JP2000228499A - 半導体記憶装置およびその製造方法 - Google Patents
半導体記憶装置およびその製造方法Info
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Abstract
る。 【解決手段】 半導体記憶装置100は、トランジスタ
42が集積化された半導体基板41と、第1の保護絶縁
膜3と、1個以上のデータ記憶用容量素子35と、第2
の保護絶縁膜7とを備え、容量素子35は、下部電極4
と、容量膜5と、上部電極6とを含み、第2の保護絶縁
膜7は、上部電極6に通ずる第1コンタクトホール8と
下部電極4に通ずる第2コンタクトホール9とを有し、
半導体記憶装置100は、第1および第2コンタクトホ
ール8、9に形成される水素バリア層10、11をさら
に備え、水素バリア層10、11は、上部電極6および
下部電極4が露出しないように形成される。
Description
よびその製造方法に関し、特に絶縁性金属酸化物を容量
膜とした半導体記憶装置およびその製造方法に関するも
のである。
のデータを処理、保存する傾向が推進される中で電子機
器が一段と高度化し、使用される半導体装置もその半導
体素子の微細化が急速に進んできている。
化を実現するために、従来の珪素酸化物または窒化物の
代わりに高誘電体を容量絶縁膜として用いる技術が広く
研究開発されている。
込み読み出し可能な不揮発性RAMの実用化を目指し、
自発分極特性を有する強誘電体膜に関する研究開発が盛
んに行われている。
最重要課題は、容量素子を特性劣化なくCMOS集積回
路に集積化できるプロセスを開発することである。
その製造方法について、図6を用いて説明する。
は、ソース領域およびドレイン領域21、ゲート電極2
2からなるトランジスタ34が集積化された半導体基板
33を備える。半導体基板33の全面を覆うように第1
の保護絶縁膜23が形成されている。
4、絶縁性金属酸化物からなる容量膜25および上部電
極26からなるデータ記憶用容量素子35が形成されて
いる。
素バリア層27が形成されている。第1の保護絶縁膜2
3および水素バリア層27の全面を覆うように第2の保
護絶縁膜28が形成されている。
とをエッチングすることにより、上部電極26に通ずる
コンタクトホール29および下部電極24に通ずるコン
タクトホール30が形成される。第1の保護絶縁膜23
と第2の保護絶縁膜28とをエッチングすることによ
り、トランジスタへのコンタクトホール31が形成され
る。最後に、トランジスタ34および容量素子35を接
続する配線層32が所定の領域に形成される。
導体記憶装置500では、水素バリア層27が容量素子
35を覆うように形成され、かつ、この水素バリア層2
7が配線層としての機能を有するとともに水素バリア層
27は水素に対してバリアとなる材料を用いて形成され
るので、配線層32を形成した後のプロセスでは、水素
バリア層27は絶縁性金属酸化物からなる容量膜25の
還元反応に伴う容量素子35の特性劣化を抑制すること
ができる。
プロセスにおいて上記の従来技術では解決できない新た
な課題を、発明者は見いだした。この課題について図7
を用いて説明する。
26に用いられる白金電極上に形成された水素バリア層
27と第2の保護絶縁膜28とにコンタクトホール29
を形成する際に、第2の保護絶縁膜28上にレジスト6
1が形成される。
61を酸素プラズマ中で除去する。この場合、レジスト
61の除去中に発生するOH基62の一部が上部電極2
6の表面26Aでの触媒反応により分解され、活性な水
素63が生成される(図6(c))。
63は、上部電極26中を拡散する。その結果、図7
(d)に示すように、容量素子35に水素63が拡散す
る。即ち、活性な水素63が、上部電極26へのコンタ
クトホール29および下部電極24へのコンタクトホー
ル30から容量膜25へ拡散し、絶縁性金属酸化物であ
る容量膜25を還元させてしまい、容量素子35の特性
劣化を引き起こす。
示すような白金電極(上部電極26、下部電極24)が
露出するトランジスタ34へのコンタクトホール31の
