JP2002026295A - 高誘電体キャパシタ及びその製造方法 - Google Patents
高誘電体キャパシタ及びその製造方法Info
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Abstract
部に拡散防止膜を形成して後続熱処理時の水素イオンの
侵透を防止することにより、前記短所を解消できる高誘
電体キャパシタ及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 金属からなるストレージ電極18及びプ
レート電極20、前記電極間に形成された高誘電体膜1
9を有するキャパシタにおいて、ストレージ電極の側部
及びプレート電極の上部にガスイオンの侵透を防止する
ための拡散防止膜16,21をそれぞれ形成した高誘電
体キャパシタ。
Description
及びその製造方法に係り、特に後続の熱処理過程で発生
する誘電体膜の特性劣化を防止できるようにした高誘電
体キャパシタ及びその製造方法に関する。
子の集積度が増加するにつれて、チップにおけるメモリ
セルの占有面積は急激に縮小する。ところが、メモリ素
子の動作のためには単位メモリセル当り一定量以上のキ
ャパシタンスを必ず確保しなければならないが、この故
にメモリセルの動作に必要なキャパシタンスをそのまま
維持しつつ、キャパシタの占有面積を最小化することが
できる工程技術の開発が望まれる。
パシタンスを確保するためにはストレージ電極の有効表
面積を増加させるか、或いは誘電特性の向上した誘電体
を使用しなければならない。
メモリ容量を有する素子の製造工程では誘電率の高いT
a2O5、BST(Barium Strontium Titanate)などを用
いてキャパシタを製造しており、キャパシタの構造を、
金属電極、誘電体及びシリコン電極からなるMIS(Met
al Insulator Silicon)型、或いは金属電極、誘電体及
び金属電極からなるMIM(Metal Insulator Metal)型
とする。
O5は酸化膜と窒化膜からなる従来の誘電体より誘電率
が5倍以上高く、BSTの誘電率はTa2O5より高い。
リコンの代わりに金属で形成すると、空乏層の形成によ
るキャパシタンスの減少を防止することができる。即
ち、ポリシリコンを用いて下部電極を形成すると、素子
の動作時に必然的に空乏層が形成されるが、この空乏層
がDRAMの構成要素であるキャパシタと直列に連結さ
れるキャパシタとして作用して全体のキャパシタンスを
減少させる。しかし、下部電極を金属で形成すると、空
乏層の厚さが無視してもよい程度に減少するため、前述
のようなキャパシタンスの減少が発生しない。
て、上下部電極のいずれか一つのみを金属で形成する
か、或いは全ての上下部電極を金属で形成する構造を採
用している。
造を有する従来のキャパシタ製造方法を図1a乃至図1
dに基づいて説明する。
に第1絶縁膜3を形成し、前記接合部2が露出するよう
に前記第1絶縁膜3をパターニングしてコンタクトホー
ルを形成した後、前記コンタクトホール内にプラグ4を
形成した状態の断面図である。ここで、前記プラグ4は
ポリシリコン4aとTi/TiN4bとの積層構造で形
成する。前記Ti/TiN4bは上部に形成する金属電
極との接触抵抗(Contact Resistance)を減少させ、前記
ポリシリコン4aと金属との相互拡散を防止する役割を
果たす。
にエッチング防止層5及び酸化膜6を順次形成した後、
ストレージ電極用マスクを用いて前記酸化膜6及びエッ
チング防止層5を順次パターニングした状態の断面図で
ある。ここで、前記エッチング防止層5は前記酸化膜6
のエッチング時に前記第1絶縁膜3の損失が防止できる
ように窒化膜を数百Åの厚さに蒸着して形成する。
メモリセル間の電気的分離のために前記酸化膜6上に蒸
着された金属を除去することにより、前記酸化膜6及び
エッチング防止層5のパターニングされた部分に前記プ
ラグ4と接続されるようにストレージ電極7が形成され
た状態の断面図である。ここで、前記酸化膜6上に蒸着
された金属はエッチバックまたはCMP(化学的機械的
研磨)工程で除去する。
ート電極9を順次形成した後、前記プレート電極9上に
第2絶縁膜10を形成して表面を平坦化した状態の断面
図である。ここで、前記誘電体膜8はTa2O5、BST
などのような高誘電体で形成する。
用した場合、前述のようにキャパシタの製造が完了する
と、金属配線を形成する。そして、金属配線の形成が完
了すると、MOSトランジスタの特性を最適化するため
に、水素または水素と窒素との混合ガスの雰囲気中で熱
処理を実施する。即ち、トランジスタが形成された後、
ワード線、ビット線、キャパシタ及び金属配線が形成さ
れるために、この過程でメモリセルの劣化が発生し、こ
れにより界面にダングリングボンド(DanglingBond)が容
易に形成され、トランジスタの特性が劣化する。従っ
て、水素ガス雰囲気中で熱処理して水素原子が基底部に
位置したトランジスタに拡散されるようにすると、前記
ダングリングボンドが除去され、所望の特性を有するト
ランジスタを形成することができる。
