JP2011018709A - Semiconductor memory device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体記憶装置及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof.
従来のEEPROMやフラッシュメモリと比較して高速の書き換えが可能で、且つ書き換え回数も5桁以上大きいという特徴を有し、DRAMに匹敵する容量、速度、コストの実現化を目指した次世代の不揮発性メモリの開発が行われている。次世代の不揮発性メモリには、FeRAM(Ferroelectric Random Access Memory)、MRAM(Magnetic Random Access Memory)、PRAM(Phase Change Random Access Memory)、或いはRRAM(Resistive Random Access Memory)などがある。強誘電体メモリであるFeRAMにおいては、メモリセルトランジスタのソース及びドレインの一方に接続されるコンタクトプラグが、キャパシタ形成時の熱工程通過時に酸化することを防ぐことが必要となり、そのための方法の一つとして、例えば強誘電体キャパシタの下部電極膜の膜厚を厚くする手段がとられることがある。しかし、強誘電体メモリにおいては、下部電極が厚くなるとキャパシタの加工が困難になるという問題点がある。そこで、コンタクトの、キャパシタ下部電極と接触する上部に凹部を形成してコンタクトの上部のみ下部電極の実効膜厚を厚くするような従来例(例えば特許文献1参照)などがある。しかしながら、特許文献1などに記載されるFeRAMでは、溝部以外の耐酸化性の反応防止膜はエッチング除去されている。また、強誘電体キャパシタの下部電極とコンタクトプラグの界面の側端領域には、反応防止膜が設けられていない。このため、強誘電体キャパシタの下部電極とコンタクトプラグの界面の横方向からの、酸素などの侵入を防止の点で課題を有し、また界面に酸化膜が形成されてコンタクト歩留が低下するという課題も有する。
Next-generation non-volatile memory that is capable of high-speed rewriting compared to conventional EEPROM and flash memory and has a number of rewrites of 5 digits or more, aiming to realize capacity, speed, and cost comparable to DRAM Development of volatile memory is underway. The next-generation nonvolatile memory includes FeRAM (Ferroelectric Random Access Memory), MRAM (Magnetic Random Access Memory), PRAM (Phase Change Random Access Memory), RRAM (Resistive Random Access Memory), and the like. In FeRAM, which is a ferroelectric memory, it is necessary to prevent a contact plug connected to one of the source and drain of a memory cell transistor from being oxidized when passing through a thermal process during capacitor formation. For example, a means for increasing the thickness of the lower electrode film of the ferroelectric capacitor may be taken. However, the ferroelectric memory has a problem that it is difficult to process a capacitor when the lower electrode is thick. Therefore, there is a conventional example in which a concave portion is formed in the upper part of the contact that contacts the capacitor lower electrode and the effective film thickness of the lower electrode is increased only in the upper part of the contact (for example, see Patent Document 1). However, in the FeRAM described in
本発明は、強誘電体キャパシタの高信頼性化を実現する半導体記憶装置及びその製造方法を提供する。 The present invention provides a semiconductor memory device that realizes high reliability of a ferroelectric capacitor and a manufacturing method thereof.
本発明の一態様の半導体記憶装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、ワード線に接続され、ゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板表面に設けられるソース及びドレインとを有するメモリセルトランジスタと、前記ソース及びドレインの一方に接続される第1のコンタクトプラグ上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接する領域が他の領域よりも下へ凸となる形状を有し、前記第1のコンタクトプラグと電気的に接続される下部電極膜と、前記下部電極膜上に設けられる強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられ、上部が第2のコンタクトプラグに接続される上部電極膜とから構成される強誘電体キャパシタと、前記第1のコンタクトプラグの上部側面と、前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜が電気的に接続される領域の側面と、前記下部電極膜の底部とを覆うように設けられる第1の反応防止膜と、前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極膜の側面と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜及び前記第2のコンタクトプラグが接する界面とを覆うように設けられ、前記第1の反応防止膜と接する第2の反応防止膜と具備することを特徴とする。 A semiconductor memory device of one embodiment of the present invention includes a semiconductor substrate, a gate electrode provided over the semiconductor substrate, connected to a word line, and provided via a gate insulating film, and the semiconductor substrate sandwiched between the gate electrodes A memory cell transistor having a source and a drain provided on the surface, and a first contact plug connected to one of the source and drain, and a region in contact with the first contact plug is more than the other region A lower electrode film having a convex shape downward and electrically connected to the first contact plug; a ferroelectric film provided on the lower electrode film; and provided on the ferroelectric film A ferroelectric capacitor comprising an upper electrode film having an upper portion connected to the second contact plug, an upper side surface of the first contact plug, and the first contact plug. A first reaction preventing film provided so as to cover a side surface of a region where the contact plug and the lower electrode film are electrically connected and a bottom of the lower electrode film; the lower electrode film; and the ferroelectric film. And a side surface of the upper electrode film, an upper portion of the upper electrode film, and an interface contacting the upper electrode film and the second contact plug, and is in contact with the first reaction preventing film. And 2 reaction preventing film.