エッチング後の酸素プラズマによるレジスト61の除去
工程で必ず起こる。
6の表面26A、下部電極24の表面24Aで活性な水
素63が生成される触媒反応を、従来の半導体記憶装置
500では抑制することができない。このため、絶縁性
金属酸化物からなる容量膜25の還元反応に伴う容量素
子35の特性劣化を生じるという課題を有していた。
り、簡単な構成により、白金表面での水素に対する触媒
反応を抑制することができ、絶縁性金属酸化物からなる
容量膜の還元反応に伴う容量素子の特性劣化を抑制する
ため、優れた特性を有する半導体記憶装置およびその製
造方法を実現することを目的とする。
装置は、トランジスタが集積化された半導体基板と、前
記半導体基板を覆うように形成される第1の保護絶縁膜
と、前記第1の保護絶縁膜上に形成される1個以上のデ
ータ記憶用容量素子と、前記第1の保護絶縁膜および前
記容量素子を覆うように形成される第2の保護絶縁膜と
を備える半導体記憶装置であって、前記容量素子は、前
記第1の保護絶縁膜上に形成される下部電極と、前記下
部電極上に形成される容量膜と、前記容量膜上に形成さ
れる上部電極とを含み、前記容量膜は、絶縁性金属酸化
物を含み、前記第2の保護絶縁膜は、前記上部電極に通
ずる第1コンタクトホールと前記下部電極に通ずる第2
コンタクトホールとを有し、前記半導体記憶装置は、前
記第1および第2コンタクトホールに形成される水素バ
リア層をさらに備え、前記水素バリア層は、前記上部電
極および前記下部電極が露出しないように形成され、前
記半導体記憶装置は、前記トランジスタと前記容量素子
とを電気的に接続する配線層をさらに備え、そのことに
より上記目的が達成される。
応がなく、前記水素バリア層は、導電性の材料を含んで
もよい。
ンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウムおよび酸化ロ
ジウムの少なくとも1つを含んでもよい。
ロブスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコン
鉛、チタン酸ストロンチウムバリウムおよび5酸化タン
タルのいずれかを含んでもよい。
金、イリジウム、ルテニウム、ロジウムの少なくとも1
つを含んでもよい。
は、トランジスタが集積化された半導体基板を覆うよう
に第1の保護絶縁膜を形成する第1工程と、前記第1の
保護絶縁膜上に下部電極、絶縁性金属酸化物からなる容
量膜および上部電極からなるデータ記憶用容量素子を形
成する第2工程と、前記第1の保護絶縁膜および前記容
量素子を覆う第2の保護絶縁膜を形成する第3工程と、
前記第2の保護絶縁膜に前記上部電極に通ずる第1コン
タクトホールと前記下部電極に通ずる第2コンタクトホ
ールとを形成する第4工程と、前記第1コンタクトホー
ルと前記第2コンタクトホールとに、前記上部電極と前
記下部電極とが露出しないように水素バリア層を形成す
る第5工程と、前記第2の保護絶縁膜および前記水素バ
リア層上にレジストを形成し、前記レジストに前記トラ
ンジスタに通ずる第3コンタクトホールを形成する第6
工程と、前記容量素子と前記トランジスタとを電気的に
接続する配線層を形成する第7工程とを包含し、そのこ
とにより上記目的が達成される。
マによりアッシングする工程を包含してもよい。
へのコンタクトホール内を水素バリア層で完全に覆うた
め、酸素プラズマによるレジスト除去時に上部電極およ
び下部電極表面での水素に対する触媒反応を抑制でき、
容量膜の還元反応による容量素子の特性劣化を防止でき
る。
電極表面での水素触媒反応を抑制でき、かつ上部電極お
よび下部電極と配線層とが接続する部分での良好な導電
性を確保することができる。
部電極へのコンタクトホール形成後の酸素プラズマによ
るレジスト除去時に、上部電極および下部電極表面で水
素に対する触媒反応が起こっても、その後の酸素雰囲気
での熱処理により容量膜を再度酸化できるとともに、ト
ランジスタへのコンタクトホール形成後の酸素プラズマ
によるレジスト除去時には、上部電極および下部電極表
面を露出させないように水素バリア層が形成されている
