JP2003007984A - 拡散防止膜およびその製造方法および半導体記憶素子およびその製造方法 - Google Patents
拡散防止膜およびその製造方法および半導体記憶素子およびその製造方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 水素の透過を効果的に抑制でき、水素バリア
性の優れた拡散防止膜およびその製造方法を提供すると
共に、安定した強誘電体特性または高誘電体特性を有す
るキャパシタを備えた歩留まりのよい半導体記憶素子お
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 バリウムが含まれるアルミニウムの酸化
物からなる拡散防止膜７を堆積させ、酸素と二酸化炭素
の混合ガスの雰囲気中で拡散防止膜７を熱処理すること
によって、拡散防止膜７に含まれるバリウムに二酸化炭
素を吸着させる。
性の優れた拡散防止膜およびその製造方法を提供すると
共に、安定した強誘電体特性または高誘電体特性を有す
るキャパシタを備えた歩留まりのよい半導体記憶素子お
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 バリウムが含まれるアルミニウムの酸化
物からなる拡散防止膜７を堆積させ、酸素と二酸化炭素
の混合ガスの雰囲気中で拡散防止膜７を熱処理すること
によって、拡散防止膜７に含まれるバリウムに二酸化炭
素を吸着させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、拡散防止膜およ
びその製造方法に関し、さらに強誘電体膜または高誘電
体膜を電荷蓄積用のキャパシタの誘電体層に用いた半導
体記憶素子およびその製造方法に関する。
びその製造方法に関し、さらに強誘電体膜または高誘電
体膜を電荷蓄積用のキャパシタの誘電体層に用いた半導
体記憶素子およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の不揮発性メモリであるＥＰＲＯＭ
(消去書込み可能な読出し専用メモリ)、ＥＥＰＲＯＭ
(電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ)、フラッシ
ュメモリは、読み出し時間こそＤＲＡＭ(ダイナミック
・ランダム・アクセス・メモリ)並みであるが、書き込
み時間が長いために高速動作は期待できない。これに対
して、強誘電体キャパシタを電荷蓄積部として用いた不
揮発性メモリである強誘電体メモリは、読み出し時間・
書き込み時間共にＤＲＡＭ並みであり、高速動作の期待
できるランダムアクセス可能な不揮発性メモリである。
(消去書込み可能な読出し専用メモリ)、ＥＥＰＲＯＭ
(電気的消去書込み可能な読出し専用メモリ)、フラッシ
ュメモリは、読み出し時間こそＤＲＡＭ(ダイナミック
・ランダム・アクセス・メモリ)並みであるが、書き込
み時間が長いために高速動作は期待できない。これに対
して、強誘電体キャパシタを電荷蓄積部として用いた不
揮発性メモリである強誘電体メモリは、読み出し時間・
書き込み時間共にＤＲＡＭ並みであり、高速動作の期待
できるランダムアクセス可能な不揮発性メモリである。
【０００３】そのため、従来の不揮発性メモリであるフ
ラッシュメモリとワークメモリとして用いられるＤＲＡ
Ｍを組み合わせたシステムにおいて、これらのメモリを
強誘電体メモリ一つで置き換える可能性がある。
ラッシュメモリとワークメモリとして用いられるＤＲＡ
Ｍを組み合わせたシステムにおいて、これらのメモリを
強誘電体メモリ一つで置き換える可能性がある。
【０００４】また、トランジスタのゲート電極を強誘電
体に置き換えたＭＦＳ(メタル−強誘電体−半導体)また
はＭＦＩＳ(メタル−強誘電体−絶縁体−半導体)のよう
な形態のメモリも考えられるが、現在広く実用化されよ
うとしている一般的な強誘電体メモリのデバイス構造
は、強誘電体キャパシタ１つと選択トランジスタ１つで
構成される１つのメモリセルである。
体に置き換えたＭＦＳ(メタル−強誘電体−半導体)また
はＭＦＩＳ(メタル−強誘電体−絶縁体−半導体)のよう
な形態のメモリも考えられるが、現在広く実用化されよ
うとしている一般的な強誘電体メモリのデバイス構造
は、強誘電体キャパシタ１つと選択トランジスタ１つで
構成される１つのメモリセルである。
【０００５】上記強誘電体メモリの電荷蓄積部である強
誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜の材料としては、
これまでよく検討されてきたＰbＺrxＴi1-xＯ3(ＰＺ
Ｔ；チタン酸ジルコン酸鉛)や、ＰＺＴに比べて耐疲労
特性がよく低電圧駆動が可能なＳrＢi2Ｔa2Ｏ９(ＳＢ
Ｔ；タンタル酸ストロンチウムビスマス)およびＢi4Ｔi
3Ｏ12(ＢＩＴ)などが注目され、現在盛んに検討されて
いる。
誘電体キャパシタに用いる強誘電体膜の材料としては、
これまでよく検討されてきたＰbＺrxＴi1-xＯ3(ＰＺ
Ｔ；チタン酸ジルコン酸鉛)や、ＰＺＴに比べて耐疲労
特性がよく低電圧駆動が可能なＳrＢi2Ｔa2Ｏ９(ＳＢ
Ｔ；タンタル酸ストロンチウムビスマス)およびＢi4Ｔi
3Ｏ12(ＢＩＴ)などが注目され、現在盛んに検討されて
いる。
【０００６】上記強誘電体膜の形成方法には、ＭＯＤ(M
etal Organic Deposition；有機金属成長)法、ゾルゲル
法、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposi
tion；有機金属気相成長)法、スパッタリング法等があ
るが、いずれの成膜法においても、強誘電体膜は酸化物
であるので、６００℃〜８００℃程度の高温の酸化性雰
囲気中の熱処理で結晶化させる必要がある。一方、強誘
電体キャパシタの電極材料として、強誘電体を結晶化さ
せるための高温酸化性雰囲気中における耐熱性が必要な
ため、耐酸化性がある白金や、酸化物でも導電性を示す
イリジウムなどが、上部電極,下部電極ともに広く用い
られている。
etal Organic Deposition；有機金属成長)法、ゾルゲル
法、ＭＯＣＶＤ(Metal Organic Chemical Vapor Deposi
tion；有機金属気相成長)法、スパッタリング法等があ
るが、いずれの成膜法においても、強誘電体膜は酸化物
であるので、６００℃〜８００℃程度の高温の酸化性雰
囲気中の熱処理で結晶化させる必要がある。一方、強誘
電体キャパシタの電極材料として、強誘電体を結晶化さ
せるための高温酸化性雰囲気中における耐熱性が必要な
ため、耐酸化性がある白金や、酸化物でも導電性を示す
イリジウムなどが、上部電極,下部電極ともに広く用い
られている。
【０００７】このような電極材料および誘電体材料を用
いて、強誘電体キャパシタを形成するときは、下部電極
層,強誘電体層および上部電極層を順次堆積させた後
に、ドライエッチング法で加工して雛壇状にする。
いて、強誘電体キャパシタを形成するときは、下部電極
層,強誘電体層および上部電極層を順次堆積させた後
に、ドライエッチング法で加工して雛壇状にする。
【０００８】上記強誘電体メモリでは、強誘電体膜が酸
化物であるため、強誘電体膜を結晶化するための熱処理
工程以降のデバイス作成工程で、還元雰囲気での熱処理
工程を経ると、強誘電体膜が還元されてしまい、強誘電
体膜のリーク電流の増加や強誘電性自体を発現しなくな
るなどの悪影響を起こしてしまう。そこで、特開平８−
３３５６７３号公報に開示された構造では、キャパシタ
全体を覆うようにキャパシタ直上に拡散防止膜を堆積さ
せている。この構造の拡散防止膜は、強誘電体と層間絶
縁膜が直接接する構造を防ぐために用いられているが、
この構造を用いることにより、還元剤となる水素の強誘
電体キャパシタへの拡散も防止できるという効果も期待
できる。そのため、強誘電体キャパシタの直上に水素も
バリアする目的でアルミナ(酸化アルミニウム)からなる
拡散防止膜が堆積された上で、層間絶縁膜が堆積されて
いる。
化物であるため、強誘電体膜を結晶化するための熱処理
工程以降のデバイス作成工程で、還元雰囲気での熱処理
工程を経ると、強誘電体膜が還元されてしまい、強誘電
体膜のリーク電流の増加や強誘電性自体を発現しなくな
るなどの悪影響を起こしてしまう。そこで、特開平８−
３３５６７３号公報に開示された構造では、キャパシタ
全体を覆うようにキャパシタ直上に拡散防止膜を堆積さ
せている。この構造の拡散防止膜は、強誘電体と層間絶
