JP2004303985A - Ferroelectric memory device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メモリセルアレイを含む強誘電体メモリ装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
強誘電体メモリ装置の製造において、強誘電体層を形成した後、層間絶縁層の形成工程やドライエッチング工程などにおいて、強誘電体層が水素雰囲気下に曝されることがある。強誘電体層は一般に金属酸化物からなる。このため、強誘電体層が水素に曝されると、強誘電体層を構成する酸素が水素により還元される。これにより、強誘電体層がダメージを受けることになる。例えば、強誘電体層がSBT(SrBi2Ta2O9)からなる場合には、SBTが水素によって還元されると、粒界部において金属Biが生じ、上部電極と下部電極とが短絡することとなる。これを防止する目的で、水素バリア膜と称される保護膜を強誘電体キャパシタ上に被覆する。水素バリア膜としては各種酸化物が検討されており、特にAl2O3の化学式で表される化合物が優れた水素バリア性能を示すため有力な候補材料として注目されている。これらの材料は一般的にスパッタリング法などによって成膜される。ところがステップカバレッジが悪い場合、上部電極の形状によっては側壁部に十分な膜厚で水素バリアが形成されない。このため、上部電極側壁部から侵入した水素によって強誘電体層が還元され、強誘電体性能が著しく劣化してしまうという問題点があった。
【0003】
また、強誘電体キャパシタの上部電極自身を配線として利用し、これをキャパシタ領域外に形成された素子駆動用トランジスタ他周辺回路と接続する場合、上部電極は強誘電体層上のみならず、キャパシタ周辺の層間絶縁膜上にも配置される。ところが、この層間絶縁膜の材質によっては上部電極との間で十分な密着力が得られず、プロセスに起因した外部応力あるいは上部電極自身の内部応力で上部電極が層間絶縁膜上から剥離してしまうという問題点があった。同様な現象は上部電極とこの上に被覆される層間絶縁膜との間でも生じてしまう。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上部電極と層間絶縁膜との密着力を確保すると同時に、上部電極側壁部から侵入した水素が強誘電体層に到達するのを防止する強誘電体キャパシタを提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明の強誘電体メモリ素子は、メモリセルがマトリクス状に配列され、下部電極と、該下部電極と交差する方向に配列された上部電極と、少なくとも前記上部電極と前記下部電極との交差領域に配置された強誘電体層と、少なくともメモリセルアレイの上に水素バリア膜を含む層間絶縁層が形成された強誘電体メモリ素子において、前記上部電極の底面あるいは上面に密着層が配置されていることを特徴とする。
上記構成によれば上部電極とこの下に堆積されている層間絶縁膜との密着力あるいは上部電極とこの上に被覆される層間絶縁膜との密着力を向上させることができるという効果を有する。
【0006】
(2)本発明の強誘電体メモリ素子は、メモリセルがマトリクス状に配置され、下部電極と、該下部電極と交差する方向に配列された上部電極と、少なくとも前記上部電極と前記下部電極との交差領域に配置された強誘電体層と、少なくともメモリセルアレイの上に水素バリア巻くを含む層間絶縁層が形成された強誘電体メモリ素子において、前記上部電極の底面と上面の両方に密着層が配置されていることを特徴とする。
上記構成によれば、上部電極とこの下に堆積されている層間絶縁膜との密着力と同時に上部電極とこの上に被覆される層間絶縁膜との密着力を向上させることができるという効果を有する。
【0007】
(3)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記強誘電体層が、前記下部電極と前記上部電極との交差領域に設けられ、前記強誘電体層と前記上部電極との間に、中間電極が設けられていることを特徴とする。
上記構成によれば、密着層として絶縁性の材料を用いることができるという効果を有する。
【0008】
(4)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記密着層が、水素バリア性能を有する材料で構成されることを特徴とする。上記構成によれば、上部電極の上部あるいは上部電極の側壁部から侵入した水素が強誘電体層へ到達するのを防ぐことができるという効果を有する。
【0009】
(5)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記上部電極の底面に設けられた前記密着層は、前記上部電極と前記下部電極との交差領域のみ形成されていないことを特徴とする。
上記構成によれば、密着層として絶縁性の材料を用いることができる効果を有する。
【0010】
(6)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記上部電極の底面に設けられた前記密着層には、前記上部電極と前記下部電極との交差領域に、該交差領域の面積より小さな開口部が設けられていることを特徴とする。
上記構成によれば、強誘電体層の直上から侵入する水素量を最小限に抑制することができるという効果を有する。
【0011】
(7)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記水素バリア性能を有する材料が酸化物であることを特徴とする。
上記構成によれば、上部電極と層間絶縁層との密着力を極めて強固にすることができるという効果を有する。
【0012】
(8)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記水素バリア性能を有する材料が導電性材料であることを特徴とする。
上記構成によれば、密着層に中間電極と前記上部電極を接続するための開口部を設ける必要がなくなり、工程が簡略化されるという効果を有する。
【0013】
(9)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記導電性材料がイリジウムの酸化膜であることを特徴とする。
上記構成によれば、上部電極上部から侵入する水素あるいは上部電極側壁部から侵入する水素をより効率的に遮蔽し、強誘電体の特性劣化を防止することができるという効果を有する。
【0014】
(10)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記酸化物がAl2O3の化学式で標記される酸化物を含有していることを特徴とする。
上記構成によれば、密着層が極めて優れた水素バリア性能を発揮するため、上部電極の上部あるいは上部電極の側壁部から侵入する水素を強誘電体層から遮断できるという効果を有する。
【0015】
(11)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記メモリセルに対して選択的な情報の書込みもしくは読み出しを行なうための周辺回路部を含み、前記周辺回路部の上には、前記水素バリア膜が形成されていないことを特徴とする。
上記構成によれば、周辺回路部の上に水素バリア膜が形成されていないことにより、周辺回路部に水素が侵入することができるため、周辺回路部を水素によって回復させることができる。つまり、メモリセルアレイの強誘電体層が水素によって還元されるのを抑えつつ、周辺回路部を水素によって回復させることができるという効果を有する。
【0016】
(12)本発明の強誘電体メモリ素子は、前記メモリセルに対して選択的な情報の書込みもしくは読み出しを行なうための周辺回路部を含み、前記周辺回路部の上には、前記密着層が形成されていないことを特徴とする。
上記構成によれば、周辺回路部の上に密着層が形成されていないことにより、周辺回路部に水素が侵入することができるため、周辺回路部を水素によって回復させることができる。つまり、メモリセルアレイの領域においては上部電極と絶縁層との密着力を確保しつつ、周辺回路部を水素によって回復させることができるという効果を有する。
【0017】
(13)本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法は、強誘電体キャパシタからなるメモリセルが、マトリクス状に配列されたメモリセルアレイを含む強誘電体メモリ素子の製造方法であって、以下の工程を含む。
(a)基板上に第1導電層を形成する工程。
(b)前記第1導電層の上に強誘電体層を形成する工程。
(c)前記強誘電体層の上に第2導電層を形成する工程。
(d)少なくとも前記強誘電体層および前記第2導電層をパターニングする工程。
(e)前記基板上に、前記第1導電層、前記強誘電体層および前記第2導電層を含む積層体を覆うように絶縁層を形成する工程。
(f)前記絶縁層の上に、密着層として水素バリア性能を有する薄膜を形成する工程。
(g)前記密着層に、所望形状の開口部を前記強誘電体層と重なる位置に形成する工程。
(h)前記開口部を介して、前記第2導電層と接続される所望パターンの第3導電層を形成する工程。
