JP2005340424A - Semiconductor device and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
強誘電体メモリとは、強誘電体をキャパシタに利用したメモリ(以下、適宜FeRAMと記述する)であり、強誘電体の分極反転を記憶保持機能に利用している。FeRAMに用いられる強誘電体の材料として、Pb(Zr,Ti)O3やPbTiO3、BaTiO3などが挙げられる。このような強誘電体薄膜の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)等が検討されている。 A ferroelectric memory is a memory that uses a ferroelectric as a capacitor (hereinafter referred to as FeRAM as appropriate), and uses polarization inversion of the ferroelectric for a memory holding function. Examples of the ferroelectric material used for FeRAM include Pb (Zr, Ti) O 3 , PbTiO 3 , and BaTiO 3 . As a method for producing such a ferroelectric thin film, a vacuum deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, a metal organic chemical vapor deposition method (MOCVD method), and the like have been studied.
このとき、強誘電体薄膜の上面に凹凸があると、強誘電体薄膜に電界を印加するために、強誘電体薄膜の上面に上部電極およびバリア膜などを形成する際、上部電極およびバリア膜の上面も凹凸となる場合がある。 At this time, if the upper surface of the ferroelectric thin film is uneven, an upper electrode and a barrier film are formed when an upper electrode and a barrier film are formed on the upper surface of the ferroelectric thin film in order to apply an electric field to the ferroelectric thin film. The upper surface of the surface may also be uneven.
一方、従来の強誘電体薄膜の上面の平坦化方法としては、特許文献1に記載されたものがある。同文献には、強誘電体成膜後(上部電極形成前に)、強誘電体薄膜の上面をエキシマレーザで照射して急熱、急冷することにより平坦化する技術が記載されている。
On the other hand, as a conventional flattening method of the upper surface of the ferroelectric thin film, there is one described in
また、従来の強誘電体薄膜の上面の平坦化方法としては、特許文献2に記載されたものもある。同文献には、エッチングで強誘電体薄膜の上面の凹凸を平坦化する方法が記載されている。
しかしながら、上記文献に記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。 However, the prior art described in the above document has room for improvement in the following points.
第一に、強誘電体薄膜の上面の凹凸を平坦化する方法として、特許文献1には、強誘電体薄膜の上面をエキシマレーザで照射して急熱、急冷することにより、強誘電体薄膜の上面を平坦化することができる旨記載されている。しかし、特許文献1に記載の方法では、エキシマレーザ照射の為の新たな専用装置を用いる必要性が高まり、工程数も増加するため、製造安定性の面で改善の余地がある。また、この方法では、強誘電体薄膜の上面がエキシマレーザに曝される。このため、強誘電体薄膜の上面にダメージ層ができるので、強誘電体薄膜の電気特性の面でも改善の余地がある。
First, as a method for flattening the unevenness of the upper surface of the ferroelectric thin film,
第二に、強誘電体薄膜表面の凹凸を平坦化する方法として、特許文献2には、エッチングで強誘電体薄膜の上面の凹凸を平坦化することができる旨記載されている。しかし、特許文献2に記載の方法では、強誘電体薄膜の上面がドライエッチング装置により発生するプラズマに曝される。このため、強誘電体薄膜の上面にダメージ層ができて、強誘電体薄膜の電気特性が低下する場合がある。また、この方法では、工程数の増加により製造安定性も低下するおそれがある。
Second, as a method for flattening the unevenness on the surface of the ferroelectric thin film,
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置を安定的に提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to stably provide a semiconductor device including a capacitive element having excellent reliability.
本発明によれば、半導体基板と、半導体基板の上部に設けられている下部電極と、下部電極の上部に設けられている容量膜と、容量膜の上部に設けられており、凹凸を備える上面を有する上部電極と、上部電極の上部に設けられており、上部電極の上面よりも平坦な上面を有し、上部電極よりも低い融点を有する導電膜と、を備える半導体装置が提供される。 According to the present invention, a semiconductor substrate, a lower electrode provided on the upper portion of the semiconductor substrate, a capacitive film provided on the upper portion of the lower electrode, and an upper surface provided with irregularities on the upper portion of the capacitive film. There is provided a semiconductor device comprising: an upper electrode having an upper electrode; and a conductive film that is provided on the upper electrode and has an upper surface that is flatter than the upper surface of the upper electrode and has a lower melting point than the upper electrode.
