JP2004193430A - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン(半導体)基板1の表層にn型不純物拡散領域5bを形成してその上方に層間絶縁層8を形成する工程と、n型不純物拡散領域5bと接続される導電性プラグ12aを層間絶縁層8のコンタクトホール8b内に形成する工程と、下部電極用導電層13を形成する工程と、誘電体層14を下部電極用導電層13上にMOCVD法により形成する工程と、誘電体層14上に上部電極用導電層15を形成する工程と、上部電極用導電層15から下部電極用導電層13までをパターニングしてキャパシタQ1を形成する工程と、シリコン基板1の温度を550℃以下に保持しながら酸素含有雰囲気中でキャパシタQ1をアニールする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法による。
【選択図】 図5
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置及びその製造方法に関し、より詳しくは、キャパシタと導電パターンとを接続する導電性プラグを有する半導体装置及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在量産されているFeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)を構成する強誘電体キャパシタは、キャパシタの下部電極と上部電極の双方の上に配線を接続する構造、即ちプレーナー構造を有している。プレーナー構造の強誘電体キャパシタでは、強誘電体層の側方に下部電極のコンタクト領域をはみ出させた形状を有している。
【0003】
FeRAMのさらなる高集積化の要請に対応するためにはメモリセル面積をより小さくできるスタック構造のキャパシタが開発されている。スタック構造は、強誘電体キャパシタの下部電極の下面に導電性プラグを接続する構造である。
【0004】
次に、スタック構造のキャパシタの形成工程を図1を参照して説明する。
【0005】
まず、図1(a)に示す構造になるまでの工程を説明する。
【0006】
シリコン基板101にMOSトランジスタ102を形成した後に、MOSトランジスタ102を覆う第1層間絶縁層103を形成する。
【0007】
MOSトランジスタ102は、シリコン基板101のうち素子分離層104に囲まれたウェル領域105に形成されており、シリコン基板101上にゲート絶縁層102aを介して形成されたゲート電極102bと、ゲート電極102bの両側のウェル領域105内に形成されてソース/ドレインとなる不純物拡散領域102cを有している。また、ゲート電極102bの両側面には、不純物拡散領域102c内に不純物高濃度領域102dを形成するための絶縁性サイドウォール106が形成される。
【0008】
第1層間絶縁層103のうちMOSトランジスタ102の一方の不純物拡散領域102c上に第1コンタクトホール103aを形成した後に、第1コンタクトホール103a内に第1コンタクトプラグ107が埋め込まれる。
【0009】
続いて、第1コンタクトプラグ107と第1層間絶縁層103の上に、第1金属層108、強誘電体層109、第2金属層110をそれぞれスパッタ法により順に形成する。
【0010】
次に、図1(b)に示すように、第1金属層108、強誘電体層109及び第2金属層110をフォトリソグラフィー法によりパターニング及びエッチングすることにより、第1金属層108をキャパシタ111の下部電極108aとし、強誘電体層109をキャパシタ111の誘電体層109aとし、第2金属層110をキャパシタ111の上部電極110aとする。この場合のキャパシタ111はスタック型であり、下部電極108aはその下の第1コンタクトプラグ107を介してMOSトランジスタ102の一方の不純物拡散層102cに接続される。
【0011】
この後、図1(c)に示すように、キャパシタ保護層112をキャパシタ111と第1層間絶縁層103の上に形成し、さらにキャパシタ保護層112上に第2層間絶縁層113を形成し、それを平坦化した後に、第2層間絶縁層113、キャパシタ保護層112及び第1層間絶縁層103をフォトリソグラフィー法によりパターニング及びエッチングすることにより、MOSトランジスタ102の他方の不純物拡散領域102c上に第2コンタクトホール113aを形成する。続いて、第2コンタクトホール113a内に第2コンタクトプラグ113aを形成する。第2コンタクトプラグ113aは、その上方に形成されるビット線(不図示)と不純物拡散領域102cを接続するために形成される。
【0012】
ところで、FeRAMは、ロジック半導体装置と混載されることが多い。FeRAMとロジック回路とを混載した装置としては、例えば、認証を必要とするセキュリティ関連チップや、地方自治などで利用されつつあるICカードがある。
【0013】
ロジック半導体装置では、下側の導電パターンと上側の導電パターンを接続するプラグとしてタングステンプラグが用いられ、しかも回路を設計するためのスパイスパラメータもタングステンプラグの抵抗の値が用いられる。
【0014】
従って、いままでの回路設計資産を生かし、且つ開発工数・コストを下げる意味でもロジック混載FeRAMではタングステンプラグが必要となる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、強誘電体キャパシタを形成するには、結晶化アニール或いは回復アニールなど、酸素含有雰囲気中で数々の熱処理を必要とする。典型的には、強誘電体層を結晶化するためのアニールとして、750℃、60秒の条件でRTA(rapid thermal anealling)処理が行われる。また、キャパシタ形成後の強誘電体層の膜質回復アニールは、その強誘電体層をスパッタで形成する場合、650℃、60分の条件でファーネス内で行われる。
【0016】
ここで、図1に示したように、キャパシタ111の下部電極108aの直下の第1コンタクトプラグ107としてタングステンプラグを用いるとすれば、酸素含有雰囲気中での熱処理の際にタングステンプラグは非常に速い速度で且つ低い温度で酸化する。
【0017】
このようにコンタクトプラグ107が酸化されると、下部電極とのコンタクト不良が生じ、FeRAMの歩留まりが低下してしまう。従って、強誘電体のキャパシタの性能向上とタングステンプラグのコンタクト性能向上はトレードオフの関係にある。
【0018】
また、上記したように、ビット線と不純物拡散領域を接続するための第2のコンタクトホール113aは、キャパシタ111及び第2層間絶縁層113の形成後に開口される。仮に、ビット線コンタクト用の第2のコンタクトホールを、第1コンタクトホール103aと同時に第1層間絶縁層103に形成すると、第2のコンタクトホールの中に形成されたタングステンプラグの上面がキャパシタ形成後に露出して酸化してしまうからである。
【0019】
しかし、FeRAMの今後の微細化にともなって、図1(c)に示した第2コンタクトホール113aのアスペクト比は大きくなり、第2コンタクトホール113aを形成するためのエッチング技術は困難となる。更に、そのようにアスペクト比が大きくなると、スパッタ法により第2コンタクトホール113aの底部までグルー層を形成するのが困難となるため、還元性ガスを使用するCVD法でグルー層を形成する必要が生じるが、還元性ガスを用いるとキャパシタ111の誘電体層109aが劣化する恐れがある。
【0020】
本発明の目的は、キャパシタ下部電極直下のコンタクトプラグの酸化を防止することができる半導体装置とその製造方法を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、半導体基板と、前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域と、前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続されたタングステンを含む第1導電性プラグと、前記第1導電性プラグと電気的に接続され、且つ該第1導電性プラグ上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された炭素含有の強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、を有することを特徴とする半導体装置によって解決する。
【0022】
又は、上記した課題は、半導体基板の表層に不純物拡散領域を形成する工程と、前記半導体基板の上方に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層をパターニングして前記不純物拡散領域の上方にホールを形成する工程と、前記不純物拡散領域と電気的に接続される導電性プラグを前記ホール内に形成する工程と、前記導電性プラグ上と前記絶縁層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上にMOCVD法により形成する工程と、前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、前記下部電極用導電層、前記誘電体層、前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、前記半導体基板の温度を550℃以下に保持しながら、酸素含有雰囲気中で前記キャパシタをアニールするアニール工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決する。