更に、本発明の一態様の半導体記憶装置の製造方法は、半導体基板上にメモリセルトランジスタを形成する工程と、前記メモリセルトランジスタのソース及びドレイン上に、下部が第1の絶縁膜と接し、上部が第1の反応防止膜と接し、前記メモリセルトランジスタのソース或いはドレインと接続される第1のコンタクトプラグを形成する工程と、前記第1のコンタクトプラグの上部をエッチングし、前記第1の反応防止膜の側面が露出される凹部形状を有する溝部を形成する工程と、前記溝部及び前記第1の反応防止膜上に、第2の反応防止膜、下部電極膜、強誘電体膜、及び上部電極膜を積層形成する工程と、前記上部電極膜、前記強誘電体膜、前記下部電極膜、及び第2の反応防止膜を選択的にエッチングして強誘電体キャパシタを形成する工程と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜、前記強誘電体膜、前記下部電極膜、及び第2の反応防止膜の側面とを覆い、前記第1の反応防止膜と接するように第3の反応防止膜を形成する工程と、前記上部電極膜上の前記第3の反応防止膜をエッチングし、エッチングされた開口部に前記上部電極膜と接する第2のコンタクトプラグを形成する工程とを具備することを特徴とする。 Furthermore, the method for manufacturing a semiconductor memory device according to one embodiment of the present invention includes a step of forming a memory cell transistor over a semiconductor substrate, and a lower portion is in contact with the first insulating film over the source and drain of the memory cell transistor. Forming a first contact plug that is in contact with the first reaction preventing film and connected to the source or drain of the memory cell transistor; etching the upper portion of the first contact plug; and A step of forming a groove portion having a concave shape in which a side surface of the reaction preventing film is exposed; and a second reaction preventing film, a lower electrode film, a ferroelectric film, and the second electrode on the groove portion and the first reaction preventing film; Forming a ferroelectric capacitor by selectively etching the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, and the second reaction preventing film; Covering the upper electrode film, the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, and the side surfaces of the second reaction preventing film and in contact with the first reaction preventing film. Forming a third reaction preventing film and etching the third reaction preventing film on the upper electrode film to form a second contact plug in contact with the upper electrode film in the etched opening. And a step of performing.
本発明によれば、強誘電体キャパシタの高信頼性化を実現する半導体記憶装置及びその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor memory device that realizes high reliability of a ferroelectric capacitor and a manufacturing method thereof.
以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
まず、本発明の実施例1に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図1は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、強誘電体キャパシタの上下のコンタクトプラグと接する部分以外の領域をすべて反応防止膜で覆っている。
First, a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to
図1に示すように、半導体記憶装置70には、半導体基板1上にメモリセルトランジスタ40と強誘電体キャパシタ50が複数設けられる。
As shown in FIG. 1, a
ここで、半導体記憶装置70ではチェーン型のFeRAMに適用しているが、1T1C(1トランジスタ+1キャパシタ)型、2T2C型、1T2C型、6T4C型などのFeRAM(Conventional FeRAMとも呼称される)にも適用することができる。
Here, the
半導体記憶装置70では、メモリセルトランジスタ40などが形成される素子領域が、半導体基板1の表面に埋設されるシャロートレンチアイソレーション(以下、STIと称す)2により素子分離される。メモリセルトランジスタ40のソース或いはドレインとなる半導体基板1とは逆導電型のソース/ドレイン領域3が、選択的に半導体基板1の表面に設けられる。
In the
ソース/ドレイン領域3とオーバーラップするようにゲート絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6が、ソース/ドレイン領域3の間の半導体基板1上に積層形成される。側壁膜7が積層形成されるゲート絶縁膜4、ゲート電極膜5、及び絶縁膜6の側面に形成される。
A gate