この構成によれば、上部電極の上面よりも平坦な上面を有する導電膜を備える構成であるため、導電膜およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減し、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置が安定的に提供される。 According to this configuration, since the conductive film having the upper surface flatter than the upper surface of the upper electrode is provided, variations in electrical characteristics and dimensions of the conductive film and members formed on the conductive film are reduced, and reliability is improved. A semiconductor device including a capacitive element that is superior to the above is stably provided.
また、本発明によれば、半導体基板の上部に、下部電極を形成する工程と、下部電極の上部に、容量膜を形成する工程と、容量膜の上部に、凹凸を備える上面を有する上部電極を形成する工程と、上部電極の上部に、凹凸を備える上面を有し、上部電極よりも低い融点を有する導電膜を形成する工程と、導電膜の上面を熱処理し、導電膜の上面を、上部電極の上面よりも平坦化する工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。 In addition, according to the present invention, a step of forming a lower electrode on an upper portion of a semiconductor substrate, a step of forming a capacitive film on the upper portion of the lower electrode, and an upper electrode having an upper surface with irregularities on the upper portion of the capacitive film. Forming a conductive film having an upper surface with irregularities on the upper electrode and having a melting point lower than that of the upper electrode; heat-treating the upper surface of the conductive film; And a step of planarizing the upper electrode from the upper surface thereof.
この方法によれば、導電膜の上面を熱処理し、導電膜の上面を、上部電極の上面よりも平坦化する工程を有するため、導電膜およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減し、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置が安定的に提供される。 According to this method, the upper surface of the conductive film is heat treated, and the upper surface of the conductive film is flattened more than the upper surface of the upper electrode. Thus, a semiconductor device including a capacitive element with reduced reliability and excellent reliability can be stably provided.
以上、本発明の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本発明の態様として有効である。また、本発明の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本発明の態様として有効である。 As mentioned above, although the structure of this invention was demonstrated, what combined these structures arbitrarily is effective as an aspect of this invention. Moreover, what converted the expression of this invention into the other category is also effective as an aspect of this invention.
例えば、上記の下部電極、容量膜、上部電極などにより構成される容量素子は、平面キャパシタ構造からなる容量素子であってもよいが、特に限定する趣旨ではない。例えば、スタック型キャパシタ構造などからなる容量素子であってもよい。 For example, the capacitive element configured by the lower electrode, the capacitive film, the upper electrode, and the like may be a capacitive element having a planar capacitor structure, but is not particularly limited. For example, a capacitive element having a stacked capacitor structure or the like may be used.
このような場合にも、容量膜および上部電極の上面には凹凸が生じる場合がある。このとき、上部電極よりも積層方向について上部に、平坦化された上面を備える導電膜が設けられれば、導電膜およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減し、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置が安定的に提供される。 Even in such a case, irregularities may occur on the upper surfaces of the capacitor film and the upper electrode. At this time, if a conductive film having a flattened upper surface is provided above the upper electrode in the stacking direction, variations in electrical characteristics and dimensions of the conductive film and members formed on the conductive film are reduced, and reliability is improved. A semiconductor device including a capacitive element with excellent properties is stably provided.
本発明によれば、上部電極の上面よりも平坦な上面を有する導電膜を備えるため、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置が安定的に提供される。 According to the present invention, since the conductive film having the upper surface flatter than the upper surface of the upper electrode is provided, a semiconductor device including a capacitive element with excellent reliability is stably provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る強誘電キャパシタの構成を模式的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the ferroelectric capacitor according to the embodiment.