ので、上部電極および下部電極表面で水素に対する触媒
反応が起こらず、容量膜が還元されることがない。この
ため、優れた特性を有する容量素子を実現することがで
きる。
て、図1、図2および図3を用いて説明する。図1は実
施の形態における半導体記憶装置100の要部断面図で
ある。図2は、実施の形態における半導体記憶装置10
0の製造工程図である。図3は、実施の形態における半
導体記憶装置100の製造方法を示すフローチャートで
ある。
体記憶装置100を説明する。半導体記憶装置100
は、トランジスタ42が集積化された半導体基板41
と、半導体基板41を覆うように形成される第1の保護
絶縁膜3と、第1の保護絶縁膜3上に形成されるデータ
記憶用容量素子43と、第1の保護絶縁膜3および容量
素子43を覆うように形成される第2の保護絶縁膜7と
を備える。
形成される下部電極4と、下部電極4上に形成される容
量膜5と、容量膜5上に形成される上部電極6とを含
む。容量膜5は、絶縁性金属酸化物を含む。
るコンタクトホール8と下部電極4に通ずるコンタクト
ホール9とを有する。
ル8.9にそれぞれ形成される水素バリア層10,11
をさらに備える。水素バリア層10は、上部電極6が露
出しないように形成される。水素バリア層11は、下部
電極4が露出しないように形成される。
2と容量素子43とを電気的に接続する配線層13をさ
らに備える。トランジスタ42は、ソース領域またはド
レイン領域1およびゲート2を含む。
置100の製造方法を説明する。
ドレイン領域1およびゲート2からなるトランジスタ4
2が集積化された半導体基板41上の全面を覆うように
第1の保護絶縁膜3を形成する(S301)。
により形成された白金からなる下部電極4、有機金属分
解法やスパッタ法により形成されたSrBi2(Ta1-x
Nb x)O9からなる容量膜5およびスパッタ法により形
成された白金からなる上部電極6を形成する。次に下部
電極4、容量膜5および上部電極6をドライエッチング
法により所定の形状に加工し、データ記憶用容量素子4
3を形成する(S302)。
43の全面を覆うように第2の保護絶縁膜7を形成する
(S303)。次に、第2の保護絶縁膜7上全面にレジ
スト(図示せず)を形成し、そのレジストに上部電極6
および下部電極4に通ずるコンタクトホール8、9を形
成するためのマスクパターン(図示せず)をリソグラフ
ィ法により形成する。次に、第2の保護絶縁膜7をマス
クパターンにしたがってドライエッチング法により加工
し、上部電極6へのコンタクトホール8および下部電極
4へのコンタクトホール9を形成する(S304)。
シング除去し、続いて酸素雰囲気下で650℃の熱処理
を行う(S305)。
層となる窒化チタンを基板41全面にスパッタ法により
形成する。コンタクトホール8内の上部電極6およびコ
ンタクトホール9内の下部電極4が露出しないようにリ
ソグラフィ法によりマスクパターン(図示せず)を形成
する。続いてドライエッチング法により窒化チタンを所
定の形状に加工することにより、コンタクトホール8に
形成された窒化チタンからなる水素バリア層10および
コンタクトホール9に形成された窒化チタンからなる水
素バリア層11を形成する(S306)。
絶縁膜7および水素バリア層10、11上の全面にレジ
スト(図示せず)を形成し、レジストにトランジスタ4
2に通ずるコンタクトホール12を形成するためのマス
クパターン(図示せず)をリソグラフィ法により形成す
る。次に、第1の保護絶縁膜3および第2の保護絶縁膜
7をマスクパターンにしたがってドライエッチング法に
より加工し、トランジスタ42に通ずるコンタクトホー
ル12を形成する(S307)。
ッシング除去する(S308)。最後に、容量素子43
およびトランジスタ42を電気的に接続するために、図
面の下側からチタン、窒化チタン、アルミニウム、窒化
チタンを順次積層した配線層13を形成する(S30
9)。
電極6および下部電極4へのコンタクトホール8,9の
形成後の酸素プラズマによるレジストのアッシング除去
時に、上部電極6および下部電極4の表面で水素に対す
る触媒反応が起こっても、アッシング除去後の酸素雰囲
