JP2008053264A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は半導体装置、特に、高誘電体および強誘電体材料を電荷容量素子として含む半導体集積回路装置の構造および製造方法に関するものである。 The present invention relates to a structure and a manufacturing method of a semiconductor device, and more particularly, a semiconductor integrated circuit device including a high dielectric material and a ferroelectric material as a charge capacitance element.
強誘電体材料を電荷容量素子(キャパシタ)として利用する強誘電体メモリデバイス(FeRAM:Ferroelectric Random Access Memory)の製作方法に関する総論の下記の文献がある。
上記文献においては、キャパシタ素子は、薄い誘電体材料層を導電性材料の上部電極および下部電極で挿みこんだ構造を持つ。そして、両電極間に電圧を印加したときに生じる誘電分極を利用するもので、誘電分極により素子に電荷が蓄積される現象を利用して各種の機能を有する電子デバイスに適用されている。強誘電体材料を用いたキャパシタでは、印加電圧の極性によって自発分極の方向を任意に変化させることができ、印加電圧を取り除いても分極状態が保持されるため、不揮発性のメモリデバイスであるFeRAMに用いられている。 In the above document, the capacitor element has a structure in which a thin dielectric material layer is inserted between an upper electrode and a lower electrode made of a conductive material. It utilizes dielectric polarization generated when a voltage is applied between both electrodes, and is applied to an electronic device having various functions by utilizing a phenomenon that charges are accumulated in an element due to dielectric polarization. In a capacitor using a ferroelectric material, the direction of spontaneous polarization can be arbitrarily changed according to the polarity of the applied voltage, and the polarization state is maintained even when the applied voltage is removed. Therefore, FeRAM which is a nonvolatile memory device It is used for.
該強誘電体材料には応用目的により非常に多くの種類があるが、FeRAMに応用される材料としては、PZT(Pb(Zr1−xTix)O3)、SBT(SrBi2Ta2O9)、BLT((Bi1−xLax)4Ti3O12)などが使用あるいは検討されてきている。これら強誘電体の薄膜形成は、スパッタ堆積、ゾル−ゲル法などの有機溶媒溶解物の塗布、MOCVD(metal organic chemical vapor deposition)等によって行われるが、いずれの場合も良好な自発分極が可能となる理想的な結晶構造を得るために450℃〜850℃程度の高温処理が必要となる。 There are many kinds of ferroelectric materials depending on the purpose of application. As materials applied to FeRAM, PZT (Pb (Zr 1−x Ti x ) O 3 ), SBT (SrBi 2 Ta 2 O) are used. 9 ), BLT ((Bi 1−x La x ) 4 Ti 3 O 12 ) and the like have been used or studied. These ferroelectric thin films are formed by sputtering deposition, application of dissolved organic solvent such as sol-gel method, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), etc., but in any case, good spontaneous polarization is possible. In order to obtain the ideal crystal structure, high temperature treatment at about 450 ° C. to 850 ° C. is required.
電極材料としては、高温プロセスへの耐性や化学的安定性のあるPt(白金)が多く用いられるが、分極特性劣化の原因となる強誘電体結晶内の酸素空孔の発生を抑制する目的でIrO2、SrRuO3などの金属酸化物が用いられる場合もある。FeRAMでは、強誘電体キャパシタがスイッチングデバイスとなるMOS−FET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)に接続されてメモリセルを構成している。記憶ノードとなる強誘電体キャパシタを除いた部分は、従来のCMOS構造・プロセスをそのまま用いることができる。この場合、上述の高温成膜等の固有プロセスに対して整合性がとれる素子構造、製作プロセスが必要である。 As the electrode material, Pt (platinum), which is resistant to high-temperature processes and chemically stable, is often used, but for the purpose of suppressing the generation of oxygen vacancies in the ferroelectric crystal that cause deterioration of polarization characteristics. Metal oxides such as IrO 2 and SrRuO 3 may be used. In FeRAM, a ferroelectric capacitor is connected to a MOS-FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) serving as a switching device to constitute a memory cell. The conventional CMOS structure / process can be used as it is for the portion excluding the ferroelectric capacitor serving as the storage node. In this case, an element structure and a manufacturing process that are consistent with the inherent process such as the high-temperature film formation described above are required.
FeRAMの回路はMOS−FET素子層と何層もの配線層から構成されるが、回路構成上強誘電体キャパシタがどの層に配置されてもよい。FeRAMの回路としては、二次元に集積するメモリセル配列をつなぐビットラインの下層にキャパシタが配置されるCUB(capacitor-under−bitline)型や、ビットラインの上層に配置されるCOB(capacitor-over-bitline)型がある。さらに、最近では、すべての配線層を作製した後の上層にキャパシタ素子を配置するCMVP(capacitor-on-metal/via-stacked-plug)等のようにFeRAM発展に伴って変化してきている。 Although the circuit of FeRAM is composed of a MOS-FET element layer and a number of wiring layers, a ferroelectric capacitor may be arranged in any layer in terms of the circuit configuration. As a circuit of FeRAM, a CUB (capacitor-under-bitline) type in which a capacitor is arranged below a bit line connecting two-dimensionally integrated memory cell arrays, or a COB (capacitor-over) arranged in an upper layer of a bit line is used. -bitline) type. Furthermore, recently, it has changed along with the development of FeRAM, such as a CMVP (capacitor-on-metal / via-stacked-plug) in which capacitor elements are arranged in an upper layer after all wiring layers are fabricated.