【0023】
次に、本発明の作用について説明する。
【0024】
本発明によれば、誘電体層をMOCVD法で形成し、且つ、半導体基板の温度を550℃以下に保持しながらキャパシタをアニールして誘電体層の結晶性を回復させるので、キャパシタ下の導電性プラグの酸化を限界まで防ぎながら、そのアニールの効果が最大限に引き出され、アニールの効果向上と導電性プラグの酸化防止とを両立させることができる。
【0025】
このような方法は、酸化され易いタングステンで導電性プラグを構成する場合に特に有用である。
【0026】
又は、上記した課題は、半導体基板と、前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域及び第2不純物拡散領域と、前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続された第1導電性プラグと、前記第1絶縁層上に形成された単層構造の絶縁性酸素バリア層と、前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫いて形成された第2ホールと、前記第2ホール内に形成されて前記第2不純物拡散領域と電気的に接続された第2導電性プラグと、前記第2導電性プラグと電気的に接続されるように前記絶縁性酸素バリア層上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、を有することを特徴とする半導体装置によって解決する。
【0027】
又は、上記した課題は、半導体基板の表層に第1不純物拡散領域と第2不純物領域とを形成する工程と、前記半導体基板の上方に第1絶縁層を形成する工程と、前記第1絶縁層をパターニングして前記第1不純物拡散領域の上方に第1ホールを形成する工程と、前記第1不純物拡散領域と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、前記第1絶縁層上と前記第1導電性プラグ上とに単層の絶縁性酸素バリア層を形成する工程と、前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫く第2ホールを前記第2不純物拡散領域の上方に形成する工程と、前記第2不純物拡散領域と電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、前記第2導電性プラグ上と前記絶縁性酸素バリア層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上に形成する工程と、前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、前記下部電極用導電層、前記誘電体層、及び前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記第2導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、前記キャパシタと前記絶縁性酸素バリア層とを覆う第2絶縁層を形成する工程と、前記第1導電性プラグの上面が露出する第3ホールを前記第2絶縁層に形成する工程と、前記第1導電性プラグと電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法によって解決する。
【0028】
次に、本発明の作用について説明する。
【0029】
本発明によれば、第1導電性プラグの酸化を防ぐ絶縁性酸素バリア層を単層構造にし、第2導電性プラグと電気的に接続されるキャパシタの下部電極をその絶縁性酸素バリア層上に形成する。これにより、下部電極の絶縁性酸素バリア層からの剥離と第2導電性プラグの酸化とを同時に防ぎつつ、酸素含有雰囲気中でキャパシタを高い温度でアニールすることができ、キャパシタの誘電体層の結晶性を良好に回復することができる。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1の実施の形態)
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0031】
図2〜図9は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【0032】
まず、図2(a)に示す断面構造を得るまでの工程を説明する。
【0033】
図2(a)に示すように、n型又はp型のシリコン(半導体)基板1のトランジスタ形成領域の周囲にフォトリソグラフィー法により素子分離用溝を形成した後に、その中に酸化シリコン(SiO2)を埋め込んで素子分離絶縁層2を形成する。そのような構造の素子分離絶縁層2は、STI(Shallow Trench Isolation)と呼ばれる。なお、LOCOS(Local Oxidation of Silicon)法により形成した絶縁層を素子分離絶縁層として採用してもよい。
【0034】
続いて、シリコン基板1のメモリセル領域Aとロジック領域Bのそれぞれにおける所定のトランジスタ形成領域にp型不純物とn型不純物のいずれかを選択的に導入してウェル1a,1bを形成する。なお、図において、メモリセル領域Aのウェル1aはp型であり、ロジック領域Bのウェル1bはn型を示しているが、ロジック領域BにおいてCMOSが形成される場合にはn型とp型の双方のウェルが形成される。n型のウェルとp型のウェルの打ち分けは、レジストパターンをマスクに用いて行われる。
【0035】
さらに、シリコン基板1のウェル1a,1bの表面を熱酸化して、ゲート絶縁層3となるシリコン酸化層を形成する。
【0036】
次に、シリコン基板1の上側全面にポリシリコン層を形成する。その後に、ポリシリコン層をフォトリソグラフィ法によりパターニングして、メモリセル領域Aにゲート電極4a,4bを形成し、同時にロジック領域Bにもゲート電極4cを形成する。それらのゲート電極4a,4b,4cは、ゲート絶縁層3を介してシリコン基板1の上に形成されている。
【0037】
なお、メモリセル領域Aでは、1つのウェル1a上には2つのゲート電極4a,4bが並列に形成され、それらのゲート電極4a,4bはワード線の一部を構成する。
【0038】
次に、メモリセル領域Aにおいて、p型のウェル1aのうちゲート電極4a,4bの両側にn型不純物、例えばリンをイオン注入してソース/ドレインとなる第1〜第3のn型不純物拡散領域5a〜5cを形成する。これと同時に、ロジック領域Bのp型のウェル1bにもn型不純物をイオン注入してソース/ドレインとなる第4,第5のn型不純物拡散領域5d,5eを形成する。
【0039】
なお、ロジック領域Bのn型ウェル(不図示)では、ゲート電極(不図示)の両側にp型不純物、例えばホウ素がイオン注入されてp型不純物拡散領域が形成される。p型不純物とn型不純物の打ち分けは、レジストパターンを使用して行われる。
【0040】
さらに、CVD法により絶縁層、例えば酸化シリコン(SiO2)層をシリコン基板1の全面に形成した後に、その絶縁層をエッチバックしてゲート電極4a,4b.4cの両側部分に絶縁性のサイドウォールスペーサ6として残す。
【0041】
続いて、ゲート電極4a,4b,4cとサイドウォールスペーサ6をマスクに使用して、第1〜第3のn型不純物拡散領域5a〜5cに再びn型不純物をイオン注入することにより、第1〜第3のn型不純物拡散領域5a〜5cのそれぞれに不純物高濃度領域を形成する。この後に、ロジック領域Bにおける、p型不純物拡散領域(不図示)に再びp型不純物をイオン注入して不純物高濃度領域を形成する。
【0042】
なお、メモリセル領域Aの1つのウェル1aにおいて、2つのゲート電極4a,4bの間の第1のn型不純物拡散領域5aは後述するビット線に電気的に接続され、ウェル1aの両端側寄りの第2、第3のn型不純物拡散領域5b,5cは後述するキャパシタの下部電極に電気的に接続される。
【0043】
以上の工程により、メモリセル領域Aのウェル1aにはゲート電極4a,4bとLDD (Lightly Doped Drain)構造のn型不純物拡散領域5a〜5cを有する2つのn型のMOSトランジスタT1,T2が1つのn型不純物拡散領域5aを共通にして形成される。また、ロジック領域Bにおいてもp型のウェル1bにはゲート電極4cとn型不純物拡散領域5d,5eを有するn型のMOSトランジスタT3が形成される。なお、ロジック領域内のn型のウェル(不図示)にもp型のMOSトランジスタが形成される。
【0044】
なお、第1〜第5のn型不純物拡散領域5a〜5eの表面に、コンタクト層(不図示)としてコバルトシリサイド、チタンシリサイドのような金属ケイ化物(シリサイド)層をサリサイド技術により形成する。
【0045】
次に、MOSトランジスタT1,T2,T3を覆うカバー絶縁層7として厚さ約20nmの酸化シリコン(SiO2)層と厚さ約80nmの窒化シリコン層(SiN)とをプラズマCVD法によりシリコン基板1の全面に形成する。その後、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、膜厚1.0μm程度の酸化シリコン(SiO2)を第1層間絶縁層8としてカバー絶縁層7の上に形成する。
【0046】
続いて、例えば常圧の窒素雰囲気中で第1層間絶縁層8を650℃の温度で30分間加熱し、これにより第1層間絶縁層8を緻密化する。その後に、第1層間絶縁層8の上面を化学機械研磨(CMP)法により平坦化する。
