JP2005526377A - 金属含有材料及びキャパシタ電極形成方法並びにキャパシタ構造 - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体構造のための金属含有マスの形成方法を含む。半導体基板が設けられ、有機金属前駆体が基板の近傍に設けられる。前駆体は、前駆体から金属を放出するために還元性雰囲気に晒され、その後、放出された金属は半導体基板上に堆積する。本発明はまた、キャパシタ構造や、キャパシタ構造の形成方法も含む。
Description
本発明は、例えばキャパシタ電極のような、金属含有材料の形成方法に関する。本発明はまた、キャパシタ構造にも関する。
キャパシタ構造は、例えばメモリアレイのような非常に多くの半導体構造に利用されている。代表的なメモリアレイは、アレイの個々のＤＲＡＭセルがキャパシタとトランジスタとからなるダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）アレイである。
キャパシタ構造は、誘電体材料により分離される、第１導電性キャパシタ電極と第２導電性キャパシタ電極とからなる。キャパシタ電極として用いられるのに適した組成物には、例えば、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等の金属がある。前駆体を分解して金属を放出するために有機金属前駆体を酸化雰囲気（例えば、Ｏ２、Ｏ３及び／又はＮ２Ｏ等）に晒すことにより、金属が堆積され得る。そして、放出された金属は、キャパシタ電極として最終的にキャパシタデバイスに取り入れられる金属薄膜を形成するために、基板上に堆積され得る。
有機金属前駆体の酸化中に起こり得る難題は、半導体基板に関連する材料が酸化する状態に晒され、有機金属前駆体の減成の間に、それら自身が酸化若しくは減成されたものになってしまうことである。したがって、有機金属前駆体の酸化以外の、半導体基板上へ金属材料を形成するための代替方法の開発が望まれていた。
一態様として、本発明は、半導体構造のための金属含有マスの形成方法を包含する。半導体基板が設けられ、有機金属前駆体が基板近傍に設けられる。前駆体は、前駆体から金属を放出するために還元性雰囲気に晒され、その後、放出された金属が半導体基板上に堆積する。
他の態様として、本発明は、金属含有前駆体が前駆体から金属を放出するためにアンモニアに晒され、その後、放出された金属が半導体基板上に堆積するという、半導体構造のための金属含有マスを形成する実施例を包含する。
他の態様として、本発明は、キャパシタ電極として最終的にキャパシタ構造に取り入れられる金属含有マスを堆積するために、金属含有前駆体が還元雰囲気中に晒される、キャパシタ電極形成のための方法を包含する。
また、本発明は、キャパシタ構造を含む。
以下に、本発明の好適実施例を添付の図示例と共に説明する。
本発明の実施例は、図中の半導体ウェーハ片１０を参照して説明される。断片１０は、例えば単結晶シリコンからなり得る基板１２を含む。以下は請求項の解釈を助けるものであるが、用語「半導体の基板」及び「半導体基板」は、半導体ウェーハ等のバルク半導体材料（単体又はその上に他の材料を含む組立体のどちらでも）、及び半導体材料層（単体又は他の材料を含む組立体のどちらでも）を含むがこれに限定されない半導体材料からなる如何なる構造をも意味すると定義される。用語「基板」は、上述の半導体基板を含むがこれに限定されないあらゆる支持構造に関するものである。
絶縁材料１４が基板１２上に形成され、それは例えばボロンリンシリケートガラス（ＢＰＳＧ）及び／又は二酸化ケイ素を含み得る。開口が絶縁材料１４を介して基板１２まで伸び、拡散領域１６が基板１２内のこの開口の最下部に形成される。拡散領域１６は、ｎ型導電性ドープかｐ型導電性ドープのどちらでも良い。拡散領域１６は、基板１２により支持される電気ノードの代表的な実施例として考えられ得る。
一連の導電性材料が、マス１４の開口内に形成され、拡散領域１６の上に伸びている。このような導電性材料には、例えばｎ型又はｐ型ドープ多結晶シリコン等の導電性ドープシリコンのマス１８が含まれる。また、導電性材料には、金属ケイ化物の層２０と、金属又は金属窒化物からなる層２２も含まれる。図示の材料１８，２０，２２の代わりに、又はそれに追加して、他の導電性材料を用いることが可能であることに注意する。例えば、材料１８は、例えばチタンプラグやタングステンプラグのような導電性材料のプラグにより代替可能である。他の実施例では、代表的なケイ化チタン又はケイ化タングステンからなる金属ケイ化物の層を、拡散領域１６とシリコン含有層１８との間に設けることができる。層１８，２０，２２は、従来の方法により形成可能である。
具体的な実施例において、層２２は、窒化チタン、窒化タングステン、窒化タンタル、チタン元素、タンタル元素、又はタングステン元素の１つ又はそれ以上からなり、構成され、又は、主に構成され得る。また層２０は、ケイ化チタン又はケイ化タングステンからなり、構成され、又は、主に構成され得る。層２０及び２２は、拡散及び／又は酸化障壁層として機能する。
