JP2007534139A - 強誘電体コンデンサのための回復アニールを可能にする多層障壁 - Google Patents
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Abstract
強誘電体コンデンサ１０１のための多層障壁１１５は、水素及び酸素の両方を通すことができる外方拡散障壁１１５ａを備えている。外方拡散障壁層１１５ａは、強誘電体コンデンサ１０１の強誘電体を被覆している。エッチング時に生じる強誘電体の損傷を修復するために、酸素アニール処理時に、酸素は外方拡散障壁層を通って強誘電体内に入る。外方拡散障壁層は、酸素アニール処理時に、分子が強誘電体から離脱するのを妨げることにより強誘電体の分解を低減する。多層障壁はまた、酸素アニール処理による強誘電体の修復後に、外方拡散障壁層上に堆積される水素障壁層１１５ｂも備えている。水素障壁層は、最終処理時に水素が強誘電体内に入るのを多層障壁が妨げることを可能にする。
Description
本発明は、強誘電体デバイス内の障壁層に関するものである。
ＦｅＲＡＭ（強誘電体ランダムアクセスメモリ：Ferroelectric Random Access Memory）中の強誘電体材料及びＤＲＡＭ中の高Ｋ材料は、一般に、酸素雰囲気中において高温（５００℃又はこれより高温）でアニール処理が施され、例えば材料の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって生じる損傷などといった処理時の損傷を回復する。アニール処理時に、周囲の酸素は強誘電体材料内に拡散し、高温で反応して回復をもたらす。通常、強誘電体が高温で分解するのを防止するため、アニール処理に先立って、障壁層（例えば、Ａｌ２Ｏ３）が堆積される。強誘電体としてＰＺＴが用いられる場合、障壁が、ＰＺＴからの鉛の外方拡散を低減するということが重要である。
従来技術における障壁層はまた、例えば最終のＢＥＯＬ処理時に水素が強誘電体内に拡散して強誘電体を損傷するのを防止することも必要とする。ＢＥＯＬ処理のいくつかの具体例は、絶縁部の堆積と、銅処理とフォーミングガスのアニール処理とを含んでいる。障壁層は、強誘電体内への水素の拡散を防止するために最適化することができるが、この最適化された層はまた、結果的に酸素に対する障壁ともなる。強誘電体内への酸素の拡散が減少するのに伴って、有効な回復アニールが減少するといった結果が生じる。
１つの選択肢は、より高温でより長時間回復アニール処理を続行することであるが、これは、とくにプラグ構造の上にコンデンサを有するコンデンサに対しては問題を生じさせる。ポリシリコンのプラグ又はタングステンのプラグ（コンタクトプラグ）は、しばしば、強誘電体コンデンサの底部電極をトランジスタに接続するための上下方向の相互接続部として用いられる。強誘電体コンデンサにおいては、このようなコンタクトプラグは、プラグ上コンデンサ（ＣＯＰ）構造を形成する。ＣＯＰ構造においては、プラグの頂部の上の障壁は、酸素が強誘電体からプラグに通り抜けるのを防止する。回復アニール処理を高温であまりにも長時間実施すると、酸素はプラグの頂部で障壁を通り抜け、プラグの材料を酸化してコンタクトの機能を失わせるであろう。
ＰＺＴは、アニール処理時に酸素が強誘電体内に入ることを許容する一方、アニール処理の高温に起因して強誘電体が分解するのを防止する障壁を有するのが望ましいであろう。さらに、障壁は、ＢＥＯＬ処理時に水素が強誘電体内に入って強誘電体に損傷を生じさせるのを防止するのが望ましいであろう。
本発明は、アニール処理時に酸素が強誘電体内に入ることを許容する（allow）一方、アニール処理の高温に起因して強誘電体が分解するのを防止する障壁（barrier）を提供する。この障壁はまた、アニール後の処理時（post-anneal processing）に水素が強誘電体内に入って該強誘電体に損傷（damage）を生じさせるのも防止する。
