JP2006032734A - Ferroelectric memory and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、強誘電体メモリおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a ferroelectric memory and a method for manufacturing the same.
近年、強誘電体膜の備える分極保持特性を利用したメモリ素子の技術開発が活発に行われている。この強誘電体メモリを構成するため、通常は強誘電体容量形成の後に、層間膜、スルーホール、配線、パッシベーションなどを形成する必要がある。しかしながら、強誘電体膜の性質はこれらの工程を経ることによって容易に変化し、これにより強誘電体メモリの性能や信頼性が低下することが知られている。そのため、強誘電体容量形成後にこれらの工程を経ることによる強誘電体膜の特性の変化が最小限になるようなメモリ素子の構成及び製造方法が望まれている。 In recent years, technological development of memory elements using polarization maintaining characteristics provided in a ferroelectric film has been actively conducted. In order to constitute this ferroelectric memory, it is usually necessary to form an interlayer film, a through hole, a wiring, a passivation and the like after forming the ferroelectric capacitor. However, it is known that the properties of the ferroelectric film are easily changed through these steps, thereby reducing the performance and reliability of the ferroelectric memory. Therefore, there is a demand for a memory element configuration and manufacturing method that minimizes changes in the characteristics of the ferroelectric film due to these steps after formation of the ferroelectric capacitor.
かかる強誘電体膜の特性変化を引き起こす要因としては、半導体プロセス中の還元雰囲気による酸化物強誘電体膜の還元劣化や応力に起因する強誘電体膜の格子歪みによる分極特性の変化等が一般に知られている。 Factors that cause changes in the characteristics of such ferroelectric films are generally reduction degradation of oxide ferroelectric films due to reducing atmospheres during semiconductor processes and changes in polarization characteristics due to lattice distortion of ferroelectric films caused by stress. Are known.
かかる問題を解決する強誘電体記憶装置の一例が特許文献1に記載されている。 An example of a ferroelectric memory device that solves such a problem is described in Patent Document 1.
特許文献1記載の技術によれば、下部電極、強誘電体膜、上部電極を順次積層して得られる強誘電体容量上に窒化アルミニウム(AlN)あるいは窒化チタン(TiN)からなる水素保護膜が形成されている。ここで、AlN及びTiNは膜密度が比較的高く水素を透過させ難いという性質がある。そのため、水素が強誘電体膜にまで到達して還元反応が起こることを抑制する効果がある。 According to the technique described in Patent Document 1, a hydrogen protective film made of aluminum nitride (AlN) or titanium nitride (TiN) is formed on a ferroelectric capacitor obtained by sequentially laminating a lower electrode, a ferroelectric film, and an upper electrode. Is formed. Here, AlN and TiN have a property that the film density is relatively high and it is difficult for hydrogen to permeate. Therefore, there is an effect of suppressing hydrogen from reaching the ferroelectric film and causing a reduction reaction.
また、AlN及びTiNは導電性を有するため、容量コンタクトを開口する際にこの部分の水素保護膜を除去する必要が無い。よって水素保護膜の遮蔽効果を損なうことなく容量コンタクトを開口することが出来る。 Further, since AlN and TiN have conductivity, it is not necessary to remove this portion of the hydrogen protective film when opening the capacitor contact. Therefore, it is possible to open the capacitor contact without impairing the shielding effect of the hydrogen protective film.
しかしながら、上記文献記載の従来技術は、以下の点で改善の余地を有していた。 However, the prior art described in the above literature has room for improvement in the following points.
特許文献1の図1においては、強誘電体膜の表面は全て平坦に記載されている。しかしながら、実際には強誘電体膜は多結晶の状態で用いられる場合が多く、表面には凹凸が存在する。特に強誘電体膜が柱状結晶構造である場合は、成長速度の遅い結晶面が表面に現れてファセットが構成され、そのファセットの境界部で鋭角の凹凸が生じる。 In FIG. 1 of Patent Document 1, all surfaces of the ferroelectric film are described flat. However, in practice, the ferroelectric film is often used in a polycrystalline state, and there are irregularities on the surface. In particular, when the ferroelectric film has a columnar crystal structure, a crystal plane with a slow growth rate appears on the surface to form facets, and acute-angle irregularities occur at the boundary portions of the facets.