層間絶縁膜としての絶縁膜8が、STI2、絶縁膜6、側壁膜7、及びソース/ドレイン領域3上に設けられる。コンタクト開口部CH1がソース/ドレイン領域3上の絶縁膜8に設けられる。反応防止膜(第1の反応防止膜)9がコンタクト開口部CH1の上端部と接するように設けられる。バリア膜としての反応防止膜10及びコンタクトプラグ(第1のコンタクトプラグ)11がコンタクト開口部CH1に埋設される。
An
反応防止膜10及びコンタクトプラグ11がエッチング除去された凹形状を有する溝部12が、コンタクト開口部CH1の上部に設けられる。ここでは、溝部12はコンタクト開口部CH1よりも幅が広く形成される。
A
メモリセルトランジスタ40のソース及びドレインの一方(強誘電体キャパシタ50と接続する部分)に接続されるコンタクトプラグ11上に、耐酸化性の反応防止膜(第3の反応防止膜)13及び下部電極膜14が溝部12を埋設するように、積層形成される。強誘電体膜15、上部電極膜16、及びハードマスク17が、下部電極膜14上に積層形成される。下部電極膜14、強誘電体膜15、及び上部電極膜16は、強誘電体キャパシタ50を構成する。
On the
ハードマスク17、上部電極膜16、強誘電体膜15、下部電極膜14、及び反応防止膜13の側面と、絶縁膜8の上面と、反応防止膜9の上面と、ハードマスク17の上面とには、反応防止膜(第2の反応防止膜)19が設けられる。層間絶縁膜としての絶縁膜20、反応防止膜(第4の反応防止膜)21、及び層間絶縁膜としての絶縁膜22が、反応防止膜19上に積層形成される。
The side surfaces of the
強誘電体キャパシタ50上の積層形成されるハードマスク17、反応防止膜19、絶縁膜20、反応防止膜21、及び絶縁膜22がエッチング開口され、コンタクト開口部CH2が設けられる。上部電極膜16と接するようにコンタクトプラグ(第2のコンタクトプラグ)23が、コンタクト開口部CH2に埋設される。
The
強誘電体キャパシタ50が設けられない部分の積層形成されるハードマスク17、反応防止膜19、絶縁膜20、反応防止膜21、及び絶縁膜22がエッチング開口され、コンタクト開口部CH3が設けられる。反応防止膜13及び下部電極膜14と接するようにコンタクトプラグ24が、コンタクト開口部CH3に埋設される。この部分の反応防止膜13及び下部電極膜14は、強誘電体キャパシタ50と接続する部分とは異なり、上部がエッチング除去されている。
The
絶縁膜22、コンタクトプラグ23、及びコンタクトプラグ24上に、コンタクトプラグ23及び24と接する配線層25が設けられる。この配線層25により、メモリセルトランジスタ40と強誘電体キャパシタ50が並列接続される。層間絶縁膜としての絶縁膜26が、絶縁膜22及び配線層25上に設けられる。ビット線(BL)としての配線層27が、絶縁膜26上に設けられる。半導体記憶装置70の表面保護膜としての絶縁膜28が、配線層27上に設けられる。
A
ここで、強誘電体キャパシタ50では、下部電極膜14に電気的に接続されるコンタクトプラグ11と上部電極膜16に接するコンタクトプラグ23を除く領域が反応防止膜(第1の反応防止膜)9と反応防止膜(第1の反応防止膜)9に接する反応防止膜(第2の反応防止膜)19とにより、周囲と遮断される(反応防止膜9及び19に覆われる)。
Here, in the
本構造においては、コンタクトプラグ11の上部での実効的な下部電極膜14の膜厚を厚くすることが可能となり、強誘電体キャパシタ50の下部からコンタクトプラグ11の上端部への酸素拡散を抑えてコンタクトの酸化を防ぐことが可能となる。また、耐酸化性の反応防止膜13が下部電極膜14の底部全体に設けられ、反応防止膜19及び反応防止膜19に接続される反応防止膜9が存在することにより、下部電極膜14のコンタクトプラグ11の上端との接触界面部から横方向に侵入する酸素などの影響を低減でき、界面での酸化膜形成を抑制することができるのでコンタクト歩留の低下を抑制することができる。
In this structure, the effective thickness of the
また、反応防止膜9及び19により、半導体記憶装置70の製造工程中や半導体記憶装置70の製造工程完了後での強誘電体キャパシタ50への水素の侵入をも抑制することができる。また、反応防止膜21は、強誘電体キャパシタ50への水素の侵入を抑制することができる。
Further, the
以上により、コンタクトプラグ界面酸化の抑制とキャパシタの水素劣化をキャパシタ加工の難度を上げることなく実現し、セルキャパシタの高信頼性化とコンタクト歩留まりの改善も達成することができる。 As described above, contact plug interface oxidation can be suppressed and hydrogen degradation of the capacitor can be realized without increasing the difficulty of processing the capacitor, so that high reliability of the cell capacitor and improvement in contact yield can be achieved.
次に、半導体記憶装置の製造方法について、図2乃至図8を参照して説明する。図2乃至図8は半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing the semiconductor memory device will be described with reference to FIGS. 2 to 8 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the semiconductor memory device.
図2に示すように、半導体基板1の表面に、STI2を選択的に埋設する。ゲート絶縁膜3、ゲート電極膜4、絶縁膜6を選択的に積層形成する。積層形成されるゲート絶縁膜3、ゲート電極膜4、及び絶縁膜6の間の半導体基板1上に半導体基板1とは逆導電型のソース/ドレイン領域3を形成する。積層形成されるゲート絶縁膜3、ゲート電極膜4、及び絶縁膜6の両端部に側壁膜7を形成する。
As shown in FIG. 2,
STI2、ソース/ドレイン領域3、絶縁膜6、及び側壁膜7上に層間絶縁膜としての絶縁膜8を形成する。ソース/ドレイン領域3上の絶縁膜8をエッチングしてコンタクト開口部CH1を形成する。コンタクト開口部CH1に、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11を埋設する。ここで、反応防止膜10には窒化チタン膜(TiN膜)を用いているが、代わりにチタン膜(Ti膜)などを用いてもよい。コンタクトプラグ11にはタングステン(W)を用いているが、代わりに不純物が高濃度にドープされた多結晶ポリシリコンなどを用いてもよい。
An insulating
