JP2008078416A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ハードマスクを薄膜化でき微細なFeRAMキャパシタ構造の半導体装置およびその製造方法。
【解決手段】メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28とソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32とゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTとメモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと上部電極18上に或いは上方に配置されたハードマスク20とハードマスク20の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備え、強誘電体キャパシタは、ハードマスク20及び第1側壁マスク54を用いて一括加工する。
【選択図】図7
【解決手段】メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28とソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32とゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTとメモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと上部電極18上に或いは上方に配置されたハードマスク20とハードマスク20の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備え、強誘電体キャパシタは、ハードマスク20及び第1側壁マスク54を用いて一括加工する。
【選択図】図7
Description
本発明は、半導体装置およびその製造方法に関し、特に、微細なFeRAMキャパシタ構造を形成するためのハードマスク構造に特徴を有する、半導体装置およびその製造方法に関する。
強誘電体メモリ(FeRAM)の高集積化に伴って、1Mask−1PEP(PEP:Photo Exposure Process)による一括加工強誘電体キャパシタ形成が必須となる。しかしながら、強誘電体キャパシタ材料、特に、白金(Pt),イリジウム(Ir)等の貴金属で形成される電極材料の揮発性は著しく乏しいため、反応性イオンエッチング(RIE)法による一括加工キャパシタ形成の際には、厚いハードマスクが必要となる。この原因の一つとして、ハードマスクの側壁上部において、ハードマスク材料がエッチングされるという、ハードマスクの片落ち現象がある。
このハードマスクの片落ち分だけ、ハードマスクを厚くする形成する必要があり、ハードマスクを加工するためのレジストの薄膜化が困難になり、ひいてはFeRAMセルの微細化を阻む原因となっている。
誘電体膜に対する還元性元素等の外部物質の進入拡散を防止することによって、良好な電気的特性を示す誘電体キャパシタおよびその製造方法は、既に開示されている(例えば、特許文献1および特許文献2参照。)。
特許文献1および特許文献2においては、レジスト膜をマスクに用い、酸化膜および第1水素拡散防止膜をエッチングして、機能膜としての酸化膜を形成し、酸化膜は後工程で、強誘電体キャパシタを形成する際のエッチングマスクとして用い、酸化膜をハードマスクとして用い、強誘電体膜、下部電極、密着膜をドライエッチング法によって加工する誘電体キャパシタの製造方法が開示されている。
特開2002−353414号公報
米国特許第6,440,815号明細書
本発明は、微細なFeRAMキャパシタ構造を形成する。
本発明の一態様によれば、(イ)半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、ソース/ドレイン拡散層間の半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、(ロ)半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、(ハ)層間絶縁膜上に配置された下部電極,下部電極上に配置された強誘電体膜,および強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、(ニ)上部電極上あるいは上方に配置されたハードマスクと、(ホ)ハードマスク側壁の一部若しくは全部に配置された第1側壁マスクとを備える半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、(イ)半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、ソース/ドレイン拡散層間の半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、(ロ)半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、(ハ)層間絶縁膜上に配置された下部電極,下部電極上に配置された強誘電体膜,および強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、(ニ)上部電極上に配置された第1ハードマスクと、(ホ)第1ハードマスク上に配置された第2ハードマスクと、(ヘ)少なくとも第1ハードマスク側壁若しくは第2ハードマスク側壁に配置された第1側壁マスクとを備える半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、(イ)半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、ソース/ドレイン拡散層間の半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、(ロ)半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、(ハ)層間絶縁膜上に配置された下部電極,下部電極上に配置された強誘電体膜,および強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、(ハ)上部電極上あるいは上方に配置されたハードマスクと、(ニ)ハードマスク側壁の一部若しくは全部に配置された第1側壁マスクと、(ホ)上部電極の側壁および強誘電体膜の側壁の一部に配置された第2側壁マスクとを備え、(ヘ)上部電極および強誘電体膜の一部は、ハードマスクおよび第1側壁マスクを用いて加工され、かつ、強誘電体膜の一部および下部電極は、ハードマスク、および第2側壁マスクを用いて加工される半導体装置が提供される。
本発明の他の態様によれば、(イ)半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、ソース/ドレイン拡散層間の半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタを形成する工程と、(ロ)半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と(ハ)層間絶縁膜上に配置された下部電極,下部電極上に配置された強誘電体膜,および強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタを形成する工程と、(ニ)上部電極上あるいは上方にハードマスクを形成する工程と、(ホ)ハードマスク側壁に第1側壁マスクを形成する工程とを有し、(ヘ)強誘電体キャパシタを形成する工程は、ハードマスクおよび第1側壁マスクを用いて一括加工する工程を有する半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細なFeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
次に、図面を参照して、本発明の第1乃至第5の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す第1乃至第5の実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜のハードマスクを用い、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下でき、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図1乃至図6に示す通りである。又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図7(a)に示す通りであり、周辺回路部の模式的断面構造は、図7(b)に示す通りである。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図1乃至図6に示す通りである。又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図7(a)に示す通りであり、周辺回路部の模式的断面構造は、図7(b)に示す通りである。
(素子構造)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示すように、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTと、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置されたハードマスク20と、ハードマスク20の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示すように、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTと、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置されたハードマスク20と、ハードマスク20の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
更に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示すように、メモリセル部において、ハードマスク20に開口されたコンタクトホールに配置されたビアホール電極22と、ビアホール電極22上に配置された配線電極24を備える。
又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上に配置されたプラグ電極12を備え、このプラグ電極12に対して、下部電極14が接続される。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26に対して、強誘電体キャパシタCFEの下部電極14が接続されることから、例えば、後述する図21乃至図22に示すTCユニット直列接続型FeRAM構成、若しくは図23に示す1T1C型FeRAM構成に適用することができる。