縁膜が直接接する構造を防ぐために用いられているが、
この構造を用いることにより、還元剤となる水素の強誘
電体キャパシタへの拡散も防止できるという効果も期待
できる。そのため、強誘電体キャパシタの直上に水素も
バリアする目的でアルミナ(酸化アルミニウム)からなる
拡散防止膜が堆積された上で、層間絶縁膜が堆積されて
いる。
【０００９】ここまでは、強誘電体膜を電荷蓄積部に用
いた強誘電体メモリについて述べたが、電荷蓄積部に高
誘電体膜を用いた集積度の高いＤＲＡＭの場合も状況は
同様である。すなわち、ＤＲＡＭの高誘電体膜も強誘電
体膜と同様に酸化物であり、高誘電体膜の形成後のデバ
イス作成工程で、還元雰囲気での熱処理工程を経ると、
高誘電体膜が還元されてしまい、高誘電体膜のリーク電
流の増加や誘電率の低下を招き、メモリとして機能させ
るために十分な電荷を保持できなくなる等の悪影響を起
こしてしまう。そのため、電荷蓄積部を還元剤となる水
素から保護する目的で、キャパシタの直上にアルミナの
拡散防止膜を堆積する。
いた強誘電体メモリについて述べたが、電荷蓄積部に高
誘電体膜を用いた集積度の高いＤＲＡＭの場合も状況は
同様である。すなわち、ＤＲＡＭの高誘電体膜も強誘電
体膜と同様に酸化物であり、高誘電体膜の形成後のデバ
イス作成工程で、還元雰囲気での熱処理工程を経ると、
高誘電体膜が還元されてしまい、高誘電体膜のリーク電
流の増加や誘電率の低下を招き、メモリとして機能させ
るために十分な電荷を保持できなくなる等の悪影響を起
こしてしまう。そのため、電荷蓄積部を還元剤となる水
素から保護する目的で、キャパシタの直上にアルミナの
拡散防止膜を堆積する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】この発明で解決しよう
としている課題は、上記強誘電体メモリおよび高誘電体
膜を用いたＤＲＡＭの拡散防止膜であるアルミナの水素
バリア性である。上記強誘電体メモリおよび高誘電体膜
を用いたＤＲＡＭでは、キャパシタを作成した後のデバ
イス作成工程において、水素を用いた処理を行ったり、
層間絶縁膜に水素を含む膜を使用したりするため、水素
がキャパシタ部に拡散し、酸化物の強誘電体膜や高誘電
体膜を一部還元してしまう。または、上記層間絶縁膜に
水分を多量に含む膜を使用した場合には、水素を直接用
いない工程であっても、層間絶縁膜から脱離した水分と
金属層の反応により発生する水素が高温に保持するだけ
で拡散し、同様に酸化物であるキャパシタの誘電体層を
還元してしまう。そのため、キャパシタ特性は、リーク
電流の増大、誘電率の低下、強誘電体の場合には履歴曲
線の劣化などが引き起こされる。
としている課題は、上記強誘電体メモリおよび高誘電体
膜を用いたＤＲＡＭの拡散防止膜であるアルミナの水素
バリア性である。上記強誘電体メモリおよび高誘電体膜
を用いたＤＲＡＭでは、キャパシタを作成した後のデバ
イス作成工程において、水素を用いた処理を行ったり、
層間絶縁膜に水素を含む膜を使用したりするため、水素
がキャパシタ部に拡散し、酸化物の強誘電体膜や高誘電
体膜を一部還元してしまう。または、上記層間絶縁膜に
水分を多量に含む膜を使用した場合には、水素を直接用
いない工程であっても、層間絶縁膜から脱離した水分と
金属層の反応により発生する水素が高温に保持するだけ
で拡散し、同様に酸化物であるキャパシタの誘電体層を
還元してしまう。そのため、キャパシタ特性は、リーク
電流の増大、誘電率の低下、強誘電体の場合には履歴曲
線の劣化などが引き起こされる。
【００１１】水素バリア膜の製法などを工夫することで
透過する水素量はある程度の量を減らせるものの、完全
に水素を遮断できず、特に、拡散防止膜であるアルミナ
が４００℃以上の高温での水素遮断性を十分に保つこと
ができない。少なくとも金属アルミニウム配線を形成後
においても、４５０℃程度までの温度帯を使用する工程
を経る必要があるため、この程度の温度帯でも安定して
水素を遮断する必要がある。しかしながら、実際には３
００℃〜４００℃付近から水素を急激に透過させてしま
うため、キャパシタの形成後の作成プロセスに温度の制
約や、高温プロセスの時間をできる限り短くするなどの
制約があり、他の製造プロセスの要求により４００℃以
上の高温の長時間工程を経ると、その工程後に強誘電体
膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキャパシタの特
性がばらついたり不安定になったりして、ビット不良が
発生したり、特性劣化を起こし、メモリ動作自体に支障
をきたし、歩留まりが悪くなるという問題がある。
透過する水素量はある程度の量を減らせるものの、完全
に水素を遮断できず、特に、拡散防止膜であるアルミナ
が４００℃以上の高温での水素遮断性を十分に保つこと
ができない。少なくとも金属アルミニウム配線を形成後
においても、４５０℃程度までの温度帯を使用する工程
を経る必要があるため、この程度の温度帯でも安定して
水素を遮断する必要がある。しかしながら、実際には３
００℃〜４００℃付近から水素を急激に透過させてしま
うため、キャパシタの形成後の作成プロセスに温度の制
約や、高温プロセスの時間をできる限り短くするなどの
制約があり、他の製造プロセスの要求により４００℃以
上の高温の長時間工程を経ると、その工程後に強誘電体
膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキャパシタの特
性がばらついたり不安定になったりして、ビット不良が
発生したり、特性劣化を起こし、メモリ動作自体に支障
をきたし、歩留まりが悪くなるという問題がある。
【００１２】そこで、この発明の目的は、水素の透過を
効果的に抑制でき、水素バリア性の優れた拡散防止膜お
よびその製造方法を提供することにある。
効果的に抑制でき、水素バリア性の優れた拡散防止膜お
よびその製造方法を提供することにある。
【００１３】また、この発明のもう1つの目的は、上記
拡散防止膜を用いて、安定した強誘電体特性または高誘
電体特性を有するキャパシタを備えた歩留まりのよい半
導体記憶素子およびその製造方法を提供することにあ
る。
拡散防止膜を用いて、安定した強誘電体特性または高誘
電体特性を有するキャパシタを備えた歩留まりのよい半
導体記憶素子およびその製造方法を提供することにあ
る。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の拡散防止膜は、少なくともII族元素のう
ちの１種類以上が含まれたアルミニウムの酸化物からな
る膜であって、上記II族元素のうちの少なくとも１種類
に二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方が吸着
したことを特徴としている。
め、この発明の拡散防止膜は、少なくともII族元素のう
ちの１種類以上が含まれたアルミニウムの酸化物からな
る膜であって、上記II族元素のうちの少なくとも１種類
に二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方が吸着
したことを特徴としている。
【００１５】上記構成の拡散防止膜によれば、アルミニ
ウムの酸化物に含まれるII族元素に二酸化炭素または一
酸化炭素の少なくとも一方が吸着し、アルミニウムの酸
化物の微小な粒界が埋められるので、水素の透過を効果
的に抑制でき、水素バリア性の優れた拡散防止膜を提供
できる。
ウムの酸化物に含まれるII族元素に二酸化炭素または一
酸化炭素の少なくとも一方が吸着し、アルミニウムの酸
化物の微小な粒界が埋められるので、水素の透過を効果
的に抑制でき、水素バリア性の優れた拡散防止膜を提供
できる。
【００１６】また、一実施形態の拡散防止膜は、主要構
成材料の酸化アルミニウムにバリウムまたはストロンチ
ウムの少なくとも一方を含んでいることを特徴としてい
る。
成材料の酸化アルミニウムにバリウムまたはストロンチ
ウムの少なくとも一方を含んでいることを特徴としてい
る。
【００１７】上記実施形態の拡散防止膜によれば、主要
構成材料に酸化アルミニウムを用い、その酸化アルミニ
ウムにバリウムまたはストロンチウムの少なくとも一方
を添加することにより、酸化アルミニウムの粒界に偏析
するバリウムまたはストロンチウムに二酸化炭素(また
は一酸化炭素)が吸着し、微小な酸化アルミニウムの粒
界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制する。