次に、図3に示すように、コンタクト開口部CH1の上端部と接するように反応防止膜(第1の反応防止膜)9を形成する。具体的には、コンタクト開口部CH1の上端部と接する絶縁膜8をエッチングして、エッチング開口部に反応防止膜9を埋設し、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法などを用いて絶縁膜8及び反応防止膜9を研磨し、平坦化する。なお、反応防止膜9を先に埋設してからコンタクト開口部CH1を形成してもよい。ここで、反応防止膜(第1の反応防止膜)9にはシリコン窒化膜(SiN膜)を用いているが、代わりにアルミナ膜(Al2O3膜)或いはチタン酸化膜(TiO2膜)などを用いてもよい。
Next, as shown in FIG. 3, a reaction preventing film (first reaction preventing film) 9 is formed so as to be in contact with the upper end of the contact opening CH1. Specifically, the insulating
続いて、図4に示すように、周知のリソグラフィー法を用いて選択的に形成されたレジスト膜31をマスクとして、例えばRIE(Reactive Ion Etching)法などを用いてコンタクトプラグ11及びその両端の反応防止膜9をエッチングし、コンタクト開口部CH1よりも幅の広い凹部形状を有する溝部12を形成する。溝部12を形成後、レジスト膜31を除去する。
Subsequently, as shown in FIG. 4, with the resist
そして、図5に示すように、絶縁膜8、反応防止膜9、及び溝部12上に、反応防止膜(第3の反応防止膜)13、下部電極膜14、強誘電体膜15、上部電極膜16、及びハードマスク17を積層形成する。反応防止膜(第3の反応防止膜)13は、酸素拡散防止用として挿入されたものである。ここでは、イリジウム膜(Ir膜)を用いているが、代わりにイリジウム酸化膜(IrO2膜)、TiAlN膜、或いはTiAl膜などを用いてもよい。ハードマスク17は、強誘電体キャパシタ50形成用として挿入されたものである。ここでは、アルミナ膜(Al2O3膜)を用いているが、代わりにTEOS膜などを用いてもよい。
Then, as shown in FIG. 5, on the insulating
ここで、下部電極膜14及び上部電極膜16には、白金膜(Pt膜)を用いているが、代わりにイリジウム膜(Ir膜)、イリジウム酸化膜(IrO2膜)、或いはSRO膜(Strontium Ruthenium Oxide膜)及びこれらを組み合わせた積層膜などを用いてもよい。強誘電体膜15には、PZT膜(チタン酸ジルコン酸鉛 PbZrTiO3膜)を用いているが、SBT膜(ストロンチウム・ビスマス・タンタレート SrBi2Ta2O9膜)やBLT膜(ランタン添加チタン酸ビスマス (Bi,La)4Ti3O12膜)などを用いてもよい。
Here, a platinum film (Pt film) is used for the
反応防止膜(第3の反応防止膜)13、下部電極膜14、強誘電体膜15、上部電極膜16、及びハードマスク17を積層形成後、周知のリソグラフィー法を用いて選択的にレジスト膜32を形成する。
After the reaction prevention film (third reaction prevention film) 13, the
次に、図6に示すように、レジスト膜32をマスクとして、例えばRIE法を用いてハードマスク17をエッチングする。ハードマスク17をエッチング後、レジスト膜32を除去する。ハードマスク17をマスクとして、上部電極膜16、強誘電体膜15、下部電極膜14、及び反応防止膜13を、例えばRIE法を用いてエッチングする。このとき、反応防止膜9の表面が完全に露出するまでエッチングを行う。上部電極膜16、強誘電体膜15、下部電極膜14、及び反応防止膜13のRIE加工では、エッチングガス種としてArClガスを用いているが、代わりにCF4ガスなどを用いてもよい。RIE後、RIE工程で発生する反応物やダメージを除去する目的でRIE後処理を行う。
Next, as shown in FIG. 6, using the resist
続いて、図7に示すように、RIE後処理後、絶縁膜8、反応防止膜9、及びハードマスク17上と、下部電極膜14、強誘電体膜15、上部電極膜16、及びハードマスク17の側面とに反応防止膜(第2の反応防止膜)19を形成する。ここで、反応防止膜(第2の反応防止膜)19にはシリコン窒化膜(SiN膜)を用いているが、代わりにアルミナ膜(Al2O3膜)或いはチタン酸化膜(TiO2膜)などを用いてもよい。
Subsequently, as shown in FIG. 7, after the RIE post treatment, the insulating
そして、図8に示すように、反応防止膜19上に、層間絶縁膜としての絶縁膜20及び反応防止膜(第4の反応防止膜)21を積層形成する。ここで、反応防止膜(第4の反応防止膜)21にはシリコン窒化膜(SiN膜)を用いているが、代わりにアルミナ膜(Al2O3膜)或いはチタン酸化膜(TiO2膜)などを用いてもよい。
Then, as illustrated in FIG. 8, an insulating
反応防止膜21形成後、周知の技術を用いて層間絶縁膜、コンタクトプラグや配線層形成などを行い、チェーンFeRAMとしての半導体記憶装置70が完成する。
After the formation of the
上述したように、本実施例の半導体記憶装置及びその製造方法では、半導体基板1上にメモリセルトランジスタ40及び強誘電体キャパシタ50が複数設けられる。メモリセルトランジスタ40のソース或いはドレイン上の絶縁膜8には、コンタクト開口部CH1が設けられる、コンタクト開口部CH1には、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11が埋設される。強誘電体キャパシタ50は、積層形成される下部電極膜14、強誘電体膜15、及び上部電極膜16から構成される。下部電極膜14は、メモリセルトランジスタ40のソース及びドレインの一方の上部に設けられるコンタクトプラグ11の上端部のへこんだ凹部形状にも埋め込まれた状態となり、反応防止膜13を介してコンタクトプラグ11に接続される。上部電極膜16は、コンタクトプラグ23を介して配線層25に接続される。コンタクトプラグ11及び反応防止膜13が接続される界面の両端部とコンタクトプラグ11の上側面とは反応防止膜9で覆われる。強誘電体キャパシタ50は、コンタクトプラグ11及び23を除く領域が反応防止膜9と反応防止膜9と接する反応防止膜19により覆われる。
