JP2004526320A - 強誘電性記憶セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、積層方式(Stack-Prinzip)による強誘電性記憶セルの製造方法に関するものである。積層方式では、記憶コンデンサ(Speicherkondensators)の下部コンデンサ電極(unteren Kondensatorelektrode)と、この記憶コンデンサの下に形成した導電性プラグとの間に、付着層を形成する。この導電性プラグは、コンデンサ電極を、半導体ウェハ中または半導体ウェハ上に形成した選択トランジスタのトランジスタ電極に、電気的に接続するために用いられる。そして、この付着層の上に酸素拡散障壁を形成する。そして、強誘電体を堆積した後、酸素雰囲気中でRTP工程を行う。この積層セル方式(Stack-Zellen-Prinzip)に従って構成した強誘電性記憶セルの場合、半導体ウェハ中または半導体ウェハ上にトランジスタを作り上げることが典型的である。次に、中間酸化物を堆積する。そして、この中間酸化物上には、強誘電性コンデンサ構造体(ferroelektrischen Kondensatormodule)を製造する。強誘電性コンデンサ構造体は、プラグによってトランジスタに接続される。このプラグは、積層セル方式の場合には、コンデンサ構造体のすぐ下に位置する。
【0002】
強誘電性コンデンサ構造体の強誘電性層を調整するために、800℃までの温度の酸素雰囲気中で熱処理(Ferro Anneal)を行う必要がある。また、この熱処理中、主にポリシリコンまたはタングステンからなるプラグを、酸化から保護する必要がある。なぜなら、そうしなければ、下部コンデンサ電極とトランジスタとの間の電気的接続が不可逆的に遮断されてしまうからである。さらに、下部コンデンサ電極と、強誘電体と、プラグとの間の反応がチップの機能性を妨げてしまうところでは、この反応を回避する必要がある。
【0003】
近年、商業的に利用可能な強誘電性層を有する全ての製品は、オフセットセル方式(Offset-Zellen-Prinzip)に従って製造されており、それらの集積密度は、数キロビットから1メガビットまでである。
【0004】
積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶素子においてプラグを酸化から保護するために、酸素拡散障壁およびその下に位置する付着層からなる層組織(Schichtsysteme)が導入されてきた。しかし、熱処理を行う間に、この酸化拡散障壁、とりわけその下に位置する付着層、および、ポリシリコンまたはタングステンからなるプラグ、あるいは、付着層の側方からの表面の酸化を防止することは、非常に困難である。
【0005】
また、試作品を用いて発明者によって行われた実験から、チタンからなる付着層中で熱処理を行う間に競合工程(konkurrierende Prozesse)が行われることが明らかになった。
【0006】
添付した図1に、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略断面図を示す。この図は、中間酸化物層7(TEOS)を通って接続される、例えばポリシリコンからなるプラグ1と、そのすぐ上に位置し、例えばTiSi2からなる付着層の下層部分2と、付着層の下層部分の上に位置する例えばTiからなる付着層の上層部分3と、例えばIrからなる酸素拡散障壁の下層部分4と、その上に位置する例えばIrO2からなる酸素拡散障壁の第2部分5とを示している。また、この酸素拡散障壁の上部IrO2部分5の上には、例えばPtからなる下部コンデンサ電極6が位置している。図1では、熱処理を行う間に側方から起こる酸化が、黒く塗りつぶされた太い矢印によって示されている。また、付着層2,3中で同時に起こるTiSi−Irの形成が、塗りつぶされていない矢印によって示されている。また、IIで表した円は、図2aおよび2bに細部を示す、抜粋箇所を取り囲んだ円である。以下に、この抜粋箇所について説明する。図2aおよび2bに概略的に示した製造工程(Prozesse)および構成は、発明者によって産出されたTEM像(TEM-Aufnahmen)(TEM=透過型電子顕微鏡)に基づいている。図2aでは、側方から起こる付着層2,3の酸化を示すために、再び、太い矢印を用いている。この場合、絶縁性TiSi−O領域(isolierender TiSi-O-Bereich)10が、側方から生じる。また、黒く塗られていない矢印は、上方および下方から起こる珪素化合反応(Silizidierung)、つまりTiSi−Irの形成を示している。図2aでは、導電性TiSi−Ir層の形成は、側方からの絶縁性TiSi−O層10の形成よりも早く起こっている。