CUB型構造は、MOS−FETとの接続(コンタクトプラグ)がない絶縁膜上にキャパシタを形成した後にコンタクトホール開口し、局所配線を行い、プラグ(poly-SiやW等)の埋め込みをする。このため、高温処理におけるプラグの酸化等がなくプロセスが比較的容易であるが、メモリセルの面積が大きくなり集積化が困難という問題がある。 In the CUB type structure, a capacitor is formed on an insulating film having no connection (contact plug) to a MOS-FET, a contact hole is opened, local wiring is performed, and a plug (poly-Si, W, etc.) is embedded. For this reason, there is no oxidation of the plug in the high temperature treatment and the process is relatively easy, but there is a problem that the area of the memory cell becomes large and the integration is difficult.
メモリセルの微細化・集積化という観点からは、MOS−FETの端子(拡散層)に接続されるコンタクトプラグ直上に積層する(スタック構造)COB型が有利となる。しかし、強誘電体膜成膜時の高温処理におけるプラグ酸化を防ぐためのIr/IrO2/TiAlNなどのバリアメタルをキャパシタ下層に敷くことが必要となる。また、遷移金属を含む金属酸化物である強誘電体結晶は、還元性元素、特に水素との反応による酸素空孔の発生に起因する特性劣化が著しい。このため、キャパシタ形成後の膜堆積、エッチング等の後続プロセスでの水素拡散から強誘電体膜を保護するため、TiO2、SiON、Al2O3等の保護層でキャパシタを包み込む密封構造が必須である。その結果、微細化を図ることができる反面、加工の困難さが増大する。 From the viewpoint of miniaturization and integration of the memory cell, the COB type (stacked structure) laminated directly on the contact plug connected to the terminal (diffusion layer) of the MOS-FET is advantageous. However, it is necessary to lay a barrier metal such as Ir / IrO 2 / TiAlN under the capacitor to prevent plug oxidation during high-temperature processing during the formation of the ferroelectric film. In addition, the ferroelectric crystal, which is a metal oxide containing a transition metal, has a remarkable characteristic deterioration due to generation of oxygen vacancies due to a reaction with a reducing element, particularly hydrogen. For this reason, in order to protect the ferroelectric film from hydrogen diffusion in subsequent processes such as film deposition and etching after capacitor formation, a sealed structure that wraps the capacitor with a protective layer such as TiO 2 , SiON, or Al 2 O 3 is essential. It is. As a result, miniaturization can be achieved, but processing difficulty increases.
CMVP型では、COB型と同様にスタック構造をとるため、メモリセルの微細化に有利であることに加え、多層配線層までの構造を全て形成した後に強誘電体キャパシタを形成するため、プロセスによる強誘電体材料の劣化が少ないのが特徴である。 Since the CMVP type has a stack structure similar to the COB type, it is advantageous for miniaturization of memory cells, and in addition to forming a ferroelectric capacitor after forming all the structures up to the multilayer wiring layer, it depends on the process. It is characterized by little deterioration of the ferroelectric material.
上記のような素子構造の形成は、何層にも及ぶ各種薄膜の堆積と、リソグラフィによる素子や配線パタ−ンの転写(レジストパタ−ン形成)、およびレジストパタ−ンをもとにした各種材料、構造のプラズマエッチングにより行われる。これら各種製作プロセスの方法、詳細条件は周知の技術を採用することができる。 The element structure as described above is formed by depositing various layers of various thin films, transferring elements and wiring patterns by lithography (resist pattern formation), and various materials based on the resist pattern, This is done by plasma etching of the structure. Well-known techniques can be adopted as methods and detailed conditions of these various manufacturing processes.
上記構造および製作方法を用いた強誘電体キャパシタにおいては、素子構造形成のためにプラズマを利用したドライエッチングが一般的に用いられる。このため、化学構造的に脆弱な材料である強誘電体膜は、プラズマ誘起損傷、特に、チャージアップによる膜質劣化や絶縁破壊が問題になることがある。特に、今後の高集積化、低動作電圧化においては、強誘電体キャパシタ膜の薄膜化が必須であり、チャージアップによる膜質劣化や絶縁破壊はより深刻なものになってくる。 In a ferroelectric capacitor using the above structure and manufacturing method, dry etching using plasma is generally used to form an element structure. For this reason, a ferroelectric film which is a chemically structurally fragile material may cause a problem of plasma-induced damage, particularly film quality deterioration or dielectric breakdown due to charge-up. In particular, in the future high integration and low operating voltage, it is essential to reduce the thickness of the ferroelectric capacitor film, and film quality deterioration and dielectric breakdown due to charge-up will become more serious.
図1を用いて、この問題の原理を説明する。図1は、COB型構造を持つ強誘電体キャパシタ構造を示す。更に、上部電極へのコンタクトホールエッチングプロセスにおける、プラズマエッチング装置内でのチャージアップ状態を模式的に示す。 The principle of this problem will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows a ferroelectric capacitor structure having a COB type structure. Furthermore, the charge-up state in the plasma etching apparatus in the contact hole etching process to the upper electrode is schematically shown.
