本出願人は、容量素子として強誘電体キャパシタQを有する強誘電体メモリを備えた半導体装置1の欠陥の原因を調査した。その結果、本出願人は、下部電極の表面に大気中の有機物又は水分が吸着した状態で、強誘電体膜が積層され、この強誘電体膜が熱処理(アニール)されて結晶化すると、下部電極と誘電体膜の界面に膨らみ(図21参照)が形成されることを発見した。この膨らみは、下部電極表面に吸着していた有気物又は水分が脱着し、体積が増加するためと考えられる。
そこで、本出願人は、この欠陥の発生を防止するための半導体装置の製造方法を発明した。以下に、この製造方法をその好ましい一実施形態に基づいて説明する。
以下、本明細書で開示する半導体装置の製造方法の好ましい実施形態を、図1〜図14を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
本明細書で開示する実施形態(以下、単に本実施形態ともいう)は、図14に示すように、容量素子として強誘電体キャパシタQを有する強誘電体メモリを備えた半導体装置1を製造する方法である。強誘電体メモリは、MOSトランジスタと強誘電体キャパシタQとが直列に接続された基本構造を有する。この強誘電体メモリは、図14に示すように、強誘電体キャパシタQの下部電極Qcのコンタクト領域上に導電性プラグP2が形成されたプレーナ型の構造を有する。
次ぎに、図14に示す半導体装置1を形成するまでの工程を以下に説明する。
まず、図1に示す構造をシリコン基板20上に形成する。
図1に示す構造は、シリコン基板20上に、素子分離絶縁膜21で画成されたp型のウェル領域が形成される。そして、nチャネルのMOSトランジスタTrが、このウェル領域に間隔を空けて形成される。
MOSトランジスタTrは、そのチャネル領域に対応してゲート絶縁膜28が形成される。
ゲート絶縁膜28上にはn型にドープされた多結晶シリコンのゲート電極25が形成される。ゲート電極25は、強誘電体メモリのワード線の一部を形成する。
ゲート電極25の両側壁上には、絶縁性のサイドウォール26が形成される。そして、サイドウォール26それぞれの外側には、n型のソース/ドレイン領域23が形成される。
また、図1に示すように、MOSトランジスタTrでは、ソース/ドレイン領域23の端部からゲート絶縁膜28に向って、ソース/ドレインエクステンション領域24が延出するように形成される。
図1に示すように、ソース/ドレイン領域23上それぞれにはシリサイド層29が形成される。また、ゲート電極25上にはシリサイド層27が形成される。
ソース/ドレイン領域23上には、ソース/ドレイン領域23と上層の配線層とをシリサイド層29を介して接続するプラグP1が形成される。
また、図1に示すように、酸化防止絶縁膜としての酸窒化シリコン膜30が、MOSトランジスタTrを覆うようにシリコン基板20上に形成される。更に、酸窒化シリコン膜30の上には、酸化シリコン膜が第1層間絶縁層D1として形成される。
次に、図2に示すように、後の工程における酸素雰囲気中での熱処理によりプラグP1が酸化されることを防ぐために、酸化防止膜31を形成する。酸化防止膜31としては、例えば、SiON(100nm)とプラズマTEOS酸化シリコン(130nm)との積層構造とすることができる。
そして、窒素雰囲気中で基板温度を650℃とするアニールを酸化防止膜31に対して30分間行うことにより酸化防止膜31の脱ガスを行う。
そして、酸化防止膜31の上に、下部電極となる第1の導電層を酸化防止膜31に密着させる密着膜(図示せず)を、スパッタ法により形成する。この密着膜は、例えば、20nm程度の厚さのアルミナ(Al2O3)膜とすることができる。
更に、急速加熱処理(RTA処理)により650℃の酸素雰囲気中で密着膜を酸化する。密着膜は、後述する下部電極と酸化防止膜31との密着性を向上する。
そして、スパッタ処理を行うチャンバ内で、密着膜の上に、スパッタ法により第1の導電層40を形成する。第1の導電層40は、例えば、厚さが約150nmのプラチナ膜(Pt膜)とすることができる。なお、プラチナ膜に代えて、Ir膜、Ru膜、Os膜、Rh膜、Pt膜、Pd膜、酸化ルテニウム(RuO2)膜、及びSrRuO3膜のいずれかの単層膜、又はこれらの積層膜で第1の導電膜40を形成しても良い。
このように、第1の導電層40を形成する前に密着膜を形成したので、第1の導電層40は酸化防止膜31との密着力が高められる。
次に、第1の導電層40が形成されたシリコン基板20を、スパッタ処理を行ったチャンバから取り出す。シリコン基板20がチャンバから取り出されると、第1の導電層40は大気にさらされる。
そして、図3に示すように、第1の導電層の表面に酸化膜10を形成する。この工程によって、第1の導電層40がプラチナにより形成されている場合には、第1の導電層40は、その表面が酸化されて酸化プラチナ(PtO)が形成される。
酸化膜10は、後の工程において、酸化膜10上に形成された強誘電体層を結晶化するためのアニールにより還元されて分解する。そして、この分解により発生した酸素は、強誘電体層に取り込まれる。酸素を取り込んだ強誘電体層は、第1の導電層40と強誘電体層との界面における酸素の欠乏が補われるので、結晶欠陥が減少する。その結果、強誘電体層は、結晶性が向上するので、強誘電体キャパシタの電気的特性が高まる。