図12は、強誘電体膜表面の凹凸を考慮して、強誘電体容量を記載した断面図である。水素保護膜13は凹凸のある上部電極11上に形成される。水素保護膜13の形成には、水素を放出しない成膜方法であるスパッタ法などが用いられる。しかしながら、スパッタ法では凹凸のある表面に均一に成長させることは難しく、特に上部電極11の凹部において水素保護膜13の膜中にシーム14やボイド15などが形成される場合がある。ここで、シーム14やボイド15が形成された箇所では水素保護膜13の膜厚が局所的に薄くなるため、水素のリークパスになりやすいと考えられる。
FIG. 12 is a cross-sectional view illustrating a ferroelectric capacitor in consideration of irregularities on the surface of the ferroelectric film. The hydrogen
また、図13は、かかる強誘電体容量の上に容量カバー膜16を形成し、容量コンタクト17を開口した状態を示す断面図である。上部電極11および水素保護膜13を確実に導通するためには、容量コンタクト17を開口する際のエッチングを、水素保護膜13の凹部が露出するまで行う必要がある。そのため、凸部ではエッチング時間が過剰となり、水素保護膜13が局所的に薄くなる。また、その他の箇所においても、容量コンタクト17を開口する時に水素保護膜13の表面がエッチングされることにより、水素保護膜13中に存在していたシーム14の開口部が広がったり、ボイド15が表面に露出したりすることにより、それぞれの部分における水素保護膜13の膜厚がさらに薄くなり、より水素を透過させやすくなるものと考えられる。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a state in which the
以上のように、従来の技術においては、水素保護膜13が凹凸のある上部電極11上に形成されることによって、水素保護膜13に局所的な水素のリークパスが発生しやすくなり、リークパスを介して浸入した水素によって強誘電体膜10が還元されるという点で改善の余地を有していた。
As described above, in the conventional technique, the hydrogen
ここで、水素保護膜13中に存在する水素のリークパスの面密度が増大すると、このリークパスを含有する強誘電体容量の割合が増加し、歩留まりの低下を招く。そのため、かかるリークパスの面密度を減少させることが必要である。
Here, when the surface density of the hydrogen leak path existing in the hydrogen
上記の課題を解決する方法の一つの例として、強誘電体膜表面の平坦化が考えられており、強誘電体膜の凹部での電界集中に起因するリーク電流の抑制、強誘電体膜の微視的な膜厚ばらつきによる分極特性のばらつきの抑制などを目的とした技術が存在する。また、かかる従来技術のうち、強誘電体膜の分極特性を損なうことなく平坦化を目指した技術としては、特許文献2〜特許文献4に記載された技術等が挙げられる。しかしながら、いずれも650℃以上の高温での熱処理が必要であったり、平坦化のための特別な機構を有する装置を用意する必要がある等の制約があるという点で改善の余地を有していた。 As one example of a method for solving the above-described problem, flattening of the surface of the ferroelectric film is considered, suppressing leakage current due to electric field concentration in the concave portion of the ferroelectric film, There is a technique for the purpose of suppressing variations in polarization characteristics due to microscopic film thickness variations. Among such conventional techniques, techniques aiming at flattening without impairing the polarization characteristics of the ferroelectric film include the techniques described in Patent Documents 2 to 4. However, all have room for improvement in that there are restrictions such as the necessity of heat treatment at a high temperature of 650 ° C. or higher or the need to prepare a device having a special mechanism for flattening. It was.
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、強誘電体メモリの信頼性を向上させる技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a technique for improving the reliability of a ferroelectric memory.
本発明によれば、半導体基板と、該半導体基板上に設けられ、下部電極と、強誘電体膜と、上部電極と、水素保護膜とが、この順に積層してなる強誘電体キャパシタと、を備え、上部電極の水素保護膜と接する側の面の平坦度が、強誘電体膜の上部電極と接する側の面の平坦度よりも大きいことを特徴とする強誘電体メモリが提供される。 According to the present invention, a semiconductor substrate, a ferroelectric capacitor provided on the semiconductor substrate, in which a lower electrode, a ferroelectric film, an upper electrode, and a hydrogen protective film are stacked in this order; There is provided a ferroelectric memory characterized in that the flatness of the surface of the upper electrode on the side in contact with the hydrogen protective film is larger than the flatness of the surface of the ferroelectric film on the side in contact with the upper electrode. .