強誘電体キャパシタ301はプラズマエッチングにより加工され、その上を覆う層間絶縁膜(シリコン酸化膜)305上にコンタクトホールのレジストマスクパタ−ン306をホトリソグラフィにより形成する。その後、プラズマエッチングによりコンタクトホールエッチングを行う。図1では、エッチング終点以降のオーバーエッチング時点の様子を示す。
The
プラズマは、投入電力により加速された電子と気相中のガス原子・分子との衝突によるイオン化によって生成・維持され、正の電荷を持つイオン307と負の電荷をもつ電子308が混在した状態になっている。このとき、正イオン307に比べ非常に質量が小さい電子308はすぐに拡散する。このため、定常状態での壁面(プラズマと接する境界面)への正と負の電荷流入量が等しくなるように、プラズマから見て壁面は自動的に負の電位にバイアスされ、電子に対して減速、正イオンに対して加速電界が生じる(自己バイアス電圧)。プラズマエッチングにおいて、自己バイアス電圧により正イオンは基板に垂直に入射することから、異方性エッチングが達成され半導体製造プロセスにおける微細加工を可能としている。
The plasma is generated and maintained by ionization caused by collision between electrons accelerated by input power and gas atoms / molecules in the gas phase, so that
また、より高い異方性とエッチレ−トを得るために、基板を保持する電極309にRFバイアス電力を印加し、より高い自己バイアス電圧を得るようにするのが一般的である。図1の例のようなシリコン酸化膜材料は、フロロカ−ボン(CxFy)ガスプラズマを用いて生成するCF3 +イオンや、CF2ラジカル等を利用してプラズマで加工を行う。この系では、エッチング反応速度はCF3 +イオンの入射エネルギに大きく依存するため、100V〜数100V程度の高い自己バイアス電圧が誘起される条件が用いられる。このため、プラズマに接する試料基板はプラズマとの間に100V〜数100V程度の電位差を持つ。このとき基板に接するプラズマの面内分布が均一であれば基板全体はほぼ同電位となり、チャージアップの問題はないが、素子の構造・材質により局所的に大きな電位差が生じると問題となる。
In order to obtain higher anisotropy and etch rate, it is general to apply RF bias power to the
図1に示すCOB型あるいはCMVP型の場合、強誘電体キャパシタ下部電極304は、コンタクトプラグ310を介しシリコン基板(MOSトランジスタの拡散層)311に電気的に接触しているため、基板電位とほぼ等しくなる。他方、上部電極302はコンタクトホール312を介してプラズマ313と接しているため、基板電位とは異なる電位となる。狭いコンタクトホール内では、自己バイアス電圧で加速された正イオンは垂直に入射するため、ホール底(すなわち上部電極)にまで到達する。他方、負電荷を持つ電子は、自己バイアス電圧に逆らってランダムな方向へ入射するため穴底まで到達することが困難となる。
In the case of the COB type or the CMVP type shown in FIG. 1, the ferroelectric capacitor
このため、正負の電荷の分離、すなわちチャージアップが発生し、ホール底(上部電極302)は、基板電位(下部電極304)に比べて正の電圧となる。この結果、強誘電体キャパシタ膜303に電圧ストレスがかかることになる。これを電子遮蔽効果によるチャージアップというが、この値はホールの幅が狭く、また深いほど影響が大きくなる。荷電粒子の運動のみに着目した計算では、電子遮蔽効果によるチャージアップ電位は、最大で自己バイアス電圧と同等まで上昇する可能性がある。実際のプラズマエッチングでは、蓄積電荷の基板表面でのリ−クがあるため、チャージアップ電位は、自己バイアス電圧よりも一桁程度低い値になる。しかしながら、仮に少な目のストレス電圧として50V程度の値で見積もっても、強誘電体膜が膜厚50nmまで薄膜化したとすると10MV/cmもの高電界が印加されることになる。
For this reason, positive / negative charge separation, that is, charge-up occurs, and the hole bottom (upper electrode 302) has a positive voltage compared to the substrate potential (lower electrode 304). As a result, voltage stress is applied to the
このように、コンタクトプラグ310上に積層して形成する強誘電体キャパシタ構造301では、コンタクトホールエッチングのオーバーエッチング時に上下電極間に高電界が発生し高密度のリ−ク電流が膜中を流れ、膜質が劣化したり、絶縁破壊による著しい結晶構造欠陥を生じたりする。また、図1では、説明を簡単にするためにコンタクトホールのオーバーエッチング時点の状態を示したが、エッチングの進行中にもホール底の絶縁膜厚が薄くなるに従いリ−ク電流が発生し、エッチング終点以前の段階から同様の問題が発生している。このような膜質劣化は、その程度が小さい場合、エッチング後の熱処理で結晶構造は回復するが、欠陥の程度が著しい場合、完全な回復は困難となり強誘電体キャパシタの分極特性は大きく劣化し、デバイス製造における歩留まりの低下、製品信頼性の劣化、デバイス性能の劣化を引き起こす原因となる。
As described above, in the
本発明は上記のような状況に鑑みて成されたものであり、コンタクトエッチングをはじめとするプラズマプロセスにおいて、高誘電体および強誘電体材料を誘電体膜とするキャパシタ構造の高電界ストレスを低減可能なキャパシタ構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above situation, and reduces high electric field stress in a capacitor structure using a high dielectric material and a ferroelectric material as a dielectric film in a plasma process such as contact etching. The object is to provide a possible capacitor structure.
また、コンタクトエッチングをはじめとするプラズマプロセスにおいて、高誘電体および強誘電体材料を誘電体膜とするキャパシタ構造の高電界ストレスを低減可能なキャパシタ構造の製造方法を提供することを他の目的とする。 Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a capacitor structure capable of reducing high electric field stress of a capacitor structure using a high dielectric material and a ferroelectric material as a dielectric film in a plasma process such as contact etching. To do.