気での熱処理により容量膜5を再度酸化することができ
る。
タに通ずるコンタクトホール12の形成後の酸素プラズ
マによるレジストのアッシング除去時には、上部電極6
および下部電極4の表面を露出させないように水素バリ
ア層10,11がコンタクトホールを完全に覆うように
形成されるため、上部電極6および下部電極4の表面で
水素に対する触媒反応が起こることはなく、容量膜5が
還元されることがない。
00と本発明における半導体記憶装置100との特性比
較を行った結果を述べる。
番号(横軸)に対応した容量素子43の残留分極(縦
軸)を示したものである。なお、アドレス番号は、下部
電極4に通ずるコンタクトホール9に近いところから、
アドレス番号A0,A1,A2というようにアドレス番
号Anと定義した(図1参照)。アドレス番号A0に対
応する容量素子43の部分を容量素子部分A0、アドレ
ス番号A1に対応する部分を容量素子部分A1、以下同
様に称する。
置500の残留分極、線52は、上部電極6に通ずるコ
ンタクトホール8上にのみ窒化チタンからなる水素バリ
ア層10を設けた半導体記憶装置の残留分極、および線
53は、本発明の半導体記憶装置の残留分極である。
場合、全容量素子部分A0〜 Anに渡り残留分極は約
5μC/cm2程度であり、特性劣化が著しいことを示
している。これは、上部電極6および下部電極4の表面
で水素に対する触媒反応が起こり、容量膜5が還元され
るためである。
下部電極4に通ずるコンタクトホール9に近い容量素子
部分A0およびA1において、残留分極の低下による特
性劣化が確認された。これは、コンタクトホール9内の
下部電極4の表面での水素に対する触媒反応により、コ
ンタクトホール9から水素が紙面の横方向に拡散し、容
量素子部分A0およびA1まで達した結果、容量膜5の
還元が起こったことに起因している。
憶装置100の場合、すなわち、コンタクトホール8内
上部電極6の表面およびコンタクトホール9内下部電極
4の表面に窒化チタンからなる水素バリア層10,11
を設けた場合には、全アドレス番号に対応する容量素子
43とも残留分極の低下による特性劣化は見られなかっ
た。これは、上部電極6および下部電極4の表面での水
素に対する触媒反応を完全に防止することができたた
め、容量膜5の還元が起こらないからである。
00と従来の半導体記憶装置500との不良ビット発生
率を示したものである。横軸は、図1の断面図に示した
各アドレス番号に対応する容量素子部分であり、縦軸
は、不良ビット発生率を表す。
置500の不良ビット発生率、線55は、上部電極6に
通ずるコンタクトホール8上にのみ窒化チタンからなる
水素バリア層10を設けた半導体記憶装置の不良ビット
発生率、および線56は、本発明の半導体記憶装置の不
良ビット発生率である。
憶装置500の場合は、残留分極の低下による特性劣化
が著しいため、全アドレスとも不良率100%となっ
た。次に、線55で表される半導体記憶装置の場合、下
部電極4へのコンタクトホール9に近い容量素子部分A
0およびA1のみ不良が発生した。最後に、線56で表
される本実施の形態の半導体記憶装置100の場合、全
容量素子部分とも不良率0%を達成できた。
示したような容量素子の特性を反映したものになってお
り、本実施の形態によれば、半導体記憶装置の特性を著
しく向上させることができることがわかる。
本実施の形態の半導体記憶装置100によれば、優れた
特性を有する容量素子43を含んだ半導体記憶装置を実
現できる。
0の製造工程において、アッシング除去後の熱処理は酸
素中で650℃で行ったが、本発明はこれに限定されな
い。温度が600℃から850℃の範囲であれば、容量
膜5の酸化が可能であるために、同様の効果が得られ
る。
0,11として、窒化チタンを用いたが、本発明はこれ
に限定されない。水素に対する触媒反応がなく、かつ導
電性の材料である窒化タンタル、酸化イリジウム、酸化
ルテニウムおよび酸化ロジウムのいずれか、またはこれ
らの組み合わせによる積層膜を用いれば、同様の効果が
得られる。
て、SrBi2(Ta1-xNbx)O9を用いたが、本発明
