JP2012028606A - Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same - Google Patents
Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012028606A JP2012028606A JP2010166868A JP2010166868A JP2012028606A JP 2012028606 A JP2012028606 A JP 2012028606A JP 2010166868 A JP2010166868 A JP 2010166868A JP 2010166868 A JP2010166868 A JP 2010166868A JP 2012028606 A JP2012028606 A JP 2012028606A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- semiconductor memory
- memory device
- insulating film
- nonvolatile semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Abstract
Description
本明細書に記載された技術は、不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法に関し、特に、強誘電体層、高誘電体層あるいは抵抗変化層を記憶層として用いた、capacitor over bit line(COB)構造の不揮発性半導体記憶装置に関するものである。 The technology described in this specification relates to a nonvolatile semiconductor memory device and a method for manufacturing the same, and in particular, a capacitor over bit line (COB) using a ferroelectric layer, a high dielectric layer, or a resistance change layer as a memory layer. The present invention relates to a nonvolatile semiconductor memory device having a structure.
近年、電子マネー等の発達により、動作電圧が低く、かつ高速で読み書きが可能な不揮発性半導体記憶装置に対する需要が高まってきている。この特性を有する不揮発性半導体記憶装置として、強誘電体膜又は高誘電体膜を容量絶縁膜とする不揮発性半導体記憶装置、あるいは、電気的パルスの印加によって抵抗値が可逆的に変化する材料を用いてデータを記憶する抵抗変化型の不揮発性半導体記憶装置などが用いられる。 In recent years, with the development of electronic money and the like, there is an increasing demand for non-volatile semiconductor memory devices that have a low operating voltage and can be read and written at high speed. As a nonvolatile semiconductor memory device having this characteristic, a nonvolatile semiconductor memory device using a ferroelectric film or a high dielectric film as a capacitive insulating film, or a material whose resistance value reversibly changes when an electric pulse is applied. A variable resistance nonvolatile semiconductor memory device or the like that uses and stores data is used.
また一方で、不揮発性半導体記憶装置においては、用途と機能の広がりと共に多くの情報を蓄積するために、単位面積あたりのメモリ容量を増やすことが必須となってきている。同一面積で、より多くのメモリセルを搭載できる構造として、容量素子をビット線の上方に形成するCOB構造の開発が盛んに行われている。この構造によれば、ビット線コンタクト部を考慮せずに、互いに隣接する容量素子間を分離することが可能であり、容量素子の容量値を維持したまま、搭載メモリ容量を増やすことが可能となる。 On the other hand, in the nonvolatile semiconductor memory device, it is essential to increase the memory capacity per unit area in order to accumulate a large amount of information as the application and functions expand. As a structure in which more memory cells can be mounted with the same area, a COB structure in which a capacitor element is formed above a bit line has been actively developed. According to this structure, adjacent capacitor elements can be separated without considering the bit line contact portion, and the mounted memory capacity can be increased while maintaining the capacitance value of the capacitor element. Become.
ところで、上述した強誘電体膜又は高誘電体膜を容量絶縁膜とする不揮発性半導体記憶装置は、強誘電体特性又は高誘電体特性を発現させるために600℃以上の熱処理が必須である。また、薄膜に印加される特定の電圧により薄膜の抵抗状態が急激に変化することを利用する抵抗変化型の不揮発性半導体記憶装置においても、所望の抵抗値を得るために薄膜材料に400〜1000℃の熱処理を加えることが必要である。 By the way, in the nonvolatile semiconductor memory device using the above-described ferroelectric film or high dielectric film as a capacitive insulating film, heat treatment at 600 ° C. or higher is essential in order to develop ferroelectric characteristics or high dielectric characteristics. Further, in a resistance change type nonvolatile semiconductor memory device that utilizes the fact that the resistance state of the thin film is rapidly changed by a specific voltage applied to the thin film, the thin film material has a thickness of 400 to 1000 in order to obtain a desired resistance value. It is necessary to apply a heat treatment at 0 ° C.
さらに、これらの不揮発性半導体記憶装置を製造するプロセスに共通の特性として、容量絶縁膜や抵抗膜として用いる薄膜は配線工程等で水素雰囲気に曝されると不揮発性半導体記憶装置としての特性が劣化するため、容量素子を水素バリア膜で覆うことが必須である(例えば、特許文献1参照)。 Furthermore, as a characteristic common to the processes for manufacturing these nonvolatile semiconductor memory devices, the characteristics as a nonvolatile semiconductor memory device deteriorate when a thin film used as a capacitor insulating film or a resistance film is exposed to a hydrogen atmosphere in a wiring process or the like. Therefore, it is essential to cover the capacitive element with a hydrogen barrier film (see, for example, Patent Document 1).
したがって、上記の不揮発性半導体記憶装置においてCOB構造を採用する場合、ビット線の上方に容量素子を形成するので、例えば、ビット線上にboro phospho silicate glass(BPSG)膜を堆積した後にchemical vapor deposition(CMP)法による平坦化を行う。次いで、BPSG膜上に、水素還元による劣化から容量素子を保護する水素バリア膜、容量素子をこの順に形成した後、上記不揮発性半導体記憶装置に必須の強誘電体膜又は高誘電体膜の焼結のための熱処理(400〜1000℃)を行う。 Therefore, when the COB structure is employed in the nonvolatile semiconductor memory device described above, since a capacitive element is formed above the bit line, for example, after a borophosphosilicate glass (BPSG) film is deposited on the bit line, chemical vapor deposition ( Planarization is performed by a CMP method. Next, after forming a hydrogen barrier film and a capacitor element in this order on the BPSG film to protect the capacitor element from deterioration due to hydrogen reduction, a ferroelectric film or a high dielectric film required for the nonvolatile semiconductor memory device is baked. A heat treatment (400 to 1000 ° C.) is performed for sinter.
上記の先行技術では、容量素子の下には上面が平坦化されたBPSG膜が形成されている。この先行技術に上述したCOB構造を採用する場合、BPSG膜をchemical mechanical polishing(CMP)法で平坦化する際に被平坦化膜であるBPSG膜にCMPパッドによる圧力が加わり、その影響でBPSG膜にスクラッチが発生するおそれがある。BPSG膜にスクラッチが生じた状態で後工程の水素バリア膜形成及び容量素子形成を行ない、さらに強誘電体膜又は高誘電体膜の焼結のための熱処理(400〜1000℃)を行うと、BPSG膜に発生したスクラッチに起因して水素バリア膜に局所的なストレスの不均衡が発生し、水素バリア膜にクラックが発生する。 In the above prior art, a BPSG film having a flat upper surface is formed under the capacitive element. When the above-described COB structure is adopted in this prior art, when a BPSG film is planarized by a chemical mechanical polishing (CMP) method, a pressure applied by a CMP pad is applied to the BPSG film as a planarized film, and as a result, the BPSG film There is a risk of scratching. When a hydrogen barrier film and a capacitive element are formed in the post-process in the state where the BPSG film is scratched, and a heat treatment (400 to 1000 ° C.) for sintering the ferroelectric film or the high dielectric film is performed, Due to scratches generated in the BPSG film, a local stress imbalance occurs in the hydrogen barrier film, and cracks occur in the hydrogen barrier film.