【0047】
次に、図2(b)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0048】
まず、フォトリソグラフィ法とエッチング法により第1層間絶縁層8とカバー絶縁層7をパターニング及びエッチングして、メモリセル領域Aでは第1の不純物拡散領域5aに到達する深さの第1のコンタクトホール8aを形成し、同時に、ロジック領域BではMOSトランジスタT3を構成する第4及び第5の不純物拡散領域5d,5eの上に第2、第3のコンタクトホール8d,8eを形成する。
【0049】
その後、第1層間絶縁層8上面と第1〜第3のコンタクトホール8a,8d,8e内面に、グルー層9aとして膜厚20nmのチタン(Ti)層と膜厚20nmの窒化チタン(TiN)層をスパッタ法により順に形成する。さらに、WF6を用いるCVD法によってタングステン(W)層9bをグルー層9a上に成長してコンタクトホール8a,8d,8e内を完全に埋め込む。
【0050】
続いて、タングステン層9b、グルー層9aをCMP法により研磨して第1層間絶縁層8の上面上から除去する。
【0051】
これにより、メモリセル領域Aにおいて第1のコンタクトホール8a内に残されたタングステン層9b及びグルー層9aは、第1の不純物拡散領域5aに電気的に接続される第1の導電性プラグ10aとして使用される。また、ロジック領域Bにおいて第2、第3のコンタクトホール8d,8e内に残されたタングステン層9b及びグルー層9aは、第4及び第5の不純物拡散領域5d,5eに電気的に接続される第2,第3の導電性プラグ10d,10eとして使用される。
【0052】
その後に、図3(a)に示すように、第1層間絶縁層8上と第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10e上に、窒化シリコン(SiN)層をプラズマCVD法により厚さ約100nmに形成し、それを酸化防止絶縁層11aとする。なお、窒化シリコンの他に、酸窒化シリコン(SiON)層やアルミナ(Al2O3)層を酸化防止絶縁層11aとして形成してもよい。
【0053】
更に、TEOSを用いるプラズマCVD法により、この酸化防止絶縁層11a上にSiO2層を厚さ約100nmに形成し、それを絶縁性密着層11bとする。これら酸化防止絶縁層11aと絶縁性密着層11bとにより、絶縁性酸素バリア層11が構成される。
【0054】
この絶縁性酸素バリア層11において、酸化防止絶縁層11aは、後で行われる種々の熱処理の際に第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eが異常酸化してコンタクト不良を起こさないようにするために形成され、その膜厚を例えば70nm以上にすることが望ましい。第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eを構成するタングステンが異常酸化すると電気抵抗が高くなるだけでなくその体積も増えてコンタクトホール8a,8b,8cから突出するおそれがある。
【0055】
次に、レジストパターン(不図示)を用いて、図3(b)に示すように絶縁性酸素バリア層11、第1層間絶縁層8及びカバー絶縁層7をエッチングすることにより、これらの絶縁層を貫く第4及び第5のコンタクトホール8b,8cを第2及び第3の不純物拡散領域5b,5cの上方に形成する。
【0056】
更に、図4(a)に示すように、絶縁性酸素バリア層11上面と第4及び第5のコンタクトホール8b,8c内に厚さ20nmのチタン(Ti)層と厚さ20nmの窒化チタン(TiN)層とをスパッタ法により順に形成し、それをコンタクト層31とする。その後に、WF6を使用するプラズマCVD法によりタングステン(W)層12をコンタクト層31上に形成し、各コンタクトホール8b,8c内を完全に埋め込む。
【0057】
続いて、図4(b)に示すように、タングステン層12とコンタクト層31とをCMP法により研磨して絶縁性酸素バリア層11の上面上から除去する。これにより第4及び第5のコンタクトホール8b,8c内に残されたタングステン層12とコンタクト層31とを、それぞれ第2、第3のn型不純物拡散領域5b、5cと電気的に接続された第4、第5の導電性プラグ12a,12bとする。
【0058】
この状態では、タングステンからなる第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eは絶縁性酸素バリア層11に覆われた状態となっている。
【0059】
次に、図5(a)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0060】
まず、第4及び第5の導電性プラグ12a,12b上と絶縁性酸素バリア層11上に下部電極用導電層13として、例えば膜厚10nmのチタン(Ti)層13xと膜厚300nmのイリジウム(Ir)層13yをスパッタにより順に形成する。
【0061】
次に、下部電極用導電層13上に、強誘電体層14として例えば膜厚120nmのPZT層をMOCVD(有機金属CVD)法により形成する。
【0062】
そのMOCVD法では、鉛(Pb)供給用の有機ソースとしてPb(DPM)2(Pb(C11H19O2)2)をTHF(Tetra Hydro Furan: C4H8O)液に3mol%の濃度で溶解させたものを0.32ml/minの流量で気化器に導入する。また、ジルコニウム(Zr)供給用の有機ソースとしては、Zr(dmhd)4(Zr(C9H15O2)4)をTHF液に3mol%の濃度で溶解させたものを使用し、それを0.2ml/minの流量で気化器に導入する。更に、チタン(Ti)供給用のソースとしては、Ti(O-iPr)2(DPM)2(Ti(C3H7O)2(C11H19O2)2) をTHF液に3mol%の濃度で溶解させたものを使用し、それを0.2ml/minの流量で気化器(不図示)に導入する。
【0063】
気化器は約260℃の温度に加熱されており、上述の各有機ソースは気化器内で気化する。気化した各有機ソースは、気化器において酸素と混合された後、リアクタ(不図示)上部のシャワーヘッドに導入されて一様な流れとなり、シャワーヘッドと対向して設けられる半導体基板に向けて均一に噴射される。なお、リアクタ内における酸素の分圧は例えば5Torrであり、成膜時間は例えば420秒である。
【0064】
上記のような条件を採用したところ、得られたPZT強誘電体層14の組成は、Pb/(Zr+Ti)=1.15、Zr/(Zr+Ti)=0.45となった。また、成膜用の有機ソースに含まれる炭素(C)により、強誘電体層14には炭素も含まれる。
【0065】
なお、強誘電体層14の材料としては、PZTの他に、PLCSZT、PLZTのような他のPZT系材料や、SrBi2Ta2O9、SrBi2(Ta,Nb)2O9等のBi層状構造化合物材料、その他の金属酸化物強誘電体であってもよい。
【0066】
さらに、強誘電体層14の上に、上部電極用導電層15の一層目として例えば膜厚50nmの酸化イリジウム(IrO2)をスパッタ法により形成する。
【0067】
続いて、酸素含有雰囲気中で強誘電体層14をアニールする。そのアニールとして、例えばArとO2との混合ガス雰囲気中で基板温度725℃、時間25秒のRTA処理を採用する。その後、上部電極用導電層15の二層目として例えば膜厚150nmのIrO2をスパッタ法により形成する。
【0068】
この後に、上部電極用導電層15上に、ハードマスク16としてTiN層とSiO2層を順に形成する。そのハードマスク16は、フォトリソグラフィー法及びエッチング法により第4及び第5導電性プラグ12a,12bの上方にキャパシタ平面形状となるようにパターニング及びエッチングされる。
【0069】
そして、ハードマスク16に覆われない領域の上部電極用導電層15、強誘電体層14、下部電極用導電層13を順次エッチングする。この場合、強誘電体層14は、ハロゲン元素を含む雰囲気中でスパッタ反応によりエッチングされる。
【0070】
その後に、ハードマスク16を除去する。
【0071】
以上により、図5(b)に示すように、メモリセル領域Aにおける絶縁性酸素バリア層11の上には、下部電極用導電層13よりなるキャパシタQ1,Q2の下部電極13a,13bと、強誘電体層14よりなるキャパシタQ1,Q2の誘電体層14a,14bと、上部電極用導電層15よりなるキャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15bが形成される。
【0072】
そして、メモリセル領域Aの1つのウェル1aでは、第1つのキャパシタQ1の下部電極13aは第4の導電性プラグ12aを介して第2の不純物拡散領域5bに電気的に接続され、また、第2のキャパシタQ2の下部電極13bは第5の導電性プラグ12bを介して第3の不純物拡散領域5cに電気的に接続される。
【0073】
続いて、エッチングによる強誘電体層14のダメージを回復するために、酸素を含む炉内で回復アニールを行う。誘電体層14a,14bをMOCVD法により形成したことで、この回復アニールは、スパッタ法で誘電体層14a,14bを形成する場合よりも低い基板温度、例えば550℃で行うことができ、そのアニール時間は約60分間である。
【0074】
次に、図6(a)に示すように、キャパシタQ1,Q2を覆うキャパシタ保護層17として膜厚50nmのアルミナをスパッタにより下地絶縁層11b上に形成する。その後に、酸素含有雰囲気中で650℃で60分間の条件でキャパシタQ1,Q2をアニールする。このキャパシタ保護層17は、プロセスダメージからキャパシタQ1,Q2を保護するものであって、アルミナの他、PZTで構成してもよい。
