JP2001068639A - 半導体デバイス及びその製造方法 - Google Patents
半導体デバイス及びその製造方法Info
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Abstract
膜が製造工程中に発生する水素ガスにより損傷すること
を防止するデバイス及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 素子分離領域、拡散領域、ゲート構造を
含む能動基板210に誘電体層を含むキャパシタ構造体
250を形成し、第1絶縁層226で覆って平坦化し、
パターニング開口してビットライン234、金属相互接
続236を充填し、その上を第1バリア層238で披覆
する。更にその上に相互金属誘電体層240を形成し、
その上にアルミニウム層242及び第2バリアー層24
4、パツシベーション層246を形成する。相互金属誘
電体層240形成環境に存在する水素及びパツシベーシ
ョン工程で発生する水素は第1、第2のバリア層238
及び244によりキャパシタ構造250から隔絶され
る。
Description
し、特にメモリセルに使用するキャパシタ構造体を有す
る半導体デバイス及びその製造方法に関する。
より構成されたメモリセルを有するDRAM(dynamic ran
dom access memory)は、微細化(micronization)を
介して主に小型化されることによってさらに高集積度を
有することとなった。しかし、依然としてメモリセルの
面積の小型化の要求がある。
パシタに使用することのできるセル面積を減らすため
に、メモリデバイスに三次元的に配列されるトレンチ型
またはスタック型のような種々の方法が提案されてき
た。しかしながら、三次元的に配列されたキャパシタの
製造工程は、長くて退屈であるだけでなく、結果的に高
生産費用を伴う。したがって、複雑な製造ステップを必
要せず、必要量の情報を確保しながらセル面積を減らす
ことのできる新しいメモリデバイスに対する強い要求が
生じることとなる。
て、BST(barium strontium titanate)のような強誘電
特性を有するキャパシタ薄膜が典型的なシリコン酸化膜
やシリコン窒化膜の代りにキャパシタに用いられる強誘
電体メモリ(FeRAM)が提案されてきた。
構造体及びその組立工程”と題する米国特許番号第5,
864,153号に開示されたFeRAMに使用するため、
従来の半導体デバイス100を示す断面図である。半導
体メモリデバイス100は、MOS(metal oxide semic
onductor)トランジスタを含む能動基板10、能動基板
10の上部に形成されたキャパシタ構造体23、ビット
ライン34、金属相互接続36、及びプレートライン3
8を含む。
を製造する製造ステップを示している。
造工程は、シリコン基板2、選択トランジスタでシリコ
ン基板上に形成されたMOSトランジスタ、アイソレーシ
ョン領域4、及びMOSトランジスタとアイソレーション
領域4上に形成された第1絶縁層16を有する能動基板
10を準備しながら始まる。MOSトランジスタは、ソー
スとドレインの役割をする一対の拡散領域6、ゲート酸
化物8、スペーサ14及びゲート電極12を含む。
ッファ層18、第1金属層20、誘電体層22、及び第
2金属層24が能動基板10上に順に形成される。バッ
ファ層18はチタニウム(Ti)からなり、第1金属層2
0は白金(Pt)からなる。誘電体層22は、強誘電体物
質からなる。バッファ、第1及び第2金属層18、2
2、24は、スパッタと共に形成され、誘電体層20
は、スピンオンコーティング(spin-on-coated)され
る。
は、既に設定された形状にパターンニングされる。その
後、第1金属層20及びバッファ層18は、図3に示し
たように、フォトリソグラフィを使用することによって
第2既に設定された形状にパターンニングされてバッフ
ァ18Aを有するキャパシタ構造体23、下部電極20
A、キャパシタ薄膜22A及び上部電極24Aを得る。バ
ッファ層18Aは、下部電極20A及び第1絶縁層16間
に堅固な接着力を確保するために用いられる。
2絶縁層26、例えば、シリコン第2酸化物(SiO2)か
らなる絶縁層は、プラズマCVD(chemical vapor depo
sition)を使用することによって、能動基板10及びキ
ャパシタ構造体23上に形成される。