更に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置は、図7(b)に示すように、周辺回路部において、半導体基板10に配置されたコンタクト拡散層34と、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置されたビアホール電極38と、ビアホール電極38上に配置された配線電極40を備える。
(製造方法)
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図1乃至図6に示すように、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上にハードマスク20を形成する工程と、ハードマスク20の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、ハードマスク20および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図1乃至図6に示すように、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上にハードマスク20を形成する工程と、ハードマスク20の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、ハードマスク20および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)に示すように、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを形成する工程を有する。
更に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)に示すように、メモリセル部において、ハードマスク20にコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにビアホール電極22を形成し、更に、ビアホール電極22上に配線電極24を形成する工程を有する。
又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上にプラグ電極12を形成し、このプラグ電極12上に下部電極14を形成する工程を有する。
更に、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10にコンタクト拡散層34を形成し、コンタクト拡散層34上にプラグ電極36を形成し、このプラグ電極36上にビアホール電極38を形成し、更に、ビアホール電極38上に配線電極40を形成する工程を有する。
以下 図面を参照して、製造工程を詳述する。
(a)まず、図1に示すように、上部電極18上に、例えば、ハードマスク20を形成し、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のエッチング技術を用いて、ハードマスク20を加工する。結果として、厚さL1を有するハードマスク20が得られる。
ここで、ハードマスク20の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)を用いることができる。([或いはこれらの多層膜]の記載を削除)
(b)次に、図2に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
(b)次に、図2に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
第1側壁マスク54の材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。
第1側壁マスク54の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
第1側壁マスク54の堆積方法としては、例えば、アトミック・レイヤー・デポジション(ALD:Atomic Layer Deposition)法を用いることができる。例えば、アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、20nm程度である。
(c)次に、図4に示すように、全面エッチバックを行い、ハードマスク20の側壁部分に第1側壁マスク54を形成する。
ここで、強誘電体キャパシタ材料のエッチング時において、ハードマスク20の側壁部分に第1側壁マスク54が存在しない場合には、強誘電体キャパシタ材料のエッチング中にハードマスク20は、図3に示すように、片落ち現象が発生し、ハードマスク20の側壁部分において、例えば、厚さL2だけハードマスク20は薄くなる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法においては、側壁部分の第1側壁マスク54が存在することで、片落ち現象の発生を抑制し、ハードマスク20の厚さL1を薄く形成することができる。
したがって、予め、ハードマスク20を薄膜化形成し、第1側壁マスク54を全面に堆積し、かつ上述の通り、第1側壁マスク54をエッチバックして、ハードマスク20の側壁部分に第1側壁マスク54を形成した例が、図5である。
例えば、ハードマスク20の厚さL1に対して、ハードマスク20の側壁部に堆積する第1側壁マスク54の厚さは、(1/3)×L1以下である。
図5の例では、図4の例に比較し、側壁部に第1側壁マスク54を有するハードマスク20のアスペクト比を低く設定することができる。
(d)次に、図6に示すように、RIE等のエッチング技術により、ハードマスク20および第1側壁マスク54を用いて、上部電極18、強誘電体膜16および下部電極14を一括加工し、強誘電体キャパシタCFEを形成する。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系については、以下の通りである。SrRuO3 , Pt, IrO2, Ir, Ti等によって形成される下部電極14のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。更に、PZT(Pb(ZrXTi1-X)O3 )等によって形成される強誘電体膜16のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。又、SrRuO3,IrO2等によって形成される上部電極18についてもエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、側壁マスク構造を用いて一括加工を行った場合、膜厚が薄いハードマスク20を用いても、片落ちのない加工が可能となり、強誘電体キャパシタ構造の微細化が容易になる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、図7に示すように、ハードマスク20を薄膜化できた結果、メモリセル部のビアホール電極22の厚さL3を薄膜化させ、かつ、周辺回路部のビアホール電極38の厚さL4を薄膜化させ、ビアホールコンタクト部分のアスペクト比を低下させることができ、製造歩留まりを向上することもできる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜化されたハードマスクを用いて、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下させることが可能となり、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細な1Mask_FeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
[第2の実施の形態]
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図8乃至図11に示す通りである。又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図11に示す通りである。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図8乃至図11に示す通りである。又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図11に示す通りである。
(素子構造)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図11に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図11に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを備える。
又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上に配置されたプラグ電極12を備え、このプラグ電極12に対して、下部電極14が接続される。
更に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10に配置されたコンタクト拡散層34と、メモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置されたビアホール電極38と、ビアホール電極38上に配置された配線電極40を備える。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置は、図11に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26に対して、強誘電体キャパシタCFEの下部電極14が接続されることから、例えば、後述する図21乃至図22に示すTCユニット直列接続型FeRAM構成、若しくは図23に示す1T1C型FeRAM構成に適用することができる。
(製造方法)
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図8乃至図11に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第1ハードマスク55の側壁および第2ハードマスク56の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図8乃至図11に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第1ハードマスク55の側壁および第2ハードマスク56の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを形成する工程を有する。