As described above, in the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to this embodiment, a plurality of memory cell transistors 40 and
このため、反応防止膜13の両端部とコンタクトプラグ11との間の距離を長くすることができ、また反応防止膜9と19により、下部電極膜14の端部から横方向に侵入する酸素の進入を抑制して、界面での酸化膜形成を抑制することができるのでコンタクト歩留の低下を抑制することができる。また、反応防止膜9及び19により、半導体記憶装置70の製造工程中や半導体記憶装置70の製造工程完了後での強誘電体キャパシタ50への水素の侵入を抑制することができる。したがって、強誘電体キャパシタ50とコンタクトプラグ11の良好なるコンタクトと高信頼性化を達成でき、強誘電体キャパシタ50を高信頼性化することができる。
For this reason, the distance between the both end portions of the
次に、本発明の実施例2に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図9は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、反応防止膜の配置を変更している。
Next, a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図9に示すように、半導体記憶装置71には、半導体基板1上にメモリセルトランジスタ40と強誘電体キャパシタ50が複数設けられる。
As shown in FIG. 9, the
ここで、半導体記憶装置71ではチェーン型のFeRAMに適用しているが、1T1C(1トランジスタ+1キャパシタ)型、2T2C型、1T2C型、6T4C型などのFeRAMにも適用することができる。
Here, the
半導体記憶装置71では、層間絶縁膜としての絶縁膜8及び反応防止膜(第1の反応防止膜)9aが、STI2、絶縁膜6、側壁膜7、及びソース/ドレイン領域3上に積層設けられる。
In the
コンタクト開口部CH1が、ソース/ドレイン領域3上の絶縁膜8及び反応防止膜9aに設けられる。反応防止膜10及びコンタクトプラグ11がエッチング除去された凹形状を有する溝部12が、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11が埋設されるコンタクト開口部CH1の上部に設けられる。反応防止膜9aは、メモリセルトランジスタ40の上部を覆うように、コンタクト開口部CH1を除く半導体記憶装置71の全体に設けられる。
A contact opening CH1 is provided in the insulating
ここで、強誘電体キャパシタ50では、下部電極膜14に電気的に接続されるコンタクトプラグ11と上部電極膜16に接するコンタクトプラグ23を除く領域が、反応防止膜(第1の反応防止膜)9aと反応防止膜(第1の反応防止膜)9aに接する反応防止膜(第2の反応防止膜)19とにより周囲と遮断される(反応防止膜9a及び19に覆われる)。
Here, in the
この結果、耐酸化性の反応防止膜13が下部電極膜14の底部全体に設けられ、反応防止膜19及び反応防止膜19に接続される反応防止膜9aが存在することにより、下部電極膜14のコンタクトプラグ11の上端との接触界面部から横方向に侵入する酸素の影響を低減でき、界面での酸化膜形成を抑制することができるのでコンタクト歩留の低下を抑制することができる。また、半導体記憶装置71の製造工程中や半導体記憶装置71の製造工程完了後での強誘電体キャパシタ50への水素の侵入を抑制することができ、強誘電体キャパシタ50を高信頼性化することができる。また、反応防止膜9aは、加工されずに絶縁膜8上に形成され、コンタクト開口部CH1以外の領域に設けられているので水素の侵入径路を完全に塞ぐことが可能となる。
As a result, the oxidation-resistant
次に、半導体記憶装置の製造方法について図10及び図11を参照して説明する。 Next, a method for manufacturing a semiconductor memory device will be described with reference to FIGS.
図10に示すように、メモリセルトランジスタ40のゲート、ソース、及びドレインを形成後、STI2、ソース/ドレイン領域3、絶縁膜6、及び側壁膜7上に、層間絶縁膜としての絶縁膜8及び反応防止膜(第1の反応防止膜)9aを積層形成する。ここで、反応防止膜(第1の反応防止膜)9aにはシリコン窒化膜(SiN膜)を用いているが、代わりにアルミナ膜(Al2O3膜)或いはチタン酸化膜(TiO2膜)などを用いてもよい。
As shown in FIG. 10, after forming the gate, source, and drain of the memory cell transistor 40, the insulating
次に、図11に示すように、ソース/ドレイン領域3上の絶縁膜8及び反応防止膜9aをエッチングしてコンタクト開口部CH1を形成する。コンタクト開口部CH1に、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11を埋設する。なお、これ以降は、実施例1と同様なので説明を省略する。
Next, as shown in FIG. 11, the insulating
上述したように、本実施例の半導体記憶装置及びその製造方法では、反応防止膜9aをキャパシタ形成前に加工する工程が無く、キャパシタ部の下部に連続的に反応防止膜9aが存在する。このため、実施例1と比較し、反応防止膜9aと19の接触界面部からの酸素侵入がより発生しにくい構造となっており、コンタクト界面部の酸化による歩留まり低下をより抑制することができる。
As described above, in the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present embodiment, there is no step of processing the
次に、本発明の実施例3に係る半導体記憶装置及びその製造方法について、図面を参照して説明する。図12は半導体記憶装置を示す断面図である。本実施例では、反応防止膜の配置を変更している。
Next, a semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to
以下、実施例1と同一構成部分には、同一符号を付してその部分の説明を省略し、異なる部分のみ説明する。 In the following, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted, and only different portions are described.