上記方法によれば、第3導電層が密着層の開口部を介して第2導電層と接続され、これ以外の領域においては、密着層を介して絶縁層上に配置されるため、第3導電層と基板との間で十分な密着力が得られ、第3導電層が剥離しなくなるという効果を有する。また、上記方法によれば第3導電層の下部領域にも水素バリアが形成されるため、第3導電層の上部あるいは側壁部から侵入した水素が前記強誘電体層に到達するのを防ぐことができるという効果を有する。
【0018】
(14)本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法は、前記(g)工程において形成する開口部を、前記強誘電体層の面積より小さく形成することを特徴とする。
上記方法によれば、開口部から侵入する水素量を最小限に抑えることができるという効果を有する。
【0019】
(15)前記本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法は、(e)工程において、絶縁層を形成した後、前記絶縁層を酸素プラズマに曝すことを特徴とする。
上記方法によれば、絶縁層に含有される水分を効率的に除去することができるため、この上に形成される水素バリア機能を有する薄膜の膜質劣化を防ぐことができるという効果を有する。
【0020】
(16)本発明の強誘電体メモリ素子の製造方法は、前記(h)工程において、第3導電層を酸素プラズマ雰囲気に曝すことを特徴とする。
上記方法によれば、第3導電層の上面に水素バリア性能を兼ねた密着層としての酸化膜を自己整合的に形成できるという効果を有する。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
(実施形態1)
1.1 デバイスの構造
図1は、強誘電体メモリ装置を模式的に示す図であり、図2は、図1のA−A線に沿って強誘電体メモリ装置の一部を模式的に示す断面図である。図3は、図1のB−B線に沿って強誘電体メモリ装置の一部を模式的に示す断面図である。図4は、図2におけるメモリセルアレイを拡大した断面模式図である。図5は、図3におけるメモリセルアレイを拡大した断面模式図である、図5は、図3におけるメモリセルアレイを拡大した断面模式図である。
【0022】
強誘電体メモリ装置1000は、メモリセルアレイ100と、周辺回路部200とを有する。そして、メモリセルアレイ100と周辺回路部200とは、異なる層に形成されている。周辺回路部200は、メモリセルアレイ100の外側の領域において形成されている。具体的には、周辺回路部の形成領域A200は、メモリセルアレイの形成領域A100の外側の領域において設けられている。この例では、下層に周辺回路部200が、上層にメモリセルアレイ100が形成されている。周辺回路部200の具体例としては、Yゲート、センスアンプ、入出力バッファ、Xアドレスデコーダ、Yアドレスデコーダまたはアドレスバッファを挙げることができる。
【0023】
メモリセルアレイ100は、行選択のための下部電極(ワード線)12と、列選択のための上部電極(ビット線)16とが直交するように配列されている。すなわち、X方向に沿って下部電極12が所定ピッチで配列され、X方向と直交するY方向に沿って下部電極が所定ピッチで配列されている。なお、下部電極12がビット線、上部電極がワード線でも良い。
【0024】
メモリセルアレイ100は、図2および図3に示すように、第1層間絶縁層10の上に設けられている。メモリセルアレイ100は、図4および図5に示すように、第1層間絶縁層10上に、下部電極12、強誘電体キャパシタを構成する強誘電体層14、中間電極18および上部電極(上電極)16が積層されて構成されている。強誘電体層14および中間電極18は、下部電極12と上部電極16との交差領域に設けられている。すなわち、下部電極12と上部電極16との交差領域において、強誘電体キャパシタ20からなるメモリセルが構成されている。
【0025】
図5に示すように、強誘電体キャパシタ20における下部電極12を少なくとも覆うように、絶縁層72が形成されている。この絶縁層72が設けられていることにより、下部電極12と中間電極18または上部電極16との短絡が防止されている。絶縁層72としては、良好なステップカバレッジを有するオゾンTEOS−SiO2膜を用いることが望ましい。この上に第1水素バリア膜42を形成する。これによって隣接する強誘電体キャパシタ間の溝が埋め込まれる。
【0026】
また、図4および図5に示すように、少なくとも上部電極16の底面には絶縁層72との密着力を稼ぐために、密着層40が形成されている。本実施例においては、この密着層としてチタンの酸化物を適用した。これは絶縁性の材料であるため、強誘電体キャパシタの上部には開口部を設けている。この開口部を通して上部電極16は中間電極18と接続されている。
【0027】
メモリセルアレイ100の全面を覆うように、第2水素バリア膜44が形成されている。第2水素バリア膜44を形成することにより、第2水素バリア膜44の形成後の工程(例えばパシベーション膜形成工程)で発生する水素によって強誘電体キャパシタ20の強誘電体層14が還元されるのを抑えることができる。ここで第1水素バリア膜42、あるいは第2水素バリア膜44の材質は、水素バリア機能を有すれば特に限定されない。ただし強誘電体キャパシタの上部電極と下部電極との間の短絡を防止するため、第1水素バリア膜42は絶縁性材料を用いる必要がある。材料としてはアルミニウムの酸化物、マグネシウムの酸化物、ジルコニウムの酸化物、チタンの酸化物、ハフニウムの酸化物等が候補である。一方、第2水素バリア膜は水素バリア性能を有する材料であれば絶縁性材料のみならず導電性材料であっても構わない。
【0028】
第1水素バリア膜42は、周辺回路部の形成領域A200には、形成されていないことができる。これにより、メモリセルアレイ100における強誘電体層16が水素により還元されるのを抑えつつ、周辺回路部200を水素により回復することができる。
【0029】
また、図2および図3に示すように、メモリセルアレイ100を覆うように、第1層間絶縁層10の上に、第1保護層36が形成されている。さらに、配線層19を覆うように第1保護層36上に絶縁性の第2保護層38が形成さえている。
【0030】
第1保護層36と、第2保護層38との間には、第2水素バリア膜44が形成されている。第2水素バリア膜44は、少なくともメモリセルアレイ領域A100に形成されることができる。第2水素バリア膜44を形成することにより、第2水素バリア膜44の形成後の工程(例えばパシベーション膜形成工程)で発生する水素によって、メモリセルアレイ100における強誘電体層14が水素により還元されることをより確実に抑えることができる。第2水素バリア膜44の材質は、水素バリア機能を有すれば特に限定されず、絶縁性であっても非絶縁性であってもよい。また、第2水素バリア膜44が絶縁性の材質からなる場合には、第2水素バリア膜44の材質は、第1水素バリア膜42の材質として例示したものをとることができる。また、第2水素バリア膜44が導電性の材質からなる場合には、第2水素バリア膜44の材質としては、チタン、酸化イリジウム、窒化チタン、アルミニウムを挙げることができる。
【0031】
また、第2水素バリア膜44は、周辺回路領域A200には形成されていないことができる。これにより、メモリセルアレイ100における強誘電体層14が水素により還元されるのを抑えつつ、周辺回路部を水素により回復することができる。
【0032】
周辺回路部200は、図1に示すように、前記メモリセルに対して選択的に情報の書込みもしくは読み出しを行なうための各種回路を含み、例えば、下部電極12を選択的に制御するための第1駆動回路50と、上部電極34を選択的に制御するための第2駆動回路52と、センスアンプなどの信号検出回路(図示せず)とを含む。
【0033】
また、周辺回路部200は、図2に示すように、半導体基板110上に形成されたMOSトランジスタ112を含む。MOSトランジスタ112は、ゲート絶縁層112a、ゲート電極112bおよびソース/ドレイン領域112cを有する。各MOSトランジスタ112は素子分離領域114によって分離されている。MOSトランジスタ112が形成された半導体基板110上には、第1層間絶縁層10が形成されている。そして、周辺回路部200とメモリセルアレイ100とは、配線層19によって電気的に接続されている。
【0034】
次に、強誘電体メモリ装置1000における書込み、読み出し動作の一例について述べる。
【0035】
まず、読み出し動作においては、選択セルのキャパシタに読み出し電圧「V0」が印加される。これは同時に’0’の書込み動作を兼ねている。このとき、選択されたビット線を流れる電流またはビット線をハイインピーダンスにしてときの電位をセンスアンプにて読み出す。このとき、非選択セルのキャパシタには、読み出し時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。
【0036】
書込み動作においては、’1’の書込みの場合は、選択セルのキャパシタに「−V0」の電圧が印加される。’0’の書込みの場合は、選択セルのキャパシタに、該選択セルの分極を反転させない電圧が印加され、読み出し動作時に書き込まれた’0’状態を保持する。このとき、非選択セルのキャパシタには、書込み時のクロストークを防ぐため、所定の電圧が印加される。