【0075】
その後、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、第2層間絶縁層18として膜厚1.0μm程度の酸化シリコン(SiO2)をキャパシタ保護層17上に形成する。さらに、第2層間絶縁層18の上面をCMP法により平坦化する。この例では、CMP後の第2層間絶縁層18の残りの膜厚は、上部電極15a,15b上で300nm程度とする。
【0076】
次に、図6(b)に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0077】
まず、レジストマスク(不図示)を用いて、第2層間絶縁層18、キャパシタ保護層17、絶縁性酸素バリア層11をエッチングする。これにより、メモリセル領域Aでは、各絶縁層11、17、18を貫く第6のコンタクトホール19aが第1導電性プラグ10a上に形成され、そのコンタクトホール19a内には第1導電性プラグ10aが露出することになる。これと共に、ロジック領域Bでは、各絶縁層11、17、18を貫く第7、第8のコンタクトホール19b,19cがそれぞれ第2、第3の導電性プラグ10b,10cの上に形成される。
【0078】
そのエッチング後には、強誘電体層14をダメージから回復させるために、例えば酸素含有雰囲気にて基板温度を550℃としてキャパシタQ1,Q2に対して60分間のアニールを施す。
【0079】
次に、第6〜第8のコンタクトホール19a〜19c内と第2層間絶縁層18上に、グルー層20aとして膜厚50nmのTiN層をスパッタ法により形成する。さらに、CVD法によりタングステン層20bをグルー層20aの上に成長して第6〜第8のコンタクトホール19a〜19c内を完全に埋め込む。
【0080】
続いて、タングステン層20b、グルー層20aをCMP法により研磨して第2層間絶縁層18の上面上から除去する。そして、第6〜第8のコンタクトホール19a〜19c内に残されたタングステン層20b及びグルー層20aを第6〜第8の導電性プラグ21a,21d,21eとする。
【0081】
さらに、窒素雰囲気中で第2層間絶縁層18を350℃、120秒の条件でアニールする。
【0082】
これにより、メモリセル領域Aにおいて、第6の導電性プラグ21aは第1の導電性プラグ10aに電気的に接続されてvia-to-viaコンタクトとなり、第1の不純物拡散領域5aに電気的に接続される。また、ロジック領域Bにおいても、第7及び第8の導電性プラグ21d,21eは、それぞれ第2,第3の導電性プラグ10b,10cに電気的に接続されてそれらの下の不純物拡散領域5d、5eに電気的に接続される。
【0083】
次に、図7(a)に示すように、第6〜第8の導電性プラグ21a,21d,21e上と第2層間絶縁層18上に、酸化防止層22としてSiON層をCVD法により100nmの厚さに形成する。
【0084】
続いて、図7(b)に示すように、酸化防止層22と第2層間絶縁層18をフォトリソグラフィー法及びエッチング法によりパターニング、エッチングしてキャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15b上にホール23a,23bを形成する。ホール23a,23bを形成することによりダメージを受けたキャパシタQ1,Q2はアニールによって回復される。そのアニールは、例えば酸素含有雰囲気中で基板温度550℃として60分間行われる。
【0085】
その後に、第2層間絶縁層18上に形成された酸化防止層22をエッチバックによって除去する。これにより、第6〜第8の導電性プラグ21a,21d,21eの表面が露出する。
【0086】
次に、図8に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0087】
まず、キャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15b上のホール23a,23b内と第2層間絶縁層18の上に多層金属層を形成する。その多層金属層として、例えば、膜厚60nmのTi層、膜厚30nmのTiN層、膜厚400nmのAl-Cu層、膜厚5nmのTi、及び70nmのTiN層を順に形成する。
【0088】
その後に、多層金属層をパターニング及びエッチングすることにより、メモリセル領域A内でホール23a,23bを通して上部電極15a,15bに接続される一層目金属配線24a,24bと、第6の導電性プラグ21aに接続される導電性パッド24cを形成する。これと同時に、ロジック領域Bでは、第7、第8の導電性プラグ21d,21eに接続される一層目配線24d,24eを形成する。
【0089】
なお、多層金属層をパターニングする際に露光光の反射によるパターン精度の低下を防止するために、多層金属層の上に酸窒化シリコン(SiON)などの反射防止層(不図示)を31nmの厚さに形成し、さらに反射防止層上にレジストを塗布した後に、レジストを露光、現像して配線形状等のレジストパターンを形成し、そのレジパターンを用いてエッチングする方法を採用する。反射防止層は、多層金属層のパターニング後にそのまま残してもよい。
【0090】
さらに、第2層間絶縁層18と一層目金属配線24a,24b,24d,24eと導電性パッド24cの上に第3層間絶縁層25を形成する。
【0091】
次に、図9に示す断面構造を得るまでの工程について説明する。
【0092】
まず、第3層間絶縁層25をパターニングしてメモリセル領域A内の導電性パッド24cの上にビット線コンタクト用のホール25aを形成し、同時に、ロジック領域Bの一層目配線24eの上にも配線コンタクト用のホール25bを形成する。また、それらのホール25a,25bのそれぞれの中に下から順にTiN層及びW層からなる第9、第10の導電性プラグ26a,26bを形成する。
【0093】
次に、ビット線BLを含む二層目金属配線27a,27bを第3層間絶縁層25上に形成する。そのビット線27は、第9の導電性プラグ26aに接続されることにより、その下の第9の導電性プラグ26a、導電性パッド24c、第6の導電性プラグ21a及び第1の導電性プラグ10aを介して第1不純物拡散領域5aに電気的に接続される。
【0094】
その後、二層目金属配線27a,27bを覆う絶縁層等が形成され、最後にTEOS原料酸化シリコン層と窒化シリコン層により構成されるカバー層を形成するが、その詳細は省略する。
【0095】
なお、ロジック領域Bにおいて、図示しないp型のMOSトランジスタの上にもn型のMOSトランジスタT3と同じ構造の導電性プラグが形成される。このことは、後述する他の実施形態においても同様である。
【0096】
上記した実施形態によれば、キャパシタQ1,Q2を構成する強誘電体層14の結晶化アニール、回復アニールなどの熱処理は、第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10e上に絶縁性酸素バリア層11が形成された状態で行われるので、酸化され易いタングステンを含む各導電性プラグ10a、10d、10eが熱処理によって異常酸化してコンタクト不良が発生するのを防止できる。
【0097】
一方、上述の導電性プラグ10a、10d、10e、及びキャパシタQ1,Q2の直下に位置する各導電性プラグ12a、12bは、酸素含有雰囲気中で550℃よりも高い温度に加熱されると酸化され易くなる。そのため、上述した回復アニールは、550℃よりも低い温度で行うのが好ましいが、強誘電体層14の結晶性はアニール温度に依存するので、あまりに低い温度でアニールしたのでは強誘電体層14の結晶性が所望に回復せず、回復アニールの本来の意味を失ってしまう。
【0098】
そこで、本願発明者は、本実施形態のようにMOCVD法で強誘電体層14を形成する場合、どのような温度で回復アニールを行うのが好適かを調査した。その調査結果を図15に示す。
【0099】
この調査においては、回復アニールの温度を振った場合に、キャパシタQ1,Q2の残留分極量(Qsw)がどのように変化するかが調べられた。なお、残留分極量(Qsw)とは、キャパシタQ1,Q2に所定電圧を印加して強誘電体層14を分極させた後に電圧を取り去り、強誘電体層14のヒステリシス特性によって強誘電体層14に残留する分極量のことをいう。この残留分極量(Qsw)の値が大きいほど、「1」と「0」とを分別し易いことになる。
【0100】
図15に示すように、残留分極量(Qsw)は、550℃以下の温度において増加傾向にあり、約550℃で最大となった後に減少傾向に転じる。また、図15には示されないが、基板温度を300℃以上とすることで回復アニールの効果が出始める。
【0101】
すなわち、550℃以下の温度、好適には約550℃の温度で回復アニールを行うことにより、各導電性プラグ12a、12bの酸化を限界まで防ながら、回復アニールの効果を最大限に引き出すことができ、回復アニールの効果向上とプラグの酸化防止とを両立させることができる。
【0102】
しかも、そのように各導電性プラグ12a、12bの酸化が防止されるので、酸化防止のための新たな構造を各導電性プラグ12a、12bに与える必要が無く、工程の煩雑化を招くことが無い。
【0103】
また、本願発明者が行った別の調査結果によれば、回復アニールの温度が550℃以下ではFeRAMの歩留まりが増加傾向となり、550℃を超えると歩留まりが減少することが明らかとなった。よって、FeRAMの歩留まりを改善する観点から見ても、回復アニールを550℃以下の温度で行うのが好適である。