図12に示すように、半導体記憶装置72には、半導体基板1上にメモリセルトランジスタ40と強誘電体キャパシタ50が複数設けられる。
As shown in FIG. 12, the
ここで、半導体記憶装置72ではチェーン型のFeRAMに適用しているが、1T1C(1トランジスタ+1キャパシタ)型、2T2C型、1T2C型、6T4C型などのFeRAMにも適用することができる。
Here, the
半導体記憶装置72では、反応防止膜(第1の反応防止膜)9bが、STI2、絶縁膜6、側壁膜7、及びソース/ドレイン領域3上に設けられる。コンタクト開口部CH1が、ソース/ドレイン領域3上の反応防止膜9bに設けられる。反応防止膜10及びコンタクトプラグ11がエッチング除去された凹形状を有する溝部12が、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11が埋設されるコンタクト開口部CH1の上部に設けられる。反応防止膜9bは、メモリセルトランジスタ40の上部及び側面を覆うように、コンタクト開口部CH1を除く半導体記憶装置72の全体に設けられる。
In the
ここで、強誘電体キャパシタ50では、コンタクトプラグ11が下部電極膜14に接続する部分以外の領域が、反応防止膜(第1の反応防止膜)9bで覆われている。実施例2との差異は、強誘電体キャパシタ50の下部から半導体基板1の直上までの領域が反応防止膜9bで埋められている点である。
Here, in the
この結果、実施例2と比較して更にコンタクトプラグ11の界面部への酸素の侵入が困難となり、コンタクト歩留まりを改善することができる。更に、反応防止膜9bは、層間絶縁膜を介さずに直接半導体基板1上に形成されているので製造工程数を削減することができる。また、反応防止膜9bは、コンタクト開口部CH1以外の領域には設けられているので水素の侵入径路を完全に塞ぐことが可能となる。
As a result, it becomes difficult for oxygen to enter the interface portion of the
なお、半導体記憶装置72の製造方法では、絶縁膜8をメモリセルトランジスタ40の周囲に形成せずに反応防止膜9bをメモリセルトランジスタ40の周囲に形成しているところが実施例1と異なる点である。このため、図を用いた半導体記憶装置72の製造方法についての説明を省略する。
The manufacturing method of the
上述したように、本実施例の半導体記憶装置及びその製造方法では、半導体基板1上にメモリセルトランジスタ40及び強誘電体キャパシタ50が複数設けられる。メモリセルトランジスタ40の上部及び側面、メモリセルトランジスタ40のソース/ドレイン領域3、及びSTI2上には、反応防止膜9bが形成される。メモリセルトランジスタ40のソース或いはドレイン上の反応防止膜9bには、コンタクト開口部CH1が設けられる、コンタクト開口部CH1には、反応防止膜10及びコンタクトプラグ11が埋設される。強誘電体キャパシタ50は、積層形成される下部電極膜14、強誘電体膜15、及び上部電極膜16から構成される。下部電極膜14は、メモリセルトランジスタ40のソース及びドレインの一方の上部に設けられるコンタクトプラグ11の上部の凹部形状の中へも埋め込まれてコンタクトプラグ11と電気的に接続され、反応防止膜13を介してコンタクトプラグ11に接続される。上部電極膜16は、コンタクトプラグ23を介して配線層25に接続される。コンタクトプラグ11及び反応防止膜13が接続される界面の両端部とコンタクトプラグ11の上側面とは反応防止膜9bで覆われる。強誘電体キャパシタ50は、コンタクトプラグ11及び23を除く領域が反応防止膜9bと反応防止膜9bと接する反応防止膜19により覆われる。この結果、実施例2と比較して更にコンタクトプラグ11の界面部への酸素の侵入が困難となり、コンタクト歩留まりの改善が期待される。更に、反応防止膜9bは、層間絶縁膜を介さずに直接半導体基板1上に形成されているので製造工程数を削減することができる。また反応防止膜9bは、コンタクト開口部CH1以外の領域には設けられているので水素の侵入径路を完全に塞ぐことが可能となる。
As described above, in the semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to this embodiment, a plurality of memory cell transistors 40 and
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々、変更してもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the invention.
例えば、実施例では、強誘電体キャパシタ50を半導体基板1に対して垂直方向に設けているが、強誘電体キャパシタを半導体基板1に対して水平方向に設けてもよい。また、コンタクト開口部CH2にはコンタクトプラグ23のみ埋設し、コンタクト開口部CH3にはコンタクトプラグ24のみ埋設しているが、間に反応防止膜を設けてもよい。
For example, in the embodiment, the
本発明は、以下の付記に記載されているような構成が考えられる。
(付記1) 半導体基板と、前記半導体基板上に設けられ、ワード線に接続され、ゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板表面に設けられるソース及びドレインとを有するメモリセルトランジスタと、前記ソース及びドレインの一方に接続される第1のコンタクトプラグ上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接する領域が他の領域よりも下へ凸となる形状を有し、前記第1のコンタクトプラグと電気的に接続される下部電極膜と、前記下部電極膜上に設けられる強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられ、上部が第2のコンタクトプラグに接続される上部電極膜とから構成される強誘電体キャパシタと、前記第1のコンタクトプラグの上部側面と、前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜が電気的に接続される領域の側面と、前記下部電極膜の底部とを覆うように設けられる第1の反応防止膜と、前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極膜の側面と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜及び前記第2のコンタクトプラグが接する界面とを覆うように設けられ、前記第1の反応防止膜と接する第2の反応防止膜と具備し、強誘電体キャパシタは前記第1及び第2のコンタクトプラグと接する部分を除く領域を前記第1及び第2の反応防止膜で覆われる半導体記憶装置。
The present invention can be configured as described in the following supplementary notes.
(Supplementary Note 1) A semiconductor substrate, a gate electrode provided on the semiconductor substrate, connected to a word line, and provided via a gate insulating film, and a source and drain provided on the surface of the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween And a memory cell transistor having a configuration in which a region in contact with the first contact plug is protruded downward from the other region. A lower electrode film electrically connected to the first contact plug; a ferroelectric film provided on the lower electrode film; provided on the ferroelectric film; A ferroelectric capacitor composed of an upper electrode film connected to the contact plug; an upper side surface of the first contact plug; the first contact plug; A first reaction preventing film provided so as to cover a side surface of a region to which the lower electrode film is electrically connected and a bottom of the lower electrode film; the lower electrode film; the ferroelectric film; and the upper part A second reaction preventing layer which is provided so as to cover a side surface of the electrode film, an upper portion of the upper electrode film, and an interface where the upper electrode film and the second contact plug are in contact with each other, and is in contact with the first reaction preventing film; And a ferroelectric capacitor in which a region excluding a portion in contact with the first and second contact plugs is covered with the first and second reaction preventing films.
(付記2) 前記第1及び第2の反応防止膜は、シリコン窒化膜(SiN膜)、アルミナ膜(Al2O3膜)、或いはチタン酸化膜(TiO2膜)である付記1に記載の半導体記憶装置。 (Supplementary Note 2) The first and second reaction preventing films are a silicon nitride film (SiN film), an alumina film (Al 2 O 3 film), or a titanium oxide film (TiO 2 film). Semiconductor memory device.