【0007】
これに対して、図2bでは、絶縁性TiSi−O領域10が、プラグ1の全幅にわたって側方から形成されている。このため、図2bでは、プラグ1は、強誘電性コンデンサの下部電極6と電気的に接続していない。
【0008】
したがって、Ti付着層がIr/IrOxによって覆われているにもかかわらず、付着層2を酸化してしまう酸素拡散経路が、IrOx/TEOSの界面に沿って存在することが見受けられる。
【0009】
発明者によって行われた実験では、側方からのTiSi−Oの形成速度と、それと同時に起こる上方および下方からのTiSi−Irの形成速度とは、これらの反応が起こる温度に依存する、ということが明らかになった。
【0010】
酸素を用いてRTP工程(RTP=瞬間熱処理)を行うことによって、側方からのTiSi−Oの形成よりも、付着層中で上方および下方からのTiSi−Irの形成を加速させることが可能である。
【0011】
本発明の目的は、所定の厚さのTi付着層に対して、層組織が導電性を保つ理想的なRTP温度を得ることが可能な、積層方式によって構成される強誘電性記憶セルの製造方法を提供することである。
【0012】
本発明の方法の特徴は、次の(A)〜(C)の工程を実施することにある。
(A)付着層の材料中の酸素の拡散係数を、温度の関数として決定する工程。
(B)付着層の材料中の、珪素化合反応速度および珪素の拡散係数を、温度の関数として決定する工程。そして、
(C)RTP工程の間、付着層の珪素化合反応が付着層の酸化よりも早く起こるように、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の所定の層厚および層幅について、すでに算出された2つの拡散係数から、RTP工程のための最適温度範囲を計算する工程。
【0013】
本発明では、付着層の酸化速度を決定し、それを基に付着層の材料(例えばチタン)中の酸素の拡散係数を、温度の関数として決定する。同様に、チタン層からTiSi−Ir層が形成される速度を決定し、それを基に拡散係数を、温度の関数として決定する。そして、チタン層厚が設定されている場合、温度に依存する拡散係数および酸化速度を、最適温度を計算するために用いることができる。この最適温度は、TiSi−Irの形成が十分に速く、すなわち、層組織の導電性を保つために、同時に形成される絶縁性TiSi−O領域よりも速く起こるのに必要な温度である。
【0014】
本発明は、RTP工程の最適温度範囲または最適温度を計算するために用いることができる方程式を提供する。
【0015】
【数1】
【0016】
関係(1)に関して、左辺は、付着層が全て珪素化合反応するまでの時間、右辺は、付着層が全て酸化するまでの時間を示している。
dBARRは、酸素拡散障壁および付着層からなる組織の層厚を示し、
bBARRは、層幅の半分を示し、
DSiliziumは、珪素の温度に依存する拡散係数を示し、
DSauerstoffは、付着層の材料中における酸素の温度に依存する拡散係数を示している。
【0017】
以下に、本発明による製造方法の1実施例を、図面を参照しながら詳述する。
図1は、上述したように、RTP工程の間に生じる競合工程を表す、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略的断面図を示している。
図2aおよび図2bは、図1の抜粋箇所IIの詳細図である。図2aおよび図2bは、それぞれ、機能する(funktionierenden)電気的接続を生じる過程(a)と、付着層の酸化の結果として導電性接続が遮断される過程(b)とを具体的に示している。
図3は、図1と同様、本発明による方法を示すための、積層セル方式に従って構成された、機能する強誘電性記憶セルの断面図である。
【0018】
すでに説明してきた図1,2aおよび2bに対して、図1と同様に積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの一部を通る断面を示す図3は、本発明による方法にとって重要な変数を示している。これらの変数とは、付着層2,3および酸素拡散障壁4,5からなる層組織の厚さdBARRと、
この層組織の幅の半分であるbBARRと、
付着層2,3の材料中での、酸素の(温度に依存する)拡散係数を表すDSauerstoff(太い矢印)と、
である。そして、付着層2,3の珪素化合反応に重要な珪素の(温度に応じた)拡散係数を表すDSilizium(下からの太い矢印)である。