本実施形態に係る半導体装置200は、半導体基板(図示せず)上のタングステンプラグ215を埋め込んだ層間絶縁膜220と、層間絶縁膜220の上部に設けられている下部電極202と、下部電極202の上部に設けられている容量膜203と、容量膜203の上部に設けられており、凹凸を備える上面を有する上部電極204と、を備える。また、半導体装置200は、上部電極204の上部に、上部電極204の上面よりも平坦な上面を有し、上部電極204よりも低い融点を有する導電膜212をさらに備える。
The
半導体装置200において、強誘電体容量膜などからなる容量膜203上には、上部電極204が形成されており、さらにその上にAlCu膜などからなる導電膜212が形成されている。そして、導電膜212の上面は、リフローなどの方法で加熱することなどにより平坦化されている。このように、導電膜212の上面が平坦化されていることにより、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減し、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置200が安定的に得られる。
In the
ここで、導電膜212の上面を平坦化するには、導電膜212の上面を、特定の温度条件において、特定の時間、熱処理することが効果的である。この温度条件は、例えば、300℃以上とすることができ、特に好ましくは420℃以上である。また、この温度条件は、例えば、500℃以下とすることができ、特に好ましくは480℃以下である。これらの温度範囲内であれば、半導体装置200の特性に与える影響を抑制しつつ、導電膜212の上面を充分に平坦化できる。
Here, in order to planarize the upper surface of the
また、上記の加熱時間は、例えば、1分以上とすることができ、特に好ましくは3分以上である。また、この加熱時間は、例えば、10分以下とすることができ、特に好ましくは8分以下である。これらの範囲内の加熱時間であれば、半導体装置200の特性に与える影響を抑制しつつ、導電膜212の上面を充分に平坦化できる。
Moreover, said heating time can be made into 1 minute or more, for example, Most preferably, it is 3 minutes or more. Moreover, this heating time can be made into 10 minutes or less, for example, Especially preferably, it is 8 minutes or less. When the heating time is within these ranges, the upper surface of the
導電膜212は、AlCu膜などのAlを含む金属膜とすることができる。この構成によれば、導電膜212の融点は、通常の材料からなる上部電極204の融点よりも低くなるため、導電膜212の上面をリフローなどの方法で加熱することなどにより容易に平坦化できる。このように、導電膜212を、熱処理により平坦化された上面を有する構成とすることにより、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減する。
The
導電膜212の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、例えば30nm以下であり、好ましくは10nm以下である。導電膜212の上面の表面粗さ最大高さRmaxがこれらの範囲内にある場合には、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきがよりいっそう低減する。ここで、Rmaxとは、JIS B 0601(2001年)により定められる最大高さを意味する。また、導電膜212の上面などのRmaxは、AFM(原子間力顕微鏡)などを用いて測定可能である。
The surface roughness maximum height Rmax of the upper surface of the
上部電極204は、Pt、IrおよびRuからなる群より選ばれる1種以上の金属元素を含む構成とすることができる。この構成によれば、上部電極204の導電性が向上するために電気特性が良好となる。またこれらの材料は融点が高いため、導電膜212の上面をリフローなどの方法で加熱しても、上部電極204の特性および構造の変化を抑制できる。また、これらの材料は、酸素との親和力が弱いため、酸素欠損による容量膜203の自発分極特性の低下を抑制できる。
The
上部電極204の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、例えば50nm以上であり、100nm以上であってもよい。このように、上部電極204の上面の表面の凹凸が大きい場合にも、導電膜212の上面をリフローなどの方法で加熱して平坦化することにより、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきがよりいっそう低減される。このため、上部電極204の上面の表面の凹凸が大きくても、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置200が安定的に得られる。
The surface roughness maximum height Rmax on the upper surface of the
容量膜203は、Pb、Zr、TiおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の金属元素の酸化物を含む構成とすることができる。例えば、Pb(Zr、Ti)O3(PZT)、(Ba、Sr)TiO3(BST)、SrTiO3(ST)などを含む構成とできる。これらの材料を用いれば、強誘電体薄膜からなる容量膜203を形成できるため、容量素子の容量を向上することができる。
The
容量膜203は、CVD法により形成されてもよい。特に、容量膜203がPZT薄膜からなる場合には、通常のゾル・ゲル法やスパッタリング法を用いると、良好なPZT薄膜を得るには600℃以上での加熱をする必要性が高まる。しかし、このような高温でPZT薄膜を形成すると、メタル配線の断線や高抵抗化が起こる場合がある。そのため、CVD法のように、450℃程度の低温で成膜すれば、メタル配線などに与える影響を抑制できる。例えば、PZT薄膜は、CVD法により、350℃以上500℃以下の温度範囲で、結晶状態の良好な膜(結晶粒のサイズが50nm程度以上)を形成できる。
The
容量膜203の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、例えば50nm以上であり、100nm以上であってもよい。このように、容量膜203の上面の表面の凹凸が大きい場合には、上部電極204の上面の表面の凹凸も同様に大きくなるが、導電膜212の上面をリフローなどの方法で加熱して平坦化することにより、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきがよりいっそう低減される。このため、容量膜203の上面の表面の凹凸が大きくても、信頼性に優れる容量素子を備える半導体装置200が安定的に得られる。
The surface roughness maximum height Rmax on the upper surface of the
半導体装置200は、上部電極204と導電膜212との間に、TiまたはTiNを含むバリア膜205をさらに備えてもよい。バリア膜205が設けられれば、上部電極204のPt元素、Ir元素、Ru元素などと、導電膜212のAl元素、Cu元素などとの相互反応および相互拡散を抑制できる。
The
半導体装置200は、導電膜212と接続される上部コンタクト211をさらに備えてもよい。半導体装置200では、導電膜212の上面は平坦化されているため、導電膜212と上部コンタクト211とのコンタクト性は良好となる。このため、強誘電体からなる容量膜203をキャパシタに利用した強誘電体メモリ(Fe−RAM)などを構成する半導体装置200において、リーク電流が抑制され、安定した電気特性を得ることができる。
The
以上、本実施形態の構成について説明したが、これらの構成を任意に組み合わせたものも本実施形態の態様として有効である。また、本実施形態の表現を他のカテゴリーに変換したものもまた本実施形態の態様として有効である。 The configuration of this embodiment has been described above, but any combination of these configurations is also effective as an aspect of this embodiment. Moreover, what converted the expression of this embodiment into another category is also effective as an aspect of this embodiment.