更に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、第2ハードマスク56にコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにビアホール電極22を形成し、更に、ビアホール電極22上に配線電極24を形成する工程を有する。
又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上にプラグ電極12を形成し、このプラグ電極12上に下部電極14を形成する工程を有する。
更に、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10にコンタクト拡散層34を形成し、コンタクト拡散層34上にプラグ電極36を形成し、このプラグ電極36上にビアホール電極38を形成し、更に、ビアホール電極38上に配線電極40を形成する工程を有する。
以下 図面を参照して、製造工程を詳述する。
(a)まず、図8に示すように、上部電極18上に、例えば、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を形成し、RIE等のエッチング技術を用いて、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を加工する。
ここで、第1ハードマスク55の材料としては、例えば、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いることができる。第2ハードマスク56の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)を用いることができる。
第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる場合、例えば、強誘電体キャパシタへのダメージを抑えるために、より低ダメージなスパッタ法を用いる。又、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)を用いる場合、プラズマCVD法を用いる。
具体的には以下の工程を用いる。まず、フォトレジスト膜を用いて、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56の部分を加工し、フォトレジスト膜をアッシング除去後、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56自体を用いて、アルミナ膜(Al2O3)からなる第1ハードマスク55をRIE等で加工する。
ここで、第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる理由は、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56をプラズマCVD法により堆積する際、アルミナ膜(Al2O3)の存在によって、強誘電体キャパシタヘのダメージを抑制することが可能となり、また、下部電極14の材料であるIr,IrO2等に対して、第1ハードマスク55としてのアルミナ膜(Al2O3)は、エッチング選択比が高いためである。
又、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層ハードマスク材料としては、上記シリコン酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)の他、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることもできる。
(b)次に、図9に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
(b)次に、図9に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
第1側壁マスク54の材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。
第1側壁マスク54の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
第1側壁マスク54の堆積方法としては、例えば、ALD法を用いることができる。アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、20nm程度である。
(c)次に、図10に示すように、全面エッチバックを行い、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56の側壁部分に第1側壁マスク54を形成する。
例えば、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56の積層構造の厚さL1に対して、側壁部に堆積する第1側壁マスク54の厚さは、(1/3)×L1以下である。
図10の例では、側壁部に第1側壁マスク54を有する第1ハードマスク55および第2ハードマスク56の積層構造のアスペクト比を低く設定することができる。
(d)次に、図11に示すように、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて、上部電極18、強誘電体膜16および下部電極14を一括加工し、強誘電体キャパシタCFEを形成する。
尚、図11の例では、第2ハードマスク56は所定の厚さだけ残されている例が示されているが、エッチングの条件によっては、第2ハードマスク56の厚さは、更に薄く形成される場合もあり、又、完全にエッチングされ、除去される場合もある。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系については、以下の通りである。SrRuO3 , Pt, IrO2, Ir, Ti等によって形成される下部電極14のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。更に、PZT(、Pb(ZrXTi1-X)O3 )等によって形成される強誘電体膜16のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。又、SrRuO3,IrO2等によって形成される上部電極18についてもエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、側壁マスク構造を用いて一括加工を行った場合、膜厚が薄い第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を用いても、片落ちのない加工が可能となり、微細化が容易になる。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、図7に示すように、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を薄膜化できた結果、メモリセル部のビアホール電極22の厚さL3を薄膜化させ、かつ、周辺回路部のビアホール電極38の厚さL4を薄膜化させ、ビアホールコンタクト部分のアスペクト比を低下させることができ、製造歩留まりを向上することもできる。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜化されたハードマスクを用いて、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下させることが可能となり、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細な1Mask_FeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
[第3の実施の形態]
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図12乃至図13に示す通りである。又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図13に示す通りである。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図12乃至図13に示す通りである。又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図13に示す通りである。
(素子構造)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図13に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図13に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを備える。
又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上に配置されたプラグ電極12を備え、このプラグ電極12に対して、下部電極14が接続される。
更に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10に配置されたコンタクト拡散層34と、メモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置されたビアホール電極38と、ビアホール電極38上に配置された配線電極40を備える。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置は、図13に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26に対して、強誘電体キャパシタCFEの下部電極14が接続されることから、例えば、後述する図21乃至図22に示すTCユニット直列接続型FeRAM構成、若しくは図23に示す1T1C型FeRAM構成に適用することができる。
(製造方法)
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図12乃至図13に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第2ハードマスク56の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図12乃至図13に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第2ハードマスク56の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを形成する工程を有する。