電体膜の電気的特性が大きく劣化して素子の動作時に漏
洩電流が生ずるという報告が発表されている。かかる問
題点の原因は未だ明かにされていないが、熱処理の際に
誘電膜8に侵透した水素原子が殆ど酸化物からなる高誘
電体と還元反応を起こして発生するものと考えられる。
キャパシタのプレート電極Ru上部にAl2O5からなる
キャッピング層(Capping Layer)を形成して水素原子の
侵透を防止する技術[IEDM 99, “Development of Ru/T
a2O5/Ru Capaticor Technology for Giga-scale DRAM
s”, Samsung Electronics Co., Ltd.]が発表されてい
る。この技術によれば、プレート電極上部からの水素イ
オンの侵透は遮断されるが、ストレージ電極下部からの
水素イオンの侵透は遮断されない。特に、前記エッチン
グ防止層5として用いられる窒化膜の蒸着時にソースガ
スとしてSiH4及びNH3が用いられるため、蒸着後残
留した水素原子を完全に除去しない場合、残留した水素
原子が前記誘電体膜8に侵透する虞がある。
レージ電極の側部及びプレート電極の上部に拡散防止膜
を形成して後続熱処理時の水素イオンの侵透を防止する
ことにより、前記短所を解消することができる高誘電体
キャパシタ及びその製造方法を提供することを目的とす
る。
の本発明に係る高誘電体キャパシタは、金属からなるス
トレージ電極及びプレート電極、前記電極間に形成され
た高誘電体膜を有するキャパシタにおいて、前記ストレ
ージ電極の側部及び前記プレート電極の上部にガスイオ
ンの侵透を防止するための拡散防止膜をそれぞれ形成し
たことを特徴とし、本発明に係る高誘電体キャパシタの
製造方法は、接合部を有する半導体基板上に絶縁膜を形
成し、前記接合部が露出するように前記絶縁膜をパター
ニングしてコンタクトホールを形成した後、前記コンタ
クトホール内にプラグを形成する段階と、前記プラグを
含む全体構造の上にエッチング防止層、第1拡散防止膜
及び酸化膜を順次形成した後、ストレージ電極用マスク
を用いて前記酸化膜、第1拡散防止膜及びエッチング防
止層を順次パターニングする段階と、前記酸化膜、第1
拡散防止膜及びエッチング防止層のパターニングされた
部分に前記プラグと接続するようにストレージ電極を形
成する段階と、前記ストレージ電極を含む全体上部面に
誘電体膜、プレート電極及び第2拡散防止膜を順次形成
する段階とを含んでなることを特徴とする。
2O3で50乃至200Åの厚さに形成し、前記ストレー
ジ電極及びプレート電極はRu、Pt、RuO2、I
r、IrO2、W、WN、TiNのいずれか一種により
形成し、前記誘電体膜はTa2O 5、TaON及びBST
のいずれか一種により形成することを特徴とする。
詳細に説明する。
高誘電体キャパシタの製造方法を説明するための素子の
断面図である。
板11上に第1絶縁膜13を形成し、前記接合部12が
露出するように前記第1絶縁膜13をパターニングして
コンタクトホールを形成した後、前記コンタクトホール
内にプラグ14を形成した状態の断面図である。ここ
で、前記プラグ14はポリシリコン14aとTi/Ti
N14bとの積層構造で形成する。更に、前記Ti/T
iN14bは上部に形成する金属電極との接触抵抗を減
少し、前記ポリシリコン14aと金属との相互拡散を防
止する役割を果たし、Ti/TiNの代わりにTi/T
iAlNまたはTi/TiSiNを用いることができ
る。
造の上にエッチング防止層15、第1拡散防止膜16及
び酸化膜17を順次形成した後、ストレージ電極用マス
クを用いて前記酸化膜17、第1拡散防止膜16及びエ
ッチング防止層15を順次パターニングした状態の断面
図である。ここで、前記エッチング防止層15は前記酸
化膜17のエッチング時に、前記第1絶縁膜13の損失
が防止できるように窒化膜を500乃至1000Åの厚
さに蒸着して形成する。そして、前記第1拡散防止膜1
6はALD(Atomic Layer Deposition)法でAl2O3を
50乃至200Åの厚さに蒸着して形成し、前記酸化膜
17は5000乃至12000Åの厚さに形成して、十
分なキャパシタンスが得られるようにする。
uO2、Ir、IrO2、W、WN、TiNなどのような
金属を200乃至400Åの厚さに蒸着した後、メモリ
セル間の電気的分離のために、前記酸化膜17上に蒸着
された金属を除去することにより、前記酸化膜17、第
1拡散防止膜16及びエッチング防止層5のパターニン
グされた部分に前記プラグ14と接続するようにストレ
ージ電極18を形成した状態の断面図である。ここで、
前記酸化膜17上に蒸着された金属はエッチバックまた
はCMP(化学的機械的研磨)工程で除去する。
びプレート電極20を順次形成した状態の断面図であ
る。ここで、前記誘電体膜19は層覆い特性の良好なC
VD法でTa2O5、TaONまたはBSTのような高誘
電体を100乃至250Åの厚さに蒸着した後、ソース
に含まれた有機不純物(Organic Impurity)が除去される
ように350乃至450℃の温度で酸素O2プラズマま
