誘電体層状超格子材料を有することを特
徴とする強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項４３】強誘電体集積回路の製造方法におい
て、基板を形成し、前記基板上に下部電極を形成し、前記下部電極上に強誘電体酸化物材料の薄膜を形成し、前記強誘電体材料上に上部電極を形成し、保護層を形成し、前記保護層中に少量の酸素を含ませることを特徴とする
強誘電体集積回路の製造方法。
【請求項４４】請求項４３において、前記下部電極は
横側面を有し、前記強誘電体酸化物材料の薄膜は横側面
を有し、前記上部電極は横側面を有し、前記保護層は前
記横側面を覆うことを特徴とする強誘電体集積回路の製
造方法。
【請求項４５】請求項４４において、前記保護層は、
下部領域、中央領域及び上部領域とを有し、前記酸素は、前記保護層中で酸素濃度勾配を形成し、これにより、前記中央領域の酸素濃度はゼロであり、前
記下部領域の酸素濃度は１から３ウェイト・パーセント
の範囲内にあり、前記上部領域の酸素濃度は１から３ウ
ェイト・パーセントの範囲内にあることを特徴とする強
誘電体集積回路の製造方法。
【請求項４６】請求項４５において、下部及び上部領
域の酸素濃度は、約２ウェイト・パーセントであること
を特徴とする強誘電体集積回路の製造方法。