例えば、上記実施の形態では、導電膜212の上面はリフローにより加熱されて平坦化されてなる構成としたが、リフローの方式については、任意の方式を用いることができる。
For example, in the above embodiment, the upper surface of the
また、リフロー以外の加熱方法であっても、導電膜212の上面を効率的に加熱できる方法であれば任意の方法を用いることができる。このようにしても、導電膜212の上面を充分に平坦化できるため、導電膜212およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきが低減される。
Further, even if a heating method other than reflow is used, any method can be used as long as the upper surface of the
以下、本発明を実施例により図面を用いてさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, although an example explains the present invention still more using a drawing, the present invention is not limited to these. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
<実施例1>
図2(a)〜図5(k)は本実施例の強誘電体キャパシタの製造方法の概略を説明する為の工程断面図である。
<Example 1>
FIG. 2A to FIG. 5K are process cross-sectional views for explaining the outline of the manufacturing method of the ferroelectric capacitor of this example.
まず、シリコン基板(図示せず)上のタングステンプラグ15を埋め込んだ層間絶縁膜14上にTi、TiN等からなるバリア膜1を形成する。その上にPt、Ir、Ru等の貴金属またはIrO2、RuO2等の導電性酸化膜からなる下部電極2をスパッタリング方法やその他の方法により形成する(図2(a))。
First, a
次に、下部電極2上に強誘電体薄膜3を形成する。強誘電体薄膜3としてはPb(Zr,Ti)O3やPbTiO3、BaTiO3などがあり、従来の技術と同じようにMOCVD法等で形成すると、結晶化によって膜中に結晶粒が成長するため、強誘電体薄膜3の表面に凹凸が生じる(図2(b))。
Next, a ferroelectric
次に、強誘電体薄膜3の上に上部電極4及びバリア膜5としてTiNを下部電極と同じ方法により形成する。この時、バリア膜5であるTiN表面も強誘電体薄膜と同じように凹凸が生じる(図2(c))。
Next, TiN is formed on the ferroelectric
次に、TiNからなるバリア膜5上にAlCu膜12をスパッタリング方法により形成して、450℃、5分のリフローを行いAlCu膜12の表面を平坦化する。平坦化したAlCu膜12の上にさらにバリア膜13となるTiNを形成する。このとき、TiNからなるバリア膜13の表面は平坦になっている(図3(d))。
Next, an
続いて、後述するように、ドライエッチング加工する場合は、従来技術と同様にエッチングレートの対レジスト選択比を取ることが困難である為、マスクとして酸化膜ハードマスク6を形成することが望ましい(図3(e))。その後、下部電極2、強誘電体薄膜3、上部電極4、AlCu膜12をエッチング工程により加工してキャパシタ構造を形成する。ドライエッチングでは、それぞれの膜を別々の装置でエッチングすることも、1つの装置でエッチングすることも可能である。また、エッチングする対象の膜の材料に応じて、適宜エッチングガスを変更する(図3(f)、図4(g))。
Subsequently, as will be described later, when dry etching is performed, it is difficult to obtain an etching rate-to-resist selection ratio as in the prior art, and therefore it is desirable to form the oxide film
次に、強誘電体キャパシタ上に層間絶縁膜8を形成した後(図4(h))、CMP等で層間絶縁膜8を平坦化(図4(i))し、ドライエッチング工程によりレジストマスク9をエッチングマスクとしてキャパシタ上部にコンタクトホールを形成(図5(j))する。この時のキャパシタ上部では、AlCu膜12の成膜およびリフローによりAlCu膜12の上面が平坦化されているため、AlCu膜12の上部に形成される他の膜の上面も平坦化されることになる。この後、コンタクトホールの側壁にTiNなどのバリア膜10などを設けた状態で、タングステンなどの金属コンタクトプラグ11を埋め込み(図5(k))、上部にメタル配線(図示しない)を形成する。