たはUV/O3法で低温熱処理するか、或いは550乃
至700℃の反応炉またはRTP(急速熱処理)装備で
高温熱処理して形成し、前記プレート電極20はRu、
Pt、RuO2、Ir、IrO2、W、WN、TiNのい
ずれか一種の金属で形成する。
aONの場合は100乃至150Åの厚さに形成し、前
記BSTの場合は150乃至250Åの厚さに形成す
る。
LD法でAl2O3を50乃至200Åの厚さに蒸着して
第2拡散防止膜21を形成した後、前記第2拡散防止膜
21上に第2絶縁膜22を形成して表面を平坦化した状
態の断面図である。
工程の熱処理を経ても前記第1拡散防止膜16によって
前記エッチング防止層15及び下部からの水素イオンの
侵透が防止されるとともに、前記第2拡散防止膜21に
よって外部からの水素イオンの侵透が防止される。従っ
て、水素イオンの侵透による誘電体膜19の特性劣化が
発生しない。
極の側部及びプレート電極の上部に拡散防止膜を形成し
て後続熱処理時の水素イオンの侵透を防止することによ
り、誘電体膜の特性を保存して漏洩電流の発生による素
子の信頼性低下を防止する。従って、本発明は熱処理に
よる問題点を除去してMOSトランジスタの特性が最適
の状態に維持できるようにし、高誘電体及び金属電極の
使用による必要キャパシタンスを効率良く確保できるよ
うにして、素子の高集積化を容易にする。
ャパシタ製造方法を説明するための素子の断面図であ
る。
電体キャパシタの製造方法を説明するための素子の断面
図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 金属からなるストレージ電極及びプレー
ト電極、前記電極間に形成された高誘電体膜を有するキ
ャパシタにおいて、 前記ストレージ電極の側部及び前記プレート電極の上部
に、ガスイオンの侵透を防止するための拡散防止膜をそ
れぞれ形成したことを特徴とする高誘電体キャパシタ。 - 【請求項2】 前記拡散防止膜をAl2O3で50乃至2
00Åの厚さに形成することを特徴とする請求項1記載
の高誘電体キャパシタ。 - 【請求項3】 接合部を有する半導体基板上に絶縁膜を
形成し、前記接合部が露出するように前記絶縁膜をパタ
ーニングしてコンタクトホールを形成した後、前記コン
タクトホール内にプラグを形成する段階と、 前記プラグを含む全体構造の上にエッチング防止層、第
1拡散防止膜及び酸化膜を順次形成した後、ストレージ
電極用マスクを用いて前記酸化膜、第1拡散防止膜及び
エッチング防止層を順次パターニングする段階と、 前記酸化膜、第1拡散防止膜及びエッチング防止層のパ
ターニングされた部分に前記プラグと接続するようにス
トレージ電極を形成する段階と、 前記ストレージ電極を含む全体上部面に誘電体膜、プレ
ート電極及び第2拡散防止膜を順次形成する段階とを含
んでなることを特徴とする高誘電体キャパシタの製造方
法。 - 【請求項4】 前記プラグをポリシリコンとTi/Ti
Nとの積層構造とすることを特徴とする請求項3記載の
高誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項5】 前記エッチング防止層を窒化膜で500
乃至1000Åの厚さに形成することを特徴とする請求
項3記載の高誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項6】 前記第1及び第2拡散防止膜をAl2O3
で50乃至200Åの厚さに形成することを特徴とする
請求項3記載の高誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項7】 前記酸化膜を5000乃至12000Å
の厚さに形成することを特徴とする請求項3記載の高誘
電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項8】 前記ストレージ電極及びプレート電極を
Ru、Pt、RuO 2、Ir、IrO2、W、WN、Ti
Nのいずれか一種の金属で形成することを特徴とする請
求項3記載の高誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項9】 前記ストレージ電極を200乃至400
Åの厚さに形成することを特徴とする請求項3記載の高
誘電体キャパシタの製造方法。 - 【請求項10】 前記誘電体膜はCVD法で高誘電体を
100乃至250Åの厚さに蒸着した後、350乃至4
50℃の温度で低温熱処理することにより形成されるこ
とを特徴とする請求項3記載の高誘電体キャパシタの製
造方法。 - 【請求項11】 前記誘電体膜はCVD法で高誘電体を
100乃至250Åの厚さに蒸着した後、550乃至7
00℃の温度で高温熱処理することにより形成されるこ
とを特徴とする請求項3記載の高誘電体キャパシタの製
造方法。 - 【請求項12】 前記高誘電体はTa2O5、TaON及
びBSTのいずれか一種であることを特徴とする請求項
10または請求項11記載の高誘電体キャパシタの製造
方法。
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