この酸化膜を形成する工程は、20オングストローム以下の膜厚の酸化膜10を形成することが好ましい。酸化膜10の厚さが、20オングストロームよりも厚いと、強誘電体層を結晶化するためのアニール後も、強誘電体層と第1の導電層40との間に酸化膜10が分解しきれずに残ってしまう場合がある。強誘電体層は、第1の導電層40の表面の結晶状態に基づいて結晶化するので、強誘電体層と第1の導電層40との間に酸化膜10が存在すると、強誘電体層の結晶化が妨げられる。
また、上記の酸化膜を形成する工程は、酸化膜10として、アモルファス酸化膜を形成することが、強誘電体層を結晶化するためのアニールの際に、酸化膜10を還元して完全に分解する上で好ましい。酸化膜10が多結晶又は単結晶であると、強誘電体層を結晶化するためのアニール後も、強誘電体層と第1の導電層40との間に酸化膜10が分解しきれずに残ってしまう場合がある。
酸化膜10の形成方法は、上述した特性を有する酸化膜を形成できれば、特に制限はない。本実施形態では、酸化膜を形成する工程は、第1の導電層40を大気にさらさした状態で、第1の導電層40の表面に自然酸化膜10を形成する。例えば、第1の導電層40を形成したシリコン基板20をカセット内に保管した状態で、クリーンルーム内で数時間、例えば5〜6時間、放置することによって、第1の導電層40の表面に自然酸化膜10を形成できる。ここで、大気は、半導体装置を製造するクリーンルーム内の空気雰囲気を意味する。
そして、酸化膜10が形成されたシリコン基板20を、減圧加熱処理するチャンバ内に搬送する。酸化膜10は、搬送されている際に大気にさらされて、酸化膜10の表面には、有機物又は水分等の不純物が吸着する。
そこで、酸化膜10に対して、減圧下且つ第1の温度で第1の減圧加熱処理を行う。この第1の減圧加熱処理によって、酸化膜10の表面の吸着した有機物又は水分等の不純物を除去する。
第1の温度は、100℃〜300℃の範囲にあることが好ましい。この第1の温度は、具体的にはシリコン基板20の温度である。第1の温度が100℃よりも低いと、酸化膜10の表面の不純物を除去する効果が小さくなる。また、第1の温度が300℃よりも高いと、次の工程を開始する前にシリコン基板20の温度が下がるのを待つ時間が長くなるので、生産性が低下する観点から好ましくない。特に、第1の温度は、後述する非晶質の第1の誘電体層を結晶化する温度よりも低いことが好ましい。
第1の減圧加熱処理は、100Pa以下に減圧することが好ましい。第1の減圧加熱処理の圧力が100Paより大きいと、酸化膜10の表面の不純物を除去する効果が小さくなる。
また、第1の減圧加熱処理は、60秒〜200秒間行うことが好ましい。第1の減圧加熱処理の時間が60秒よりも短いと、酸化膜10の表面の不純物を除去する効果が小さくなる。また、第1の減圧加熱処理の時間が200秒よりも長いと、生産性が低下する観点から好ましくない。
本実施形態では、第1の減圧加熱処理を、温度を150℃、圧力を約5.0×10-6Pa、処理時間を120秒間の条件で行った。
次に、不純物が除去された酸化膜10を大気にさらすことなく、減圧加熱処理するチャンバから誘電体層を形成するためのスパッタ処理を行うチャンバ内へ、シリコン基板20を搬送する。そして、図4に示すように、減圧下且つ第1の温度よりも低い第2の温度で、非晶質の第1の強誘電体層41を酸化膜10上に形成する。
具体的には、PZTターゲットを用いるRF(Radio Frequency)スパッタ法により、酸化膜10の上に第1の誘電体層41としてPZT(Pb(Zrx,Ti1-x)O3(0≦x≦1))膜を、厚さ約90〜130nm(例えば130nm)で形成する。
第2の温度は、0℃以上100℃未満、特に30℃以上100℃未満の範囲にあることが好ましい。この第2の温度は、具体的にはシリコン基板20の温度である。第2の温度が100℃以上であると、結晶化された第1の強誘電体層41は、PZTの面配向として好ましい(111)面配向が弱くなると共に、(101)及び(100)面配向が大きくなり、強誘電体キャパシタQの電気的特性が悪くなる。一方、第2の温度が30℃未満であると、シリコン基板20の温度が非常に不安定性となり、生産性が低下して量産に不利である。本実施形態では、第2の温度として50℃を用いる。
もし、第1の強誘電体層41を形成する温度を十分に高くすることができれば、酸化膜10に付着した不純物を、第1の強誘電体層41を形成することと共に、除去することができる。しかし、上述した理由によって、第1の強誘電体層41の結晶性を確保する上で、第1の強誘電体層41を形成する温度を十分に高くすることは好ましくない。
なお、第1の強誘電体層41の形成材料はPZTに限定されない。PZTにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir、及びWのいずれかを添加した材料で第1の強誘電体層41を形成してもよい。更に、(Bi1-xRx)Ti3O12(Rは希土類元素で0<x<1)、SrBi2Ta2O9(SBT)、及びSrBi4Ti4O15等のBi層状化合物で第1の強誘電体層41を形成してもよい。
なお、本実施形態では、第1の強誘電体層41をスパッタ法を用いて形成したが、他の方法を用いて第1の強誘電体層41を形成しても良い。例えば、ゾル・ゲル法やMOCVD(Metal Organic CVD:有機金属化学気相成長法)法を用いて、第1の強誘電体層41を形成しても良い。
更に説明すると、第1の誘電体層41が、スパッタ法又はゾル・ゲル法により形成される場合には、第1の導電層40が、Os膜、Rh膜、Pt膜、Pd膜により形成され、且つ酸化膜10の膜厚は0.1nm以上3nm以下であることが好ましい。