更に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、第2ハードマスク56にコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにビアホール電極22を形成し、更に、ビアホール電極22上に配線電極24を形成する工程を有する。
又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上にプラグ電極12を形成し、このプラグ電極12上に下部電極14を形成する工程を有する。
更に、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10にコンタクト拡散層34を形成し、コンタクト拡散層34上にプラグ電極36を形成し、このプラグ電極36上にビアホール電極38を形成し、更に、ビアホール電極38上に配線電極40を形成する工程を有する。
以下 図面を参照して、製造工程を詳述する。
(a)まず、図12に示すように、上部電極18上に、例えば、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を形成し、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56を加工する。
ここで、第1ハードマスク55の材料としては、例えば、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いることができる。第2ハードマスク56の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)を用いることができる。
第1ハードマスク55の材料として、例えば、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いる、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置の構造の場合、第1側壁マスク54として、ALD法によって、Al2O3膜を堆積する際のダメージを抑制することができ、より良好なキャパシタ特性を得ることができる。
第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる場合、例えば、強誘電体キャパシタへのダメージを抑えるために、より低ダメージなスパッタ法を用いる。又、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)を用いる場合、プラズマCVD法を用いる。
具体的には以下の工程を用いる。まず、フォトレジスト膜を用いて、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56の部分を加工し、フォトレジスト膜をアッシング除去する。
ここで、第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる理由は、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56をプラズマCVD法により堆積する際、アルミナ膜(Al2O3)の存在によって、強誘電体キャパシタヘのダメージを抑制することが可能となり、また、下部電極14の材料であるIr,IrO2等に対して、第1ハードマスク55としてのアルミナ膜(Al2O3)は、エッチング選択比が高いためである。
又、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層ハードマスク材料としては、上記シリコン酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)の他、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることもできる。
(b)更に、図12に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
例えば、第2ハードマスク56の厚さL1に対して、第2ハードマスク56の側壁部に堆積する第1側壁マスク54の厚さは、(1/3)×L1以下である。図12の例では、、側壁部に第1側壁マスク54を有する第2ハードマスク56のアスペクト比を低く設定することができる。
第1側壁マスク54の材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。
第1側壁マスク54の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
第1側壁マスク54の堆積方法としては、例えば、ALD法を用いることができる。第1側壁マスク54として、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、200nm程度である。
ALD法自体CVD法であり、また、水素基を含む有機メタル材料を使用するために、その堆積時に強誘電体キャパシタヘのダメージは無視できない。そのため、このダメージを抑制するため、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層マスクの内、第1ハードマスク55としてのAl2O3膜の形成工程では、成膜中に水素基を含まないスパッタ法を用いる。
(c)次に、図13に示すように、全面エッチバックを行い、第2ハードマスク56の側壁部分に第1側壁マスク54を形成する。
(d)更に、図13に示すように、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて、第1ハードマスク55、上部電極18、強誘電体膜16および下部電極14を一括加工し、強誘電体キャパシタCFEを形成する。
尚、図13の例では、第2ハードマスク56は所定の厚さだけ残されている例が示されているが、エッチングの条件によっては、第2ハードマスク56の厚さは、更に薄く形成される場合もあり、又、完全にエッチングされ、除去される場合もある。
更に又、図13の例では、強誘電体キャパシタCFE部分のテーパー角度が90度で形成された例が示されているが、強誘電体キャパシタCFE部分のテーパー角度は90度に限定されるものではなく、例えば、エッチング時の条件によっては、70度〜89度のテーパー角度を有する場合もある。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系については、以下の通りである。SrRuO3 , Pt, IrO2, Ir, Ti等によって形成される下部電極14のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。更に、PZT(、Pb(ZrXTi1-X)O3 )等によって形成される強誘電体膜16のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。又、SrRuO3,IrO2等によって形成される上部電極18についてもエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、側壁マスク構造を用いて一括加工を行った場合、膜厚が薄い第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を用いても、片落ちのない加工が可能となり、微細化が容易になる。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第2の実施の形態と同様に、図7に示すように、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を薄膜化できた結果、メモリセル部のビアホール電極22の厚さL3を薄膜化させ、かつ、周辺回路部のビアホール電極38の厚さL4を薄膜化させ、ビアホールコンタクト部分のアスペクト比を低下させることができ、製造歩留まりを向上することもできる。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第2の実施の形態と同様に、薄膜化されたハードマスクを用いて、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第2の実施の形態と同様に、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下させることができ、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
本発明の第3の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第2の実施の形態と同様に、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細な1Mask_FeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
[第4の実施の形態]
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図14乃至図15に示す通りである。又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図15に示す通りである。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図14乃至図15に示す通りである。又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図15に示す通りである。
(素子構造)
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図15に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁の一部に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図15に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁の一部に配置された第1側壁マスク54とを備える。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを備える。
又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上に配置されたプラグ電極12を備え、このプラグ電極12に対して、下部電極14が接続される。
更に、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10に配置されたコンタクト拡散層34と、メモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置されたビアホール電極38と、ビアホール電極38上に配置された配線電極40を備える。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、図15に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26に対して、強誘電体キャパシタCFEの下部電極14が接続されることから、例えば、後述する図21乃至図22に示すTCユニット直列接続型FeRAM構成、若しくは図23に示す1T1C型FeRAM構成に適用することができる。