金属含有マス２４は、導電層２２の上に形成され、図示の実施例では、層２２と物理的に接触している。本発明の方法によると、前駆体から金属を放出するために還元性雰囲気に有機金属前駆体を晒すことにより、マス２４が形成され、その後、放出された金属がマス２４を形成するために堆積される。図示の実施例では、マス２４は、長方形のブロック状にパターンニングされる。これは、放出された金属の堆積後に、例えばフォトリソグラフ工程や適当なエッチングにより達成される。適当なフォトリソグラフ工程及びエッチング条件は、当業者であれば分かるであろう。
マス２４は、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、パラジウム、ニッケル、又は白金の１つ又はそれ以上からなり、主に構成され、又は構成され得る。具体的な実施例では、マス２４は、ルテニウムから構成され、又は主に構成される。それはアンモニア（ＮＨ３）、二原子水素（Ｈ２）、又はプラズマ活性水素化学種の１つ又はそれ以上からなる還元性雰囲気にトリカルボニルシクロヘキサジエンルテニウム前駆体を晒すことにより形成される。還元性雰囲気は、具体的な実施例では、１つ又はそれ以上のアンモニア、二原子水素、又はプラズマ活性水素化学種から構成され、又は主に構成され得る。代表的な実施例では、トリカルボニルシクロヘキサジエンルテニウム前駆体は、約４５０Åの厚さにマス２４を堆積するために、２１０℃の温度、４トルの圧力で、１２０秒間継続してアンモニアに晒される。
有機金属材料を酸化処理状態に晒すことにより、上述の層２２と同様の層の上に金属含有マスが形成されるような従来の方法は存在していた。しかしながら、このような従来技術の工程には、酸化処理状態が、このような層の導電性を減少させるように、層２２の様々な成分を酸化してしまうという問題があった。例えば、層２２がチタン、タンタル又はタングステンからなる場合、このような層の酸化処理状態への露出は、チタニウム、タングステン又はタンタルの酸化物を形成し得る。このような酸化物は、電気的に絶縁性であり、したがって、層２２の所望の導電特性は弱められ、又はある場合には、まったく完全になくなってしまう。これは、層２２からその後に形成されるデバイスを動作不能にし得る。対照的に、本発明の実施例による還元性状態の利用は、層２２の材料の酸化を回避可能であり、したがって、マス２４の形成の間、層２２の所望の導電特性を維持することが可能である。本発明の方法による還元性状態の利用の更なる利点は、多くの有機金属前駆体材料が、前駆体材料の化学減成の間に放出され得る酸素を含有することである。放出された酸素は、基板材料を酸化し得る。しかしながら、還元性雰囲気の利用は、酸素が基板材料に害を及ぼすように反応する前に、主に酸素を脱気し得る。例えば、本発明の具体的な実施例では、主に酸素を脱気するために、ＮＨ３を用いることができる。
還元性状態が半導体構造において導電性マスを形成するためにこれまで利用されていなかった理由は、前駆体が酸化処理状態に晒されなければ、有機金属前駆体からの炭素が、前駆体から形成される導電性金属マス内に堆積される懸念があったためである。本発明の一態様においては、具体的な半導体製造への適用において、半導体デバイスに関連する材料の酸化に比べて、炭素の混入自体はより問題が少ないことが分かった。例えば、図を参照して説明した実施例においては、マス２４から炭素を除去することよりも、層２２の導電性を高く維持することの方がより強く望まれることである。したがって、マス２４を形成するための還元性状態の利用は、これが、酸化処理状態の利用と共に起こる炭素の混入と比較して、マス２４内への炭素の混入の増加の原因となったとしても、酸化処理状態の利用に比べると好ましいものである。しかしながら、トリカルボニルシクロヘキサジエンルテニウム前駆体をアンモニアに晒すことにより形成されたマス２４の分析は、このようなマス内への炭素の混入は非常に少ないものであったことを示した。したがって、本発明の具体的な実施例においては、層２２の酸化は回避可能であり、マス２４内への炭素の混入も回避可能である。これは、本発明の好適実施例となり得るが、本発明は、マス２４内への炭素の混入が起こる実施例も包含し得ると理解すべきである。
具体的な実施例において、マス２４は、１つ又はそれ以上の前駆体から形成された複合金属からなり得る。複合金属は、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、パラジウム、ニッケル、又は白金の１つ又はそれ以上を含み得る。本発明のある態様では、マス２４は白金単体から構成されないことが望ましい。しかしながら、このような態様においては、マス２４は、他の材料と組み合わされる白金を含み得る。したがって、マス２４は、白金以外の金属からなる少なくとも１つの前駆体から形成されることが望ましいが、このような少なくとも１つの前駆体は、白金からなる他の前駆体と組み合わせて利用され得る。
マス２４の形成後、誘電体材料２６がマス上に設けられる。誘電体材料２６は、二酸化ケイ素及び／又は窒化ケイ素からなり得る。さらに、又は代わりに、誘電体材料２６は、例えばＴａ２Ｏ５のような、所謂高誘電率（ｈｉｇｈ−ｋ）材料からなっても良い。