また、第1の誘電体層41が、有機金属化学気相成長法により形成される場合には、第1の導電層40が、Ir膜、Ru膜により形成され、且つ酸化膜10の膜厚は15nm以上、30nm以下であることが好ましい。
上述したようにスパッタ法で形成された第1の強誘電体層41は、成膜直後では結晶化しておらず非晶質の状態となっており、誘電体特性に乏しい。
次に、スパッタ処理を行ったチャンバから、第1の強誘電体層41が形成されたシリコン基板20を取り出し、結晶化アニールのためのチャンバ内に搬送する。シリコン基板20がチャンバから取り出されると、第1の強誘電体層41は大気にさらされる。
そして、図5に示すように、第1の温度よりも高い第3の温度でアニールを行って、非晶質の第1の強誘電体層41を結晶化する。この第3の温度は、具体的にはシリコン基板20の温度である。
第3の温度は、580℃〜620℃の範囲にあることが、非晶質の第1の強誘電体層41を十分に結晶化する上で好ましい。本実施形態では、第3の温度を610℃、アニール時間を90秒とした。
また、この結晶化アニールは、酸素含有雰囲気、例えば酸素濃度が2.0%となるように調整された酸素とアルゴンとよりなる雰囲気においてRTA(Rapid Thermal Anneal)により行うことができる。
この結晶化アニールによって、第1の強誘電体層41は結晶化し、その層中にPZT結晶粒が多数形成される。
また、図5に示すように、この結晶化アニールによって、酸化膜10は還元されて分解し、消滅する。そして、この分解により発生した酸素が第1の強誘電体層41に取り込まれる。
第1の強誘電体層41の結晶性は、強誘電体層の結晶化の方法に依存すると共に、第1の導電層40の結晶性及び第1の導電層40の表面状態に強く依存する。強誘電体層の結晶は第1の導電層40の結晶粒子間から成長していく。従って、第1の導電層40の結晶性化の均一性は、第1の強誘電体層41の結晶性を左右する。一方、第1の導電層40と第1の強誘電体層41の界面において第1の強誘電体層41の組成がずれると、第1の強誘電体層41の結晶性も悪くなる。ペロブスカイト構造を持つSRO、LSCO、LNOなどの化合物を第1の強誘電体層41の表面に形成すると、第1の強誘電体層41は、そのまま結晶を成長する。一方、一般的な貴金属酸化膜を第1の導電層40の上に形成する場合は、これらの貴金属酸化物が(111)面に配向しないので、第1の強誘電体層41の結晶性は悪くなる。
なお、第1の強誘電体層41をMOCVD法を用いて形成する場合は、第1の強誘電体層41は成膜の時点で結晶化しているので、上記の結晶化アニールは不要である。
そして、結晶化した第1の強誘電体層41が形成されたシリコン基板20を、結晶化アニールのためのチャンバから取り出す。シリコン基板20がチャンバから取り出されると、結晶化した第1の強誘電体層41は大気にさらされる。
このように、大気にさらされた第1の強誘電体層41の表面には、有機物又は水分等の不純物が吸着する。
そこで、結晶化された第1の強誘電体層41に、減圧下且つ第1の温度で第2の減圧加熱処理を行って、第1の強誘電体層41の表面の吸着した有機物又は水分等の不純物を除去する。
この第2の減圧加熱処理を行うための、圧力及び時間は、上述した第1の減圧加熱処理と同じであることが好ましい。本実施形態では、第2の減圧加熱処理を、温度を150℃、圧力を約5.0×10-6Pa、処理時間を60秒間の条件で行った。
また、第2の減圧加熱処理は、第1の強誘電体層41を非プラズマ雰囲気中において処理することが好ましい。
この第2の減圧加熱処理のガス雰囲気は特に限定されない。但し、雰囲気中に水素等の還元性物質が存在すると、これらの物質によって第1の強誘電体層41が還元されてその誘電体特性が劣化してしまうおそれがある。例えば、水素が排除されたガス雰囲気内で第2の減圧加熱処理を行うことが好ましい。そのような雰囲気としては、例えば、Ar、N2、及びO2のいずれかの雰囲気がある。これらのうち、O2雰囲気中で第2の減圧加熱処理を行うと、第1の強誘電体層41の酸素欠損が補われるという利点も得られる。
また、雰囲気の圧力は大気圧でもよいが、上述のように減圧下で加熱処理を行う方が、第1の強誘電体層41に付着している有機物等の不純物を除去し易い。
ここで、第2の減圧加熱処理の基板温度を第3の温度であるPZTの結晶化温度以上とすると、次の工程を開始する前にシリコン基板20の温度が下がるのを待つ時間が長くなるので、生産性が低下する観点から好ましくない。従って、第2の減圧加熱処理の基板温度は、第3の温度よりも低い温度、特に350℃以下、更に300℃以下にすることが好ましい。
第2の減圧加熱処理の方法は特に限定されない。例えば、加熱用チャンバ、又はスパッタチャンバのステージを流用して加熱処理を行ってもよいし、RTAチャンバや炉を用いて加熱処理を行ってもよい。
次に、第2の減圧加熱処理された第1の強誘電体層41を大気にさらすことなく、減圧加熱処理するチャンバから第2の導電層を形成するためのスパッタ処理を行うチャンバ内へ、シリコン基板20を搬送する。そして、図6に示すように、減圧下且つ第2の温度で、非晶質の第2の強誘電体層42を第1の強誘電体層41上に形成する。
第2の強誘電体層41の厚さは、第1の強誘電体層40の厚さの40%以下であることが好ましい。
また、第1の強誘電体層41と同じ材料で第2の強誘電体層42を形成することが好ましい。また、第2の強誘電体層42はPZT膜に限定されず、PZTにCa、Sr、La、Nb、Ta、Ir、及びWのいずれかを添加した材料で第2の強誘電体層42を形成しても良い。更に、(Bi1-xRx)Ti3O12(Rは希土類元素で0<x<1)、SrBi2Ta2O9(SBT)、及びSrBi4Ti4O15等のBi層状化合物で第2の強誘電体層42を形成しても良い。