【0104】
これに対し、従来技術では、強誘電体層をスパッタ法により形成しているが、その場合は、回復アニールの温度が高いほど残留分極量(Qsw)が大きくなり、図15のようなピークは見られない。よって、スパッタ法で強誘電体層を形成する場合、回復アニールの効果を高めようとするとアニール温度を高くする必要が生じるが、そのように高温でアニールを行うとタングステンを含むプラグが酸化してしまうため、回復アニールの効果向上とプラグの酸化防止とを両立させることができない。
【0105】
ところで、FeRAMは、ロジック品に比べてキャパシタの分だけ基板上の段差が大きいために、一層目金属配線24d,24e及び導電性パッド24cからシリコン基板1の不純物拡散領域5a,5d,5eへの接続のためのコンタクトホールのアスペクト比が約7程度に大きくなる。これを、従来のように、第2層間絶縁層18からカバー絶縁層7までの複数の絶縁層を一括してエッチングにより形成しようとすれば、エッチング自体が難しくなるだけでなく、コンタクトホール内でのグルー層を形成するのにカバレッジのよいCVD法を用いる必要がある。
【0106】
しかしながら、CVD法によりグルー層を形成すると、成膜雰囲気中に含まれる還元性物質、例えば水素によって誘電体層14a,14bが劣化する恐れがある。しかも、そのようにCVD法でグルー層を形成するには、最新の半導体製造装置が必要となる。
【0107】
これに対して、本実施形態では、メモリセル領域Aにおいてvia-to-via構造、即ち二段の導電性プラグ10a,21aを形成するので、各導電性プラグ10a,21aが形成される第1のコンタクトホール8aと第6のコンタクトホール19aのアスペクト比を約4.4程度に小さくできる。これにより、CVD法と比較してカバレッジが劣るスパッタ法でグルー層を形成することができるようになり、そのスパッタ雰囲気中には水素のような還元性物質が含まれないので、上述のように誘電体層14a,14bを劣化させてしまう恐れが無い。
【0108】
更に、スパッタ法によるグルー層の成膜は既存のスパッタ装置で行うことができるので、新たな設備投資を行う必要が無い。
【0109】
同様に、ロジック領域Bにおいても、二段の導電性プラグ10d,21d、及び導電性プラグ10e、21eを形成するので、上記と同様の利点が得られる。
【0110】
これらにより、FeRAM品又はロジック混載FeRAMの歩留まりが向上するだけでなく、既存装置を使い回すことができ、開発費と製造コストの削減を実現できる。
【0111】
また、本実施形態では、一層目の全ての導電性プラグ12a、12b、10a、10d、10eをタングステンから構成しているので、タングステンプラグを用いた既存のロジック品の設計ライブラリを使用することができ、設計コストの削減も実現できる。
【0112】
このようなvia-to-via構造に起因する利点は、後述の第2実施形態でも得ることができる。
(第2の実施の形態)
図10〜図14は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、これらの図において、第1実施形態で説明した部材には第1実施形態と同様の符号を付し、以下ではその説明を省略する。
【0113】
第1実施形態においては、キャパシタの強誘電体層をMOCVD法で形成することで、既述のような利点を得た。これに対し、本実施形態においては、キャパシタの強誘電体層をスパッタ法で形成する場合にも導電性プラグの酸化が防止される方法が例示される。
【0114】
まず、第1実施形態に従い、図2(b)に示す構造を形成する。
【0115】
次いで、図10(a)に示すように、第1層間絶縁層8上と第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10e上に、酸窒化シリコン(SiON)層をプラズマCVD法により厚さ約400nmに形成し、それを絶縁性酸素バリア層11とする。
【0116】
本実施形態では、第1実施形態と異なり、絶縁性酸素バリア層11を多層構造にせず、図示のような単層構造にする。この単層の絶縁性酸素バリア層11により、その下の第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eが後述の種々のアニールの際に酸化されるのが防止される。
【0117】
続いて、図10(b)に示す構造を得る工程について説明する。
【0118】
まず、第1実施形態で説明した図3(b)〜4(b)の工程を行う。その後、第4及び第5の導電性プラグ12a,12b上と絶縁性酸素バリア層11上に下部電極用導電層13として、例えば膜厚300nmのイリジウム(Ir)層13xと膜厚23nmの酸化プラチナ(PtO)層13yと膜厚50nmのプラチナ(Pt)層13zをスパッタにより順に形成する。
【0119】
なお、下部電極用導電層13を形成する前又は後に例えば膜剥がれ防止のために絶縁性酸素バリア層11をアニールしてもよい。アニール方法として、例えば、アルゴン雰囲気中で600〜750℃のRTAを採用する。
【0120】
次に、下部電極用導電層13上に、強誘電体層14として例えばPZT層をスパッタ法により厚さ約140nm程度に形成する。本実施形態では、強誘電体層14の形成方法は限定されず、MOD法、MOCVD法、ゾル・ゲル法等により強誘電体層14を形成してもよい。また、強誘電体層14の材料としては、PZTの他に、PLCSZT、PLZTのような他のPZT系材料や、SrBi2Ta2O9、SrBi2(Ta,Nb)2O9等のBi層状構造化合物材料、その他の金属酸化物強誘電体であってもよい。
【0121】
さらに、強誘電体層14の上に、上部電極用導電層15の一層目として例えば膜厚50nmの酸化イリジウム(IrO2)をスパッタ法により形成する。
【0122】
続いて、酸素含有雰囲気中で強誘電体層14をアニールする。そのアニールとして、例えばアルゴン(Ar)と酸素(O2)との混合ガス雰囲気中で基板温度725℃、時間25秒のRTA処理を採用する。その後、上部電極用導電層15の二層目として例えば膜厚150nmの酸化イリジウム(IrO2)をスパッタ法により形成する。
【0123】
この後に、上部電極用導電層15上に、ハードマスク16としてTiN層とSiO2層を順に形成する。そのハードマスク16は、フォトリソグラフィー法及びエッチング法により第4及び第5導電性プラグ12a,12bの上方にキャパシタ平面形状となるようにパターニング及びエッチングされる。
【0124】
そして、ハードマスク16に覆われない領域の上部電極用導電層15、強誘電体層14、下部電極用導電層13を順次エッチングする。この場合、強誘電体層14は、ハロゲン元素を含む雰囲気中でスパッタ反応によりエッチングされる。
【0125】
その後に、ハードマスク16を除去する。
【0126】
以上により、図11(a)に示すように、メモリセル領域Aにおける絶縁性酸素バリア層11の上には、下部電極用導電層13よりなるキャパシタQ1,Q2の下部電極13a,13bと、強誘電体層14よりなるキャパシタQ1,Q2の誘電体層14a,14bと、上部電極用導電層15よりなるキャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15bが形成される。そして、メモリセル領域Aの1つのウェル1aでは、第1つのキャパシタQ1の下部電極13aは第4の導電性プラグ12aを介して第2の不純物拡散領域5bに電気的に接続され、また、第2のキャパシタQ2の下部電極13bは第5の導電性プラグ12bを介して第3の不純物拡散領域5cに電気的に接続される。
【0127】
続いて、エッチングによる強誘電体層14のダメージを回復するために、例えば酸素含有雰囲気において基板温度を650℃としてキャパシタQ1,Q2に対して60分間のアニールを施す。
【0128】
このように酸素含有雰囲気中で回復アニールを行っても、キャパシタQ1,Q2の直下に位置しない第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eの上面は絶縁性酸素バリア層11により覆われているので、それらの導電性プラグが異常酸化してコンタクト不良を引き起こす恐れは無い。
【0129】
次に、図11(b)に示すように、キャパシタQ1,Q2を覆うキャパシタ保護層17として膜厚50nmのアルミナをスパッタにより絶縁性酸素バリア層11上に形成する。その後に、酸素含有雰囲気中で650℃で60分間の条件でキャパシタQ1,Q2をアニールする。このキャパシタ保護層17は、プロセスダメージからキャパシタQ1,Q2を保護するものであって、アルミナの他、PZTで構成してもよい。
【0130】
その後、TEOSガスを用いるプラズマCVD法により、第2層間絶縁層18として膜厚1.0μm程度の酸化シリコン(SiO2)をキャパシタ保護層17上に形成する。さらに、第2層間絶縁層18の上面をCMP法により平坦化する。この例では、CMP後の第2層間絶縁層18の残りの膜厚は、上部電極15a,15b上で300nm程度とする。
【0131】
次いで、図12(a)に示すように、レジストパターン(不図示)を用いて第2層間絶縁層18とキャパシタ保護層17とをエッチングすることにより、メモリセル領域AのキャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15bの上方にホール23a,23bを形成する。この場合、エッチングガスとしてArとC4F8とO2を用いて第2層間絶縁層18とキャパシタ保護層17をエッチングして上部電極15a,15bを露出させる。