本発明によれば、上部電極の水素保護膜と接する側の面の平坦度が、強誘電体膜の上部電極と接する側の面の平坦度よりも大きいことにより、強誘電体キャパシタへの水素の浸入を抑制することを目的として形成される水素保護膜の水素バリア性を向上させることができる。したがって、強誘電体メモリの歩留まりおよび特性を向上させることができる。この結果、強誘電体メモリの信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, the flatness of the surface of the upper electrode in contact with the hydrogen protective film is larger than the flatness of the surface of the ferroelectric film on the side in contact with the upper electrode. It is possible to improve the hydrogen barrier property of the hydrogen protective film formed for the purpose of suppressing the intrusion of. Therefore, the yield and characteristics of the ferroelectric memory can be improved. As a result, the reliability of the ferroelectric memory can be improved.
本発明によれば、半導体基板を用意する工程と、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、上部電極上に膜を形成する工程と、膜上に水素保護膜を形成する工程と、を含み、膜が上部電極の少なくとも一部を埋め込むことを特徴とする強誘電体メモリの製造方法が提供される。 According to the present invention, a step of preparing a semiconductor substrate, a step of forming a lower electrode on the semiconductor substrate, a step of forming a ferroelectric film on the lower electrode, and an upper electrode on the ferroelectric film And a step of forming a film on the upper electrode, and a step of forming a hydrogen protective film on the film, wherein the film embeds at least a part of the upper electrode. A manufacturing method is provided.
本発明によれば、膜が上部電極の少なくとも一部を埋め込むため、上部電極の上面が強誘電体膜の上面よりも平坦になり、強誘電体キャパシタへの水素の浸入を抑制することを目的として形成される水素保護膜の水素バリア性を向上させることができる。したがって、効率的に強誘電体メモリの歩留まりおよび特性を向上させることができる。この結果、効率的に強誘電体メモリの信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, since the film embeds at least a part of the upper electrode, the upper surface of the upper electrode becomes flatter than the upper surface of the ferroelectric film, and the purpose is to suppress the intrusion of hydrogen into the ferroelectric capacitor. The hydrogen barrier property of the hydrogen protective film formed as can be improved. Therefore, the yield and characteristics of the ferroelectric memory can be improved efficiently. As a result, the reliability of the ferroelectric memory can be improved efficiently.
本発明によれば、半導体基板を用意する工程と、半導体基板上に下部電極を形成する工程と、下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、上部電極を平坦化する工程と、上記工程において平坦化された上部電極上に水素保護膜を形成する工程と、を含むことを特徴とする強誘電体メモリの製造方法が提供される。 According to the present invention, a step of preparing a semiconductor substrate, a step of forming a lower electrode on the semiconductor substrate, a step of forming a ferroelectric film on the lower electrode, and an upper electrode on the ferroelectric film And a step of flattening the upper electrode, and a step of forming a hydrogen protective film on the flattened upper electrode in the above step. The
本発明によれば、上部電極を平坦化し、平坦化された上部電極上に水素保護膜を形成するため、上部電極の上面が強誘電体膜の上面よりも平坦になり、強誘電体キャパシタへの水素の浸入を抑制することを目的として形成される水素保護膜の水素バリア性を向上させることができる。したがって、効率的に強誘電体メモリの歩留まりおよび特性を向上させることができる。この結果、効率的に強誘電体メモリの信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, since the upper electrode is flattened and the hydrogen protective film is formed on the flattened upper electrode, the upper surface of the upper electrode becomes flatter than the upper surface of the ferroelectric film. The hydrogen barrier property of the hydrogen protective film formed for the purpose of suppressing the intrusion of hydrogen can be improved. Therefore, the yield and characteristics of the ferroelectric memory can be improved efficiently. As a result, the reliability of the ferroelectric memory can be improved efficiently.
本発明によれば、強誘電体メモリの信頼性を向上させる技術が提供される。 According to the present invention, a technique for improving the reliability of a ferroelectric memory is 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.