上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法は、電荷容量素子を構成する第1の電極を形成する工程と;前記第1の電極上に前記電荷容量素子を構成する誘電体層を形成する工程と;前記誘電体層の上に前記電荷容量素子を構成する第2の電極を形成する工程と;前記電荷容量素子を絶縁膜で被覆する工程と;前記第1及び第2の電極の一方の電極に達するコンタクトホールを、プラズマエッチングによって前記絶縁膜に形成する工程と;前記第1及び第2の電極の他方の電極に達するダミーコンタクトホールを、前記コンタクトホールの形成と同時に形成する工程と;前記コンタクトホールを介して前記一方の電極へ電気的に接続される配線を形成する工程とを備える。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a step of forming a first electrode constituting a charge capacitance element; and the charge capacitance on the first electrode. Forming a dielectric layer constituting the element; forming a second electrode constituting the charge capacitance element on the dielectric layer; and covering the charge capacitance element with an insulating film; Forming a contact hole reaching one of the first and second electrodes in the insulating film by plasma etching; forming a dummy contact hole reaching the other electrode of the first and second electrodes; Forming simultaneously with the formation of the contact hole; and forming a wiring electrically connected to the one electrode through the contact hole.
また、本発明の第2の態様に係る半導体装置は、半導体基板上にトランジスタおよび素子分離領域からなる集積素子領域層と;前記集積素子領域層の上に形成される絶縁膜層と;前記絶縁膜層上に形成される電荷容量素子と;前記電荷容量素子形成面上に堆積される層間絶縁膜とを備える。そして、前記電荷容量素子は、下部電極と、上部電極と、これら2つの電極間に挟まれた誘電体層とからなる。また、前記下部電極の一部は、前記電荷容量素子の外側において隆起し、前記上部電極上面と同等かそれ以上の高さに成形される。また、前記上部電極表面に貫通するコンタクトホールおよび前記下部電極の隆起部分に貫通するダミーコンタクトホールが等しい内径にて、プラズマエッチングにて同時に形成される。更に、前記コンタクトホール及びダミーコンタクトホール内に配線材料を埋め込むと共に、前記層間絶縁膜上に当該配線材料を堆積した後、プラズマエッチングで形成される配線パタ−ンを有する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: an integrated element region layer comprising a transistor and an element isolation region on a semiconductor substrate; an insulating film layer formed on the integrated element region layer; A charge capacitance element formed on the film layer; and an interlayer insulating film deposited on the charge capacitance element formation surface. The charge capacitance element includes a lower electrode, an upper electrode, and a dielectric layer sandwiched between these two electrodes. In addition, a part of the lower electrode protrudes outside the charge capacitance element and is formed to have a height equal to or higher than the upper surface of the upper electrode. Further, a contact hole penetrating the upper electrode surface and a dummy contact hole penetrating the raised portion of the lower electrode are simultaneously formed by plasma etching with the same inner diameter. Furthermore, a wiring material is embedded in the contact hole and the dummy contact hole, and a wiring pattern is formed by plasma etching after the wiring material is deposited on the interlayer insulating film.
本発明によれば、下部電極の一部を隆起させその突起部表面の高さを上部電極表面の高さと同等にして、上部電極コンタクトホールのプラズマエッチングの際に、該突起部へも同形状のダミーコンタクトホールを同時に開口するようにしている。このため、コンタクトホールエッチング終点時以降に上下電極が同様な状態でプラズマと接するようになる。また、この構造により上部電極に接続するプレートラインのプラズマエッチング時には、上部電極と下部電極が、不要部分のプレートライン材料がエッチングされるまでの間は短絡する構造になる。更に、プレートライン材料がエッチング除去された後のオーバーエッチング除去時には、下部電極突起表面および上部電極はプラズマを介して短絡状態となる。 According to the present invention, a part of the lower electrode is raised and the height of the surface of the protrusion is made equal to the height of the surface of the upper electrode, and the same shape is formed on the protrusion when plasma etching the upper electrode contact hole. The dummy contact holes are simultaneously opened. For this reason, the upper and lower electrodes come into contact with the plasma in the same state after the end of the contact hole etching. Further, with this structure, when plasma etching is performed on the plate line connected to the upper electrode, the upper electrode and the lower electrode are short-circuited until the unnecessary part of the plate line material is etched. Furthermore, at the time of overetching removal after the plate line material is removed by etching, the surface of the lower electrode protrusion and the upper electrode are short-circuited via plasma.
上部電極コンタクトホールのプラズマエッチング時に下部電極に接続されたダミーコンタクトホールと同時にエッチングが進行するため、微細孔内の電子遮蔽効果によるチャージアップ電位が上下電極でつりあう事になる。その結果、キャパシタ絶縁膜に掛かる電界が著しく小さくなり、高電界ストレスによるキャパシタ絶縁膜の劣化を防止することが可能となる。また、上部電極に接続される配線のプラズマエッチング時には、上部電極は配線材料を介してプラズマと接続され、下部電極はダミーコンタクトホールを介してプラズマと接することになる。このため、ダミーコンタクトがない場合に比べて、プラズマエッチング中のチャージアップ電位が低減され、キャパシタ絶縁膜の電界ストレスによる劣化を軽減することが可能となる。 Since the etching proceeds simultaneously with the dummy contact hole connected to the lower electrode during the plasma etching of the upper electrode contact hole, the charge-up potential due to the electron shielding effect in the fine hole is balanced between the upper and lower electrodes. As a result, the electric field applied to the capacitor insulating film is remarkably reduced, and deterioration of the capacitor insulating film due to high electric field stress can be prevented. In plasma etching of the wiring connected to the upper electrode, the upper electrode is connected to the plasma via the wiring material, and the lower electrode is in contact with the plasma via the dummy contact hole. Therefore, the charge-up potential during plasma etching is reduced as compared with the case where there is no dummy contact, and it is possible to reduce deterioration of the capacitor insulating film due to electric field stress.