はこれに限定されない。これ以外のビスマス層状ペロブ
スカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコン鉛、
チタン酸ストロンチウムバリウムまたは5酸化タンタル
を用いれば、同様の効果が得られる。
び下部電極4として白金を用いたが、本発明はこれに限
定されない。イリジウム、ルテニウム、ロジウムのいず
れか、またはこれらの組み合わせによる積層膜を含むも
のであれば、同様の効果が得られる。
憶装置の製造工程において、酸素プラズマでのレジスト
除去時に発生する上部電極および下部電極の表面での水
素に対する触媒反応を抑制できるため、容量膜の還元反
応による特性劣化をなくすことができ、容易な方法で、
より優れた特性を有する半導体記憶装置を得ることがで
きる。
図。
を説明する断面図。
のフローチャート。
図。
を示す図。
発生メカニズムの説明図。
発生が起こる工程での半導体記憶装置の断面図。
Claims (7)
- 【請求項1】 トランジスタが集積化された半導体基板
と、 前記半導体基板を覆うように形成される第1の保護絶縁
膜と、 前記第1の保護絶縁膜上に形成される1個以上のデータ
記憶用容量素子と、 前記第1の保護絶縁膜および前記容量素子を覆うように
形成される第2の保護絶縁膜とを備える半導体記憶装置
であって、 前記容量素子は、前記第1の保護絶縁膜上に形成される
下部電極と、前記下部電極上に形成される容量膜と、前
記容量膜上に形成される上部電極とを含み、 前記容量膜は、絶縁性金属酸化物を含み、 前記第2の保護絶縁膜は、前記上部電極に通ずる第1コ
ンタクトホールと前記下部電極に通ずる第2コンタクト
ホールとを有し、 前記半導体記憶装置は、前記第1および第2コンタクト
ホールに形成される水素バリア層をさらに備え、 前記水素バリア層は、前記上部電極および前記下部電極
が露出しないように形成され、 前記半導体記憶装置は、前記トランジスタと前記容量素
子とを電気的に接続する配線層をさらに備える半導体記
憶装置。 - 【請求項2】 前記水素バリア層は、水素に対する触媒
反応がなく、 前記水素バリア層は、導電性の材料を含む、請求項1記
載の半導体記憶装置。 - 【請求項3】 前記水素バリア層は、窒化チタン、窒化
タンタル、酸化イリジウム、酸化ルテニウムおよび酸化
ロジウムの少なくとも1つを含む、請求項1または請求
項2記載の半導体記憶装置。 - 【請求項4】 前記絶縁性金属酸化物は、ビスマス層状
ペロブスカイト構造を有する強誘電体、チタン酸ジルコ
ン鉛、チタン酸ストロンチウムバリウムおよび5酸化タ
ンタルのいずれかを含む、請求項1記載の半導体記憶装
置。 - 【請求項5】 前記上部電極および前記下部電極は、白
金、イリジウム、ルテニウム、ロジウムの少なくとも1
つを含む、請求項1記載の半導体記憶装置。 - 【請求項6】 トランジスタが集積化された半導体基板
を覆うように第1の保護絶縁膜を形成する第1工程と、 前記第1の保護絶縁膜上に下部電極、絶縁性金属酸化物
からなる容量膜および上部電極からなるデータ記憶用容
量素子を形成する第2工程と、 前記第1の保護絶縁膜および前記容量素子を覆う第2の
保護絶縁膜を形成する第3工程と、 前記第2の保護絶縁膜に前記上部電極に通ずる第1コン
タクトホールと前記下部電極に通ずる第2コンタクトホ
ールとを形成する第4工程と、 前記第1コンタクトホールと前記第2コンタクトホール
とに、前記上部電極と前記下部電極とが露出しないよう
に水素バリア層を形成する第5工程と、 前記第2の保護絶縁膜および前記水素バリア層上にレジ
ストを形成し、前記レジストに前記トランジスタに通ず
る第3コンタクトホールを形成する第6工程と、 前記容量素子と前記トランジスタとを電気的に接続する
配線層を形成する第7工程とを包含する半導体記憶装置
の製造方法。 - 【請求項7】 前記6工程は、前記レジストをO2プラ
ズマによりアッシングする工程をさらに包含する、請求
項6記載の半導体記憶装置の製造方法。
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