第1の実施の形態
図1に、本実施形態に係る強誘電体メモリ100のメモリセル部の断面図を示す。メモリセルは、半導体基板101と、半導体基板101上に設けられ、拡散層102とゲート電極103とを含むメモリセルトランジスタ130と、SiO2などにより構成される層間絶縁膜107内に設けられた第1メタル配線105と、SiO2などにより構成される容量カバー膜116内に設けられた強誘電体キャパシタである強誘電体容量素子132と、強誘電体容量素子132の上に設けられたSiO2、Si3N4などにより構成されるパッシベーション膜119内の第2メタル配線118とを有する。拡散層102と第1メタル配線105とは第1プラグ104を介して接続され、第1メタル配線105と強誘電体容量素子132とは第2プラグ106を介して接続され、強誘電体容量素子132と第2メタル配線118とは容量コンタクト117を介して接続されている。
First Embodiment FIG. 1 is a sectional view of a memory cell portion of a
図2は、図1の強誘電体容量素子132の部分を拡大した断面図である。強誘電体容量素子132は、下から、層間絶縁膜107中のプラグ106と電気的に接続され、導電性を有する下部バリア膜108、下部電極109、強誘電体膜110、上部電極111、膜である第2上部電極112、水素保護膜113の順に積層されて形成されている。ここで、第2上部電極112は上部電極111の表面の一部を埋め込むように形成されており、主に上部電極111の上面に設けられている凹部の底部を埋め込むように形成されている。かかる上部電極111と第2上部電極112とで構成される膜の表面は、強誘電体膜110の表面よりも平坦度が大きくなっている。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the
ここで、平坦度flatness(v)とは、点vに対し、vの周りの点の位置の分布からvの平坦の度合いを表す指標であり、次の式のように定義することができる。 Here, the flatness flatness (v) is an index representing the degree of flatness of v from the distribution of the positions of points around v with respect to the point v, and can be defined as the following equation.
flatness(v)=N(v) ・・(1) flatness (v) = N (v) (1)
ここで、N(v)とは、平面の特徴を表す関数(面積、法線ベクトル、点の数など)のことである。 Here, N (v) is a function (area, normal vector, number of points, etc.) representing the features of the plane.
また、上部電極111と第2上部電極112とで構成される膜の表面は、少なくとも強誘電体膜110の表面よりも平坦度が大きくなっているとは、上部電極111の表面に存在する凹部の平均アスペクト比が強誘電体膜110の表面に存在する凹部の平均アスペクト比よりも大きいこととして定義してもよい。ここで、凹部とは、たとえば、上部電極111の表面形状を数式化したときに極小値を含む部分と、凹関数から凸関数への変曲点と、凸関数から凹関数への変曲点とを含む部分のことをさし、凹部の平均アスペクト比とは、凹部における横方向の長さと縦方向の長さとの比のことをさす。また、凹部の底部とは極小値を含む部分の近傍のことをさす。
Further, the surface of the film composed of the
さらに、上部電極111と第2上部電極112とで構成される膜の表面は、少なくとも強誘電体膜110の表面よりも平坦度が大きくなっているとは、上部電極111の表面に存在する凹部の面密度が強誘電体膜110の表面に存在する凹部の面密度よりも小さいこととして定義してもよい。ここで、凹部の面密度とは、たとえば、上部電極111の表面に存在する凹部の数を上部電極111の表面積で除したものである。
Furthermore, the surface of the film composed of the
さらにまた、上部電極111と第2上部電極112とで構成される膜の表面は、少なくとも強誘電体膜110の表面よりも平坦度が大きくなっているとは、上部電極111の表面に存在する凸部の平均高さが強誘電体膜110の表面に存在する凸部の平均高さよりも小さいこととして定義してもよい。ここで、凸部とは、たとえば、上部電極111の表面形状を数式化したときに、極大値を含む部分と、凹関数から凸関数への変曲点と、凸関数から凹関数への変曲点とを含む部分のことをさし、凸部の平均高さとは、たとえば、上部電極111の表面に存在する凸部の高さを平均したものである。
Furthermore, the fact that the surface of the film composed of the
下部バリア膜108は、TiおよびTiNの積層膜により構成され、下部電極109を形成する際に層間絶縁膜107へ下部電極109を構成する成分が拡散することを抑制する機能を有する。
The
下部電極109は、たとえば、Ruなどにより構成され、強誘電体膜110は、たとえば、PZT(PbZrxTi1−xO3)などの分極保持特性を有する膜により構成され、上部電極111は、たとえば、Ruなどにより構成されている。
The
強誘電体膜110が、分極保持特性を有する膜により構成されることにより、強誘電体メモリ100を不揮発性のメモリ素子とすることができる。
Since the
第2上部電極112は、たとえば、TiN、AlNなどの導電性を有する材料などにより構成されており、上部電極111の上側の面を強誘電体膜110の上側の面よりも平坦化するために設けられる。ここで、上部電極111を構成する材料としてRuを用いた場合には、Ruは強誘電体容量素子132の電極として用いられる白金族元素としては例外的に、酸素ラジカルを用いることによって容易にエッチングすることが可能であるが、この場合エッチングは等方的に進行するため、制御性良く上部電極111の平坦化を行うことは容易ではない。したがって、制御性良く平坦化を行う目的で用いられる第2上部電極112を構成する材料としては、上部電極111よりも容易に加工できる材料を用いることが好ましく、なかでも、TiNやAlNは、TiやAlがClラジカルと容易に反応し、比較的蒸気圧が高い生成物を生じるため特に好ましく用いられる。