この結果、さらに後工程において容量素子を水素雰囲気に曝した際に、上記クラックから容量素子へ水素が侵入し、ヒステリシス特性を示す強誘電体酸化物等が還元され、残留分極量等が低下して不揮発性半導体記憶装置のリテンション(データ保持)特性が劣化する。そして、最終的に不揮発性半導体記憶装置の歩留りが低下するという課題が発生する。 As a result, when the capacitive element is exposed to a hydrogen atmosphere in a subsequent process, hydrogen penetrates into the capacitive element from the crack, and the ferroelectric oxide or the like exhibiting hysteresis characteristics is reduced, resulting in a decrease in the residual polarization amount and the like. As a result, the retention (data retention) characteristics of the nonvolatile semiconductor memory device deteriorate. And finally, the problem that the yield of a nonvolatile semiconductor memory device falls occurs.
この課題について、図を参照しながら説明する。図4(a)、(b)は、従来の不揮発性半導体記憶装置における課題を示す断面図である。 This problem will be described with reference to the drawings. 4A and 4B are cross-sectional views showing problems in a conventional nonvolatile semiconductor memory device.
まず、図4(a)に示すように、半導体基板1上部の所定箇所に、素子分離領域2を形成し、半導体基板1上にトランジスタのゲート絶縁膜及びゲート電極からなるゲート構造体40を形成する。次に、半導体基板1のうち素子分離領域2に囲まれ、ゲート構造体40が形成された領域を除く領域の上面部をシリサイド化してシリサイド層30を形成する。次に、半導体基板1上にトランジスタのゲート絶縁膜及びゲート電極からなるゲート構造体40を形成する。
First, as shown in FIG. 4A, the
次に、半導体基板1上にトランジスタを覆う第1の層間絶縁膜60を形成し、その上面をCMP法で平坦化する。次に、第1の層間絶縁膜60中にトランジスタの一方の拡散層に接続するビット線コンタクト70を形成する。次に、第1の層間絶縁膜60上にビット線コンタクト70と接続するビット線80を形成する。次に、ビット線80を覆うように第1の層間絶縁膜60上に、BPSG膜からなる第2の層間絶縁膜10を形成し、その上面をCMP法で平坦化する。
Next, a first
ここで、BPSG膜からなる第2の層間絶縁膜10の上面をCMP法で平坦化する際に、被平坦化膜であるBPSG膜に研磨パッドによる圧力が加わり、BPSG膜にスクラッチ19が発生する。
Here, when the upper surface of the second
次に、図4(b)に示すように、上面が平坦化された第2の層間絶縁膜10上に、水素バリア膜20を形成する。次に、水素バリア膜20の所定領域上に、下部電極、強誘電体膜又は高誘電体膜からなる容量絶縁膜、及び上部電極で構成される容量素子38を形成した後、強誘電体膜又は高誘電体膜の特性を発現させるために、例えば600℃以上で焼結熱処理を行う。
Next, as shown in FIG. 4B, a
ここで、焼結熱処理を行うと、第2の層間絶縁膜10に発生したスクラッチ19に起因して水素バリア膜20に局所的なストレスの不均衡が発生し、水素バリア膜20にクラック21が発生する。
Here, when the sintering heat treatment is performed, a local stress imbalance occurs in the
水素バリア膜20にクラック21が発生すると、後工程において容量素子を水素雰囲気に曝す際に、上記クラック21を介して容量素子38へと水素が侵入する。水素は、例えば半導体基板1とメタル配線とを接続するコンタクトの密着層をchemical vapor deposition(CVD)法で形成する際やコンタクトホール(ビアホール)内にタングステン等を埋め込む際、パッド形成前にプラズマ窒化膜を形成する際などに発生する。容量素子38に水素が侵入する結果、ヒステリシス特性を示す強誘電体酸化物等が還元され、残留分極量等が低下してリテンション(データ保持)特性が劣化して、最終的に不揮発性半導体記憶装置の歩留りが低下する。
When the
特に近年、不揮発性半導体記憶装置のメモリ容量は増大する傾向にあり、水素バリア膜の面積が拡大し、水素バリア膜が持つストレスも大きくなる傾向にある。このため、焼結熱処理が加わった際の影響がさらに顕著になり、上述の課題が大きくなる傾向にある。 In particular, in recent years, the memory capacity of nonvolatile semiconductor memory devices tends to increase, the area of the hydrogen barrier film increases, and the stress of the hydrogen barrier film also tends to increase. For this reason, the influence when the sintering heat treatment is applied becomes more prominent, and the above-mentioned problems tend to increase.
なお、薄膜に印加される特定の電圧により薄膜の抵抗状態が急激に変化することを利用した抵抗変化型の不揮発性半導体記憶装置においても、所望の抵抗値を得るために、薄膜材料に400〜1000℃の熱処理を加えることがあるので、強誘電体メモリと同様の課題を有している。 Note that even in a resistance change type nonvolatile semiconductor memory device that utilizes the fact that the resistance state of the thin film is rapidly changed by a specific voltage applied to the thin film, in order to obtain a desired resistance value, 400 to Since heat treatment at 1000 ° C. may be applied, it has the same problem as the ferroelectric memory.
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、COB構造を有する不揮発性半導体記憶装置において、熱処理を行っても、容量素子下又は抵抗変化素子下に形成された水素バリア膜にクラックが発生しにくく、後工程で実施する水素雰囲気下での熱処理を経てもメモリ特性が劣化しにくい不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention is less likely to cause cracks in the hydrogen barrier film formed under the capacitor element or the variable resistance element even when heat treatment is performed in the nonvolatile semiconductor memory device having a COB structure. An object of the present invention is to provide a non-volatile semiconductor memory device in which memory characteristics are not easily deteriorated even after heat treatment in a hydrogen atmosphere performed in a later process, and a manufacturing method thereof.
上記の課題を解決するために、本発明の一例に係る不揮発性半導体記憶装置の製造方法は、基板上にビット線を形成する工程(a)と、前記ビット線上を覆うように前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程(b)と、前記層間絶縁膜の上面を研磨により平坦化する工程(c)と、前記工程(c)の後、前記層間絶縁膜上に水素バリア膜を形成する工程(d)と、前記水素バリア膜上に強誘電体又は高誘電体を含む容量素子を形成する工程(e)と、前記容量素子に含まれる前記強誘電体又は前記高誘電体を焼結する熱処理を行う工程(f)とを備えている。また、前記層間絶縁膜は、前記工程(f)での熱処理による膜厚変動率が2.3%以下である。 In order to solve the above problems, a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to an example of the present invention includes a step (a) of forming a bit line on a substrate, and a step of covering the bit line on the substrate. A step (b) of forming an interlayer insulating film, a step (c) of planarizing the upper surface of the interlayer insulating film by polishing, and a hydrogen barrier film is formed on the interlayer insulating film after the step (c). A step (d), a step (e) of forming a capacitive element including a ferroelectric or a high dielectric on the hydrogen barrier film, and sintering the ferroelectric or the high dielectric included in the capacitive element. And (f) performing a heat treatment. The interlayer insulating film has a film thickness variation rate of 2.3% or less due to the heat treatment in the step (f).
この方法によれば、層間絶縁膜の熱処理前後での膜厚変動率が2.3%以下となっているので、層間絶縁膜を研磨する際にスクラッチが発生しにくくなっている。そのため、水素バリア膜におけるクラックの発生を効果的に抑えることができる。従って、水素雰囲気等で熱処理をする際にクラックを介して強誘電体又は高誘電体が水素により劣化するのを防ぐことができる。よって、リテンション(データ保持)特性もほとんど劣化しないので、この方法によれば、高い信頼性の不揮発性半導体記憶装置を高い歩留りで得ることが出来る。 According to this method, since the film thickness variation rate before and after the heat treatment of the interlayer insulating film is 2.3% or less, scratches are less likely to occur when the interlayer insulating film is polished. Therefore, generation of cracks in the hydrogen barrier film can be effectively suppressed. Therefore, it is possible to prevent the ferroelectric or high dielectric material from being deteriorated by hydrogen through cracks when heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere or the like. Therefore, the retention (data retention) characteristic is hardly deteriorated, and according to this method, a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device can be obtained with a high yield.