【0019】
関係(1)
【0020】
【数2】
【0021】
では、左辺は、付着層の珪素化合反応が全て終了するまでの時間を、右辺は、付着層の酸化処理が全て終了するまでの時間を示している。
【0022】
上述したように、DSiliziumは、珪素の温度に依存する拡散係数を示し、DSauerstoffは、規定された界面に沿った、酸素の温度に依存する拡散係数を示している。指数d/Dまたはb/Dは、単位の関係(einheitenmaessig)において、結果として時間を意味する。上記の関係は、特定の温度で、特定の行列(Matrix)における特定の種類(Spezies)について決定された拡散係数、および、図3に示した寸法、つまり、層厚dBARRおよび半分の層幅bBARRに基づいて、機能障壁(funktionierenden Barriere)を製造する条件を示している。特定の温度(Dは温度関数である)および選択された寸法bおよびdに関して、珪素化合反応のための時間(左辺)は、酸化のための時間(右辺)よりも短くなければならない。
【0023】
例証のために行った製造工程では、初めに(上部電極のパターニング後に)、RTP工程を、800℃で15秒間、酸素中で行い、続いて、O2中での熱処理を、温度約675℃で15分間行った。この製造方法を用いて製造した強誘電性記憶セルに関して得られたTEM像は、側方から形成されるTiSi−O領域が、付着層および酸素拡散障壁を介したポリシリコンプラグと下部コンデンサ電極との導電性接続を、遮断できない程度に小さかった。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】RTP工程の間に生じる競合工程を表す、積層セル方式に従って構成された強誘電性記憶セルの概略的断面図である。
【図2a】図1の抜粋箇所IIの詳細図であり、機能する電気的接続(funktionierenden)を生じる過程を示している。
【図2b】図1の抜粋箇所IIの詳細図であり、付着層の酸化の結果として導電性接続が遮断される過程を示している。
【図3】本発明による方法を示すための、積層セル方式に従って構成された、機能する強誘電性記憶セルの断面図である。
【符号の説明】
【0025】
1 ポリシリコンプラグ
2 TiSi2付着層
3 Ti付着層
4 Ir酸素拡散障壁
5 IrO2酸素拡散障壁
6 強誘電性コンデンサの下部電極
7 TEOS層
10 TiSi−O領域
dBARR 層組織2−5の厚さ
bBARR 層組織2−5の幅の半分
DSilizium 層2,3の材料中の珪素の拡散係数
DSauerstoff 層2,3の材料中の酸素の拡散係数
Claims (4)
- 積層方式に従った強誘電性記憶セルの製造方法であって、
強誘電性記憶コンデンサの下部コンデンサ電極(6)と、強誘電性記憶コンデンサの下に形成し、コンデンサ電極(6)を半導体ウェハ中または半導体ウェハ上に形成した選択トランジスタのトランジスタ電極に電気的に接続するために用いる導電性プラグ(1)との間に付着層(2,3)を形成し、上記付着層の上に酸素拡散障壁(4,5)を形成し、強誘電体を形成した後、酸素雰囲気中でRTP工程を行う強誘電性記憶セルの製造方法において、
(A)付着層(2,3)の酸化速度、および、付着層(2,3)の材料中の酸素の拡散係数(DSauerstoff(T))を、温度(T)の関数として決定する工程と、
(B)付着層(2,3)の材料中の、珪素の拡散係数(DSilizium(T))を温度(T)の関数として決定する工程と、
(C)RTP工程の間、付着層の酸化よりも速く付着層の珪素化合反応が生じるように、付着層および酸素拡散障壁からなる層組織の所定の層厚(dBARR)および層幅(bBARR)について、すでに決定された2つの拡散係数(DSauerstoff(T)およびDSilizium(T))から、RTP工程に対する最適温度範囲を計算する工程と、を含むことを特徴とする強誘電性記憶セルの製造方法。 - 上記RTP工程に基づいた付着層(2,3)が、TiSi2からなる下部層(2)と、上記下部層(2)のすぐ上のTiからなる層(3)と、からなることを特徴とする、請求項1に記載の強誘電性記憶セルの製造方法。
- 上記酸素拡散障壁(4,5)が、RTP工程の前に、Irからなる下部層(4)と、付着層の上部Ti層(3)のすぐ上に位置し、上記酸素拡散障壁の下部層(4)を直接覆う、IrO2からなる上部層(5)とからなることを特徴とする、請求項1または2に記載の強誘電性記憶セルの製造方法。
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