本発明は、CMVP(capacitor-on-metal/via-stacked-plug)型の構造に適用することができる。ここで、CMVPは、すべての配線層を作製した後の上層にキャパシタ素子を配置する構造である。CMVP型は、スタック構造を採るため、メモリセルの微細化に有利であることに加え、多層配線層までの構造を全て形成した後に強誘電体キャパシタを形成するため、プロセスによる強誘電体材料の劣化が少ない。 The present invention can be applied to a structure of a CMVP (capacitor-on-metal / via-stacked-plug) type. Here, CMVP is a structure in which capacitor elements are arranged in an upper layer after all wiring layers are formed. Since the CMVP type adopts a stack structure, it is advantageous for miniaturization of the memory cell, and in addition to forming the ferroelectric capacitor after forming all the structures up to the multilayer wiring layer, There is little deterioration.
図2(A)〜図6(K)は、本発明の実施例に係る強誘電体キャパシタの構造とその製造工程を示す。なお、本実施例においては、強誘電体キャパシタ構造と製造工程に特徴があり、FeRAMデバイス作製におけるその他の構造およびプロセスの詳細については周知の構造及び工程を採用することができ、説明に支障がない限りその多くを省略する。 2A to 6K show the structure of a ferroelectric capacitor and its manufacturing process according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the ferroelectric capacitor structure and the manufacturing process are characteristic, and the details of other structures and processes in the fabrication of the FeRAM device can employ well-known structures and processes, which hinder the explanation. Many are omitted unless otherwise noted.
図2(A)は、FeRAMデバイスを構成するMOSトランジスタの形成後、通常よりも厚め層間絶縁膜(シリコン酸化膜:SiO2)104を堆積し、表面平坦化を行った状態を示す。図において、符号101はゲート電極、102はソース/ドレイン拡散層、103は素子分離領域を示す。本実施例の場合、SiO2膜104の堆積はO3ガスおよびTEOS(テトラエトキシシラン)を用いた低圧化学的気相堆積(LP−CVD:Low Pressure Chemical Vapor Deposition)を用いる。SiO2膜104の成膜の後はアニール処理を施す。表面平坦化は、化学的機械的研磨(CMP:Chemical
Mechanical Polishing)で行う。
FIG. 2A shows a state where an interlayer insulating film (silicon oxide film: SiO 2 ) 104 thicker than usual is deposited after the formation of the MOS transistor constituting the FeRAM device, and the surface is flattened. In the figure,
Mechanical Polishing).
次に、i−線リソグラフィによりホトレジストパタ−ン105を形成し、これをマスクとしてCHF3およびCF4ガスを主に用いたプラズマエッチングにより層間絶縁膜104に段差106を形成する(図2(B))。このとき、該段差106は、後に説明する強誘電体キャパシタ積層構造の上部電極膜厚と強誘電体膜厚との合計の厚みよりも深い段差となるようにエッチング時間を調節して加工を行う。なお、図2〜図6では一方向の断面のみ図示するが、該段差106による隆起形状は図面に対して垂直方向に伸びるレ−ル状構造となっている。
Next, a
次に、キャパシタが形成される領域にコンタクトホールを開口し、コンタクトプラグ107を埋め込む(図2(C))。コンタクトプラグ107の形成に際しては、先ずKrFエキシマレ−ザリソグラフィによりレジストパタ−ンを形成し、プラズマエッチングにより層間絶縁膜104にコンタクトホール開口を行う。次いで、コンタクトインプラ、活性化アニールを行った後に、プラズマCVDによりTi/TiN(チタン/窒化チタン)積層膜を堆積する。次に、CVDによりW(タングステン)を基板表面全面に堆積した後、プラズマエッチングにより全面エッチング(エッチバック)を行うことによりコンタクトホール内にのみWプラグを残すようにして形成する。
Next, a contact hole is opened in a region where a capacitor is formed, and a
その後、積層バリアメタル108−110及び、強誘電体キャパシタの下部電極111を積層堆積する(図3(D))。先ず、反応性スパッタによりTiAlN(窒化チタンアルミ)108、Ir(イリジウム)109、IrO2(酸化イリジウム)110を順次積層した後に、下部電極となるPt(白金)111を成膜する。
Thereafter, the multilayer barrier metal 108-110 and the
次に、厚膜レジストパタ−ン112を形成し、これをエッチングマスクとして、Cl2ガスを用いたプラズマエッチングにより下部電極111を加工する(図3(E))。下部電極111を成型する際のエッチングに関しては、ECRプラズマエッチング装置を用い、直径5インチのウェハ(基板)に対し、Cl2ガス流量20〜50sccm、ガス圧1〜3mTorr、ECR放電電力0.5〜1.5kW、ウエハステ−ジに印加するバイアス電力600kHz、50〜150W、ウエハステ−ジ温度30℃程度、チャンバ−内壁温度150℃程度の条件が好適である。このとき、下部電極111であるPtとレジストパタ−ン112のエッチレ−ト選択比は1/5程度であるため、該電極膜厚の10倍程度の厚膜レジスト112を用いるのが好ましい。また、該Pt電極111とその下層のバリア膜IrO2膜110のエッチレ−トは3程度の選択比があるため、IrO2層でエッチングを停止することが可能である。IrO2膜110上でエッチングを停止させるためにオーバーエッチングを少なめに設定すると、レジス112トおよびPtパタ−ン側壁に厚い堆積膜が残るため、この堆積膜を30%濃度の塩酸洗浄により除去する。その後、酸素プラズマによる灰化でレジストパタ−ン112を除去する(図示せず)。
Next, a thick film resist
次に、強誘電体膜となるSBT膜113を有機金属化学的気相堆積法(MO:Metal Organic CVD)により堆積し、結晶化アニールを行った後に、スパッタにより上部電極となるPt膜114を堆積する(図4(F))。