【0037】
1.2 作用効果
以下、強誘電体メモリ装置1000の作用効果を説明する。
(1)本実施の形態においては、上部電極16の底面に密着層40を配置した。この密着層は絶縁層72と上部電極16とのとの密着力を向上させる材質であれば材料を選ばない。絶縁層との相性を考慮すると、酸化物が好ましい。このことによって、上部電極16と層間絶縁膜72との間の密着力を十分に稼ぐことが可能となるため、素子の機械的強度が向上する。
【0038】
(2)本実施の形態においては、第1水素バリア膜42を少なくともメモリセルアレイ100の全面を覆うように設けられている。このため、次の作用効果を奏することができる。
【0039】
第1水素バリア膜42を設けることにより、強誘電体層14が、第1水素バリア膜42を形成した後の工程で発生する水素によって還元されるのを抑えることができる。
【0040】
また、第1水素バリア膜42を全面に形成しているため、第1水素バリア膜42を微細なパターンにパターニングする必要がない。このため、第1水素バリア膜42のパターニングが容易となる。
【0041】
(3)本実施の形態においては、第1保護層36の上に、少なくともメモリセルアレイの形成領域A100に、第2水素バリア膜44を設けている。このため、第1水素バリア膜42ええ述べた作用効果と同様の作用効果を奏することができる。
【0042】
(4)強誘電体層14は、上部電極16と下部電極12との交差領域に形成されている。このため、キャパシタから外側へ電気力線がはみ出すのを抑えることができる。その結果、強誘電体層14における電界を強めることができるため、強誘電体層14を一定の分極値にするのに必要な電圧を抑えることができる。したがって、ヒステリシスループを方形に近づけることができる。その結果、強誘電体メモリ装置1000によれば、強誘電体キャパシタ20の特性を向上させることができる。
【0043】
1.3 プロセス
次に、上述した強誘電体メモリ装置の製造方法の一例について述べる。図6から図14は、強誘電体メモリ装置1000の製造工程を模式的に示す断面図である。なお、図7から図17は、メモリセルアレイ領域のみに着目して示した断面図である。
【0044】
図6に示すように、公知のLSIプロセスを用いて、周辺回路200を形成する。具体的には、半導体基板110上にMOSトランジスタ112を形成する。例えば、半導体基板110上にMOSトランジスタ112を形成する。例えば、半導体基板110上の所定領域にトレンチ分離法、LOCOS法などを用いて素子分離領域114を形成し、ついでゲート絶縁層112aおよびゲート電極112bを形成し、その後、半導体基板110に不純物をドープすることでソース/ドレイン領域112cを形成する。このようにして駆動回路50、52および信号検出回路54などの各種回路を含む周辺回路部200が形成される。ついで、公知の方法により、第1層間絶縁層10を形成する。
次に、第1層間絶縁層10の上に、メモリセルアレイ100を形成する。以下、図7から図14を参照しながら、メモリセルアレイ100の形成方法を説明する。
【0045】
まず、図7に示すように、第1層間絶縁層10の上に、下部電極12のための第1導電層12aを形成する。第1導電層12aの材質としては、強誘電体キャパシタの電極となり得るものえあれば特に限定されない。第1導電層12aの材質としては、たとえばIr、IrOx、Pt、RuOx、SrRuOx、LaSrCoOx等を挙げることができる。また、第1導電層12aは、単層または複数の層を積層したものを用いることができる。第1導電層12aの形成方法としては、スパッタリング、真空蒸着、CVD等の方法が利用できる。
【0046】
次に、第1導電層12aの上に、強誘電体層14aを形成する。強誘電体層14aの材質としては、強誘電性を示してキャパシタ絶縁層として使用できれば、その組成は任意のものを適用することができる。このような強誘電体としては、たとえばPZT(PbZrzTi1−zO3)、SBT(SrBi2Ta2O9)を挙げることができ、さらに、これらの材料にニオブやニッケル、マグネシウム等の元素を添加したものが適用できる。強誘電体層14aの形成方法としては、例えば、ゾルゲル材料やMOD材料を用いたスピンコート法やディッピング法、スパッタ法、MOCVD法、レーザーアブレーション法を挙げることができる。
【0047】
次に、強誘電体層14aの上に、中間電極18のための第2導電層18aを形成する。第2導電層18aの材質および形成方法は、第1導電層12aと同様のものを適用することができる。
【0048】
次に、全面に、マスク層60を形成し、リソグラフィーおよびエッチングによりマスク層をパターンニングする。すなわち、下部電極12を形成しようとする領域上にマスク層60を形成する。マスク層60の材質は第2導電層18a、強誘電体層14aおよび第1導電層12aのエッチングの際に、マスクとして機能し得る材質であれば特に限定されず、たとえば、窒化シリコン、酸化シリコン、窒化チタンを挙げることができる。マスク層60は、例えばCVD法により形成されることができる。
【0049】
次に、図8に示すように、マスク層60をマスクとして、第2導電層18a、強誘電体層14aおよび第1導電層12aをエッチングし、第2導電層18a、強誘電体層14aおよび第1導電層12aをパターニングする。第1導電層12aをパターニングすることにより、所定のパターンを有する下部電極12が形成される。エッチングの方法としては、RIE、スパッタエッチング、プラズマエッチングなどの方法を挙げることができる。
【0050】
次に、図9に示すように、全面に絶縁層72を形成する。絶縁層72の材質は、後の第1絶縁層のエッチバック工程で、マスク層60と同一のエッチングレートにすることができるものであれば特に限定されない。キャパシタ間の埋め込みを目的としてカバレッジ性能を優先するなら、オゾンTEOS−SiO2膜を用いるのが好ましい。絶縁層72の形成方法としては、たとえばCVD法を挙げることができる。絶縁層72の材質および形成方法が、マスク層60の材質および形成方法と同じであると、絶縁層72とマスク層60とのエッチングレートを同じにし易い。絶縁層72は、下部電極12と強誘電体層14aと第2導電層18aとマスク層60の積層体(以下「積層体」という)を覆い、その積層体の相互間を充填するように形成される。
【0051】
次に、図10に示すように、絶縁層72の上に、レジスト層R1を形成する。レジスト層R1は、その上面が平坦となるように形成される。レジスト層R1は、回転塗布法により形成されることができる。レジスト層R1の厚さは、絶縁層72に形成されている凹部の深さの2倍程度(たとえば、0.8μm)であることができる。なお、塗布法を利用して上面が平坦な絶縁層を形成した場合には、レジスト層R1を形成しなくてもよい。具体的には、絶縁層72がSOG(Spin On Glass)層によりなる場合には、レジスト層R1を形成しなくてもよい。
【0052】
次に、図11に示すように、絶縁層72およびレジスト層R1をエッチバックする。このエッチバックと同時に、マスク層60を除去し、第2導電層18aの上面に露出させる。エッチング方法は、たとえばRIEなどのドライエッチングにより行なうことができる。また、レジスト層R1と絶縁層72とのエッチングレートが同じ条件で行われることができる。たとえば、エッチングのエッチャントとしては、CHF3とO2との混合ガスを適用することができ、レジスト層R1と絶縁層72との選択比は、CHF3とO2との混合比により制御することができる。このエッチバックの際、絶縁層72が、少なくとも下部電極12の側壁を覆うようにする。
【0053】
次に、図12に示すように、全面に密着層40aを堆積する。この密着層40aとして、本実施例においてはチタンの酸化物を使用した。次にこの密着層の所望位置に所望形状の開口部H1を設ける。この開口部は強誘電体層14aと重なる位置に設けられ、第2導電層18aとのコンタクトエリアとなる。
【0054】
次に、図13に示すように、密着層40a上に第3導電層16aをせいまくする。これによって第3導電層は前述の開口部H1を介して第2導電層18aと接続される。この第3導電層16a上に所定のパターンをゆうするレジストR2を形成する。レジスト層R2は、上部電極16を形成しようとする領域上に形成される。
【0055】
次に、レジスト層R2をマスクとして、第3導電層16a、密着層40a、第2導電層18a、強誘電体層14a、絶縁層72をエッチングする。こうして、図14から図15に示すように、第3導電層16aがパターニングされることにより上部電極16が形成される。また、第2導電層18aおよび強誘電体添う14aがパターニングされることにより、上部電極16と下部電極12との交差領域に、中間電極18および強誘電体層14が形成される。なお、上部電極16と下部電極12との交差領域以外の、上部電極16の下には、密着層40と絶縁層72が残ることとなる。こうして、メモリセルアレイ100が形成される。
【0056】