(製造方法)
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図14乃至図15に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁の一部に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図14乃至図15に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,前記下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程と、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁の一部に第1側壁マスク54を形成する工程とを有し、強誘電体キャパシタCFEを形成する工程は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて一括加工する工程を有する。
又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを形成する工程を有する。
更に、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、第2ハードマスク56にコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにビアホール電極22を形成し、更に、ビアホール電極22上に配線電極24を形成する工程を有する。
又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上にプラグ電極12を形成し、このプラグ電極12上に下部電極14を形成する工程を有する。
更に、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10にコンタクト拡散層34を形成し、コンタクト拡散層34上にプラグ電極36を形成し、このプラグ電極36上にビアホール電極38を形成し、更に、ビアホール電極38上に配線電極40を形成する工程を有する。
以下 図面を参照して、製造工程を詳述する。
(a)まず、図14に示すように、上部電極18上に、例えば、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を形成し、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56および第1ハードマスク55の一部を加工する。
ここで、第1ハードマスク55の材料としては、例えば、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いることができる。第2ハードマスク56の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)を用いることができる。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置の構造の場合、第1ハードマスク55として、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いることによって、第1側壁マスク54として、ALD法によってAl2O3膜を堆積する際のダメージを抑制することができ、より良好なキャパシタ特性を得ることができる。
第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を形成する場合、例えば、強誘電体キャパシタへのダメージを抑えるために、より低ダメージなスパッタ法を用いる。又、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)を用いる場合、プラズマCVD法を用いる。
具体的には以下の工程を用いる。まず、フォトレジスト膜を用いて、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56部分およびアルミナ膜(Al2O3)からなる第1ハードマスク55の一部分を加工し、フォトレジスト膜をアッシング除去する。
ここで、第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる理由は、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)をプラズマCVD法により堆積する際、アルミナ膜(Al2O3)の存在によって、強誘電体キャパシタヘのダメージを抑制することが可能となり、また、下部電極14の材料であるIr,IrO2等に対して、第1ハードマスク55としてのアルミナ膜(Al2O3)は、エッチング選択比が高いためである。
又、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層ハードマスク材料としては、上記シリコン酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)の他、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることもできる。
(b)次に、図14に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
例えば、第2ハードマスク56の厚さL1に対して、第2ハードマスク56の側壁部に堆積する第1側壁マスク54の厚さは、(1/3)×L1以下である。図14の例では、側壁部に第1側壁マスク54を有する第2ハードマスク56のアスペクト比を低く設定することができる。
第1側壁マスク54の材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。
第1側壁マスク54の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
第1側壁マスク54の堆積方法としては、例えば、ALD法を用いることができる。第1側壁マスク54として、例えば、アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、200nm程度である。
ALD法自体CVD法であり、また、水素基を含む有機メタル材料を使用するために、その堆積時に強誘電体キャパシタヘのダメージは無視できない。そのため、このダメージを抑制するため、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層マスク(Al2O3/SiO2)の内、Al2O3膜からなる第1ハードマスク55の形成工程では、成膜中に水素基を含まないスパッタ法を用いる。
(c)次に、図15に示すように、全面エッチバックを行い、第2ハードマスク56の平坦部、および第1ハードマスク55の平坦部の第1側壁マスク54を除去し、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁の一部分にのみ、第1側壁マスク54を残す。
(d)更に、図15に示すように、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて、第1ハードマスク55の残りの部分、上部電極18、強誘電体膜16および下部電極14を一括加工し、強誘電体キャパシタCFEを形成する。
尚、図15の例では、第2ハードマスク56は所定の厚さだけ残されている例が示されているが、エッチングの条件によっては、第2ハードマスク56の厚さは、更に薄く形成される場合もあり、又、完全にエッチングされ、除去される場合もある。
更に又、図15の例では、強誘電体キャパシタCFE部分のテーパー角度が90度で形成された例が示されているが、強誘電体キャパシタCFE部分のテーパー角度は90度に限定されるものではなく、例えば、エッチング時の条件によっては、70度〜89度のテーパー角度を有する場合もある。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系については、以下の通りである。SrRuO3 , Pt, IrO2, Ir, Ti等によって形成される下部電極14のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。更に、PZT(、Pb(ZrXTi1-X)O3 )等によって形成される強誘電体膜16のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。又、SrRuO3,IrO2等によって形成される上部電極18についてもエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、側壁マスク構造を用いて一括加工を行った場合、膜厚が薄い第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を用いても、片落ちのない加工が可能となり、強誘電体キャパシタ構造の微細化が容易になる。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1乃至第3の実施の形態と同様に、図7に示すように、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を薄膜化できた結果、メモリセル部のコンタクトを形成するビアホール電極22の厚さL3を薄膜化させ、かつ、周辺回路部のコンタクトを形成するビアホール電極38の厚さL4を薄膜化させ、ビアホールコンタクト部分のアスペクト比を低下させることができ、製造歩留まりを向上することもできる。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1乃至第3の実施の形態と同様に、薄膜化されたハードマスクを用いて、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1乃至第3の実施の形態と同様に、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下させることが可能となり、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、第1および第2の実施の形態と同様に、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細な1Mask_FeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