本実施形態では、第1の強誘電体層41の上に、RFスパッタ法により第2の強誘電体層42として非晶質のPZT膜を厚さ10〜30nmに形成する。
上述したようにスパッタ法で形成された第2の強誘電体層42は、成膜直後では結晶化しておらず非晶質の状態となっており、誘電体特性に乏しい。
本実施形態では、第2の強誘電体層42を形成するためのスパッタ処理と、第2の強誘電体層42の上に形成される第2の導電層を形成するためのスパッタ処理とが、クリーンルーム内の異なる半導体製造装置を用いて行われる。
そこで、シリコン基板20を、第2の強誘電体層42を形成するためのスパッタ処理のチャンバから取り出す。シリコン基板20がチャンバから取り出されると、第2の強誘電体層42は大気にさらされる。
このように、大気にさらされた第2の強誘電体層42の表面には、有機物又は水分等の不純物が吸着する。
そこで、第2の強誘電体層42に対して、減圧下且つ第1の温度で第3の減圧加熱処理を行って、第1の強誘電体層41の表面の吸着した有機物又は水分等の不純物を除去する。
この第3の減圧加熱処理を行うための圧力及び時間は、上述した第2の減圧加熱処理と同じであることが好ましい。本実施形態では、第2の減圧加熱処理を、温度を150℃、圧力を約5.0×10-6Pa、処理時間を60秒間の条件で行った。
また、第2の減圧加熱処理は、第1の強誘電体層41を水素が排除された非プラズマ雰囲気又はプラズマ雰囲気において処理することが好ましい。
第3の減圧加熱処理の基板温度が第2の強誘電体層42の結晶化温度以上だと、後述する第2の導電層の形成前に第2の強誘電体層が結晶化してしまう。第2の強誘電体層が結晶化すると、第2の導電層を形成する際に該導電層の材料が第2の強誘電体層の結晶粒界に入り込んでリークパスが形成されてしまって、リーク電流が増大する。従って、第3の減圧加熱処理の基板温度は第2の強誘電体層42の結晶化温度よりも低い温度に設定することが好ましい。
次に、第3の減圧加熱処理された第1の強誘電体層41を大気にさらすことなく、減圧加熱処理するチャンバから第2の導電層を形成するためのスパッタ処理を行うチャンバ内へ、シリコン基板20を搬送する。そして、図7に示すように、減圧下で、第2の導電層43を第2の強誘電体層42上に形成する。
第2の導電層43を形成する温度は、150〜350℃であることが好ましい。
本実施形態では、スパッタ法により、第2の強誘電体層42の上に第2の導電層43として酸化イリジウム膜を厚さ約50nmに形成する。
そして、第2の導電層43に覆われた非晶質の第2の強誘電体層42に対して、酸素含有雰囲気中において結晶化アニールを行う。この結晶化アニールを行うことにより、非晶質の第2の強誘電体層42を結晶化すると共に、その下の第1の強誘電体層41の結晶性を更に高める。
非晶質の第2の強誘電体層42の結晶化アニールの条件は、第2の強誘電体層42を結晶化できる条件であれば、特に限定されない。本実施形態では基板温度を710℃、処理時間を120秒とする。また、本実施形態では、アニールが行われる酸素含有雰囲気として、酸素濃度が1%に調整された酸素ガスとアルゴンガスとの混合雰囲気を用いる。
このように第2の導電層43が形成された状態で第2の強誘電体層42を結晶化することにより、第2の導電層43を形成する酸化イリジウムが第2の強誘電体層42の結晶粒界に入り込むことを防止できる。従って、酸化イリジウムによって第2の強誘電体層42にリークパスが形成されることを抑制できる。
また、この結晶化アニールにより、酸素が、第2の導電層43を通じて第2の強誘電体層42に供給され、第2の強誘電体層42の酸素欠損が補われるという利点も得られる。このような利点を得るために、第2の導電層43の厚さは酸素が透過しやすいように薄く、例えば10〜100nmとすることが好ましい。
次に、図8に示すように、第3の導電層44を第2の導電層43の上に形成する。本実施形態では、第3の導電層44として、スパッタ法により、酸化イリジウム膜を厚さ約200nmに形成する。
第3の導電層44は、上部電極の一部を形成すると共に、後のエッチング処理等において受けるダメージを第2の導電層43と共に吸収し、第1の強誘電体層41及び第2の強誘電体層42が劣化することを防止する。
そして、シリコン基板20の背面洗浄を行う。この背面洗浄は、シリコン基板20の表面をレジストで保護し、シリコン基板20の背面についているPZT膜をHFで除去し、表面のレジストを除去することにより行われる。
次に、図9に示すように、第3の導電層44及び第2の導電層43をパターニングして、上部電極Qaを形成する。本実施形態では、強誘電体キャパシタQの上部電極Qaは、第3の導電層44と第2の導電層43とが積層された2層構造を有する。
そして、シリコン基板20に対して、酸素含有雰囲気中において熱処理を行う。熱処理の温度は600〜700℃とすることが好ましい。本実施形態では、温度を650℃、処理時間を40分間の条件で熱処理を行う。この熱処理は、プロセス中に第1の強誘電体層41及び第2の強誘電体層42が受けたダメージを回復させる。この熱処理は、回復アニールとも呼ばれる。
次に、図10に示すように、第2の強誘電体層42及び第1の強誘電体層41をパターニングして、強誘電体膜Qbを形成する。本実施形態では、強誘電体キャパシタQの強誘電体膜Qbは、第2の強誘電体層42と第1の強誘電体層41とが積層された2層構造を有する。