Next, after forming an
本実施例によれば、凹凸の生じる強誘電体薄膜3上に、AlCu膜12の成膜およびリフローによるAlCu膜12の上面の平坦化を行う。この結果、キャパシタ構造の上部において、AlCu膜12上に形成される他の膜は平坦化されて凹凸が抑制される。
According to the present embodiment, the
具体的には、上述のように、リフローによる加熱処理後のAlCu膜12の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、例えば30nm以下であり、好ましくは10nm以下である。AlCu膜12の上面の表面粗さ最大高さRmaxがこれらの範囲内にある場合には、AlCu膜12およびその上部に形成される部材などの電気特性および寸法のばらつきがよりいっそう低減する。ここで、Rmaxとは、JIS B 0601(2001年)により定められる最大高さを意味する。また、AlCu膜12の上面などのRmaxは、AFM(原子間力顕微鏡)などを用いて測定可能である。
Specifically, as described above, the maximum surface roughness height Rmax of the upper surface of the
なお、本実施例において、AlCu膜12の膜厚は、例えば50nm以上であってもよく、特に好ましくは100nm以上である。また、この膜厚は、例えば300nm以下であってもよく、特に好ましくは200nm以下である。この膜厚がこれらの範囲内にあれば、半導体装置の小型化の要請を満たしつつ、AlCu膜12をリフローにより加熱することにより、上部電極4の上面の凹凸を緩和してAlCu膜12の上面を充分に平坦化することができる。
In this embodiment, the thickness of the
本実施例の半導体装置は、上記のような構成を備えるため、エッチングによるコンタクトホール形成時に、金属コンタクトプラグ11は、平坦な上面を備えるAlCu膜12と接続する。このため、金属コンタクトプラグ11とAlCu膜12とのコンタクト性が向上するので、リーク電流が抑制され、安定した電気特性が実現される。また、バリア膜5のTiNと層間絶縁膜8および酸化膜ハードマスク6との高選択比を取る必要性も低減される。
Since the semiconductor device of the present embodiment has the above-described configuration, the
また、AlCu膜12はコンタクトホールを形成する際のドライエッチング工程において、層間絶縁膜8との選択比が十分取れる。このため、エッチングガスは、AlCu膜12において阻止されるので、上部電極4がエッチングガスにより削れるのを抑制することができる。そのため、低圧で中密度以上のプラズマを生成するような、高価なドライエッチング装置を用いる必要性が低減される。よって、一般的に使用されているRIE方式等の安価なドライエッチング装置により、十分な精度でコンタクトホールをエッチングすることができる。
In addition, the
このように、本実施例によれば、TiN/Al−Cu/TiN/Ru/PZT/Ru/Ti/TiN/Tiなどの構成からなる容量素子を備える半導体装置を製造する際に、AlCu膜12の上面を平坦化できる。具体的には、強誘電体薄膜3の成膜後の表面の凹凸を緩和する方法として、上部電極4を形成後、その上にAl(又はAlを主成分とする合金)を成膜して、リフローすることにより、Alを含む導電膜の上面を平坦化する。このため、強誘電体をキャパシタに利用した強誘電体メモリ(Fe−RAM)において、リークの抑制された、安定した電気特性を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
<実施例2>
実施例2に係る強誘電キャパシタの製造方法は、基本的には、実施例1に係る強誘電キャパシタの製造方法と同様であるが、以下の点において異なる。
<Example 2>
The manufacturing method of the ferroelectric capacitor according to the second embodiment is basically the same as the manufacturing method of the ferroelectric capacitor according to the first embodiment, but differs in the following points.