一般論としては、本発明は、水素及び酸素を両方とも通すことができる外方拡散障壁層（outdiffusion barrier layer）を有する強誘電体コンデンサのための多層障壁（multi-layer barrier）を含んでいる。この外方拡散障壁層は、強誘電体コンデンサの強誘電体を被覆している。エッチング時に生じた強誘電体の損傷を修復する（repair）ために、酸素アニール処理時に、酸素が外方拡散障壁層を通って強誘電体内に入る。外方拡散障壁層は、酸素アニール処理時に、分子が強誘電体から離脱するのを妨げる（block）ことにより強誘電体の分解を低減する。多層障壁はまた、酸素アニール処理によって強誘電体を修復した後、外方拡散障壁層の上に堆積される（deposited）水素障壁層も含んでいる。この水素障壁層は、多層障壁をして、最終処理（back-end process）の実行時に水素が強誘電体内に入るのを妨げさせる。
この多層障壁を生成する方法は、次の各ステップを含む。コンデンサの強誘電体の上に、水素及び酸素を両方とも通すことができる外方拡散障壁層を堆積する（deposit）ステップ。酸素アニール処理を行って強誘電体の損傷を修復するステップ。酸素が外方拡散障壁層を通って強誘電体に入るのを許容する一方、酸素アニール処理時に外方拡散障壁層を用いて強誘電体の分解を低減するステップ。酸素アニール処理により強誘電体を修復した後、外方拡散障壁層の上に水素障壁層を堆積するステップ。堆積された水素障壁層を伴った多層障壁を用いて、最終処理の実行時に水素が強誘電体内に入るのを妨げるステップ。
以下、添付の図面を参照しつつ、単に本発明を例示することのみを目的として、本発明の好ましい特徴を説明する。
図１は、強誘電体コンデンサ（フェロキャパシタ：ferrocapacitor）１０１を示している。頂部電極１０５と底部電極１０７との間にはＰＺＴ層１０３が存在する。なお、他の実施の形態では、ＰＺＴに代えてその他の強誘電体材料を用いてもよい。頂部電極１０５には、メタルコンタクト１０６（metal contact：金属接触部）が電気的に接続されている。
底部電極１０７の支持（supporting）は、例えばＴＥＯＳで形成された下部構造体１０９（substructure）によって行われる。例えばポリシリコン又はタングステンで形成されたコンタクトプラグ１１１（contact plug）は、下部構造体１０９を通り抜け、底部電極１０７を下敷シリコン活性領域１１３（underlying silicon active region）に電気的に接続している。
底部電極１０７はまた、コンタクトプラグ１１１から強誘電体層１０３内への酸素の拡散を防止するための障壁層を含んでいてもよい。
頂部電極１０５の被覆（covering）は、頂部電極１０５及び強誘電体層１０３（ＰＺＴ層）にエッチングを施すのに用いられる第１のＴＥＯＳハードマスク１１９（hardmask）によって行われる。多層障壁１１５は、ハードマスク１１９と頂部電極１０５と強誘電体層１０３（ＰＺＴ層）とを被覆している。多層障壁１１５は、少なくとも２つの層で構成されているが、さらに追加の層を設けてもよい。第２のＴＥＯＳハードマスク１２１は、多層障壁１１５と底部電極１０７とを被覆し、底部電極１０７にエッチングを施すのに用いられる。外側障壁層１１７は、第２のＴＥＯＳハードマスク１２１を被覆している。ＴＥＯＳ以外のハードマスク材料を用いてこれらのハードマスク１１９、１２１を形成してもよい。いくつかの実施の形態においては、強誘電体コンデンサ（フェロキャパシタ）に、単一のハードマスクのみを用いてエッチングを施しているが、多層障壁１１５を用いてもよい。
以下、図４を参照しつつ、図１に示す多層障壁１１５を生成する方法を説明する。なお、図２及び図３は、この方法の各ステップの実行時における多層障壁１１５の一部分１２３を示す概略図である。
この方法は、ＰＺＴ層１０３に外方拡散障壁層１１５ａを設けるステップ４０１を含んでいる。図２は、ステップ４０１を実行した後における多層障壁１１５の一部分１２３を示している。外方拡散障壁層１１５ａは、非常に薄くすべきであり（例えば、２〜１０ｎｍ）、例えばＡｌ２Ｏ３で形成してもよい。外方拡散障壁層１１５ａは、室温で又はこれより高温で、ＰＺＴ層１３０上にスパッタリングで形成することができる。