なお、強誘電体又は高誘電体を含む容量素子に代えて抵抗変化素子を設けても同様の効果を得ることができる。 The same effect can be obtained by providing a variable resistance element in place of the capacitive element including a ferroelectric or high dielectric.
本発明の一例に係る不揮発性半導体記憶装置は、基板上に形成されたビット線と、前記ビット線上を覆うように前記基板上に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成された水素バリア膜と、前記水素バリア膜上に形成され、強誘電体又は高誘電体を含む容量素子とを備えている。また、前記層間絶縁膜は、前記ビット線を覆う第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜よりも膜密度の大きい第2の絶縁膜とを有している。 A nonvolatile semiconductor memory device according to an example of the present invention is formed on a bit line formed on a substrate, an interlayer insulating film formed on the substrate so as to cover the bit line, and the interlayer insulating film. A hydrogen barrier film, and a capacitor element formed on the hydrogen barrier film and including a ferroelectric substance or a high dielectric substance. The interlayer insulating film includes a first insulating film that covers the bit line, and a second insulating film having a film density higher than that of the first insulating film.
この構成によれば、層間絶縁膜が膜密度の大きい第2の絶縁膜を有しているので、製造時の研磨工程中に層間絶縁膜にスクラッチが入りにくい。そのため、水素バリア膜にクラックがほとんど生じていない。そのため、クラックに起因する強誘電体や高誘電体への水素の侵入が効果的に抑えられている。 According to this configuration, since the interlayer insulating film has the second insulating film having a high film density, it is difficult for scratches to enter the interlayer insulating film during the polishing process during manufacturing. Therefore, almost no cracks are generated in the hydrogen barrier film. Therefore, the penetration of hydrogen into the ferroelectric or high dielectric due to cracks is effectively suppressed.
本発明の一例に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法によれば、COB構造の不揮発性半導体記憶装置において、熱処理を行っても、容量素子下又は抵抗変化素子下に形成された水素バリア膜にクラックがほとんど発生せず、例えば水素雰囲気下での熱処理を経てもメモリ特性の劣化を抑えることが可能となる。 According to the nonvolatile semiconductor memory device and the method for manufacturing the same according to an example of the present invention, the hydrogen barrier film formed under the capacitive element or the resistance change element in the COB structure nonvolatile semiconductor memory device even if heat treatment is performed. Cracks are hardly generated in the memory, and deterioration of memory characteristics can be suppressed even after heat treatment in a hydrogen atmosphere, for example.
(実施形態)
本発明の一実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法について、図面を参照しながら以下に説明する。図1(a)〜(c)は、本実施形態に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。なお、特に具体的な形成しない場合には、公知の方法を用いて各工程を行うものとする。
(Embodiment)
A nonvolatile semiconductor memory device and a manufacturing method thereof according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the nonvolatile semiconductor memory device according to this embodiment. Note that when not specifically formed, each step is performed using a known method.
まず、図1(a)に示すように、シリコン等からなる半導体基板110上部の所定箇所に、素子分離領域120を形成する。次に、半導体基板110のうち、素子分離領域120に囲まれた部分の上にトランジスタのゲート絶縁膜及びゲート電極からなるゲート構造体140を形成する。次に、半導体基板1のうち、ゲート構造体140が形成された領域を除く領域の上面部をシリサイド化してシリサイド層130を形成する。なお、ゲート構造体140の側面上に設けられるサイドウォールや、ゲート構造体140の両側方に形成されるソースドレイン領域などは図示が省略されている。
First, as shown in FIG. 1A, an
次に、半導体基板110上にトランジスタを覆う熱酸化膜であるsub-atmospheric non-doped silicate glass(SA−NSG)膜からなる第1の層間絶縁膜160を例えば600nm程度の膜厚で形成し、その上面をCMP法により平坦化する。
Next, a first
次に、リソグラフィー法とドライエッチング法とを用いて、第1の層間絶縁膜160中にコンタクトホールを形成した後、コンタクトホールの内部にTi/TiNの密着層とタングステン(膜)とをCVD法を用いて埋め込む。次いで、第1の層間絶縁膜160上に残存するTi/TiNの密着層及びタングステン膜を除去することで、ビット線コンタクト170を形成する。
Next, a contact hole is formed in the first
次に、ビット線コンタクト170上にTi/TiNの密着層とタングステン膜をこの順に堆積してから、リソグラフィー法とドライエッチング法を用いてTi/TiNの密着層及びタングステン膜をパターニングし、所望のビット線180を形成する。
Next, after depositing a Ti / TiN adhesion layer and a tungsten film on the
次に、ビット線180上にSA−NSG膜を例えば100nm程度の膜厚で堆積し、続いてHDP−NSG膜を例えば500nm以上700nm以下程度の膜厚で堆積して、第2の層間絶縁膜100を形成する。ここで、SA−NSG膜とは、熱CVD法で形成したNSG膜のことである。その後、CMP法を用いて第2の層間絶縁膜100の上面を研磨して平坦化する。なお、研磨後の第2の層間絶縁膜100の膜厚は250nm程度である。
Next, an SA-NSG film is deposited on the
ここで、CMP法を用いて第2の層間絶縁膜100の上面を研磨して平坦化する際に、研磨パッドによって研磨圧力が第2の層間絶縁膜100に加えられるが、従来技術とは異なり、スクラッチは発生しない。以下に、その理由について図3(a)、(b)を参照しながら説明する。
Here, when polishing and planarizing the upper surface of the second
本願発明者らは、CMP法による層間絶縁膜の上面の平坦化の際にスクラッチが発生する原因として、層間絶縁膜の膜質(緻密性)及び膜厚が関係すると推定し、以下の実験を行なった。 The inventors of the present application presumed that the cause of scratches when planarizing the upper surface of the interlayer insulating film by the CMP method is related to the film quality (denseness) and film thickness of the interlayer insulating film, and conducted the following experiment. It was.
まず、層間絶縁膜として、膜厚500nm及び1000nmのBPSG膜と、HDP−NSG膜を用いた。HDP−NSG膜は高密度プラズマ化学的気相成長法で成長した絶縁膜であり、BPSG膜に比べ非常に緻密な膜質を有している。 First, as an interlayer insulating film, a BPSG film having a thickness of 500 nm and 1000 nm and an HDP-NSG film were used. The HDP-NSG film is an insulating film grown by a high-density plasma chemical vapor deposition method, and has a very dense film quality as compared with the BPSG film.
図3(a)は、上記3種の絶縁膜に対して、以下の模擬製造工程(1)〜(4)を実施し、発生したスクラッチ数を調べた結果を示す図である。 FIG. 3A is a diagram showing the results of examining the number of scratches generated by performing the following simulated manufacturing steps (1) to (4) for the above three types of insulating films.
(1)半導体基板上に上記の各絶縁膜を形成する。 (1) Each of the insulating films is formed on a semiconductor substrate.
(2)各絶縁膜に対して、その上面をCMP法で研磨して平坦化する。 (2) The top surface of each insulating film is polished and planarized by the CMP method.
(3)各絶縁膜に対して、酸化雰囲気で600℃の熱処理を行う。 (3) Each insulating film is heat-treated at 600 ° C. in an oxidizing atmosphere.