に各々配置される方式で第2及び第1絶縁層26、16
内に第1及び第2開口27、28が形成される。図5に
示したように、下部及び上部電極20A、24Aの部分を
露出するように第2絶縁層を介してキャパシタ構造体2
3上に第3及び第4開口30、32が形成される。
ルミニウム(Al)のような伝導体からなる相互接続層
が、開口27、28、30の内部を含む全ての表面に亘
って形成され、ビットライン34、金属相互接続36及
びプレートライン38を形成するためにパターンニング
されることによって、半導体メモリデバイス100を得
る。
導体メモリデバイス100に適用されない場合、例え
ば、SiO2からなる相互金属物誘電体(IMD)層は、各金
属層間に絶縁のためにプラズマCVDを使用してビットラ
イン34、金属相互接続36及びプレートライン38上
に形成されるべきである。プラズマCVDがソースガスと
してシラン(SiH4)を使用するため、IMD層を形成する
ための環境が水素が十分含有されて、このステップでシ
リコン基板2は、400℃で焼きなまし(aneal)され
る。
された水素ガスは、焼きなまし工程の間、キャパシタ薄
膜22Aと上部電極24Aとを損傷させる。すなわち、水
素ガスは、上部電極24Aに入り込んでキャパシタ薄膜
22Aに至り、キャパシタ薄膜22Aの強誘電体を構成す
る酸素原子と反応する。
SiO2 からなるパッシべーション(図示せず)層がその
上にプラズマCVDを使用して形成される。この工程は、
また水素が十分含まれている。したがって、パッシべー
ション工程により発生された水素ガスもキャパシタ構造
23を損傷させる。
現性、信頼度及び収率を得ることはむずかしい。
例えば、強誘電体からなるキャパシタ薄膜を相互金属物
誘電体層やパッシべーション層が形成される間、プラズ
マ化学気相蒸着(CVD)により発生される水素による損
傷を防止するために水素バリアー層を結合する半導体デ
バイス及びその製造方法を提供することにその目的があ
る。
め、本発明は、メモリセルに使用するための 半導体装
置において、半導体基板と共に提供される能動基板、上
記半導体基板上に形成されるトランジスタ、上記トラン
ジスタをアイソレーションするためのアイソレーション
領域及び上記トランジスタ、及び上記アイソレーション
領域上に形成された第1絶縁層と、上記第1絶縁層上に
形成された下部電極からなるキャパシタ構造体、上記下
部電極上に位置したキャパシタ薄膜、及び上記キャパシ
タ薄膜上に形成された上部電極と、上記トランジスタ及
び上記キャパシタ構造上に形成された第2絶縁層と、上
記トランジスタを上記キャパシタ構造に電気的に接続さ
せるために上記第2絶縁層上に形成された金属相互接続
(metal interconnection)と、上記金属接続上に形成
されたバリアー層(barrier layer)と、水素を十分含
有したプラズマ化学気相蒸着(CVD)を使用して上記水
素から上記キャパシタ構造を保護するために用いられる
上記バリアー層上に形成された相互金属誘電体(IMD;i
nter-metal dielectric)層とを含む半導体デバイスが
提供される。
導体デバイス製造方法において、 a)トランジスタと上記トランジスタ周辺に形成された
第1絶縁層を備える能動基板を準備するステップと、 b)上記第1絶縁層上に形成され、強誘電体からなるキ
ャパシタ薄膜を含むキャパシタ構造体を形成するステッ
プと、 c)上記トランジスタを上記キャパシタ構造体により電
気的に接続させるために第1金属層を形成して第1金属
層を第1既に設定された形状にパターンニングするステ
ップと、 d)上記パターン化された第1金属層上に第1バリアー
層を形成するステップと、 e)水素が十分含まれた雰囲気でプラズマ化学気相蒸着
(CVD)を使用して、上記第1バリアー層上に形成する
が、上記バリアー層が上記水素から上記キャパシタ構造
体を保護するステップとを含む半導体デバイスの製造方
法が提供される。
識を有する者が本発明の技術的思想を容易に実施できる
程度に、本発明の好ましい実施例を、添付の図面を参照
して説明する。
かる、メモリセルに使用する半導体装置200の断面
図、及びその製造方法を説明するために、本発明の好ま
しい実施例に対応した断面図を示す。図7及び図8ない
し図15に示した同一部分には同一の符号を付してい
る。
6、ビットライン234、金属相互接続236、第1バ