【0132】
その後、強誘電体層14をエッチングによるダメージから回復させるために、例えば酸素含有雰囲気において基板温度を550℃としてキャパシタQ1,Q2に対して60分間のアニールを施す。
【0133】
続いて、図12(b)に示すように、レジストパターン(不図示)を用いて、メモリセル領域Aの第1導電性プラグ10aの上方とロジック領域Bの第2,第3の導電性プラグ10d,10eの上方にそれぞれコンタクトホール19a,19b,19cを形成する。これらのコンタクトホール19a〜19cは、絶縁性酸素バリア層11、キャパシタ保護層17、及び第2層間絶縁層18を貫いて形成され、そのエッチングにおいては、例えば、Ar、C4F8、及びO2の混合ガス、或いはAr、CHF3、及びO2の混合ガスがエッチングガスとして使用される。そして、各コンタクトホール19a〜19cの底部には、それぞれ導電性プラグ10a、10d、10eが露出することになる。
【0134】
次に、図13に示す構造を得るまでの工程について説明する。
【0135】
まず、ホール23a,23b内とコンタクトホール19a〜19c内と第2層間絶縁層18上に、グルー層20aとして膜厚50nmのTiN層をスパッタ法により順に形成する。さらに、CVD法によりタングステン層20bをグルー層20aの上に成長することにより、ホール23a,23b内とコンタクトホール19a〜19c内を完全に埋め込む。
【0136】
続いて、タングステン層20b、グルー層20aをCMP法により研磨して第2層間絶縁層18の上面上から除去する。これにより、キャパシタQ1,Q2の上のホール23a,23b内に残されたタングステン層20b及びグルー層20aを第11,第12の導電性プラグ21b、21cとし、メモリセル領域A内の第1の導電性プラグ10a上のコンタクトホール19a内に残されたタングステン層20b及びグルー層20aを第6の導電性プラグ21aとする。さらに、ロジック領域B内の第2、第3の導電性プラグ10d,10eの上のコンタクトホール19b,19c内に残されたタングステン層20b及びグルー層20aを、それぞれ第7、第8の導電性プラグ21d、21eとする。
【0137】
さらに、窒素雰囲気中で第2層間絶縁層18を350℃、120秒の条件でアニールする。
【0138】
これにより、メモリセル領域Aにおいて2つのキャパシタQ1,Q2の上部電極15a,15bは、各導電性プラグ21b,21cに電気的に接続される。その他の導電性プラグ21a,21d,21eは、それぞれ、第1実施形態と同様に第1〜第3の導電性プラグ10a,10d,10eに電気的に接続される。
【0139】
次に、図14に示す構造を形成するまでの工程を説明する。
【0140】
まず、第6、第7、第8、第11及び第12の導電性プラグ21a〜21eと上と第2層間絶縁層18上に、多層金属層を形成する。その多層金属層として、例えば、膜厚60nmのTi層、膜厚30nmのTiN層、膜厚400nmのAl-Cu層、膜厚5nmのTi層、及び70nmのTiN層を順に形成する。
【0141】
その後に、多層金属層をパターニング、エッチングすることにより、第7、第8、第11及び第12の導電性プラグ21b〜21eに接続される一層目金属配線24a,24b,24d,24eと、第6の導電性プラグ21aに接続される導電性パッド24cを形成する。
【0142】
なお、多層金属層をパターニングする際に露光光の反射によるパターン精度の低下を防止するために、第1実施形態と同様に酸窒化シリコン(SiON)などの反射防止層(不図示)パターンを用いてもよい。
【0143】
この後に、第1実施形態の図8に示したのと同様に、第2層間絶縁層18、一層目金属配線24a,24b,24d,24e及び導電性パッド24cの上に第3層間絶縁層25を形成し、さらに導電性パッド24cの上に導電性プラグ25aを介してビット線を接続するが、その詳細は省略する。
【0144】
ところで、既述の第1実施形態では、絶縁性酸素バリア層11を二層構造にし、その最上層としてSiO2よりなる絶縁性密着層11bを形成した。そのような構造は、キャパシタ用の強誘電体層14をMOCVD法で形成し、回復アニールの温度が低くて済む場合には有用である。
【0145】
一方、本実施形態のように強誘電体層14をスパッタで形成する場合は、回復アニールの温度を高くするほど強誘電体層14の結晶性が良好となるので、第1実施形態よりも高温で回復アニールを行うのが好ましい。
【0146】
しかしながら、絶縁性酸素バリア層11が多層構造の場合、このように高温でアニールを行うと、下部電極13aが絶縁性密着層11bから剥離することが明らかとなった。これは、温度が高くなると、下部電極13aとの界面付近において、SiO2よりなる絶縁性密着層11b中の酸素原子の移動が活発となるためであると推測される。その結果、アニール雰囲気中の酸素が第4、第5の導電性プラグ12a,12bに至り、これらのタングステンプラグを酸化させて膨張させるという不都合を引き起こしてしまう。
【0147】
これに対し、本実施形態では、SiO2よりなる絶縁性密着層11bを省き、単層のSiON層で絶縁性酸素バリア層11を構成したので、下部電極13aの剥離と各導電性プラグ12a,12bの酸化とを防止しながら、回復アニールを高温で行うことができ、強誘電体層14a、14bの結晶性を良好にすることができる。これにより、キャパシタQ1,Q2の特性が向上し、また、各導電性プラグ12a,12bと下部電極14a、14bとのコンタクトが良好となって、FeRAMの信頼性が向上する。
【0148】
そのような利点は、単層の絶縁性酸素バリア層11として窒化シリコン(SiN)層又はアルミナ(Al2O3)層を形成しても得ることができる。一方、酸化シリコン(SiO2)層を絶縁性酸素バリア層11として形成したのでは、上記の利点を得ることはできない。
【0149】
なお、場合によっては、このような単層の絶縁性酸素バリア層11を第1実施形態にも適用してもよい。
【0150】
更に、本実施形態では、二層目の導電性プラグ21a〜21eを同時に形成するので、第1実施形態で形成した酸化防止層22が不要となり、その成膜工程とエッチバック工程を省くことができ、工程数を削減することが可能となる。勿論、そのような二層目の導電性プラグ21a〜21eの形成方法は、第1実施形態にも適用することが可能である。逆に、この利点を得る必要が無いなら、本実施形態においても第1実施形態と同様の方法で一層目金属配線24a,24b,24d,24e、導電性パッド24c、第6の導電性プラグ21aを形成してもよい。
【0151】
以上、本発明を詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記ではキャパシタの誘電体層を強誘電体層で構成したが、それを高誘電体層で構成してもよい。
【0152】
以下に、本発明の特徴を付記する。
【0153】
(付記1) 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域と、
前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、
前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続されたタングステンを含む第1導電性プラグと、
前記第1導電性プラグと電気的に接続され、且つ該第1導電性プラグ上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された炭素含有の強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、
を有することを特徴とする半導体装置。
【0154】
(付記2) 前記半導体基板の表層に形成された第2不純物拡散領域と、
前記第1絶縁層に形成された第2ホールと、
前記第2ホール内に形成されて前記第2不純物拡散領域と電気的に接続された第2導電性プラグと、
前記第1ホールの上部が形成され、前記第2ホールよりも上の前記第1絶縁層上に形成された絶縁性酸素バリア層と、
を更に備え、
前記下部電極の一部が、前記第1ホールの周囲の前記絶縁性酸素バリア層上に形成されたことを特徴とする付記1に記載の半導体装置。
【0155】
(付記3) 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域及び第2不純物拡散領域と、
前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、
前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続された第1導電性プラグと、
前記第1絶縁層上に形成された単層構造の絶縁性酸素バリア層と、
前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫いて形成された第2ホールと、
前記第2ホール内に形成されて前記第2不純物拡散領域と電気的に接続された第2導電性プラグと、
前記第2導電性プラグと電気的に接続され、且つ前記絶縁性酸素バリア層上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、
を有することを特徴とする半導体装置。
【0156】
(付記4) 前記絶縁性バリア層は、酸窒化シリコン層、窒化シリコン層、又はアルミナ層のいずれかであることを特徴とする付記3に記載の半導体装置。