次に、アニール処理ステップ４０３が実行される。コンデンサ１０１は、酸素雰囲気において高温で（５００℃又はこれより高温）アニール処理が施され、これによりＰＺＴ層１０３は、例えば材料の反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により生じる損傷などといった処理時の損傷を回復する（recover）ことができる。再び図２に示すように、外方拡散障壁層１１５ａは、ＰＺＴ層１０３の表面に設けられている。「×」の記号２０１は、ＰＺＴ層１０３に生じた処理上の損傷を概略的に示している。アニール処理ステップ４０３の実行時に、周囲の酸素２０３は、外方拡散障壁層１１５ａを横切って拡散し、強誘電体に入ってこれと高温で反応し、回復（recovery）を生じさせる。外方拡散障壁層１１５ａは十分に薄く酸素２０３の通過を許容するが、拡散係数の相違に起因して外方拡散障壁層として機能し、ＰＺＴ層１０３からの鉛２０５の外方拡散を抑制することができる。
従来技術に関する前記説明のとおり、ＰＺＴ層１０３がアニール処理ステップ４０３において高温で分解するのを防止することが重要である。本発明においては、外方拡散障壁層１１５ａは、障壁を形成することにより、ＰＺＴ層１０３の分解を低減して、ＰＺＴ層１０３からの分子の外方拡散を低減する一方、これと同時に酸素２０３が障壁を通り抜けてＰＺＴ層１０３に入り、酸素アニール処理時にＰＺＴ層１０３の回復を生じさせる。とくに、本発明においては、外方拡散障壁層１１５ａは、鉛（Ｐｂ）の分子２０５がＰＺＴ層１０３（強誘電体層）から離脱するのを妨げる。酸素アニール処理ステップ４０３は、損傷されたＰＺＴ層１０３が再結晶化される（recrystallized）まで継続される。
ＰＺＴ以外の強誘電体を用いる実施の形態においては、外方拡散障壁層１１５ａは、Ｐｂ以外の分子が強誘電体から離脱するのを防止するよう最適化することができ、かつ、酸素以外の分子が強誘電体に入ることを許容することができる。
アニール処理ステップ４０３が完了した後（図４参照）、（例えば、室温で又はこれより高温でスパッタリング又はＡＬＤを用いて）外方拡散障壁層１１５ａの上に水素障壁層１１５ｂを設け、多層障壁部１１５を形成する（図３参照）。水素障壁層１１５ｂは、外方拡散障壁層１１５ａよりも厚くてもよく（ほぼ１０〜４０ｎｍの厚さ）、これもまたＡｌ２Ｏ３で構成してもよい。水素障壁層１１５ｂの厚さ及び比較的完全な構造（relatively perfect structure）は該水素障壁層を良好な水素障壁とすることができる。
従来技術に関する前記説明のとおり、例えば最終のＢＥＯＬ処理（back-end BEOL process）の実行時に、水素がＰＺＴ１０３内又はその他の強誘電体内に拡散してこれを損傷するのを防止することが重要である。図１中には、メタルコンタクト１０６から第２のＴＥＯＳハードマスク１２１を経由して強誘電体１０３内に至る望ましくない水素の経路１２５が示されている。外方拡散障壁層１１５ａは、水素及び酸素を両方とも通すことができ、望ましい酸素とともに望ましくない水素がＰＺＴ１０３内に拡散することを許容する。しかしながら、水素障壁層１１５ｂは、これが一旦設けられれば、水素分子が多層障壁部１１５を通り抜けてＰＺＴ層１０３に入るのを実質的に防止する。
前記の実施の形態に対して、その他の材料及び方法のステップを付加し又は置き換えることが可能である。前記のとおり、本発明は特定の実施の形態を用いて説明されているが、請求項の範囲内において多くの変形例が可能であるということは、当業者にとっては明らかなことであろう。
１０１ 強誘電体コンデンサ、１０３ ＰＺＴ層、１０５ 頂部電極、１０６ メタルコンタクト、１０７ 底部電極、１０９ 下部構造体、１１１ コンタクトプラグ、１１３ シリコン活性領域、１１５ 多層障壁、１１７ 外側障壁層、１１９ ハードマスク、１２１ ＴＥＯＳハードマスク、１２５ 経路、２０３ 酸素、２０５ 鉛の分子。
Claims (16)
- 強誘電体コンデンサのための多層障壁であって、