(4)熱処理後の各絶縁膜の表面を観察し、発生したスクラッチ数を求める。 (4) The surface of each insulating film after the heat treatment is observed to determine the number of scratches generated.
図3(a)から分かるように、同一膜種(BPSG膜)では膜厚が薄い500nmのBPSG膜の方がスクラッチ数が少なく、ほぼ同一膜厚で異種膜種(500nmのBPSG膜、590nmのHDP−NSG膜)ではHDP−NSG膜の方がスクラッチ数が少ない。 As can be seen from FIG. 3A, the 500 nm BPSG film having the smaller film thickness has the smaller number of scratches in the same film type (BPSG film), and the different film types (500 nm BPSG film, 590 nm film having the same film thickness). In the HDP-NSG film, the HDP-NSG film has a smaller number of scratches.
本願発明者らは、この結果から、スクラッチの発生が絶縁膜の熱処理による膜厚変動率に関係しているのではないかと推定した。ここで、膜厚変動率とは、絶縁膜の初期成長膜厚から熱処理による収縮後の膜厚を差し引いた収縮による膜厚減少分を研磨等による平坦後の最終膜厚(以下に説明する図3(b)では250nmと規定)で除した値をパーセントで表したものと定義する。 The inventors of the present application estimated from this result that the occurrence of scratches is related to the film thickness variation rate due to the heat treatment of the insulating film. Here, the film thickness variation rate is the final film thickness after flattening by polishing or the like after the film thickness reduction due to shrinkage obtained by subtracting the film thickness after shrinkage by heat treatment from the initial growth film thickness of the insulating film (the figure described below) 3 (b) is defined as a percentage expressed by dividing by 250 nm.
上記の定義に基づけば、同一膜種(BPSG膜)では初期膜厚が薄い方が熱処理による膜厚変動率が小さいことは自明であり、異種膜種では膜質が緻密なHDP−NSG膜はほとんど膜厚変動がなく、そのため膜厚変動が大きいBPSG膜よりも膜厚変動率が小さいことも自明である。 Based on the above definition, it is obvious that the film thickness variation rate due to the heat treatment is smaller when the initial film thickness is smaller in the same film type (BPSG film), and the HDP-NSG film having a dense film quality is almost the same in different film types. It is also obvious that the film thickness fluctuation rate is smaller than that of the BPSG film having no film thickness fluctuation and hence a large film thickness fluctuation.
そこで、本願発明者らは、上記3種の絶縁膜に対して、上記(1)〜(4)の模擬製造工程を実施した後、さらに以下の(5)〜(7)の模擬製造工程を実施して、水素バリア膜に発生したクラック数を調べた。図3(b)は、各絶縁膜について、熱処理による膜厚変動率と発生したクラック数との関係を示す図である。なお、クラック数は、絶縁膜をHDP−NSG膜としたときを基準として、ウエハ1枚あたりの数として規格化している。 Therefore, the inventors of the present invention perform the following simulated manufacturing steps (5) to (7) after performing the simulated manufacturing steps (1) to (4) for the three types of insulating films. The number of cracks generated in the hydrogen barrier film was examined. FIG. 3B is a diagram showing the relationship between the film thickness variation rate due to heat treatment and the number of cracks generated for each insulating film. Note that the number of cracks is standardized as the number per wafer with reference to the case where the insulating film is an HDP-NSG film.
(5)各絶縁膜の上にTiAlOx膜からなる水素バリア膜を形成する。 (5) A hydrogen barrier film made of a TiAlOx film is formed on each insulating film.
(6)各絶縁膜及び水素バリア膜に対して、酸化雰囲気中で600℃の熱処理を行う。 (6) Heat treatment is performed at 600 ° C. in an oxidizing atmosphere for each insulating film and hydrogen barrier film.
(7)熱処理後の水素バリア膜の表面を観察し、発生したクラック数を求める。 (7) The surface of the hydrogen barrier film after the heat treatment is observed to determine the number of cracks generated.
図3(b)に示す結果から、膜厚変動率が約12%の膜厚1000nmのBPSG膜、膜厚変動率が約6%の膜厚500nmのBPSG膜、膜厚変動率が約0%のHDP−NSG膜の順に、水素バリア膜に発生するクラック数が減少していることが分かる。特に、膜厚変動率が約0%のHDP−NSG膜ではクラックが発生していない。 From the result shown in FIG. 3 (b), a BPSG film having a film thickness variation rate of about 12% and a film thickness of 1000 nm, a film thickness variation rate of about 6% and a film thickness of 500 nm, and a film thickness variation rate of about 0%. It can be seen that the number of cracks generated in the hydrogen barrier film decreases in the order of the HDP-NSG films. In particular, cracks are not generated in the HDP-NSG film having a film thickness variation rate of about 0%.
一方、図3(b)において、BPSG膜の膜厚変動率とクラック数との関係を示す実験値を外挿すると、膜厚変動率が約2.3%でクラック数が0個になることが分かる。ここで、図3(b)に示す実験値は絶縁膜としてBPSG膜を用いた場合のものであるが、半導体製造工程において一般的に用いられる層間絶縁膜のうち、熱処理による膜厚変動が非常に大きいBPSG膜であっても膜厚変動率が約2.3%になるとクラック数が0個になると推定できること、及び、ビット線と容量素子との間に形成する層間絶縁膜として、一般的な平坦化後の層間絶縁膜の最終膜厚は250nm以下であることから、一般的に層間絶縁膜として用いられる膜種を想定した場合、膜厚変動率が約2.3%以下であればほぼクラックが発生することはないと言うことができる。 On the other hand, in FIG. 3B, when the experimental value indicating the relationship between the film thickness fluctuation rate of the BPSG film and the number of cracks is extrapolated, the film thickness fluctuation rate is about 2.3% and the number of cracks becomes zero. I understand. Here, the experimental values shown in FIG. 3B are for the case where a BPSG film is used as the insulating film, but among the interlayer insulating films generally used in the semiconductor manufacturing process, the film thickness variation due to the heat treatment is very large. Even if the BPSG film is very large, it can be estimated that the number of cracks will be zero when the film thickness variation rate is about 2.3%, and as an interlayer insulating film formed between the bit line and the capacitor element, Since the final film thickness of the interlayer insulating film after flattening is 250 nm or less, assuming a film type generally used as an interlayer insulating film, the film thickness variation rate is about 2.3% or less. It can be said that almost no cracks occur.
図3(a)、(b)の結果に基づいて、スクラッチが生じにくい絶縁膜を形成し、その上に水素バリア膜を成長すれば、水素バリア膜に局所的なストレスの不均衡が発生せず、水素バリア膜でのクラック発生を抑制できることが分かる。 Based on the results of FIGS. 3 (a) and 3 (b), if an insulating film that hardly causes scratches is formed and a hydrogen barrier film is grown thereon, a local stress imbalance occurs in the hydrogen barrier film. It can be seen that cracks in the hydrogen barrier film can be suppressed.
本実施形態の製造方法では、膜厚が100nm程度のSA−NSG膜上に膜厚が500nm以上700nm以下のHDP−NSG膜を堆積した後、CMP法で例えば250nmにまで絶縁膜を研磨している。このときのSA−NSG膜の熱処理前後の膜厚変動は約0nmで、HDP−NSG膜の膜厚変動はほぼ0nmであるので、膜厚変動率はほぼ0%となり、上述の2.3%を下回っている。 In the manufacturing method of this embodiment, after depositing an HDP-NSG film having a thickness of 500 nm to 700 nm on an SA-NSG film having a thickness of about 100 nm, the insulating film is polished to, for example, 250 nm by CMP. Yes. At this time, the film thickness variation before and after the heat treatment of the SA-NSG film is approximately 0 nm, and the film thickness variation of the HDP-NSG film is approximately 0 nm. Therefore, the film thickness variation rate is approximately 0%, which is the above-described 2.3%. Is below.
