JP2007511905A

JP2007511905A - 強誘電体キャパシタデバイスおよびＦｅＲＡＭデバイス

Info

Publication number: JP2007511905A
Application number: JP2006539440A
Authority: JP
Inventors: ヒーリガー，アンドレアス; ライアン，ジェニー
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2007-05-10
Also published as: DE112004002180T5; US20050106759A1; US7002196B2; KR100867376B1; WO2005048324A1; KR20060096079A

Abstract

１つ以上のコンタクトプラグが通過して延びている基板と、上記基板上に形成された第１の層間絶縁膜とから、強誘電体キャパシタデバイス（例えばＦｅＲＡＭデバイス）が形成されている。上記第１の層間絶縁膜上にはスペーサ層が形成されていて、このスペーサ層上には第１の酸素バリア層が形成されていて、この第１の酸素バリア層上にはバッファ層が形成されている。上記バッファ層上において、上記バッファ層と上記コンタクトプラグとの間に下地材料の層が形成されていて、第１の電極と第２の電極との間に誘電体層が挟まれている。上記デバイスに第２の酸素バリア層が塗布される。上記スペーサ層があれば、上記下地材料と上記コンタクトプラグとの界面まで酸化が及ぶことが抑制される。なぜなら、上記界面が、上記第１の酸素バリア層の下に位置しているからである。この結果、電気コンタクトが破損することはない。

Description

発明の詳細な説明

〔本発明の分野〕
本発明は、強誘電体キャパシタデバイスおよびＦｅＲＡＭデバイスを形成するためのデバイスおよび方法に関する。特に、本発明は、例えば、ＦｅＲＡＭデバイスなどの強誘電体キャパシタデバイス内にあるコンタクトプラグの酸化を抑制するためのデバイスおよび方法に関する。

〔本発明の背景〕
図１に示すＦｅＲＡＭなどの従来のキャパシタ・オン・プラグ（capacitor on plug; COP）デバイス１では、コンタクトプラグ２は、多層配線構造内の金属線間の垂直配線として用いられることが多い。一般的にはタングステンから形成されているコンタクトプラグ２は、上記デバイスの基板４内にあるアパーチャを通過している。デバイス１は、ＰＺＴなどの強誘電体材料６と、強誘電体層６上の上部電極７と、強誘電体層６下の下部電極８とをさらに有している。一般的にはイリジウム（Ｉｒ）またはチタニウム（Ｔｉ）ベースであるバリア層９は、下部電極８（ＢＥ）と基板４との間に配置されていることが多い。バリア層９は、酸素がプラグ２へ拡散した際の損傷を防ぐために、コンタクトプラグ２の上部に堆積されている。バリア層９は、下部電極８とコンタクトプラグ２との接触抵抗を改善させ、そして下部電極８と基板４との密着性を改善する接着層としても機能する。コンタクトプラグ２が通過して延びている基板４内のアパーチャは、接着層９に沿って並んでいる。

例えば酸化アルミニウムからなる酸素バリア層は、一般的には、完成したキャパシタの周囲に堆積されていて、キャパシタの接着層９沿いに浸透してこれを酸化させる酸素の量を減らす。これはプロセス中に最も起こりやすく、特に、酸素バリア層１０の断層に酸素が浸透する際において、酸素雰囲気中でのリカバリアニーリング（recovery annealing)のプロセス中に起こりやすい。酸素バリア層１０は、プラグ２に到達すると、下部電極８とプラグ２とのコンタクトを破損させ、これによってデバイスの故障が引き起こされる。

従来のプロセスおよびデバイスにおけるこのような問題に鑑みて、キャパシタ製造中の酸化を抑制するための方法が必要とされている。

〔本発明の概要〕
一般的には、本発明は、第１の層間絶縁膜と酸素バリア層との間に追加的な絶縁層を配置して、コンタクトプラグと下部電極との界面から上記酸素バリア層をさらに離すことによって上記界面を埋没させて、プロセス中に酸素反応を起こさないようにすることを提案する。