構成材料に酸化アルミニウムを用い、その酸化アルミニ
ウムにバリウムまたはストロンチウムの少なくとも一方
を添加することにより、酸化アルミニウムの粒界に偏析
するバリウムまたはストロンチウムに二酸化炭素(また
は一酸化炭素)が吸着し、微小な酸化アルミニウムの粒
界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制する。
【００１８】また、この発明の拡散防止膜の製造方法
は、少なくともII族元素のうちの１種類以上が含まれた
アルミニウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させる
工程と、二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方
を含む雰囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する工程とを
有することを特徴としている。
は、少なくともII族元素のうちの１種類以上が含まれた
アルミニウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させる
工程と、二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方
を含む雰囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する工程とを
有することを特徴としている。
【００１９】上記拡散防止膜の製造方法によれば、少な
くともII族元素のうちの１種類以上が含まれたアルミニ
ウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させた後、その
堆積させた拡散防止膜を二酸化炭素または一酸化炭素の
少なくとも一方を含む雰囲気中で熱処理することによっ
て、アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素のうちの
少なくとも１種類に二酸化炭素または一酸化炭素の少な
くとも一方が吸着し、アルミニウムの酸化物の微小な粒
界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制でき、
水素バリア性を大幅に向上できる。
くともII族元素のうちの１種類以上が含まれたアルミニ
ウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させた後、その
堆積させた拡散防止膜を二酸化炭素または一酸化炭素の
少なくとも一方を含む雰囲気中で熱処理することによっ
て、アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素のうちの
少なくとも１種類に二酸化炭素または一酸化炭素の少な
くとも一方が吸着し、アルミニウムの酸化物の微小な粒
界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制でき、
水素バリア性を大幅に向上できる。
【００２０】また、一実施形態の拡散防止膜の製造方法
は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が上記二酸化炭素
または一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰囲気
中で行うことを特徴としている。
は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が上記二酸化炭素
または一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰囲気
中で行うことを特徴としている。
【００２１】上記実施形態の拡散防止膜の製造方法によ
れば、アルミニウムの酸化膜に添加されたII族元素に二
酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を吸着させ
るだけでなく、酸素を含む雰囲気中で熱処理することに
よりアルミニウムの酸化膜を十分に酸化させて欠陥を低
減できる。
れば、アルミニウムの酸化膜に添加されたII族元素に二
酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を吸着させ
るだけでなく、酸素を含む雰囲気中で熱処理することに
よりアルミニウムの酸化膜を十分に酸化させて欠陥を低
減できる。
【００２２】また、この発明の半導体記憶素子は、半導
体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタと、強誘電体
膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキャパシタとを
備えた半導体記憶素子において、上記拡散防止膜により
上記キャパシタを覆っていることを特徴としている。
体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタと、強誘電体
膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキャパシタとを
備えた半導体記憶素子において、上記拡散防止膜により
上記キャパシタを覆っていることを特徴としている。
【００２３】上記構成の半導体記憶素子によれば、水素
の透過を効果的に抑制でき、水素バリア性を大幅に向上
できる上記拡散防止膜を用いて上記キャパシタを覆うこ
とによって、デバイス作成工程中に使用された水素また
は反応等で発生する水素の拡散による強誘電体膜(また
は高誘電体膜)の特性劣化が抑制できる。また、安定か
つ良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)を有するキ
ャパシタを得ることができ、半導体記憶素子の不良発生
を減らして歩留まりを向上できる。
の透過を効果的に抑制でき、水素バリア性を大幅に向上
できる上記拡散防止膜を用いて上記キャパシタを覆うこ
とによって、デバイス作成工程中に使用された水素また
は反応等で発生する水素の拡散による強誘電体膜(また
は高誘電体膜)の特性劣化が抑制できる。また、安定か
つ良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)を有するキ
ャパシタを得ることができ、半導体記憶素子の不良発生
を減らして歩留まりを向上できる。
【００２４】また、この発明の半導体記憶素子の製造方
法は、半導体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタ
と、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキ
ャパシタとを備えた半導体記憶素子の製造方法であっ
て、上記半導体基板上に上記ＭＯＳトランジスタを形成
する工程と、上記ＭＯＳトランジスタが形成された上記
半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、上
記第１の層間絶縁膜上に高誘電体または強誘電体を誘電
体層に用いたキャパシタを形成する工程と、上記キャパ
シタを覆うように、少なくともII族元素のうちの１種類
以上が含まれたアルミニウムの酸化物からなる拡散防止
膜を堆積させる工程と、上記拡散防止膜を堆積させる工
程の後に、二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一
方を含む雰囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する工程と
を有することを特徴としている。
法は、半導体基板上に形成されたＭＯＳトランジスタ
と、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体層に用いたキ
ャパシタとを備えた半導体記憶素子の製造方法であっ
て、上記半導体基板上に上記ＭＯＳトランジスタを形成
する工程と、上記ＭＯＳトランジスタが形成された上記
半導体基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、上
記第１の層間絶縁膜上に高誘電体または強誘電体を誘電
体層に用いたキャパシタを形成する工程と、上記キャパ
シタを覆うように、少なくともII族元素のうちの１種類