The second
水素保護膜113を構成する材料としては、膜密度が高く、水素を容易には透過させず、化学的に安定であり、導電性を有する材料が用いられ、たとえば、TiNあるいはAlNなどが用いられる。また、前述のように、第2上部電極112を構成する材料として、導電性を有し、水素バリア性を有する材料などを用いてもよい。したがって、第2上部電極112と水素保護膜113とを同一の材料で構成してもよい。
As a material constituting the hydrogen
以下、図3を参照して本実施形態に係る強誘電体メモリ100の製造方法の一例を説明する。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the
通常の半導体集積回路の製造プロセスにより、半導体基板101上に拡散層102およびゲート電極103を備えるMOSトランジスタであるメモリセルトランジスタ130、第1プラグ104、第1メタル配線105が形成される。第1メタル配線105上には、第2プラグ106が層間絶縁膜107の表面に達するように形成される(図3 (a))。続いて第2プラグ106上に強誘電体容量素子132を形成する(図3(b))。
Through a normal semiconductor integrated circuit manufacturing process, a
強誘電体容量素子132の形成方法を、強誘電体容量素子132の部分の製造方法を示した工程断面図である図5を用いて詳しく説明する。
A method for forming the
図5(a)に示すように、層間絶縁膜107上にTiおよびTiNの積層膜などからなる下部バリア膜108、たとえば、Ruなどからなる下部電極109、PZT(Pb(Zr,Ti)O3)などからなる強誘電体膜110、Ruなどからなる上部電極111、TiNなどからなる第2上部電極112を、スパッタ法などを用いて、下からこの順に成膜する。
As shown in FIG. 5A, on the
次に、ドライエッチング法などを用いて、BCl3、Cl2などの水素原子を含まないガスにより、第2上部電極112をエッチバックする(図5(b))。エッチバックの際、上部電極111の一部が表面に露出するように、第2上部電極112のエッチング量を調整する。ついで、第2上部電極112上に、たとえばTiNなどからなる水素保護膜113を形成する(図5(c))。
Next, using a dry etching method or the like, the second
続いて、上記工程により形成した積層膜である水素保護膜113を、既知の技術を用いてエッチング等することにより強誘電体容量素子132を形成する(図5(d))。
Subsequently, the ferroelectric
強誘電体容量素子132を形成した後の工程を図4に戻って説明する。強誘電体容量素子132上にSiO2膜などの膜を堆積した後、これを平坦化することにより容量カバー膜116を形成する。さらに、強誘電体容量素子132上に容量コンタクト117として、Wプラグを既知の技術を用いて形成する(図4(a))。
The process after forming the
次に、容量カバー膜116および容量コンタクト117の上に、第2メタル配線118、パッシベーション膜119を形成し、強誘電体メモリ100を完成する(図4(b))。
Next, a
以下、本実施形態に係る強誘電体メモリ100の効果を説明する。
Hereinafter, effects of the
前述の従来の技術においては、水素保護膜13が凹凸のある上部電極11上に形成されることによって、水素保護膜13に局所的な水素のリークパスが発生しやすくなり、リークパスを介して浸入した水素によって強誘電体膜10が還元されるという点で改善の余地を有していた。また、強誘電体膜10の還元を抑制し、水素のリークパスの発生を抑制する技術として強誘電体膜10上面の平坦化が挙げられるが、特殊な装置を準備する必要や高温での熱処理を必要とするという点で改善の余地を有していた。これに対して、強誘電体メモリ100においては、上部電極111上に形成される第2上部電極112が、第2上部電極112をエッチバックなどすることにより、上部電極111および第2上部電極112により構成される表面の平坦性を得ることを目的として形成される。すなわち、上部電極111を構成する材料として、化学的に安定な白金族の元素が用いられることが多いため、上部電極111は加工が難しく、上部電極111をエッチバックにより平坦化することは容易ではないからである。また、水素保護膜113は、上部電極111および第2上部電極112により構成される平坦化された面上に形成される。したがって、前述の従来技術における改善の余地である水素保護膜中のシーム、ボイドなどの不具合の発生や、容量コンタクト117を開口する際に凸部の水素保護膜が過度にエッチングされることを抑制することができる。また、特殊な装置を準備する必要性や高温での熱処理を行う必要性が低い。そのため、水素保護膜における水素のリークパスの発生が効果的に抑制され、後工程における水素雰囲気曝露による強誘電体膜110の還元劣化を抑制することができる。したがって、強誘電体容量素子132への水素の浸入を抑制することを目的として強誘電体容量素子132の上に形成される水素保護膜113の水素バリア性を十分に発揮させることができる。この結果、効率的に強誘電体メモリ100の歩留まりおよびデータ保持特性を向上させることができる。
In the above-described conventional technique, the hydrogen
また、膜である第2上部電極112が上部電極111の凹部を埋め込むことにより、上部電極111の凹部が第2上部電極112により埋設されるため、上部電極111および第2上部電極112により構成される面の平坦性を、より得ることができる。そのため、容量コンタクトを開口する時に凸部の水素保護膜が過度にエッチングされることを、より抑制することができる。したがって、水素保護膜に発生していた水素のリークパスの発生が、より効率的に抑制され、後工程における水素雰囲気曝露による強誘電体膜の還元劣化を、より抑制することができる。この結果、強誘電体容量素子132への水素の浸入を抑制することを目的として強誘電体容量素子132の上に形成される水素保護膜113の水素バリア性を、より発揮させることができる。