次に、図1および図16に示すように、第1水素バリア膜42を形成する。ここで第1水素バリア42の材質は、水素バリア機能を有すれば特に限定されない。ただし、強誘電体キャパシタの上部電極と下部電極との間の短絡を防止するために、第1水素バリア膜42は絶縁性材料を用いる必要がある。材料としては、アルミニウムの酸化物、マグネシウムの酸化物、ジルコニウムの酸化物、チタンの酸化物、ハフニウムの酸化物等が候補である。成膜方法としては、スパッタ法、MOCVD法、レーザーアブレーション法等を用いることができる。この第1水素バリア膜42は、少なくともメモリセルアレイ100の全面を覆うようにパターニングされる。
【0057】
次に、第1水素バリア膜42の上に、公知の方法により、第1保護層36を形成する。次に、必要に応じて第1保護層36を平坦化する。
【0058】
次に、第1保護層36の上に、第2水素バリア膜44を形成する。第2水素バリア膜44の形成方法としては、第1水素バリア膜42で示した方法を挙げることができる。この第2水素バリア膜44は、少なくともメモリセルアレイ100の全面を覆うようにパターニングされる。次に、第1保護層36および第2水素バリア膜44の上に、第2保護層38を形成する。
【0059】
1.4 プロセスの作用効果
絶縁層72の上に直接第3導電層16aを形成した場合、第3導電層16aと絶縁層72との間の密着力が弱く、第3導電層のパターニング工程以後のプロセス中に第3導電層と絶縁層との間で剥離が生じてしまうことが問題であった。特に本発明の強誘電体メモリ素子のように、強誘電体キャパシタの上部電極を周辺の駆動回路部との接続するための配線として兼用する場合、この第3導電層(上電極)は層間絶縁層上に配置される領域が大きくなる。この部分で剥離等が生じると、断線が生じてしまう。
【0060】
本実施例で示した上述のプロセスのように、第3導電層(上電極)の底面に密着層を配置することによって、下地である絶縁層との密着力は格段に向上する。第3導電層自身の内部応力や、この上に被覆される水素バリア膜やその他絶縁膜に起因した外部応力に耐えられる密着力が得られれば、プロセス中における上電極の剥離、断線を防止することができる。
【0061】
(実施形態2)
実施形態1に記載した密着層40として、水素バリア性能を有する酸化物材料を利用した。本実施例においては、きわめて優れた水素バリア性能を有するアルミニウムの酸化物を適用した。材料を変更した以外は、素子の構造、プロセスともに実施形態1と同様である。図5に示すように、密着層としての水素バリア機能を有する材料を用いると、上電極16と絶縁層72との間の密着力を向上させることができると同時に、上電極16の上面あるいは側壁部から侵入する水素が強誘電体層14に到達するのを防止できる。この上部電極領域から水素が侵入するのを防止することは、強誘電体層14の膜質を維持する上で極めて重要である。しばしば上電極の材料として白金を利用するが、この白金はきわめて触媒作用が大きい。このため、上電極に侵入した水素は、ここで活性化された状態となる。この活性化された水素はより還元作用が強力であり、強誘電体層まで到達すると、強誘電性結晶の結晶性を著しく損なってしまう。このことが強誘電体キャパシタ特性に与える影響を調べるため、対照的な試料を作成して特性評価を行なった。結果を図17と図18に示す。
【0062】
図17は密着層40としてチタンの酸化物を適用し、第2保護層38形成後にメモリセルで測定された強誘電体特性である。ヒステリシスループの著しい劣化がみられ、残留分極量は大幅に減少してしまった。一方、図18は密着層40としてアルミニウムの酸化物を適用した場合の結果である。図17と比較して明らかなように、ヒステリシスループは初期の形状を保ち、大きな残留分極量が得られている。
【0063】
以上のことから、上電極16と絶縁層72との密着層として、水素バリア性能を有する材料を用い、密着力の確保と同時に水素バリアの機能も兼ね備えさせることによって、強誘電体キャパシタの水素耐性が劇的に向上することが明らかになった。
【0064】
(実施形態3)
実施形態2においては、水素バリア性能を有する密着層40(アルミニウムの酸化物)を上部電極16の底面のみに配置した。本実施形態においてはこれを上部電極16の上面にも配置した。このことによって、第1保護層36あるいは第2保護層38の形成時に発生する水素対策として、上部電極上部の水素バリア機能をより重点的に強化することが可能となる。また、第1水素バリア膜42と上部電極16との間の密着力を向上させることができるため、素子の機械的な強度を稼ぐことが可能となる。
【0065】
また、上部電極としてアルミニウムあるいはイリジウムを用いた場合は、上部電極を酸素プラズマに曝すことで、上部電極の上面にアルミニウムあるいはイリジウムの酸化膜を形成することができる。この酸化膜を水素バリアを兼ねた前述の密着層として利用できる。上部電極のパターニング後にプラズマ雰囲気に曝すことによって、自己整合的に上部電極の上面あるいは側面に酸化膜が形成できるため、パターニング工程が簡略化できるという工程面における効率化をも図ることができる。
【0066】
(実施形態4)
実施形態2においては、水素バリア性能を有する密着層40として、絶縁性の材料を適用した。本実施の形態においては、密着層40として導電性材料であるイリジウムの酸化膜を適用した。このように導電性材料を密着層として利用すると、実施形態1で述べた図12における開口部H1を形成する必要がなくなる。密着層40を形成後、連続して第3導電層16aを成膜することができるため、工程を簡略化できる。
【0067】
また、本実施の形態のように密着層としてイリジウムの酸化膜を利用することは、実施形態2で述べたのと同様に、プロセス起因の水素対策として極めて有効である。密着層40としてイリジウムの酸化膜を適用し、第2保護層38形成後にメモリセルで測定された強誘電特性を図19に示す。
【0068】
実施形態3において密着層としてアルミニウムの酸化膜を適用した場合と同等のヒステリシス特性が得られていることがわかる。イリジウム酸化膜が極めて優れた水素バリア性能を発揮することによって、上部電極16の上部や側壁部から侵入した水素が強誘電体層に到達するのを防止することが可能となった。
【0069】
(実施形態5)
実施形態1と同様な構成で強誘電体メモリ素子を作製した。本実施形態においては、図11に示されるように絶縁層72をオゾンTEOS−SiO2膜を酸素プラズマ雰囲気中に適当な時間曝露した。これ以後、密着層40の形成以降の工程は実施形態1と同様である。第2保護層38を形成後、メモリセルで得られた強誘電特性を図20に示す。
【0070】
実施形態2で測定された図17の結果と比較すると、格段に優れた強誘電特性が得られていることが分かる。実施形態2と本実施形態では最終的に得られた強誘電体メモリ素子の構造は同一であるため、プロセスの違いが特性差となって現れたものと考えられる。
【0071】
本実施形態の方法は、絶縁層72の形成後、酸素プラズマに曝す工程が追加されている。このプラズマに曝す工程はオゾンTEOS−SiO2膜中の水分除去に極めて有効である。後工程において熱過程があっても、この時点では水分蒸発が生じない。強誘電体層14への水分の浸透が抑止されたため、キャパシタ特性の劣化が抑制された。同様な現象は絶縁層72の上に形成される材料についても共通である。ここでは密着層40として適用したチタンの酸化物において、水分に起因した結晶性の劣化が抑止されたと考えられる。このことによって、チタンの酸化物は密着層としての役割以外に、水素バリアとしての機能を実現する。この結果、保護層を形成する際に発生した水素が上部電極へ侵入した場合も、これが強誘電体層へ到達することが防止される。このため、強誘電体層は初期の結晶性が維持され、極めて優れたキャパシタ特性が約束される。
【0072】
(実施形態6)
実施形態1で示したデバイス構造の中で、変形例として密着層は以下のような構造とすることができる。
【0073】
まず、密着層として実施形態4で示したイリジウムの酸化膜のような導電性材料を用いる場合も図12に示すような、密着層に設けられた開口部を介して上部電極が中間電極と接触する形態とすることができる。上部電極と中間電極間で直接コンタクトが確保されるため、その分、配線抵抗を減らすことが可能となる。また、中間電極の材質によっては、これとイリジウム酸化膜との密着力を確保できないという問題を生じるが、これを回避することができる。このとき、開口部の形状あるいは面積は任意に変えることができる。例えば図21に示すように上部電極と下部電極が交差する領域全面を開口しても構わない。これによって、上部電極の成膜手法、材料に依存せず、上部電極材料の開口部への確実な埋め込みが可能となる。
【0074】
一方、密着層として絶縁性の材料(例えば前述のアルミニウムの酸化膜)を用いる場合、この開口部の面積は小さい方が良い。上部電極と中間電極は直接接触する必要があるため、この領域では密着層の水素バリア性能を期待できない。したがって、水素の侵入を抑えるためには、この開口部の面積を小さくする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態1に係る強誘電体メモリ装置を模式的に示す平面図である。
【図2】図1のA−A線に沿って強誘電体メモリ装置の一部を模式的に示す断面図である。
【図3】図1のB−B線に沿って強誘電体メモリ装置の一部を模式的に示す断面図である。
【図4】図2におけるメモリセルアレイを拡大した断面模式図である。