水素及び酸素を両方とも通すことができかつ上記強誘電体コンデンサの強誘電体を被覆している外方拡散障壁層を含み、上記外方拡散障壁層が、上記強誘電体の損傷を修復するための酸素アニール処理時に酸素が上記外方拡散障壁層を通って上記強誘電体内に入ることを許容するとともに、酸素アニール処理時に分子が上記強誘電体から離脱するのを妨げることにより上記強誘電体の分解を低減するようになっていて、
さらに、酸素アニール処理によって上記強誘電体を修復した後に上記外方拡散障壁層の上に堆積される水素障壁層を含み、上記水素障壁層が、該多層障壁をして、最終処理の実行時に水素が上記強誘電体内に入るのを妨げさせるようになっていることを特徴とする多層障壁。 - 上記外方拡散障壁層がＡｌ２Ｏ３で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記水素障壁層がＡｌ２Ｏ３で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記水素障壁層が上記外方拡散障壁層よりも厚くなっていることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記強誘電体がＰＺＴを含むことを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記酸素アニール処理が少なくとも５００℃の温度で実施されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記外方拡散障壁層が、酸素アニール処理時に鉛分子が上記強誘電体から離脱するのを妨げることにより、上記強誘電体の分解を低減するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記外方拡散障壁層が、酸素アニール処理時に鉛分子が上記強誘電体から離脱するのを妨げることにより、上記強誘電体の分解を低減するようになっていることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記外方拡散障壁層がスパッタリングにより堆積されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 上記水素障壁層が、スパッタリング又は原子層成長法を用いて堆積されたものであることを特徴とする、請求項１に記載の多層障壁。
- 強誘電体コンデンサのための多層障壁を生成する方法であって、
上記強誘電体コンデンサの強誘電体の上に、水素及び酸素を両方とも通すことができる外方拡散障壁層を堆積するステップと、
酸素アニール処理を行って上記強誘電体の損傷を修復するステップと、
酸素が上記外方拡散障壁層を通って上記強誘電体に入るのを許容する一方、酸素アニール処理時に上記外方拡散障壁層を用いて上記強誘電体の分解を低減するステップと、
酸素アニール処理により上記強誘電体を修復した後、上記外方拡散障壁層の上に水素障壁層を堆積するステップと、
上記の堆積された水素障壁層を伴った多層障壁を用いて、最終処理の実行時に水素が上記強誘電体内に入るのを妨げるステップとを含んでいることを特徴とする方法。 - 上記外方拡散障壁層をＡｌ２Ｏ３で形成することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 上記水素障壁層をＡｌ２Ｏ３で形成することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 上記水素障壁層を上記外方拡散障壁層より厚くすることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 上記強誘電体がＰＺＴを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
- 上記酸素アニール処理を、少なくともほぼ５００℃の温度で実施することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
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