【0157】
(付記5) 前記キャパシタと前記第1絶縁層とを覆う第2絶縁層と、
前記第1導電性プラグの上の前記絶縁性酸素バリア層と前記第2絶縁層とを貫く第3ホールと、
前記第3ホール内に形成されて前記第1導電性プラグと電気的に接続された第3導電性プラグと、
を有することを特徴とする付記3乃至付記4のいずれかに記載の半導体装置。
【0158】
(付記6) 前記半導体基板の表層に形成された第3不純物拡散領域と、
前記第1絶縁層のうち前記第3不純物拡散領域の上に形成された第4ホールと、
前記第4ホール内に形成されて前記第3不純物拡散領域と電気的に接続された第4導電性プラグと、
を有することを特徴とする付記5に記載の半導体装置。
【0159】
(付記7)前記第2絶縁層のうち前記第4導電性プラグの上に形成された第5ホールと、
前記第5ホール内に形成されて前記第4導電性プラグと電気的に接続された第5導電性プラグと、
を有することを特徴とする付記6に記載の半導体装置。
【0160】
(付記8) 半導体基板の表層に不純物拡散領域を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層をパターニングして前記不純物拡散領域の上方にホールを形成する工程と、
前記不純物拡散領域と電気的に接続される導電性プラグを前記ホール内に形成する工程と、
前記導電性プラグ上と前記絶縁層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上にMOCVD法により形成する工程と、
前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、
前記下部電極用導電層、前記誘電体層、前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、
前記半導体基板の温度を550℃以下に保持しながら、酸素含有雰囲気中で前記キャパシタをアニールするアニール工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0161】
(付記9) 前記導電性プラグとしてタングステンを含むものを形成することを特徴とする付記8に記載の半導体装置の製造方法。
【0162】
(付記10) 半導体基板の表層に第1不純物拡散領域と第2不純物領域とを形成する工程と、
前記半導体基板の上方に第1絶縁層を形成する工程と、
前記第1絶縁層をパターニングして前記第1不純物拡散領域の上方に第1ホールを形成する工程と、
前記第1不純物拡散領域と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、
前記第1絶縁層上と前記第1導電性プラグ上とに絶縁性酸素バリア層を形成する工程と、
前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫く第2ホールを前記第2不純物拡散領域の上方に形成する工程と、
前記第2不純物拡散領域と電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、
前記第2導電性プラグ上と前記絶縁性酸素バリア層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、
高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上にMOCVD法により形成する工程と、
前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、
前記下部電極用導電層、前記誘電体層、及び前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記第2導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、
前記半導体基板の温度を550℃以下に保持しながら、酸素含有雰囲気中で前記キャパシタをアニールするアニール工程と、
前記アニール工程の後に、前記キャパシタと前記絶縁性酸素バリア層とを覆う第2絶縁層を形成する工程と、
前記第1導電性プラグの上面が露出する第3ホールを前記第2絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層に形成する工程と、
前記第1導電性プラグと電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0163】
(付記11) 前記アニール工程における前記半導体基板の温度を300℃〜550℃とすることを特徴とする付記8乃至付記10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0164】
(付記12) 前記アニール工程における前記半導体基板の温度を約550℃とすることを特徴とする付記8乃至付記10のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0165】
(付記13) 前記絶縁性酸素バリア層として、酸化防止絶縁層と絶縁性密着層とをこの順に積層してなる積層膜を形成することを特徴とする付記10乃至付記12のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0166】
(付記14) 前記酸化防止絶縁層として、窒化シリコン層、酸窒化シリコン層、及びアルミナ層のいずれかを形成することを特徴とする付記13に記載の半導体装置の製造方法。
【0167】
(付記15) 前記絶縁性密着層として、酸化シリコン層を形成することを特徴とする付記13又は付記14に記載の半導体装置の製造方法。
【0168】
(付記16) 前記誘電体層として、PZT、PLZT、SrBi2Ta2O9、及びSrBi2(Ta,Nb)2O9のいずれかよりなる層を形成することを特徴とする付記8乃至付記15のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0169】
(付記17) 半導体基板の表層に第1不純物拡散領域と第2不純物領域とを形成する工程と、
前記半導体基板の上方に第1絶縁層を形成する工程と、
前記第1絶縁層をパターニングして前記第1不純物拡散領域の上方に第1ホールを形成する工程と、
前記第1不純物拡散領域と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、
前記第1絶縁層上と前記第1導電性プラグ上とに単層の絶縁性酸素バリア層を形成する工程と、
前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫く第2ホールを前記第2不純物拡散領域の上方に形成する工程と、
前記第2不純物拡散領域と電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、
前記第2導電性プラグ上と前記絶縁性酸素バリア層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、
高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上に形成する工程と、
前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、
前記下部電極用導電層、前記誘電体層、及び前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記第2導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタと前記絶縁性酸素バリア層とを覆う第2絶縁層を形成する工程と、
前記第1導電性プラグの上面が露出する第3ホールを前記第2絶縁層に形成する工程と、
前記第1導電性プラグと電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【0170】
(付記18) 前記キャパシタを形成した後に、酸素含有雰囲気中で該キャパシタをアニールする工程を行うことを特徴とする付記17に記載の半導体装置の製造方法。
【0171】
(付記19) 前記絶縁性酸素バリア層として酸窒化シリコン層、窒化シリコン層、又はアルミナ層のいずれかを形成することを特徴とする付記17又は付記18に記載の半導体装置の製造方法。
【0172】
(付記20) 前記第2導電性プラグとしてタングステンを含むものを使用することを特徴とする付記17乃至付記19のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【0173】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘電体層をMOCVD法で形成し、且つ、半導体基板の温度を550℃以下に保持しながらキャパシタをアニールして誘電体層の結晶性を回復させるので、キャパシタ下の導電性プラグの酸化を限界まで防ぎながら、そのアニールの効果を最大限に引き出すことができ、アニールの効果向上と導電性プラグの酸化防止とを両立させることができる。
【0174】
また、第1導電性プラグの酸化を防ぐ絶縁性酸素バリア層を単層構造にし、第2導電性プラグと電気的に接続されるキャパシタの下部電極をその絶縁性酸素バリア層上に形成したので、下部電極の絶縁性酸素バリア層からの剥離と第2導電性プラグの酸化とを同時に防ぎつつ、酸素含有雰囲気中でキャパシタを高い温度でアニールすることができ、キャパシタの誘電体層の結晶性を良好に回復することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)〜(c)は、従来例に係る半導体装置の製造方法について示す断面図である。