【図5】図3におけるメモリセルアレイを拡大した断面模式図である。
【図6】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図7】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図8】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図9】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図10】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図11】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図12】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図13】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図14】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図15】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図16】強誘電体メモリ装置の製造工程を模式的に示す図である。
【図17】実施形態2に係る、密着層としてチタン酸化物を適用した場合に得られた、第2保護層形成後の強誘電体メモリ素子の特性を示す図である。
【図18】実施形態2に係る、密着層としてアルミニウムの酸化物を適用した場合に得られた、第2保護層形成後の強誘電体メモリ素子の特性を示す図である。
【図19】実施形態4に係る、密着層としてイリジウムの酸化物を適用した場合に得られた、第2保護層形成後の強誘電体メモリ素子の特性を示す図である。
【図20】実施形態5に係る、絶縁層を酸素プラズマに曝した場合に得られた、第2保護層形成後の強誘電体メモリ素子の特性を示す図である。
【図21】図12の変形例を示す図である。
【符号の説明】
10 第1層間絶縁層
12 下部電極
14 強誘電体層
16 上部電極
18 中間電極層
19 配線層
36 第1保護層(プラズマTEOS−SiO2膜)
38 第2保護層(プラズマSi3N4膜)
40 密着層
42 第1水素バリア膜
44 第2水素バリア膜
50 第1駆動回路
52 第2駆動回路
60 マスク層
72 絶縁層
100 メモリセルアレイ
110 半導体基板
112 MOSトランジスタ
112a ゲート絶縁層
112b ゲート電極
112c ソース/ドレイン領域
114 素子分離領域
200 周辺回路部
1000 強誘電体メモリ装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ferroelectric memory device including a memory cell array and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In manufacturing a ferroelectric memory device, after a ferroelectric layer is formed, the ferroelectric layer may be exposed to a hydrogen atmosphere in a step of forming an interlayer insulating layer, a dry etching step, or the like. The ferroelectric layer generally comprises a metal oxide. Therefore, when the ferroelectric layer is exposed to hydrogen, oxygen constituting the ferroelectric layer is reduced by hydrogen. As a result, the ferroelectric layer is damaged. For example, if the ferroelectric layer is made of SBT (SrBi 2 Ta 2 O 9 ), When the SBT is reduced by hydrogen, metal Bi is generated at the grain boundary, and the upper electrode and the lower electrode are short-circuited. In order to prevent this, a protective film called a hydrogen barrier film is coated on the ferroelectric capacitor. Various oxides have been studied as hydrogen barrier films. 2 O 3 Is attracting attention as a promising candidate material because it exhibits excellent hydrogen barrier performance. These materials are generally formed by a sputtering method or the like. However, when the step coverage is poor, the hydrogen barrier is not formed with a sufficient film thickness on the side wall depending on the shape of the upper electrode. For this reason, there has been a problem that the ferroelectric layer is reduced by hydrogen penetrating from the side wall of the upper electrode, and the ferroelectric performance is significantly deteriorated.
[0003]
When the upper electrode of the ferroelectric capacitor is used as a wiring and connected to an element driving transistor and other peripheral circuits formed outside the capacitor region, the upper electrode is formed not only on the ferroelectric layer but also on the capacitor. It is also arranged on the peripheral interlayer insulating film. However, depending on the material of the interlayer insulating film, sufficient adhesion between the upper electrode and the upper electrode cannot be obtained, and the upper electrode peels off from the interlayer insulating film due to an external stress caused by a process or an internal stress of the upper electrode itself. There was a problem that it would. A similar phenomenon occurs between the upper electrode and the interlayer insulating film coated thereon.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a ferroelectric capacitor that secures adhesion between an upper electrode and an interlayer insulating film and, at the same time, prevents hydrogen penetrating from a side wall of the upper electrode from reaching a ferroelectric layer. I have.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