本発明は、コンタクトプラグと下部電極との界面を酸化から効果的に保護することによって、デバイスの歩留まりを改善する。

好ましい一形態では、デバイス周囲に追加的な酸素バリア層を塗布することによって、デバイスを酸素拡散からさらに保護する。

本発明の第１の形態によると、コンタクトプラグが通過して延びている基板と、当該基板上に搭載可能なキャパシタと、当該基板上に形成された第１の層間絶縁膜と、当該第１の層間絶縁膜上に形成されたスペーサ層と、当該スペーサ層上に形成された第１のバリア層と、当該第１のバリア層上に形成されたバッファ層と、当該バッファ層上において、当該バッファ層と上記コンタクトプラグとの間に形成された下地材料の層と、第１の電極と第２の電極との間にある誘電体層と、上記デバイス上に延びている第２のバリア層と、を含んだデバイスが提供されている。

本発明の第２の形態によると、上記デバイスを１つ以上含んだＦｅＲＡＭデバイスが提供されている。

本発明の第３の形態によると、基板を形成する工程と、当該基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、上記基板を通る１つ以上のコンタクトプラグを形成する工程と、上記第１の層間絶縁膜上にスペーサ層を形成する工程と、当該スペーサ層上に第１のバリア層を形成する工程と、当該第１のバリア層上にバッファ層を形成する工程と、当該バッファ層上において、当該バッファ層と上記１つ以上のコンタクトプラグとの間に下地材料の層を堆積して第１の電極を形成する工程と、当該第１の電極上に誘電体層を形成する工程と、上記誘電体層上に第２の電極を形成する工程と、上記デバイス上に延びる第２のバリア層を形成する工程と、を含んだ強誘電体キャパシタデバイスの形成方法が提供されている。

本発明の第４の形態によると、上記方法に従って形成された強誘電体キャパシタデバイスが提供されている。

本発明の第５の形態によると、上記方法に従って形成されたＦｅＲＡＭデバイスが提供されている。

〔図面の簡単な説明〕
次に、本発明の好ましい特徴について、例証することのみを目的として、図面を参照しながら説明する。図面は以下の通りである：
図１は、従来技術による強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

図２は、第１の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

図３は、第２の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

図４は、第３の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

図５は、第４の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
図２〜図５は、本発明の好ましい一実施形態に従った強誘電体キャパシタなどのデバイスの様々なプロセス段階を示している。

図２は、デバイス２０の製造プロセスの第１の段階を示す図である。デバイス２０は基板２１を有している。基板２１の裏面上には、デバイス２０のための、トランジスタなどの能動制御回路（図示せず）が散在している。基板２１の上部表面上に第１の層間絶縁膜２４が堆積され、この層間絶縁膜２４に化学機械研磨プロセスが加えられる。層間絶縁膜２４は、例えばホウ素ドープ・リン珪酸ガラス（boron-doped phosphosilicate glass; BPSG）から形成してもよい。

必要に応じて、層間絶縁膜２４に至るまでアパーチャをエッチングし、そしてイリジウム等の下地材料を用いて下地を付けることによって、上記能動制御回路へのコンタクトが形成される。次に、上記アパーチャにタングステン等の金属が充填されて、上記能動制御回路を上記強誘電体キャパシタへ接続するプラグ２６が形成される。

二酸化ケイ素またはＴＥＯＳなどの電気的絶縁材料からなる垂直スペーサ層２８が、第１の層間絶縁膜２４の表面上に堆積される。次に、例えば窒化ケイ素などの酸素拡散に耐性がある材料からなる酸素バリア層３０が垂直スペーサ層２８上に堆積されて、基板２１への酸素の浸透を抑制する。そして、例えば二酸化ケイ素からなるバッファ層３２が酸素バリア層３０上に塗布される。