図6は、本実施例に係る強誘電キャパシタの製造方法を工程順に示す工程断面図である。実施例2では、実施例1と同様に、AlCu膜12を成膜し、リフローする(図6(a))。その後、AlCu膜12を全面エッチングにより薄くする(図6(b))。
FIG. 6 is a process cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the ferroelectric capacitor according to this example in the order of processes. In Example 2, similarly to Example 1, an
そして、その上にバリア膜13のTiNを形成する(図6(c))。その後、実施例1と同様の方法により、酸化膜ハードマスク6をマスクとして使用し、キャパシタ構造を形成する際の下部電極2、強誘電体薄膜3、上部電極4、AlCu膜12を順次ドライエッチングする。
Then, TiN of the
なお、エッチングにより薄くされた後のAlCu膜12の膜厚は、例えば100nm以下とすることができ、特に好ましくは50nm以下である。また、この膜厚は、例えば10nm以上とすることができ、特に好ましくは30nm以上である。このエッチング後の膜厚がこれらの範囲内にあれば、AlCu膜12のサイドエッチを充分に抑制しつつ、AlCu膜12を安定形成することができる。
The film thickness of the
本実施例においても、実施例1の場合と同様に、TiN/Al−Cu/TiN/Ru/PZT/Ru/Ti/TiN/Tiなどの構成からなる容量素子を備える半導体装置を製造する際に、AlCu膜12の上面を平坦化できる。具体的には、強誘電体薄膜3の成膜後の表面の凹凸を緩和する方法として、上部電極4を形成後、その上にAl(又はAlを主成分とする合金)を成膜して、リフローすることにより、Alを含む導電膜の上面を平坦化する。このため、強誘電体をキャパシタに利用した強誘電体メモリ(Fe−RAM)において、リークの抑制された、安定した電気特性を得ることができる。
Also in the present embodiment, as in the case of the first embodiment, when manufacturing a semiconductor device including a capacitive element having a configuration such as TiN / Al-Cu / TiN / Ru / PZT / Ru / Ti / TiN / Ti. The upper surface of the
また、本実施例に係る強誘電キャパシタの製造方法では、図6(b)で示したように、AlCu膜12の膜厚を薄くしたことにより、このドライエッチングの際に、AlCu膜12にサイドエッチが生じることを抑制できる。そして、AlCu膜12のサイドエッチの抑制により、AlCu膜12の電気特性が向上し、半導体装置の信頼性がさらに向上するという特有の効果が得られる。
Further, in the method for manufacturing a ferroelectric capacitor according to the present embodiment, as shown in FIG. 6B, the thickness of the
<比較例1>
図7(a)〜図9(i)は、上面が平坦な導電膜を備えない構造からなる強誘電体キャパシタの製造方法を説明する為の概略断面図である。
<Comparative Example 1>
FIG. 7A to FIG. 9I are schematic cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a ferroelectric capacitor having a structure not including a conductive film having a flat upper surface.
まず、シリコン基板(図示せず)上の、Wプラグ115を作りこんだ層間絶縁膜114上に、Ti、TiNなどからなるバリア膜101を形成する。その上にPt、Ir、Ruなどの貴金属またはIrO2、RuO2等の導電性酸化膜からなる下部電極102をスパッタリング法やその他の方法により形成する(図7(a))。
First, a
次に、下部電極102上に強誘電体薄膜103を形成する。強誘電体薄膜103の材料としては、Pb(Zr,Ti)O3やPbTiO3、BaTiO3などが用いられる。また、強誘電体薄膜103の製造方法としては、真空蒸着法、スパッタ法、ゾルゲル法、有機金属化学気相成長法(MOCVD法)などが用いられる。
Next, a ferroelectric
このような方法として、成膜時の基板温度を上げるなどして成膜中に膜を結晶化して強誘電体薄膜103を得る方法と、成膜後に熱処理を施して膜を結晶化し、強誘電体薄膜103を得る方法の2通りの方法がある。いずれにしても結晶化によって膜中に結晶粒が成長するため、上記のどちらの方法によっても強誘電体薄膜103の表面に凹凸が生じる(図7(b))。
As such a method, the ferroelectric
次に、強誘電体薄膜103の上に上部電極104を下部電極102と同じ方法により形成する。このとき、後述するように、上部電極104上の材質により、酸化膜ハードマスク106形成後のレジスト107剥離の工程で上部電極104が削れるのを抑制する為、上部電極上にTiN等のバリア膜105を形成することが望ましい(図7(c))。
Next, the
続いて、後述するように、ドライエッチング加工する場合は、エッチングレートの対レジスト107の選択比が取れない為、マスクとして酸化膜ハードマスク106を形成することが望ましい。そして、酸化膜ハードマスク106上に所定のパターンのレジスト107を形成し、エッチングにより酸化膜ハードマスクのパターンを形成する(図8(d))。なお、エッチング後にレジスト107は剥離される。
Subsequently, as will be described later, when dry etching is performed, it is desirable to form an oxide film
その後、バリア膜101、下部電極102、強誘電体薄膜103、上部電極104を、酸化膜ハードマスク106をマスクとしてエッチングにより加工して、キャパシタ構造を形成する(図8(e))。
Thereafter, the