Further, since the second
また、第2上部電極112のエッチバック量の最適値は、強誘電体膜110上面の凹凸の形状、上部電極111の形状、および第2上部電極112の形状などに大きく依存するものと考えられる。そのため、エッチング量を上部電極111の上面の一部が露出する範囲内とすることによって、より平坦な面が得られるものと考えられる。
Further, the optimum value of the etch back amount of the second
第2の実施の形態
図6に本実施形態に係る強誘電体メモリ100の、強誘電体容量素子132の断面図を示す。本実施形態において、平坦度および平坦度が大きくなっていることの定義は第1の実施の形態に記載したものと同様である。
Second Embodiment FIG. 6 shows a cross-sectional view of a
第1の実施の形態においては、図2に示すように、第2上部電極112が上部電極111上の一部のみを被覆して埋め込んでいるのに対し、本実施形態においては第2上部電極112のほぼ全面を被覆している点で第1の実施の形態と異なる。
In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the second
図7は、本実施形態に係る強誘電体メモリ100の構成要素である強誘電体容量素子132の部分の製造方法を示す工程断面図である。強誘電体容量素子132以外の製造工程は、第1の実施の形態において説明した製造方法と同一である。
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating a method of manufacturing a portion of the
第1の実施の形態においては、図5(b)に示すように、第2上部電極112をエッチバックする際のエッチング量を、上部電極111の一部が表面に露出するように設定していた。これに対し、本実施形態においては、図7(b)に示すように、たとえばエッチング時間を短縮することなどにより、第2上部電極112をエッチバックする際のエッチング量を設定し、上部電極111が露出されずに上部電極111の上面全面が第2上部電極112に覆われるようにしている。
In the first embodiment, as shown in FIG. 5B, the etching amount when etching back the second
ここで、第2上部電極112のエッチング量の最適値は、強誘電体膜110上面の凹凸の形状や上部電極111の被覆形状および第2上部電極112の被覆形状などに大きく依存すると考えられる。そのため、強誘電体膜110、上部電極111および第2上部電極112の形状や状態によっては、第2上部電極112によって上部電極112の上面全面を被覆することによって、上面電極111および第2上部電極112により構成される面を、より平坦化させることが可能である。この場合、エッチバック膜厚は上部電極111が露出しない範囲に設定すればよいため、エッチバック膜厚の許容範囲が広がる。これにより、エッチバック工程において、エッチバック膜厚のバラツキが許容範囲内に入る確率が向上する。したがって、エッチバック工程の、より高い再現性を得ることができる。
Here, the optimum value of the etching amount of the second
第3の実施の形態
図8に、本実施形態に係る強誘電体メモリ100の強誘電体容量素子132の部分の断面図を示す。強誘電体容量素子132の構成要素は第1の実施形態と同一である。本実施形態は、第2上部電極112を形成しない点において第1の実施の形態と異なる。なお、本実施形態において、平坦度および平坦度が大きくなっていることの定義は第1の実施の形態に記載したものと同様である。
Third Embodiment FIG. 8 is a sectional view of a portion of a
本実施形態に係る強誘電体容量素子132は、下部バリア膜108、下部電極109、強誘電体膜110、上部電極111、水素保護膜113が下から順に積層されて構成される。上部電極111は強誘電体膜110の上面のほぼ全面を被覆し、かつ、上部電極111の上面は少なくとも強誘電体膜110の上面よりも平坦である。
The
図9は本実施形態における強誘電体メモリ100の構成要素である強誘電体容量素子132の部分の製造方法の一例を示す工程断面図である。強誘電体容量素子132以外の製造方法は第1の実施の形態と同一である。
FIG. 9 is a process cross-sectional view illustrating an example of a method of manufacturing a portion of the
図9(a)に示すように、層間絶縁膜107上に、下から、TiNなどにより構成される下部バリア膜108、Ruなどからなる下部電極109、PZT(PbZrxTi1−xO3)などからなる強誘電体膜110、Ruなどからなる上部電極111をこの順に積層する。次に、ドライエッチング法などによって上部電極111をエッチングする(図9(b))。上部電極111のエッチング時間は強誘電体膜110の上面が露出しない範囲に設定する。
As shown in FIG. 9A, a
ここで、上部電極111表面の凸部は凹部と比較して、エッチングガスが衝突しやすいため、凸部が優先的にエッチングされ、面の平坦性が向上する。
Here, since the convex portion on the surface of the
ついで、平坦化された上部電極111上にTiNからなる水素保護膜113を形成する(図9(c))。続いて、積層膜である水素保護膜113を既知の技術を用いてエッチングすることにより強誘電体容量素子132を得る(図9(d))。
Next, a hydrogen
上部電極111のエッチング時間やエッチング条件を強誘電体膜110の上面が露出しない範囲であり、かつ、上部電極111の上面の凸部がエッチングされることにより上部電極111上面の平坦性が向上する範囲に設定することにより、第2上部電極を形成することなく上部電極111を平坦化することができる。そのため、第2上部電極を形成する製造工程を減少させることができる。したがって、効率的に水素リークパスの面密度を減少させることができ、強誘電体メモリ100の歩留まりおよびデータ保持特性を効率的に向上させることができる。