[第5の実施の形態]
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図16乃至図20に示す通りである。又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図20に示す通りである。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一工程の模式的断面構造は、図16乃至図20に示す通りである。又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置であって、メモリセル部の模式的断面構造は、図20に示す通りである。
(素子構造)
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図20に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に配置された第1側壁マスク54と、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に配置された第2側壁マスク57とを備える。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図20に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEと、上部電極18上に配置された第1ハードマスク55と、第1ハードマスク55上に配置された第2ハードマスク56と、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に配置された第1側壁マスク54と、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に配置された第2側壁マスク57とを備える。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、メモリセル部において、図20に示すように、第1側壁マスク54を介して、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に第2側壁マスク57が配置されていても良い。
更に、本発明の第4の実施の形態に係る半導体装置は、メモリセル部において、図20に示すように、第2側壁マスク57を介して、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部には、第3側壁マスク58が配置されていても良い。
尚、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)に示した本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを備える。
又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上に配置されたプラグ電極12を備え、このプラグ電極12に対して、下部電極14が接続される。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10に配置されたコンタクト拡散層34と、メモリセルトランジスタMTが形成された半導体基板10上に配置された層間絶縁膜8と、層間絶縁膜8上に配置されたビアホール電極38と、ビアホール電極38上に配置された配線電極40を備える。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置は、図20に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26に対して、強誘電体キャパシタCFEの下部電極14が接続されることから、例えば、後述する図21乃至図22に示すTCユニット直列接続型FeRAM構成、若しくは図23に示す1T1C型FeRAM構成に適用することができる。
(製造方法)
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図16乃至図20に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程とを有する。又、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程とを有する。又、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程と、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に、第2側壁マスク57を形成する工程とを有する。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図16乃至図20に示すように、メモリセル部において、半導体基板10上に層間絶縁膜8を形成する工程と、層間絶縁膜8上に配置された下部電極14,下部電極14上に配置された強誘電体膜16,および強誘電体膜16上に配置された上部電極18とを有する強誘電体キャパシタCFEを形成する工程とを有する。又、上部電極18上に第1ハードマスク55を形成する工程と、第1ハードマスク55上に第2ハードマスク56を形成する工程とを有する。又、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁に第1側壁マスク54を形成する工程と、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に、第2側壁マスク57を形成する工程とを有する。
ここで、上部電極18および前記強誘電体膜16の一部は、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて加工され、かつ、一部残った強誘電体膜16および下部電極14は、第2ハードマスク56、および第2側壁マスク57を用いて加工される。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図17に示すように、第2側壁マスク57を形成する工程後、全面に第3側壁マスク58を形成する工程を有していても良い。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図18に示すように、第3側壁マスク58をエッチバックして、第2側壁マスク57の平坦部上の第3側壁マスク58を除去し、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に、第3側壁マスク58を残す工程を有していても良い。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図19に示すように、第2側壁マスク57をエッチバックして、第2ハードマスク56の平坦部上および強誘電体膜16の平坦部上の第2側壁マスク57を除去し、第2ハードマスク56および強誘電体膜16の各平坦部を露出すると共に、第2ハードマスク56の側壁および第1ハードマスク55の側壁、上部電極18の側壁および強誘電体膜16の側壁の一部に、第3側壁マスク58を残す工程を有していても良い。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図20に示すように、第2ハードマスク56と、第1側壁マスク54と、第2側壁マスク57と、第3側壁マスク58とを用いて、一部残った強誘電体膜16および下部電極14を一括加工する工程を有していても良い。
又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、半導体基板10に配置されたソース/ドレイン拡散層26,28と、ソース/ドレイン拡散層26,28間の半導体基板10上に配置されたゲート絶縁膜32と、ゲート絶縁膜32上に配置されたゲート電極30とを有するメモリセルトランジスタMTを形成する工程を有する。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、第2ハードマスク56にコンタクトホールを開口し、このコンタクトホールにビアホール電極22を形成し、更に、ビアホール電極22上に配線電極24を形成する工程を有する。
又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(a)と同様に、メモリセル部において、メモリセルトランジスタMTのソース/ドレイン拡散層26,28の内、一方の拡散層26上にプラグ電極12を形成し、このプラグ電極12上に下部電極14を形成する工程を有する。
更に、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の製造方法は、図7(b)と同様に、周辺回路部において、半導体基板10にコンタクト拡散層34を形成し、コンタクト拡散層34上にプラグ電極36を形成し、このプラグ電極36上にビアホール電極38を形成し、更に、ビアホール電極38上に配線電極40を形成する工程を有する。
以下 図面を参照して、製造工程を詳述する。
(a)まず、図16に示すように、本発明の第1乃至第4の実施の形態において開示した半導体装置の製造方法と同様にして、ハードマスク構造を形成し、上部電極18および強誘電体膜16の途中まで加工を行う。
上部電極18上に、例えば、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を形成し、RIE等のエッチング技術を用いて、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を加工する。
ここで、第1ハードマスク55の材料としては、例えば、アルミニウム酸化膜(AlX OY)を用いることができる。第2ハードマスク56の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)を用いることができる。
第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる場合、強誘電体キャパシタへのダメージを抑えるために、より低ダメージなスパッタ法を用いる。又、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)を用いる場合、プラズマCVD法を用いる。
具体的には以下の工程を用いる。まず、フォトレジスト膜を用いて、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)部分を加工し、フォトレジスト膜をアッシング除去後、酸化膜(SiO2)からなる第2ハードマスク56自体を用いて、アルミナ膜(Al2O3)からなる第1ハードマスク55をRIE等で加工する。