以上が含まれたアルミニウムの酸化物からなる拡散防止
膜を堆積させる工程と、上記拡散防止膜を堆積させる工
程の後に、二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一
方を含む雰囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する工程と
を有することを特徴としている。
【００２５】上記半導体記憶素子の製造方法によれば、
上記半導体基板上に上記ＭＯＳトランジスタを形成し、
そのＭＯＳトランジスタが形成された半導体基板上に第
１の層間絶縁膜を形成する。そして、上記第１の層間絶
縁膜上に高誘電体膜または強誘電体膜を誘電体層に用い
たキャパシタを形成し、そのキャパシタを覆うように、
少なくともII族元素のうちの１種類以上が含まれたアル
ミニウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させた後、
二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を含む雰
囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する。そうすることに
よって、アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素のう
ちの少なくとも１種類に二酸化炭素または一酸化炭素の
少なくとも一方が吸着し、アルミニウムの酸化物の微小
な粒界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制で
き、水素バリア性を大幅に向上できる。また、安定かつ
良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)を有するキャ
パシタを得ることができ、半導体記憶素子の不良発生を
減らして歩留まりを向上できる。
上記半導体基板上に上記ＭＯＳトランジスタを形成し、
そのＭＯＳトランジスタが形成された半導体基板上に第
１の層間絶縁膜を形成する。そして、上記第１の層間絶
縁膜上に高誘電体膜または強誘電体膜を誘電体層に用い
たキャパシタを形成し、そのキャパシタを覆うように、
少なくともII族元素のうちの１種類以上が含まれたアル
ミニウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させた後、
二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を含む雰
囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する。そうすることに
よって、アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素のう
ちの少なくとも１種類に二酸化炭素または一酸化炭素の
少なくとも一方が吸着し、アルミニウムの酸化物の微小
な粒界が埋められるので、水素の透過を効果的に抑制で
き、水素バリア性を大幅に向上できる。また、安定かつ
良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)を有するキャ
パシタを得ることができ、半導体記憶素子の不良発生を
減らして歩留まりを向上できる。
【００２６】また、一実施形態の半導体記憶素子の製造
方法は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が上記二酸化
炭素または一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰
囲気中で行うことを特徴としている。
方法は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が上記二酸化
炭素または一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰
囲気中で行うことを特徴としている。
【００２７】上記実施形態の半導体記憶素子の製造方法
によれば、アルミニウムの酸化膜に添加されたII族元素
に二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を吸着
させるだけでなく、酸素を含む雰囲気中で熱処理するこ
とによりアルミニウムの酸化膜を十分に酸化させて欠陥
を低減できる。
によれば、アルミニウムの酸化膜に添加されたII族元素
に二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を吸着
させるだけでなく、酸素を含む雰囲気中で熱処理するこ
とによりアルミニウムの酸化膜を十分に酸化させて欠陥
を低減できる。
【００２８】また、一実施形態の半導体記憶素子の製造
方法は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が５００℃〜
８００℃の温度条件で行うことを特徴としている。
方法は、上記拡散防止膜を熱処理する工程が５００℃〜
８００℃の温度条件で行うことを特徴としている。
【００２９】上記実施形態の半導体記憶素子の製造方法
によれば、５００℃未満の温度では、拡散防止膜である
アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素への二酸化炭
素または一酸化炭素の吸着が十分でなく、８００℃を越
える温度では、水素バリア性が悪化するため、上記拡散
防止膜を熱処理する工程は、５００℃〜８００℃の温度
条件で行うのが望ましい。
によれば、５００℃未満の温度では、拡散防止膜である
アルミニウムの酸化物に含まれるII族元素への二酸化炭
素または一酸化炭素の吸着が十分でなく、８００℃を越
える温度では、水素バリア性が悪化するため、上記拡散
防止膜を熱処理する工程は、５００℃〜８００℃の温度
条件で行うのが望ましい。
【００３０】
【発明の実施の形態】以下、この発明の拡散防止膜およ
びその製造方法および半導体記憶素子およびその製造方
法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
びその製造方法および半導体記憶素子およびその製造方
法を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３１】図１はこの発明の実施の一形態の拡散防止
膜を用いた半導体記憶素子の製造方法の要部の断面図で
ある。まず、この実施形態による強誘電体キャパシタを
用いた半導体記憶素子(強誘電体メモリ)の構造について
概要を説明する。
膜を用いた半導体記憶素子の製造方法の要部の断面図で
ある。まず、この実施形態による強誘電体キャパシタを
用いた半導体記憶素子(強誘電体メモリ)の構造について
概要を説明する。
【００３２】図１において、１はＮ型のシリコン基板、
１４は上記シリコン基板１の表面に形成された素子分離
のためのロコス酸化膜、１５は上記シリコン基板１上に
形成されるゲート電極、１６は上記シリコン基板１とゲ
ート電極１５との間に形成されたゲート酸化膜、１７は
上記シリコン基板１に形成されたソース／ドレイン領
域、２は上記シリコン基板１上にシリコン酸化膜で形成
された第１の層間絶縁膜、３は上記第１の層間絶縁膜２
と白金の密着を改善させるための酸化チタン膜、４は上
記酸化チタン膜３上に白金層で形成された下部電極、５
は上記下部電極４上に形成された強誘電体薄膜であるＳ
ＢＴ膜、６はＳＢＴ膜５上に白金層で形成された上部電
極、７は上記ＳＢＴ膜５を構成する元素の拡散およびキ
ャパシタ外部からの水素の拡散を防ぐ酸化アルミニウム
からなる拡散防止膜、８は上記拡散防止膜７上にシリコ
ン酸化膜で形成された第２の層間絶縁膜、９は上記上部
電極６上に形成された窒化チタン膜、１０は窒化チタン
とアルミニウム,チタンで構成される配線層、１１は上
記配線層１０上にシリコン酸化膜で形成された第３の層
間絶縁膜、１２は上記ソース／ドレイン領域１７とのコ
ンタクトを取るために形成されたタングステンプラグ、
１３は上記タングステンプラグ１２のタングステンとソ
ース／ドレイン領域１７のシリコンとの反応を抑制する
ＴiＮ／Ｔiの構成をとるバリア膜である。
１４は上記シリコン基板１の表面に形成された素子分離
のためのロコス酸化膜、１５は上記シリコン基板１上に
形成されるゲート電極、１６は上記シリコン基板１とゲ
ート電極１５との間に形成されたゲート酸化膜、１７は