(1) In the ferroelectric memory element of the present invention, memory cells are arranged in a matrix, and a lower electrode, an upper electrode arranged in a direction intersecting the lower electrode, at least the upper electrode and the lower electrode, In a ferroelectric memory element in which a ferroelectric layer disposed in an intersection region of and a ferroelectric memory element in which an interlayer insulating layer including a hydrogen barrier film is formed on at least a memory cell array, an adhesion layer is disposed on a bottom surface or an upper surface of the upper electrode. It is characterized by having been done.
According to the above configuration, there is an effect that the adhesion between the upper electrode and the interlayer insulating film deposited thereunder or the adhesion between the upper electrode and the interlayer insulating film coated thereon can be improved.
[0006]
(2) In the ferroelectric memory element of the present invention, the memory cells are arranged in a matrix, and a lower electrode, an upper electrode arranged in a direction intersecting the lower electrode, at least the upper electrode and the lower electrode, And a ferroelectric memory element in which an interlayer insulating layer including a hydrogen barrier layer is formed on at least the memory cell array, and an adhesion layer on both the bottom and top surfaces of the upper electrode. Are arranged.
According to the above configuration, it is possible to improve the adhesion between the upper electrode and the interlayer insulating film deposited thereunder simultaneously with the adhesion between the upper electrode and the interlayer insulating film deposited thereunder. Have.
[0007]
(3) In the ferroelectric memory device according to the present invention, the ferroelectric layer is provided in an intersection region between the lower electrode and the upper electrode, and an intermediate portion is provided between the ferroelectric layer and the upper electrode. An electrode is provided.
According to the above configuration, there is an effect that an insulating material can be used as the adhesion layer.
[0008]
(4) The ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the adhesion layer is made of a material having a hydrogen barrier property. According to the above configuration, there is an effect that it is possible to prevent hydrogen invading from above the upper electrode or from the side wall of the upper electrode from reaching the ferroelectric layer.
[0009]
(5) The ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the adhesion layer provided on the bottom surface of the upper electrode is not formed only in an intersection region between the upper electrode and the lower electrode.
According to the above configuration, there is an effect that an insulating material can be used as the adhesion layer.
[0010]
(6) In the ferroelectric memory element according to the present invention, in the adhesion layer provided on the bottom surface of the upper electrode, an opening smaller than the area of the intersection region in the intersection region between the upper electrode and the lower electrode is provided. Is provided.
According to the above configuration, there is an effect that the amount of hydrogen that enters from directly above the ferroelectric layer can be minimized.
[0011]
(7) The ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the material having the hydrogen barrier performance is an oxide.
According to the above configuration, there is an effect that the adhesion between the upper electrode and the interlayer insulating layer can be made extremely strong.
[0012]
(8) The ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the material having the hydrogen barrier performance is a conductive material.
According to the above configuration, it is not necessary to provide an opening for connecting the intermediate electrode and the upper electrode in the adhesion layer, and the process is simplified.
[0013]
(9) The ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the conductive material is an iridium oxide film.