リアー層238、相互金属誘電体(IMD)層240、及
びキャパシタ構造体250を含む半導体デバイス200
の断面図を示す。
用して低温でプラズマCVDが実行される。第1バリアー
層238は、Al2O3のような物質からなり、約50Åか
ら約150Åまでの範囲の厚さを有するのが良い。実施
例で、第1バリアー層238を原子層蒸着(ALD)方法
のような方法を使用して形成する。具体的には、ALD方
法は、次のように実行される。ビットライン234、金
属相互接続236及び第2絶縁層226上に例えば、約
350℃のような低温でTMA(trimethyl aluminum)層
を形成して、ソースガスとしてH2Oを使用してパージガ
スとしてN2を使用して酸化させることによってAl2O3を
得る。
D層240上に形成された第3金属層242、第3金属
層242上に形成された第2バリアー層244、及び第
2バリアー層244上に形成されたパッシべーション層
246を含む。水素が十分含まれたプラズマCVDを使用
してパッシべーション層246を形成する。好ましい実
施例で、キャパシタ構造体250を水素から保護するた
め、例えば、Al2O3のような物質からなる第2バリアー
層244をALD方法のような方法を使用して形成する。
34を拡散層206のいずれかひとつに電気的に接続さ
せ、上部電極224Aを金属相互接続236を介して残
りの他の拡散層206に電気的に接続させる。ここで、
金属相互接続236と電気的に分離される。共通静電位
を印加するため、下部電極220Aをプレートライン
(図示せず)に接続させることができる。
体メモリデバイス200の製造方法を示す概略的な断面
図である。
造工程は、半導体基板202、アイソレーション領域2
04、拡散領域206、ゲート酸化物208、ゲートラ
イン212、スペーサ214及び第1絶縁層216を含
む能動基板210を準備しながら始まる。拡散領域20
6のいずれかひとつは、ソースとして作用し、残りの他
の拡散領域206は、ドレインとして作用する。第1絶
縁層216をBPSG(boron-phosphor-silicate glass)
のような物質により構成する。
れたバッファ層218を第1絶縁層216上に形成す
る。第1金属層220、誘電体層222及び第2金属層
224をバッファ層218上に順に形成する。好ましい
実施例で、白金(Pt)、イリジウム酸化物(IrOx)、ル
テニウム酸化物(RuOx)などを含むが、それに限定され
ない物質から金属層220、224を構成し得る。誘電
体層222をSBT、PZTなどのような強誘電体物質により
構成し、スピンコーティング、化学気相蒸着(CVD)な
どのような方法を使用して形成する。
された形状内部に第2金属層224及び誘電体層222
をパターンニングして上部電極224Aとキャパシタ薄
膜222Aを得る。次いで、下部電極構造体を得るた
め、第2既に設定された形状に第1金属酸化物層220
とバッファ層218を有するキャパシタ構造体250を
形成する。次の工程の間、プレートライン(図示せず)
を形成するために下部電極220Aは、上部電極228A
の大きさと異なる大きさを有するのが好ましい。
mical vapor deposition)のような方法を使用してBPSG
のような物質により構成された第2絶縁層226をキャ
パシタ構造体250と第1絶縁層上に形成してCMP(che
mical mechanical polishing)によって平坦化させ
る。
ィまたは、例えば、RIE(reactiveion etching)のよ
うなプラズマエッチング方法を使用して第2、及び第1
絶縁層226、216を介して拡散領域206上の部分
に第1及び第2開口228、230を形成する。そし
て、フォトリソグラフィやプラズマエッチングのような
方法を使用して第2絶縁層226を介してキャパシタ構
造体250上の所定の部分に第3開口232を形成す
る。
0、232の内部を含む全面にわたって、例えば、アル
ミニウム(Al)により構成された相互接続金属層を形成
し、ビットライン234と金属相互接続236を形成す
るため、予め設定された形状にパターンニングする。
ALDのような方法を使用してビットライン234、金属
相互接続236及び第2絶縁層226上に、例えば、Al
2O3により構成された第1バリアー層238を形成す
る。TMA層をビットライン234、金属相互接続236
及び第2絶縁層226上に約350゜Cの低温で形成