Next, an
次いで、反応性スパッタによりTiN(窒化チタン)115を形成する。その後、プラズマTEOS−CVDによりSiO2膜116を積層し、ホトリソグラフィおよびプラズマエッチングにより上部電極パタ−ンのエッチングマスクを形成する(図4(G))。SiO2膜116は、C4F8、CO、Ar混合ガスを用いたプラズマでエッチングする。一方、TiN膜115は、BCl3、Cl2混合ガスを用いたプラズマでエッチングする。
Next, TiN (titanium nitride) 115 is formed by reactive sputtering. Thereafter, a SiO 2 film 116 is laminated by plasma TEOS-CVD, and an etching mask for the upper electrode pattern is formed by photolithography and plasma etching (FIG. 4G). The SiO 2 film 116 is etched by plasma using a mixed gas of C 4 F 8 , CO, and Ar. On the other hand, the
次に、該構造(115,116)をマスクとして上部電極Pt膜114および強誘電体SBT膜113の加工を行う。この工程では、さらに下部電極下層のIrO2層110およびIr層109まで除去する(図5(H))。このエッチング工程では、磁場印加式2周波励起平行平板型反応性イオンエッチング装置を用い、ウエハステ−ジを300〜450℃に加熱して加工を行う。上部電極Pt層114のエッチングでは、Cl2、O2、Ar混合ガスを用い、Cl2ガスとO2ガスの比率は1:3〜1:1、総ガス流量は10〜50sccm、総ガス流量に対するArの希釈率は、10〜50%程度に設定することが好ましい。ガス圧力は、1〜3mTorr、プラズマ励起電力0.5〜1.5kW、基板バイアス電力50〜150Wの条件で行う。
Next, the upper
強誘電体SBT層113のエッチングでは、前記エッチング条件のガス比率のみを変化させ連続的にエッチングを行う。このとき、O2の流量比を下げ、Cl2とO2の流量比を3:1以下もしくは、O2ガスを除外した条件でエッチングを行う。SBT層113のエッチング終了と同時に再度上部電極114のエッチング条件と同じガス流量比に戻し、下層のIrO2層110およびIr層109を連続的にエッチングする。これらのガス流量条件の切り替えは、プラズマの自然発光分光を利用した終点検出器により被エッチング物質を監視しながら自動的に行うことが可能である。
In the etching of the
Pt膜114、SBT膜113、IrO2膜110、Ir膜109の積層構造の連続エッチングにおいて、積層マスク上層のSiO2膜116は、Pt膜114のエッチング終点時に膜厚のほとんどがエッチング除去され、次のSBT膜113のエッチングステップの最中に全て除去されるように調整された膜厚にしておく必要がある。SBT膜113のエッチングステップ以降においてマスクとなるTiN膜115および最下層のTiAlN膜108は、高温でO2を含むガスプラズマ中で酸化反応が進み、非常にエッチング耐性の高いマスクおよびエッチングストッパ−として作用する。このため、積層構造エッチングは薄いTiAlN膜上で終了することが可能となる。
In the continuous etching of the laminated structure of the
この後、Cl2ガスを用いたプラズマによりマスクTiN膜115およびバリアメタルTiAlN膜108を除去する(図示せず)。この時点で強誘電体キャパシタ構造が完成するが、キャパシタは下部電極111の一部が隆起し、突起部分117の上面が上部電極114とほぼ同じ高さとなる構造となっている。突起部分117の上面はエッチングにより変形する場合もあるが、通常は機能上不都合はない。キャパシタ積層構造のエッチングの後は、SBT膜113に入ったエッチング損傷を回復するために、O2雰囲気中750℃以上の温度で短時間アニールを行う。
Thereafter, the
次に、SiO2層間絶縁膜118をプラズマTEOS−CVDにより成膜し、CMPにより表面平坦化を行う。その後、上部電極コンタクトホール開口のためのレジストパタ−ン119をKrFリソグラフィにより形成し、これをマスクとしてコンタクトホールのエッチングを行う。コンタクトホールは、上部電極表面120が底面となるものと、下部電極111から隆起した突起表面121が底面となるものの両方開口するようにレイアウトする(図5(I)。上部電極114に到達するコンタクトホールと、下部電極111に到達するコンタクトホールとは互いに内径を等しくすることが好ましい。
Next, an SiO 2
このように、上部電極114に到達するコンタクトホールの他に、下部電極111に到達するコンタクトホールを形成する構造にすると、両コンタクトホールでのエッチングレートは等しいため、また、該突起表面121は上部電極表面120と同じか、それ以上高くなるようにしているため、エッチング終点間際からオーバーエッチングステップにおける間、上部電極114のみが単独でプラズマに曝されることがなくなる。
As described above, when the contact hole reaching the
次に、レジストマスク119をO2プラズマによる灰化原理によって除去した後、SBT膜113に入ったエッチング損傷を回復するためにO2雰囲気中750℃以上の温度で短時間アニール処理を行う(図示せず)。
Next, after the resist
次に、配線(プレートライン)を形成するため、スパッタでアルミ層122aを堆積する(図6(J))。その後、配線パタ−ン122をKrFリソグラフィおよびプラズマエッチングで形成する(図6(K))。
Next, in order to form a wiring (plate line), an
アルミ層122aの堆積時に、上部電極表面120と下部電極突起表面121に開口されているコンタクトホール両方にアルミが埋め込まれるため、上部電極114と下部電極111とは電気的に短絡した構造となる。また、プレートライン122のエッチング時(成形時)、プラズマに曝されたプレートライン122から電荷の流入があるが、上下電極111,114は短絡しているため、強誘電体キャパシタには電界が加わらず、エッチング時に強誘電体材料113を流れるストレス電流は非常に小さい。エッチングが進行してプレートライン122が分離した後のオーバーエッチング時には、上下電極111,114間の接続が分離されるが、プラズマを介して電気的につながっているため、完全な絶縁状態でなく、強誘電体キャパシタにかかる電界もそれほど大きな値にはならない。
When the
以上詳述したプロセス以降、多層配線プロセス、パッシベ−ション膜堆積、パッド形成などの処理が継続される。なお、このようなプロセスは周知の方法を採用することができ、ここでの説明は省略する。 After the process described in detail above, processes such as a multilayer wiring process, passivation film deposition, pad formation, etc. are continued. Note that a known method can be adopted for such a process, and a description thereof is omitted here.