According to the above configuration, there is an effect that the hydrogen invading from the upper portion of the upper electrode or the hydrogen invading from the side wall portion of the upper electrode can be more efficiently shielded and the characteristic deterioration of the ferroelectric can be prevented.
[0014]
(10) In the ferroelectric memory element of the present invention, the oxide is Al 2 O 3 Characterized by containing an oxide represented by the following chemical formula:
According to the above configuration, since the adhesion layer exerts extremely excellent hydrogen barrier performance, there is an effect that hydrogen entering from above the upper electrode or the side wall of the upper electrode can be cut off from the ferroelectric layer.
[0015]
(11) A ferroelectric memory element according to the present invention includes a peripheral circuit section for selectively writing or reading information to or from the memory cell, and the hydrogen barrier film is provided on the peripheral circuit section. Is not formed.
According to the above configuration, since the hydrogen barrier film is not formed on the peripheral circuit portion, hydrogen can enter the peripheral circuit portion, so that the peripheral circuit portion can be recovered by hydrogen. That is, there is an effect that the peripheral circuit portion can be recovered by hydrogen while suppressing the reduction of the ferroelectric layer of the memory cell array by hydrogen.
[0016]
(12) A ferroelectric memory element according to the present invention includes a peripheral circuit portion for selectively writing or reading information to or from the memory cell, and the adhesion layer is formed on the peripheral circuit portion. It is not formed.
According to the above configuration, since the adhesion layer is not formed on the peripheral circuit portion, hydrogen can enter the peripheral circuit portion, so that the peripheral circuit portion can be recovered by hydrogen. In other words, in the area of the memory cell array, there is an effect that the peripheral circuit portion can be recovered by hydrogen while securing the adhesion between the upper electrode and the insulating layer.
[0017]
(13) A method of manufacturing a ferroelectric memory element according to the present invention is a method of manufacturing a ferroelectric memory element including a memory cell array in which memory cells each formed of a ferroelectric capacitor are arranged in a matrix. Process.
(A) forming a first conductive layer on a substrate;
(B) forming a ferroelectric layer on the first conductive layer;
(C) forming a second conductive layer on the ferroelectric layer.
(D) a step of patterning at least the ferroelectric layer and the second conductive layer.
(E) forming an insulating layer on the substrate so as to cover a stacked body including the first conductive layer, the ferroelectric layer, and the second conductive layer.
(F) forming a thin film having hydrogen barrier performance as an adhesion layer on the insulating layer;
(G) forming an opening having a desired shape in the adhesion layer at a position overlapping with the ferroelectric layer;
(H) forming a third conductive layer of a desired pattern connected to the second conductive layer through the opening;
According to the above method, the third conductive layer is connected to the second conductive layer through the opening of the adhesion layer, and in the other area, the third conductive layer is disposed on the insulating layer through the adhesion layer. A sufficient adhesive force is obtained between the conductive layer and the substrate, which has an effect that the third conductive layer does not peel off. According to the above method, a hydrogen barrier is also formed in the lower region of the third conductive layer. Therefore, it is possible to prevent hydrogen invading from the upper portion or the side wall of the third conductive layer from reaching the ferroelectric layer. It has the effect of being able to.
[0018]
(14) The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that the opening formed in the step (g) is formed smaller than the area of the ferroelectric layer.
According to the above method, there is an effect that the amount of hydrogen entering from the opening can be minimized.
[0019]
(15) The method of manufacturing a ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that in the step (e), after forming an insulating layer, the insulating layer is exposed to oxygen plasma.
According to the above method, since moisture contained in the insulating layer can be efficiently removed, there is an effect that deterioration of the film quality of the thin film having a hydrogen barrier function formed thereon can be prevented.
[0020]
(16) A method of manufacturing a ferroelectric memory element according to the present invention is characterized in that in the step (h), the third conductive layer is exposed to an oxygen plasma atmosphere.
According to the above method, there is an effect that an oxide film as an adhesion layer also having a hydrogen barrier performance can be formed on the upper surface of the third conductive layer in a self-aligned manner.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
1.1 Device structure
FIG. 1 is a diagram schematically showing a ferroelectric memory device, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a part of the ferroelectric memory device along line AA in FIG. FIG. 3 is a sectional view schematically showing a part of the ferroelectric memory device along the line BB in FIG. FIG. 4 is an enlarged schematic cross-sectional view of the memory cell array in FIG. FIG. 5 is an enlarged schematic cross-sectional view of the memory cell array in FIG. 3, and FIG. 5 is an enlarged schematic cross-sectional view of the memory cell array in FIG.
[0022]
The
[0023]
In the
[0024]
The
[0025]
As shown in FIG. 5, an insulating
[0026]
As shown in FIGS. 4 and 5, an
[0027]
A second
[0028]
The first
[0029]
As shown in FIGS. 2 and 3, a first
[0030]
A second
[0031]
Further, the second
[0032]
As shown in FIG. 1, the
[0033]
Further, the
[0034]
Next, an example of writing and reading operations in the
[0035]
First, in the read operation, the read voltage “V” is applied to the capacitor of the selected cell. 0 Is applied. This also serves as a write operation of “0” at the same time. At this time, the current flowing through the selected bit line or the potential when the bit line is set to high impedance is read by the sense amplifier. At this time, a predetermined voltage is applied to the capacitors of the non-selected cells in order to prevent crosstalk during reading.
[0036]
In the write operation, when writing “1”, “−V” is applied to the capacitor of the selected cell. 0 Is applied. In the case of writing “0”, a voltage that does not reverse the polarization of the selected cell is applied to the capacitor of the selected cell, and the “0” state written during the read operation is maintained. At this time, a predetermined voltage is applied to the capacitors of the non-selected cells in order to prevent crosstalk during writing.
[0037]
1.2 Effects
Hereinafter, the function and effect of the
(1) In the present embodiment, the
[0038]
(2) In the present embodiment, the first
[0039]
By providing the first
[0040]
Further, since the first
[0041]
(3) In the present embodiment, the second
[0042]
(4) The
[0043]
1.3 Process
Next, an example of a method for manufacturing the above-described ferroelectric memory device will be described. 6 to 14 are cross-sectional views schematically showing manufacturing steps of the
[0044]
As shown in FIG. 6, a
Next, the
[0045]
First, as shown in FIG. 7, a first
[0046]
Next, a
[0047]
Next, a second
[0048]
Next, a
[0049]
Next, as shown in FIG. 8, using the
[0050]
Next, as shown in FIG. 9, an insulating
[0051]
Next, as shown in FIG. 10, a resist layer R1 is formed on the insulating
[0052]
Next, as shown in FIG. 11, the insulating
[0053]
Next, as shown in FIG. 12, an
[0054]
Next, as shown in FIG. 13, the third
[0055]
Next, the third
[0056]
Next, as shown in FIGS. 1 and 16, a first
[0057]
Next, the first
[0058]
Next, a second
[0059]
1.4 Process effects
When the third
[0060]
By arranging the adhesion layer on the bottom surface of the third conductive layer (upper electrode) as in the above-described process shown in this embodiment, the adhesion to the underlying insulating layer is significantly improved. If the internal stress of the third conductive layer itself and an adhesive force that can withstand the external stress caused by the hydrogen barrier film or other insulating film coated thereon can be obtained, peeling and disconnection of the upper electrode during the process can be prevented. be able to.