図３は、製造プロセスの次の段階を示している。この工程は、ＲＩＥ（反応性イオンエッチ）を行って、垂直スペーサ層２８と、酸素バリア層３０と、バッファ層３２とを通ってコンタクトプラグ２６の最上部へ延びるアパーチャを形成する工程を含んでいる（図３、図４、および図５には、アパーチャの内の１つのみが示されている）。エッチングされた表面上と、コンタクトプラグ２６に至るまでエッチングされたアパーチャ内に、例えばイリジウムまたは酸化イリジウムからなる下地３３が堆積される。下地材料３３上に、例えばタングステンからなる導電性材料の層が堆積され、これによって上記アパーチャが充填されて下部電極３４が形成される。下地３３は接着層として機能し、下部電極３４とバッファ層３２との密着性を改善する。必要であれば、化学機械研磨（chemical mechanical polishing; CMP）を行って、導電性材料の層を再堆積してもよい。しかし下地層３３は、密着性を維持するための接着層として、バッファ層３２の表面上に保持されなければならない。

図４は、製造プロセスの次の段階を示している。下部電極３４の表面上に、例えばＰＺＴからなる強誘電体層３６が堆積され、この強誘電体層３６上に上部電極３８が堆積される。上部電極３８上にハードマスク材料（図示せず）が堆積され、そしてこのハードマスク上にてリソグラフィプロセスが行われて、ハードマスク材料が成型される。次に、バッファ層３２に至るまで上記ハードマスクがエッチングされて、キャパシタが構成される。別の酸素バリア層４０が構造全体の上に堆積される。

図５は、製造プロセスの次の段階を示している。キャパシタリカバリ（capacitor recovery）のために、上記デバイスに対して酸素アニーリングプロセスが行われる。酸素の一部は、上記別の酸素バリア層４０の内部にある断層を通って浸透する可能性があり、そして下地材料３３の一部は、図５の符号４２に示されているように部分的に酸化され得る。しかし垂直スペーサ層２８があれば、下地３３とコンタクトプラグ２６との界面まで酸化が及ぶことが抑制される。なぜなら、上記界面が、酸素バリア層３０の下に位置しているからである。従って上記界面は、キャパシタ周囲にある上記別の酸素バリア層４０内の弱点を通って拡散する少量の酸素に反応することはないであろう。この結果、上記電気コンタクト（electrical contact)が破損することはない。

本発明によるシステムおよび方法は、例えば強誘電体ランダムアクセスメモリとして使用するデバイスの製造に特に有用である。

本明細書に記載の本発明の実施形態に様々な修飾を加えることができる。例えば、別の材料および方法工程を追加する、あるいはこれらに置き換えることができる。従って、本発明について特定の実施形態を用いて説明してきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、特許請求の範囲内において多くの様々な変更を加えてよいことは、当業者には明らかである。

従来技術による強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。第１の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。第２の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。第３の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。第４の製造段階における、一実施形態に従った強誘電体キャパシタの概略断面図を示す。