そして、強誘電体膜Qbが形成されたシリコン基板20に対して、酸素雰囲気にて、例えば温度を300℃〜400℃、処理時間を30分間〜120分間の条件で熱処理を行う。
次に、図11に示すように、上部電極Qaが積層された強誘電体膜Qbを覆う第1の保護層50を形成する。第1の保護層50は、例えばスパッタ法又はCVD法を用いて形成される。本実施形態では、第1の保護層50として、膜厚が20〜50nmの酸化アルミニウム膜を形成する。
次いで、第1の保護層50が形成されたシリコン基板20に対して、酸素雰囲気にて、例えば温度を400〜600℃、処理時間を30〜120分間の条件で熱処理を行う。
次に、図12に示すように、第1の保護層50及び第1の強誘電体層40をパターニングして、下部電極Qcを形成する。
このようにして、上部電極膜Qaと、強誘電体膜Qbと、下部電極Qcとを有する強誘電体キャパシタQが形成される。
そして、下部電極Qcが形成されたシリコン基板20に対して、酸素雰囲気にて、例えば温度を400〜600℃、処理時間を30〜120分間の条件で熱処理を行う。
そして、図12に示すように、第1の保護膜50に覆われた強誘電体キャパシタQを覆うように、第2の保護膜51を形成する。第2の保護層51は、例えばスパッタ法又はCVD法を用いて形成される。本実施形態では、第2の保護層51として、膜厚が20nmの酸化アルミニウム膜を形成する。
そして、第2の保護層51が形成されたシリコン基板20に対して、酸素雰囲気にて、例えば温度を500℃〜700℃、処理時間を30分間〜120分間の条件で熱処理を行う。この結果、強誘電体膜Qbに酸素が供給されて、強誘電体キャパシタの電気的特性が回復する。
次に、図13に示すように、第2の保護層51の上に、第2層間絶縁層D2を形成する。第2層間絶縁層D2は、例えばプラズマTEOSCVD法を用いて形成される。本実施形態では、膜厚が1400nmのシリコン酸化物から形成される第2層間絶縁層D2を形成する。
そして、例えばCMP法により、第2層間絶縁層D2の表面を平坦化する。
そして、第2層間絶縁層D2が形成されたシリコン基板20に対して、N2Oガス又はN2ガスを用いて発生させたプラズマ雰囲気にて、例えば温度を350℃、処理時間を2分間の条件で熱処理を行う。この熱処理の結果、第2層間絶縁層D2中の水分が除去されると共に、第2層間絶縁層D2の膜質が変化し、第2層間絶縁層D2中に水分が入りにくくなる。また、この熱処理により、第2層間絶縁層D2の表面が窒化され、第2層間絶縁層D2の表面にSiON膜(図示せず)が形成される。
そして、第2層間絶縁層D2の上に、第3の保護層32を形成する。第3の保護層32は、例えばスパッタ法又はCVD法を用いて形成される。本実施形態では、第3の保護層32として、例えば膜厚が20〜50nmの酸化アルミニウム膜を形成する。
そして、第3の保護層32の上に、例えばプラズマTEOSCVD法により、膜厚が300nmのシリコン酸化物により形成される層間絶縁膜33を形成する。
そして、図13に示すように、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを用いて、上部電極Qaに達するコンタクトホールH1を形成する。また、同様にして、下部電極Qbに達するコンタクトホールH2を形成する。
そして、コンタクトホールH1,H2が形成されたシリコン基板20に対して、酸素雰囲気にて、例えば温度を400℃〜600℃、処理時間を30分間〜120分間の条件で熱処理を行う。この結果、強誘電体膜Qbに酸素が供給され、強誘電体キャパシタQの電気的特性が更に回復する。なお、この熱処理を、酸素雰囲気中ではなく、オゾン雰囲気中で行ってもよい。オゾン雰囲気中にて熱処理が行われた場合にも、強誘電体膜Qbに酸素が供給されて、強誘電体キャパシタQの電気的特性が回復する。
そして、図13に示すように、フォトリソグラフィー及びドライエッチングを用いて、プラグP1に達するコンタクトホールH3を形成する。
そして、コンタクトホールH3が形成されたシリコン基板20に対して、アニール処理を行って、積層された各層の脱ガスを行う。このアニール処理は、不活性ガス雰囲気中又は減圧下で行うことを好ましい。
そして、コンタクトホールH1,H2,H3の内壁面に対する表面処理(RFエッチング)を行う。
そして、コンタクトホールH1,H2,H3の内壁面上及び層間絶縁膜33の上に、導電性バリア膜34を形成する。導電性バリア膜34は、例えばスパッタ法を用いて形成される。導電性バリア膜34としては、例えば膜厚が50〜150nmのTiN膜を用いることができる。本実施形態では、このTiN膜を形成するとき、カバーレッジがよいENDURAのSIPチャンバ(アプライドマテリアル社製)で、Tiターゲットを用いて、Ar(83.4×10-8m3/秒(50sccm))とN2(150.0×10-8m3/秒(90sccm))の混合雰囲気中で200℃にて成膜した。この導電性バリア膜34はTiNに限らない。導電性バリア膜34の形成材料としては、例えば、TiN、TaN、CrN、HfN、ZrN、TiAlN、TaAlN、TiSiN、TaSiN、CrAlN、HfAlN、ZrAlN、TiON、TaON、CrON、HfON、ZrON、TiAlON、TaAlON、CrAlON、HfArON、ZrAlON、TiSiON、TaSiON、Ir、Ru、IrOx、RuOx、Ti/TiN、Ti/TaN、Ta/TiN、Ta/TaN膜からなる群から選択された1種を用いることができる。