ここで、第1ハードマスク55としてアルミナ膜(Al2O3)を用いる理由は、第2ハードマスク56として酸化膜(SiO2)をプラズマCVD法により堆積する際、強誘電体キャパシタヘのダメージを抑制することが可能となり、また、下部電極14の材料であるIr,IrO2等に対して、第1ハードマスク55としてのアルミナ膜(Al2O3)は、エッチング選択比が高いためである。
又、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56からなる多層ハードマスク材料としては、上記シリコン酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)の他、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることもできる。
(b)更に、図16に示すように、第1側壁マスク54を全面に堆積する。
第1側壁マスク54の材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。
第1側壁マスク54の材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
第1側壁マスク54の堆積方法としては、例えば、ALD法を用いることができる。アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、20nm程度である。
(c)更に、図16に示すように、全面エッチバックを行い、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56の側壁部分にのみ、第1側壁マスク54を残す。
(d)更に、図16に示すように、RIE等のエッチング技術を用いて、第2ハードマスク56および第1側壁マスク54を用いて、上部電極18、強誘電体膜16の一部を加工する。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系としては、SrRuO3,IrO2等によって形成される上部電極18については、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。更に、PZT(、Pb(ZrXTi1-X)O3 )等によって形成される強誘電体膜16のエッチングガスについても、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
(e)次に、図17に示すように、全面に第2側壁マスク57および第3側壁マスク58を堆積する。
ここで、第2側壁マスク57の堆積方法としては、例えば、ALD法を用いることができる。アルミニウム酸化膜(Al2 O3)を用いる場合、堆積膜厚は、40nm程度である。
第3側壁マスク58の堆積方法としては、例えば、プラズマCVD法等を用いることができる。酸化膜(SiO2)を用いる場合、堆積膜厚は、50nm程度である。
第2、3側壁マスクの材料としては、強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガスに対して、高選択な材料であれば良い。第2、3側壁マスクの材料としては、例えば、酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることができる。
(f)次に、図18に示すように、エッチバックにより、側壁部を除く第3側壁マスク58を除去する。
(g)次に、図19に示すように、エッチバックにより、側壁部を除く第2側壁マスク57を除去する。結果として、図19に示すように、強誘電体キャパシタの側壁部に、例えば、Al2O3膜からなる第2側壁マスク57、SiO2膜からなる第3側壁マスク58が形成される。
(h)次に、図20に示すように、RIE等のエッチング技術を用いて、例えば、Al2O3/SiO2からなる第1ハードマスク55/第2ハードマスク56、Al2O3からなる第1側壁マスク54、およびAl2O3膜/SiO2膜からなる第2側壁マスク57/第3側壁マスク58を用いて、残りの強誘電体膜16および下部電極14を加工し、強誘電体キャパシタCFE を形成する。
強誘電体キャパシタ材料をエッチングするガス系として、SrRuO3 , Pt, IrO2, Ir, Ti等によって形成される下部電極14のエッチングガスは、例えば、塩素―アルゴン系のガスを用いる。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の構造では、一括加工ではなく、2stepで強誘電体キャパシタ材料を加工する際に、側壁マスクを適用するものである。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置の構造的特徴は、上部電極18の側壁部分と強誘電体膜16の側壁の一部分を予め、第2側壁マスク57で被覆することから、第1乃至第4の実施の形態に係る半導体装置よりも強誘電体キャパシタCFEのキャパシタリークを低減でき、なおかつ分極量特性も改善できる点にある。
また、従来の2PEP―2Mask法で形成する強誘電体キャパシタ構造に対して、1PEP―2Mask構造であるため、PEP数を低減でき、また強誘電体キャパシタのサイズを微細化することができる。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、側壁マスク構造を用いて加工を行った場合、膜厚が薄い第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を用いても、片落ちのない加工が可能となり、微細化が容易になる。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、図7に示すように、第1ハードマスク55および第2ハードマスク56を薄膜化できた結果、メモリセル部のコンタクトを形成するビアホール電極22の厚さL3を薄膜化させ、かつ、周辺回路部のコンタクトを形成するビアホール電極38の厚さL4を薄膜化させ、ビアホールコンタクト部分のアスペクト比を低下することができ、製造歩留まりを向上することもできる。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、薄膜化されたハードマスクを用いて、高テーパー角度のキャパシタ構造を有する微細化FeRAMキャパシタを形成することができる。
又、本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスク側壁に強誘電体キャパシタ材料に対して高エッチング選択比を有する材料で側壁マスクを形成し、これを用いて強誘電体キャパシタを加工形成することによって、強誘電体キャパシタ面積の縮小化および強誘電体キャパシタ周りのコンタクトのアスペクト比を低下でき、メモリセルサイズの縮小化、信頼性向上等により、コスト低減を図ることができる。
本発明の第5の実施の形態に係る半導体装置およびその製造方法によれば、ハードマスクを薄くすることが可能になるため、微細な1PEP―2MaskFeRAMキャパシタ構造を形成することができる。
(メモリセルアレイ)
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置は、強誘電体キャパシタを用いたあらゆる半導体装置に適用可能である。例えば、本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置は、特にMOSトランジスタのソース/ドレインに強誘電体キャパシタの両電極をそれぞれ接続してなるメモリセルを複数個直列接続した構成のTCユニット直列接続型FeRAM、MOSトランジスタのソース若しくはドレインに強誘電体キャパシタを直列接続した構成の1T1C型FeRAM、或いはMOSトランジスタのゲートキャパシタを強誘電体キャパシタCFEで構成した1T型FeRAMに適用される。
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置は、強誘電体キャパシタを用いたあらゆる半導体装置に適用可能である。例えば、本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置は、特にMOSトランジスタのソース/ドレインに強誘電体キャパシタの両電極をそれぞれ接続してなるメモリセルを複数個直列接続した構成のTCユニット直列接続型FeRAM、MOSトランジスタのソース若しくはドレインに強誘電体キャパシタを直列接続した構成の1T1C型FeRAM、或いはMOSトランジスタのゲートキャパシタを強誘電体キャパシタCFEで構成した1T型FeRAMに適用される。
(TCユニット直列接続型FeRAM)
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、TCユニット直列接続型FeRAMセルブロックの回路構成は、図21に示すように模式的に表される。TCユニット直列接続型FeRAMは、メモリセルトランジスタMTと強誘電体キャパシタCFEを並列接続したユニットセルを直列に接続した構成を備えることから、チェインFeRAMとも呼ばれている。
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、TCユニット直列接続型FeRAMセルブロックの回路構成は、図21に示すように模式的に表される。TCユニット直列接続型FeRAMは、メモリセルトランジスタMTと強誘電体キャパシタCFEを並列接続したユニットセルを直列に接続した構成を備えることから、チェインFeRAMとも呼ばれている。
TCユニット直列接続型FeRAMのユニットセルは、例えば、図21に示すように、メモリセルトランジスタMTのソース、ドレイン間に強誘電体キャパシタCFEの両端をそれぞれ接続した構成を備える。このようなユニットセルは、図21に示すように、プレート線PLとビット線BL間において、複数個直列に配置される。このような複数個直列接続されたTCユニット直列接続型FeRAMストリングのブロックは、ブロック選択トランジスタSTによって、選択される。各々のメモリセルトランジスタMTのゲートには、それぞれワード線WL0,WL1,WL2,…,WL7が接続され、ブロック選択トランジスタSTのゲートには、ブロック選択線BSが接続される。
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能なメモリセルアレイの一例として、TCユニット直列接続型FeRAMセルアレイのブロック構成は、図22に示すように模式的に表される。TCユニット直列接続型FeRAMセルアレイは、図22に示すように、メモリセルアレイ80と、メモリセルアレイ80に接続されたワード線制御回路63と、ワード線制御回路63に接続されたプレート線制御回路65を備える。メモリセルアレイ80には、TCユニット直列接続型FeRAMセルがマトリックス状に複数個配列されている。