このため、本実施形態の方法によれば、第2の層間絶縁膜100にほとんどスクラッチが入らない。従って、後に、パッシベーション膜の堆積に代表される水素雰囲気での熱処理の影響を受けず、強誘電体特性又は高誘電体特性が劣化することがほとんどない。よって、残留分極量等のリテンション(データ保持)特性も劣化しないので、本実施形態の方法によれば、高い信頼性の不揮発性半導体記憶装置を高い歩留りで得ることが出来る。
For this reason, according to the method of the present embodiment, the second
次に、図1(b)に示すように、第2の層間絶縁膜100上に、TiAlOxからなる水素バリア膜200を形成する。水素バリア膜200は、後の工程において、容量素子380(あるいはセル)の下方から当該容量素子380(セル)へと水素が拡散するのを防ぐ機能を有している。
Next, as illustrated in FIG. 1B, a
次に、水素バリア膜200、第2の層間絶縁膜100、及び第1の層間絶縁膜160を貫通し、トランジスタの一方の拡散層(図示せず)上に位置するシリサイド層130に到達するコンタクトホールを形成する。続いて、コンタクトホール内にTi/TiNの密着層、タングステン(W)を埋め込んだ後、所望の領域以外に形成されたTi/TiNの密着層及びWをCMP法により除去してキャパシタコンタクト220を形成する。
Next, the contact that penetrates the
次に、キャパシタコンタクト220上及び水素バリア膜200上に、TiNからなるバリア層230、TiAlNからなる導電性水素/酸素バリア層240、イリジウム(Ir)からなる第1の酸素バリア層250、IrOxからなる第2の酸素バリア層260、Ptからなる下部電極270、ペロブスカイト構造と呼ばれる結晶構造をとるSBT(SrBi2Ta2O9)からなる強誘電体膜280、Ptからなる上部電極290をこの順に形成する。なお、上記各膜厚は、10〜100nmとする。こうして得られた積層膜を、リソグラフィー法とドライエッチング法により所望の形状にパターニングして容量素子380を形成する。
Next, on the
次に、図1(c)に示すように、容量素子380上を含む基板(製造中の不揮発性半導体記憶装置)上に、熱酸化膜であるSA−CVD膜で構成された第3の層間絶縁膜400を膜厚600nmで堆積形成した後、この第3の層間絶縁膜400の上面をCMP法により平坦化する。次に、強誘電体特性を発現させるために必須である600〜850℃の熱処理を加える。
Next, as shown in FIG. 1C, on the substrate (nonvolatile semiconductor memory device being manufactured) including the
上記したように、本実施形態では、第2の層間絶縁膜100として薄膜のSA−NSG膜とHDP−NSG膜との積層膜を採用したので、第2の層間絶縁膜100の膜厚変動率が2.3%以下となっている。CMP工程後に第2の層間絶縁膜100の上面にスクラッチがほとんど発生しない。そのため、第2の層間絶縁膜100上に形成した水素バリア膜200に局所的なストレスの不均衡がほとんど発生せず、水素バリア膜200でのクラック発生を抑制できる。
As described above, in the present embodiment, since the laminated film of the thin SA-NSG film and the HDP-NSG film is adopted as the second
従って、容量素子380が、後にパッシベーション膜の堆積に代表される、水素雰囲気での熱処理の影響を受けず、強誘電体特性又は高誘電体特性がほとんど劣化しない。よって、残留分極量等のリテンション(データ保持)特性もほとんど劣化しないので、本実施形態の製造方法によれば、高い信頼性の不揮発性半導体記憶装置を高い歩留りで得ることが出来る。
Therefore, the
なお、上述の製造方法では強誘電体膜を有する容量素子を形成する例について説明したが、強誘電体膜に換えて抵抗値が変化する金属酸化物膜を形成することで、歩留まり良く信頼性が高い抵抗変化メモリを作製することもできる。 In the above manufacturing method, an example in which a capacitor element having a ferroelectric film is formed has been described. However, by forming a metal oxide film whose resistance value changes in place of the ferroelectric film, reliability is improved with high yield. A high resistance change memory can also be manufactured.
以上の方法により作製された本実施形態の不揮発性半導体記憶装置は、図1(c)に示すように、半導体基板110上に形成され、ゲート構造体140を有するMISトランジスタと、MISトランジスタを覆い、半導体基板110上に形成された第1の層間絶縁膜160と、第1の層間絶縁膜160上に形成され、ビット線コンタクト170を介してMISトランジスタのソースドレイン領域(拡散層;図示せず)の一方に接続されたビット線180と、ビット線180上及び第1の層間絶縁膜160上に形成された第2の層間絶縁膜100と、第2の層間絶縁膜100上に形成された水素バリア膜200と、水素バリア膜200上に形成された容量素子380と、容量素子380上及び水素バリア膜200上に形成された第3の層間絶縁膜400とを備えている。
As shown in FIG. 1C, the nonvolatile semiconductor memory device of this embodiment manufactured by the above method covers a MIS transistor having a
容量素子380は、水素バリア膜200上に形成されたバリア層230と、バリア層230上に形成された導電性水素/酸素バリア層240と、導電性水素/酸素バリア層240上に形成された第1の酸素バリア層250と、第1の酸素バリア層250上に形成された第2の酸素バリア層260と、第2の酸素バリア層260上に形成された下部電極270と、下部電極270上に形成された強誘電体膜280と、強誘電体膜280上に形成された上部電極290とを有している。
The
下部電極270は、バリア層230、導電性水素/酸素バリア層240、第1の酸素バリア層250、第2の酸素バリア層260、キャパシタコンタクト220、及びシリサイド層130を介してMISトランジスタのソースドレイン領域の他方に接続されている。
The
第2の層間絶縁膜100は、第1の層間絶縁膜160上に形成された第1の絶縁膜と、第1の絶縁膜上に形成され、第1の絶縁膜よりも膜密度が高い第2の絶縁膜とを有している。第1の絶縁膜は例えばSA−NSG膜であり、第2の絶縁膜は例えばHDP−NSG膜である。HDP−NSG膜は第2の層間絶縁膜100内の最上層であってよいが、第1の層間絶縁膜160及びビット線180と直接接触しない方が好ましい。
The second
第2の層間絶縁膜100がこのような構成を有しているので、研磨後にスクラッチが生じにくくなっており、熱処理後によるクラックが水素バリア膜200にほとんど見られない。
Since the second
−実施形態の変形例−
図2(a)〜(c)は、本発明の実施形態の一変形例に係る不揮発性半導体記憶装置の製造工程を示す断面図である。以下、この変形例に係る不揮発性半導体装置の製造方法について説明する。
-Modification of the embodiment-
2A to 2C are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a nonvolatile semiconductor memory device according to a modification of the embodiment of the present invention. Hereinafter, a method for manufacturing the nonvolatile semiconductor device according to this modification will be described.