次に、図14に示すように、導電性バリア膜34の上に導電性膜を形成し、例えばCMP法により層間絶縁膜33の表面が露出するまで、この導電性膜を研磨して、プラグP2を形成する。導電性膜の形成材料としては、例えばタングステン又は銅を用いることができる。
そして、プラグP2が形成されたシリコン基板20に対して、例えばアルゴンガスを用いたプラズマ洗浄を行う。これにより、プラグP2の表面に存在する自然酸化膜等が除去される。
そして、層間絶縁膜33の上に、第1配線層W1を形成する。第1配線層W1は、例えば、膜厚が50nmのTiN膜と、膜厚が550nmのAlCu合金膜と、膜厚が5nmのTi膜と、50nmのTiN膜とを順次積層し、パターニングして形成される。第1配線層W1は、プラグP2又はプラグP1を介して、上部電極Qa、又は下部電極Qc、又はソース/ドレイン領域23と電気的に接続される。
そして、第3層間絶縁層D3と、プラグP3と、第2配線層W2と、第4層間絶縁層D4と、プラグP4と、第3配線層W3と、第5層間絶縁層D5と、プラグP5と、第4配線層W4と、第6層間絶縁層D6と、プラグP6と、第5配線層W5と、を形成する。
以上の工程によって、強誘電体キャパシタQを有する強誘電体メモリを備えた半導体装置1が形成される。
上述した本実施形態の半導体装置の製造方法において、第1の導電層の形成から第3の導電層の形成までの主要な工程の流れを図15に示す。
図15に示すように、本実施形態では、第1の減圧加熱処理の工程1504と第1の誘電体層の形成工程1505とが、シリコン基板20を大気にさらすことなく連続処理される。
また、本実施形態では、第2の減圧加熱処理の工程1508と第2の誘電体層の形成工程1509とが、シリコン基板20を大気にさらすことなく連続処理される。
更に、本実施形態では、第3の減圧加熱処理の工程1511と第2の導電層の形成工程1512とが、シリコン基板20を大気にさらすことなく連続処理される。
上述した本実施形態によれば、第1の導電層40上に形成された酸化膜10上の有機物又は水分等の不純物が除去される。従って、形成された強誘電体キャパシタQにおいて、強誘電体膜Qbが、第1の導電層40によって形成される下部電極Qcに対して浮き上がることによる膨らみの発生が防止される。このようにして、半導体装置1の欠陥の発生が防止される。
また、本実施形態によれば、強誘電体膜Qbと下部電極Qcとの間の密着性が向上するので、半導体装置1は優れた電気的特性を有する。
また、本実施形態によれば、第1の強誘電体層41が結晶化される際に、酸化膜10の分解による酸素が補給されるので、第1の強誘電体層41の結晶性が高められる。従って、強誘電体キャパシタQは電気的特性に優れる。
また、本実施形態によれば、結晶化した第1の強誘電体層41上の有機物又は水分等の不純物が除去される。従って、形成された強誘電体キャパシタQにおいて、第2の強誘電体層42が、第1の強誘電体層41に対して浮き上がることによる膨らみの発生が防止される。このようにして、半導体装置1の欠陥の発生が防止される。
更に、本実施形態によれば、第2の強誘電体層42上の有機物又は水分等の不純物が除去される。従って、形成された強誘電体キャパシタQにおいて、上部電極Qaが、第2の強誘電体層42に対して浮き上がることによる膨らみの発生が防止される。このようにして、半導体装置1の欠陥の発生が防止される。
次に、上述した本発実施形態の変形例について以下に説明する。
図16は、本実施形態の変形例1による製造工程の要部を説明する図である。
変形例1は、第1の導電層の形成工程1601と、自然酸化膜の形成工程1603との間に、第1の導電層のRTA(Rapid Thermal Anneal)処理工程1602を有する。
工程1602は、第1の導電層40の結晶粒径を大きくする。第1の強誘電体層41は、結晶粒径の大きい第1の導電層40上で結晶化されると、第1の強誘電体層41の結晶粒径も大きくなって、第1の強誘電体層41の疲労損失を向上することができる。
工程1602は、例えば、RTA装置を用いて、シリコン基板20に対して、温度を500℃以上750℃以下(例えば、650℃)、ガス雰囲気を不活性ガス(例えば、Ar)の条件で熱処理することにより行われる。変形例1のその他の工程は、上述した本実施形態と同じである。
図17は、本実施形態の変形例2による製造工程の要部を説明する図である。
変形例2では、酸化膜の形成工程1702において第1の導電層40上に酸化膜10を形成する際に、自然酸化膜ではなく、装置を用いて酸化膜を形成する。
工程1702では、第1の導電層40が形成されたシリコン基板20を、低温炉の中に搬送し、酸素の雰囲気中で第1の導電層40の表面を酸化させる。酸化膜の厚さは、1〜30オングストローム、特に1〜20オングストロームの範囲にあることが好ましい。
工程1702を行う装置としては、RTA装置等の熱処理装置又はCVD装置等を用いることができる。工程1702を行う温度は、100℃以下、特に50℃以下、更には室温であることが好ましい。シリコン基板20を搬送したチャンバ内には、酸素を2L/分以上流すことが好ましい。また、工程1703の処理時間は、2分以上、特に3時間以上、例えば6時間、であることが好ましい。
本変形例では、酸化膜の形成工程と、第1の誘電体層の形成工程との間では、酸化膜が形成されたシリコン基板は、大気にさらされることなく、搬送することができない。従って、酸化膜が形成されたシリコン基板は、工程1702を行ったチャンバから取り出されて、酸化膜は大気にさらされる(工程1703)。酸化膜の表面には、有機物又は水分等の不純物が吸着する。そこで、酸化膜に対して、減圧下且つ第1の温度で第1の減圧加熱処理を行う(工程1704)。