次に、強誘電体キャパシタ上に層間膜108を形成する(図8(f))。その後、CMP等で層間膜108の上面を平坦化する(図9(g))。
Next, an
次に、層間膜108上に所定のパターンを有するレジストマスク109を形成する。そして、レジストマスク109をマスクとして、エッチングによりキャパシタ上部にコンタクトホールを形成する(図9(h))。この後、タングステン(W)などの金属コンタクトプラグ111をコンタクトホール内に埋め込み、上部にメタル配線(図示しない)などを形成する(図9(i))。
Next, a resist
このとき、図7(b)に示すように、強誘電体薄膜103の上面に凹凸があると、強誘電体薄膜103に電界を印加するために、強誘電体薄膜103の上面に上部電極104およびバリア膜105を形成する際、図7(c)に示すように、上部電極104およびバリア膜105の上面も凹凸となる場合がある。
At this time, as shown in FIG. 7B, if the upper surface of the ferroelectric
ここで、図7(a)〜図9(i)に示した比較例に係る技術においては、上述したように、強誘電体薄膜103に電界を印加するために強誘電体薄膜103の上面に上部電極104を形成する際、強誘電体薄膜103の上面に凹凸があると、上部電極104およびバリア膜105の上面も凹凸となる場合がある。
Here, in the technique according to the comparative example shown in FIG. 7A to FIG. 9I, as described above, the electric field is applied to the ferroelectric
このとき、図9(h)に示すように、次の層間絶縁膜108を成膜後に、上部電極104上のバリア膜105に達するコンタクトホールを開けるエッチング工程で、凹部でのエッチング残りをなくすようにすると、バリア膜105上面の凸部でのバリア膜105の削れ量が多くなってしまう。そのため、実施例の場合に比べて、凸部でのバリア膜105の削れ量が多く、コンタクトホールが凸部においてバリア膜105を貫通してしまうと、上部電極104の一部がエッチングによる損傷を受ける場合がある。
At this time, as shown in FIG. 9H, after the next
このように上部電極104の一部が損傷を受けると、実施例の場合に比べて、Wなどの金属111などからなる上部コンタクトと、容量素子とのコンタクト性が低下するので、容量素子を備える半導体装置の信頼性が低くなる。
When a part of the
一方、上部電極104の損傷を抑制するには、層間絶縁膜108および酸化膜ハードマスク106とバリア膜105との高選択比を有する条件でエッチングを行う必要性が高まる。このため、実施例の場合に比べて、低圧で中密度以上のプラズマを生成する、高価なドライエッチング装置を用いる必要性が高まり、またドライエッチング工程の技術が難しくなり、製造安定性が低下する。
On the other hand, in order to suppress damage to the
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 In the above, this invention was demonstrated based on the Example. It is to be understood by those skilled in the art that this embodiment is merely an example, and that various modifications are possible and that such modifications are within the scope of the present invention.
1 バリア膜
2 下部電極
3 強誘電体薄膜
4 上部電極
5 バリア膜
6 酸化膜ハードマスク
7 レジストマスク
8 層間絶縁膜
9 レジストマスク
10 バリア膜
11 タングステンプラグ
12 AlCu膜
13 バリア膜
14 層間絶縁膜
15 タングステンプラグ
101 バリア膜
102 下部電極
103 強誘電体薄膜
104 上部電極
105 バリア膜
106 酸化膜ハードマスク
107 レジスト
108 層間膜
109 レジストマスク
110 バリア層
111 金属
114 層間絶縁膜
115 Wプラグ
200 半導体装置
201 バリア層
202 下部電極
203 容量膜
204 上部電極
205 バリア膜
211 上部コンタクト
212 導電膜
213 バリア層
215 タングステンプラグ
216 ハードマスク
220 層間絶縁膜
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記半導体基板の上部に設けられている下部電極と、
前記下部電極の上部に設けられている容量膜と、
前記容量膜の上部に設けられており、凹凸を備える上面を有する上部電極と、
前記上部電極の上部に設けられており、前記上部電極の上面よりも平坦な上面を有し、前記上部電極よりも低い融点を有する導電膜と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor substrate;
A lower electrode provided on the semiconductor substrate;
A capacitive film provided on the lower electrode;
An upper electrode provided on the capacitor film and having an upper surface with irregularities;
A conductive film provided on top of the upper electrode, having an upper surface flatter than the upper surface of the upper electrode and having a lower melting point than the upper electrode;
A semiconductor device comprising:
前記導電膜は、Alを含む金属膜であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the conductive film is a metal film containing Al.