[0061]
(Embodiment 2)
As the
[0062]
FIG. 17 shows the ferroelectric characteristics measured in the memory cell after the second
[0063]
In view of the above, a material having a hydrogen barrier property is used for the adhesion layer between the
[0064]
(Embodiment 3)
In the second embodiment, the adhesion layer 40 (aluminum oxide) having a hydrogen barrier property is disposed only on the bottom surface of the
[0065]
When aluminum or iridium is used as the upper electrode, an aluminum or iridium oxide film can be formed on the upper surface of the upper electrode by exposing the upper electrode to oxygen plasma. This oxide film can be used as the above-mentioned adhesion layer also serving as a hydrogen barrier. By exposing the upper electrode to a plasma atmosphere after patterning, an oxide film can be formed on the upper surface or the side surface of the upper electrode in a self-aligned manner, so that the patterning process can be simplified and the process can be made more efficient.
[0066]
(Embodiment 4)
In the second embodiment, an insulating material is used as the
[0067]
The use of an iridium oxide film as the adhesion layer as in this embodiment is extremely effective as a countermeasure against process-induced hydrogen, as described in the second embodiment. FIG. 19 shows ferroelectric characteristics measured in a memory cell after forming the second
[0068]
It can be seen that the same hysteresis characteristics as in the case of applying the aluminum oxide film as the adhesion layer in the third embodiment are obtained. Since the iridium oxide film exhibits extremely excellent hydrogen barrier performance, it has become possible to prevent hydrogen that has entered from above or on the side wall of the
[0069]
(Embodiment 5)
A ferroelectric memory element was manufactured in the same configuration as in the first embodiment. In this embodiment, as shown in FIG. 11, the insulating
[0070]
Compared with the result of FIG. 17 measured in the second embodiment, it can be seen that significantly superior ferroelectric characteristics are obtained. Since the structure of the finally obtained ferroelectric memory element is the same between the second embodiment and the present embodiment, it is considered that the difference in the process appeared as a characteristic difference.
[0071]
In the method of the present embodiment, a step of exposing to oxygen plasma after the formation of the insulating
[0072]
(Embodiment 6)
In the device structure shown in the first embodiment, as a modified example, the adhesion layer can have the following structure.
[0073]
First, even when a conductive material such as the iridium oxide film described in
[0074]
On the other hand, when an insulating material (for example, the above-described aluminum oxide film) is used as the adhesion layer, the area of the opening is preferably smaller. Since the upper electrode and the intermediate electrode need to be in direct contact, the hydrogen barrier performance of the adhesion layer cannot be expected in this region. Therefore, in order to suppress the intrusion of hydrogen, it is necessary to reduce the area of the opening.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing a ferroelectric memory device according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a part of the ferroelectric memory device along the line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a part of the ferroelectric memory device along the line BB in FIG. 1;
FIG. 4 is an enlarged schematic cross-sectional view of the memory cell array in FIG. 2;
FIG. 5 is an enlarged schematic cross-sectional view of the memory cell array in FIG. 3;
FIG. 6 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 7 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 8 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 9 is a view schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 10 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 11 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 12 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 13 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 14 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 15 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 16 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the ferroelectric memory device.
FIG. 17 is a diagram showing characteristics of a ferroelectric memory element after a second protective layer is formed, obtained when titanium oxide is applied as an adhesion layer according to the second embodiment.
FIG. 18 is a diagram illustrating characteristics of a ferroelectric memory element after a second protective layer is formed, which is obtained when an oxide of aluminum is used as an adhesion layer according to the second embodiment.
FIG. 19 is a diagram showing characteristics of a ferroelectric memory element after a second protective layer is formed, which is obtained when an iridium oxide is used as an adhesion layer according to a fourth embodiment.
FIG. 20 is a diagram illustrating characteristics of a ferroelectric memory element after a second protective layer is formed, which is obtained when the insulating layer is exposed to oxygen plasma according to the fifth embodiment.
FIG. 21 is a diagram showing a modification of FIG. 12;
[Explanation of symbols]
10 First interlayer insulating layer
12 lower electrode
14 Ferroelectric layer
16 Upper electrode
18 Intermediate electrode layer
19 Wiring layer
36 First protective layer (plasma TEOS-SiO 2 film)
38 Second protective layer (plasma Si 3 N 4 film)
40 Adhesion layer
42 First hydrogen barrier film
44 Second hydrogen barrier film
50 First drive circuit
52 Second drive circuit
60 Mask layer
72 Insulation layer
100 memory cell array
110 semiconductor substrate
112 MOS transistor
112a Gate insulating layer
112b Gate electrode
112c source / drain region
114 Element isolation region
200 Peripheral circuit
1000 Ferroelectric memory device
Claims (16)
(a)基板上に第1導電層を形成する工程。
(b)前記第1導電層の上に強誘電体層を形成する工程。
(c)前記強誘電体層の上に第2導電層を形成する工程。
(d)少なくとも前記強誘電体層および前記第2導電層をパターニングする工程。
(e)前記基板上に、前記第1導電層、前記強誘電体層および前記第2導電層を含む積層体を覆うように絶縁層を形成する工程。
(f)前記絶縁層の上に、密着層として水素バリア性能を有する薄膜を形成する工程。
(g)前記密着層に、所望形状の開口部を前記強誘電体層と重なる位置に形成する工程。
(h)前記開口部を介して、前記第2導電層と接続される所望パターンの第3導電層を形成する工程。A method for manufacturing a ferroelectric memory element including a memory cell array in which memory cells formed of ferroelectric capacitors are arranged in a matrix, comprising the following steps.
(A) forming a first conductive layer on a substrate;
(B) forming a ferroelectric layer on the first conductive layer;
(C) forming a second conductive layer on the ferroelectric layer.
(D) a step of patterning at least the ferroelectric layer and the second conductive layer.
(E) forming an insulating layer on the substrate so as to cover a stacked body including the first conductive layer, the ferroelectric layer, and the second conductive layer.
(F) forming a thin film having hydrogen barrier performance as an adhesion layer on the insulating layer;
(G) forming an opening having a desired shape in the adhesion layer at a position overlapping with the ferroelectric layer;
(H) forming a third conductive layer of a desired pattern connected to the second conductive layer through the opening;
Priority Applications (1)
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