以上説明した本実施例においては、図5(I)に示したように、下部電極111の一部を隆起させその突起部117の表面121の高さを上部電極114の表面120の高さと同等にしている。そして、上部電極コンタクトホールのプラズマエッチングの際に、該突起部117へも同形状のダミーコンタクトホールを同時に開口するようにしている。このため、コンタクトホールエッチング終点時以降に上下電極111,114が同様な状態でプラズマと接するようになる。
In the present embodiment described above, as shown in FIG. 5I, a part of the
また、図6(K)に示すように、この構造により上部電極114に接続するプレートライン122のプラズマエッチング時には、上部電極114と下部電極111とが、不要部分のプレートライン材料122aがエッチングされるまでの間は短絡する構造となる。また、プレートライン材料122aがエッチング除去された後のオーバーエッチング除去時には、下部電極111の突起表面121および上部電極114はプラズマを介して短絡状態となる。
Further, as shown in FIG. 6K, when plasma etching is performed on the
本実施例によると、上部電極114のコンタクトホールのプラズマエッチング時に、下部電極111に接続されたダミーコンタクトホールが同時にエッチングされるため、微細孔内の電子遮蔽効果によるチャージアップ電位が上下電極間でつりあうことになる。その結果、キャパシタ絶縁膜113にかかる電界が著しく小さくなり、高電界ストレスによるキャパシタ絶縁膜113の劣化を防止することが可能となる。また、上部電極114に接続される配線122のプラズマエッチング時には、上部電極114は配線材料122aを介してプラズマと接続され、下部電極111はダミーコンタクトホールを介してプラズマと接することになる。このため、ダミーコンタクトがない場合に比べて、プラズマエッチング中のチャージアップ電位が低減され、キャパシタ絶縁膜113の電界ストレスによる劣化を軽減することが可能となる。
According to this embodiment, since the dummy contact hole connected to the
本発明の実施例においては、SBTを用いた強誘電体キャパシタを有するFeRAMの構造、作製方法について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、PZT、BLTなどその他の強誘電体材料を用いたFeRAMにも有効である。また、FeRAM以外でも高誘電体材料を用いたDRAM等のデバイスや、キャパシタ構造をもつその他多くの電子デバイスに有効である。誘電体材料は、その誘電率と負の相関で絶縁耐圧が低下することが知られており、本発明は今後開発される多くの新材料デバイスでの有効性が期待される。
In the embodiments of the present invention, the structure and manufacturing method of FeRAM having a ferroelectric capacitor using SBT have been described. However, the present invention is not limited to this, and other ferroelectrics such as PZT and BLT are used. It is also effective for FeRAM using materials. In addition to FeRAM, it is effective for devices such as DRAM using a high dielectric material and many other electronic devices having a capacitor structure. Dielectric materials are known to have a reduced dielectric strength due to a negative correlation with their dielectric constant, and the present invention is expected to be effective in many new material devices to be developed in the future.
108,109,110 バリアメタル
111 下部電極
113 SBT膜
114 上部電極
122 プレートライン
108, 109, 110
Claims (9)
前記第1の電極上に前記電荷容量素子を構成する誘電体層を形成する工程と;
前記誘電体層の上に前記電荷容量素子を構成する第2の電極を形成する工程と;
前記電荷容量素子を絶縁膜で被覆する工程と;
前記第1及び第2の電極の一方の電極に達するコンタクトホールを、プラズマエッチングによって前記絶縁膜に形成する工程と;
前記第1及び第2の電極の他方の電極に達するダミーコンタクトホールを、前記コンタクトホールの形成と同時に形成する工程と;
前記コンタクトホールを介して前記一方の電極へ電気的に接続される配線を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a first electrode constituting the charge capacitance element;
Forming a dielectric layer constituting the charge capacitance element on the first electrode;
Forming a second electrode constituting the charge capacitance element on the dielectric layer;
Coating the charge capacitance element with an insulating film;
Forming a contact hole reaching one of the first and second electrodes in the insulating film by plasma etching;
Forming a dummy contact hole reaching the other of the first and second electrodes simultaneously with the formation of the contact hole;
And a step of forming a wiring electrically connected to the one electrode through the contact hole.