まず、第1の実施形態と同様に、図1(a)に示す製造工程を経て、図2(a)に示す構造を得る。本変形例においても、第2の層間絶縁膜100は薄膜のSA−NSG膜とHDP−NSG膜との積層膜であり、上述の実施形態で説明した効果を得ることができる。
First, similarly to the first embodiment, the structure shown in FIG. 2A is obtained through the manufacturing process shown in FIG. Also in this modification, the second
次に、図2(b)に示すように、第2の層間絶縁膜100上に、例えばLP−SiNからなる水素バリア膜200を形成する。ここで、水素バリア膜200の膜厚は例えば150nmであり、図1(b)に示す例よりも厚くなっている。
Next, as illustrated in FIG. 2B, a
次に、水素バリア膜200、第2の層間絶縁膜100及び第1の層間絶縁膜160を貫通し、MISトランジスタの一方のソースドレイン領域(図示せず)上に形成されたシリサイド層130に到達するコンタクトホールを形成する。
Next, it penetrates through the
次に、コンタクトホール内にTi/TiNの密着層、タングステン(W)を埋め込んだ後、所望の領域以外に形成されたTi/TiNの密着層及びWをCMP法により除去してキャパシタコンタクト220を形成する。
Next, after filling the contact hole with a Ti / TiN adhesion layer and tungsten (W) in the contact hole, the Ti / TiN adhesion layer and W formed outside the desired region are removed by CMP to form the
このとき、所望の領域以外に形成されたTi/TiNの密着層及びWをCMP法により除去する際に、キャパシタコンタクト220のプラグ上端が周囲の水素バリア膜200の上面に対して凹型形状225になることがある。この状態でキャパシタコンタクト220の上に容量素子380を形成すると、キャパシタコンタクト220と容量素子380の底部との間に隙間ができ、容量素子380の底部と水素バリア膜200との間の密着性が悪くなる。
At this time, when the Ti / TiN adhesion layer and W formed in a region other than the desired region are removed by CMP, the upper end of the plug of the
凹型形状225をこのまま放置すると、後に、パッシベーション膜の堆積に代表される水素雰囲気での熱処理に曝された場合に、上記の密着性の悪い箇所から水素が進入し、強誘電体特性又は高誘電体特性が劣化する懸念がある。
If the
そこで、キャパシタコンタクト220のプラグ上端の凹型形状225を緩和する目的で、CMP法を用いて水素バリア膜200の上部を部分的に研磨する。研磨後の水素バリア膜200の膜厚は例えば130nm程度とする。研磨の際、水素バリア膜200には、CMPパッドの研磨圧力が加わる。
Therefore, for the purpose of relaxing the
ここで、従来技術のように、第2の層間絶縁膜にCMP法による平坦化を行った際のスクラッチが存在すれば、第2の層間絶縁膜上に形成した水素バリア膜がCMP研磨の際に受けるパッドからの圧力で、第2の層間絶縁膜100に存在するスクラッチを基に、局所的なストレスの不均衡が発生する。この場合、水素バリア膜にクラックが発生する恐れがあるが、本変形例の方法では、図1(a)〜(c)に示す実施形態に係る方法と同様に、第2の層間絶縁膜100を薄膜のSA−NSG膜とHDP−NSG膜との積層膜としているために、スクラッチがほとんど発生しない。また、CMP法を用いて水素バリア膜200の研磨を行う際に研磨パッドの研磨圧力が加わっても、第2の層間絶縁膜100にスクラッチは発生しない。このため、水素バリア膜にもクラックはほとんど発生しない。
Here, as in the prior art, if there is a scratch when the second interlayer insulating film is planarized by the CMP method, the hydrogen barrier film formed on the second interlayer insulating film is subjected to CMP polishing. Due to the pressure applied to the pad, a local stress imbalance occurs based on the scratch present in the second
なお、ここではCMP法を用いて水素バリア膜200の上部を除去する例を示したが、異方性エッチング等によって水素バリア膜200の上部を除去してもよい。ただし、クラック発生の懸念が高まるCMP法を用いる方が、クラックの発生を抑えるという本実施形態の効果をより発揮することができる。
Note that although an example in which the upper portion of the
次に、図2(c)に示すように、図1(c)と同様の工程を経て、本変形例に係る不揮発性半導体装置が作製できる。 Next, as shown in FIG. 2C, the non-volatile semiconductor device according to this modification can be manufactured through the same steps as in FIG.
以上のように、本変形例に係る不揮発性半導体記憶装置では、第2の層間絶縁膜100として薄膜のSA−NSG膜とHDP−NSG膜との積層膜を用いているので、膜厚変動率が2.3%以下となっている。そのため、第2の層間絶縁膜100上に水素バリア膜200を成長しても水素バリア膜に局所的なストレスの不均衡が発生せず、水素バリア膜200でのクラック発生を抑制できる。
As described above, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present modification, the thin film stack of the SA-NSG film and the HDP-NSG film is used as the second
このため、後に、パッシベーション膜の堆積に代表される水素雰囲気での熱処理の影響を受けにくく、容量素子380において強誘電体特性又は高誘電体特性がほとんど劣化しない。よって、残留分極量等のリテンション(データ保持)特性も劣化しないので、高信頼性の不揮発性半導体記憶装置を高い歩留まりで得ることが出来る。
For this reason, the ferroelectric element or the high dielectric characteristic is hardly deteriorated in the
なお、本発明の実施形態及びその変形例において、下部電極270、上部電極290はともにPtで構成されるとしたが、これに限定されるものではなく、貴金属またはその導電性化合物で構成されていればよい。下部電極270及び上部電極290は例えば、Ir、ルテニウム(Ru)、金(Au)、銀(Ag)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)又はオスミウム(Os)の酸化物、酸化イリジウム(IrO2)、酸化ルテニウム(RuO2)、酸化鉄(Fe2O3、Fe3O4)又は酸化銀(Ag2O)等でも、また、それらの積層膜でも同様の効果を得ることができる。
In the embodiment of the present invention and the modification thereof, the
また、強誘電体膜の構成材料はSBTとしたが、一般式がABO3(但し、AとBとは異なる元素である。)で表わされるペロブスカイト構造を有する化合物ならば同様の効果を得ることが出来る。ここで、元素Aは、例えば、鉛(Pb)、バリウム(Ba)、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)、ランタン(La)、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、マグネシウム(Mg)及びビスマス(Bi)からなる群より選択される少なくとも1つであり、元素Bは、例えば、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、スカンジウム(Sc)、コバルト(Co)、ハフニウム(Hf)、マグネシウム(Mg)及びモリブデン(Mo)からなる群より選択される少なくとも1つである。また、それらの元素を含むビスマス層状化合物で強誘電体膜が構成されていてもよい。 In addition, although the material of the ferroelectric film is SBT, the same effect can be obtained if it is a compound having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (where A and B are different elements). I can do it. Here, the element A is, for example, lead (Pb), barium (Ba), strontium (Sr), calcium (Ca), lanthanum (La), lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), magnesium. (Mg) and at least one selected from the group consisting of bismuth (Bi), and the element B is, for example, titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), tantalum (Ta), tungsten (W ), Iron (Fe), nickel (Ni), scandium (Sc), cobalt (Co), hafnium (Hf), magnesium (Mg), and molybdenum (Mo). Moreover, the ferroelectric film may be comprised with the bismuth layered compound containing those elements.