The etching time and etching conditions of the
第4の実施の形態
図10に、本実施形態に係る強誘電体メモリ100の強誘電体容量素子132の部分の断面図を示す。本実施形態に係る強誘電体容量素子132は、下部バリア膜108、下部電極109、強誘電体膜110、上部電極111、水素保護膜113が、下からこの順に積層されている。上部電極111は強誘電体膜110の上面を被覆し、かつ、その上面は少なくとも強誘電体膜110の上面よりも平坦である。ここで、上部電極111は積層膜であってもよいし、単層膜であってもよい。なお、本実施形態において、平坦度および平坦度が大きくなっていることの定義は第1の実施の形態に記載したものと同様である。
Fourth Embodiment FIG. 10 is a sectional view of a portion of a
図11は本実施形態における強誘電体メモリ100の構成要素である強誘電体容量素子132の部分の製造工程の一例を示す工程断面図である。強誘電体容量素子132の部分以外の製造工程は第1の実施の形態と同一である。
FIG. 11 is a process sectional view showing an example of a manufacturing process of a portion of the
図11(a)に示すように、層間絶縁膜上107上に、TiNなどにより構成される下部バリア膜108、Ruなどからなる下部電極109、PZT(PbZrxTi1−xO3)などからなる強誘電体膜110、Ruなどからなる上部電極111を下からこの順に形成する。次に、化学的機械的研磨(CMP)技術を用いて上部電極111の上面を平坦化する(図11(b))。ついで、平坦化された上部電極111上にTiNなどからなる水素保護膜113を形成する(図11(c))。続いて、水素保護膜113を既知の技術を用いてエッチングすることにより強誘電体容量素子132を得る(図11(d))。
As shown in FIG. 11A, a
本実施形態において、上部電極111の平坦化にCMP技術を用いることにより、平坦な上部電極111の上面を得ることができる。そのため、上部電極111上に形成される水素保護膜113の微視的な膜厚均一性が、より向上し、水素のリークパスが、より減少する。したがって、強誘電体容量素子132への水素の浸入を防止することを目的として強誘電体容量素子132の上面に形成される水素保護膜113の水素バリア性を発揮させることが出来る。この結果、強誘電体メモリ100の歩留まりおよびデータ保持特性を向上させることができる。
In the present embodiment, a flat upper surface of the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
たとえば、上記実施形態においては、水素保護膜113を構成する材料としてAlNやTiNなどのように導電性を有する材料を用いた形態について説明したが、水素を透過し難い性質を有する材料であり、水素保護膜113の遮蔽効果を損なうことなく容量コンタクト117を開口することができる材料であればよい。
For example, in the above-described embodiment, the form using a conductive material such as AlN or TiN as the material constituting the hydrogen
また、上記実施形態においては、第2上部電極112を構成する材料として、TiNやAlNなどを用いる形態について説明したが、上部電極111よりも容易に加工できる材料であり、制御性良く平坦化を行うことができる材料であればよい。
In the above-described embodiment, the form using TiN, AlN, or the like as the material constituting the second
また、第3の実施の形態および第4の実施の形態においては、平坦化の方法としてエッチングまたはCMPプロセスを用いたが、他の方法であっても上部電極111を平坦化できる方法であればよい。
In the third and fourth embodiments, the etching or CMP process is used as the planarization method. However, any other method can be used as long as the
100 強誘電体メモリ
101 半導体基板
102 拡散層
103 ゲート電極
104 プラグ
105 メタル配線
106 プラグ
107 層間絶縁膜
108 下部バリア膜
109 下部電極
110 強誘電体膜
111 上部電極
112 第2上部電極
113 水素保護膜
116 容量カバー膜
117 容量コンタクト
118 メタル配線
119 パッシベーション膜
130 メモリセルトランジスタ
132 強誘電体容量素子
DESCRIPTION OF
Claims (9)
該半導体基板上に設けられ、下部電極と、強誘電体膜と、上部電極と、水素保護膜とが、この順に積層してなる強誘電体キャパシタと、
を備え、
前記上部電極の前記水素保護膜と接する側の面の平坦度が、前記強誘電体膜の前記上部電極と接する側の面の平坦度よりも大きいことを特徴とする強誘電体メモリ。 A semiconductor substrate;
A ferroelectric capacitor provided on the semiconductor substrate, in which a lower electrode, a ferroelectric film, an upper electrode, and a hydrogen protective film are stacked in this order;
With