前記コンタクトホール及びダミーコンタクトホールの両方を配線材料で埋めて、前記誘電体層を挿み込む前記第1及び第2の電極を電気的に短絡する構造にした後、
プラズマエッチングにより前記配線を形成し、前記短絡を切断することを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 In the step of forming the wiring,
After filling both the contact hole and the dummy contact hole with a wiring material and electrically shorting the first and second electrodes into which the dielectric layer is inserted,
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the wiring is formed by plasma etching and the short circuit is cut.
前記絶縁膜層のうちいずれかの絶縁膜上に、後に形成する電荷容量素子の下部電極の一部を隆起させ、下部電極の隆起部分を上部電極上面と同等かそれ以上の高さにするための段差を形成する工程と;
前記下部電極材料を堆積して電極形状を形成した後に、誘電体材料、上部電極材料を順次積層した後、前記上部電極および前記誘電体材料を加工して電荷容量素子構造を形成する工程と;
前記電荷容量素子形成面上に層間絶縁膜を堆積し、表面平坦化処理を行った後に、前記上部電極表面に貫通するコンタクトホールおよび前記下部電極の隆起部分に貫通するダミーコンタクトホールを等しい内径にてプラズマエッチングにより同時に開口する工程と;
前記コンタクトホール及びダミーコンタクトホール内に配線材料を埋め込むと共に、絶縁膜上に当該配線材料を堆積した後、配線パタ−ンをプラズマエッチングで形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming an integrated element region layer composed of a transistor and an element isolation region on a semiconductor substrate, and sequentially forming one or more insulating film layers, a wiring layer, and a contact hole connecting the transistor and the interconnection; ;
In order to raise a part of the lower electrode of the charge capacitance element to be formed later on any one of the insulating film layers so that the raised part of the lower electrode is equal to or higher than the upper surface of the upper electrode. Forming a step of
Depositing the lower electrode material to form an electrode shape, then sequentially laminating a dielectric material and an upper electrode material, and then processing the upper electrode and the dielectric material to form a charge capacitance element structure;
After depositing an interlayer insulating film on the charge capacitor element formation surface and performing surface planarization, contact holes that penetrate the upper electrode surface and dummy contact holes that penetrate the raised portion of the lower electrode have the same inner diameter. Simultaneously opening by plasma etching;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: embedding a wiring material in the contact hole and the dummy contact hole, and depositing the wiring material on an insulating film, and then forming a wiring pattern by plasma etching. Method.
前記誘電体材料として、PZT、SBT、BLT膜のいずれかの強誘電体材料を用いることを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の半導体装置の製造方法。 As the electrode material, a single layer film of Pt, IrO 2 , SrRuO 3 or a laminated film thereof is used.
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a ferroelectric material of any one of PZT, SBT, and BLT film is used as the dielectric material.
前記誘電体材料として、遷移金属酸化物を用いることを特徴とする請求項1,2,3又は4に記載の半導体装置の製造方法。 Using conductive polycrystalline silicon and refractory metal as the electrode material,
5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a transition metal oxide is used as the dielectric material.
前記集積素子領域層の上に形成される絶縁膜層と;
前記絶縁膜層上に形成される電荷容量素子と;
前記電荷容量素子形成面上に堆積される層間絶縁膜とを備え、
前記電荷容量素子は、下部電極と、上部電極と、これら2つの電極間に挟まれた誘電体層とからなり、
前記下部電極の一部は、前記電荷容量素子の外側において隆起し、前記上部電極上面と同等かそれ以上の高さに成形され、
前記上部電極表面に貫通するコンタクトホールおよび前記下部電極の隆起部分に貫通するダミーコンタクトホールが等しい内径にて、プラズマエッチングにて同時に形成され、
前記コンタクトホール及びダミーコンタクトホール内に配線材料を埋め込むと共に、前記層間絶縁膜上に当該配線材料を堆積した後、プラズマエッチングで形成される配線パタ−ンを有することを特徴とする半導体装置。 An integrated element region layer comprising a transistor and an element isolation region on a semiconductor substrate;
An insulating film layer formed on the integrated element region layer;
A charge capacitance element formed on the insulating film layer;
An interlayer insulating film deposited on the charge capacitance element forming surface,
The charge capacitance element includes a lower electrode, an upper electrode, and a dielectric layer sandwiched between the two electrodes.
A portion of the lower electrode is raised outside the charge capacitance element, and is shaped to have a height equal to or higher than the upper surface of the upper electrode,
A contact hole penetrating the surface of the upper electrode and a dummy contact hole penetrating the raised portion of the lower electrode are simultaneously formed by plasma etching with the same inner diameter,
A semiconductor device having a wiring pattern formed by plasma etching after a wiring material is embedded in the contact hole and the dummy contact hole, and the wiring material is deposited on the interlayer insulating film.
前記誘電体材料として、PZT、SBT、BLT膜のいずれかの強誘電体材料を用いることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 As the electrode material, a single layer film of Pt, IrO 2 , SrRuO 3 or a laminated film thereof is used.
8. The semiconductor device according to claim 7, wherein a ferroelectric material of any one of PZT, SBT, and BLT film is used as the dielectric material.
前記誘電体材料として、遷移金属酸化物を用いることを特徴とする請求項7に記載の半導体装置。 Using conductive polycrystalline silicon and refractory metal as the electrode material,
The semiconductor device according to claim 7, wherein a transition metal oxide is used as the dielectric material.
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