前記導電膜は、熱処理により平坦化された上面を有することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1 or 2,
The semiconductor device, wherein the conductive film has an upper surface planarized by heat treatment.
前記導電膜の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、30nm以下であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the maximum surface roughness Rmax of the upper surface of the conductive film is 30 nm or less.
前記上部電極は、Pt、IrおよびRuからなる群より選ばれる1種以上の金属元素を含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The upper electrode includes one or more metal elements selected from the group consisting of Pt, Ir, and Ru.
前記上部電極の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、50nm以上であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The maximum height Rmax of the surface roughness of the upper surface of the upper electrode is 50 nm or more.
前記容量膜は、Pb、Zr、TiおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の金属元素の酸化物を含むことを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the capacitor film includes an oxide of one or more metal elements selected from the group consisting of Pb, Zr, Ti, and Ba.
前記容量膜は、CVD膜であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device, wherein the capacitor film is a CVD film.
前記容量膜の上面の表面粗さ最大高さRmaxは、50nm以上であることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The maximum roughness Rmax of the surface roughness of the upper surface of the capacitor film is 50 nm or more.
前記上部電極と前記導電膜との間に設けられている、TiまたはTiNを含むバリア膜をさらに備えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
A semiconductor device, further comprising a barrier film containing Ti or TiN provided between the upper electrode and the conductive film.
前記導電膜と接続される上部コンタクトをさらに備えることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device further comprising an upper contact connected to the conductive film.
前記下部電極の上部に、容量膜を形成する工程と、
前記容量膜の上部に、凹凸を備える上面を有する上部電極を形成する工程と、
前記上部電極の上部に、凹凸を備える上面を有し、前記上部電極よりも低い融点を有する導電膜を形成する工程と、
前記導電膜の上面を熱処理し、前記導電膜の上面を、前記上部電極の上面よりも平坦化する工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a lower electrode on the semiconductor substrate;
Forming a capacitive film on the lower electrode;
Forming an upper electrode having an upper surface with irregularities on the capacitor film;
Forming a conductive film having an upper surface with irregularities on the upper electrode and having a melting point lower than that of the upper electrode;
Heat treating the upper surface of the conductive film, and planarizing the upper surface of the conductive film from the upper surface of the upper electrode;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記導電膜を形成する工程は、Alを含む金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming the conductive film includes a step of forming a metal film containing Al.
前記導電膜の上面を平坦化する工程は、前記導電膜の上面をリフローすることにより熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12 or 13,
The method for planarizing the upper surface of the conductive film includes a step of performing heat treatment by reflowing the upper surface of the conductive film.
前記導電膜の上面を平坦化する工程は、前記導電膜の上面を、300℃以上500℃以下の温度条件において、1分以上10分以下の間、熱処理する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
The step of planarizing the upper surface of the conductive film includes a step of heat-treating the upper surface of the conductive film for 1 minute to 10 minutes under a temperature condition of 300 ° C. to 500 ° C. Device manufacturing method.
前記上部電極を形成する工程は、Pt、IrおよびRuからなる群より選ばれる1種以上の金属元素を含む上部電極を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device according to claim 12,
The step of forming the upper electrode includes a step of forming an upper electrode containing one or more metal elements selected from the group consisting of Pt, Ir, and Ru.
前記容量膜を形成する工程は、Pb、Zr、TiおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の金属元素の酸化物を含む容量膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
The step of forming the capacitor film includes a step of forming a capacitor film containing an oxide of one or more metal elements selected from the group consisting of Pb, Zr, Ti, and Ba. Method.
前記容量膜を形成する工程は、CVD法により容量膜を形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 In the manufacturing method of the semiconductor device in any one of Claims 12 thru | or 17,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the step of forming the capacitor film includes a step of forming a capacitor film by a CVD method.
前記上部電極と前記導電膜との間に、TiまたはTiNを含むバリア膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising a step of forming a barrier film containing Ti or TiN between the upper electrode and the conductive film.
前記導電膜の上部に、前記導電膜と接続される上部コンタクトを形成する工程をさらに有することを特徴とする半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 12,
A method of manufacturing a semiconductor device, further comprising forming an upper contact connected to the conductive film on the conductive film.
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