し、ソースガスとしてH2Oを使用し、パージガスとして
N2を使用してTMA層を酸化させてAl2O3層を得るALD方法
を実行する。第1の既に設定された時間内にTMAガスを
フローするステップ、N2ガスを第2既に設定された時間
内にフローするステップ、H2O酸化ガスを第3既に設定
された時間内にフローするステップ、及びN 2パージガス
を第4の既に設定された時間内にフローするステップを
含む4つの蒸着ステップを利用してALD方法を実行す
る。第1バリアー層は、約50Åから約150Åまでの
範囲の厚さを有するのが好ましい。
プラズマCVDのような方法を使用して第1バリアー層2
38上に、例えば、SiO2のような酸化物により構成され
た相互金属誘電体層(IMD)240を形成する。ソース
ガスとしてSiH4を使用して低温でプラズマCVDを実行す
る。次いで、多重レベル工程を適用するためにIMD層2
40上に、例えば、アルミニウム(Al)により構成され
た第3金属層242を形成する。図面で、単純化のため
に単一層構造体を有するものとして各層216、22
6、240を図示する。
のような方法を使用して第3金属層242上に、例え
ば、Al2O3により構成された第2バリアー層を形成す
る。第2バリアー層244のALD方法は、第1バリアー
層238の方法と似ている。第2バリアー層244は、
約50Åから約150Åまでの範囲の厚さを有するのが
良い。
湿気、塵などのような外部の有害な環境から保護するた
めにプラズマCVDのような方法を使用して第2バリアー
層244上に、例えば、Si3N4により構成されたパッ
シべーション層246を形成する。
及び添付した図面によって限定されず、本発明の技術的
思想を超えない範囲内で種々の置換、変形及び変更が可
能であることは本発明が属する技術分野で通常の知識を
有するものにおいて明白である。
及びパッシべーション層の形成により発生された水素損
傷(hydrogen damage)からキャパシタ構造体250を
保護することができる。これは、バリアー層を使用する
ことによって達成され、これは水素ガスがキャパシタ構
造体250に入り込まないようにする。
半導体メモリデバイスを示す断面図である。
方法を示す概略的な断面図である。
方法を示す概略的な断面図である。
方法を示す概略的な断面図である。
方法を示す概略的な断面図である。
方法を示す概略的な断面図である。
ある。
を示す断面図である。
を示す断面図である。
法を示す断面図である。
法を示す断面図である。
法を示す断面図である。
法を示す断面図である。
法を示す断面図である。
法を示す断面図である。
Claims (22)
- 【請求項1】 メモリセルに使用するための半導体装置
において、 半導体基板と共に提供される能動基板、上記半導体基板
上に形成されるトランジスタ、上記トランジスタをアイ
ソレーションするためのアイソレーション領域及び上記
トランジスタ、及び上記アイソレーション領域上に形成
された第1絶縁層と、 上記第1絶縁層上に形成された下部電極からなるキャパ
シタ構造体、上記下部電極上に位置したキャパシタ薄
膜、及び上記キャパシタ薄膜上に形成された上部電極
と、 上記トランジスタ及び上記キャパシタ構造上に形成され
た第2絶縁層と、 上記トランジスタを上記キャパシタ構造に電気的に接続
させるために上記第2絶縁層上に形成された金属相互接
続(metal interconnection)と、 上記金属接続上に形成されたバリアー層(barrier laye
r)と、 水素を十分含有したプラズマ化学気相蒸着(CVD)を使
用して上記水素から上記キャパシタ構造を保護するため
に用いられる上記バリアー層上に形成された相互金属誘
電体(IMD;inter-metal dielectric)層とを含むこと
を特徴とする半導体デバイス。 - 【請求項2】 上記キャパシタ薄膜がSBT(SrBiTaO
x)、PZT(PbZrTiOx)等により構成されたグループから
選択された強誘電体からなることを特徴とする請求項1
記載の半導体デバイス。 - 【請求項3】 上記IMD層がSiO2 のような酸化物からな
ることを特徴とする請求項2記載の半導体デバイス。 - 【請求項4】 上記プラズマCVDがシラン(SiH4 )をソ
ースガスとして使用して低温で実行されることを特徴と
する請求項3記載の半導体デバイス。 - 【請求項5】 上記バリアー層がAl2 O3 のような物質