上記シリコン基板１に形成されたソース／ドレイン領
域、２は上記シリコン基板１上にシリコン酸化膜で形成
された第１の層間絶縁膜、３は上記第１の層間絶縁膜２
と白金の密着を改善させるための酸化チタン膜、４は上
記酸化チタン膜３上に白金層で形成された下部電極、５
は上記下部電極４上に形成された強誘電体薄膜であるＳ
ＢＴ膜、６はＳＢＴ膜５上に白金層で形成された上部電
極、７は上記ＳＢＴ膜５を構成する元素の拡散およびキ
ャパシタ外部からの水素の拡散を防ぐ酸化アルミニウム
からなる拡散防止膜、８は上記拡散防止膜７上にシリコ
ン酸化膜で形成された第２の層間絶縁膜、９は上記上部
電極６上に形成された窒化チタン膜、１０は窒化チタン
とアルミニウム,チタンで構成される配線層、１１は上
記配線層１０上にシリコン酸化膜で形成された第３の層
間絶縁膜、１２は上記ソース／ドレイン領域１７とのコ
ンタクトを取るために形成されたタングステンプラグ、
１３は上記タングステンプラグ１２のタングステンとソ
ース／ドレイン領域１７のシリコンとの反応を抑制する
ＴiＮ／Ｔiの構成をとるバリア膜である。
【００３３】なお、この実施形態においては、Ｎ型のシ
リコン基板１について述べるが、この発明はこれに限定
されるものではない。
リコン基板１について述べるが、この発明はこれに限定
されるものではない。
【００３４】次に、図１に示す半導体記憶素子の製造工
程を説明する。
程を説明する。
【００３５】まず、シリコン基板１の表面に膜厚が約５
０ｎｍのロコス酸化膜１４を既知の方法で形成して、素
子分離領域を形成する。次に、ゲート電極１５、ソース
／ドレイン領域１７等からなる選択トランジスタを公知
の技術で形成した後、第１の層間絶縁膜２としてＣＶＤ
(Chemical Vapor Deposition；化学的気相成長)法で第
１のシリコン酸化膜を５００ｎｍ程度成膜する。
０ｎｍのロコス酸化膜１４を既知の方法で形成して、素
子分離領域を形成する。次に、ゲート電極１５、ソース
／ドレイン領域１７等からなる選択トランジスタを公知
の技術で形成した後、第１の層間絶縁膜２としてＣＶＤ
(Chemical Vapor Deposition；化学的気相成長)法で第
１のシリコン酸化膜を５００ｎｍ程度成膜する。
【００３６】次に、上記第１の層間絶縁膜２上に、ＤＣ
マグネトロンスパッタ法で膜厚５０ｎｍのチタン膜を成
膜し、６００℃３０分間酸素中で熱処理を加えることに
より酸化チタン膜３を形成する。さらに、ＤＣマグネト
ロンスパッタ法で下部電極４を２００ｎｍの膜厚で形成
する。
マグネトロンスパッタ法で膜厚５０ｎｍのチタン膜を成
膜し、６００℃３０分間酸素中で熱処理を加えることに
より酸化チタン膜３を形成する。さらに、ＤＣマグネト
ロンスパッタ法で下部電極４を２００ｎｍの膜厚で形成
する。
【００３７】次に、ＭＯＤ(Metal Organic Depositio
n；有機金属成長)法により、この下部電極４上にＳＢＴ
(タンタル酸ストロンチウムビスマス)のＭＯＤ原料溶液
をスピンナーを用いて３０００ｒｐｍで回転塗布し、溶
媒の乾燥を１５０℃５分行う。ＳＢＴ膜５の第一焼成を
大気圧の酸素雰囲気中で５００℃１０分行い、この後、
結晶化ための熱処理として、ＲＴＡ(Rapid Thermal Ann
ealing；瞬間アニール)法で７５０℃１０分間の第二焼
成を酸素雰囲気中で行う。塗布から結晶化のための熱処
理までの工程に対して、所望の膜厚２５０ｎｍのＳＢＴ
膜５になるように５回または６回繰り返す。なお、ＳＢ
Ｔ膜の形成方法は、ＭＯＤ法だけでなく、ゾルゲル法、
スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法等でもよい。このＳＢ
Ｔ膜５上にＤＣマグネトロンスパッタ法で膜厚１００ｎ
ｍの上部電極６を形成する。この実施形態では、強誘電
体としてＳＢＴを用いているが、ＰＺＴや他の強誘電体
または高誘電体でもこの発明の同様な効果が得られる。
n；有機金属成長)法により、この下部電極４上にＳＢＴ
(タンタル酸ストロンチウムビスマス)のＭＯＤ原料溶液
をスピンナーを用いて３０００ｒｐｍで回転塗布し、溶
媒の乾燥を１５０℃５分行う。ＳＢＴ膜５の第一焼成を
大気圧の酸素雰囲気中で５００℃１０分行い、この後、
結晶化ための熱処理として、ＲＴＡ(Rapid Thermal Ann
ealing；瞬間アニール)法で７５０℃１０分間の第二焼
成を酸素雰囲気中で行う。塗布から結晶化のための熱処
理までの工程に対して、所望の膜厚２５０ｎｍのＳＢＴ
膜５になるように５回または６回繰り返す。なお、ＳＢ
Ｔ膜の形成方法は、ＭＯＤ法だけでなく、ゾルゲル法、
スパッタリング法、ＭＯＣＶＤ法等でもよい。このＳＢ
Ｔ膜５上にＤＣマグネトロンスパッタ法で膜厚１００ｎ
ｍの上部電極６を形成する。この実施形態では、強誘電
体としてＳＢＴを用いているが、ＰＺＴや他の強誘電体
または高誘電体でもこの発明の同様な効果が得られる。
【００３８】次に、フォトリソグラフィ技術を用いてフ
ォトレジストによるパターニングを行い、上部電極６を
ドライエッチング法で１.２μｍ角に加工する。同様
に、ＳＢＴ膜５を１.６μｍ角に加工すると共に、下部
電極４を２.２μｍのライン状に加工する。
ォトレジストによるパターニングを行い、上部電極６を
ドライエッチング法で１.２μｍ角に加工する。同様
に、ＳＢＴ膜５を１.６μｍ角に加工すると共に、下部
電極４を２.２μｍのライン状に加工する。
【００３９】その後、ＲＦマグネトロン反応性スパッタ
リング法で、ＳＢＴ膜５を水素による還元から守る拡散
防止膜７を３０ｎｍ形成する。この拡散防止膜７の酸化
アルミニウムは、アルミナ(Ａl2Ｏ3)に１ｍｏｌ％の酸
化バリウム(ＢaＯ)を含むターゲットを使用し、ＲＦマ
グネトロン反応性スパッタリング法で酸素ガスを導入し
ながら堆積する。
リング法で、ＳＢＴ膜５を水素による還元から守る拡散
防止膜７を３０ｎｍ形成する。この拡散防止膜７の酸化
アルミニウムは、アルミナ(Ａl2Ｏ3)に１ｍｏｌ％の酸
化バリウム(ＢaＯ)を含むターゲットを使用し、ＲＦマ
グネトロン反応性スパッタリング法で酸素ガスを導入し
ながら堆積する。
【００４０】次に、６５０℃の酸素５０％と二酸化炭素
５０％の混合ガス雰囲気中で熱処理を行う。これは、拡
散防止膜７であるアルミナ膜を十分に酸化すると共に、
添加物として混ぜたバリウムに二酸化炭素を吸着させる
ためである。添加されたバリウムは、微結晶体のアルミ
ナ膜中の粒界に偏析することがＴＥＭ(透過型電子顕微
鏡)像で確認され、このバリウムに二酸化炭素が吸着す
ることにより、大部分アモルファスであるが僅かに存在
する微結晶からなるアルミナ膜の微小な粒界が埋められ
て、水素の透過を抑制すると考えられる。
５０％の混合ガス雰囲気中で熱処理を行う。これは、拡
散防止膜７であるアルミナ膜を十分に酸化すると共に、
添加物として混ぜたバリウムに二酸化炭素を吸着させる
ためである。添加されたバリウムは、微結晶体のアルミ
ナ膜中の粒界に偏析することがＴＥＭ(透過型電子顕微
鏡)像で確認され、このバリウムに二酸化炭素が吸着す
ることにより、大部分アモルファスであるが僅かに存在
する微結晶からなるアルミナ膜の微小な粒界が埋められ
て、水素の透過を抑制すると考えられる。
【００４１】なお、比較のため、上記実施形態の拡散防
止膜と同一膜厚の添加物を含まないアルミナ膜を形成
し、二酸化炭素を含まない酸素雰囲気で６００℃の熱処
理を行った拡散防止膜と、上記実施形態の製造方法で作
成した拡散防止膜を準備して、熱ガス分析(ＴＤＳ)法を
用いて水素の遮断特性を調べる実験を行った。
止膜と同一膜厚の添加物を含まないアルミナ膜を形成
し、二酸化炭素を含まない酸素雰囲気で６００℃の熱処
理を行った拡散防止膜と、上記実施形態の製造方法で作
成した拡散防止膜を準備して、熱ガス分析(ＴＤＳ)法を
用いて水素の遮断特性を調べる実験を行った。
【００４２】図２はＴＤＳ法でこれらの拡散防止膜の水
素透過性について、試料温度をパラメータとして分子量
２のガスの透過量を評価した結果を示している。なお、
図２において、横軸は試料温度を表し、縦軸は透過量
(任意目盛)を表すと共に、Ａはこの実施形態の製造方法
で作成した拡散防止膜の水素透過性を表し、Ｂは二酸化
炭素を含まない酸素雰囲気で６００℃の熱処理を行った
拡散防止膜の水素透過性を表している。
素透過性について、試料温度をパラメータとして分子量
２のガスの透過量を評価した結果を示している。なお、
図２において、横軸は試料温度を表し、縦軸は透過量