変形例2のその他の工程は、上述した本実施形態と同じである。
図18は、本実施形態の変形例3による製造工程の要部を説明する図である。
変形例3は、図15に示す本実施形態の工程1510及び工程1511を行わずに、第2の強誘電体層の形成工程1809の後に、第2の導電層の形成工程1810が続く。変形例3のその他の工程は、上述した本実施形態と同じである。
変形例3では、以下に示す理由によって、図15に示す第3の減圧加熱処理工程1511が不要となる。
まず、第2の強誘電体層42が形成されたシリコン基板20を大気にさらすことなく、第2の導電層43を形成する方法を用いることによって、第3の減圧加熱処理工程1511が不要となる。
また、第2の導電層43を100℃以上の高温で形成することによって、第2の導電層43を形成する際に、第2の強誘電体層42上の不純物を除去できる。従って、第2の強誘電体層42が形成されたシリコン基板20が大気にさらされても、第3の減圧加熱処理工程1511が不要となる。
図19は、本実施形態の変形例4による製造工程の要部を説明する図である。
変形例4は、第2の誘電体層を形成しない製造方法である。従って、図19では、図15に示す本実施形態の工程から第2の誘電体層に関する工程が取り除かれる。このように、強誘電体キャパシタQの強誘電体膜Qbは、一つの誘電体層により形成されていても良い。
以下、本明細書に開示する半導体装置の製造方法の作用効果について、実施例および実施例と比較するための比較例を用いて更に説明する。ただし、本発明はかかる実施例に制限されるものではない。
[実施例1]
上述した図16に示す変形例1の半導体装置の製造方法に従って、半導体装置を、第3の導電層が形成されたシリコン基板20に対して背面洗浄を行う工程(図8)まで製造して、実施例1を得た。実施例1のN数は3とした。
第1の導電層の形成工程では、第1の導電層としてPtを用いた。第1の導電層のRTA処理工程では、642℃の温度を用いて、Arの雰囲気中、処理時間60秒の条件で熱処理が行われた。自然酸化膜を形成する工程では、第1の導電層の表面に3オングストローム程度のPtO膜が低温で自然酸化によって形成された。
第1の減圧加熱処理は、温度を150℃、圧力を2×10-5Pa、処理時間を60秒の条件で行われた。第1の強誘電体層の形成工程では、第1の強誘電体層が50℃の条件で形成された。
第1の強誘電体層及び第2誘電体層の形成工程では、誘電体層としてPZTを用いた。
第2の減圧加熱処理は、温度を150℃、圧力を2×10-5Pa、処理時間を60秒の条件で行われた。第3の減圧加熱処理も、温度を150℃、圧力を2×10-5Pa、処理時間を60秒の条件で行われた。
第2の導電層の形成工程では、第2の導電層が20℃の温度で形成された。
第2の強誘電体層の結晶化工程では、第2の強誘電体層が形成されたシリコン基板に対して、温度を717℃、ガス雰囲気をO2=1体積%のArとO2との混合雰囲気、処理時間を120秒の条件で熱処理が行われた。
第3の導電層の形成工程は、第3の導電層としてIrOxを用いた。
[実施例2]
上述した実施例1の製造工程における第1の減圧加熱処理において、処理時間を120秒とした他は、実施例1と同様に形成して、実施例2を得た。実施例2のN数は2とした。
[実施例3]
上述した実施例1の製造工程における第1の減圧加熱処理において、処理時間を200秒とした他は、実施例1と同様に形成して、実施例3を得た。実施例3のN数は2とした。
[比較例]
上述した実施例1の製造工程における第1の減圧加熱処理を行わなかった点を除いては、実施例1と同様に形成して、比較例を得た。比較例のN数は1とした。
(強誘電体膜の面配向の測定)
上述した実施例1〜3及び比較例に対して、第3の導電層の形成工程前の段階で、強誘電体膜の面配向の測定を以下のように行った。
実施例1〜3及び比較例の各シリコン基板に対して、面内9点のXRD測定を行って面配向の積分強度を測定した。測定点は、シリコン基板のノッチの位置を6時として、12時、3時、6時、9時方向のエッジ近傍及び半径の1/2の位置、及び中心である。
測定した面配向は、PZT(100)、(101)、(111)面配向の積分強度、及びPZT(222)比(PZT(222)/(PZT(100)+(101)+(222))である。測定結果を図20に示す。各実施例において、測定結果はN数の平均値である。
実施例1〜3及び比較例のすべては、下部電極Ptの成膜後、RTAで熱処理を行い、その上に約3オングストロームの自然酸化膜PtOが形成されているので、PZTとPtの界面に酸素欠損がなくなる。従って、いずれのPZT(100)面配向は5cps以下である。また、PZT(101)面配向は1cps以下(配向しない相当)、PZT(111)面が600cps以上、PZT(222)比が0.97%以上であった。
従って、実施例1〜3では、PZT成膜前の下部電極に対して、温度を150℃、処理時間を60秒以上の条件で第1の減圧加熱処理を行っても、この減圧加熱処理を行わない比較例と遜色しない結果となった。
(欠陥数の測定)
また、上述した実施例1〜3及び比較例に対して、欠陥数の測定を以下のように行った。
欠陥検出装置(KLA−Tencor社製)を用いて、実施例1〜3及び比較例の表面に存在する欠陥の数を測定した。測定条件は、径が0.1μm以上の大きさを有する欠陥の数を測定した。