また、第1の酸素バリア層250には、Ir以外にIrTaOx、RuO2、Ruを用いることが出来る。また、第2の酸素バリア層260には、IrOx以外にIrTaOx・RuO2のいずれかの導電性酸化物を用いることが出来る。
In addition to Ir, IrTaOx, RuO 2 , and Ru can be used for the first
さらに、上記の実施形態においては水素バリア膜200をTiAlOx膜、変形例においては水素バリア膜200をLP−SiN膜としたが、TiN膜、TiAlN膜、AlOx膜及びSiN膜でも上述したのと同様の効果を得ることが出来る。
Furthermore, in the above embodiment, the
本変形例に係る方法のように、LP−CVD法によるSiN膜を水素バリア膜200として用いる場合は、成膜温度が600℃以上になり、第2の層間絶縁膜100を高温に曝しながら、水素バリア膜200を堆積することになる。そのため、水素バリア膜200は第2の層間絶縁膜100のスクラッチの影響を受けやすくなる。従って、本変形例では、第2の層間絶縁膜100を600℃以上の熱処理において膜厚変動の少ない膜にすることにより、特に大きな効果を得ることが出来る。
When a SiN film by LP-CVD is used as the
また、本実施形態及びその変形例に係る方法では、ビット線180上の第2の層間絶縁膜100をSA−NSG膜/HDP−NSG膜の積層膜としたが、HDP−NSG膜単層の構成でも、水素バリア膜200でのクラック発生を防ぐ効果はあり、クラックからの水素侵入による容量素子の特性劣化を大幅に低減できる効果はある。
In the method according to the present embodiment and the modification thereof, the second
しかしながら、ビット線180上に直接HDP−NSG膜を堆積すると、下地部分にプラズマダメージやスパッタダメージが入る懸念がある。そのため、上述の実施形態のように、第2の層間絶縁膜100を、プラズマを使用せずに成膜する膜とHDP−NSG膜との積層構造にすることで、下地部分にプラズマ損傷が生じるおそれが除かれる。
However, if the HDP-NSG film is directly deposited on the
また、本実施形態及びその変形例に係る方法において、SA−NSG膜の代わりにBPSG膜、PSG膜、high aspect ratio process(HARP)膜を用いても同様の効果を得ることができる。ただし、BPSG膜を用いる場合は、BPSG膜自体が熱処理による膜厚変動を起こすため、BPSG膜/HDP−NSG膜の膜厚比率を十分に小さくして第2の層間絶縁膜100にスクラッチが生じない範囲にすることが必要である。
Further, in the method according to the present embodiment and its modification, the same effect can be obtained by using a BPSG film, a PSG film, and a high aspect ratio process (HARP) film instead of the SA-NSG film. However, when a BPSG film is used, the BPSG film itself undergoes a film thickness variation due to heat treatment, so that the second
また、本実施形態及びその変形例に係る方法において、HDP−NSG膜をPE−TEOS膜またはLP−SiN等の膜厚変動率が少ない膜種に置き換えても同様の効果を得ることが出来る。 Further, in the method according to the present embodiment and its modification, the same effect can be obtained even if the HDP-NSG film is replaced with a film type having a small film thickness variation rate such as a PE-TEOS film or LP-SiN.
また、本実施形態及びその変形例に係る不揮発性半導体記憶装置において、メモリ搭載容量が大きくなり、基板を覆う水素バリア膜200のサイズ(表面積)が縦横200μm×200μm(40000μm2)を超えるまでになると、強誘電体特性を発現させるために必須である600〜850℃の熱処理が加わることにより、第2の層間絶縁膜のスクラッチに起因する局所的ストレスの不均衡によってクラックがより発生しやすくなる。そのため、水素バリア膜200の表面積が大きい場合には、特に本実施形態で説明した構成の効果が大きくなる。
Further, in the nonvolatile semiconductor memory device according to the present embodiment and its modification, the memory mounting capacity is increased, and the size (surface area) of the
また、水素バリア膜200として膜ストレスの大きなSiN膜を用いた場合は、膜に加わるストレスの不均衡が局所的に大きくなりやすいので、膜厚を(0nmより大きく)250nm以下にすることが望ましい。
In addition, when a SiN film having a large film stress is used as the
なお、薄膜に印加される特定の電圧により薄膜の抵抗状態が急激に変化することを利用した抵抗変化型不揮発半導体記憶装置においても、金属(高融点金属:W、Mo、Ta、Ti、Ni、白金族:Au、Pt及びその合金)の酸化物を薄膜材料として用いる場合があり、さらに所望の抵抗値を得るために、薄膜材料に400〜1000℃の熱処理を加えることがあるため、本実施形態及びその変形例に係る構成及び方法を適用することで高い信頼性の不揮発性半導体記憶装置を高い歩留りで得ることが出来る。 Note that even in a variable resistance nonvolatile semiconductor memory device that utilizes the fact that the resistance state of the thin film changes abruptly by a specific voltage applied to the thin film, a metal (refractory metal: W, Mo, Ta, Ti, Ni, In some cases, an oxide of platinum group: Au, Pt and alloys thereof may be used as a thin film material, and a heat treatment at 400 to 1000 ° C. may be applied to the thin film material in order to obtain a desired resistance value. By applying the configuration and method according to the embodiment and its modification, a highly reliable nonvolatile semiconductor memory device can be obtained with high yield.
以上に説明したように、本発明の不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法は、強誘電体、高誘電体あるいは抵抗変化層を記憶層として用いた、COB構造の不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法として有用であり、種々の電子機器に搭載可能である。 As described above, the nonvolatile semiconductor memory device and the manufacturing method thereof according to the present invention are a COB structure nonvolatile semiconductor memory device using a ferroelectric, high-dielectric, or variable resistance layer as a memory layer, and the manufacturing thereof. It is useful as a method and can be mounted on various electronic devices.
100 第2の層間絶縁膜
110 半導体基板
120 素子分離領域
130 シリサイド層
140 ゲート構造体
160 第1の層間絶縁膜
170 ビット線コンタクト
180 ビット線
200 水素バリア膜
220 キャパシタコンタクト
225 凹型形状
230 バリア層
240 導電性水素/酸素バリア層
250 第1の酸素バリア層
260 第2の酸素バリア層
270 下部電極
280 強誘電体膜
290 上部電極
380 容量素子
400 第3の層間絶縁膜
100 Second
Claims (17)
前記ビット線上を覆うように前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記層間絶縁膜の上面を研磨により平坦化する工程(c)と、
前記工程(c)の後、前記層間絶縁膜上に水素バリア膜を形成する工程(d)と、
前記水素バリア膜上に強誘電体又は高誘電体を含む容量素子を形成する工程(e)と、
前記容量素子に含まれる前記強誘電体又は前記高誘電体を焼結する熱処理を行う工程(f)とを備え、
前記層間絶縁膜は、前記工程(f)での熱処理による膜厚変動率が2.3%以下である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 Forming a bit line on the substrate (a);
Forming an interlayer insulating film on the substrate so as to cover the bit line;
Flattening the upper surface of the interlayer insulating film by polishing (c);
After the step (c), a step (d) of forming a hydrogen barrier film on the interlayer insulating film;
Forming a capacitive element including a ferroelectric or a high dielectric on the hydrogen barrier film (e);
A step (f) of performing a heat treatment for sintering the ferroelectric or the high dielectric contained in the capacitive element,
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film has a film thickness variation rate of 2.3% or less due to the heat treatment in the step (f).
前記工程(f)での熱処理は、600℃以上で行う不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 1,
The heat treatment in the step (f) is a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device that is performed at 600 ° C. or higher.