誘電体材料２６の形成後、第２キャパシタ電極２８が誘電体材料２６上に形成される。キャパシタ電極２８は、金属及び／又は導電性ドープシリコンからなり得る。電極２８が金属からなる場合、これは先ほどマス２４の形成のところで説明したような還元性雰囲気を用いて形成され得る。代わりに、電極２８は、有機金属前駆体を酸化雰囲気に晒すことにより形成されても良い。本発明の好適実施例では、誘電体材料２６は高誘電率材料からなり、電極２８は有機金属前駆体を酸化処理状態に晒すことにより形成される。酸化処理状態は、そうしなければ高誘電率材料に存在し得る酸素欠乏を解消し得る。例えば、高誘電率材料がＴａ２Ｏ５からなる場合、酸素の量に比べて過剰なタンタルを有する領域が材料内に存在し得るので、材料はタンタルが豊富になる（即ち、Ｔａ２Ｏ５の化学量論式で与えられるべきものよりもより多くのタンタルが存在するようになる）。このような豊富なタンタル領域は、高誘電体材料の所望な誘電特性を欠き得る。豊富なタンタル領域の酸化処理状態への露出は、このような領域をＴａ２Ｏ５に転化することが可能であり、したがって、この領域に関する誘電特性を向上させることが可能である。
第２キャパシタ電極２８は、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、パラジウム、ニッケル、又は白金からなり、構成され、又は主に構成され、マス２４で利用されたものと同じ金属か、マス２４で利用されたものと異なる金属からなり得る。具体的な好適実施例では、マス２４は、有機金属前駆体を還元性雰囲気に晒すことにより形成され第１キャパシタ電極を構成し、マス２８は、同一の有機金属前駆体、又は異なる有機金属前駆体を酸化雰囲気に晒すことにより形成され第２キャパシタ電極を構成する。
図のマス２４、２６及び２８は、共にキャパシタ構造の少なくとも一部を画定する。このようなキャパシタ構造は、例えばＤＲＡＭセル等の、種々の半導体デバイスに組み混むことが可能である。キャパシタ構造がＤＲＡＭセルに組み込まれる実施例においては、ソース／ドレイン領域として拡散領域１６を利用するトランジスタゲート（図示せず）が典型的にはあり、拡散領域１６を介してマス２４に電気的に接続される。このような実施例において、マス２４は、キャパシタ構造の記憶ノードと考えられる。
Claims (34)
- 半導体構造のための金属含有マスの形成方法であって、該方法は、
半導体基板を設ける過程と、
前記基板の近傍に、白金を含まない１つ又はそれ以上の有機金属前駆体の少なくとも１つを設ける過程と、
前記１つ又はそれ以上の前駆体から金属を放出するために、前記１つ又はそれ以上の前駆体を還元性雰囲気に晒す過程と、
前記半導体基板上に金属含有マスを形成するために、半導体基板上に前記放出された金属を堆積する過程であって、前記基板は、ＴｉＮ、Ｔｉ元素、ＷＮ、Ｗ元素、ＴａＮ及びＴａ元素の１つ又はそれ以上で構成される上部表面を有し、該上部表面は、金属含有マスの形成中に還元性雰囲気に晒される、堆積する過程と、
金属含有マスを長方形のブロック状にパターンニングする過程と、
を具備する金属含有マスの形成方法。 - 前記金属含有マスは、前記基板の上部表面に物理的に接して形成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、ＴｉＮで構成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、Ｔｉ元素で構成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、ＷＮで構成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、Ｗ元素で構成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、ＴａＮで構成される請求項１に記載の方法。
- 前記上部表面は、Ｔａ元素で構成される請求項１に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気は、ＮＨ３からなる請求項１に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気は、プラズマ活性水素からなる請求項１に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気は、Ｈ２からなる請求項１に記載の方法。
- キャパシタの形成方法であって、該方法は、
それにより支持される電気ノードを有する半導体基板を設ける過程と、
前記ノードに電気的に接触する、導電性ドープシリコンからなる電気配線を形成する過程と、
１つ又はそれ以上のＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、Ｔａ元素、Ｔｉ元素、及びＷ元素からなる導電性材料を、前記電気配線上に形成する過程と、
ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、パラジウム、白金、又はニッケルの１つ又はそれ以上を含む有機金属前駆体を、前記導電性材料の近傍に設ける過程と、
金属を前記前駆体から放出するために前駆体を還元性雰囲気に晒す過程であって、放出された金属は、ルテニウム、ロジウム、イリジウム、コバルト、パラジウム、白金、又はニッケルの１つ又はそれ以上で主に構成される、前駆体を還元性雰囲気に晒す過程と、