Claims

デバイスであって、
コンタクトプラグが通過して延びている基板と、
上記基板上に搭載可能なキャパシタと、
上記基板上に形成された第１の層間絶縁膜と、
上記第１の層間絶縁膜上に形成されたスペーサ層と、
上記スペーサ層上に形成された第１のバリア層と、
上記第１のバリア層上に形成されたバッファ層と、
上記バッファ層上において、上記バッファ層と上記コンタクトプラグとの間に形成されている下地材料の層と、
第１の電極と第２の電極との間にある誘電体層と、
上記デバイス上に延びている第２のバリア層と、を含んだデバイス。
上記誘電体層が強誘電体材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記第１の層間絶縁膜がホウ素ドープ・リン珪酸ガラス（boron-doped phosphosilicate glass; BPSG）から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記下地材料の層がイリジウムから形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記下地材料の層が酸化イリジウムから形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記第１の電極がタングステンから形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記スペーサ層が電気的絶縁材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記スペーサ層が二酸化ケイ素から形成されている、請求項７に記載のデバイス。
上記スペーサ層がテトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）から形成されている、請求項７に記載のデバイス。
上記第１のバリア層が、酸素拡散に実質的に耐性がある材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記第１のバリア層が窒化ケイ素から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記第２のバリア層が、酸素拡散に実質的に耐性がある材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記第２のバリア層が酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記バッファ層が誘電体材料から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記バッファ層が二酸化ケイ素から形成されている、請求項１に記載のデバイス。
上記下地材料の層が接着層を形成して、上記第１の電極と上記バッファ層との密着性を助ける、請求項１に記載のデバイス。
上記誘電体層がＰＺＴから形成されている、請求項１に記載のデバイス。
請求項１に記載のデバイスを１つ以上含んだＦｅＲＡＭデバイス。
強誘電体キャパシタデバイスの形成方法であって、
基板を形成する工程と、
上記基板上に第１の層間絶縁膜を形成する工程と、
上記基板を通過するコンタクトプラグを１つ以上形成する工程と、
上記第１の層間絶縁膜上にスペーサ層を形成する工程と、
上記スペーサ層上に第１のバリア層を形成する工程と、
上記第１のバリア層上にバッファ層を形成する工程と、
上記バッファ層上において、上記バッファ層と上記１つ以上のコンタクトプラグとの間に下地材料の層を堆積して第１の電極を形成する工程と、
上記第１の電極上に誘電体層を形成する工程と、
上記誘電体層上に第２の電極を形成する工程と、
上記デバイス上に延びる第２のバリア層を形成する工程と、を含んでいる方法。
上記スペーサ層を形成する前に、上記第１の層間絶縁膜に化学機械研磨プロセスを加える工程をさらに含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第１の層間絶縁膜および上記基板をエッチングして、上記１つ以上のコンタクトプラグを受容するための１つ以上のアパーチャを上記基板内に形成する工程をさらに含んでいる、請求項２０に記載の方法。
上記１つ以上のコンタクトプラグを形成する上記工程が、上記１つ以上のアパーチャを充填して上記１つ以上のコンタクトプラグを形成する工程を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
上記下地材料の層に化学機械研磨プロセスを加える工程をさらに含んでいる、請求項１９に記載の方法。
研磨した上記下地材料の層上に別の下地材料を堆積する工程をさらに含んでいる、請求項２３に記載の方法。
上記デバイスに酸素アニーリングプロセスを加える工程をさらに含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記誘電体層を形成する上記工程が、強誘電体材料からなる上記誘電体層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第１の層間絶縁膜を形成する上記工程が、ホウ素ドープ・リン珪酸ガラス（ＢＰＳＧ）からなる上記第１の層間絶縁膜を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記下地材料の層を形成する上記工程が、イリジウムからなる上記下地材料の層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記下地材料の層を形成する上記工程が、酸化イリジウムからなる上記下地材料の層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第１の電極を形成する上記工程が、タングステンからなる上記第１の電極を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記スペーサ層を形成する上記工程が、電気的絶縁材料からなる上記スペーサ層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記スペーサ層を形成する上記工程が、二酸化ケイ素からなる上記スペーサ層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記スペーサ層を形成する上記工程が、テトラエチルオルトシリケート（ＴＥＯＳ）からなる上記スペーサ層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第１のバリア層を形成する上記工程が、酸素拡散に実質的に耐性がある材料からなる上記第１のバリア層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第１のバリア層を形成する上記工程が、窒化ケイ素からなる上記第１のバリア層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第２のバリア層を形成する上記工程が、酸素拡散に実質的に耐性がある材料からなる上記第２のバリア層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記バッファ層を形成する上記工程が、誘電体材料からなる上記バッファ層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記バッファ層を形成する上記工程が、二酸化ケイ素からなる上記バッファ層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記下地材料の層を形成する上記工程が、上記第１の電極と上記バッファ層との密着性を助ける接着層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記誘電体層を形成する上記工程が、ＰＺＴからなる上記誘電体層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
上記第２のバリア層を形成する上記工程が、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる上記第２のバリア層を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載の方法。
請求項１８に記載の方法に従って形成した強誘電体キャパシタデバイス。
請求項１８に記載の方法に従って形成したＦｅＲＡＭデバイス。