【図2】図2(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その1)である。
【図3】図3(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その2)である。
【図4】図4(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その3)である。
【図5】図5(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その4)である。
【図6】図6(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その5)である。
【図7】図7(a)、(b)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その6)である。
【図8】図8は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その7)である。
【図9】図9は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その8)である。
【図10】図10(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その1)である。
【図11】図11(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その2)である。
【図12】図12(a)、(b)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その3)である。
【図13】図13は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その4)である。
【図14】図14は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法について示す断面図(その5)である。
【図15】図15は、本発明の第1の実施の形態において、回復アニールの温度と、キャパシタの残留分極量(Qsw)との関係を調査して得られたグラフである。s
【符号の説明】
1…シリコン(半導体)基板、2…素子分離絶縁層、3…ゲート絶縁層、4a〜4c…ゲート電極、5a〜5e…不純物拡散領域、6…サイドウォールスペーサ、7…カバー絶縁層、8…第1層間絶縁層、9a…グルー層、9b…タングステン層、10a,10d,10e…導電性プラグ、11…絶縁性酸素バリア層、11a…酸化防止絶縁層、11b…絶縁性密着層、12…タングステン層、12a,12b…導電性プラグ、13…下部電極用導電層、14…強誘電体層、15…上部電極用導電層、16…ハードマスク、17…キャパシタ保護層、18…第2層間絶縁層、19a〜19c…コンタクトホール、20a…グルー層、20b…タングステン層、21a〜21c…導電性プラグ、22…酸化防止層、23a,23b…ホール、24a,24b,24d,24c…一層目金属配線、24c…導電性パッド、25…層間絶縁層、25a,25b…ホール、26a,26b…導電性プラグ、27…ビット線、27a,27b…二層目金属配線、 28a…グルー層、28b…タングステン層、29a〜29c…導電性プラグ、31…コンタクト層。
Claims (10)
- 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域と、
前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、
前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続されたタングステンを含む第1導電性プラグと、
前記第1導電性プラグと電気的に接続され、且つ該第1導電性プラグ上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された炭素含有の強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板と、
前記半導体基板の表層に形成された第1不純物拡散領域及び第2不純物拡散領域と、
前記半導体基板の上方に形成された第1絶縁層と、
前記第1絶縁層に形成された第1ホールと、
前記第1ホール内に形成されて前記第1不純物拡散領域と電気的に接続された第1導電性プラグと、
前記第1絶縁層上に形成された単層構造の絶縁性酸素バリア層と、
前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫いて形成された第2ホールと、
前記第2ホール内に形成されて前記第2不純物拡散領域と電気的に接続された第2導電性プラグと、
前記第2導電性プラグと電気的に接続され、且つ前記絶縁性酸素バリア層上に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された強誘電体又は高誘電体よりなる誘電体層と、該誘電体層上に形成された上部電極とを備えたキャパシタと、
を有することを特徴とする半導体装置。 - 前記絶縁性バリア層は、酸窒化シリコン層、窒化シリコン層、又はアルミナ層のいずれかであることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。
- 半導体基板の表層に不純物拡散領域を形成する工程と、
前記半導体基板の上方に絶縁層を形成する工程と、
前記絶縁層をパターニングして前記不純物拡散領域の上方にホールを形成する工程と、
前記不純物拡散領域と電気的に接続される導電性プラグを前記ホール内に形成する工程と、
前記導電性プラグ上と前記絶縁層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上にMOCVD法により形成する工程と、
前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、
前記下部電極用導電層、前記誘電体層、前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、
前記半導体基板の温度を550℃以下に保持しながら、酸素含有雰囲気中で前記キャパシタをアニールするアニール工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記導電性プラグとしてタングステンを含むものを形成することを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール工程における前記半導体基板の温度を300℃〜550℃とすることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記アニール工程における前記半導体基板の温度を約550℃とすることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の半導体装置の製造方法。
- 半導体基板の表層に第1不純物拡散領域と第2不純物領域とを形成する工程と、
前記半導体基板の上方に第1絶縁層を形成する工程と、
前記第1絶縁層をパターニングして前記第1不純物拡散領域の上方に第1ホールを形成する工程と、
前記第1不純物拡散領域と電気的に接続される第1導電性プラグを前記第1ホール内に形成する工程と、
前記第1絶縁層上と前記第1導電性プラグ上とに単層の絶縁性酸素バリア層を形成する工程と、
前記第1絶縁層と前記絶縁性酸素バリア層とを貫く第2ホールを前記第2不純物拡散領域の上方に形成する工程と、
前記第2不純物拡散領域と電気的に接続される第2導電性プラグを前記第2ホール内に形成する工程と、
前記第2導電性プラグ上と前記絶縁性酸素バリア層上とに下部電極用導電層を形成する工程と、
高誘電体層又は強誘電体層のいずれかの誘電体層を前記下部電極用導電層上に形成する工程と、
前記誘電体層上に上部電極用導電層を形成する工程と、
前記下部電極用導電層、前記誘電体層、及び前記上部電極用導電層をパターニングすることにより、前記第2導電性プラグの上にキャパシタを形成する工程と、
前記キャパシタと前記絶縁性酸素バリア層とを覆う第2絶縁層を形成する工程と、
前記第1導電性プラグの上面が露出する第3ホールを前記第2絶縁層に形成する工程と、
前記第1導電性プラグと電気的に接続される第3導電性プラグを前記第3ホール内に形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記キャパシタを形成した後に、酸素含有雰囲気中で該キャパシタをアニールする工程を行うことを特徴とする請求項8に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記絶縁性酸素バリア層として酸窒化シリコン層、窒化シリコン層、又はアルミナ層のいずれかを形成することを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の半導体装置の製造方法。
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