第１キャパシタ電極を形成するために、前記導電性材料上に前記放出された金属を堆積する過程と、
前記第１キャパシタ電極上に誘電体材料を形成する過程と、
前記誘電体材料上に第２キャパシタ電極を形成する過程であって、前記第２キャパシタ電極は金属を含み、前記第２キャパシタ電極を形成する過程は、金属含有前駆体を酸化雰囲気に晒す過程を含む、第２キャパシタ電極を形成する過程と、
を具備するキャパシタの形成方法。 - 前記前駆体はルテニウムからなり、前記放出された金属は、ルテニウムで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はロジウムからなり、前記放出された金属は、ロジウムで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はイリジウムからなり、前記放出された金属は、イリジウムで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はコバルトからなり、前記放出された金属は、コバルトで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はパラジウムからなり、前記放出された金属は、パラジウムで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体は白金からなり、前記放出された金属は、白金で主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はニッケルからなり、前記放出された金属は、ニッケルで主に構成される請求項１２に記載の方法。
- 前記前駆体はトリカルボニルシクロヘキサジエンルテニウムを含む請求項１２に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気はＮＨ３を含む請求項１２に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気はプラズマ活性水素を含む請求項１２に記載の方法。
- 前記還元性雰囲気はＨ２を含む請求項１２に記載の方法。
- キャパシタの形成方法であって、該方法は、
それにより支持される電気ノードを有する半導体基板を設ける過程と、
前記ノードに電気的に接触する、導電性ドープシリコンからなる電気配線を形成する過程と、
ＴｉＮ、ＷＮ、ＴａＮ、Ｔａ元素、Ｔｉ元素、及びＷ元素の１つ又はそれ以上を含む導電性材料を、前記電気配線上に形成する過程と、
前記導電性材料の近傍に有機金属前駆体を設ける過程と、
前記前駆体から金属を放出するために、前記前駆体を還元性雰囲気に晒す過程と、
第１キャパシタ電極を形成するために、前記導電性材料上に前記放出された金属を堆積する過程と、
前記第１キャパシタ電極上に誘電体材料を形成する過程と、
前記誘電体材料上に第２キャパシタ電極を形成する過程であって、前記第２キャパシタ電極は金属を含み、前記誘電体材料は酸素を含み、前記第２キャパシタ電極を形成する過程は、金属含有前駆体を酸化雰囲気に晒す過程を含む、第２キャパシタ電極を形成する過程と、
を具備するキャパシタの形成方法。 - 前記誘電体材料は、Ｔａ２Ｏ５を含み、前記第２キャパシタ電極を形成する過程は、金属含有前駆体をＮ２Ｏ、Ｏ２又はＯ３の１つ又はそれ以上に晒す過程からなる請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、ＴｉＮで構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、Ｔｉ元素で構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、ＷＮで構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、Ｗ元素で構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、ＴａＮで構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記導電性材料は、Ｔａ元素で構成され、前記放出されて堆積された金属は、前記導電性材料に物理的に接触している請求項２４に記載の方法。
- 前記誘電体材料は、高誘電体材料からなる請求項２４に記載の方法。
- 前記誘電体材料は、Ｔａ２Ｏ５からなる請求項２４に記載の方法。
- キャパシタの形成方法であって、該方法は、
導電性材料を支持する半導体基板を設ける過程と、
前記導電性材料の近傍に有機金属前駆体を設ける過程と、
前記前駆体から金属を放出するために、前記前駆体を還元性雰囲気に晒す過程と、
第１キャパシタ電極を形成するために、前記導電性材料上に放出された材料を堆積する過程と、
前記第１キャパシタ電極上に誘電体材料を形成する過程と、
前記誘電体材料上に第２キャパシタ電極を形成する過程と、を具備し、
前記第２キャパシタ電極は金属を含み、前記誘電体材料は酸素を含み、前記第２キャパシタ電極を形成する過程は、金属含有前駆体を酸化雰囲気に晒す過程を含むキャパシタの形成方法。
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