前記ビット線上を覆うように前記基板上に層間絶縁膜を形成する工程(b)と、
前記層間絶縁膜の上面を研磨により平坦化する工程(c)と、
前記工程(c)の後、前記層間絶縁膜上に水素バリア膜を形成する工程(d)と、
前記水素バリア膜上に抵抗変化素子を形成する工程(e)と、
前記抵抗変化素子に対して400℃〜1000℃の熱処理を行う工程(f)とを備え、
前記層間絶縁膜は、前記工程(f)での熱処理による膜厚変動率が2.3%以下である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 Forming a bit line on the substrate (a);
Forming an interlayer insulating film on the substrate so as to cover the bit line;
Flattening the upper surface of the interlayer insulating film by polishing (c);
After the step (c), a step (d) of forming a hydrogen barrier film on the interlayer insulating film;
Forming a variable resistance element on the hydrogen barrier film (e);
And (f) performing a heat treatment at 400 ° C. to 1000 ° C. on the variable resistance element,
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film has a film thickness variation rate of 2.3% or less due to the heat treatment in the step (f).
前記工程(d)と(e)との間に、前記水素バリア膜の上部を除去する工程をさらに備える不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to claim 1,
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, further comprising a step of removing an upper portion of the hydrogen barrier film between the steps (d) and (e).
前記水素バリア膜の上部を除去する工程は、CMP法を用いた研磨で行なう不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 4,
The step of removing the upper portion of the hydrogen barrier film is a method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, which is performed by polishing using a CMP method.
前記工程(d)で形成される前記水素バリア膜のサイズは、200μm×200μm以上である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to claim 1,
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein a size of the hydrogen barrier film formed in the step (d) is 200 μm × 200 μm or more.
前記工程(b)で形成される前記層間絶縁膜は、前記ビット線と直接接触しない高密度プラズマCVD膜を有する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to claim 1,
The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film formed in the step (b) has a high-density plasma CVD film that is not in direct contact with the bit line.
前記工程(d)では、前記ビット線を覆うように熱CVD法によりSA−NSG膜を形成した後、前記SA−NSG膜の上に高密度プラズマCVD法によりHDP−NSG膜を形成することで前記層間絶縁膜を形成する不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 7,
In the step (d), an SA-NSG film is formed by thermal CVD so as to cover the bit line, and then an HDP-NSG film is formed on the SA-NSG film by high-density plasma CVD. A method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device for forming the interlayer insulating film.
前記工程(d)では、LP−CVD法によって窒化シリコンからなる前記水素バリア膜が形成される不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 In the manufacturing method of the non-volatile semiconductor memory device according to claim 1,
In the step (d), a method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device in which the hydrogen barrier film made of silicon nitride is formed by an LP-CVD method.
前記水素バリア膜の膜厚は250nm以下である不揮発性半導体記憶装置の製造方法。 The method of manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device according to claim 9.
A method for manufacturing a nonvolatile semiconductor memory device, wherein the hydrogen barrier film has a thickness of 250 nm or less.
前記ビット線上を覆うように前記基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された水素バリア膜と、
前記水素バリア膜上に形成され、強誘電体又は高誘電体を含む容量素子とを備え、
前記層間絶縁膜は、前記ビット線を覆う第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜よりも膜密度の大きい第2の絶縁膜とを有している前記不揮発性半導体記憶装置。 A bit line formed on the substrate;
An interlayer insulating film formed on the substrate so as to cover the bit line;
A hydrogen barrier film formed on the interlayer insulating film;
A capacitor element formed on the hydrogen barrier film and including a ferroelectric or a high dielectric;
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film includes a first insulating film that covers the bit line and a second insulating film having a film density higher than that of the first insulating film.
前記ビット線上を覆うように前記基板上に形成された層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成された水素バリア膜と、
前記水素バリア膜上に形成された抵抗変化素子とを備え、
前記層間絶縁膜は、前記ビット線を覆う第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜よりも膜密度の大きい第2の絶縁膜とを有している前記不揮発性半導体記憶装置。 A bit line formed on the substrate;
An interlayer insulating film formed on the substrate so as to cover the bit line;
A hydrogen barrier film formed on the interlayer insulating film;
A variable resistance element formed on the hydrogen barrier film,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film includes a first insulating film that covers the bit line and a second insulating film having a film density higher than that of the first insulating film.
前記水素バリア膜のサイズは、200μm×200μm以上である不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 11 or 12,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein the hydrogen barrier film has a size of 200 μm × 200 μm or more.
前記層間絶縁膜は、前記第2の絶縁膜として、前記ビット線と直接接触しない高密度プラズマCVD膜を有する不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 11 to 13,
The non-volatile semiconductor memory device, wherein the interlayer insulating film has a high-density plasma CVD film that is not in direct contact with the bit line as the second insulating film.
前記第1の絶縁膜は前記ビット線を覆うSA−NSG膜であり、前記第2の絶縁膜は前記SA−NSG膜上に形成されたHDP−NSG膜である不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 14,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the first insulating film is an SA-NSG film that covers the bit line, and the second insulating film is an HDP-NSG film formed on the SA-NSG film.
前記水素バリア膜は窒化シリコンからなる不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to any one of claims 11 to 15,
The hydrogen barrier film is a nonvolatile semiconductor memory device made of silicon nitride.
前記水素バリア膜の膜厚は250nm以下である不揮発性半導体記憶装置。 The nonvolatile semiconductor memory device according to claim 16,
The nonvolatile semiconductor memory device, wherein the hydrogen barrier film has a thickness of 250 nm or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010166868A JP2012028606A (en) | 2010-07-26 | 2010-07-26 | Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010166868A JP2012028606A (en) | 2010-07-26 | 2010-07-26 | Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2012028606A true JP2012028606A (en) | 2012-02-09 |
Family
ID=45781175
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010166868A Withdrawn JP2012028606A (en) | 2010-07-26 | 2010-07-26 | Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2012028606A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109994603A (en) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 长鑫存储技术有限公司 | Semiconductor device structure and preparation method |
CN115506029A (en) * | 2022-09-30 | 2022-12-23 | 北京理工大学 | Method for regulating and controlling topological ferroelectric domain configuration through nano indentation/scratch |
-
2010
- 2010-07-26 JP JP2010166868A patent/JP2012028606A/en not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN109994603A (en) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 长鑫存储技术有限公司 | Semiconductor device structure and preparation method |
CN109994603B (en) * | 2017-12-29 | 2023-01-13 | 长鑫存储技术有限公司 | Semiconductor device structure and preparation method |
CN115506029A (en) * | 2022-09-30 | 2022-12-23 | 北京理工大学 | Method for regulating and controlling topological ferroelectric domain configuration through nano indentation/scratch |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3681632B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
US7488628B2 (en) | Methods for fabricating ferroelectric memory devices with improved ferroelectric properties | |
JP2009253033A (en) | Semiconductor memory and method for manufacturing the same | |
US20150221658A1 (en) | Semiconductor device and manufacturing method for same | |
KR100973703B1 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing same | |
JP5076890B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP6299114B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device | |
JP2010056133A (en) | Semiconductor memory device | |
WO2006103779A1 (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
JP2008147491A (en) | Semiconductor memory device | |
JP4105656B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2006310637A (en) | Semiconductor device | |
JP3914681B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method thereof | |
JP2006339498A (en) | Capacitive element with stereoscopic structure | |
JP2012028606A (en) | Nonvolatile semiconductor memory device and manufacturing method of the same | |
JP2010093064A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP4579236B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP5487140B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2010157560A (en) | Semiconductor memory device and method of manufacturing same | |
JP2009105223A (en) | Semiconductor device, and its manufacturing method | |
JP2010141143A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
KR100943011B1 (en) | Semiconductor device and method for manufacturing same | |
JP2010040905A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP4649899B2 (en) | Semiconductor memory device and manufacturing method thereof | |
JP2011066145A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing semiconductor device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20131001 |