図22に示すように、複数のワード線WL(WL0〜WL7)は、それぞれワード線制御回路63内に配置されるワード線ドライバ(WL.DRV.)60に接続され、ブロック選択線BS(BS0,BS1)は、それぞれワード線制御回路63内に配置されるブロック選択線ドライバ(BS.DRV.)62に接続されている。一方、プレート線PL(PL,/PL)は、それぞれプレート線制御回路65内に配置されるプレート線ドライバ(PL.DRV.)64に接続されている。
メモリセルアレイ80は、図22に示すように、TCユニット直列接続型FeRAMのブロックが、ワード線WL(WL0〜WL7)が延伸する方向において、並列に配置された構成を備える。また、メモリセルアレイ80は、図22に示すように、TCユニット直列接続型FeRAMのブロックが、プレート線PL(PL,/PL)を中心として、ビット線BL(BL,/BL)が延伸する方向において、折り返した構成を備える。
TCユニット直列接続型FeRAMでは、ワード線WL(WL0〜WL7)の電位V(WL)、及びブロック選択線BS(BS0,BS1)の電位V(BS)は、例えば、内部電源電圧VPP、或いは接地電位GND、例えば0Vのいずれかをとる。又、スタンドバイ状態においては、例えば、ワード線WLの電位V(WL)=VPP(V),ブロック選択線BSの電位V(BS)=0(V)となる。プレート線PL(PL,/PL)の電位V(PL)は、内部電源電圧VINT、或いは接地電位GNDのいずれかの電位をとる。又、スタンドバイ状態においては、プレート線PLの電位V(PL)=0(V)となる。
ビット線BL(BL,/BL)には、センスアンプ70が接続され、このセンスアンプ70において、FeRAMユニットセルからの微小信号が比較増幅されて、ハイレベル,ロウレベルに確定された信号が読み出される。スタンドバイ状態においては、ビット線の電位V(BL)=0(V)である。
(1T1C型FeRAM)
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、1T1C型FeRAMのメモリセルアレイにおける模式的回路構成は、図23に示すように表される。
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、1T1C型FeRAMのメモリセルアレイにおける模式的回路構成は、図23に示すように表される。
1T1C型FeRAMは、図23に示すように、メモリセルアレイ80と、メモリセルアレイ80に接続されたワード線制御回路63と、ワード線制御回路63に接続されたプレート線制御回路65を備える。メモリセルアレイ80には、1T1C型FeRAMセルが複数個、マトリックス状に集積化されて配置される。
1T1C型FeRAMのユニットセルは、例えば、図23に示すように、メモリセルトランジスタMTのソースに強誘電体キャパシタCFEを直列接続した構成を備える。このようなユニットセルは、図23に示すように、複数のプレート線PL(PL,/PL)と複数のビット線BL(BL,/BL)の交差部に配置され、マトリックスを構成している。
各々のメモリセルトランジスタMTのゲートには、ワード線WL(WL0,WL1,…)が接続され、メモリセルトランジスタMTのソースに接続される強誘電体キャパシタCFEの電極と反対側の他方の電極は、図23に示すように、プレート線PL(PL,/PL)に接続され、メモリセルトランジスタMTのドレインには、ビット線BL(BL,/BL)が接続されている。
図23に示すように、複数のワード線WL(WL0,WL1,…)は、それぞれワード線制御回路63内に配置されるワード線ドライバ(WL.DRV.)60に接続され、一方、プレート線PL(PL,/PL)は、それぞれプレート線制御回路65内に配置されるプレート線ドライバ(PL.DRV.)64に接続されている。
1T1C型FeRAMでは、ワード線WL(WL0,WL1,…)の電位は、例えば内部電源VPP、或いは接地電位GND、例えば0Vのいずれかをとる。又、スタンバイ状態においては、例えばV(WL)=VPPとなる。プレート線PL(PL,/PL)の電位は、内部電源VINT、或いは接地電位GNDのいずれかの電位をとる。又、スタンバイ状態においては、V(PL)=0(V)となる。ビット線BL(BL,/BL)には、センスアンプ70が接続され、このセンスアンプ70において、FeRAMからの微小信号が比較増幅されて、ハイレベル、ロウレベルに確定された信号が読み出される。スタンバイ状態においては、V(BL)=0(V)である。
(1トランジスタ型FeRAM)
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、1T型FeRAMセルの模式的回路構成は、図24に示すように表される。
本発明の第1乃至第5の実施の形態に係る半導体装置を適用可能な、1T型FeRAMセルの模式的回路構成は、図24に示すように表される。
即ち、ソース領域をソース線SLに接続し、ドレイン領域をビット線BLに接続し、MOSトランジスタのMOSゲートキャパシタを強誘電体キャパシタCFEで形成し、MOSゲート電極にワード線WLを接続している。図24に示すような1T型FeRAMの構成が、マトリックス状に配列されて、メモリセルアレイを構成する。
[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第1乃至第5の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
上記のように、本発明は第1乃至第5の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
8…層間絶縁膜
10…半導体基板
12,36…プラグ電極
14…下部電極
16…強誘電体膜
18…上部電極
20…ハードマスク
22,38…ビアホール電極
24,40…配線電極
26,28…ソース/ドレイン拡散層
30…ゲート電極
32…ゲート絶縁膜
34…コンタクト拡散層
54…第1側壁マスク
55…第1ハードマスク
56…第2ハードマスク
57…第2側壁マスク
58…第3側壁マスク
MT…メモリセルトランジスタ
ST…ブロック選択トランジスタ
CFE…強誘電体キャパシタ
10…半導体基板
12,36…プラグ電極
14…下部電極
16…強誘電体膜
18…上部電極
20…ハードマスク
22,38…ビアホール電極
24,40…配線電極
26,28…ソース/ドレイン拡散層
30…ゲート電極
32…ゲート絶縁膜
34…コンタクト拡散層
54…第1側壁マスク
55…第1ハードマスク
56…第2ハードマスク
57…第2側壁マスク
58…第3側壁マスク
MT…メモリセルトランジスタ
ST…ブロック選択トランジスタ
CFE…強誘電体キャパシタ
Claims (5)
- 半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、前記ソース/ドレイン拡散層間の前記半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置された下部電極,前記下部電極上に配置された強誘電体膜,および前記強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、
前記上部電極上あるいは上方に配置されたハードマスクと、
前記ハードマスク側壁の一部若しくは全部に配置された第1側壁マスク
とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、前記ソース/ドレイン拡散層間の前記半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置された下部電極,前記下部電極上に配置された強誘電体膜,および前記強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、
前記上部電極上に配置された第1ハードマスクと、
前記第1ハードマスク上に配置された第2ハードマスクと、
少なくとも前記第1ハードマスク側壁若しくは前記第2ハードマスク側壁に配置された第1側壁マスク
とを備えることを特徴とする半導体装置。 - 半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、前記ソース/ドレイン拡散層間の前記半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタと、
前記半導体基板上に配置された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に配置された下部電極,前記下部電極上に配置された強誘電体膜,および前記強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタと、
前記上部電極上あるいは上方に配置されたハードマスクと、
前記ハードマスク側壁の一部若しくは全部に配置された第1側壁マスクと、
前記上部電極の側壁および前記強誘電体膜の側壁の一部に配置された第2側壁マスク
とを備え、前記上部電極および前記強誘電体膜の一部は、前記ハードマスクおよび前記第1側壁マスクを用いて加工され、かつ、前記強誘電体膜の一部および前記下部電極は、前記ハードマスク、および前記第2側壁マスクを用いて加工されることを特徴とする半導体装置。 - 前記ハードマスクおよび前記側壁マスクの材料としては、シリコン酸化膜(SiO2)、アルミニウム酸化膜(AlX OY)、ジルコニウム酸化膜(ZrOX)、チタン酸化膜(TiOX)、チタンアルミニウムナイトライド膜(TiAlX NY)、チタンナイトライド膜(TiX NY)、チタンアルミニウムナイトライド酸化膜(TiAlX NYOZ)、チタンナイトライド酸化膜(TiXNYOZ 膜)或いはこれらの多層膜を用いることを特徴とする請求項1乃至請求項3の内、何れか1項に記載の半導体装置。
- 半導体基板に配置されたソース/ドレイン拡散層と、前記ソース/ドレイン拡散層間の前記半導体基板上に配置されたゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に配置されたゲート電極とを有するメモリセルトランジスタを形成する工程と、
前記半導体基板上に層間絶縁膜を形成する工程と、
前記層間絶縁膜上に配置された下部電極,前記下部電極上に配置された強誘電体膜,および前記強誘電体膜上に配置された上部電極とを有する強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記上部電極上あるいは上方にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスク側壁の一部若しくは全部に第1側壁マスクを形成する工程
とを有し、前記強誘電体キャパシタを形成する工程は、前記ハードマスクおよび前記第1側壁マスクを用いて一括加工する工程を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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