(任意目盛)を表すと共に、Ａはこの実施形態の製造方法
で作成した拡散防止膜の水素透過性を表し、Ｂは二酸化
炭素を含まない酸素雰囲気で６００℃の熱処理を行った
拡散防止膜の水素透過性を表している。
【００４３】図２に示すように、３００℃程度までの水
素遮断性に大きな差がみられないが、約３１５℃以上の
温度では明らかにこの実施形態で作成した拡散防止膜の
方が水素の透過量が少なく、水素の遮断性に優れている
ことが分かる。例えば、４００℃における水素の透過量
は従来の半分以下である。これは、従来の水素透過量の
ままで単純に同一温度で２倍以上の時間の後工程の処理
を施せることを示しており、同一工程においては、水素
による還元量が半分になることを示している。
素遮断性に大きな差がみられないが、約３１５℃以上の
温度では明らかにこの実施形態で作成した拡散防止膜の
方が水素の透過量が少なく、水素の遮断性に優れている
ことが分かる。例えば、４００℃における水素の透過量
は従来の半分以下である。これは、従来の水素透過量の
ままで単純に同一温度で２倍以上の時間の後工程の処理
を施せることを示しており、同一工程においては、水素
による還元量が半分になることを示している。
【００４４】また、上記実験は、バリウムを添加したア
ルミナ膜に対して行ったものであるが、ストロンチウム
やカルシウムに対しても同様な効果がみられる。ストロ
ンチウムはバリウムよりも若干効果は劣るが、強誘電体
膜の構成元素でもあるので、アルミナに微量混ぜられた
場合のストロンチウム自体の拡散においても強誘電体層
に与える影響は殆どない。熱処理においても二酸化炭素
を用いているが、一酸化炭素でも同様な効果がみられ
る。拡散防止膜であるアルミナの成膜方法についても、
この実施形態ではスパッタリング法で形成しているが、
他の成膜方法でも何ら差し支えない。
ルミナ膜に対して行ったものであるが、ストロンチウム
やカルシウムに対しても同様な効果がみられる。ストロ
ンチウムはバリウムよりも若干効果は劣るが、強誘電体
膜の構成元素でもあるので、アルミナに微量混ぜられた
場合のストロンチウム自体の拡散においても強誘電体層
に与える影響は殆どない。熱処理においても二酸化炭素
を用いているが、一酸化炭素でも同様な効果がみられ
る。拡散防止膜であるアルミナの成膜方法についても、
この実施形態ではスパッタリング法で形成しているが、
他の成膜方法でも何ら差し支えない。
【００４５】そして、上記拡散防止膜７の形成後、テト
ラエトキシシランとオゾンをガス状にして混合し、熱分
解を行って酸化シリコン膜を生成するオゾンテオス膜を
膜厚５００ｎｍ形成し、４００℃の熱処理を加えて第２
の層間絶縁膜８を形成する。その後、フォトリソグラフ
ィ技術を用いてフォトレジストによるパターニングを行
い、キャパシタの上部電極６上に直径０.７μｍのコン
タクトホールをドライエッチング法で形成する。
ラエトキシシランとオゾンをガス状にして混合し、熱分
解を行って酸化シリコン膜を生成するオゾンテオス膜を
膜厚５００ｎｍ形成し、４００℃の熱処理を加えて第２
の層間絶縁膜８を形成する。その後、フォトリソグラフ
ィ技術を用いてフォトレジストによるパターニングを行
い、キャパシタの上部電極６上に直径０.７μｍのコン
タクトホールをドライエッチング法で形成する。
【００４６】次に、窒化チタン膜９をＣＶＤ法で膜厚２
００ｎｍ堆積する。このＣＶＤ法で用いるチタン原料と
して四塩化チタン、還元ガスとしてメチルヒドラジンま
たはアンモニアガスを用いる。Ｔi原料は上記原料に限
定されるものではなく、テトラキスジメチルアミノチタ
ニウム等の有機金属原料をバブリングして用いても良
い。上記窒化チタン膜９は、基板温度を４００℃に加熱
し、上記原料を基板上に導入し、圧力を１〜５Ｔorrの
減圧下に保って形成する。その後、ＲＴＡ法を用いて５
５０℃３０秒間の熱処理を加える。そのときの雰囲気は
窒素９９％以上で酸素濃度は１％未満である。この熱処
理により、窒化チタン膜９の結晶粒界部が、粒界に存在
する余剰なＴiと酸素が結合してできた酸化チタンで埋
まり、後工程で上部に堆積されるチタンや水素のバリア
性がさらに向上する。この窒化チタン膜９をキャパシタ
上部電極６上に開いたコンタクトホール近傍のみを残し
て、ドライエッチング法で除去する。
００ｎｍ堆積する。このＣＶＤ法で用いるチタン原料と
して四塩化チタン、還元ガスとしてメチルヒドラジンま
たはアンモニアガスを用いる。Ｔi原料は上記原料に限
定されるものではなく、テトラキスジメチルアミノチタ
ニウム等の有機金属原料をバブリングして用いても良
い。上記窒化チタン膜９は、基板温度を４００℃に加熱
し、上記原料を基板上に導入し、圧力を１〜５Ｔorrの
減圧下に保って形成する。その後、ＲＴＡ法を用いて５
５０℃３０秒間の熱処理を加える。そのときの雰囲気は
窒素９９％以上で酸素濃度は１％未満である。この熱処
理により、窒化チタン膜９の結晶粒界部が、粒界に存在
する余剰なＴiと酸素が結合してできた酸化チタンで埋
まり、後工程で上部に堆積されるチタンや水素のバリア
性がさらに向上する。この窒化チタン膜９をキャパシタ
上部電極６上に開いたコンタクトホール近傍のみを残し
て、ドライエッチング法で除去する。
【００４７】次に、選択トランジスタのソース／ドレイ
ン領域１７への導通をとるため、ソース／ドレイン領域
１７上にコンタクトホールを形成し、チタンと窒化チタ
ンの積層膜(ＴiＮ／Ｔi)であるバッファ層１３をＤＣマ
グネトロンスパッタリング法で堆積した後、六弗化タン
グステン(ＷＦ6)を原料としたＣＶＤ法を用いてタング
ステンを堆積したうえで、上層より順次タングステン、
窒化チタン,チタンをエッチバックすることによりタン
グステンプラグ１２を作成する。このときに予め形成し
てあった窒化チタン膜９の上部は、第２の層間絶縁膜８
の上面と同一面に揃うこととなる。
ン領域１７への導通をとるため、ソース／ドレイン領域
１７上にコンタクトホールを形成し、チタンと窒化チタ
ンの積層膜(ＴiＮ／Ｔi)であるバッファ層１３をＤＣマ
グネトロンスパッタリング法で堆積した後、六弗化タン
グステン(ＷＦ6)を原料としたＣＶＤ法を用いてタング
ステンを堆積したうえで、上層より順次タングステン、
窒化チタン,チタンをエッチバックすることによりタン
グステンプラグ１２を作成する。このときに予め形成し
てあった窒化チタン膜９の上部は、第２の層間絶縁膜８
の上面と同一面に揃うこととなる。
【００４８】さらに、強誘電体キャパシタの下部電極４
側との電気的接触を得るため、ドライブ線(プレート線)
としてライン状に加工した酸化チタン３,下部電極４上
にコンタクトホールを形成する。
側との電気的接触を得るため、ドライブ線(プレート線)
としてライン状に加工した酸化チタン３,下部電極４上
にコンタクトホールを形成する。
【００４９】その後、強誘電体キャパシタの上部電極６
を選択トランジスタのソース／ドレイン領域１７に接続
すると共に、ビット線などの他の配線層(同一面内に存
在するが図示せず)を形成するため、配線層となるチタ
ン、窒化チタン、シリコンと銅を微量含むアルミニウ
ム、窒化チタンの積層膜(ＴiＮ／ＡlＳiＣu／ＴiＮ／Ｔ
i)をＤＣマグネトロンスパッタ法で形成する。そして、
上記窒化チタンの積層膜を所望の形状にするため、フォ
トリソグラフィ技術を用いてフォトレジストのパターニ
ングを行い、ドライエッチング法により加工して配線層
１０を形成する。上記配線層１０の最下層のチタンは、
下地となる層間絶縁膜との密着層として働き、その上の
窒化チタン膜は、アルミニウムより融点が高く、断線に
強いため、配線の信頼性を向上させるために必要であ
る。また、上記配線層１０の最上層の窒化チタン膜はア
ルミニウムの反射防止膜として機能する。
を選択トランジスタのソース／ドレイン領域１７に接続
すると共に、ビット線などの他の配線層(同一面内に存
在するが図示せず)を形成するため、配線層となるチタ
ン、窒化チタン、シリコンと銅を微量含むアルミニウ
ム、窒化チタンの積層膜(ＴiＮ／ＡlＳiＣu／ＴiＮ／Ｔ
i)をＤＣマグネトロンスパッタ法で形成する。そして、
上記窒化チタンの積層膜を所望の形状にするため、フォ
トリソグラフィ技術を用いてフォトレジストのパターニ
ングを行い、ドライエッチング法により加工して配線層
１０を形成する。上記配線層１０の最下層のチタンは、
下地となる層間絶縁膜との密着層として働き、その上の
窒化チタン膜は、アルミニウムより融点が高く、断線に
強いため、配線の信頼性を向上させるために必要であ