(付記3) 前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜の間には第3の反応防止膜が設けられる付記1又は2に記載の半導体記憶装置。
(Supplementary note 3) The semiconductor memory device according to
(付記4) 前記第3の反応防止膜は、イリジウム膜(Ir膜)、イリジウム酸化膜(IrO2膜)、TiAlN膜、或いはTiAl膜である付記1乃至3のいずれかに記載の半導体記憶装置。
(Supplementary note 4) The semiconductor memory device according to any one of
(付記5) 前記上部及び下部電極膜は、白金膜(Pt膜)、イリジウム膜(Ir膜)、イリジウム酸化膜(IrO2膜)、或いはSRO膜(Strontium Ruthenium Oxide膜)である付記1乃至4のいずれかに記載の半導体記憶装置。 (Appendix 5) The upper and lower electrode films are platinum films (Pt films), iridium films (Ir films), iridium oxide films (IrO 2 films), or SRO films (Strontium Ruthenium Oxide films). The semiconductor memory device according to any one of the above.
(付記6) 前記強誘電体膜は、PZT膜(Pb(Zr、Ti)O3膜)、SBT膜(SrBi2Ta2O9膜)、或いはBLT膜((Bi、La)4Ti3O12膜)である付記1乃至5のいずれかに記載の半導体記憶装置。
(Supplementary Note 6) The ferroelectric film may be a PZT film (Pb (Zr, Ti) O 3 film), an SBT film (SrBi 2 Ta 2 O 9 film), or a BLT film ((Bi, La) 4 Ti 3 O. 12. The semiconductor memory device according to any one of
(付記7) 前記第2の反応防止膜上に設けられ、前記強誘電体キャパシタ及びの前記メモリセルトランジスタを覆うように設けられる第4の反応防止膜が設けられる付記1乃至6のいずれかに記載の半導体記憶装置。
(Supplementary note 7) Any one of
1 半導体基板
2 シャロートレンチアイソレーション(STI)
3 ソース/ドレイン領域
4 ゲート絶縁膜
5 ゲート電極膜
6、8、20、22、26、28 絶縁膜
7 側壁膜
9、9a、9b、10、13、19、21 反応防止膜
11、23、24 コンタクトプラグ
12 溝部
14 下部電極膜
15 強誘電体膜
16 上部電極膜
17 ハードマスク
25、27 配線層
31、32 レジスト膜
40 メモリセルトランジスタ
50 強誘電体キャパシタ
70〜72 半導体記憶装置
CH1〜CH3 コンタクト開口部
3 Source /
Claims (5)
前記半導体基板上に設けられ、ワード線に接続され、ゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板表面に設けられるソース及びドレインとを有するメモリセルトランジスタと、
前記ソース及びドレインの一方に接続される第1のコンタクトプラグ上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接する領域が他の領域よりも下へ凸となる形状を有し、前記第1のコンタクトプラグと電気的に接続される下部電極膜と、前記下部電極膜上に設けられる強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられ、上部が第2のコンタクトプラグに接続される上部電極膜とから構成される強誘電体キャパシタと、
前記第1のコンタクトプラグの上部側面と、前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜が電気的に接続される領域の側面と、前記下部電極膜の底部とを覆うように設けられる第1の反応防止膜と、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極膜の側面と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜及び前記第2のコンタクトプラグが接する界面とを覆うように設けられ、前記第1の反応防止膜と接する第2の反応防止膜と、
具備することを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A memory cell transistor provided on the semiconductor substrate, connected to a word line and provided via a gate insulating film, and a source and drain provided on the surface of the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween;
The first contact is provided on a first contact plug connected to one of the source and the drain, and has a shape in which a region in contact with the first contact plug protrudes downward from the other region. A lower electrode film electrically connected to the plug, a ferroelectric film provided on the lower electrode film, and an upper electrode provided on the ferroelectric film and having an upper portion connected to the second contact plug A ferroelectric capacitor composed of a film;
The first contact plug is provided so as to cover an upper side surface of the first contact plug, a side surface of a region where the first contact plug and the lower electrode film are electrically connected, and a bottom portion of the lower electrode film. An anti-reaction membrane,
The lower electrode film, the ferroelectric film, and the upper electrode film are provided so as to cover the side surfaces, the upper part of the upper electrode film, and the interface where the upper electrode film and the second contact plug are in contact with each other, A second reaction preventing film in contact with the first reaction preventing film;
A semiconductor memory device comprising:
前記半導体基板上に設けられ、ワード線に接続され、ゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板表面に設けられるソース及びドレインとを有するメモリセルトランジスタと、
前記ソース及びドレインの一方に接続される第1のコンタクトプラグ上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接する領域が他の領域よりも下へ凸となる形状を有し、前記第1のコンタクトプラグと電気的に接続される下部電極膜と、前記下部電極膜上に設けられる強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられ、上部が第2のコンタクトプラグに接続される上部電極膜とから構成される強誘電体キャパシタと、
前記第1のコンタクトプラグの上部側面と、前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜が電気的に接続される領域の側面と、前記下部電極膜の底部と、前記メモリセルトランジスタの上部とを覆うように設けられる第1の反応防止膜と、前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極膜の側面と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜と前記第2のコンタクトプラグが接する界面と、前記メモリセルトランジスタの上部とを覆うように設けられ、前記第1の反応防止膜と接する第2の反応防止膜と、
具備することを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A memory cell transistor provided on the semiconductor substrate, connected to a word line and provided via a gate insulating film, and a source and drain provided on the surface of the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween;
The first contact is provided on a first contact plug connected to one of the source and the drain, and has a shape in which a region in contact with the first contact plug protrudes downward from the other region. A lower electrode film electrically connected to the plug, a ferroelectric film provided on the lower electrode film, and an upper electrode provided on the ferroelectric film and having an upper portion connected to the second contact plug A ferroelectric capacitor composed of a film;