A ferroelectric memory characterized in that the flatness of the surface of the upper electrode in contact with the hydrogen protective film is larger than the flatness of the surface of the ferroelectric film on the side in contact with the upper electrode.
前記上部電極と前記水素保護膜との間に膜を備え、
前記上部電極の上面の少なくとも一部が、前記膜により埋め込まれていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to claim 1, wherein
A film is provided between the upper electrode and the hydrogen protective film,
A ferroelectric memory characterized in that at least a part of the upper surface of the upper electrode is buried with the film.
前記上部電極の前記面の上部に設けられている凹部の底部が、前記膜により埋め込まれていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to claim 2, wherein
2. A ferroelectric memory according to claim 1, wherein a bottom portion of a concave portion provided on the upper surface of the upper electrode is filled with the film.
前記上部電極の上面全面が、前記膜により覆われていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to claim 2 or 3,
A ferroelectric memory characterized in that the entire upper surface of the upper electrode is covered with the film.
前記上部電極が平坦化されていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to any one of claims 1 to 4,
A ferroelectric memory characterized in that the upper electrode is flattened.
前記上部電極がCMP法を用いて平坦化されていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to claim 5, wherein
A ferroelectric memory, wherein the upper electrode is planarized using a CMP method.
前記上部電極がエッチングを用いて平坦化されていることを特徴とする強誘電体メモリ。 The ferroelectric memory according to claim 5, wherein
A ferroelectric memory, wherein the upper electrode is planarized by etching.
前記半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極上に膜を形成する工程と、
前記膜上に水素保護膜を形成する工程と、
を含み、
前記膜が前記上部電極の少なくとも一部を埋め込むことを特徴とする強誘電体メモリの製造方法。 Preparing a semiconductor substrate; and
Forming a lower electrode on the semiconductor substrate;
Forming a ferroelectric film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the ferroelectric film;
Forming a film on the upper electrode;
Forming a hydrogen protective film on the film;
Including
A method of manufacturing a ferroelectric memory, wherein the film embeds at least a part of the upper electrode.
前記半導体基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に強誘電体膜を形成する工程と、
前記強誘電体膜上に上部電極を形成する工程と、
前記上部電極を平坦化する工程と、
前記工程において平坦化された上部電極上に水素保護膜を形成する工程と、
を含むことを特徴とする強誘電体メモリの製造方法。 Preparing a semiconductor substrate; and
Forming a lower electrode on the semiconductor substrate;
Forming a ferroelectric film on the lower electrode;
Forming an upper electrode on the ferroelectric film;
Planarizing the upper electrode;
Forming a hydrogen protective film on the upper electrode planarized in the step;
A method for manufacturing a ferroelectric memory, comprising:
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- 2004-07-16 JP JP2004210774A patent/JP2006032734A/en active Pending
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