る。また、上記配線層１０の最上層の窒化チタン膜はア
ルミニウムの反射防止膜として機能する。
【００５０】上記配線層１０の上層にさらに第３の層間
絶縁膜１１を形成し、同様に所望の部分があれば配線層
で接続する。しかしながら、作成済みの第１層目の配線
層１０において強誘電体キャパシタとの電気的接続は完
了しているため、強誘電体キャパシタの直上や近傍に
(メモリセル内に)第一層目の配線を形成した後の工程で
コンタクトホールを形成することは通常ない。
絶縁膜１１を形成し、同様に所望の部分があれば配線層
で接続する。しかしながら、作成済みの第１層目の配線
層１０において強誘電体キャパシタとの電気的接続は完
了しているため、強誘電体キャパシタの直上や近傍に
(メモリセル内に)第一層目の配線を形成した後の工程で
コンタクトホールを形成することは通常ない。
【００５１】上記実施形態の半導体素子の製造方法と同
様に最終の保護膜形成工程まで作成された強誘電体キャ
パシタをアレイ状に１０２４個並列に配列させた集合体
キャパシタに対して、上部電極と下部電極につながる配
線間に三角波電界を印加することにより、強誘電性を示
すヒステリシスループを得た。この製造方法において、
拡散防止膜を形成した後の水素による還元が懸念される
３５０℃以上の温度で保持される処理時間は計約１時間
である。なお、この印加した三角波は、３Ｖで周波数は
７５Ｈzである。５Ｖで飽和分極値は２２.８μＣ／ｃｍ
2、残留分極値は１７.５μＣ／ｃｍ2、キャパシタ部の
漏れ電流密度は６.５×１０-7Ａ／ｃｍ2であり、記憶素
子に用いる強誘電体キャパシタとして用いるのに十分な
特性の強誘電性が得られた。
様に最終の保護膜形成工程まで作成された強誘電体キャ
パシタをアレイ状に１０２４個並列に配列させた集合体
キャパシタに対して、上部電極と下部電極につながる配
線間に三角波電界を印加することにより、強誘電性を示
すヒステリシスループを得た。この製造方法において、
拡散防止膜を形成した後の水素による還元が懸念される
３５０℃以上の温度で保持される処理時間は計約１時間
である。なお、この印加した三角波は、３Ｖで周波数は
７５Ｈzである。５Ｖで飽和分極値は２２.８μＣ／ｃｍ
2、残留分極値は１７.５μＣ／ｃｍ2、キャパシタ部の
漏れ電流密度は６.５×１０-7Ａ／ｃｍ2であり、記憶素
子に用いる強誘電体キャパシタとして用いるのに十分な
特性の強誘電性が得られた。
【００５２】一方、II族元素の添加物を含まない同一膜
厚のアルミナ膜を形成し、二酸化炭素を含まない酸素雰
囲気で６５０℃の熱処理を行った拡散防止膜を用いて形
成した１０２４個の強誘電体キャパシタからなる集合体
キャパシタの特性は、分極値はほぼこの実施形態の半導
体記憶素子と同様であったが、漏れ電流密度が４.５×
１０-5Ａ／ｃｍ2と大きくなった。
厚のアルミナ膜を形成し、二酸化炭素を含まない酸素雰
囲気で６５０℃の熱処理を行った拡散防止膜を用いて形
成した１０２４個の強誘電体キャパシタからなる集合体
キャパシタの特性は、分極値はほぼこの実施形態の半導
体記憶素子と同様であったが、漏れ電流密度が４.５×
１０-5Ａ／ｃｍ2と大きくなった。
【００５３】なお、この場合、拡散防止膜を形成した後
の水素による還元が懸念される３５０℃以上の温度で保
持される処理時間を半分程度に抑えることにより、この
発明と同様の漏れ電流密度に抑えることができたが、例
えば層間絶縁膜の平坦性が著しく劣り、加工性が悪いた
め実用的ではなかった。
の水素による還元が懸念される３５０℃以上の温度で保
持される処理時間を半分程度に抑えることにより、この
発明と同様の漏れ電流密度に抑えることができたが、例
えば層間絶縁膜の平坦性が著しく劣り、加工性が悪いた
め実用的ではなかった。
【００５４】また、II族元素の添加物を含まない同一膜
厚のアルミナ膜を形成し、二酸化炭素を含まない酸素雰
囲気で６５０℃の熱処理を行った拡散防止膜を用いて形
成した強誘電体キャパシタを有するメモリデバイスの動
作を確認したところ、各ビットの特性がばらついてお
り、１Ｍビットの内、数ビットから数百ビットのビット
不良が発生し、歩留まりは１０％程度しか得られなかっ
た。この原因として拡散防止膜であるアルミナの面内の
ミクロにみた場合の水素遮断性が劣る部分があるため
に、強誘電体キャパシタの履歴曲線が小さくなってビッ
ト不良が発生していることが分かった。
厚のアルミナ膜を形成し、二酸化炭素を含まない酸素雰
囲気で６５０℃の熱処理を行った拡散防止膜を用いて形
成した強誘電体キャパシタを有するメモリデバイスの動
作を確認したところ、各ビットの特性がばらついてお
り、１Ｍビットの内、数ビットから数百ビットのビット
不良が発生し、歩留まりは１０％程度しか得られなかっ
た。この原因として拡散防止膜であるアルミナの面内の
ミクロにみた場合の水素遮断性が劣る部分があるため
に、強誘電体キャパシタの履歴曲線が小さくなってビッ
ト不良が発生していることが分かった。
【００５５】このようにして、この発明の実施形態の拡
散防止膜を用いた半導体記憶素子およびその製造方法を
用いることにより、ＴＤＳ法による透過特性と共に、キ
ャパシタの特性が改善されていることが証明された。ま
た、この発明の実施形態の拡散防止膜を用いた半導体記
憶素子では、８０％程度の歩留まりが得られ、拡散防止
膜であるアルミナのミクロにみた場合の水素遮断性につ
いても良好であることが証明された。
散防止膜を用いた半導体記憶素子およびその製造方法を
用いることにより、ＴＤＳ法による透過特性と共に、キ
ャパシタの特性が改善されていることが証明された。ま
た、この発明の実施形態の拡散防止膜を用いた半導体記
憶素子では、８０％程度の歩留まりが得られ、拡散防止
膜であるアルミナのミクロにみた場合の水素遮断性につ
いても良好であることが証明された。
【００５６】上記実施形態の拡散防止膜７によれば、II
族元素のバリウムが含まれた酸化アルミニウムの膜を堆
積させた後、その堆積させた膜を酸素と二酸化炭素の混
合ガスの雰囲気中で熱処理することによって、酸化アル
ミニウムに含まれるII族元素のバリウムに二酸化炭素が
吸着し、酸化アルミニウムの微小な粒界が埋められるの
で、水素の透過を効果的に抑制でき、水素バリア性の優
れた拡散防止膜を得ることができる。
族元素のバリウムが含まれた酸化アルミニウムの膜を堆
積させた後、その堆積させた膜を酸素と二酸化炭素の混
合ガスの雰囲気中で熱処理することによって、酸化アル
ミニウムに含まれるII族元素のバリウムに二酸化炭素が
吸着し、酸化アルミニウムの微小な粒界が埋められるの
で、水素の透過を効果的に抑制でき、水素バリア性の優
れた拡散防止膜を得ることができる。
【００５７】また、上記拡散防止膜を熱処理する工程が
酸素と二酸化炭素を含む雰囲気中で行うので、酸化アル
ミニウムに添加されたII族元素のバリウムに二酸化炭素
を吸着させるだけでなく、それと同時に酸化アルミニウ
ムを十分に酸化させて欠陥を低減することができる。
酸素と二酸化炭素を含む雰囲気中で行うので、酸化アル
ミニウムに添加されたII族元素のバリウムに二酸化炭素
を吸着させるだけでなく、それと同時に酸化アルミニウ
ムを十分に酸化させて欠陥を低減することができる。
【００５８】また、上記半導体記憶素子は、水素の透過
を効果的に抑制でき、水素バリア性を大幅に向上できる
拡散防止膜７を用いてキャパシタを覆うことによって、
デバイス作成工程中に使用された水素または反応等で発
生する水素の拡散による強誘電体膜の特性劣化が抑制す
ることができる。また、安定かつ良好な強誘電体特性を
有するキャパシタを得ることができ、半導体記憶素子の
不良発生を減らして歩留まりを向上できる。
を効果的に抑制でき、水素バリア性を大幅に向上できる
拡散防止膜７を用いてキャパシタを覆うことによって、
デバイス作成工程中に使用された水素または反応等で発
生する水素の拡散による強誘電体膜の特性劣化が抑制す
ることができる。また、安定かつ良好な強誘電体特性を
有するキャパシタを得ることができ、半導体記憶素子の
不良発生を減らして歩留まりを向上できる。
【００５９】また、上記半導体記憶素子の製造方法で
は、拡散防止膜７を熱処理する工程を６５０℃で行った
が、５００℃未満の温度では、拡散防止膜である酸化ア
ルミニウムに含まれるII族元素のバリウムへの二酸化炭
素吸着が十分でなく、８００℃を越える温度では、水素
バリア性が悪化するため、拡散防止膜を熱処理する工程
は５００℃〜８００℃の温度条件で行うのが望ましい。