An upper side surface of the first contact plug, a side surface of a region where the first contact plug and the lower electrode film are electrically connected, a bottom portion of the lower electrode film, and an upper portion of the memory cell transistor A first reaction-preventing film provided to cover; side surfaces of the lower electrode film, the ferroelectric film, and the upper electrode film; an upper portion of the upper electrode film; the upper electrode film; and the second electrode film. A second reaction preventing film provided so as to cover an interface with which the contact plug contacts and an upper portion of the memory cell transistor; and a contact with the first reaction preventing film;
A semiconductor memory device comprising:
前記半導体基板上に設けられ、ワード線に接続され、ゲート絶縁膜を介して設けられるゲート電極と、前記ゲート電極を挟んで前記半導体基板表面に設けられるソース及びドレインとを有するメモリセルトランジスタと、
前記ソース及びドレインの一方に接続される第1のコンタクトプラグ上に設けられ、前記第1のコンタクトプラグと接する領域が他の領域よりも下へ凸となる形状を有し、前記第1のコンタクトプラグと電気的に接続される下部電極膜と、前記下部電極膜上に設けられる強誘電体膜と、前記強誘電体膜上に設けられ、上部が第2のコンタクトプラグに接続される上部電極膜とから構成される強誘電体キャパシタと、
前記第1のコンタクトプラグの側面と、前記第1のコンタクトプラグと前記下部電極膜が電気的に接続される領域の側面と、前記下部電極膜の底部と、前記メモリセルトランジスタの上部及び側面とを覆うように設けられる第1の反応防止膜と、
前記下部電極膜、前記強誘電体膜、及び前記上部電極膜の側面と、前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜と前記第2のコンタクトプラグが接する界面と、前記メモリセルトランジスタの上部とを覆うように設けられ、前記第1の反応防止膜と接する第2の反応防止膜と、
具備することを特徴とする半導体記憶装置。 A semiconductor substrate;
A memory cell transistor provided on the semiconductor substrate, connected to a word line and provided via a gate insulating film, and a source and drain provided on the surface of the semiconductor substrate with the gate electrode interposed therebetween;
The first contact is provided on a first contact plug connected to one of the source and the drain, and has a shape in which a region in contact with the first contact plug protrudes downward from the other region. A lower electrode film electrically connected to the plug, a ferroelectric film provided on the lower electrode film, and an upper electrode provided on the ferroelectric film and having an upper portion connected to the second contact plug A ferroelectric capacitor composed of a film;
A side surface of the first contact plug; a side surface of a region where the first contact plug and the lower electrode film are electrically connected; a bottom portion of the lower electrode film; an upper portion and a side surface of the memory cell transistor; A first reaction preventing film provided so as to cover
Side surfaces of the lower electrode film, the ferroelectric film, and the upper electrode film, an upper portion of the upper electrode film, an interface between the upper electrode film and the second contact plug, and an upper portion of the memory cell transistor A second reaction-preventing film in contact with the first reaction-preventing film,
A semiconductor memory device comprising:
前記メモリセルトランジスタのソース及びドレイン上に、下部が第1の絶縁膜と接し、上部が第1の反応防止膜と接し、前記メモリセルトランジスタのソース或いはドレインと接続される第1のコンタクトプラグを形成する工程と、
前記第1のコンタクトプラグの上部をエッチングし、前記第1の反応防止膜の側面が露出される凹部形状を有する溝部を形成する工程と、
前記溝部及び前記第1の反応防止膜上に、第2の反応防止膜、下部電極膜、強誘電体膜、及び上部電極膜を積層形成する工程と、
前記上部電極膜、前記強誘電体膜、前記下部電極膜、及び第2の反応防止膜を選択的にエッチングして強誘電体キャパシタを形成する工程と、
前記上部電極膜の上部と、前記上部電極膜、前記強誘電体膜、前記下部電極膜、及び第2の反応防止膜の側面とを覆い、前記第1の反応防止膜と接するように第3の反応防止膜を形成する工程と、
前記上部電極膜上の前記第3の反応防止膜をエッチングし、エッチングされた開口部に前記上部電極膜と接する第2のコンタクトプラグを形成する工程と、
を具備することを特徴とする半導体記憶装置の製造方法。 Forming a memory cell transistor on a semiconductor substrate;
On the source and drain of the memory cell transistor, a first contact plug having a lower portion in contact with the first insulating film, an upper portion in contact with the first reaction prevention film, and connected to the source or drain of the memory cell transistor is provided. Forming, and
Etching an upper portion of the first contact plug to form a groove having a concave shape in which a side surface of the first reaction preventing film is exposed;
Forming a second reaction preventing film, a lower electrode film, a ferroelectric film, and an upper electrode film on the groove and the first reaction preventing film;
Selectively etching the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, and the second reaction preventing film to form a ferroelectric capacitor;
Covering the upper part of the upper electrode film and the side surfaces of the upper electrode film, the ferroelectric film, the lower electrode film, and the second reaction preventing film, the third electrode is in contact with the first reaction preventing film. Forming a reaction preventive film of
Etching the third reaction preventing film on the upper electrode film, and forming a second contact plug in contact with the upper electrode film in the etched opening;
A method of manufacturing a semiconductor memory device, comprising:
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---|---|---|---|---|
CN104037187A (en) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | One transistor and one resistive (1t1r) random access memory (rram) structure with dual spacers |
-
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN104037187A (en) * | 2013-03-06 | 2014-09-10 | 台湾积体电路制造股份有限公司 | One transistor and one resistive (1t1r) random access memory (rram) structure with dual spacers |
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