からなることを特徴とする請求項1記載の半導体デバイ
ス。 - 【請求項6】 上記バリアー層が約50Åから約150
Åまでの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項5
記載の半導体デバイス。 - 【請求項7】 上記バリアー層が原子層蒸着(ALD;ato
mic layer deposition)方法を使用して形成されること
を特徴とする請求項6記載の半導体デバイス。 - 【請求項8】 上記ALD方法がソースガスとしてTMA(tr
imethyl aluminum)とH2Oを使用してパージ(purge)ガ
スとしてN2を使用して実行されることを特徴とする請求
項7記載の半導体デバイス。 - 【請求項9】 上記IMD層上に形成された金属ライン
と、 上記金属ライン上に形成された付加バリアー層と、 水素を十分含有した雰囲気(hydrogen rich atmospher
e)でプラズマCVDを使用して上記付加バリアー層上に形
成され、上記付加層が上記水素から上記キャパシタ構造
を保護するために用いられるパッシべーション層とをさ
らに含むことを特徴とする請求項1記載の半導体デバイ
ス。 - 【請求項10】 上記付加バリアー層がAl2 O3のような
物質からなることを特徴とする請求項9記載の半導体デ
バイス。 - 【請求項11】 上記付加バリアー層がALD方法を使用
して形成されることを特徴とする請求項10記載の半導
体デバイス。 - 【請求項12】 メモリセルに使用する半導体デバイス
製造方法において、 a)トランジスタと上記トランジスタ周辺に形成された
第1絶縁層を備える能動基板を準備するステップと、 b)上記第1絶縁層上に形成され、強誘電体からなるキ
ャパシタ薄膜を含むキャパシタ構造体を形成するステッ
プと、 c)上記トランジスタを上記キャパシタ構造体により電
気的に接続させるために第1金属層を形成して第1金属
層を第1既に設定された形状にパターンニングするステ
ップと、 d)上記パターン化された第1金属層上に第1バリアー
層を形成するステップと、 e)水素が十分含まれた雰囲気でプラズマ化学気相蒸着
(CVD)を使用して、上記第1バリアー層上に形成する
が、上記バリアー層が上記水素から上記キャパシタ構造
体を保護するステップとを含むことを特徴とする半導体
デバイスの製造方法。 - 【請求項13】 上記キャパシタ薄膜がSBT、PZT等によ
り構成されたグループから選択された物質からなること
を特徴とする請求項12記載の半導体デバイスの製造方
法。 - 【請求項14】 上記IMD層がSiO2 のような酸化物から
なる請求項13記載の半導体デバイスの製造方法。 - 【請求項15】 上記プラズマCVDがSiH4 をソースガス
として使用して低温で実行されることを特徴とする請求
項14記載の半導体デバイスの製造方法。 - 【請求項16】 上記第1バリアー層がAl2 O3のような
物質からなることを特徴とする請求項15記載の半導体
デバイスの製造方法。 - 【請求項17】 上記第1バリアー層が約50 Åから
約150Åの範囲の厚さを有することを特徴とする請求
項16記載の半導体デバイスの製造方法。 - 【請求項18】 上記第1バリアー層がALD方法を使用
して形成されることを特徴とする請求項17記載の半導
体デバイスの製造方法。 - 【請求項19】 上記ALD方法がソースガスとしてTMAと
H2Oを使用してN2をパージガスとして使用して実行され
ることを特徴とする請求項18記載の半導体デバイスの
製造方法。 - 【請求項20】 上記e)ステップ以後に、 f)上記IMD層上に形成された第2金属層と、 g)上記第2金属層上に形成された第2バリアー層と、 h)水素が十分含有された雰囲気でプラズマCVDを使用し
て上記付加バリアー層上に形成され、上記付加層が上記
水素から上記キャパシタ構造を保護するために用いられ
るパッシべーション層とをさらに含むことを特徴とする
請求項12記載の半導体デバイスの製造方法。 - 【請求項21】 上記第2バリアー層がAl2 O3のような
物質からなることを特徴とする請求項20記載の半導体
デバイスの製造方法。 - 【請求項22】 上記g)ステップがALD方法を使用して
実行されることを特徴とする請求項21記載の半導体デ
バイスの製造方法。
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