実施例1に対する欠陥検出装置による測定結果は、937個、978個、682個であった。実施例2に対する欠陥検出装置による測定結果は、500個、482個であった。実施例3に対する欠陥検出装置による測定結果は、694個、559個であった。比較例に対する欠陥検出装置による測定結果は、1248個であった。
さらに、実施例1〜3及び比較例に対して、一枚のシリコン基板上の欠陥についてランダムに選んだ50個の欠陥レビューを行った。そして、図21に示すように、下部電極Qcと強誘電体膜Qbとの間に膨らみを有する膨らみ欠陥数を調べた。
図21は、比較例の強誘電体キャパシタの欠陥を透過型電子顕微鏡により撮影した断面を示す模式図である。下部電極Qcと強誘電体膜Qbとの界面に膨れFが発生している。この膨れFは、下部電極Qcの表面に大気中の有機物又は水分が吸着し、その後、強誘電体層の結晶化アニール又は上部電極Qaの形成後の熱処理により、吸着した有機物又は水分が脱着し、下部電極Qcと強誘電体膜Qbとの界面に膨れが発生したもの考えられる。
その結果、実施例1の膨らみ欠陥数の割合は、34個/50個であった。実施例2の膨らみ欠陥数の割合は、24個/50個であった。実施例3の膨らみ欠陥数の割合は、21個/50個であった。比較例の膨らみ欠陥数の割合は、40個/50個であった。
次に、実施例1〜3及び比較例の欠陥検出装置により測定された欠陥数と、欠陥レビューにより調べた膨らみ欠陥数の割合との積を求めて、実施例1〜3及び比較例の膨らみ欠陥数を得た。その結果を図22に示す。各実施例の膨らみ欠陥数はN数の平均値とした。
この結果より、第1の強誘電体層を成膜する前に、第1の減圧加熱処理を行い、シリコン基板を大気にさらさないように第1の強誘電層を成膜すると、第1の減圧加熱処理を行わない場合と比べて、膨らみ欠陥数を大幅に低減できることが分かった。つまり、この第1の減圧加熱処理は、下部電極表面に吸着された水分又は有機物などの不純物を除去できると考えられる。各実施例は、これらの膨らみ欠陥を低減したので、半導体装置の歩留まりを向上できる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に制限されない。
例えば、上述した本実施形態では、強誘電体キャパシタはプレーナ型であったが、強誘電体キャパシタはスタック型であっても良い。
以上の上述した実施形態及びその変形例に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1)
導電層を形成し、
前記導電層の表面に酸化膜を形成し、
前記酸化膜を大気にさらし、
前記酸化膜を、減圧下且つ第1の温度で減圧加熱処理し、
前記減圧加熱処理された前記酸化膜を大気にさらすことなく、減圧下且つ前記第1の温度よりも低い第2の温度で、非晶質の誘電体層を前記酸化膜上に形成し、
前記第1の温度よりも高い第3の温度で、非晶質の前記誘電体層を結晶化する、
工程を有する半導体装置の製造方法。(1,図2〜5)
(付記2)
前記酸化膜を形成する工程は、20オングストローム以下の膜厚の酸化膜を形成する付記1に記載の半導体装置の製造方法。(2,図3)
(付記3)
前記酸化膜を形成する工程は、アモルファス酸化膜を形成する付記1又は2に記載の半導体装置の製造方法。(3,図3)
(付記4)
前記酸化膜を形成する工程は、前記導電層を大気にさらさした状態で、前記第1の導電層の表面に自然酸化膜を形成する付記1から3の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(4,図3)
(付記5)
前記第1の温度は、100℃〜300℃の範囲にある付記1から4の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(5,図4)
(付記6)
前記減圧加熱処理する工程は、100Pa以下に減圧する付記1から5の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(図3)
(付記7)
前記誘電体層を結晶化する工程では、前記酸化膜が分解して、酸素が前記誘電体層に吸収される付記1から6の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(図5)
(付記8)
前記第2の温度は、30℃以上100℃未満の範囲にある付記1から7の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(図4)
(付記9)
前記第3の温度は、580℃〜620℃の範囲にある付記1から8の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(図5)
(付記10)
前記誘電体層を結晶化する工程の前に、前記誘電体層を大気にさらし、
前記誘電体層を結晶化する工程の後に、
更に、
結晶された前記誘電体層を、減圧下且つ前記第1の温度で第2の減圧加熱処理し、
前記第2の減圧加熱処理された前記誘電体層を大気にさらすことなく、減圧下且つ前記第2の温度で、非晶質の第2の誘電体層を前記誘電体層上に形成する、
工程を有する付記1から9の何れか一項に記載の半導体装置の製造方法。(図5〜6)
(付記11)
前記第2の誘電体層を前記誘電体層上に形成する工程の後に、
更に、
前記第2の誘電体層を大気にさらし、
前記第2の誘電体層を、減圧下且つ前記第1の温度で第3の減圧加熱処理し、
前記第3の減圧加熱処理された前記第2の誘電体層を大気にさらすことなく、減圧下で第2の導電層を前記第2の誘電体層上に形成する、
工程を有する付記10に記載の半導体装置の製造方法。(図6〜7)