は、拡散防止膜７を熱処理する工程を６５０℃で行った
が、５００℃未満の温度では、拡散防止膜である酸化ア
ルミニウムに含まれるII族元素のバリウムへの二酸化炭
素吸着が十分でなく、８００℃を越える温度では、水素
バリア性が悪化するため、拡散防止膜を熱処理する工程
は５００℃〜８００℃の温度条件で行うのが望ましい。
【００６０】上記実施の形態では、強誘電体キャパシタ
を用いた半導体記憶素子としての強誘電体メモリの拡散
防止膜について説明したが、この発明の拡散防止膜は、
高誘電体キャパシタを用いたＤＲＡＭや薄膜トランジス
タ等の他の半導体素子に適用してもよい。また、強誘電
体キャパシタまたは高誘電体キャパシタを用いたセンサ
やアクチュエータ等の水素バリア性を有する膜が必要な
素子にこの発明の拡散防止膜を適用してもよい。
を用いた半導体記憶素子としての強誘電体メモリの拡散
防止膜について説明したが、この発明の拡散防止膜は、
高誘電体キャパシタを用いたＤＲＡＭや薄膜トランジス
タ等の他の半導体素子に適用してもよい。また、強誘電
体キャパシタまたは高誘電体キャパシタを用いたセンサ
やアクチュエータ等の水素バリア性を有する膜が必要な
素子にこの発明の拡散防止膜を適用してもよい。
【００６１】また、上記実施の形態において、拡散防止
膜を熱処理する工程の後に、３５０℃〜４５０℃の温度
条件で行う処理工程を行うことができと共に、少なくと
も３５０℃以上の温度条件でかつ３分以上の処理工程を
行うことができ、キャパシタの形成後の作成プロセスに
おける温度の制約や高温プロセスの時間の制約が緩和さ
れ、工程の組み立てを容易に行うことができる。
膜を熱処理する工程の後に、３５０℃〜４５０℃の温度
条件で行う処理工程を行うことができと共に、少なくと
も３５０℃以上の温度条件でかつ３分以上の処理工程を
行うことができ、キャパシタの形成後の作成プロセスに
おける温度の制約や高温プロセスの時間の制約が緩和さ
れ、工程の組み立てを容易に行うことができる。
【００６２】
【発明の効果】以上より明らかなように、この発明の拡
散防止膜およびその製造方法によれば、拡散防止膜の水
素に対する遮断性が大幅に向上するため、この拡散防止
膜を用いたデバイス作成工程中に使用された水素または
反応等で発生する水素の拡散による強誘電体キャパシタ
または高誘電体キャパシタの特性劣化等が抑制でき、高
温処理を要するプロセスの処理時間や使用環境に関して
も自由度が広がる。
散防止膜およびその製造方法によれば、拡散防止膜の水
素に対する遮断性が大幅に向上するため、この拡散防止
膜を用いたデバイス作成工程中に使用された水素または
反応等で発生する水素の拡散による強誘電体キャパシタ
または高誘電体キャパシタの特性劣化等が抑制でき、高
温処理を要するプロセスの処理時間や使用環境に関して
も自由度が広がる。
【００６３】また、この発明の半導体記憶素子およびそ
の製造方法によれば、半導体基板上に形成されたＭＯＳ
トランジスタと、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体
層に用いたキャパシタとを備えた半導体記憶素子におい
て、安定かつ良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)
を有するキャパシタを得ることができ、半導体記憶素子
の不良発生を減らして歩留まりを向上できる。
の製造方法によれば、半導体基板上に形成されたＭＯＳ
トランジスタと、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体
層に用いたキャパシタとを備えた半導体記憶素子におい
て、安定かつ良好な強誘電体特性(または高誘電体特性)
を有するキャパシタを得ることができ、半導体記憶素子
の不良発生を減らして歩留まりを向上できる。
【図１】 図１はこの発明の実施の一形態の拡散防止膜
を用いた半導体記憶素子の要部の構造断面図である。
を用いた半導体記憶素子の要部の構造断面図である。
【図２】 図２は上記強誘電体キャパシタを用いた半導
体記憶素子の拡散防止膜の水素透過性をＴＤＳ法で評価
したグラフである。
体記憶素子の拡散防止膜の水素透過性をＴＤＳ法で評価
したグラフである。
１…シリコン基板、
２…第１の層間絶縁膜、
３…酸化チタン幕、
４…下部電極、
５…ＳＢＴ膜、
６…上部電極、
７…拡散防止膜、
８…第２の層間絶縁膜、
９…窒化チタン膜、
１０…配線層、
１１…第３の層間絶縁膜、
１２…タングステンプラグ、
１３…バリア膜、
１４…ロコス酸化膜、
１５…ゲート電極、
１６…ゲート酸化膜、
１７…ソース／ドレイン領域。
─────────────────────────────────────────────────────
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Ｆターム(参考） 5F083 AD21 FR02 GA25 JA15 JA17
JA36 JA38 JA39 JA40 JA42
PR21 PR23 PR33 PR34
Claims (8)
- 【請求項１】 少なくともII族元素のうちの１種類以上
が含まれたアルミニウムの酸化物からなる膜であって、
上記II族元素のうちの少なくとも１種類に二酸化炭素ま
たは一酸化炭素の少なくとも一方が吸着したことを特徴
とする拡散防止膜。 - 【請求項２】 請求項１に記載の拡散防止膜において、 主要構成材料の酸化アルミニウムにバリウムまたはスト
ロンチウムの少なくとも一方を含んでいることを特徴と
する拡散防止膜。 - 【請求項３】 請求項１または２に記載の拡散防止膜の
製造方法であって、 少なくともII族元素のうちの１種類以上が含まれたアル
ミニウムの酸化物からなる拡散防止膜を堆積させる工程
と、 二酸化炭素または一酸化炭素の少なくとも一方を含む雰
囲気中で上記拡散防止膜を熱処理する工程とを有するこ
とを特徴とする拡散防止膜の製造方法。 - 【請求項４】 請求項３に記載の拡散防止膜の製造方法
であって、 上記拡散防止膜を熱処理する工程は、上記二酸化炭素ま
たは一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰囲気中
で行うことを特徴とする拡散防止膜の製造方法。 - 【請求項５】 半導体基板上に形成されたＭＯＳトラン
ジスタと、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体層に用
いたキャパシタとを備えた半導体記憶素子において、 請求項１または２に記載の拡散防止膜により上記キャパ
シタを覆っていることを特徴とする半導体記憶素子。 - 【請求項６】 半導体基板上に形成されたＭＯＳトラン
ジスタと、強誘電体膜または高誘電体膜を誘電体層に用
いたキャパシタとを備えた半導体記憶素子の製造方法で
あって、 上記半導体基板上に上記ＭＯＳトランジスタを形成する
工程と、 上記ＭＯＳトランジスタが形成された上記半導体基板上
に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、 上記第１の層間絶縁膜上に高誘電体または強誘電体を誘
電体層に用いたキャパシタを形成する工程と、 上記キャパシタを覆うように、少なくともII族元素のう
ちの１種類以上が含まれたアルミニウムの酸化物からな
る拡散防止膜を堆積させる工程と、 上記拡散防止膜を堆積させる工程の後に、二酸化炭素ま
たは一酸化炭素の少なくとも一方を含む雰囲気中で上記
拡散防止膜を熱処理する工程とを有することを特徴とす
る半導体記憶素子の製造方法。 - 【請求項７】 請求項６に記載の半導体記憶素子の製造
方法であって、 上記拡散防止膜を熱処理する工程は、上記二酸化炭素ま
たは一酸化炭素の少なくとも一方と酸素を含む雰囲気中
で行うことを特徴とする半導体記憶素子の製造方法。 - 【請求項８】 請求項６または７に記載の半導体記憶素
子の製造方法において、 上記拡散防止膜を熱処理する工程は、５００℃〜８００
℃の温度条件で行うことを特徴とする半導体記憶素子の
製造方法。
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| JP2001194711A JP3581114B2 (ja) | 2001-06-27 | 2001-06-27 | 拡散防止膜およびその製造方法および半導体記憶素子およびその製造方法 |
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